Общее сопротивление
Содержание
Для теоретических расчетов и практического применения достаточно часто необходимо знать сопротивление электрической цепи. По этому параметру делают выводы о мощности нагрузки. С его помощью определяют параметры делителей напряжения и других устройств, отдельных частей радиотехнических схем. После ознакомления с тематическими методиками обозначенные и другие задачи можно решать быстро и правильно.
Отдельные исходные данные можно получить после измерений
Определение
Если посчитать общее сопротивление (Rобщ), можно выяснить изменение основных электрических параметров (тока (I) и напряжения (U)) при подключении схемы к определенному источнику питания. В простейшем варианте достаточно применить закон Ома (I = U/ R) и пренебречь внутренним сопротивлением аккумулятора.
При напряжении U = 6,5 В через подключенный резистор R = 20 ОМ будет проходить ток I = 6,5/20 = 0,325 А. По вычисленному параметру с помощью классической формулы можно узнать мощность:
P = I2 *R = U2/ R = 0,105625 * 20 = 2,11 Вт.
Полученное значение пригодится для выбора подходящего пассивного элемента в ассортименте магазина.
На практике приходится решать задачи с большим количеством элементов. Общий показатель эквивалентен суммарному сопротивлению цепи. Однако простым сложением правильный результат получить нельзя. Ниже рассмотрены технологии, по которым выполняют корректные вычисления.
Основные термины и определения
Рисунок поясняет используемую терминологию:
- i1, i2… i6 – токи в отдельных цепях;
- R1-R3 – пассивные элементы (резисторы);
- e1, e2 – типичные обозначения источников тока (ЭДС);
- L и C – компоненты с реактивными характеристиками (индуктивными и емкостными, соответственно);
- ветвями называют с одним током;
- места соединение этих цепей – узлы;
- контуры (обозначены римскими цифрами I, II и III) показывают замкнутые пути прохождения токов по нескольким ветвям.
Способы совмещения элементов
При последовательной установке нескольких резисторов в одной ветви соответствующие номиналы складывают. Вместо нескольких компонентов допустимо взять для расчетов один элемент с равным полученному результату вычислений эквивалентным сопротивлением Rэкв. При небольшой длине цепи питания параметры проводника можно не учитывать.
Особенности расчетов
Для вычисления полной цепи учитывают по формуле внутреннее сопротивление (Rвн) источника:
I = E (ЭДС)/ (Rэкв + Rвн).
Имеющуюся схему преобразуют с целью упрощения по рассмотренным выше принципам с применением эквивалентных сопротивлений. Далее пользуются классическими соотношениями электрических величин, которые основаны на законе Ома.
Также применяют специфические технологии:
- контурных токов;
- узловых потенциалов;
- эквивалентного генератора;
- наложения.
Постулаты Кирхгофа
Эти принципы используют для расчета сложных электрических схем. Базовые сведения о токах и напряжениях помогут уточнить контрольные параметры в отдельных узлах. С помощью этой информации корректируют характеристики отдельных функциональных компонентов. Они пригодятся для определения уровня выходного сигнала в определенных точках без применения измерительной аппаратуры.
Первый постулат
По классической формулировке сумма (алгебраическая) входящих и выходящих из одного узла токов определяется выражением:
i1 + i2 + … + in = 0.
Это соотношение справедливо для любой контрольной точки схемы, где соединяются ветви. Не имеет значения, какие именно компоненты включены в отдельные цепи:
- реактивные;
- пассивные;
- источники питания в любой полярности.
К сведению. Подразумевается (для расчета), что входящие/ выходящие токи положительные/ отрицательные, соответственно.
Второй постулат
Это правило определяет равенство сумм напряжений и ЭДС, включенных в один контур. Для наглядности можно представить простейший пример с двумя резисторами, подключенными к источнику постоянного тока. С помощью мультиметра измеряют напряжения на выводах:
- UR1 = 4 V;
- UR1 = 2,5 V;
- Uакб = 6,5 V = UR1 + UR2.
Второе правило действительно для всех замкнутых контуров, смешанных и сложных соединений. Для проверки вычислений можно суммировать последовательно разницу потенциалов контрольных точек. Если в цепи отсутствуют дополнительные генераторы (аккумуляторные батареи), получится результат, равный нулю. Выбирают направление обхода контура, соответствующее положительному току (входящему в узел). Выше показан частный случай, когда складывают результаты измерений.
Реактивные составляющие нагрузок
Чтобы выяснить, как найти общее сопротивление цепи в реальных условиях, следует учитывать наличие и соответствующее влияние компонентов с активными и реактивными характеристиками. К первой группе относят:
- резисторы (постоянные и переменные);
- соединительные провода;
- нагревательные элементы (ТЭНы).
Проводимость таких изделий зависит от исходного материала и количества примесей, поперечного сечения и длины, уровня температуры.
Определение сверхпроводимости
При увеличении силы тока в типовом проводнике из металла столкновение электронов с молекулярной кристаллической решеткой провоцирует преобразование электрической энергии в тепловую. Наглядный пример такого процесса – серийная лампа накаливания. До 90% и более мощности потребления подобные приборы используют впустую для нагрева окружающего пространства.
Температурное влияние на сопротивление применяют для создания датчиков. Изменение тока в соответствующей цепи фиксируют измерительным прибором. После преобразования в наглядный цифровой вид результаты отображают на дисплее.
Цифровой термометр с выносным датчиком
Индуктивными реактивными характеристиками обладают катушки. Подключение такого изделия смещает фазы тока и напряжения. Электрическое сопротивление (ХL) в этом случае сильно зависит от частоты сигнала (f), индуктивности (L):
ХL = 2π * f * L.
Частный случай применения – ограничитель помех. Такие схемы выполняют свои функции за счет сильного сопротивления току при увеличении частоты (скорости нарастания переднего фронта импульса).
Для нагрузки с емкостными свойствами применяют следующую формулу:
Хc = 1/ 2π * f * C.
Такими параметрами обладает конденсатор. Он также создает фазовый сдвиг, заряжается и разряжается в соответствии с изменениями входного сигнала.
Как вычислить общее сопротивление цепи
Для расчетов используют представленные выше правила, формулы, проверочные действия. Рекомендуется сначала изобразить схему в упрощенном виде, с комплексным объединением отдельных участков. Далее вычисляют эквивалентные сопротивления соответствующих групп. При необходимости можно определить токи в цепях, находить значения напряжений в контрольных точках.
Метод 1 Последовательное соединение
Для таких соединений применяют представленное выше простое суммирование:
Rобщ = R1 + R2 + … + Rn.
Ток в замкнутой цепи не изменяется. Проверка при подключении мультиметра в любой разрыв покажет одно и то же значение. Вместе с тем на каждом резисторе при разных номиналах элементов будет различное падение напряжения. В соответствии со вторым постулатом Кирхгофа результат вычислений проверяют сложением:
Uакб = U1 + U2 + Un.
Пример вычислений для последовательного соединения
Метод 2 Параллельное соединение
В этом варианте соединения удобно оперировать с обратным сопротивлению параметром – проводимостью. Впрочем, допустимо применение и такой исходной формулы:
1/Rобщ = 1/R1 + 1/R2 = 1/(1/R1 + 1/R2) = R1*R2/R1 + R2.
В узле на входе ток распределяется по разным цепям пропорционально номиналам соответствующих резисторов. На выходе происходит обратное преобразование. Проверку вычислений выполняют по принципам первого постулата Кирхгофа.
Формулы и пример для параллельного соединения
Метод 3 Комбинированное соединение
Сложные схемы упрощают. Отдельно рассчитывают параллельный участок. Далее создают неразветвленный контур из последовательных элементов.
Сложный расчет
При необходимости можно трансформировать схему из соединения резисторов «треугольником» в «звезду» или обратно. Ниже приведены формулы для расчета эквивалентных сопротивлений в цепях после преобразования.
Перевод «звезды» в «треугольник»
Метод 4 Формулы, включающие мощность
Каков будет результат, узнать несложно с помощью любой из подходящих формул:
P = I2 *R = U2/ R.
Исходные параметры берут из предварительных расчетов либо определяют измерением. Можно использовать схемы вычислений с токами в цепях или напряжением на отдельных резисторах (группах последовательно соединенных элементов).
