Эквивалентное сопротивление

Определение величины

Ток — это упорядоченное движение носителей заряда под действием электрического поля. Способность вещества проводить ток называют электропроводимостью. Чем больше носителей частиц имеет материал, тем большей проводимостью он обладает. В зависимости от этой характеристики все вещества разделяют на три вида:

  1. Проводники. Характеризуются хорошей электропроводностью. К ним относят металлы и их сплавы, а также электролиты.
  2. Диэлектрики. Вещества, практически не проводящие электрический ток. В основном это газы, каучук, минеральные масла, пластмассы.
  3. Полупроводники. Материалы, обладающие двумя видами проводимости одновременно — дырочной и электронной. Это вещества, имеющие ковалентную связь: кремний, германий, селен.

Величина, обратная электропроводимости, называется электрическим сопротивлением. То есть это физическая величина, препятствующая прохождению тока. Кроме способности любого материала ограничивать количество проходящих через него зарядов, существует специальный радиоэлемент, ограничивающий силу тока — резистор.

Таким образом, существует два понятия сопротивления: радиоэлемент и физическая величина.

Сопротивление радиоэлемента

Термин «резистор» произошёл от латинского слова resisto — «сопротивляемость». Все резисторы делятся на постоянные и переменные. Последние позволяют изменять своё сопротивление. На схемах и в литературе такая радиодеталь подписывается латинской буквой R. Единицей измерения считается Ом. Графически резистор обозначается в виде прямоугольника с двумя выводами от середины краёв. Кроме номинального сопротивления, он характеризуется рассеиваемой мощностью и классом точности.

По своей сути это пассивный радиоэлемент, преобразующий часть электрической энергии в тепловую. Тем самым он ограничивает ток, линейно преобразовывая его силу в напряжение и наоборот. Главный параметр, описывающий сопротивление, находится согласно закону Ома для участка цепи по следующей формуле: R = U/I, где:

  • R — электрическое сопротивление, Ом.
  • U — разность потенциалов приложенная к элементу, В.
  • I — сила тока, преходящая через резистор, А.

Но тут следует отметить, что этот закон справедлив только для резистивных цепей. То есть для тех, при расчёте которых ёмкостью и индуктивностью пренебрегают. Если же эту формулу применить к реактивным элементам, то для катушки индуктивности сопротивление будет равным нулю, а для конденсатора — бесконечным. Но это верно для постоянного тока и напряжения.

Удельный параметр вещества

Чтобы различать понятие и элемент, было введено название удельное электрическое сопротивление. Обозначается оно греческим символом ρ. В Международной системе единиц эта величина измеряется в Омах, умноженных на метр. Зависит она исключительно от свойства материала.

Для расчёта электрического сопротивления однородного вещества используется формула: R = ρ* l/S, где:

  • l — длина проводника, м;
  • S — площадь поперечного сечения, м2.

Поэтому в физическом смысле удельное сопротивление материала — это величина, обратная удельной проводимости, представляющая собой сопротивление однородного проводника единичной длины и площади поперечного сечения. А значит, она численно равна импедансу участка электрической цепи, выполненному из вещества длиною один метр и площадью поперечного сечения один метр квадратный.

Для каждого вещества удельное сопротивление известно и является справочной величиной. Например, для меди — 0,01724 Ом*мм2/м, алюминия — 0,0262 Ом*мм2/м, висмута — 1,2 Ом*мм2/м, нихром — 1,05 Ом*мм2/м. Эти данные получены при температуре t = 20 °C, так как материалы обладают свойством изменять свою удельную характеристику при изменениях температуры. Так, проводимость металлов увеличивается при снижении температуры, а полупроводников — уменьшается.

Факторы, которые влияют на измерения ESR

Ошибки измерения ESR могут возникать в результате проблем с техникой, способа выполнения контакта с конденсатором или отсутствия калибровки измерительного оборудования.

Должны быть приняты во внимание сопротивления, самоиндукция и емкость измерительного прибора и его выводов, особенно на высоких частотах измерения

Сопротивление и индуктивность измерительных проводов

Сопротивление измерительных проводов является распространенным источником ошибок при измерениях низких сопротивлений. Это сопротивление добавляется к сопротивлению тестируемого устройства.

Кроме того, следует избегать измерительных проводов со спиральной намоткой, поскольку источником ошибки может стать их индуктивность.

Помехи от соседнего оборудования

Измерение следует проводить в местах, удаленных или экранированных от источников значительных электромагнитных помех. В противном случае измерительные провода могут ловить помехи, и это может повлиять на показания.

Расчёт

До изучения технологий вычислений необходимо уточнить основные определения:

  • ветвями называют цепи с одним током;
  • узлы – это места их соединения;
  • контуры – замкнутые пути прохождения токов по нескольким ветвям.

Следует отдельно отметить два постулата. Они получили специфическое название «правила (законы) Кирхгофа» по фамилии ученого, сформулировавшего базовые принципы.

Первый закон (I1 + I2 + … + In = 0) определяет равным нулю суммарное значение всех токов, которые входят и выходят из одной точки в месте соединения нескольких ветвей.

Надо подчеркнуть! Данное выражение является точным для любых комбинаций компонентов, включенных в соответствующие цепи (резисторов, источников тока и других). Для удобства и наглядности расчетов учитывают входящие в узел токи с положительным знаком, выходящие – с отрицательным.

Второе правило упомянуто в качестве промежуточного вывода при рассмотрении последовательно включенных резисторов (Uип = U1 + U2 + U3). В классической формулировке закон утверждает равенство суммарных ЭДС источников питания и потенциалов на пассивных элементах, объединенных в одном расчетном контуре.

Популярные статьи  День энергетика

Последовательное соединение резисторов

С учетом сделанных определений можно составить формулу для любого количества резисторов, установленных в единой цепи без разветвлений:

Rобщ = R1 + R2 + … + Rn.

Вне зависимости от иных внешних компонентов, токи на входе и выходе в соответствии с первым правилом Кирхгофа будут одинаковыми.

Пример:

  • Uип = 6,5B;
  • R1= 8 Ом;
  • R2 = 12 Ом;
  • R3 = 4 Ом;
  • Rобщ = 8 + 12 + 4 = 24 Ом;
  • I = 6,5/24 = 0,27 А;
  • U1 = I * R1 = 0,27 * 8 = 2,16 В;
  • U2 = 0,27 * 12 = 3,24 В;
  • U3 = 0,27 * 4 = 1,08 В.

Чтобы проверить последовательное соединение, формула на основе второго правила Кирхгофа пригодится:

Uип = 2,16 + 3,24 +1,08 ≈ 6,5 В.

Расчет подтвердил отсутствие ошибок.

Параллельное соединение резисторов

В этом варианте токи разделяются на входе и соединяются на выходе (первый закон Кирхгофа). Направление движения устанавливают от положительной клеммы с отрицательной подключенного источника питания. В соответствии с рассмотренными выше правилами при равенстве напряжений на отдельных резисторах токи в соответствующих цепях будут разными.

Для примера можно использовать предыдущие исходные данные:

общее сопротивление при параллельном соединении формула для трех компонентов:

Rобщ = R1*R2*R3/(R1*R2 + R2*R3 + R1*R3

  • вставив номиналы, делают расчет Rобщ = 8 * 12 * 4 / (8*12 + 12*4 +8*4) = 2,182 Ом;
  • I = 6,5/ 2,182 ≈ 2,98 А;
  • I1 = 6,5/ 8 = 0,8125 А;
  • I2 = 6,5/12 ≈ 0,5417 А;
  • I3 = 6,5/4 = 1,625.

Как и в предыдущем случае, расчет проверяют. Если применяют параллельное сопротивление, формула вычислений должна подтвердить равенство токов:

I = 0,8125 + 0,5417 + 1,6225 = 2,9767 ≈ 2,98 А.

Соблюдено суммарное равенство входных и выходных значений для отдельного узла, поэтому ошибки отсутствуют.

Смешанное соединение резисторов

Если в схеме присутствует комбинация последовательных и параллельных соединений, выполняют последовательно упрощение, пользуясь представленными методиками расчетов.

Эквивалентное сопротивлениеПоследовательное преобразование схемы для упрощения вычислений

На следующем рисунке показана последовательность преобразований:

  • по значениям установленных R3 и R4 определяют общее значение для участка цепи Rэ;
  • далее вычисляют сопротивление последовательных компонентов Rэ и R6;
  • на следующем этапе делают расчет для группы R2, Rэк и R5;
  • завершающее действие – суммирование R1, Rэ и R7 (рис. ниже).

Итоговый результат (Rэк) будет определять общее (эквивалентное) электрическое сопротивление группы резисторов. При необходимости вычисляют значения токов и напряжений в отдельных ветвях.

Параллельное и последовательное соединение

Все это время речь шла о цепях с одним резистором. Рассмотрим, что происходит, если их больше.

Последовательное соединение

Параллельное соединение

Схема

Резисторы следуют друг за другом

Между резисторами есть два узла

Узел — это соединение трех и более проводников

Сила тока

Сила тока одинакова на всех резисторах

I = I1 = I2

Сила тока, входящего в узел, равна сумме сил токов, выходящих из него

I = I1 + I2

Напряжение

Общее напряжение цепи складывается из напряжений на каждом резисторе

U = U1 + U2

Напряжение одинаково на всех резисторах

U = U1 = U2

Сопротивление

Общее сопротивление цепи складывается из сопротивлений каждого резистора

R = R1 + R2

Общее сопротивление для бесконечного количества параллельно соединенных резисторов

1/R = 1/R1 + 1/R2 + … + 1/Rn

Общее сопротивление для двух параллельно соединенных резисторов

R = (R1 * R2)/R1 + R2

Общее сопротивление бесконечного количества параллельно соединенных одинаковых резисторов

R = R1/n

Зачем нужны эти соединения, если можно сразу взять резистор нужного номинала?

Начнем с того, что все электронные компоненты изготавливаются по ГОСТу. То есть есть определенные значения резисторов, от которых нельзя отойти при производстве. Это значит, что не всегда есть резистор нужного номинала и его нужно соорудить из других резисторов.

Параллельное соединение также используют, как «запасной аэродром»: когда на конечный результат общее сопротивление сильно не повлияет, но в случае отказа одного из резисторов, будет работать другой.

Признаемся честно: схемы, которые обычно дают в задачах (миллион параллельно соединенных резисторов, к ним еще последовательный, а к этому последовательному еще миллион параллельных) — в жизни не встречаются. Но навык расчета таких схем впоследствии упрощает подсчет схем реальных, потому что так вы невооруженным глазом отличаете последовательное соединение от параллельного.

Решим несколько задач на последовательное и параллельное соединение.

Задачка раз

Найти общее сопротивление цепи.

R1 = 1 Ом, R2 = 2 Ом, R3 = 3 Ом, R4 = 4 Ом.

Решение:

Общее сопротивление при последовательном соединении рассчитывается по формуле:

R = R1 + R2 + R3 + R4 = 1 + 2 + 3 + 4 = 10 Ом

Ответ: общее сопротивление цепи равно 10 Ом

Задачка два

Найти общее сопротивление цепи.

R1 = 4 Ом, R2 = 2 Ом

Решение:

Общее сопротивление при параллельном соединении рассчитывается по формуле:

R = (R1 * R2)/R1 + R2 = 4*2/4+2 = 4/3 = 1 ⅓ Ом

Ответ: общее сопротивление цепи равно 1 ⅓ Ом

Задачка три

Найти общее сопротивление цепи, состоящей из резистора и двух ламп.

R1 = 1 Ом, R2 = 2 Ом, R3 = 3 Ом

Решение:

Сначала обозначим, что лампы с точки зрения элемента электрической цепи не отличаются от резисторов. То есть у них тоже есть сопротивление, и они также влияют на цепь.

В данном случае соединение является смешанным. Лампы соеденены параллельно, а последовательно к ним подключен резистор.

Сначала посчитаем общее сопротивление для ламп. Общее сопротивление при параллельном соединении рассчитывается по формуле:

Rламп = (R2 * R3)/R2 + R3 = 2*3/2+3 = 6/5 = 1,2 Ом

Общее сопротивление при последовательном соединении рассчитывается по формуле:

Популярные статьи  Нормативы потребления электроэнергии на человека без счетчика

R = R1 + Rламп = 1 + 1,2 = 2,2 Ом

Ответ: общее сопротивление цепи равно 2,2 Ом.

Наконец-то, последняя и самая сложная задача! В ней собрали все самое серьезное из этой статьи .

Задачка четыре со звездочкой

К аккумулятору с ЭДС 12 В, подключена лампочка и два параллельно соединенных резистора сопротивлением каждый по 10 Ом. Известно, что ток в цепи 0,5 А, а сопротивление лампочки R/2. Найти внутреннее сопротивление аккумулятора.

Решение:

Найдем сначала сопротивление лампы.

Rлампы = R/2 = 10/2 = 5 Ом

Теперь найдем общее сопротивление двух параллельно соединенных резисторов.

Rрезисторов = (R * R)/R + R = R^2)/2R = R/2 = 10/2 = 5 Ом

И общее сопротивление цепи равно:

R = Rлампы + Rрезисторов = 5 + 5 = 10 Ом

Выразим внутреннее сопротивление источника из закона Ома для полной цепи.

I = ε/(R + r)

R + r = ε/I

r = ε/I — R

Подставим значения:

r = 12/0,5 — 10 = 14 Ом

Ответ: внутреннее сопротивление источника равно 14 Ом.

Немного теории про конденсатор

Типичный конденсатор может быть смоделирован как идеальный конденсатор последовательно с резистором – эквивалентное последовательное сопротивление. Если мы приложим напряжение переменного тока на конденсатор при тестировании через токоограничивающий резистор, получим следующую схему:

Эквивалентное сопротивление

Схему можно рассматривать как простой резисторный делитель, если частота источника переменного тока достаточно высока, поскольку реактивное сопротивление конденсатора обратно пропорционально частоте практически для любой емкости. Таким образом, мы можем использовать значение измеряемого напряжения на конденсаторе для расчета ESR:

Для ESR получаем такую вышеприведённую формулу. Если использовать генератор с 50 омным выходом, то можно подключить конденсатор при тестировании непосредственно к выходу функционального генератора и измерить напряжение переменного тока на конденсаторе, после чего рассчитать ESR с помощью вышеприведенного уравнения.

Расчет цепей методом эквивалентных преобразований

При расчете электрических цепей постоянного тока, как правило, известны параметры источников электрической энергии и параметры остальных элементов электрической цени. Задача сводится к определению токов во всех ветвях цепи и напряжений на всех ее элементах.

При расчете электрических цепей часто возникает возможность преобразования схем этих цепей в более простые и удобные для расчета. Одними из наиболее часто применяемых на практике методов эквивалентных преобразований является преобразование схемы со смешанным соединением элементов и взаимные преобразования соединений треугольник и звезда.

Смешанное соединение представляет собой сочетание ранее рассмотренных более простых соединений последовательного и параллельного. На рис. 1.22 показан пример схемы со смешанным соединением. Она легко приводится к одноконтурной цени. Вначале вычисляется эквивалентное сопротивление

параллельно соединенных сопротивлений и

или

Из

получаем

Полученные выражения называют «правилом плеч». Они позволяют разбить ток

на два параллельных тока и .

Эквивалентное сопротивление

В результате выполненных преобразований получаем схему с двумя последовательно соединенными сопротивлениями

и (рис. 1.22,6). Суммируем эти сопротивления и получаем одноконтурную схему (рис. 1.22,в) с сопротивлением , эквивалентным смешанному соединению сопротивлений и .

Преобразование треугольника в звезду рассмотрим на примере мостовой схемы, изображенной на рис. 1.23,а. Схема содержит четыре плеча

и . В измерительной технике к одной из диагоналей подключается источник (между узлами 1 и 3), а во вторую диагональ (между узлами 4 и 2) включается измерительный прибор. В рассматриваемой схеме в эту диагональ включено сопротивление .

Эквивалентное сопротивление

Пусть

. Требуется вычислить сопротивление мостовой схемы между точками и .

Цепь не содержит последовательных или параллельных соединений элементов, но имеет два пассивных треугольника, образованных сопротивлениями

и четыре звезды, центрами схождения лучей которых являются узлы 1, 2, 3, 4. Рассмотрим порядок расчета сопротивления мостовой схемы между узлами 1 и 3 при использовании преобразования треугольник — звезда.

Вначале треугольник сопротивлений

заменим эквивалентной звездой (рис. 1.23,6). В соответствии с (1.9) сопротивление

Аналогично вычислим сопротивления

и . Получим .

В результате выполненных преобразований получим схему, изображенную на рис. 1.23(6). Заменив последовательно соединенные сопротивления

и эквивалентными сопротивлениями и , получим эквивалентную схему, изображенную на рис.1.23,в. Сопротивление . Сопротивление .

Из эквивалентной схемы на рис. 1.23,в вычислим сопротивление мостовой схемы между точками

и

Для проверки вычислений выполнен с помощью программы схемотехнического моделирования MicroCap анализ по постоянному току схемы, изображенной на рис. 1.23,д. Из приведенных на рис. 1.24 результатов анализа видно, что при подключении мостовой схемы к источнику постоянной ЭДС

через схему протекает ток, равный 1 А. Отсюда следует что сопротивление моста между точками и равно 10 Ом, что и подтверждает результаты расчета.

Эквивалентное сопротивление

Эта теория взята со страницы помощи с заданиями по электротехнике:

Помощь по электротехнике

Возможно эти страницы вам будут полезны:

Основные законы электрических цепей
Эквивалентные преобразования пассивных участков электрической цепи
Методы расчета сложных электрических цепей
Потенциальная диаграмма в цепях постоянного тока

Величина напряжения, обеспеченная резисторным элементом

Идеальный элемент, который превращает электричество в другой вид энергии, называют резистивным. Электроэнергия может преобразовываться в световую, тепловую или механическую виды. Величина напряжения на таком элементе зависит от разности потенциалов на концах резистора. Это значит, чем больше значение его сопротивления, тем больше значение напряжения на нём.

Изменение такой характеристики резистора, как сопротивление, позволяет реализовывать схематические решения в разных отраслях радиотехники и электроники. При выборе элементов следует учитывать удельное значение этой величины и изменение вольт-амперной характеристики при разных режимах работы.

Практическое применение

Чаще всего на практике расчёт общего сопротивления цепи выполняют для того, чтобы узнать потребляемую мощность той или иной схемы. При этом, зная общее сопротивление, можно найти и такие важные параметры цепи, как ток и напряжение. Поэтому и рисуют эквивалентную схему электрической цепи. Простые цепи состоят только из последовательных или параллельных участков, но чаще встречаются комбинированные соединения. Перед тем как приступить к расчёту эквивалентного сопротивления, вся электрическая цепь разделяется на простые контуры. Как только импеданс каждого такого контура будет подсчитан, схема перерисовывается, но вместо контуров рисуется уже резистор. Затем всё повторяется, и это происходит до тех пор, пока не останется один элемент.

Популярные статьи  Разделение автоматических выключателей по время токовым характеристикам

Простое соединение

Пусть будет дана схема, состоящая из трёх резисторов, включённых последовательно. При этом сопротивление R1и R2 одинаковое и равно 57 Ом, а сопротивление R3 составляет один килоОм. Для расчёта общего сопротивления цепи сначала понадобится привести значение R3 согласно Международной системе единиц. R3 = 1 кОм = 1000 Ом.

Так как соединение последовательное, используется формула: Ro = R1+R2+R3. Подставив известные значения, рассчитывается эквивалентное значение: Ro = 57+57+1000 = 1114 Ом.

Если же те же самые резисторы будут расположены параллельно друг другу, то для расчёта общего сопротивления уже используется другое выражение:

1/Ro = 1/R1 + 1/R2 +1/R3.

Ro = R1*R2*R3 / (R1*R2+R2*R3+R1*R3).

Подставив исходные данные в эту формулу, получим:

Ro = 57*57*1000/ (57*57 +57*1000+ 57*1000) = 3249000/117249 = 27,7 Ом.

Комбинированный контур

Необходимо вычислить мощность и эквивалентное сопротивление смешанной цепи, состоящей из четырёх резисторов. Резистор R1 =R2 =5 Ом, R3= 10 Ом, R4 =3 Ом. На схему подаётся питание пять вольт. Первоначально понадобится упростить схему. Сопротивления R3 и R4 включены относительно друг друга параллельно. Поэтому находится их объединённое сопротивление:

Rp = (R3*R4)/(R3+R4).

Rp = (10*3)/ (10+3) = 2,3 Ом.

Теперь схему можно перерисовать в виде трёх последовательно включённых резисторов и найти общее сопротивление путём сложения их величин:

Ro = R1+R2+Rp = 5+5+2,3 = 12,3 Ом.

Зная эквивалентное сопротивление, используя закон Ома, несложно вычислить силу тока в цепи и мощность эквивалентного резистора:

I = U/R = 5/2,3 = 2,2 A.

P = I*U = 2,2*5= 11 Вт.

Таким образом, путём постепенного упрощения схемы можно свести цепь из последовательно и параллельно соединённых резисторов к одному элементу. А затем рассчитать его сопротивление и требуемую мощность.

Параллельное соединение резисторов

Параллельное соединение — это когда входы нескольких деталей соединяются в одной точке. Точно так же — в одну точку — соединяют их выходы.

Эквивалентное сопротивление

Так выглядит параллельное соединение на схеме и в реальности

Теория и законы параллельного соединения

Если посмотреть на изображение параллельного соединения, заметно, что ко всем элементам прилагается одинаковое напряжение. То есть, при параллельном соединении резисторов, на каждом из них будет одинаковое напряжение.

Получается, что ток разделяется на несколько «ручейков». То есть, при параллельном соединении резисторов сила тока, протекающего через каждый из элементов, отличается. I = I1+I2+I3. И зависит сила тока (согласно тому же закону Ома) от сопротивления каждого участка цепи. В случае с параллельным соединением резисторов — от их номинала.

Эквивалентное сопротивление

Так выглядит параллельное соединение резисторов на схеме

Общее сопротивление участка цепи при таком соединении становится ниже. Его высчитывают по формуле:

Такая форма хоть и понятна, но неудобна. Формула расчета сопротивления параллельно подключенных резисторов получается тем сложнее, чем больше элементов соединены параллельно. Но больше двух-трех редко кто объединяет, так что на практике достаточно знать только две формулы приведенные ниже.

Эквивалентное сопротивление

Формулы расчета сопротивления при параллельном подключении двух и трех резисторов

Если подставить значения в эти формулы, то заметим, что результат будет меньше, чем сопротивление резистора с наименьшим номиналом. Это стоит запомнить: результирующее сопротивление включенных параллельно резисторов будет ниже самого маленького номинала.

Примеры расчета параллельного соединения сопротивлений

Давайте сначала рассчитаем параллельное соединение двух резисторов разного номинала и посмотрим что получится.

  • Соединили параллельно 150 Ом и 100 Ом. Считаем результирующее: 150*100 / (150+100) = 15000/250 = 60 Ом.
  • Если соединить 150 Ом и 50 Ом, получим: 150*50 / (150+50) = 7500 / 200 = 37,5 Ом.

Как видим, в обоих случаях результат оказывается меньше чем самый низкий номинал соединенных деталей. Этим и пользуются, если в наличии нет сопротивления небольшого номинала. Проблема только в том, что подбирать сложновато: надо каждый раз считать используя калькулятор.

Эквивалентное сопротивление

Как высчитывать сопротивление составных резисторов

Возможно, вам будет проще, если знать, что соединив два одинаковых резистора параллельно, получим результат в два раза меньше. Например, соединив параллельно два резистора по 100 Ом получим составное сопротивление 50 Ом. Проверим? Считаем: 100*100 / (100+100) = 10000 / 200 = 50 Ом.

Эквивалентное сопротивление

Еще один пример с лампочками

При соединении параллельно трех резисторов, считать приходится больше, так как формула сложнее. Но картина не отличается:

  • Если подключить параллельно 150 Ом, 100 Ом и 50 Ом, результирующее будет 27,3 Ом.
  • Попробуем с более низкими номиналами. Если параллельно включены 20 Ом, 15 Ом и 10 Ом. Получим результирующее сопротивление 4,61 Ом.

Вот вам подтверждение правила. Суммарное сопротивление параллельно соединенных резисторов меньше чем самый низкий номинал.

Оцените статью
Добавить комментарии

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: