Разница последовательного и параллельного подключения
Как и любое электротехническое оборудование, хомутовые нагреватели могут подключаться путем последовательного или параллельного соединения. Несмотря на то, что оба варианта считаются приемлемыми и применяются в различном промышленном оборудовании, здесь имеются некоторые нюансы.
В этой статье мы детально разберем природу последовательного и параллельного подключения, проанализируем, чем конкретно они отличаются друг от друга, представим примеры использования; определим, какой именно вид соединения к источнику питания лучше всего подходит для кольцевых и других типов промышленных электронагревателей.
Что такое последовательное подключение к сети?
Если через несколько соединенных между собой электрических устройств проходит один и тот же ток, это подключение называется последовательным. При этом подаваемое напряжение делится между всеми устройствами цепи в зависимости от значений их индивидуальных сопротивлений. Чем больше показатель последнего, тем выше напряжение на конкретном оборудовании.
Как рассчитать напряжение на каждом устройстве последовательной цепи?
Как и все физические процессы в электрике, значения сопротивления, силы тока и напряжения подчиняются закону Ома. Он выступает основой всех расчетов при проектировании того или иного оборудования, где используются электрические нагреватели. В случае с последовательным соединением этот закон гласит, что ток, протекающий через нагреватель, прямо пропорционален приложенному к нему напряжению и обратно пропорционален его сопротивлению. Для определения значения тока для оборудования последовательной цепи следует напряжение разделить на сопротивление конкретного компонента – I = V/R, где I – ток, V – напряжение, а R – сопротивление компонента.
Зная значение силы тока, требуемого для нагревателей последовательной цепи, можно рассчитать, какое питание необходимо для их нормальной работы.
Закон Кирхгофа о напряжении в последовательной силовой цепи
Закон напряжения Кирхгофа – еще один фундаментальный закон электрических цепей, который гласит, что сумма напряжений вокруг любого замкнутого контура в цепи равна нулю. В последовательной силовой цепи закон напряжения Кирхгофа можно применить к любому замкнутому контуру в цепи. Например, если в цепи два электронагревателя, падение напряжения на каждом из них должно составлять общее напряжение, приложенное к цепи. Математически это можно выразить как V1 + V2 = V, где V1 и V2 – напряжение на каждом нагревателе, а V – общее напряжение, приложенное к цепи.
Если вам требуется подключить два хомутовых нагревателя, при этом один работает от 110 В, а второй 220 Вольт, это означает, что вы должны обеспечить подачу напряжения в последовательной сети равной сумме этих ТЭНов: 110+220=330 В.
Применение последовательной силовой цепи
Цепи последовательного питания имеют широкое применение как среди бытового, так и промышленного оборудования. Одним из наиболее ярких примеров выступает освещение в вагонах поездов, фонарики и гирлянды. Показателем того, что во всех этих случаях питание выполнено по последовательной схеме, является общее сопротивление цепи, которое равно сумме сопротивлений отдельных устройств, а падение напряжения на каждом пропорционально его сопротивлению.
Этот же принцип применим к источникам питания, где несколько компонентов, таких как аккумуляторы или батарейки, могут быть соединены последовательно для обеспечения требуемого выходного напряжения.
Особенности параллельных цепей питания
Наиболее важной особенностью параллельных цепей питания является то, что они позволяют распределять электроэнергию на несколько нагрузок, поддерживая при этом постоянное напряжение на каждой. Если использовать это соединение на примере электронагревателей, получается, что напряжение будет одинаково на каждом подключенном устройстве, но ток может варьироваться в зависимости от сопротивления на каждой отдельной ветви.
Преимуществом параллельных цепей является то, что они обеспечивают резервирование в случае отказа одного компонента. Например, если один нагреватель выходит из строя или целая ветвь цепи, другие продолжают нормально работать. Кроме того, параллельное соединение позволяет одновременно использовать несколько источников питания, которые не будут влиять на работу друг друга. Это касается и отключения ненужного в конкретный промежуток времени оборудования.
Одним из основных недостатков параллельного подключения является сложность проектирования и устранения неполадок по сравнению с последовательным. Это связано с тем, что каждая линия имеет свой набор компонентов, которые необходимо правильно подобрать и установить. Кроме того, создание параллельных цепей может быть более дорогостоящим из-за необходимости в дополнительной проводке и компонентах.
Закон Ома и закон Кирхгофа для параллельного подключения
Закон Ома и закон Кирхгофа являются фундаментальными принципами, регулирующими поведение параллельных цепей. Закон Ома гласит, что сила тока в проводнике между двумя нагревателями равна сумме токов этих электронагревателей. Это правило относится и к сопротивлению участка параллельного соединения. Значение напряжения при этом везде будет одинаково.
В соответствии с законом Кирхгофа, параллельное соединение способствует снижению сопротивления линии и увеличению общей проводимости по сравнению с последовательным.
Использование параллельного подключения питания
Наиболее ярким примером применения параллельных цепей питания выступает разводка проводов в зданиях. Это позволяет добиться подачи стабильного напряжения 220 Вольт на все розетки и лапочки, а значение силы тока зависит от имеющейся нагрузки. Кроме того, параллельные подключения используются в электронных схемах, например, в компьютерах и других цифровых устройствах.
Сравнение параллельного и последовательного подключения
Необходимость выбора типа подключения возникает, когда к одному источнику питания требуется подключить несколько электронагревателей. Исходя из особенностей параллельного и последовательного подключений, выходит, что при внедрении первого типа можно использовать любое количество нагревательных элементов, главное, чтобы общая потребляемая мощность и сила тока не превышала выдаваемое значение самого источника питания. В случае с последовательным соединением ситуация выглядит сложнее: нужно четко рассчитать, чтобы выдаваемое источником напряжение равномерно распределялось между всеми подключенными в цепи нагревательными элементами. Например, для питания двух хомутовых ТЭНов с напряжением 110 В при последовательном подключении необходимо, чтобы источник питания выдавал не менее 220 В.
Рассмотрим конкретные примеры, как влияет выбор схемы подключения питания.
- Параллельное соединение. Возьмем два одинаковых нагревателя мощностью 2000 Вт с напряжением 230 В, которые параллельно подключены к сети 230 Вольт. Поскольку напряжения совпадают, суммарная мощность их работы будет составлять 4000 Вт. Если подключим третий аналогичный ТЭН, на выходе будет 6000Вт. При каждом последующем подключении нагревателя общее сопротивление цепи будет снижаться.
- Последовательное соединение. Выполним последовательное подключение двух нагревателей по 2000 Вт 230 В в сеть 230 Вольт. На выходе мы получим не 4000, а всего 1000 Вт, поскольку их производительность снизится в 4 раза. При подключении еще одного ТЭНа с аналогичными характеристиками на выходе будет всего 666 Вт или в 9 раз меньше.
Стоит отметить, что при последовательном подключении сильно возрастает общее сопротивление цепи.
Параллельное или последовательное для электронагревателей: что лучше?
Если не учитывать необходимость выполнения расчетов при последовательном подключении, самым главным его минусом является выход из строя или обрыв цепи, если ломается хотя бы один нагреватель. Для поисков неисправного электронагревателя потребуется выполнить «прозвон» каждого и всех проводов питания между ними, чтобы исключить вероятность обрыва. Весь этот процесс занимает много времени, потеря которого на производственной линии приводит к существенным убыткам.
Параллельное подключение исключает выход из строя всей линии питания из-за поломки одного нагревателя или обрыва линии. Перестает работать только неисправное оборудование, что существенно упрощает поиск проблемы и ускоряет обслуживание.
При реализации параллельного подключения электронагревателей потребуется потратить больше проводки и других компонентов цепи, что повышает ее себестоимость. Это единственный недостаток, но в условиях стабильного производства вложенные средства быстро окупаются.
Итог
По сути, все реально работающие электронагреватели в экструдерах на требующих подогрев линиях трубопроводов подключены к параллельным линиям питания. Последовательное соединение применяется только в нестандартных ситуациях, когда нет источника питания необходимого номинала или требуется снизить напряжение в сети. Например, когда имеется два нагревателя с напряжением 110 Вольт и нет понижающего трансформатора. В таком случае для обеспечения их работы осуществляется последовательное подключение нагревателей к сети 220 В.
Если требуется помощь в выборе подходящего нагревательного элемента для экструдера или других производственных задач (подогрева цистерн, воздуха), обращайтесь в «Электронагрев». Компания является непосредственным производителем хомутовых и других типов ТЭНов. Продукция «Электронагрев» сертифицирована, полностью соответствует заявленным характеристикам и качеству. Поэтому, выполнив заказ одного экземпляра или целой партии, вы будете уверены в надежности приобретенного оборудования.
Важно! Кроме изделий стандартных размеров, компания изготовляет нагревательные элементы по индивидуальным чертежам. В случае необходимости вы можете сделать заказ на проектирование для решения конкретных задач производства.
Напряжение. Особенности последовательного и параллельного соединений
В каждой электрической цепи в качестве проводников рассматривается материал или вещество, наделенные свойством проведения электрического тока и обладающие определенным уровнем сопротивления. Этот коэффициент вычисляется по формуле:
- p — обозначен уровень удельного сопротивления, Oм*м,
- R — указывает на эффективное сопротивление проводника, Ом,
- S — это площадь поперечного сечения, м2,
- I — значение длины проводника, м.
Из вышесказанного следует, что любой проводник может рассматриваться, как резистор, имеющий собственное сопротивление.
В случае, если проводники соединены с использованием последовательной схемы, коэффициент силы тока для каждого из них является одинаковым. А величина общего напряжения в созданной электроцепи представляет собой совокупность напряжений на концах каждого отдельно взятого проводника.
Если используется параллельная схема подсоединения, напряжение между двумя узлами, которыми объединены элементы в электроцепи, падает в них до одинакового значения. В то же время, для определения величины, обратной коэффициенту общего сопротивления, используется метод суммирования величин, которые обратны сопротивлениям проводящих элементов, подключенных параллельно.
Особенности последовательного соединения
Специфика использования данного способа предполагает подсоединение проводников, используя последовательную схему подключения. Это означает, что концы одного проводящего элемента соединяются с концами двух других входящих в схему проводников. Главная особенность такого типа соединения – отсутствие каких-либо разветвлений в цепи, проводники имеют принадлежность к одному и тому же кабелю. Другими словами, через каждый новоприсоединенный проводник может протекать электрический ток с одинаковым значением. В сумме же напряжение в токопроводящих элементах равно значениям, имеющимся на концах каждого из них.
К примеру, если последовательно соединить несколько резисторов в одну цепь, не оставив ни одного разветвления, величина заряда из одного какого-либо проводника будет равной величинам заряда в других. Во всех проводящих элементах цепи сила тока будет иметь одно и то же значение.
В то же время, при этом типе соединения допускается замена всех используемых резисторов на один эквивалентный. Величина тока на нем, как правило, совпадает с общим током, движущимся по остальным резисторам. А значение общего напряжения складывается из напряжений в каждом отдельно взятом резисторе. Это позволяет объяснить разность потенциалов на примере единого эквивалентного резистора.
С учетом этих правил и закона Ома, которые применимы для всех резисторов, очень легко доказывается равность между значением сопротивления на эквивалентном резисторе и суммой всех сопротивлений.
Где применяется этот способ соединения
Этот способ соединения применяется в устройствах с целенаправленным включением и выключением. К примеру, звон электрического звонка раздастся лишь при условии, если он последовательно был соединен с источником питания и кнопкой нажатия. Исходя из вышеперечисленных правил, если электрический ток будет отсутствовать на одном из проводников, его не будет и на остальных проводниках. А если электричество будет хотя бы на одном из проводящих элементов, он будет выявлен и на остальных.
По этому же принципу функционируют обычные карманные фонарики. В их конструкции предусмотрены три важных элемента. Цепь формируется из маленькой лампочки, батареи и кнопки. Чтобы одно такое устройство засветило, необходимо последовательно подключить обозначенные элементы при помощи простого нажатия кнопки.
В то же время, в доме или городской квартире, где установлено большое количество устройств и приборов освещения разного типа, их не обязательно соединять по последовательной схеме. Ведь зачастую включать и выключать свет в каждом помещении не нужно. Подключение лампочек и люстр в данном случае выполняется с использованием параллельной схемы.
Особенности параллельного соединения
Эта схема предполагает подсоединение заданного количества проводящих устройств параллельно по отношению к друг другу. Так, в одну точку сперва объединяются все начала проводников, в другую точку – их концы. На примере нескольких резисторов рассмотрим схему параллельного подсоединения.
Это разветвленное соединение, где в каждой указанной в схеме ветви есть по одному резистору. После того, как ток достигает точки разветвления, происходит условное разделение электричества к каждому существующему резистору. В результате составляется суммарное значение электрических токов, действительных для всех сопротивлений, которые подключены в данный момент к электроцепи. В то же время, элементы с параллельными соединениями имеют одинаковые значения для всех напряжений. В данном способе также допускается замена всех включенных резисторов на один эквивалентный.
При составлении схем параллельных соединений учитываются следующие закономерности:
- Общее значение сопротивления в электроцепи находится путем складывания обратных величин сопротивлений в цепи проводников.
- Значение тока в электроцепи равно сумме токов в каждом из используемых для формирования цепи проводников.
- На выходах из электроцепи напряжение является равным значению, присутствующему на любом из проводников этой цепи.
Где может применяться параллельная схема соединений
Для бытовых условий подойдет пример с устройствами освещения. В такой схеме приборы освещения соединяются, как правило, параллельно. Если использовать последовательный способ, получится, что при включении одной люстры или лампы загорятся остальные в доме. Параллельное соединение же позволяет добавлять в каждую из используемых ветвей соответствующего выключателя и включать осветительные устройства, где и когда это нужно.
Важно отметить, что для соединения всех электроприборов в быту используется параллельная схема и сеть 220B. Таким же образом все элементы сети подключаются к распределительному щиту, независимо друг от друга.
Для проведения электроизмерительных работ обращайтесь в электролабораторию компании ТМ Электро.
Последовательное и параллельное соединение резисторов
При таком соединении, через все резисторы проходит один и тот же электрический ток. Чем больше элементов на данном участке электрической цепи, тем «труднее» току протекать через него. Следовательно, при последовательном соединении резисторов их общее сопротивление увеличивается, и оно равно сумме всех сопротивлений.
Напряжение при последовательном соединении
Напряжение при последовательном соединении распределяется на каждый резистор согласно закону Ома:
Т.е чем большее сопротивление резистора, тем большее напряжение на него падает.
Параллельное соединение резисторов
Параллельное соединение – это соединение, при котором резисторы соединяются между собой обоими контактами. В результате к одной точке (электрическому узлу) может быть присоединено несколько резисторов.
Общее сопротивление Rобщ
При таком соединении, через каждый резистор потечет отдельный ток. Сила данного тока будет обратно пропорциональна сопротивлению резистора. В результате общая проводимость такого участка электрической цепи увеличивается, а общее сопротивление в свою очередь уменьшается.
Таким образом, при параллельном подсоединении резисторов с разным сопротивлением, общее сопротивление будет всегда меньше значения самого маленького отдельного резистора.
Формула общей проводимости при параллельном соединении резисторов:
Формула эквивалентного общего сопротивления при параллельном соединении резисторов:
Для двух одинаковых резисторов общее сопротивление будет равно половине одного отдельного резистора:
Соответственно, для n одинаковых резисторов общее сопротивление будет равно значению одного резистора, разделенного на n.
Напряжение при параллельном соединении
Напряжение между точками A и B является как общим напряжением для всего участка цепи, так и напряжением, падающим на каждый резистор в отдельности. Поэтому при параллельном соединении на все резисторы упадет одинаковое напряжение.
Электрический ток при параллельном соединении
Через каждый резистор течет ток, сила которого обратно пропорциональна сопротивлению резистора. Для того чтобы узнать какой ток течет через определенный резистор, можно воспользоваться законом Ома:
Смешанное соединение резисторов
Смешанным соединением называют участок цепи, где часть резисторов соединяются между собой последовательно, а часть параллельно. В свою очередь, смешанное соединение бывает последовательного и параллельного типов.
Общее сопротивление Rобщ
Для того чтобы посчитать общее сопротивление смешанного соединения:
- Цепь разбивают на участки с только пареллельным или только последовательным соединением.
- Вычисляют общее сопротивление для каждого отдельного участка.
- Вычисляют общее сопротивление для всей цепи смешанного соединения.
Так это будет выглядеть для схемы 1:
Также существует более быстрый способ расчета общего сопротивления для смешанного соединения. Можно, в соответствии схеме, сразу записывать формулу следующим образом:
- Если резисторы соединяются последоватеьно — складывать.
- Если резисторы соединяются параллельно — использовать условное обозначение «||».
- Подставлять формулу для параллельного соединения где стоит символ «||».
Так это будет выглядеть для схемы 1:
После подстановки формулы параллельного соединения вместо «||»:
Что является особенностью параллельного соединения
При параллельном соединении все проводники (резисторы, лампы и т.д.) подключаются к одной и той же паре точек А и В (рис. 43).
Связь между общими значениями силы тока, напряжения и сопротивления с их значениями на отдельных участках цепи при этом отличается от той, что была при последовательном соединении. Теперь соответствующие формулы имеют вид
Чтобы убедиться в справедливости этих соотношений, следует собрать цепь и с помощью амперметра и вольтметра произвести необходимые измерения.
Итак, при параллельном соединении проводников напряжение на всех участках цепи одно и то же, общая сила тока равна сумме сил токов на отдельных проводниках, а общее сопротивление двух проводников находится как отношение произведения их сопротивлений к их сумме.
Первые две из этих закономерностей справедливы для любого числа параллельно соединенных проводников, последняя — только для двух.
Если R1=R2, то
Мы видим, что общее сопротивление двух одинаковых проводников в 2 раза меньше сопротивления одного проводника. Эта закономерность допускает обобщение: если параллельно соединено n одинаковых потребителей электроэнергии (резисторов, ламп и т.д.), то их общее сопротивление в п раз меньше сопротивления каждого из них:
Отсюда следует, что с увеличением числа проводников общее со¬противление будет становиться все меньше и меньше. Это может показаться странным. На самом деле ничего удивительного в этом нет: ведь при параллельном соединении проводников происходит как бы увеличение общей площади их поперечного сечения, а с увеличением площади сечения проводника, как известно, его сопротивление уменьшается.
Отличительной особенностью параллельного соединения нескольких потребителей является то, что при выключении одного из них остальные продолжают работать. Так, например, вывернув одну лампу в цепи, изображенной на рисунке 44, мы увидим, что другая будет по-прежнему гореть.
Большинство потребителей электроэнергии — электронагревательные приборы, холодильники, швейные машины, магнитофоны, телевизоры и т. д. — рассчитаны на напряжение сети 220 В. Поэтому все они должны включаться в сеть параллельно, ибо только в этом случае они окажутся под одним и тем же напряжением (220 В) и будут продолжать работать при выключении одного из них.
На рисунке 45 приведена упрощенная схема квартирной электропроводки. Провода сети, между которыми существует на¬пряжение 220 В, обозначены буквами Ф и О. Первый из них называют фазным, второй — нулевым. Нулевой провод соединен с землей. Именно с ним соединяют все потребители. И наоборот, все выключатели соединяют с фазным проводом. Такой порядок подключения потребителей и выключателей обеспечивает наибольшую безопасность человека.
.
1. Какое соединение называют параллельным?
2. Начертите схему цепи, изображенной на рисунке 44.
3. Какие три закономерности справедливы для параллельного соединения проводников?
4. Как находится общее сопротивление параллельно соединенных проводников, когда они одинаковые?
5. Перечислите все элементы электрической цепи, изображенной на рисунке 45.
6. Предположим, что при замене лампы человек случайно коснулся металлического контакта в патроне лампы и одновременно с этим какой-либо заземленной части здания (например, батареи отопления). Под каким напряжением он окажется? Рассмотрите ситуацию, когда лампа и выключатель подсоединены к проводам сети так, как это показано на рисунке 45. Что произойдет, если лампу и выключатель поменять местами?
7. Почему у вольтметров делают большое внутреннее сопротивление, а у амперметров — малое?
Планирования по физике, учебники и книги онлайн, курсы и задания по физике для 9 класса
Содержание урока конспект урока опорный каркас презентация урока акселеративные методы интерактивные технологии Практика задачи и упражнения самопроверка практикумы, тренинги, кейсы, квесты домашние задания дискуссионные вопросы риторические вопросы от учеников Иллюстрации аудио-, видеоклипы и мультимедиа фотографии, картинки графики, таблицы, схемы юмор, анекдоты, приколы, комиксы притчи, поговорки, кроссворды, цитаты Дополнения рефераты статьи фишки для любознательных шпаргалки учебники основные и дополнительные словарь терминов прочие Совершенствование учебников и уроков исправление ошибок в учебнике обновление фрагмента в учебнике элементы новаторства на уроке замена устаревших знаний новыми Только для учителей идеальные уроки календарный план на год методические рекомендации программы обсуждения Интегрированные уроки
Если у вас есть исправления или предложения к данному уроку, напишите нам.
Если вы хотите увидеть другие корректировки и пожелания к урокам, смотрите здесь — Образовательный форум.