3.1.1 基本串、并联电路的特征
基本串、并联电路是电路图与实体电路进行对照时最为基础的一种电路。通常,我们将两个或两个以上的电子器件依次首尾相接所组成的电路称为串联电路;将两个或两个以上的电子器件按首首和尾尾方式连接起来的电路称为并联电路。
学习基本串、并联电路的特征时,应先认识和了解该类电路的结构形式,再结合具体的电路单元弄清楚电路特征。
1. 基本串、并联电路的结构
串联电路结构上的最大特点就是元器件之间采用首尾相接的连接方式,并联电路结构上的最大特点就是元器件之间采用并行的方式进行连接,如图3-1所示。
图3-1 基本串、并联电路的结构
2. 基本串、并联电路的特征
使用不同元器件构成的串、并联电路,其电路特征也有所区别。图3-2为电阻串联电路的特征。电阻串联电路只有一条电流通路,即流过电阻器的电流都是相等的。这些电阻器的阻值相加就是该电路的总阻值。每个电阻器上的电压根据每个电阻器阻值的大小按比例进行分配。当开关打开或电路的某一点出现问题时,整个电路显示断路状态。
图3-2 电阻串联电路的特征
根据图中可知, , 电路中各串联电阻上的电压分配与各电阻值成正比。
电路中, ,因 ,所以有 。
同理, , 。
可以看出,在电阻串联电路中,电阻值越大,该电阻两端的电压就越高。电阻串联电路的特征:
① 只有一条电流通路,且电路中各处电流处处相等。
② 各个电阻上的电压之和等于电源电压。
③ 总电阻等于各电阻之和。
④ 串联电阻器具有限流和分压作用,电压分配与各电阻值成正比。
通过电阻串联电路的特性,我们便可以通过调整串联电阻器的数量或改变串联电阻器阻值的方式调整电路,以实现相应的功能。
技术拓展
欧姆定律表示电压( U )与电流( I )及电阻( R )之间的关系,定义如下:电路中的电流( I )与电路中的电压( U )成正比,与电阻( R )成反比,即 I = U / R 。
电路中,电压的单位为V(伏特),1V=10 3 mV(毫伏)=10 6 μV(微伏);电流的单位为A(安培),1A=10 3 mA(毫安)=10 6 μA(微安);电阻的单位为Ω(欧姆),1MΩ=10 3 kΩ=10 6 Ω。
图3-3为电阻并联电路的特征。在电阻并联电路中,各并联电阻两端的电压都相等,电路中的总电流等于各分支的电流之和,且电路中的总电阻的倒数等于各并联电阻的倒数和。
图3-3 电阻并联电路的特征
由图可知,在电阻并联电路中:
● 各并联电阻两端的电压相等。
因为各电阻两端分别接在电路的a与b点之间,所以各电阻两端的电压与电路总电压都相等。
● 电路的总电流等于各分支的电流之和。
根据电流连续性原理,流入点a的电流 I 应等于a点流出的电流 I 1 、 I 2 、 I 3 之和。
● 电路的等效电阻(总电阻)的倒数等于各并联电阻的倒数和。
● 电路中流过电阻的电流与各电阻成反比。
图中, , , 所以 ,可得:
。可以看出,在电阻并联电路中,电阻值越小,流过该电阻的电流就越大。
提示说明
在一个电路中,既有电阻串联又有电阻并联的电路被称为电阻串、并联电路,也叫混联电路。电阻串、并联电路的形式很多,应用广泛。图3-4为几种电阻的串、并联电路,识读时,可简化串联电路、并联电路,即先计算出并联部分的总电阻值,然后将并联部分的总电阻值加上串联电路的电阻值就得到了这个串、并联电路的总电阻值。
图3-4 几种电阻串、并联电路
技术拓展
电阻并联电路的主要作用是分流。当几个电阻器并联到一个电源电压两端时,通过每个支电阻器的电流与它们的电阻值成反比。在同一个并联电路中,电阻值越小,则流过电阻的电流越大;相同值的电阻器流过的电流相等。
图3-5为电容串联电路的结构。通常在电容串联电路中采用交流电压源供电,电路中通过每个电容的电流相同。同时,在串联电路中仅有一个电流通路。当开关打开或电路的某一点出现问题时,整个电路显示断路状态。
图3-5 电容串联电路的结构
在电容串联电路中,电容与电阻的串联计算相反,即电容串联时,三个电容的总电容倒数等于三个电容倒数之和。多个电容串联的总电容的倒数等于各电容的倒数之和。
当外加电压 U 加到串联电容两端时,中间电容的各个极板则由于静电感应而产生感应电荷,感应电荷的大小与两端极板上的电荷量相等,均为 q ,已知电荷量的公式为:
则 ,每个电容所带的电量为 q ,因此这个电容组合体的总电量也是 q 。由串联电路的总电压公式可知,电容串联时的总电压为:
可见,串联电容上的电压之和等于总输入电压,因而串联电路具有分压功能。
提示说明
有极性的电解电容串联时,若将电容的两个正极相连,进行逆串联,如图3-6所示,则连接后的电容量是两个电容器平均容量的1/2,得到的是一个无极性的电解电容。
图3-6 将有极性的电容进行逆串联