Какой способ соединения источников позволяет увеличить напряжение

Как повысить переменное и постоянное напряжение?

В быту и на производстве широко используются электрические и электронные приборы различного назначения. Необходимое условие их функционирования — подключение к электрической сети или иному источнику электрической энергии. Из соображений упрощения создания и последующей эксплуатации сети или источника целесообразно, чтобы выходное напряжение имело определенное значение. Например 220 В бытовой сети переменного тока и 12 В автомобильной сети постоянного тока.

На практике применяются сети как постоянного, так и переменного тока. Например, бытовая 220-вольтовая сеть функционирует на переменном токе, а бортовая автомобильная сеть использует постоянный ток. В зависимости от разновидности сети повышение напряжения до нужного значения решается в них по-разному.

При обращении к современной микроэлектронной элементной базе реализующие эти функции устройства при солидной выходной мощности обладают очень хорошими массогабаритными показателями. Для иллюстрации этого положения на рисунке 1 показан пример платы со снятым корпусом повышающего преобразователя постоянного тока.

Рис. 1. Повышающий преобразователь постоянного тока бестрансформаторного типа

В этой статье мы рассмотрим, как повысить напряжение постоянного и переменного тока и как это делать правильно.

Повышение переменного напряжения

Разновидности трансформаторов

Наиболее простой способ увеличения переменного напряжения – установка между выходом сети и питаемой нагрузкой повышающего трансформатора. Применяемые на практике устройства делятся на две основные разновидности. Первая — классические трансформаторы, вторая — автотрансформаторы. Схемы этих устройств приведены на рисунке 2.

Рис. 2. Схемы трансформатора и автотрансформатора

Классический трансформатор содержит две обмотки: первичную или входную с числом витков W1, а также вторичную или выходную с числом витков W2. Для трансформатора действует правило Uвыхода = K×Uвхода, где K = W2/W1 – коэффициент трансформации. Таким образом, в повышающем трансформаторе количество витков вторичной обмотки превышает таковое у первичной.

Повышающий авторансформатор содержит единственную обмотку с W2 витками. Сеть подключается на часть W1 ее витков. Повышение U происходит за счет того, что магнитное поле, создаваемое при протекании тока через входную часть общей обмотки, наводит ток уже во всей обмотке W2. Расчетная формула автотрансформатора аналогична обычному: Uвыхода = K×Uвхода, где K = W2/W1 – коэффициент трансформации.

Особенности трансформаторов

Эффективность функционирования трансформаторов наращивают применением сердечника из электротехнической стали. Этот компонент

  • увеличивает КПД устройства за счет уменьшения рассеяния магнитного поля в окружающем пространстве;
  • выполняет функцию несущей силовой основы для обмоток.

Неизбежные потери на вихревые тока уменьшают тем, что сердечник представляет собой наборный пакет из тонких профилированных изолированных пластин.

При прочих равных условиях целесообразно использовать трансформатор. Это связано с тем, что не пропускает постоянный ток, т.е. обеспечивает гальваническую развязку сети от приемника, позволяя добиться большей электробезопасности.

Особенность трансформатора — его обратимый характер, т.е. в зависимости от ситуации он может одинаково успешно выполнять функции повышающего и понижающего устройства. Единственное серьезное ограничение — необходимость соблюдения штатных режимов работы первичной и вторичной обмоток.

В отличие от компьютерных розеток, называемых RJ45, в различных странах при устройстве бытовых сетей электроснабжения устанавливают различные типа розеток. Известны, например, розетки, немецкого, французского, английского и иных стандартов или стилей. Поэтому на трансформатор малой мощности целесообразно возложить функции адаптера, который за счет разных типов вилок и гнезд обеспечивает механическое согласование сети и нагрузки. Пример такого устройства изображен на рисунке 3.

Рис. 3. Пример обратимого маломощного трансформатора с возможностью согласования типов розеток

Лабораторные автотрансформаторы ЛАТР

Сильная сторона автотрансформатора – простота регулирования выходного напряжения простым перемещением токосъемного контакта по обмотке. Устройства, допускающие выполнение этой опции, известны как лабораторные автотрансформаторы ЛАТР. Отличаются характерным внешним видом за счет наличия регулятора напряжения и вольтметра для его контроля, рисунок 4.

ЛАТР востребованы не только в лабораториях. Они массово применяются в гаражах, на садовых участках и других местах, где из-за перегрузки и износа линии напряжение в розетке оказывается ниже минимально допустимого.

При колебаниях сетевого напряжения вместо обычного ЛАТР целесообразно использовать стабилизатор, куда он входит в виде одного из блоков.

Рис. 4. Внешний вид одного из вариантов ЛАТР

Повышение постоянного напряжения

Общий принцип увеличения постоянного напряжения в произвольное число раз

Трансформаторный способ увеличения напряжения не может применяться в сетях постоянного тока. Поэтому при необходимости решения этой задачи используют более сложные устройства, в основу функционирования которых положена следующая схема: постоянный входной ток используется для питания генератора, с выхода которого снимают переменный сигнал. Переменное напряжение увеличивают тем или иным образом, после чего выпрямляют и сглаживают для получения более высокого постоянного.

Структурная схема такого преобразователя показана на рисунке 5.

Рисунок 5. Обобщенная структурная схема повышающего преобразователя

Отдельные разновидности схем отличаются между собой:

  • формой сигнала, снимаемого с выхода генератора (синусоидальное или близкое к нему, пилообразное, импульсное и т.д.);
  • принципом увеличения генерируемого напряжения (трансформатор, умножитель);
  • типом выпрямления и сглаживания напряжения перед подачей его на выход устройства.

В продаже доступны микроэлектронная элементная база, которая позволяет собирать преобразователи данной разновидности при наличии даже начальных навыков радиомонтажника.

Умножители

Умножители применяют в тех случаях, когда из переменного входного напряжения нужно получить постоянное, которое в кратное количество раз превышает входное.

Существует большое количество схем умножителей. Одна из них показана на рисунке 6.

Рис. 6. Принципиальная схема умножителя

Коэффициент умножения можно нарастить увеличением количества каскадов.

Рис. 7. Еще пример: умножитель в 6 и 8 раз Рис. 8. Учетверитель напряжения

Общее для таких схем:

  • мостовой принцип реализации для увеличения общего КПД устройства;
  • использование конденсаторов для накапливания заряда;
  • применение диодов как элемента выпрямления.

Техника безопасности

При сборке и использовании повышающих устройств вне зависимости от их разновидности необходимо соблюдать базовые положения правил техники безопасности. Главные из них:

  • ни при каких условиях нельзя касаться незащищенными частями тела токоведущих элементов схем;
  • запрещается даже кратковременное превышение максимальной нагрузки;
  • устройства в обычном офисном исполнении нельзя эксплуатировать во влажных помещениях;
  • оборудование следует защищать от попадания брызг воды.

Заключение

Приведем несколько областей использования устройств для увеличения напряжения.

Для переменного тока наиболее распространено использование повышающих трансформаторов для подключения различной европейской электронной и электротехнической техники к бытовой 110-вольтовой сети в США.

Примеры из области постоянного напряжения:

  • мощность широко распространенных USB-зарядников достаточна для питания СД-ленты, но последние требуют для работы напряжения 12 В; для такой выгодно ситуации применение повышающего преобразователя;
  • на 3,3-вольтовых литиевых аккумуляторах можно собрать power bank для мобильных телефонов;
  • регулируемые устройства хорошо востребованы при выполнении настроек автомобильных генераторов.

Автомобильный аккумулятор с подключенным к нему повышающим преобразователем может эффективно питать за городом такие 220-вольтовые устройства как телевизор, магнитофон, дрель.

Устройства для увеличения постоянного и переменного напряжения имеют обширную область применения, серьезно отличаясь друг от друга схемотехнически.

Выбор конкретной реализации зависит от ряда факторов, основные среди которых:

  • соотношение входного и выходного напряжения;
  • мощность питаемой нагрузки
  • уровень жесткости требований электробезопасности.

На практике можно воспользоваться как покупными, так и самодельными устройствами. Большинство самодельных схем доступны для воспроизведения при наличии даже среднего уровня подготовки в области электротехники и схемотехники.

Видео


«Нельзя просто так взять и запараллелить источники напряжения»

Не раз и не два мне попадались предложения типа «давайте включим два стабилизатора напряжения параллельно, если не хватает выходного тока одного». В том числе и здесь:
Тут — в авторском тексте о ПК Специалист (Spectrum) habr.com/ru/post/247211 (в итоге — автор применил двухканальный импульсный источник питания).
Тут — в комментариях habr.com/ru/post/400617/#comment_18002157
И тут — в комментариях habr.com/ru/post/400381/#comment_17983821
Да тысячи их:
electronics.stackexchange.com/questions/261537/dc-dc-boost-converter-in-parallel
forum.allaboutcircuits.com/threads/paralleling-lm317ts.16198
forum.arduino.cc/index.php?topic=65327.0 (обсуждение довольно показательное с точки зрения пренебрежения схемотехникой и энергосбережением мобильного робота).

Вспомнив немного ТОЭ и воспользовавшись симулятором TINA-TI, покажем несбыточность малую обоснованность надежд на благоприятный исход этого чита.

О параллельном соединении источников напряжения с точки зрения закона Ома, правил Кирхгофа и примкнувших к ним ТОЭ.

Два источника напряжения (E1, E2) с внутренними сопротивлениями (Rвн1, Rвн2) работают на нагрузку (Rн). Составив и упростив 3 уравнения — получим:
Uн = Rн * (Rвн2*E1 + Rвн1*E2) / (Rвн1*Rвн2 + Rн*[Rвн1+Rвн2]);
I1 = (E1 — Uн) / Rвн1;
I2 = (E2 — Uн) / Rвн2.
Беря номинал 3.3 В с разбалансом ЭДС в ± 0.1% (3,303 и 3,297 В, соответственно), внутренние сопротивления 0,01 Ом и сопротивление нагрузки 3,3 Ом — получим токи 0,8 и 0,2 А соответственно (± 60% от ожидаемых 0.5 А) при напряжении на нагрузке 3,295 В. Обратите внимание на величину исходного разбаланса — если не брать сверхточные и сверхстабильные источники опорного напряжения (стоимостью как крыло от вертолёта), она мало достижима в «вульгарной» микроэлектронике. А чем качественнее наши источники напряжения (меньше их внутреннее сопротивление) и чем выше сопротивление нагрузки — тем больше будет разбаланс токов при прочих равных.
Вооружась этой простой теорией — посмотрим пристальнее на внутреннюю структуру стабилизаторов напряжения.

О параллельном соединении стабилизаторов напряжения с точки зрения наличия в них обратной связи.

Как известно, чуть более чем все современные стабилизаторы напряжения строятся как компенсационные — обратная связь отслеживает напряжение на выходе стабилизатора и поддерживает его постоянным либо меняя внутреннее сопротивление между входом и выходом, либо меняя соотношение замкнутого и разомкнутого состояний между входом и выходом. Из этого вытекает тот факт, что если подать на выход стабилизатора напряжение превышающее его выходное, то ОС должна будет отключить регулирующие элементы и данный стабилизатор выйдет из борьбы за жизнь нагрузки.
Не будем рассматривать здесь случаи линейного стабилизатора с push-pull выходом (используются как источники питания терминаторов DDR-памяти) и импульсных стабилизаторов с синхронным выпрямлением. Первые — должны, а вторые, теоретически, — могут пытаться снижать напряжение на своём выходе.
В случае применения импульсных стабилизаторов — можно рассмотреть и такие гипотетические вещи, как биение частот преобразования или их самосинхронизация… Но это выходит за рамки моих текущих интересов. Для закрытия теоретической части добавлю, что если кто-то предложит использовать внешнее тактирование импульсных стабилизаторов со сдвигом фаз, то Вы опоздали. Микропроцессоры Intel и AMD уже многие годы питаются от многофазных конвертеров, а если есть готовый двух- и более фазный контроллер, то городить внешнюю синхронизацию для отдельных стабилизаторов — бессмысленно.
А теперь — перейдём к симуляции реальности.

О параллельном соединении стабилизаторов напряжения в симуляторе.

Первый пример — вариация простенького линейного стабилизатора из app. note на регулируемый источник опорного напряжения типа 431.
Он применялся, например, в некоторых ранних блоках питания ATX для стабилизации напряжения 3.3 В. На сток регулирующего транзистора подавалось 5 В, а резистор в цепи затвора питался от 12 В.
Поскольку в симуляции нас не волнует КПД, то для простоты на входе один единственный источник питания. Также — с ходу я не нашёл средства внести погрешность в опорное напряжение TL431, кроме как добавить генератор напряжения G1 в цепь управляющего электрода. Вот результат расчёта (меню «Анализ постоянного тока», раздел «Переходные характеристики»):

Как видим — достаточно разбаланса опорных напряжений в 3 мВ, чтобы один из стабилизаторов превратился в тыкву. А это всего 0,12% от номинального, да ещё отнюдь не каждая 431 имеет точность лучше 0.5%.
Предложение «поставим в цепь обратной связи триммер и подгоним правильное деление тока нагрузки» я отметаю на том основании, что типичные подстроечные резисторы (Bourns и muRata, керметные, одно и многооборотные) — имеют вибростойкость до 1% (изменение зафиксированного отношения напряжений или сопротивлений после воздействия вибрации с ускорением 20..30 G).
Упомянутые в ссылках на зарубежные ресурсы пляски с последовательными резисторами на выходах стабилизаторов — я даже рассматривать не буду. Просто потому, что этим убивается то, для чего собственно и ставится стабилизатор напряжения — постоянство напряжения на нагрузке при изменении её тока потребления.
Потом я вспомнил, что на выходе обычно есть конденсаторы… Добавление на выходы конденсаторов по 1000 мкФ с ESR 100 мОм не внесло кардинальных отличий в результаты симуляции параллельной работы этих стабилизаторов (меню «Анализ переходных процессов»).

Возможно, кто-то скажет: «Сработает ограничение по току у первого стабилизатора и второй тоже подключится». Но очевидно, что даже если это произойдёт, то первый всё равно продолжит работать с перегрузкой, что не прибавит надёжности нашей системе. Вот пример работы пары LP2951 (максимальный ток нагрузки — 100 мА, ограничение тока в модели — около 160 мА) с общим током нагрузки около 180 мА.
Почему такое старье? Потому, что они есть у меня в удобном для втыкания в «бредовую борду» DIP’е и, если кто-то из читателей пожелает пойти путём Фомы, то я смогу измерить всё IRL.
Результаты симуляции (меню «Анализ переходных процессов»):

Как видите — второй и не думает деятельно участвовать в спасении нагрузки от голода. А благодаря бóльшему коэффициенту усиления — выход из игры происходит при меньшем разбалансе.

На этом — всё. Питайтесь правильно!

Вывод.

Если максимальный выходной ток стабилизатора напряжения не обеспечивает потребности питаемой схемы, то есть только два выхода — заменить стабилизатор на модель с бóльшим выходным током или использовать схемотехническую балансировку выходных токов нескольких стабилизаторов.

P.S. «Всякое лыко — в строку». Во время подготовки статьи на глаза попалась широко растиражированная в документации на стабилизатор типа 1117 схема переключателя «батарея — сеть» с параллельным включением их выходов. К ней есть вопросы о практической применимости, но тему статьи она подтверждает чуть более, чем полностью. Привожу фрагмент из документации фирмы «ON semiconductor», который снабжён текстовыми пояснениями:

The 50 Ohm resistor that is in series with the ground pin of the upper regulator level shifts its output 300 mV higher than the lower regulator. This keeps the lower regulator off until the input source is removed.

P.P.S. Дописал вывод. Точнее — скопировал его из синопсиса.

Synopsis: You can’t boost output current of weak voltage regulators by simple parallel connection. You must use tougest one or special schematic for properly current sharing.

ТЕСТОВЫЕ ЗАДАНИЯ ПО ДИСЦИПЛИНЕ: “ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ”, СПЕЦИАЛЬНОСТЬ 230103.02 МАСТЕР ПО ОБРАБОТКЕ ЦИФРОВОЙ ИНФОРМАЦИИ

1. Какой способ соединения источников позволяет увеличить напряжение?

а) последовательное соединение;

б) параллельное соединение;

в) смешанное соединение;

2. Расшифруйте абривиатуру ЭДС:

а) электронно-динамическая система;

б) электрическая движущая система;

в) электродвижущая сила;

г) электронно действующая сила

3. При каком напряжении выгоднее передавать электрическую энергию в линии

электропередач при заданной мощности?

а) при пониженном;

б) при повышенном;

г) значение напряжения утверждено ГОСТом

4. Чему равен ток в нулевом проводе в симметричной трёхфазной цепи при соединении

нагрузки в звезду?

а) номинальному току одной фазы;

в) сумме номинальных токов двух фаз;

г) сумме номинальных токов трёх фаз

5. Почему обрыв нейтрального провода четырехпроходной системы является аварийным

а) на всех фазах приёмника энергии напряжение падает;

б) на всех фазах приёмника энергии напряжение возрастает;

в) возникает короткое замыкание;

г) на одних фазах приёмника энергии напряжение увеличивается, на других уменьшается

6. Какие трансформаторы используются для питания электроэнергией бытовых

потребителей?

7. Какой физический закон лежит в основе принципа действия трансформатора?

б) закон Кирхгофа;

в) закон самоиндукции;

г) закон электромагнитной индукции.

8. Почему магнитопровод статора асинхронного двигателя набирают из изолированных

листов электротехнической стали?

а) для уменьшения потерь на перемагничивание;

б) для уменьшения потерь на вихревые токи;

в) для увеличения сопротивления;

г) из конструкционных соображений

9. Что является вращающейся частью в асинхронном двигателе?

10. Укажите основной недостаток асинхронного двигателя:

а) сложность конструкции;

б) зависимость частоты вращения от момента на валу;

г) отсутствие экономичных устройств для плавного регулирования частоты вращения ротора

11. С какой скоростью вращается ротор синхронного генератора?

а) с той же скоростью, что и круговое магнитное поле токов статора;

б) со скоростью, большей скорости вращения поля токов статора;

в) со скоростью, меньшей скорости вращения поля токов статора;

г) скорость вращения ротора определяется заводом – изготовителем

12. Синхронные двигатели относятся к двигателям:

а) с регулируемой частотой вращения;

б) с нерегулируемой частотой вращения;

в) со ступенчатым регулированием частоты вращения;

г) с плавным регулированием частоты вращения

13. Опасен ли для человека источник электрической энергии, напряжением 36 В?

в) опасен при некоторых условиях;

г) это зависит от того, переменный ток или постоянный

14. От чего зависит степень поражения человека электрическим током?

б) от частоты тока;

в) от напряжения;

г) от всех перечисленных факторов

15. Какие линии электропередач используются для передачи электроэнергии?

г) все перечисленные

Какое из приведенных средств не соответствует последовательному соединению ветвей при постоянном токе?

а) ток во всех элементах цепи одинаков;

б) напряжение на зажимах цепи равно сумме напряжений на всех его участков;

в) напряжение на всех элементах цепи одинаково и равно по величине входному

г) отношение напряжений на участках цепи равно отношению сопротивлений на этих

2. Что называется электрическим током?

а) движение разряженных частиц;

б) количество заряда, переносимое через поперечное сечение проводника за единицу

в) равноускоренное движение заряженных частиц;

г) порядочное движение заряженных частиц

3. Обычно векторные диаграммы строят для:

а) амплитудных значений ЭДС, напряжений и токов;

б) действующих значений ЭДС, напряжений и токов;

в) действующих и амплитудных значений;

г) мгновенных значений ЭДС, напряжений и токов

4. Лампы накаливания с номинальным напряжением 220 В включают в трехфазную сеть

с напряжением 220 В. Определить схему соединения ламп.

а) трехпроводной звездой;

б) четырехпроводной звездой;

г) шестипроводной звездой

5. Может ли ток в нулевом проводе четырехпроводной цепи, соединенной звездой быть

равным нулю?

в) всегда равен нулю;

г) никогда не равен нулю

6. Чем принципиально отличается автотрансформаторы от трансформатора?

а) малым коэффициентом трансформации;

б) возможностью изменения коэффициента трансформации;

в) электрическим соединением первичной и вторичной цепей;

7. Какой режим работы трансформатора позволяет определить коэффициент

трансформации?

а) режим нагрузки;

б) режим холостого хода;

в) режим короткого замыкания;

г) ни один из перечисленных

8. Как изменить направление вращения магнитного поля статора асинхронного трехфазного

а) достаточно изменить порядок чередования всех трёх фаз; б) достаточно изменить порядок чередования двух фаз из трёх;

в) достаточно изменить порядок чередования одной фазы; г) это сделать не возможно

9. Для преобразования какой энергии предназначены асинхронные двигатели?

а) электрической энергии в механическую;

б) механической энергии в электрическую;

в) электрической энергии в тепловую;

г) механической энергии во внутреннюю

10. Перечислите режимы работы асинхронного электродвигателя

а) режимы двигателя;

б) режим генератора;

в) режим электромагнитного тормоза;

г) все перечисленные

11. К какому источнику электрической энергии подключается обмотка статора синхронного

а) к источнику трёхфазного тока;

б) к источнику однофазного тока;

в) к источнику переменного тока;

г) к источнику постоянного тока

12. В качестве, каких устройств используются синхронные машины?

в) синхронные компенсаторы;

г) во всех перечисленных

13. По степени безопасности, обусловленной характером производства и состоянием

окружающей среды, помещения с повышенной опасностью…

а) это помещения сухие, отапливаемые с токонепроводящими полами и относительной

влажностью не более 60 %;

б) это помещения с высокой влажностью, более 75 %, токопроводящими полами

и температурой выше + 30;

в) это помещение с влажностью, близкой к 100 %, химически активной средой;

г) все перечисленные признаки

14. Чему равна наименьшая смертельно опасная сила тока для человека ?

15. Какую опасность представляет резонанс напряжений для электрических устройств?

а) недопустимый перегрев отдельных элементов электрической цепи; б) пробой изоляции обмоток электрических машин и аппаратов;

в) пробой изоляции кабелей и конденсаторов;

г) все перечисленные аварийные режимы

ЛИСТ ОТВЕТОВ

для тестовых заданий по дисциплине: ” Основы электротехники “,

студента группы: _________

Вариант № ____

Подпись: _____________________

Дата: ________________

ЛИСТ ОТВЕТОВ

для тестовых заданий по дисциплине: ” Основы электротехники “,

студента группы: _________

Вариант № ____

Подпись: _____________________

Дата: ________________

КОДИФИКАТОР

тестовых заданий по дисциплине: ” Основы электротехники

КРИТЕРИИ ОЦЕНКИ ТЕСТА

« 5 » – 85-100% = 13-15 правильных ответов

« 4 » – 65-84% = 10-12 правильных ответов

« 3 » – 50-64% = 7-9 правильных ответов

« 2 »- менее 49% = 6 и менее правильных ответов

  • Все материалы
  • Статьи
  • Научные работы
  • Видеоуроки
  • Презентации
  • Конспекты
  • Тесты
  • Рабочие программы
  • Другие методич. материалы

  • Карташов Алексей НиколаевичНаписать 4849 01.10.2015

Номер материала: ДВ-023972

  • Другое
  • Другие методич. материалы
    01.10.2015 864
    01.10.2015 593
    01.10.2015 3364
    01.10.2015 1279
    01.10.2015 533
    01.10.2015 1793
    01.10.2015 715

Не нашли то что искали?

Вам будут интересны эти курсы:

Оставьте свой комментарий

Авторизуйтесь, чтобы задавать вопросы.

Минобрнауки дополнительно обсудит рекомендации по вакцинации студентов

Время чтения: 2 минуты

Около трети россиян планируют пройти дополнительное обучение в течение года

Время чтения: 2 минуты

Минобрнауки рекомендовало перевести непривитых студентов на удаленку

Время чтения: 1 минута

Молодым россиянам начислят по 3000 рублей на культурное просвещение

Время чтения: 1 минута

Школьники из России победили на соревнованиях по робототехнике

Время чтения: 1 минута

YouTube анонсировал новые меры по защите несовершеннолетних пользователей

Время чтения: 2 минуты

Подарочные сертификаты

Ответственность за разрешение любых спорных моментов, касающихся самих материалов и их содержания, берут на себя пользователи, разместившие материал на сайте. Однако администрация сайта готова оказать всяческую поддержку в решении любых вопросов, связанных с работой и содержанием сайта. Если Вы заметили, что на данном сайте незаконно используются материалы, сообщите об этом администрации сайта через форму обратной связи.

Все материалы, размещенные на сайте, созданы авторами сайта либо размещены пользователями сайта и представлены на сайте исключительно для ознакомления. Авторские права на материалы принадлежат их законным авторам. Частичное или полное копирование материалов сайта без письменного разрешения администрации сайта запрещено! Мнение администрации может не совпадать с точкой зрения авторов.

Параллельное и последовательное соединение проводников в электрической цепи

При монтаже электрических цепей в электротехнике применяют последовательное и параллельное соединение проводников. От выбранного способа соединения источников и потребителей в значительной мере зависят рабочие параметры подключенного оборудования. Поэтому особенности обоих методов построения схемы обязательно должны учитываться при проектировании электроцепей.

Что такое параллельное соединение проводников

При данном способе в составе схемы в крайних точках соединяются начала и концы всех нагрузок, подключенных к источнику электротока. Сами же нагрузки размещаются параллельно по отношению друг к другу. Количество подключенных по такой схеме компонентов не ограничивается. Схема используется во многих сферах, позволяя решать разные задачи компоновки сетей. Например, часто задействуют параллельное соединение аккумуляторов.

При контрольном измерении значения вольтажа электроприборов вольтметр будет показывать одинаковые величины. Это означает, что электронапряжение на каждой нагрузке будет равняться общей величине вольтажа, действующего в электрической цепи.

Особенностью схемы параллельного соединения можно назвать разветвление цепи. В месте разветвления происходит деление заряда с направлением его частей по отдельной линии к соответствующему проводнику. Поэтому общая величина тока будет равна суммарному значению токов на каждой из включенных нагрузок.

Совокупное электрическое сопротивление всей электроцепи имеет меньшее абсолютное значение, по сравнению с каждым из приборов.

Что такое последовательное соединение проводников

Суть этого способа заключается в том, что компоненты цепи подключаются друг к другу поочередно. Первый проводник одним проводом подключается к источнику питания. Второй его провод соединяется со вторым проводником, от которого идет конец на третий проводник и т.д., пока цепь не будет замкнута. Классическим примером последовательной электроцепи можно назвать подключение лампочек в гирлянде.

Ток проходит по цепи приборов, состоящей из резисторов, ламп или других нагрузок, протекая через каждый включенный в электроцепь прибор. В собранной таким способом цепи отсутствует эффект деления и накопления заряда на разных ее участках. Соответственно, физическая величина ампеража будет на всех участках одинаковой.

Совокупное электросопротивление всех последовательно соединенных нагрузок, приборов и устройств любого типа равняется сумме их индивидуальных сопротивлений. Таким образом, его значение прямо зависит от количества подключенных приборов и их параметров.

Аналогично рассчитывается и совокупный вольтаж. Он равняется сумме напряжений, действующих на каждом отдельном электроприборе.

Разница между последовательным и параллельным соединением, преимущества и недостатки

Принципиальные отличия между последовательным и параллельным соединение проводников по ключевым электротехническим параметрам приведены в таблице:

Параметр/тип соединения Последовательное Параллельное
Электросопротивление Равняется сумме электросопротивлений всех электропотребителей. Меньше значения электросопротивления каждого отдельного из подключенных электроприборов.
Напряжение Равняется совокупному вольтажу всех электропотребителей. Одинаковая величина на всех участках электроцепи.
Сила тока Одинаковая величина на всех участках электроцепи. Равняется совокупному значению токов на каждом из приборов.

Плюсы и минусы последовательного соединения

Основными преимуществам электроцепей из последовательно соединенных приборов являются их следующие особенности:

  • простота проектирования и построения схемы;
  • низкая стоимость комплектации;
  • возможность подключения приборов, рассчитанных на меньшее рабочее напряжение, по сравнению с номинальным напряжением сети;
  • выполнение функции регулирования тока – обеспечивает равномерные нагрузки на все приборы.

Однако у этого способа компоновки электросхемы есть и серьезные недостатки. Главным из них является ненадежность цепи из последовательно соединенных проводников. При выходе из строя любого из подключенных приборов, происходит отключение всей цепи.

Кроме того, минусом является снижение напряжения при увеличении количества подключенных потребителей. Примером может служить последовательное соединение нескольких ламп. Чем больше осветительных приборов подключено таким способом к источнику электропитания, тем менее яркий свет они будут давать.

Плюсы и минусы параллельного соединения

При использовании параллельного соединения проводников обеспечиваются такой набор преимуществ:

  • стабильность напряжения на электроприборах, вне зависимости от их числа;
  • возможность включения или отключения отдельных участков в нужный момент без нарушения работы всей электроцепи;
  • надежность – при выходе одного или нескольких компонентов из строя сама электроцепь продолжает сохранять работоспособность.

Недостатком является более сложный расчет и сложная схема, использование которой повышает стоимость комплектации электросети.

Закон Ома для участка цепи

Одним из ключевых электротехнических законов можно назвать закон Ома для участка цепи. Именно этим законом объясняются отличия, которые существуют для параллельного и последовательного соединения проводников.

Формулируется он таким образом:

Записывается он следующей формулой:

I = U/R, где

I – сила тока, (А);

U – вольтаж, (В);

R – электросопротивление, (Ом).

Смешанное соединение проводников в электрической цепи

На практике сборку электроцепей, как правило, проводят таким метод, который предусматривает смешанное соединение проводников. Это комбинированное решение, которое сочетает оба способа. Обычно для монтажа основной сети используют параллель, а отдельные потребители при необходимости объединяют в последовательную сеть.

При расчете и сборке смешанных соединений сопротивлений обязательно должны учитываться особенности, преимущества и недостатки обоих методов подключения. В ходе проектирования, схему целесообразно разбить на отдельные части и выполнить расчет в по физическим законам, которые справедливы для последовательного и параллельного соединения. После этого, составные части объединяют в единую схему.

Как соединить вольтметр и амперметр в цепь

К числу основных электротехнических параметров относятся сила тока и вольтаж. Для контроля этих величин используют приборы – амперметры и вольтметры. Требования по подключению этих приборов в цепь определяются, исходя из законов, которые действуют для последовательного и параллельного соединения.

Для измерения величины тока производится включение амперметра в цепь строго последовательно с рабочей нагрузкой. Важно, чтобы сопротивление самого прибора было минимальным, чтобы не допустить его влияние на работу электрооборудования. Если амперметр подключить параллельно, это приведет к выходу амперметра из строя.

Для измерения напряжения вольтметр в цепь подключается строго параллельно источнику или приемнику тока. Сам измерительный прибор должен иметь довольно высокое собственное сопротивление. Это требуется, чтобы при измерении можно было пренебречь величиной тока, который отбирается через вольтметр.

Применение параллельного и последовательного соединения в электротехнике

Параллельное соединение активно применяется для монтажа проводки и цепей в различных видах электрического оборудования и приборов. Оно дает возможность подключить электрические устройства к электросети независимо друг от друга.

Последовательное соединение используют, когда нужно обеспечить включение и отключение определенных приборов. Именно по этой схеме подсоединяются выключатели и тумблеры. Также схема хорошо подходит в тех случаях, когда необходимо сформировать электроцепь из потребителей с малым значением номинального напряжения.

При параллельном соединении конденсаторов совокупная емкость равняется сумме емкостей каждого полупроводника. В случае применения последовательного соединения конденсаторов, результирующая емкость уменьшается вдвое. Это свойство также используется при формировании электроцепей.

Последовательное соединение проводников: видео

Параллельное соединение проводников: видео

Способы соединения резисторов, решение задачи смешанного соединения проводников: видео

Последовательное и параллельное соединение аккумуляторов

В этой статье мы расскажем, как правильно соединять аккумуляторы, объясним, чем отличаются разные типы соединений, и зачем вообще все это нужно.

Для чего соединять несколько аккумуляторов

Основные причины, по которым аккумуляторы объединяют в сборки, можно свести к следующим:

  1. Уменьшить омические потери (или потери тепла при передаче электроэнергии) путем увеличения сопротивления системы. Сила тока и сопротивление обратно пропорциональны друг другу, а чем слабее ток, тем меньше потери.
  2. Собрать батарею, подходящую для питания приборов с более высокими диапазонами напряжений.
  3. Увеличить емкость аккумулятора.
  4. Увеличить и мощность, и напряжение.

Одним словом, создают АКБ, которая подходит под конкретные нужды. Проще и удобнее комбинировать имеющиеся под рукой аккумуляторы, чем покупать десятки различных батарей. А в некоторых случаях это банально дешевле.

СПРАВКА. Электроэнергия, которая накапливается в АКБ, складывается из энергий составляющих элементов. Поэтому и при последовательном, и при параллельном, и при комбинированном соединении она будет одинаковой, если используются одни и те же элементы в одном и том же количестве.

Какие виды соединения существуют

Чаще всего используется последовательное и параллельное соединение аккумуляторов. Есть еще третий вид, комбинированный, или последовательно-параллельный.

Можно ли соединять АКБ разной емкости

Последовательно – нет. Дело в том, что от емкости зависит внутреннее сопротивление. Чем больше емкость, тем ниже сопротивление. В сборке образуется большая разница напряжения, и где-то оно может оказаться сильно выше предела, а где-то – намного ниже. При подключении зарядного устройства аккумулятор с меньшей емкостью зарядится быстрее и на нем будет избыток напряжения, что приведет к порче и потере емкости, в то время как аккумуляторы с большей емкостью так и не зарядятся до конца.

При подключении нагрузки произойдет обратная ситуация: маленький аккумулятор разрядится ниже допустимой границы (так называемый глубокий разряд), в результате потеряв часть своей емкости.

ВАЖНО! Нельзя соединять последовательно аккумуляторы разной емкости, разного типа, разной степени зарядки. Они должны быть максимально похожи, лучше – из одной партии.

На вопрос о том, можно ли параллельно соединять аккумуляторы разной емкости, ответ – да. Но осторожно. Убедитесь, что напряжение на их клеммах равно. Если оно будет сильно отличаться, это может вызвать короткое замыкание либо порчу меньшего аккумулятора. Еще стоит учитывать, что клеммы конкретного аккумулятора могут не выдержать слишком сильный ток в течение длительного времени. Смотрите технические характеристики перед сборкой.

Особенности последовательного соединения АКБ

Последовательное соединение АКБ – задача не такая уж сложная. К плюсу электрической схемы подсоединяем плюс первой батареи, к минусу первой батареи подключаем плюс второй, и так далее. Минус последней подключается к минусу электросхемы. Перед тем как последовательно соединить аккумуляторы, убедитесь в том, что они одинаковы по параметрам.

Формулы (U – напряжение, I – ток, C – емкость, E – электрическая энергия):

Схема

Емкость системы

Емкость АКБ при последовательном соединении будет равна емкости одного элемента, а напряжение элементов будет суммироваться. Например, на схеме показано, как подключить аккумуляторы последовательно. В таком случае напряжение батареи вырастет в 4 раза (12*4 = 48 В), а емкость останется равной 200 Ач.

Для чего используется

Разные устройства имеют различные диапазоны напряжений. В то же время, рабочее напряжение электроаккумуляторов варьируется от 0,5 до 48 В. Если нужен автономный источник энергии для приборов, электроприводной техники, стартеров автомобилей, для него создается повышенное рабочее напряжение. Делается это как раз с помощью последовательного соединения аккумуляторных батарей.

Самый простой пример такого соединения – карманный фанарик. Чем ниже напряжение в фонарике, тем более тускло горит лампочка. А наиболее часто такая система используется в автомобильных свинцово-кислотных АКБ. Отдельные элементы в них называются банками и объединены в общем корпусе свинцовыми шинами. В беспроводных инструментах и электровелосипедах используются литий-ионные аккумуляторы.

Особенности параллельного соединения АКБ

Как соединить два аккумулятора параллельно: плюс каждого элемента подсоединяют к плюсу последующего, а минус – к минусу.

Формулы (U – напряжение, I – ток, C – емкость, E – электрическая энергия):

Схема

Емкость системы

Параллельное подключение аккумуляторов позволяет увеличить емкость системы, не увеличивая напряжение. Например, при параллельном соединении трех идентичных аккумуляторов со схемы выше, напряжение батареи будет равно 12 В, а емкость увеличится до 600 Ач (200 Ач * 3).

Для чего используется

Чаще всего параллельное подключение АКБ используется в источниках аварийного или бесперебойного питания. Параллельное соединение аккумуляторов позволяет увеличить мощность, поэтому применяется также в тяжелой спецтехнике и в двигателях большегрузных автомобилей. Такой тип соединения распространен и на флоте: он обеспечивает работу аварийных систем связи и жизнеобеспечения, освещения и вспомогательных дизелей.

Особенности последовательно-параллельного соединения АКБ

При таком подходе последовательное подключение аккумуляторов проводят одновременно с параллельным. Существует два возможных варианта:

  1. Сперва подготавливается требуемое напряжение путем последовательного подключения АКБ. Затем из нескольких таких сборок составляется система с необходимой электрической емкостью.
  2. Сперва соединяют аккумуляторы параллельно для увеличения емкости, затем увеличивают напряжение, соединяя сборки последовательно.

Схема

Емкость системы

В данном случае увеличивается и емкость, и напряжение. В примере на схеме подключили сперва по два аккумулятора последовательно, получив две сборки с емкостью 200 Ач и напряжением 24 В, а затем объединили готовые сборки параллельно. Таким образом, напряжение осталось 24 В, а емкость увеличилась до 400 Ач.

Для чего используется

Чаще всего используется для питания машин с электрическим приводом. Если говорить о литиевом аккумуляторе, то из них составляют акб для портативных компьютеров. 4 последовательных элемента по 3,6 В обеспечивают напряжение 14,4 В, а два параллельных – емкость 4800 мАч.

ВАЖНО! Правильно подбирайте провода для соединения аккумуляторов. Помните, что при увеличении емкости увеличивается и ток. Лучше использовать самозатухающие или негорючие провода.

Техника безопасности

  • используйте диэлектрические перчатки;
  • не прикасайтесь к клеммам голыми руками;
  • аккумуляторы должны быть отключены от нагрузок;
  • пользуйтесь инструментами с изолированными рукоятками;
  • проверьте клеммы и соединительные контакты перед подключением;
  • не используйте аккумуляторы с разными параметрами и степенью износа;
  • будьте внимательны с полярностью;
  • используйте подходящие провода для соединения;
  • изолируйте сборку от влаги

ВНИМАНИЕ! Главное – обезопасить себя от удара током.

Ошибки коммутации и их последствия

Ошибки коммутации можно разделить на ошибки самого соединения (перепутали плюс и минус) и на неправильный выбор аккумуляторов и соединяющих проводов.

Если вы перепутаете клеммы, возможно следующее:

  • замыкание;
  • воспламенение;
  • оплавка проводов;
  • порча АКБ (падение мощности).

Помните, что при увеличении мощности потребуются соединяющие провода с подходящим сечением. Перед коммутацией понадобится тщательный расчет всех параметров. Про аккумуляторы мы уже писали выше; если вы соедините неподходящие акб, вы их испортите.

Проверка работоспособности системы

В первую очередь убедитесь, что аккумуляторы целые, без трещин, без ржавчины и следов окислов. Провода на клеммах должны быть хорошо закреплены. Если внешне все в порядке, можно проверить напряжение и силу тока.

  1. Проверка падения напряжения при подключении нагрузки.
    К системе подключается нагрузка определенной величины и измеряется падение напряжения мультиметром или вольтметром. Можно провести проверку несколько раз, делая паузы между измерениями, чтобы дать заряду восстановиться. Полученные данные нужно сравнить с параметрами используемого типа батареи с учетом величины нагрузки.
  2. Измерение напряжения без нагрузки.
    У разных типов акб свои значения напряжения разомкнутой цепи. Например у свинцово-кислотного это 12,6 В.
  3. Использование нагрузочной вилки.
    Если в течение 5-10 секунд напряжение незначительно возрастает или стабильно, то система исправна.
  4. Проверка с помощью специальных анализаторов и тестеров.
    Можно быстро замерять напряжение и определять емкость с помощью приборов-тестеров, например, Кулон, PITE, Fluke, Vencon.
  5. Полная разрядка / зарядка.
    Это, пожалуй, самый достоверный способ. С помощью специальных устройств (УКРЗ) выполняется глубокая разрядка, а затем полная зарядка с непрерывным контролем емкости. Однако этот метод очень долгий, он может занимать от 15 часов до суток и более.

СПРАВКА. Если вы работаете со свинцово-кислотными аккумуляторами, обращайте внимание на электролит: его уровень должен быть выше свинцовых пластин на несколько мм, а плотность – находиться в пределах 1,23 – 1,31 г/см3 (ее можно измерить ареометром). Изменение оттенка на бурый может происходить из-за порчи пластин.

Напоследок несколько советов о том, как соединить аккумуляторы 18650:

  • лучше брать батареи фирм Panasonic, LG, Samsung или Sanyo;
  • никелевые полосы лучше, чем никелированные металлические;
  • аккумуляторы ни в коем случае нельзя перегревать, поэтому используйте точечную сварку, либо быструю пайку;
  • перед единением выравняйте напряжение на батареях с помощью зарядного устройства;
  • поставьте на сборку плату BMS.

Надеемся, мы помогли вам немного разобраться в теме, и вы сможете без проблем собрать свою систему акб, если потребуется.

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий