什么是直流串联电路
直流串联电路或“串联电路”是将电阻器、电容器和电感器等单个电路元件端对端连接在一起以提供一条电流路径。直流串联电路通常定义为具有一条单独的闭合环路或路径供电流流动。
因此,在串联电路中,由于没有电流可以流出或流入的连接点、节点或路径,我们可以正确地说,串联电路任何部分的电流 ( I ) 的大小与任何其他部分的电流大小完全相同。也就是说,直流串联电路的所有部分都具有相同的电流值。
电路由许多不同类型的元件和设备组成,串联电路也是如此。它们不仅限于电阻器(R),还包括可以串联在一起的任何其他电子元件。例如,电感器(L)和电容器(C)以及R、L和C的各种组合。
然后我们可以说串联电路由电压或电流源、导体(电线)和各种组件(电阻器、电容器、电感器等)组成,它们以这样一种方式相互连接,以允许电流绕着一个回路或路径流动,串联元件的组合通常称为“串联串”。
电压源(例如电池)会在电路周围产生电位差,从而迫使电流流动。考虑以下直流串联电路。
直流串联电路
在上面的简单串联电路中,12 伏电池源看到的总电阻或等效电阻R T等于所有单个电阻器值的总和。因此:
R T = R 1 + R 2 + R 3 = 10Ω + 20Ω + 30Ω = 60Ω
为方便起见,我们在简单示例中使用了电阻,因为这是直流电路。但同样的规则也适用于交流 (AC) 电路,其中总阻抗位于串联串周围。
还要注意,串联电路的等效电阻或总电阻R T始终大于电路中任何电阻的值。因此,如果有“ n ”个电阻或阻抗串联(其中n可以是任意值),则:
R T = R 1 + R 2 + R 3 + ... + R n
如前所述,由于电流仅流过一条闭环路径,因此电池源 ( V S ) 向电路提供的总电流 ( I T ) 将与流过每个电阻的电流值相同。
然后利用欧姆定律,流过串联电路的电流计算如下:
串联电路中的电流
串联电路中的电流
欧姆定律还指出,任何电压的值都可以通过将电流乘以电阻来表示,V = I x R。然后,通过使用电流值,我们可以找到电路中任何元件之间的电位差,从而找到任何串联电阻器之间的电压降。因此:
V S = I T x R T、V R1 = I T x R 1、V R2 = I T x R 2以及 V R3 = I T x R 3 等。
利用欧姆定律,上述串联电路中每个电阻两端的电压降可以计算如下:
电阻R 1两端的电压降等于:I T x R 1 = 0.2 x 10 = 2 伏
电阻R 2两端的电压降等于:IT x R 2 = 0.2 x 20 = 4 伏
电阻R 3两端的电压降等于:I T x R 3 = 0.2 x 30 = 6 伏
因此,电压V 1、V 2和V 3的总和等于施加的总电池源电压V S。即:
V S = V AB = V R1 + V R2 + V R3 = 2v + 4v + 6v = 12 伏
因此,在串联电路中,电压源的值等于串联回路周围电压降(元件两端出现的电位差)的总和。
请注意,此处的“和”一词与电压的线性相加有关,因为我们的串联电路示例由恒定直流电压供电。当处理由交流电压供电的阻抗时,各个电压降的总和将是矢量和加法。
使用分压
然后我们可以看到,当电源电压施加到电阻的串联组合时,一小部分电压会出现在每个电阻上,而电路周围的电压分布取决于各个电路元件的电阻值。
因此,电路可以由电压源两端的任意数量的串联电阻元件组成,每个电压降都来自每个元件之间的连接。
串联电路中每个给定电阻上的电压降比例值是该特定电阻与总串联电阻的比率。这被称为分压规则或分压器规则,是串联电路的主要特征。
对于任意数量的串联电阻元件,总电阻值为R T ,由串联组合两端的源电压V S供电。任何一个电阻元件( R X ) 两端的电压降 ( R X ) 定义为:
串联电路中的分压
分压规则的优点是,我们仅使用电源电压和总串联电阻就可以找到每个电阻元件上的比例电压降,而无需知道环路电流I的值。因此,它使我们能够快速计算电路中任何电阻器 ( R n )两端的电压。
因此,让我们使用分压规则来确定上述串联电路中三个电阻器两端的电压降。
电阻压降
然后我们可以看到: V R1 = 2v、V R2 = 4v 和 V R3 = 6v的值与之前使用欧姆定律和流经环路的电流值计算的值相同。
请注意,虽然我们已将分压规则用于三个串联电阻,但只要电阻串联在一起,该规则也可用于任意数量的电阻。此外,对于分压规则,使用的电压V S不必是电池源电压,它可以是特定串联组合的总电压。
要注意的一点是,这些电压下降和电压源(或上升)也可以用基尔霍夫电压定律(KVL)来概括。
基尔霍夫电压定律(KVL)
基尔霍夫电压定律指出,闭合电路环路周围所有电压的代数和必须等于零 (0)。也就是说,所有电压降的总和等于串联电路环路中所有电压源的总和。
然而,在使用基尔霍夫电压定律时,我们必须考虑电压降和电压源的符号,因为电压源也可以是负电压降,而电压降可以被视为负电压源。
我们现在知道电阻两端的压降之和V R1 + V R2 + V R3等于电池电压源。然后我们可以证明基尔霍夫电压定律适用于上述简单的串联电路,因为:
V S - (V R1 + V R2 + V R3 ) = 12 - (2 + 4 + 6) = 0
即电源电压减去电压降之和等于零。因此,电路周围的电压分布符合基尔霍夫电压定律
串联电路示例 No2
将 5 个电阻串联在一起,电阻阻值分别为 5Ω、12Ω、20Ω、15Ω 和 8Ω,并将串联组合跨接在 24 伏直流电池电压源上。使用分压规则计算流经电路的环路电流I S以及每个电阻上的电压降。
串联电路示例
串联电路例子
1. 找到总串联电阻R T
R T = R 1 + R 2 + R 3 + R 4 + R 5 = 5Ω + 12Ω + 20Ω + 15Ω + 8Ω = 60Ω
2. 找到环路电流I S
环路电流
3. 找到各个电压降
串联电压降
如果愿意的话,我们可以使用欧姆定律和环路电流值来找到各个电压降,以此来仔细检查我们的分压计算,因为我们知道,电阻器两端的电压降只是电流乘以电阻(I x R):
电阻R 1两端的电压降等于:I T x R 1 = 0.4 x 5 = 2.0 伏
电阻R 2两端的电压降等于:IT x R 2 = 0.4 x 12 = 4.8 伏
电阻R 3两端的电压降等于:I T x R 3 = 0.4 x 20 = 8.0 伏
电阻R 4两端的电压降等于:I T x R 4 = 0.4 x 15 = 6.0 伏
电阻R 5两端的电压降等于:I T x R 5 = 0.4 x 8 = 3.2 伏
因此:2V + 4.8V + 8V + 6V + 3.2V = 24 伏,这是正确的。