Параллельное соединение резисторов

Разные виды соединения стандартных пассивных элементов применяют для решения практических задач в электро,- и радиотехнике. С помощью определенных конфигураций схем изменяют напряжение и токи в цепях, создают защитные и управляющие устройства. Ниже представлено параллельное соединение резисторов. Кроме сравнения с другими вариантами, рассмотрены ручные и автоматизированные технологии расчетов с рекомендациями о применении знаний на практике.

Разные виды соединения резисторов

Понятие параллельного подключения резисторов

На рисунке показаны разные варианты соединения элементов, которые применяют на практике. Параллельное включение резисторов подразумевает создание нескольких новых токоведущих цепей. Функциональные компоненты (от 2 и до любого необходимого количества) соединяют в двух точках.

Отличия от последовательного и смешанного подключений

Иные способы соединения понятны из показанных на картинке примеров. Без специальных вычислений понятно, что параллельное включение резисторов создает несколько путей прохождения тока. Следовательно, в отдельных цепях его сила будет меньше, по сравнению с контрольными точками на входе и выходе. Вместе с тем напряжение в отмеченных местах остается неизменным.

Последовательное соединение резисторов увеличивает общее электрическое сопротивление. Ток в этой цепи (по базовым принципам) не будет изменяться. Однако на каждом пассивном элементе можно будет обнаружить измерительным прибором соответствующее падение напряжения.

Смешанный вариант – это объединение представленных выше соединений. Различные комбинации используют для деления напряжения, решения других задач. Для упрощения расчетов суммируют последовательность соединенных сопротивлений в отдельных цепях:

Rобщ = R1 + R2 + … + Rn.

Вне зависимости от сложности схемы, на входе и выходе по первому закону Кирхгофа токи будут одинаковыми.

Формула параллельного соединения резисторов

В этом случае главной особенностью является распределение токов по нескольким цепям. Общее электрическое сопротивление для простейшей схемы из двух компонентов можно выразить формулой:

1/Rобщ = 1/R1 + 1/R2.

Математическим преобразованием для удобства расчетов можно получить следующее выражение:

Rобщ = 1/(1/R1 + 1/R2) =  R1*R2/R1 + R2.

Расчет параллельного соединения резисторов

Для лучшего понимания процессов следует подробно рассмотреть представленную ниже схему. В контрольных точках (разрывах цепей) условно показаны измерительные приборы. Аналогичным образом подключают мультиметр для уточнения результатов теоретических вычислений. Чтобы не усложнять объяснение, использован «идеальный» источник постоянного тока. Его сопротивление в расчетах не учитывается. Аналогичным образом игнорированы емкостные (индуктивные) реактивные составляющие, которые способны создать незначительные нелинейные искажения.

Электрическая схема с пояснительными формулами

В рассматриваемом примере ток (I) идет по замкнутому контуру от положительного к отрицательному электроду АКБ. На входе параллельного участка (точка «а») он разделяется на I1 (I2), проходящие через разные ветки с электрическими сопротивлениями R1 (R2), соответственно. В точке «б» происходит объединение токов.

Если присоединить клеммы мультиметра к положительной клемме аккумулятора и входной точке, а после повторить измерение на выходе, будут определены одинаковые значения. Однако в отдельных ветвях токи будут отличаться, если применены разные сопротивления (R1≠R2). Сложение показаний подтвердит равенство суммы полученным ранее результатам измерений на входе (выходе). Промежуточный вывод, подтвержденный экспериментально:

Iобщ = I1 + I2.

Далее можно проверить разницу потенциалов на клеммах источника питания (Uип), в контрольных точках (Uаб) и на отдельных резисторах (UR1 и UR2). Несложно убедиться в том, что Uип = Uаб = UR1 = UR2. Для отдельных ветвей будут действительны пропорции:

• UR1 =  I1 * R1;
• UR2 = I2 * R2.

Однако с учетом результатов измерений можно приравнять обе стороны выражений:

UR1 = UR2 = I1 * R1 = I2 * R2.

Простым преобразованием получают соотношение:

I1/I2 = R2/R1.

На основе этой формулы надо сделать следующий важный вывод: токи обратно пропорциональны электрическим сопротивлениям в соответствующих ветвях параллельной цепи.

Пример с исходными данными:

• батарейка Uип = 6V;
• сопротивление параллельных резисторов: R1 = 50 Ом, R2 = 150 Ом.

Расчет:

• найти ток в первой ветке можно по формуле: I1 = Uип / R1 = 6/50 = 0,12А = 120 мА;
• аналогичным образом вычисляют: I2 = Uип / R2 = 6/150 = 0,04А = 40 мА;
• суммарное значение: Iобщ = I1 + I2 = 120 + 40 = 160 мА;
• соблюдается отмеченный выше принцип пропорциональности: I1/I2 = R2/R1 = 50/150 = 40/120 ≈ 0,333.

Следует отметить разную силу тока в отдельных ветках. Для наглядности можно вспомнить пример с аналогом из водопроводных труб. В разветвленном участке по протоку с крупным диаметром пройдет больше жидкости, по сравнению с другим за контрольный временной интервал. Аналогичным образом действует электрическое сопротивление. При увеличении номинала пассивного элемента создаются дополнительные препятствия прохождению тока.

Для расчета сложных схем используют технологию эквивалентных сопротивлений. Этим термином обозначают расчетную величину (Rэкв), которая равна сумме измеряемых параметров отдельных компонентов на определенном участке цепи. Проще всего сделать вычисления, если соединить резисторы (номиналы из примера) последовательно:

Rэкв = R1 + R2 = 50 + 150 = 200 Ом.

Ниже подробно рассмотрен вариант с параллельной схемой:

• по закону Ома для всей цепи действительно выражение: Iобщ = Uип/ Rэкв;
• в отдельных ветках: I1 = U1/ R1 (I2 = U2/ R2);
• по закону Кирхгофа для каждого провода: I = I1+ I2;
• преобразование перечисленных соотношений позволяет сделать промежуточный вывод: Uип/ Rэкв = U1/ R1 + U2/ R2;
• с учетом равенства напряжений: Uип = U1 = U2, можно переделать предыдущую формулу следующим образом: Uип/ Rэкв = Uип / R1 + Uип / R2 = Uип (1/R1 + 1/R2);
• делением на общий множитель Uип получают итоговое выражение: 1/Rэкв = 1/R1 + 1/R2.

Последняя позиция позволяет сделать несколько важных заключений:

• общая проводимость (величина, обратная электрическому сопротивлению) равна сумме проводимостей параллельных участков цепи;
• эквивалентное сопротивление можно вычислить делением единицы на проводимость;
• Rэкв при параллельном соединении всегда меньше самого меньшего из пассивных компонентов цепи.

Как рассчитать сложные схемы соединения резисторов

Если соединять большее количество элементов, надо в рассмотренные формулы добавить необходимое количество слагаемых.

Исходные данные:

• источник постоянного тока 12V;
• сопротивление параллельных резисторов, Ом: 10, 40, 60, 80.

Расчет:

• основная формула: 1/Rэкв = 1/R1 + 1/R2 + 1/R3 + 1/R4;
• подставив исходные данные, вычисляют проводимость: G = 1/Rэкв =1/10 + 1/40 + 1/60 +1/80 = 0,1 + 0,025 + 0,0166 +0,0125 = 0,1541;
• эквивалентное сопротивление: Rэкв = 1/0,1541 ≈ 6,5 Ом;
• ток в цепи: Iобщ = Uип/ Rэкв = 12/ 6,5 ≈ 1,85 А.

Сложные схемы

По аналогичной технологии делают расчеты более сложных цепей. На рисунке обозначены номиналы сопротивлений. В обоих случаях применяется одинаковый источник питания с Uип = 12V.

Расчет 1 (последовательное и параллельное соединение):

• для каждого параллельного участка можно использовать формулу: Rобщ = 1/ (1/R1 + 1/R2) = R1*R2/R1 + R2;
• эквивалентное сопротивление первой части: Rэкв1 = (2*4)/ (2+4) = 1,3 Ом;
• второй: Rэкв2 = (15*5)/ (15+5) = 3,75 Ом;
• общее: Rэкв = 1,3 + 10 + 3,75 = 15,05 Ом;
• Iобщ = Uип/ Rэкв = 12/ 15,05 ≈ 0,8 А.

Расчет 2 (сложное параллельное соединение):

• в этом варианте сначала вычисляют проводимость части (R3, R4, R5) по формуле: G345 = 1/5 + 1/10 + 1/ 20 =7/20 = 0,35 сим;
• Rэкв (345) = 1/0,35 ≈ 2,857 Ом;
• суммарное значение для цепи: R1 + R2 = 20 Ом;
• по аналогии с предыдущим способом определяют: G12345 = 0,4 сим и Rэкв(12345) = (20*2,857)/ 20 + 2,857) ≈ 2,5 Ом;
• после добавления последнего элемента (R6=7,5 Ом) получают итоговый результат: Rэкв = 2,5 + 7,5 = 10 Ом;
• делением определяют силу тока в нагрузке, подключенной к источнику тока 12 V: I = 12/10 = 1,2 А.

В последнем примере применен дополнительный компонент цепи (R6). Соответственно, для этой схемы не будет выполняться рассмотренная выше пропорция равенства напряжений (источника и на подключенной нагрузке).

В этом случае разница потенциалов на шестом резисторе составит:

U6 = I *R6 = 1,2 * 7,5 = 9 В.

Соответственно, изменится напряжение между контрольными точками:

Uав = I * Rэкв(12345) = 1,2*2,5 = 12-9 =3V.

Вторая часть формулы демонстрирует проверку вычитанием напряжений (Uип — U6).

Ток в цепи параллельно соединенных резисторов

В ходе рассмотрения соответствующих участков разветвленных схем необходимо помнить о равенстве токов на входе и выходе из каждого узла, а также до и после группы из параллельных резисторов. Это правило поможет проверить правильность расчетов. Если отмеченное соответствие не соблюдено, устраняют ошибку вычислений.

Сила тока при параллельном соединении

С применением рассмотренных выше исходных данных для двух сложных схем можно сделать расчет для каждой отдельной ветки.

Пример 1:

• общий ток в цепи составляет 0,8 А;
• распределение напряжений на отдельных участках несложно определить по рассчитанным эквивалентным сопротивлениям: U12 = I * Rэкв1 = 0,8 * (2*4)/ (2+4) = 0,8 * 1,3 = 1,04 V;
• по стандартному алгоритму вычисляют значения токов: I1 = U12/R1 = 0,52 А, I2 = U12/R2 = 0,26 А;
• суммированием проверяют корректность вычислений: I = I1 + I2 = 0,52 + 0,26 ≈ 0,8 А.

Пример 2 (смешанный способ соединения резисторов):

• ток в этом варианте – 1,2 А;
• напряжение на участке с группой параллельных резисторов составляет Uав = I * Rэкв(12345) = 1,2*2,5 =3V;
• по аналогии с предыдущим примером несложно вычислить ток в каждой отдельной ветке: I12 = Uав/(R1 + R2) = 3/ (15 + 5) = 0,15 А;
• I3 = Uав/ R3 = 3/ 5 = 0,6 А;
• I4 = Uав/ R4 = 3/ 10 = 0,3 А;
• I5 = Uав/ R5 = 3/20 = 0,15 А;
• по правилу равенства токов на входе и выходе из узла проверяют правильность сделанных расчетов: I = I12 + I3 + I4 + I5 = 0,15 + 0,6 + 0,3 + 0,15 = 1,2 А.

Мощность при параллельном соединении

Для правильного выбора резистивных компонентов электрических цепей обязательно следует учитывать мощность рассеивания. Этот параметр (Р) рассчитывают по классической формуле P = U (напряжение на выводах, В) * I (сила тока в цепи, А). Он косвенно определяет энергию, которая расходуется на выделение тепла. Также применяют пропорции:

P = I2 *R = U2/ R.

Для расчета выбирают подходящую формулу с учетом известных исходных параметров (данные из примера 2 в предыдущем разделе):

• ток – 1,2 А;
• на сопротивлении R6=7,5 Ом мощность рассеивания составит: P6 = I2 *R = 1,44 * 7,5 = 10,8 Вт;
• найти такой резистор сложно, так как в стандартном ряду предлагаются номиналы от 0,05 до 5Вт;
• в другой цепи (R5=20 Ом) расчетный ток составит 0,15 А, поэтому P5= 0,0225 * 20 = 0,45 Вт;
• в этом случае можно выбрать изделие с подходящей мощностью рассеивания в стандартной номенклатуре 0,5 Вт (специалисты рекомендуют делать 1,52 кратный запас, поэтому лучше использовать резистор на 1 Вт).

Стандартные обозначения на электрических схемах и типовые номиналы по мощности

Как найти сопротивление при параллельном соединении

Для расчета этого параметра применяют формулы:

• 1/G;
• U/I;
• U2/P;
• P/I2.

Выбирают подходящий вариант (комбинацию) с учетом имеющихся исходных данных. Следует помнить о едином напряжении на входе и выходе и разных токах в отдельных ветках. Технология вычислений рассмотрена в предыдущих разделах.

Онлайн калькулятор для параллельного соединения резисторов

Рассчитать вручную последовательное соединение резисторов нетрудно. Но для параллельных и комбинированных схем удобнее использовать калькулятор. Соответствующие сервисные услуги бесплатно предлагают справочные и тематические сайты.

Специализированное современное программное обеспечение обеспечивает автоматизированное вычисление рабочих параметров сложных схем. Пользователь может:

• переставлять проводники;
• устанавливать в нужном месте светодиоды, конденсаторы, другие компоненты;
• изменять входной сигнал.

Приложение «симулятор» электрических цепей для мобильных устройств на ОС Андроид

Представленная в публикации информация пригодится для самостоятельных расчетов и проверок. Она поможет выбрать в магазине резистор и восстановить работоспособность электротехнического устройства.

Видео

Автор:

Гaличeв Илья Виктoрoвич