Соединение резисторов последовательное, параллельное, смешанное. Расчет на примере

Соединение резисторов — это взаимное расположение данных элементов в цепи относительно друг друга и источника питания. Можно по отдельности выделить последовательное и параллельное соединение резисторов. Когда в схеме присутствуют оба варианта, то такое соединение называется смешанным.

Нам известно, что резистор — это электронный компонент, который обладает электрическим сопротивлением и мощностью рассеивания. Если в цепи имеется несколько резисторов, то для получения общего сопротивления прибегают к расчетам по правилам последовательного или параллельного соединения. Помимо общего сопротивления, группы резисторов по закону Ома влияют на напряжение и силу тока на участках цепи. И в данном обзоре будет доступно рассмотрена методика расчета общего сопротивления при различных видах соединения резисторов. Также будет рассмотрен наглядный пример со смешанным соединением резисторов, где помимо сопротивлений будут просчитаны напряжения и сила тока на разных участках.

Стоит сразу отметить, что в данной теме рассеивающая мощность резисторов вынесена за скобки. Мощность важна при подборе и комбинировании резисторов в схеме, но это уже отдельная тема. К тому же все рассмотренные примеры взяты с учетом источника переменного напряжения 220 В. Почему так? Об этом вы узнаете в последнем пункте публикации.

Последовательное соединение резисторов

Последовательное соединение резисторов — это такое взаимное расположение компонентов, при котором ток движется в одном направлении и имеет общее значение для каждого резистора. При таком соединении напряжение на каждом участке будет пропорционально сопротивлению конкретного резистора в цепи.

Принципиальная схема последовательного соединения:

Как видно в цепи последовательно соединено три резистора (их может быть и больше). Сопротивление первого резистора R1 = 20 Ом. Второго R2 = 70 Ом. Третьего R3 = 10 Ом.

Для подсчета общего (эквивалентного) сопротивление при последовательном соединении нужно сложить все номинальные сопротивления резисторов входящих в цепь:

R = R1 + R2 + R3 + … + Rn.

R = 20 + 70 + 10 = 100 Ом.

В представленной схеме для наглядности приведены напряжения на каждом из трех участков. И падение напряжения происходит в зависимости от сопротивления конкретного резистора. Сила тока в цепи общая для всех резисторов (I = I1 = I2 = I3). Поэтому согласно закону Ома сила тока при известном напряжении источника питания (в данном случае U = 220 В) определяется по формуле:

I = U / R = U / (R1 + R2 + R3 + … + Rn).

I = 220 / (20 + 70 + 10) = 220 / 100 = 2,2 A.

Формулы нахождения напряжения на участке цепи при известной силе тока (в данном случае I = I1 = I2 = I3 = 2,2 A):

• U1 = I × R1.
• U2 = I × R2.
• U3 = I × R3.
• Un = I × Rn.

Соответственно U1 = 2,2 × 20 = 44 В; U2 = 2,2 × 70 = 154 В; U3 = 2,2 × 10 = 22 В. В итоге сумма разностей потенциалов на резисторах равна общей разности потенциалов всей цепи (220 В).

Рассмотренные три резистора в последовательной цепи можно заменить одним с сопротивлением 100 Ом:

Если можно несколько резисторов заменить одним, то возникает логичный вопрос, зачем применяется такое комбинирование. Простыми словами можно ответить, что иногда невозможно подобрать резистор с требуемыми параметрами или необходимо создать более сложные электронные схемы. В этом случае прибегают к последовательному, параллельному или смешанному соединению в цепи.

В цепи из последовательно соединенных резисторов главную роль играет тот, у которого самое большое сопротивление. Именно он в значительной степени влияет на общее сопротивление. К примеру, если соединить три резистора, номинал которых равен 1, 10 и 100 Ом, то в результате получиться составной с сопротивлением 111 Ом. Если убрать резистор на 100 Ом, то общее сопротивление цепочки резко уменьшиться до 11 Ом. А если убрать резистор на 10 Ом, то сопротивление незначительно уменьшиться до 101 Ом.

Какая мощность тока при последовательном и параллельном соединении

Определение мощности отдельного резистивного элемента производится по формуле

P = U²/R или P = I²R , которую можно вывести из формулы расчета мощности электрической цепи P = UI по закону Ома.

Мощность при параллельном соединении

Рассчитав сопротивление каждого элемента в отдельности, считаем мощность каждого по формуле P = I²R, где

• R – не номинальное сопротивление резистивного элемента, а рассчитанное для данной цепи;
• I – сила тока в цепи.

При параллельном соединении через меньший резистор протекает больший ток – мощность рассеивания на этом резистивном элементе будет больше, чем на остальных.

Важно! При расчете параллельной цепи следует учитывать мощность сопротивления с самым маленьким номиналом.

Мощность при последовательном соединении

Вычислив сопротивление каждого резистивного элемента по отдельности, рассчитываем мощность каждого по формуле P = U²/R, где

• R – рассчитанное нами сопротивление для определенной схемы;
• U – падение напряжения на данном резистивном элементе.

Справка: Полную мощность цепи при последовательном и параллельном соединении можно найти, сложив вычисленные мощности отдельных элементов, входящих в цепь Pобщ = P1+P2+P3+…+Pn.

Параллельное соединение резисторов

Параллельное соединение резисторов — это такое взаимное соединение компонентов, при котором оба вывода одного резистора соединены с соответствующими выводами другого резистора или резисторов.

При таком соединении напряжение во всей цепи и на каждом участке одинаково и равно напряжению источника питания U = U1 = U2 = U3 = Un. По каждому резистору течет свой ток. Сумма токов всех резисторов дает общую силу тока цепи: I = I1 + I2 + I3 + … + In. Соответственно общая проводимость параллельной цепи равна сумме ее отдельных проводимостей. Проводимость есть величина, обратная сопротивлению, поэтому эквивалентное сопротивление параллельно соединенных резисторов определяется следующим отношением:

1 / R = 1 / R1 + 1 / R2 + 1 / R3 + … + 1 / Rn. Величина, обратная общему сопротивлению цепи, равна сумме величин, обратных сопротивлениям параллельно включенных проводников.

Рассчитаем общее сопротивление для приведенного выше примера с параллельным соединением резисторов:

1 / R = 1 / 20 + 1 / 70 + 1 / 10 ≈ 0,164.

R ≈ 1 / 0,164 ≈ 6,097 Ом.

Для наглядности смоделируем в программе Electronics Workbench замену трех параллельно соединенных резисторов одним (R = 6,097 Ом):

Как видно, расчет был произведен правильно, так как сила тока в цепи с резистором 6,097 Ом равна силе тока в цепи с параллельным соединением (36,08 A ≈ 36,14 A).

Выделим основные особенности параллельного соединения резисторов:

• Общее сопротивление всегда меньше сопротивления любого параллельно включенного резистора.
• Увеличение числа параллельно соединенных резисторов ведет к уменьшению общего сопротивления и увеличению общей силы тока в цепи.
• Если параллельно соединены два резистора с одинаковым сопротивлением, то общее сопротивление этих резисторов будет ровно в два раза меньше, чем сопротивление каждого из резисторов, входящих в эту цепочку.
• Если в цепи используются резисторы одного номинала, то формула общего сопротивления упрощается и принимает вид R = R1 / N (R1 – номинальное сопротивление резистора; N – количество резисторов с одинаковым номинальным сопротивлением).

Решение задач по теме:

Под со­еди­не­ни­ем про­вод­ни­ков под­ра­зу­ме­ва­ет­ся со­еди­не­ние ре­зи­сто­ров – при­бо­ров, сде­лан­ных на ос­но­ве со­про­тив­ле­ния про­вод­ни­ков. На преды­ду­щих уро­ках были рас­смот­ре­ны па­рал­лель­ное и по­сле­до­ва­тель­ное со­еди­не­ния. На дан­ном уроке будут рас­смот­ре­ны за­да­чи на сме­шан­ное со­еди­не­ние про­вод­ни­ков, то есть когда в цепи при­сут­ству­ет и по­сле­до­ва­тель­ное, и па­рал­лель­ное со­еди­не­ние.

Для ре­ше­ния задач сна­ча­ла рас­смот­рим фор­му­лы для связи раз­лич­ных ве­ли­чин при па­рал­лель­ном и по­сле­до­ва­тель­ном со­еди­не­ни­ях:

Если про­вод­ни­ки со­еди­не­ны по­сле­до­ва­тель­но, то сила тока в них оди­на­ко­ва и равна силе тока в цепи. При этом общее на­пря­же­ние в цепи будет со­сто­ять из суммы на­пря­же­ний на каж­дом про­вод­ни­ке. А если го­во­рить о со­про­тив­ле­нии этого участ­ка цепи, в ко­то­ром про­вод­ни­ки со­еди­не­ны по­сле­до­ва­тель­но, то оно равно сумме со­про­тив­ле­ний про­вод­ни­ков.

В по­сле­до­ва­тель­ном со­еди­не­нии все по-дру­го­му. Сила тока в каж­дой ветке этой цепи будет раз­лич­ной, при этом общая сила тока в цепи будет вы­чис­лять­ся как сумма сил токов в про­вод­ни­ках. На­пря­же­ние на про­вод­ни­ках, со­еди­нен­ных по­сле­до­ва­тель­но, будет оди­на­ко­вым. Общее со­про­тив­ле­ние этого участ­ка цепи, так на­зы­ва­е­мое «эк­ви­ва­лент­ное со­про­тив­ле­ние» R, будет вы­чис­лять­ся по сле­ду­ю­щей фор­му­ле: .

Также стоит от­ме­тить, что па­рал­лель­ное со­еди­не­ние обыч­но при­ме­ня­ет­ся при вклю­че­нии бы­то­вых при­бо­ров, а по­сле­до­ва­тель­ное – для того, чтобы со­здать длин­ную нераз­ветв­лен­ную цепь.

Задача №1

Рас­смот­рим сле­ду­ю­щую за­да­чу. Уча­сток цепи со­сто­ит из двух по­сле­до­ва­тель­но со­еди­нен­ных со­про­тив­ле­ний, каж­дое из ко­то­рых равно 1 Ом. К этим двум ре­зи­сто­рам па­рал­лель­но под­клю­ча­ют еще одно со­про­тив­ле­ние, зна­че­ние ко­то­ро­го со­став­ля­ет 2 Ом. Всю эту цепь под­клю­ча­ют к ис­точ­ни­ку тока, ко­то­рый со­зда­ет на кон­цах дан­но­го со­еди­не­ния на­пря­же­ние 2,4 В. Необ­хо­ди­мо опре­де­лить силу тока во всей элек­три­че­ской цепи (рис. 1).

Рис. 1. Усло­вия и ри­су­нок за­да­чи № 1

Как видим, ре­зи­сто­ры R1 и R2 со­еди­не­ны по­сле­до­ва­тель­но, ре­зи­стор R3 – па­рал­лель­но к ним. Ис­точ­ник дает на­пря­же­ние 2,4 В, со­от­вет­ствен­но, на участ­ке АВ на­пря­же­ние будет также 2,4 В. Сила тока, ко­то­рую тре­бу­ет­ся найти, – это сила тока, про­те­ка­ю­щая через ам­пер­метр А.

Такое со­еди­не­ние про­вод­ни­ков на­зы­ва­ет­ся нераз­ветв­лен­ным. В про­мыш­лен­но­сти обыч­но из­го­тав­ли­ва­ет­ся набор ре­зи­сто­ров с четко опре­де­лен­ны­ми со­про­тив­ле­ни­я­ми, но для экс­пе­ри­мен­тов могут по­на­до­бить­ся любые раз­лич­ные со­про­тив­ле­ния. Тогда с по­мо­щью таких схем можно со­зда­вать нуж­ное со­про­тив­ле­ние для экс­пе­ри­мен­та или при­бо­ра.

Далее тре­бу­ет­ся опре­де­лить эк­ви­ва­лент­ное со­про­тив­ле­ние нераз­ветв­лен­ной части. Сна­ча­ла по­смот­рим, чему равно со­про­тив­ле­ние R’ участ­ка цепи АВ, ко­то­рый со­дер­жит толь­ко ре­зи­сто­ры R1 и R2. Они со­еди­не­ны по­сле­до­ва­тель­но, тогда R′=R1+R2=2 [Ом]. Те­перь можно пе­ре­ри­со­вать элек­три­че­скую цепь, за­ме­нив со­про­тив­ле­ния R1 и R2 эк­ви­ва­лент­ным им со­про­тив­ле­ни­ем R’ (рис. 2).

Рис. 2. Пер­вая за­ме­на эк­ви­ва­лент­ным со­про­тив­ле­ни­ем

Те­перь можно ска­зать, что уча­сток АВ вклю­ча­ет в себя не три, а два со­про­тив­ле­ния: R3 и R’. Эти два со­про­тив­ле­ния со­еди­не­ны па­рал­лель­но, со­от­вет­ствен­но, можно найти общее со­про­тив­ле­ние элек­три­че­ской цепи по фор­му­ле . Вы­ра­зив R и под­ста­вив зна­че­ния , по­лу­ча­ем:

Стоит от­ме­тить, что со­про­тив­ле­ния были со­еди­не­ны, но общее со­про­тив­ле­ние по­лу­чи­лось все равно рав­ным 1 Ом. Те­перь элек­три­че­скую цепь можно за­ме­нить сле­ду­ю­щей (рис. 3):

Рис. 3. Вто­рая за­ме­на эк­ви­ва­лент­ным со­про­тив­ле­ни­ем

На рис. 3 со­про­тив­ле­ние R=1 Ом на­зы­ва­ет­ся эк­ви­ва­лент­ным со­про­тив­ле­ни­ем, по­сколь­ку три со­про­тив­ле­ния были за­ме­не­ны на одно. Чтобы рас­счи­тать силу тока в цепи, надо ис­поль­зо­вать закон Ома для участ­ка цепи: . На­пря­же­ние на со­про­тив­ле­нии R – это на­пря­же­ние на участ­ке АВ (Рис. 1), ко­то­рое, в свою оче­редь, равно 2,4.Тогда . Это и будет зна­че­ние силы тока в элек­три­че­ской цепи, ко­то­рое по­ка­жет ам­пер­метр.

Смешанное соединение резисторов

Смешанное соединение резисторов — это комбинация последовательного и параллельного соединения. Иногда такую комбинацию называют последовательно-параллельным соединением.

Пример цепи со смешанным соединением резисторов:

Для расчета эквивалентного сопротивления таких соединений всю цепь разбивают на простейшие участки и придерживаются следующего алгоритма: