Проверим справедливость показанных здесь формул на простом эксперименте.
Возьмём два резистора МЛТ-2 на 3 и 47 Ом и соединим их последовательно. Затем измерим общее сопротивление получившейся цепи цифровым мультиметром. Как видим оно равно сумме сопротивлений резисторов, входящих в эту цепочку.
Замер общего сопротивления при последовательном соединении
Теперь соединим наши резисторы параллельно и замерим их общее сопротивление.
Измерение сопротивления при параллельном соединении
Как видим, результирующее сопротивление (2,9 Ом) меньше самого меньшего (3 Ом), входящего в цепочку. Отсюда вытекает ещё одно известное правило, которое можно применять на практике:
При параллельном соединении резисторов общее сопротивление цепи будет меньше наименьшего сопротивления, входящего в эту цепь.
Что ещё нужно учитывать при соединении резисторов?
Во-первых, обязательно учитывается их номинальная мощность. Например, нам нужно подобрать замену резистору на 100 Ом и мощностью 1 Вт . Возьмём два резистора по 50 Ом каждый и соединим их последовательно. На какую мощность рассеяния должны быть рассчитаны эти два резистора?
Поскольку через последовательно соединённые резисторы течёт один и тот же постоянный ток (допустим 0,1 А ), а сопротивление каждого из них равно 50 Ом , тогда мощность рассеивания каждого из них должна быть не менее 0,5 Вт . В результате на каждом из них выделится по 0,5 Вт мощности. В сумме это и будет тот самый 1 Вт .
Данный пример достаточно грубоват. Поэтому, если есть сомнения, стоит брать резисторы с запасом по мощности.
Подробнее о мощности рассеивания резистора читайте .
Во-вторых, при соединении стоит использовать однотипные резисторы, например, серии МЛТ. Конечно, нет ничего плохого в том, чтобы брать разные. Это лишь рекомендация.
Собирая самостоятельные схемы, начинающие радиолюбители сталкиваются с необходимостью установить то или иное сопротивление, величины которого нет в стандартном ряде или на руках. Поэтому нужная величина импеданса подбирается путём параллельного или последовательного соединения элементов. Для правильного вычисления эквивалентного значения проще всего воспользоваться калькулятором для сопротивления, но можно и провести вычисления самостоятельно по несложным формулам.
Назначение и определение импеданса
Практически ни одно электронное устройство не обходится в своей схеме без резисторов. Являясь пассивными элементами, они имеют основное предназначение - ограничивать величину тока в электрической цепи. Кроме токоограничения, они служат делителями напряжения или шунтами в измерительных приборах.
Электрическое сопротивление - это величина, имеющая физическую природу и характеризующая возможность проводника пропускать электрический ток. Принцип работы резистора был описан выдающимся экспериментатором Омом. Позже в его честь и была названа единица измерения электрического сопротивления - Ом. Учёный, проводя ряд экспериментов, установил зависимость между силой тока, напряжением и сопротивлением в проводнике. В результате была выведена простая формула, известная как закон Ома: I = U/R, где:
- I - проходящая через проводник сила тока, измеряемая в Амперах;
- U - напряжение, приложенное к проводнику, единица измерения - Вольт;
- R - сопротивление проводника, измеряется в Омах.
Позже устройства, использующиеся только в качестве элементов сопротивления в электрических цепях, получили название - резисторы. Такие приборы, кроме величины сопротивления, характеризуются мощностью, рассчитывающейся по следующей формуле: P = I2 * R. Полученная величина измеряется в Ваттах.
В схемотехнике используется как параллельное, так и последовательное соединение проводников. В зависимости от этого изменяется и величина импеданса участка цепи. Вид соединения, если он не используется для подбора нужного значения, как раз и характеризует применение резисторов в первом случае как токоограничителей, а во втором - как делителей напряжения.
На схемах резисторы обозначаются в виде прямоугольника и подписываются латинской буквой R. Рядом указывается порядковый номер и значение сопротивления. Например, R23 1k обозначает, что резистор с номером 23 имеет сопротивление, равное одному килоОму. Полоски, изображённые внутри прямоугольника, характеризуют мощность, рассеиваемую на проводнике.
Фундаментальный закон сохранения энергии гласит: энергия никуда не исчезает и из ниоткуда не появляется, а только изменяет форму. Поэтому при ограничении тока часть энергии трансформируется в тепло. Именно эту часть и называют мощностью рассеивания резистора, т. е. такую её величину, которую может выдержать сопротивление без изменения своих параметров.
Сам по себе резистор может иметь различную конструкцию и вид . Например, быть проволочным, керамическим, слюдяным и т. п. Маркируется он тремя способами:
Поэтому видя, какие резисторы установлены в схеме, даже начинающему радиолюбителю не составит труда рассчитать общее сопротивление, особенно используя онлайн-калькулятор параллельного соединения резисторов или последовательного. В случае невозможности различить маркировку на корпусе его сопротивление возможно измерить мультиметром. Но опытные электротехники знают, что для точного измерения понадобится один вывод сопротивления отсоединить от схемы. Связано это как раз с видом подключения проводника.
Параллельное соединение
Из решения видно, что если R1 совпадает по номиналу с R2, то общая величина сопротивления равна половине значения одного из элементов. Поэтому при требуемом номинале, равном 6 Ом, это значение составит: Rx = 2*6 = 12 Ом. Для проверки результата следует подставить полученный ответ в формулу: Rэ = (R1*R2) / (R1+R2) = (12*12) / (12+12) = 6 Ом.
Таким образом, решением поставленной задачи будет параллельное включение двух резисторов с величиной сопротивления, равной 12 Ом.
Задача на нахождение эквивалента
Пусть существует схема с тремя параллельно включёнными резисторами и для её упрощения необходимо заменить их одним элементом. Номиналы проводников составляют: R1 = 320 Ом, R2= 10 Ом, R3 = 1 кОм. Для решения задачи используется уже известная формула:
- 1/R = (1/R1) + (1/R2) + (1/R3);
- Rэкв = (R1*R2*R3) / (R1+R2+R3).
Перед тем как подставлять величины в формулу , их все понадобится привести к международной системе единиц (СИ). Так, один килоОм равен 1000 Ом, при подставлении этого значения получается ответ: Rэ = (320*1*1000) / (320+10+1000) = 2406 Ом или 2,4 кОм, что как раз соответствует величине из стандартного ряда. Такая методика расчёта применяется для любого количества параллельно соединённых резисторов.
Последовательное включение
Используя эти правила, которые справедливы для любого числа соединённых проводников в схеме, определяется общее значение импеданса для любого вида подключения. Для того чтобы определить эквивалентное значение сопротивления параллельно-последовательного соединения, участок схемы делится на небольшие группы из параллельно или последовательно включённых резисторов. Затем используется алгоритм, помогающий оптимально посчитать значение эквивалента:
Определяется общее сопротивление всех узлов в схеме с параллельным подключением резисторов:
- При нахождении в этих узлах последовательно соединённых проводников первоначально считается их сопротивление.
- Как только значения эквивалентных значений вычислены, схема упрощается до последовательной цепочки из эквивалентных резисторов.
- Находится окончательное значение общего сопротивления.
Например, существует схема, в которой надо определить полное сопротивление цепи, при этом сопротивление резисторов R1=R3=R5=R6=3 Ом, а R2 =20 Ом и R4=24 Ом. Сопротивления R3, R4, и R5 включены последовательно, поэтому общий импеданс на этом участке цепи равен: Rоб1 = R3+R4+R5 = 30 Ом.
После замены R3, R4, R5 на Rоб1 резистор R3 окажется подключённым параллельно этому сопротивлению. Поэтому импеданс на этом участке будет равен:
Rоб2 = (R2* Rоб1) / (R3+Rоб1) = (20*30) / (20+30) = 12 Ом.
Резисторы R1 и R6 включены с Rоб2 последовательно, а это значит, что эквивалент всей схемы равен: Rэкв = Rоб1+Rоб2+ R6 = 3+12+3 = 18 Ом.
Так шаг за шагом вычисляется эквивалентное значение любой сложности схемы . При множестве проводников, входящих в электрическую цепь, нетрудно ошибиться при расчётах, поэтому все операции выполняются аккуратно или используются онлайн-калькуляторы.
Онлайн-расчёт на калькуляторе
Создано множество интернет-страниц, позволяющих найти сопротивление параллельных резисторов за несколько секунд, используя в своих вычислительных алгоритмах формулы для расчёта параллельного соединения. Такие калькуляторы достаточно полезны радиолюбителям-конструкторам или специалистам РЭА при возникновении затруднения с выбором нужного номинала резистора для замены его в цепи электронного устройства.
Внешний вид онлайн-приложений может отличаться друг от друга, а вот принцип работы одинаков. Немаловажным является в работе программ тот факт, что алгоритмы их вычисления используют разную точность в округлении результата, поэтому ответ в некоторых программах при сравнении может немного отличаться.
Само приложение обычно представляет собой ячейки, в которые вносится величина значений резисторов в международной системе измерений. После того как все поля заполнены, нажимается кнопка «Рассчитать» и получается ответ в ячейке напротив. Ответ рассчитывается в Омах. В некоторых приложениях функциональность может быть расширена, это такие возможности, как автоматический перевод значений резисторов в систему СИ, отображение наиближайшего стандартного значения сопротивления из номинального ряда, близкого к полученному ответу.
Полезной функцией может быть и обратный переход, когда вводится эквивалентное сопротивление, а в ответе выдаётся комбинация номиналов проводника для параллельного включения.
применяется для увеличения сопротивления. Т.е. когда резисторы соединены последовательно, общее сопротивление равняется сумме сопротивлений каждого резистора. Например, если резисторы R1 и R2 соединены последовательно, их общее сопротивление высчитывается по формуле:Таким образом, расчёт с использованием онлайн-калькуляторов помогает решить задачу не только быстро, но и безошибочно, чем часто пользуются не только радиолюбители, но и профессионалы.
R = R1 + R2 .
Это справедливо и для большего количества соединённых последовательно резисторов:
R = R1 + R2 + R3 + R4 + ... + Rn .
Цепь из последовательно соединённых резисторов будет всегда иметь сопротивление большее , чем у любого резистора из этой цепи.
При последовательном соединении резисторов изменение сопротивления любого резистора из этой цепи влечёт за собой как изменение сопротивления всей цепи так и изменение силы тока в этой цепи.
Параллельное соединение резисторов (формула)
Необходимо для уменьшения общего сопротивления и, как вариант, для увеличения мощности нескольких резисторов по сравнению с одним.
Расчет параллельного сопротивления
Расчет параллельного сопротивления двух параллельно соединённых резисторов R1 и R2 производится по следующей формуле:Параллельное соединение трёх и более резисторов требует более сложной формулы для вычисления общего сопротивления:
Сопротивление параллельных резисторов
| 1 | = | 1 | + | 1 | + | 1 | + ... |
| R | R1 | R2 | R3 |
Как видно, вычислить сопротивление двух параллельных резисторов значительно удобнее.
Сопротивление параллельно соединённых резисторов будет всегда меньше, чем у любого из этих резисторов.
Часто используют в случаях, когда необходимо сопротивление с большей мощностью. Для этого, как правило, используют резисторы с одинаковой мощностью и одинаковым сопротивлением. Общая мощность, в таком случае, вычисляется умножением мощности одного резистора на количество параллельно соединённых резисторов.
Например: десять резисторов номиналом 1 КОм и мощностью 1 Вт каждый, соединённые параллельно будут иметь общее сопротивление 100 Ом и мощность 10 Вт.
При последовательном соединении мощность резисторов также складывается. Т.е. в том же примере, но при последовательном соединении, общее сопротивление будет равно 10 КОм и мощность 10 Вт.
1 мОм = 0,001 Ом. 1 кОм = 1 000 = 10³ Ом. 1 МОм = 1 000 000 = 10⁶ Ом.
Эквивалентное сопротивление R eq группы параллельно соединенных резисторов является величиной, обратной сумме величин, обратно пропорциональных сопротивлениям этих резисторов.
Иными словами, проводимость G параллельно соединенных резисторов равна сумме проводимостей этих резисторов:
Эта формула для R eq и используется в данном калькуляторе для расчетов. Например, общее сопротивление трех резисторов 10, 15 и 20 ом, соединенных параллельно, равно 4.62 Ом:
Если параллельно соединены только два резистора, формула упрощается:
Если имеется n соединенных параллельно одинаковых резисторов R , то их эквивалентное сопротивление будет равно
Отметим, что общее сопротивление группы из любого количества соединенных параллельно резисторов всегда будет меньше, чем наименьшее сопротивление резистора в группе и добавление нового резистора всегда приведет к уменьшению эквивалентного сопротивления.
Отметим также, что все резисторы, соединенные параллельно находятся под одним и тем же напряжением. Однако токи, протекающие через отдельные резисторы, отличаются и зависят от их сопротивления. Общий ток через группу резисторов равен сумме токов в отдельных резисторах.
При соединении нескольких резисторов параллельно всегда нужно учитывать их допуски и рассеиваемую мощность.
Примеры применения параллельного соединения резисторов
Одним из примеров параллельного соединения резисторов является шунт в приборе для измерения токов, которые слишком велики для того, чтобы быть напрямую измеренными прибором, предназначенным для измерения небольших токов или напряжений. Для измерения тока параллельно гальванометру или электронному прибору, измеряющему напряжение, подключается резистор с очень маленьким точно известным сопротивлением, изготовленный из материала со стабильными характеристиками. Этот резистор называется шунтом. Измеряемый ток протекает через шунт. В результате на нем падает небольшое напряжение, которое и измеряется вольтметром. Поскольку падение напряжения пропорционально току, протекающему через шунт с известным и точным сопротивлением, вольтметр, подключенный параллельно шунту, можно проградуировать непосредственно в единицах тока (амперах).
Параллельные и последовательные схемы часто используются для получения точного сопротивления или если резистора с требуемым сопротивлением нет или он слишком дорог, если его приобретать в небольших количествах для массового производства . Например, если устройство содержит много резисторов по 20 кОм и необходим только один резистор 10 кОм. Конечно, несложно найти резистор на 10 кОм. Однако для массового производства иногда бывает лучше поставить два резистора на 20 кОм параллельно, чтобы получить необходимые 10 кОм. Это приведет к снижению себестоимости печатной платы, так как будет снижена оптовая цена компонентов, а также стоимость монтажа, так как будет уменьшено количество типоразмеров элементов, которые должен установить на плату автомат установки компонентов.
Параллельные соединения резисторов, формула расчёта которых выводится из закона Ома и правил Кирхгофа, являются наиболее распространённым типом включения элементов в электрическую цепь. При параллельном соединении проводников два или несколько элементов объединяются своими контактами с обеих из сторон соответственно. Подключение их к общей схеме осуществляется именно этими узловыми точками.
Особенности включения
Включённые таким образом проводники нередко входят в состав сложных цепочек, содержащих, помимо этого, последовательное соединение отдельных участков.
Для такого включения типичны следующие особенности:
- Общее напряжение в каждой из ветвей будет иметь одно и то же значение;
- Протекающий в любом из сопротивлений электрический ток всегда обратно пропорционален величине их номинала.
В частном случае, когда все включённые в параллель резисторы имеют одинаковые номинальные значения, протекающие по ним «индивидуальные» токи также будут равны между собой.
Расчёт
Сопротивления ряда соединённых в параллель проводящих элементов определяются по общеизвестной форме расчёта, предполагающей сложение их проводимостей (обратных сопротивлению величин).
Протекающий в каждом из отдельных проводников ток в соответствие с законом Ома, может быть найден по формуле:
I= U/R (одного из резисторов).
После ознакомления с общими принципами обсчёта элементов сложных цепочек можно перейти к конкретным примерам решения задач данного класса.
Типичные подключения
Пример №1
Нередко для решения стоящей перед конструктором задачи требуется путём объединения нескольких элементов получить в итоге конкретное сопротивление. При рассмотрении простейшего варианта такого решения допустим, что общее сопротивление цепочки из нескольких элементов должно составлять 8 Ом. Этот пример нуждается в отдельном рассмотрении по той простой причине, что в стандартном ряду сопротивлений номинал в 8 Ом отсутствует (есть только 7,5 и 8,2 Ом).
Решение этой простейшей задачи удаётся получить за счёт соединения двух одинаковых элементов с сопротивлениями по 16 Ом каждое (такие номиналы в резистивном ряду существуют). Согласно приводимой выше формуле общее сопротивление цепочки в этом случае вычисляется очень просто.
Из неё следует:
16х16/32=8 (Ом), то есть как раз столько, сколько требовалось получить.
Таким сравнительно простым способом удаётся решить задачу формирования общего сопротивления, равного 8-ми Омам.
Пример №2
В качестве ещё одного характерного примера образования требуемого сопротивления можно рассмотреть построение схемы, состоящей из 3-х резисторов.
Общее значение R такого включения может быть рассчитано по формуле последовательного и параллельного соединения в проводниках.
В соответствии с указанными на картинке значениями номиналов, общее сопротивление цепочки будет равно:
1/R = 1/200+1/220+1/470 = 0,0117;
R=1/0,0117 = 85,67Ом.
В итоге находим суммарное сопротивление всей цепочки, получаемой при параллельном соединении трёх элементов с номинальными значениями 200, 240 и 470 Ом.
Важно! Указанный метод применим и при расчёте произвольного числа соединенных в параллель проводников или потребителей.
Также необходимо отметить, что при таком способе включения различных по величине элементов общее сопротивление будет меньше, чем у самого малого номинала.
Расчёт комбинированных схем
Рассмотренный метод может применяться и при расчёте сопротивления более сложных или комбинированных схем, состоящих из целого набора компонентов. Их иногда называют смешанными, поскольку при формировании цепочек используются сразу оба способа. Смешанное соединение резисторов представлено на размещенном ниже рисунке.
Для упрощения расчета сначала разбиваем все резисторы по типу включения на две самостоятельные группы. Одна из них представляет собой последовательное соединение, а вторая – имеет вид подключения параллельного типа.
Из приведённой схемы видно, что элементы R2 и R3 соединяются последовательно (они объединены в группу 2), которая, в свою очередь, включена в параллель с резистором R1, принадлежащим группе 1.
Для элементов из группы 2 значение общего сопротивления находится как сумма R2 и R3:
R (2+3) = R2 + R3.
Для получения окончательного результата приводим схему к виду, получаемому при параллельном соединении двух сопротивлений. После этого суммарное значение для всей схемы в целом вычисляется согласно уже рассмотренной ранее формуле.
В заключение отметим, что для проведения расчётных операций, относящихся к категории сложных соединений, можно воспользоваться теми же методиками. В их основу заложены всё те же закон Ома и правила Кирхгофа, известные ещё со школьной скамьи. Главное – это грамотно распорядиться всеми описанными выше формулами.
Видео
