Виды соединений элементов электрической цепи

Соединения электрических цепей на примере электропроводки

Электрическая цепь, являясь совокупностью устройств, по которым течет электрический ток, может иметь несколько видов соединений. Рассматривая на примере электрической проводки в доме, можно отметить, что способы соединения электрической цепи являются базой для типизации видов разводки. И в донном случае определение электрической цепи можно перефразировать как соединенные между собой источник тока, линии передачи и приемник.

Для наглядности рассмотрим самую простую электрическую цепь. Она состоит из источника тока, приемника (лампочка или электродвигатель) и системы передачи (провода). Чтобы данная комбинация стала полноценной цепью, ее элементы должны быть соединены между собой проводниками таким образом, чтобы ток протекал по замкнутой цепи.

Условные обозначения элементов электрической цепи

Все элементы электрических цепей можно разделить на активные и пассивные. К активным относятся источники тока, аккумуляторы, электродвигатели. Пассивные элементы – соединительные провода и электро приемники (лампочка или иной потребитель). Их общепринятые условные обозначения предназначены для изображения элементов цепи на схемах. Рассмотрим основные из них, так как данная информация пригодится для дальнейшего понимания принципов соединения электрической цепи на примере разводки внутри домовой проводки.

Условные обозначения элементов:

Способы соединения электрической цепи

Разобравшись с терминологией и графическим обозначением элементов, можно перейти к непосредственному рассмотрению способов соединения, представленных в следующей таблице:

При параллельном соединении ни один элемент (приемник) не соединен между собой, но при этом они объединены двумя общими узлами. В этом случае даже при возникновении неисправности одного из потребителей, остальные продолжают работать. Наглядным примером такого соединения может быть подключение двух зон освещения через двухклавишный выключатель, где один проводник (рабочий ноль N) общий, а фаза (L) посредством выключателя разделяется на два проводника L1 и L2.
При последовательном соединении все элементы цепи располагаются друг за другом и не имеют узлов. Примером служит елочная гирлянду, где большое количество лампочек соединяется одним проводом (если сгорит одна лампочка, цепь разорвется и погаснут все остальные). Другой пример — шлейфовое подключение розеток.

Типы разводки электропроводки

Информация о соединениях электрической цепи тесно переплетается с темой разводки проводки и дополняет методику электромонтажных работ. Существует несколько типов разводки. Однако, прежде чем перейти к ним, стоит рассмотреть, как формируется разводка в частном доме:

  1. Питающий кабель входит в распределительный щит здания.
  2. В щите располагаются группы автоматических устройств защиты.
  3. Посредством автоматики и распределительных шин кабель далее разводится на зоны (группы потребителей).
  4. Зоны делятся на две группы: одна предназначена для розеток, другая — для освещения.
  5. Питающие кабели отдельной зоны заходят в помещение, где для них используются свои варианты расключения. Так, силовая кабельная линия, идущая к розетке, может подключается к другим розеткам данного помещения методом «шлейфа», а осветительная линия может расключаться через распределительную коробку.

Типы расключения электрической проводки:

Тип расключения «звезда» (другие названия бескоробочное, или европейское) схематично выглядит следующим образом: одна розетка — одна линия кабеля до щитка. То есть, каждая розетка и точка освещения имеют отдельную кабельную линию, которая заходит прямо в щиток и подключается к отдельному автоматическому выключателю. Преимущество данной методики — безопасность и возможность контролировать каждую электрическую точку. Также, при такой разводке не требуется устанавливать распределительные коробки. Недостатком бескоробочного подключения является увеличенный расход провода и, соответственно, увеличение трудовых затрат на монтаж системы.
«Шлейф» по сравнению со «звездой» отличается экономичностью. Изобразить шлейфовое расключение можно следующим образом: электрощит или распределительная коробка — розетка — розетка — розетка. Другими словами, несколько электрических точек последовательно подключаются, и от них общий питающий проводник идет либо к электрощиту, либо к распаечной коробке. Как видно, данный тип расключения проводки — не что иное, как последовательное соединение в разрезе электрической цепи.
Самый распространенный тип разводки — с использованием распределительных коробок. В этом случае от электрического щита питающий кабель конкретной группы разветвляется между потребителями через распределительные коробки, которые обычно располагаются над выключателем около входа в комнату.
Смешанное расключение предполагает одновременное применение в одной системе типов «звезда», «шлейф» с использованием распределительных (распаечных) коробок.

В чистом виде перечисленные типы расключения применяются редко. Как правило, выбирают смешанный вариант. При этом, нужно соблюдать правила соединения электрической цепи.

ElectronicsBlog

Обучающие статьи по электронике

Электротехника часть 4. Соединение элементов цепи

Всем доброго времени суток. В прошлой статье я рассмотрел закон Ома, применительно к электрическим цепям, содержащие источники энергии. Но в основе анализа и проектирования электронных схем вместе с законом Ома лежат также законы баланса токов, называемым первым законом Кирхгофа, и баланса напряжения на участках цепи, называемым вторым законом Кирхгофа, которые рассмотрим в данной статье. Но для начала выясним, как соединяются между собой приёмники энергии и какие при этом взаимоотношения между токами, напряжениями и сопротивлениями.

Для сборки радиоэлектронного устройства можно преобрески DIY KIT набор по ссылке.

Последовательное соединение приемников энергии

Приемники электрической энергии можно соединить между собой тремя различными способами: последовательно, параллельно или смешано (последовательно — параллельно). Вначале рассмотрим последовательный способ соединения, при котором конец одного приемника соединяют с началом второго приемника, а конец второго приемника – с началом третьего и так далее. На рисунке ниже показано последовательное соединение приемников энергии с их подключением к источнику энергии


Пример последовательного подключения приемников энергии.

В данном случае цепь состоит из трёх последовательных приемников энергии с сопротивлением R1, R2, R3 подсоединенных к источнику энергии с напряжением U. Через цепь протекает электрический ток силой I, то есть, напряжение на каждом сопротивлении будет равняться произведению силы тока и сопротивления

Таким образом, падение напряжения на последовательно соединённых сопротивлениях пропорциональны величинам этих сопротивлений.

Из вышесказанного вытекает правило эквивалентного последовательного сопротивления, которое гласит, что последовательно соединённые сопротивления можно представить эквивалентным последовательным сопротивлением величина, которого равна сумме последовательно соединённых сопротивлений. Это зависимость представлена следующими соотношениями

где R – эквивалентное последовательное сопротивление.

Применение последовательного соединения

Основным назначением последовательного соединения приемников энергии является обеспечение требуемого напряжения меньше, чем напряжение источника энергии. Одними из таких применений является делитель напряжения и потенциометр


Делитель напряжения (слева) и потенциометр (справа).

В качестве делителей напряжения используют последовательно соединённые резисторы, в данном случае R1 и R2, которые делят напряжение источника энергии на две части U1 и U2. Напряжения U1 и U2 можно использовать для работы разных приемников энергии.

Довольно часто используют регулируемый делитель напряжения, в качестве которого применяют переменный резистор R. Суммарное сопротивление, которого делится на две части с помощью подвижного контакта, и таким образом можно плавно изменять напряжение U2 на приемнике энергии.

Параллельное соединение приемников энергии

Ещё одним способом соединения приемников электрической энергии является параллельное соединение, которое характеризуется тем, что к одним и тем же узлам электрической цепи присоединены несколько преемников энергии. Пример такого соединения показан на рисунке ниже


Пример параллельного соединения приемников энергии.

Электрическая цепь на рисунке состоит из трёх параллельных ветвей с сопротивлениями нагрузки R1, R2 и R3. Цепь подключена к источнику энергии с напряжением U, через цепь протекает электрический ток с силой I. Таким образом, через каждую ветвь протекает ток равный отношению напряжения к сопротивлению каждой ветви

Так как все ветви цепи находятся под одним напряжением U, то токи приемников энергии обратно пропорциональны сопротивлениям этих приемников, а следовательно параллельно соединённые приемники энергии можно заметь одним приемником энергии с соответствующим эквивалентным сопротивлением, согласно следующих выражений

Таким образом, при параллельном соединении эквивалентное сопротивление всегда меньше самого малого из параллельно включенных сопротивлений.

Смешанное соединение приемников энергии

Наиболее широко распространено смешанное соединение приемников электрической энергии. Данной соединение представляет собой сочетание последовательно и параллельно соединенных элементов. Общей формулы для расчёта данного вида соединений не существует, поэтому в каждом отдельном случае необходимо выделять участки цепи, где присутствует только лишь один вид соединения приемников – последовательное или параллельное. Затем по формулам эквивалентных сопротивлений постепенно упрощать данные участи и в конечном итоге приводить их к простейшему виду с одним сопротивлением, при этом токи и напряжения вычислять по закону Ома. На рисунке ниже представлен пример смешанного соединения приемников энергии


Пример смешанного соединения приемников энергии.

В качестве примера рассчитаем токи и напряжения на всех участках цепи. Для начала определим эквивалентное сопротивление цепи. Выделим два участка с параллельным соединением приемников энергии. Это R1||R2 и R3||R4||R5. Тогда их эквивалентное сопротивление будет иметь вид

В результате получили цепь из двух последовательных приемников энергии R12R345 эквивалентное сопротивление и ток, протекающий через них, составит

Тогда падение напряжения по участкам составит

Тогда токи, протекающие через каждый приемник энергии, составят

Первый закон Кирхгофа

Как я уже упоминал, законы Кирхгофа вместе с законом Ома являются основными при анализе и расчётах электрических цепей. Закон Ома был подробно рассмотрен в двух предыдущих статьях, теперь настала очередь для законов Кирхгофа. Их всего два, первый описывает соотношения токов в электрических цепях, а второй – соотношение ЭДС и напряжениями в контуре. Начнём с первого.

Первый закон Кирхгофа гласит, что алгебраическая сумма токов в узле равна нулю. Описывается это следующим выражением

где ∑ — обозначает алгебраическую сумму.

Слово «алгебраическая» означает, что токи необходимо брать с учётом знака, то есть направления втекания. Таким образом, всем токам, которые втекают в узел, присваивается положительный знак, а которые вытекают из узла – соответственно отрицательный. Рисунок ниже иллюстрирует первый закон Кирхгофа


Изображение первого закона Кирхгофа.

На рисунке изображен узел, в который со стороны сопротивления R1 втекает ток, а со стороны сопротивлений R2, R3, R4 соответственно вытекает ток, тогда уравнение токов для данного участка цепи будет иметь вид

Первый закон Кирхгофа применяется не только к узлам, но и к любому контуру или части электрической цепи. Например, когда я говорил о параллельном соединении приемников энергии, где сумма токов через R1, R2 и R3 равна втекающему току I.

Второй закон Кирхгофа

Как говорилось выше, второй закон Кирхгофа определяет соотношение между ЭДС и напряжениями в замкнутом контуре и звучит следующим образом: алгебраическая сумма ЭДС в любом контуре цепи равна алгебраической сумме падений напряжений на элементах этого контура. Второй закон Кирхгофа определяется следующим выражением

Читайте также:  Виды подпорных стенок и их классификация

В качестве примера рассмотрим ниже следующую схему, содержащую некоторый контур


Схема, иллюстрирующая второй закон Кирхгофа.

Для начала необходимо определится с направлением обхода контура. В принципе можно выбрать как по ходу часовой стрелки, так и против хода часовой стрелки. Я выберу первый вариант, то есть элементы будут считаться в следующем порядке E1R1R2R3E2, таким образом, уравнение по второму закону Кирхгофа будет иметь следующий вид

Второй закон Кирхгофа применяется не только к цепям постоянного тока, но и к цепям переменного тока и к нелинейным цепям.
В следующей статье я рассмотрю основные способы расчёта сложных цепей с использованием закона Ома и законов Кирхгофа.

Теория это хорошо, но без практического применения это просто слова.Здесь можно всё сделать своими руками.

Типы и виды соединений электропроводки

Любая схема соединения электрической проводки имеет большое количество соединений. Именно их принято считать «ахиллесовой пятой» любой электрической схемы.

Поэтому правильному монтажу соединений следует уделить самое пристальное внимание. А соблюдение норм ПУЭ (Правила устройства электроустановок) при монтаже соединений, позволит вам исключить пожары и другие неприятные ситуации, связанные с вашей электропроводкой.

  • Виды электрических соединений
    • Последовательное соединение
    • Параллельное соединение
  • Методы соединения проводов
  • Варианты подключения электропроводки
    • Подключение в распределительном щитке
    • Подключение в распределительной коробке
  • Выводы

Виды электрических соединений

Прежде всего, давайте разберемся с возможными видами электрических соединений. Их два: последовательное и параллельное. Каждое их них имеет свое предназначение и применяется при реализации различных задач.

Последовательное соединение

  • Прежде всего, рассмотрим последовательное соединение. Оно применяется достаточно редко, но также имеет свои преимущества. Последовательным называется соединение, в котором нулевой провод первого электроприемника является фазным для второго электроприемника в цепи. Лучше это видно на фото, приведенном ниже.
  • При таком типе соединения напряжение питающей сети делится поровну между каждым электроприемником. То есть, если в сети 220В, подключим две лампы последовательным соединением — на каждую из них будет приходить 110В. Если подключить три лампы, то соответственно 73В и так далее. Эта особенность последовательного соединения часто применяется в гирляндах.
  • К недостаткам последовательного соединения стоит отнести то, что при обрыве провода на любом участке перестает работать вся цепь. То есть, при перегорании одной лампочки из трех подключенных последовательным соединением, не будет гореть ни одна.

Обратите внимание, что при последовательном соединении, например ламп 220В, ярче будет гореть лампа с меньшим сопротивлением. Если вкрутить две лампы: одна на 60Вт, а другая на 200Вт, то светить будет ярче лампа с мощностью в 60Вт.

Параллельное соединение

  • В большинстве же случаев электрические схемы соединения проводки предусматривают параллельное соединение. При данном типе подключения на каждый электроприемник подводится один фазный и один нулевой провод от питающей сети. Опять-таки лучше это видно на приведенном ниже рисунке.
  • Такой тип соединения применяется для подключения 99% электроприборов. При этом обрыв провода, подходящего к электроприбору, обесточивает только этот электроприбор. Напряжение питающей сети соответствует заданному и может измениться только вследствие подключения приборов большой мощности.
  • К недостаткам параллельного соединения можно отнести только большее количество проводов, а также увеличение вероятности запутаться при большом количестве подключений. Но этот фактор легко исключить, если прочесть данную инструкцию до конца.

Методы соединения проводов

В соответствии с п.2.1.21. ПУЭ, соединение проводов можно осуществлять только методами сварки, пайки, опрессовки и сжимов. Как видим, излюбленный метод доморощенных электриков, скрутка, не входит в перечень разрешенных методов соединения.

А из всех представленных разрешенных методов наиболее оптимальным для использования в домашних условиях является сжим. Это может быть винтовое, болтовое или пружинное соединение.

  • Для монтажа болтовых и винтовых соединений промышленность сейчас выпускает большое количество самых разнообразных клеммных соединений. Их цена достаточно не велика, а удобство монтажа находится на высоком уровне.
  • Отдельно хотелось бы сказать о пружинных клеммах. Я сам не являюсь сторонников пружинок, распорок и тому подобных соединений, но как-то раз довелось стать свидетелем испытаний одного из таких клеммников.
  • Это были клеммы WAGO. На испытательной установке мы плавно поднимали ток, протекающий через клемму, пока наш медный провод в 4 мм 2 не перегорел. При этом величина тока составляла 100А. После этого мы достали клеммник и не обнаружили на нем никаких дефектов. Это заставило изменить мое мнение о таких пружинных клеммниках, и поэтому вам я советую присмотреться к ним повнимательнее.
  • Так же стоит отметить, что отдельным преимуществом таких клеммников является возможность соединения алюминиевых и медных проводов. В обычных же условиях это можно осуществлять только через латунную вставку.

Варианты подключения электропроводки

Теперь давайте разберемся, какая должна быть электропроводка и как соединять провода. Для расключения однофазной сети необходимо применять трехжильный провод.

При этом следует применять нормы из п.1.1.29 ПУЭ для облегчения прокладки и снижения вероятности перепутывания проводов.

Трехжильный провод следует применять со следующими проводами:

  • Фазный провод – цветовое обозначение для однофазной сети не нормируется. Для трехфазной сети желтый, зеленый, красный – соответственно фазы А,В и С.

Обратите внимание! Для трехфазной цепи нормы ПУЭ нормируют не только цветовую гамму обозначения каждой фазы, но и их расположение в распределительных щитках разных конструкций.

  • Нулевой провод – для любых сетей должен применяться проводник голубого цвета. При обозначении шин или клеммников применяется символ «N».
  • Заземляющий провод – в любых сетях должен применяться провод с продольными желто-зелеными полосами. При обозначении шин и клеммников применяется знак заземления.

Подключение в распределительном щитке

Теперь давайте рассмотрим виды соединения электропроводки в разных участках нашей электрической сети.

Начнем с распределительного щитка:

  • Сначала разберемся с фазным проводом. Он должен подключаться через защитное устройство. Это могут быть предохранители, пробки, но чаще всего используются автоматические выключатели. Питающий провод к автоматическим выключателям обычно подводится сверху, вы же подключаетесь снизу.
  • Нулевой провод ,согласно норм ПУЭ, не должен иметь коммутационных устройств. Поэтому обычно для него организуют отдельный клеммник в боковой части щитка. К нему мы подключаем голубую жилу нашего провода.
  • Это же правило относится и к заземляющему проводу. Только для него следует создать отдельный клеммник. К нему мы и подключаем наш желто-зеленый провод.

Отдельно остановимся на подключении УЗО. Для этого нам необходимо использовать не только фазный, но и нулевой провод. И схема во многом зависит от места установки УЗО.

Если вы устанавливаете УЗО на все группы вашей электрической сети:

  • В этом случае фазный и нулевой провод с счетчика подключается к вводам УЗО. Тут важно не перепутать и нулевой провод подключить к клемме, обозначенной «N». Иначе УЗО не будет работать.
  • Фазный провод на выходе УЗО подключаем ко всем автоматам, питающим отдельные группы.
  • Нулевой провод на выходе УЗО подключаем к шине или клеммнику, от которого подключаются нулевые провода всех групп.

Если вы устанавливаете УЗО на отдельную группу:

  • В этом случае фазный провод на ввод УЗО берется от автоматического выключателя группы.
  • Нулевой провод на ввод УЗО берется с нулевой шины вашего распределительного щитка.
  • С выводов УЗО нулевой и фазный провод идут непосредственно к потребителям.

Подключение в распределительной коробке

Соединение электропроводки на колодки при соблюдении указанных выше норм также не позволит вам запутаться. Отличается здесь только подключение светильников и розеток, но они незначительны.

При подключении розеток нам достаточно при помощи клемм сделать ответвление фазного, нулевого и заземляющего провода:

  • Для этого приходящий провод разрезается и каждая жила подключается к отдельному клеммнику. Для подключения одной розетки необходимо три клеммы, двух розеток — четыре, трех — пять и так далее.
  • Теперь подключаем к одной клемме фазный провод приходящего провода. Ко второй клемме подключается провод группы, идущий к другим присоединениям. К третьей клемме крепим фазный провод, идущий к нашей розетке.
  • Идентично выполняем операции с нулевым и заземляющим проводом.

Подключение светильников несколько усложняется ввиду наличия включателя.

  • Если вы вызвались подключать светильники своими руками, то на первом этапе делаем те же операции, что и при подключении розеток. То есть, разделываем кабель и каждую жилу подключаем к разным клеммникам. Так же можно сразу подключить провод, идущий к другим электроприемникам данной группы.
  • Согласно норм ПУЭ, выключатель сети освещения должен отключать фазный провод. Поэтому от клеммника фазных проводов делаем подключение к выключателю.
  • Если у вас однокнопочный выключатель, то на выходе с выключателя будет один провод. Если двух и более кнопочный, то два или более, соответственно. Мы рассмотрим однокнопочный выключатель для упрощения предоставления информации. Для двух, трех и более кнопочных выключателей схема подключения идентична.
  • Провод, подключенный к выводу выключателя, отправляется обратно в распределительную коробку. Здесь мы устанавливаем еще один фазный клеммник, к которому и подключается наш провод.
  • Теперь берется трехжильный провод, который подключен непосредственно к светильнику. Фазная жила этого провода подключается к фазному клеммнику провода, пришедшего от выключателя. Нулевая жила подключается к клеммнику нулевых жил, а заземляющая — к клеммнику заземляющих жил. Все, подключение нашего светильника выполнено. Если же посмотреть соответствующие видео, то данный процесс станет для вас еще более понятным.

Выводы

Надеемся, наша инструкция позволит вам без проблем выполнить подключение электрической сети любой сложности. Ведь элементарное соблюдение норм ПУЭ позволяет значительно облегчить этот процесс и исключить вероятность ошибки.

Способы соединения элементов электрических цепей

Основные законы для цепей переменного тока

Закон Ома для участка цепи. Сила тока на данном участке цепи тем больше, чем больше сила тока на этом участке и чем меньше сопротивление участка.

Закон Ома для замкнутой цепи. Дело в том, что источник постоянного тока, будь то батарея или другой источник имеет свое сопротивление. Рассчитывая ток на этом участке необходимо учитывать и его. При этом зная ЭДС источника тока, получаем расчетную формулу для этого закона.

Первый закон Кирхгофа. Допустим, в один узел. Так вот, сумма всех токов, которые втекают в этот узел и вытекают из этого узла равна нулю. Или сумма токов, втекающих в узел равна сумме токов, вытекающих из этого узла.

Второй закон Кирхгофа

второй закон Кирхгофа – сумма падений напряжений на сопротивлениях потребителей в замкнутой цепи равна сумме ЭДС, выдаваемых источниками тока в этой цепи.

Читайте также:  Дизайнерский интерьер ванной - 8 удивительных примеров

4. Закон Ома.


Закон Ома для участка цепи. Величина тока на участке цепи прямо пропорциональна напряжению на концах этого участка и обратно пропорциональна его сопротивлению I=U/R , откуда U=IR ; R=U/I , где I –ток в цепи (А); U-напряжение на концах цепи (В); R-сопротивление участка цепи (Ом).


Закон Ома для всей цепи. Величина тока в неразветвленной цепи, содержащей один источник тока, прямо пропорциональна его ЭДС и обратно пропорциональна сопротивлению всей цепи: I=E/(R+r), где E — ЭДС источника, r — внутреннее сопротивление источника.

Из этой формулы получается: IR=E – Ir , или U=E – Ir

Напряжение на зажимах источника тока меньше его ЭДС на величину падения напряжения на внутреннем сопротивлении. При разомкнутой внешней цепи напряжение на зажимах источника тока равно его ЭДС.

Ток в неразветвленной цепи, состоящей из нескольких последовательно соединенных источников тока и нескольких внешних сопротивлений, определяется по формуле: I= ΣE/(ΣR+Σr) где ΣE=E1-E2+E3,

Где ΣR — сумма сопротивлений внешней цепи; Σr0 — сумма внутренних сопротивлений источников тока.

Закон Кирхгофа

Первый закон Кирхгофа – алгебраическая сумма токов, сходящихся в любом узле, равна нулю.

Где i – число токов, сходящихся в данном узле. Например, для узла электрической цепи (рис. 1) уравнение по первому закону Кирхгофа можно записать в виде I1 – I2 + I3 – I4 + I5 = 0

Второй закон Кирхгофа:алгебраическая сумма падений напряжений на отдельных участках замкнутого контура, произвольно выделенного в сложной разветвленной цепи, равна алгебраической сумме ЭДС в этом контуре

где k – число источников ЭДС; m – число ветвей в замкнутом контуре; Ii, Ri – ток и сопротивление i-й ветви.

Способы соединения элементов электрических цепей

· Последовательное соединение – во всех его элементах протекает один и тот же ток, и во всем соединении нет ни одного промежуточного узла. Сопротивления при последовательном соединении складываются: .

· Параллельное соединение – это соединение, при котором напряжение на концах участка цепи одинаково. все элементы находятся под одним напряжением, сила тока распределена по-разному и при выходе одного из элементов все остальные продолжают свою работу.

При параллельном соединении эквивалентное сопротивление находится как:

В случае двух параллельно соединенных резисторов

· Смешанное соединение –для нахождения эквивалентного сопротивления нужно, “свернуть” схему поочередным преобразованием параллельных и последовательных участков цепи.

Сначала найдем эквивалентное сопротивление для параллельного участка цепи, а затем прибавим к нему оставшееся сопротивление R3. Следует понимать, что после преобразования эквивалентное сопротивление R1R2 и резистор R3, соединены последовательно.

· Мостовая схема соединения представлена на рисунке ниже.

Для того чтобы свернуть мостовую схему, один из треугольников моста, заменяют эквивалентной звездой.

Затем находят общее эквивалентное сопротивление, учитывая, что резисторы R3,R4 и R5,R2 соединены между друг другом последовательно, а в парах параллельно.

Что нужно знать об электрических соединениях

Роль электрических соединений в создании электрических цепей и их виды.

Электрические соединения. Виды и применение на практике. Электрические цепи и проводники. Способы электрических соединений проводников — проводов, кабелей и шнуров. Электрические соединители и их соответствие ГОСТам.

  • ЭС может быть довольно сложным, состоящим из множества составляющих его структур (элементов, узлов, систем и т. д.). К примеру, ЭС вашего домашнего телевизора с источником питания, которым является электростанция — весьма сложная структура. И состоит она из множества проводников, линий электропередач (и иных электрических соединителей), подстанций, трансформаторов, электрических счетчиков, домашней электросети и, наконец, шнура телевизора. Можно сказать, что ЭС домашнего телевизора с электростанцией в свою очередь требует соединения множества иных электрических цепей.
  • ЭС присутствует также в любом электрическом приборе, устройстве и т.д. между их отдельными элементами и узлами. Т. е., по сути, мы имеем в каждом из них целый ряд соединений электрических элементов, без которых их работа попросту невозможна.

2. Электрическая цепь и схемы возможных видов электрических соединений ее элементов

Простейшую электрическую цепь можно определить, как совокупность элементов (устройств) и проводников, предназначением которой является прохождение электротока. Схема ЭС в такой цепи приведена на рисунке.

В целом же в любой электрической цепи присутствуют следующие элементы:

  • источник тока (электроэнергии) — аккумулятор, генератор и т. д.;
  • потребители электроэнергии (ее приемники) — различные бытовые приборы, электрические двигатели, станки, обогреватели и пр.;
  • проводники электрические (линии электропередач) — провода, кабеля, шнуры;

Поскольку на нашем сайте уже шла речь об электрических проводах и кабелях, остановимся несколько подробнее на соединителях для электрических проводов.

2.1. Соединители проводов

Элементы, с помощью которых устанавливается ЭС, принято называть соединителями проводов. Не будем погружаться вглубь данной проблемы, а остановимся на обычной электропроводке в доме или квартире. Кто в доме «сам себе мастер» с проблемой соединения проводов знаком не понаслышке. Соединить провода можно самыми разнообразными методами — начиная от обычной их скрутки до использования клеммников (клеммных колодок). Сразу оговоримся, что неважно, каким способом будут соединены провода. Главное — надежность этого соединения!

Рассмотрим все же, какое соединение проводов — традиционное (сварка проводов, пайка проводов, опрессовка проводов, обжим проводов) или же современное (с использованием разнообразных зажимов) является более надежным и прочным. При этом немаловажно помнить, что от этого зависит безопасность проживания в вашем жилище.

2.1.1. Скрутка по-прежнему популярна

Несмотря на наличие на рынке современных, безопасных и эстетичных заводских соединителей, электрики по-прежнему продолжают пользоваться этим методом соединения проводов.

Основными его недостатками являются:

  • соединение не относится ни к разъемному, ни к неразъемному типу, посколькужилы проводов также подвергаются износу;
  • не имея опыта и практических навыков, прочную скрутку не выполнишь.

А вот у опытных электриков такое соединение проводов выходит не только прочным, но и довольно эстетичным (хотя изолента все равно его вид испортит).

2.1.2. Колпачки СИЗ

Это сокращенное название соединительных изолирующих зажимов. Они имеют внешний пластиковый корпус, который:

  • не поддерживает горение;
  • может применяться при напряжении до 600 В;
  • имеет неплохие изоляционные характеристики и одновременно служит защитой от механических повреждений.

Колпачки изготавливаются в виде конуса со стальной обжимной пружиной внутри. Применение довольно простое — скрутка проводов вставляется в колпачок, а пружина ее при этом еще и обжимает. Но все же для успешного их использования требуются определенные навыки. И конечно же, для оголения кончиков проводов лучше пользоваться не ножом, а специальным съемником изоляции.

Важно также правильно скрутить жилы, особенно, если их несколько. А вставив скрутку в колпачок, его вращение следует выполнять исключительно по часовой стрелке, но ни в коем случае наоборот.

Необходимо также знать об их маркировке:

  • серым и синим цветом маркируются колпачки соответственно для 2-х и 3-х жил сечением до ;
  • оранжевые, желтые и красные колпачки предназначены для соединения соответственно 2-х, 4-х и 8-ми жил сечением до 2,5 .

2.1.3. Клеммники (клеммные зажимы)

Их основное преимущество заключается в возможности соединения жил, изготовленных из разных металлов (например, из меди и алюминия, которые скручивать нельзя. ). На практике чаще всего пользуются клеммными колодками из полиэтилена, простыми по устройству и, что немаловажно, не дорогими.

Они состоят из ряда ячеек с гильзами (трубками из латуни) внутри каждой. Жилы соединяемых проводов вставляются с двух сторон в эту гильзу и зажимаются соответственно двумя винтами. При этом следует помнить, что с помощью таких клеммников можно соединять исключительно одножильные (не многожильные. ) провода. И второе, клеммные колодки требуют периодической ревизии (особенно с алюминиевыми жилами — их следует своевременно подтягивать).

2.1.4. Скотч-лок

Эти разовые соединительные муфты используются при работе с проводами, рассчитанными на небольшой рабочий ток — в телефонии, в маломощных светодиодных светильниках и т. д. Соединение выполняется т.н. врезным контактом и, следовательно, предварительное оголение жил проводов не требуется.

Кроме того такие универсальные муфты:

  • относительно дешевы;
  • не требуют специальных инструментов для обжима (можно использовать обычные плоскогубцы);
  • не пропускают влагу;
  • легко заменяются.

2.1.5. Гильзы

Использование этих мощных зажимов целесообразно при необходимости соединения нескольких проводов. Это, по сути, луженая медная трубка, в которую вставляются провода, после чего трубка обжимается специальными клещами (кримпером).

Таким образом, соединить провода можно пользуясь самыми различными зажимами. Поэтому при их выборе следует учитывать вид и количество проводов, требующих соединения, а также место расположения будущего соединения. Но еще раз повторим — главное, чтобы оно было надежным и безопасным!

2.2. Виды соединения проводников

На практике соединение проводников может выполняться одним из четырех видов:

2.2.1. Последовательное

Последовательное электрическое соединение проводников применяется в случае необходимости обеспечения одинаковой силы тока на всех участках цепи. В качестве примера можно привести старую гирлянду на елку. Она же демонстрирует и недостаток такого соединения — при перегорании одной лампочки (нарушение цепи) гаснут и все остальные.

2.2.2. Параллельное

Электрические соединения проводников параллельные являются самыми распространенными, т к. при этом ко всем элементам цепи подводится электроток одинакового напряжения. А вот сила тока отличается. Но в случае неисправности какого-либо одного элемента цепи, это не повлияет на работу остальных. Примером может служить подключение всех электроприборов в квартире или доме. Так, отключение верхнего света в комнате не влияет на работу телевизора и т. д.

2.2.3. Смешанное

Смешанное соединение электрической цепи означает наличие в ней, как последовательного, так параллельного соединений проводников.

2.2.4. Мостовая схема

Принцип мостовой схемы соединения проводников лежит в основе моста английского физика Ч. Уинстона, позволяющего измерять сопротивление проводников.

Соединения проводников

Автор статьи — профессиональный репетитор, автор учебных пособий для подготовки к ЕГЭ Игорь Вячеславович Яковлев

Темы кодификатора ЕГЭ: параллельное и последовательное соединение проводников, смешанное соединение проводников.

Есть два основных способа соединения проводников друг с другом — это последовательное и параллельное соединения. Различные комбинации последовательного и параллельного соединений приводят к смешанному соединению проводников.

Мы будем изучать свойства этих соединений, но сначала нам понадобится некоторая вводная информация.

Проводник, обладающий сопротивлением , мы называем резистором и изображаем следующим образом (рис. 1 ):

Напряжение на резисторе — это разность потенциалов стационарного электрического поля между концами резистора. Между какими именно концами? В общем-то, это неважно, но обычно удобно согласовывать разность потенциалов с направлением тока.

Ток в цепи течёт от «плюса» источника к «минусу». В этом направлении потенциал стационарного поля убывает. Напомним ещё раз, почему это так.

Читайте также:  Деревянные лестницы на второй этаж: весь процесс от расчета до отделки

Пусть положительный заряд перемещается по цепи из точки в точку , проходя через резистор (рис. 2 ):

Стационарное поле совершает при этом положительную работу .

Так как 0′ alt=’q > 0′ /> и 0′ alt=’A > 0′ /> , то и 0′ alt=’varphi_a – varphi_b > 0′ /> , т. е. varphi_b’ alt=’varphi_a > varphi_b’ /> .

Поэтому напряжение на резисторе мы вычисляем как разность потенциалов в направлении тока: .

Сопротивление подводящих проводов обычно пренебрежимо мало; на электрических схемах оно считается равным нулю. Из закона Ома следует тогда, что потенциал не меняется вдоль провода: ведь если и , то . (рис. 3 ):

Таким образом, при рассмотрении электрических цепей мы пользуемся идеализацией, которая сильно упрощает их изучение. А именно, мы считаем, что потенциал стационарного поля изменяется лишь при переходе через отдельные элементы цепи, а вдоль каждого соединительного провода остаётся неизменным. В реальных цепях потенциал монотонно убывает при движении от положительной клеммы источника к отрицательной.

Последовательное соединение

При последовательном соединении проводников конец каждого проводника соединяется с началом следующего за ним проводника.

Рассмотрим два резистора и , соединённых последовательно и подключённых к источнику постоянного напряжения (рис. 4 ). Напомним, что положительная клемма источника обозначается более длинной чертой, так что ток в данной схеме течёт по часовой стрелке.

Рис. 4. Последовательное соединение

Сформулируем основные свойства последовательного соединения и проиллюстрируем их на этом простом примере.

1. При последовательном соединении проводников сила тока в них одинакова.
В самом деле, через любое поперечное сечение любого проводника за одну секунду будет проходить один и тот же заряд. Ведь заряды нигде не накапливаются, из цепи наружу не уходят и не поступают в цепь извне.

2. Напряжение на участке, состоящем из последовательно соединённых проводников, равно сумме напряжений на каждом проводнике.

Действительно, напряжение на участке — это работа поля по переносу единичного заряда из точки в точку ; напряжение на участке — это работа поля по переносу единичного заряда из точки в точку . Складываясь, эти две работы дадут работу поля по переносу единичного заряда из точки в точку , то есть напряжение на всём участке:

Можно и более формально, без всяких словесных объяснений:

3. Сопротивление участка, состоящего из последовательно соединённых проводников, равно сумме сопротивлений каждого проводника.

Пусть — сопротивление участка . По закону Ома имеем:

что и требовалось.

Можно дать интуитивно понятное объяснение правила сложения сопротивлений на одном частном примере. Пусть последовательно соединены два проводника из одинакового вещества и с одинаковой площадью поперечного сечения , но с разными длинами и .

Сопротивления проводников равны:

Эти два проводника образуют единый проводник длиной и сопротивлением

Но это, повторяем, лишь частный пример. Сопротивления будут складываться и в самом общем случае — если различны также вещества проводников и их поперечные сечения.
Доказательство этого даётся с помощью закона Ома, как показано выше.
Наши доказательства свойств последовательного соединения, приведённые для двух проводников, переносятся без существенных изменений на случай произвольного числа проводников.

Параллельное соединение

При параллельном соединении проводников их начала подсоединяются к одной точке цепи, а концы — к другой точке.

Снова рассматриваем два резистора, на сей раз соединённые параллельно (рис. 5 ).

Рис. 5. Параллельное соединение

Резисторы подсоединены к двум точкам: и . Эти точки называются узлами или точками разветвления цепи. Параллельные участки называются также ветвями; участок от к (по направлению тока) называется неразветвлённой частью цепи.

Теперь сформулируем свойства параллельного соединения и докажем их для изображённого выше случая двух резисторов.

1. Напряжение на каждой ветви одинаково и равно напряжению на неразветвлённой части цепи.
В самом деле, оба напряжения и на резисторах и равны разности потенциалов между точками подключения:

Этот факт служит наиболее отчётливым проявлением потенциальности стационарного электрического поля движущихся зарядов.

2. Сила тока в неразветвлённой части цепи равна сумме сил токов в каждой ветви.
Пусть, например, в точку за время из неразветвлённого участка поступает заряд . За это же время из точки к резистору уходит заряд , а к резистору — заряд .

Ясно, что . В противном случае в точке накапливался бы заряд, меняя потенциал данной точки, что невозможно (ведь ток постоянный, поле движущихся зарядов стационарно, и потенциал каждой точки цепи не меняется со временем). Тогда имеем:

что и требовалось.

3. Величина, обратная сопротивлению участка параллельного соединения, равна сумме величин, обратных сопротивлениям ветвей.
Пусть — сопротивление разветвлённого участка . Напряжение на участке равно ; ток, текущий через этот участок, равен . Поэтому:

Сокращая на , получим:

что и требовалось.

Как и в случае последовательного соединения, можно дать объяснение данного правила на частном примере, не обращаясь к закону Ома.
Пусть параллельно соединены проводники из одного вещества с одинаковыми длинами , но разными поперечными сечениями и . Тогда это соединение можно рассматривать как проводник той же длины , но с площадью сечения . Имеем:

Приведённые доказательства свойств параллельного соединения без существенных изменений переносятся на случай любого числа проводников.

Из соотношения (1) можно найти :

К сожалению, в общем случае параллельно соединённых проводников компактного аналога формулы (2) не получается, и приходится довольствоваться соотношением

Тем не менее, один полезный вывод из формулы (3) сделать можно. Именно, пусть сопротивления всех резисторов одинаковы и равны . Тогда:

Мы видим, что сопротивление участка из параллельно соединённых одинаковых проводников в раз меньше сопротивления одного проводника.

Смешанное соединение

Смешанное сединение проводников, как следует из названия, может являться совокупностью любых комбинаций последовательного и параллельного соединений, причём в состав этих соединений могут входить как отдельные резисторы, так и более сложные составные участки.

Расчёт смешанного соединения опирается на уже известные свойства последовательного и параллельного соединений. Ничего нового тут уже нет: нужно только аккуратно расчленить данную схему на более простые участки, соединённые последовательно или параллельно.

Рассмотрим пример смешанного соединения проводников (рис. 6 ).

Рис. 6. Смешанное соединение

Пусть В, Ом, Ом, Ом, Ом, Ом. Найдём силу тока в цепи и в каждом из резисторов.

Наша цепь состоит из двух последовательно соединённых участков и . Сопротивление участка :

Участок является параллельным соединением: два последовательно включённых резистора и подключены параллельно к резистору . Тогда:

Теперь находим силу тока в цепи:

Для нахождения тока в каждом резисторе вычислим напряжения на обоих участках:

(Заметим попутно, что сумма этих напряжений равна В, т. е. напряжению в цепи, как и должно быть при последовательном соединении.)

Оба резистора и находятся под напряжением , поэтому:

(В сумме имеем А, как и должно быть при параллельном соединении.)

Сила тока в резисторах и одинакова, так как они соединены последовательно:

Типы электрических соединений.

Существуют три основных типа электрических соединений:

1. Последовательное соединение.

При этом все аппараты и приборы соединяются в единую непрерывную цепь, как лампы в ёлочной гирлянде.

Если в такой гирлянде (с последовательным соединением) перегорит хотя бы одна лампа, то погаснет вся гирлянда. В последовательной цепи сила тока на всех её участках одинакова : I1 = I2 = I3 , общее сопротивление всей цепи будет равно сумме всех сопротивлений: Rобщ = R1 + R2 + R3 , а общее напряжение всей цепи будет равно сумме падений напряжения на каждом её участке: Uобщ = U1 + U2 + U3. Для расчёта последовательной цепи применяют Закон Омадля неразветвлённой цепи.

Сила тока в неразветвлённой цепи прямо пропорциональна напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению цепи:

I = , где U – напряжение, R – сопротивление

2. Параллельное соединение.

Для изучения свойств электрических цепей с параллельным соединением необходимо вспомнить Первый Закон Кирхгофа: если к одной точке (узлу) подвести несколько проводников и несколько вывести, то…

Сумма токов, подходящих к узлу, будет равна сумме токов, выходящих из узла: I1+I2+I3 = I4+I5 . Алгебраическая сумма токов в общей точке будет равна нулю. Этот закон можно проиллюстрировать при помощи рисунка, расположенного ниже:

В горизонтальную трубу поступает вода, в тройнике она разделяется и далее течёт в обе стороны по горизонтальной трубе. Очевидно, что количество воды, протекающей по верхней трубе и входящей в тройник будет равно сумме количества воды, вытекающей из тройника в обоих направлениях, причём правый и левый потоки будут распределяться в зависимости от диаметра каждой трубы.

Для электрических цепей это значит, что токи, выходящие из узла (то есть, в параллельных цепях), будут распределяться в зависимости от сопротивления каждой цепи, а значит, при одинаковом сопротивлении параллельных цепей токи между ними будут разделяться поровну.

При параллельном соединении две и более электрических цепей имеют общее начало и общий конец.

Каждая электрическая цепь проводит ток в большей или меньшей степени. Способность цепи проводить электрический ток называется проводимостью. Очевидно, что чем меньше сопротивление цепи, тем лучше её проводимость и наоборот. Из этого следует, что проводимость – это величина, обратная сопротивлению, то есть :

g = Единица измерения – Сименс (Сим).

Если мы имеем 3 параллельные цепи, то, применив 1й Закон Кирхгофа, мы получим, что проводимость общего участка будет равна сумме проводимостей каждой цепи : gобщ = g1 + g2 + g3.

Учитывая, что g = , получается, что

U1 = U2 = U3 то есть, напряжение в каждой цепи одинаково и равно напряжению на клеммах всей цепи, а Iобщ = I1 + I2 + I3 то есть, сила тока во всей цепи равна сумме токов в каждой цепи.

Чтобы рассчитать общее сопротивление для двух параллельных цепей можно воспользоваться формулой: Rобщ = , где R1 и R2 – сопротивления параллельных цепей.

Пример: рассчитаем общее сопротивление двух параллельных цепей , где R1 = 2 Ома, а R2 = 8 Ом :

Rобщ = = =1,6 Ом. Таким образом, общее сопротивление двух параллельных цепей уменьшилось.

Исходя из этого, можно сделать вывод, что общее сопротивление параллельных цепей всегда будет меньше меньшего из сопротивлений и, если из нескольких параллельных цепей убрать хотя бы одну, то общее сопротивление увеличится (так как уменьшится общая проводимость)!

3. Смешанное соединение.

Это сочетание последовательных и параллельных цепей, то есть, цепь то разветвляется, то сходится в одну. Общее сопротивление такой цепи определяется, как сумма сопротивлений всех разветвлённых и неразветвлённых участков, рассчитанных раздельно, например:

Rобщ=R1+ + R4

Ссылка на основную публикацию