Основы электроники и электротехники — Лабораторная работа №3

Исследование сопротивлений резисторов при последовательном и параллельном соединениях.

Цель работы: Опытом проверить закономерности электрической цепи при последовательном и паралельном соединениях резисторов. 

 

1.Пояснение к работе 

Краткие теоретические сведения

    Последовательным соединением сопротивлений называется такое соединение, при котором конец первого сопротивления соединяется с началом второго, конец второго — с началом третьего и т. д. 

Общее сопротивление последовательно соединенных резисторов равно сумме их сопротивлений. 
R_общ.=R₁+R₂+R₃ 
R_общ=5ом+10ом+25ом=40ом 

        Величина тока в последовательной цепи 

         Так как в данной цепи отсутствует ответвление тока, то очевидно, что количество электричества, протекающее через поперечное сечение проводника за единицу времени. в любой точке цепи будет одинаковым. 
         Следовательно во всех точках последовательной цепи величина тока одинакова. 
     Эти четыре амперметра покажут одинаковые величины тока. Поэтому при последовательном соединении  для измерения тока достаточно включать один амперметр на любом участке цепи. 

 

Распределение напряжения в последовательной цепи 

Напряжение источника тока приложенное к внешнему участку цепи распределяется по участкам цепи прямо пропорционально сопротивлениям этих участков. Напряжение приложенное к каждому из этих резисторов определяется по формуле: 

Так как ток в последовательной цепи везде одинаков значит действительно напряжение на ее участках зависит от сопротивления чем больше сопротивление тем большее напряжение приложено к данному участку. 

 

Сумма напряжений на участках последовательной цепи равна напряжению источника тока 

Параллельным соединением сопротивлений называется такое соединение, при котором к одному зажиму источника подключаются начала сопротивлений, а к другому зажиму — концы.

Общее сопротивление параллельно включенных сопротивлений определяется по формуле:

 

 Общее сопротивление параллельно включенных сопротивлений всегда меньше наименьшего сопротивления, входящего в данное соединение. 

 На вышеуказанном рисунке мы можем сразу сказать что общее сопротивление будет меньше 10 ом.

Первый частный случай 

 Если параллельно включено только два резистора  то их общее сопротивление можно определить по формуле:

Второй частный случай

 Если параллельно включено любое количество резисторов одинаковых сопротивлений то их общее сопротивление можно определить  если сопротивление одного резистора разделить на количество резисторов. 

 

Распределение токов и напряжения в параллельных ветвях

 

Так как начала всех сопротивлений сведены в одну общую точку, а концы — в другую, то очевидно, что разность потенциалов на концах любого из параллельно включенных сопротивлений равна разности потенциалов между общими точками.  

 Итак, при параллельном соединении сопротивлений напряжения на них равны между собой.

 Если разветвление подключено непосредственно к зажимам источника тока, то напряжение на каждом из сопротивлений равно напряжению на зажимах источника.

 Второе свойство цепи с параллельным соединением  заключается в том, что электрический ток распределяется по параллельным ветвям обратно пропорционально их сопротивлениям. 

 Это значит что, чем больше сопротивление, тем меньше по нему пойдет ток. 

Рассматривая точку разветвления А, замечаем, что к ней притекает ток I, а токи I1, I2, I3 утекают из нее. Так как движущиеся электрические заряды не скапливаются в точке, то очевидно, что суммарный заряд, притекающий к точке разветвления, равен суммарному заряду утекающему от нее: 

  Следовательно, третье свойство параллельного соединения может сформулирована так: 

Величина тока в не разветвленной части цепи равна сумме токов в параллельных ветвях.     

 

2.Техническое задание 
2.1.Собрать электрическую цепь последовательного соединения резисторов (рисунок 1) 

Рисунок 1. Схема электрическая принципиальная.

2.2.Собрать электрическую цепь паралельного соединения резисторов (рисунок 2) 

Рисунок 2. Схема электрическая принципиальная.

2.3.Снять показания приборов и записать их в таблицу 
2.4.Произвести расчеты 
2.5. Построить графики 
2.6.Ответить на контрольные вопросы 
2.7. Сделать вывод 

3.Работа в лаборатории 

 

3.1. Исследование последовательного соединения резисторов

3.1.1 Собрать схему (Рисунок 3).

 

Рисунок 3. Схема исследования.

 

3.1.2 Установить на схеме величины R1=100 Ом + N, R2=100 Ом + 2N и R3=130 Ом + 4N,
где N — номер студента по журналу (мощность резисторов 1 Вт).
3.1.3.  Включить источник и установить напряжение U=15 В, 24 В.
3.1.4. Измерить величину тока, протекающего в цепи и занести значение в таблицу 1.                                                                  
3.1.5. Измерить напряжение на каждом резисторе и записать в таблицу 1.
3.1.6. Измерить сопротивление каждого резистора и записать в таблицу 1.
3.1.7. Отключить схему.
3.1.8. Рассчитать сопротивление резисторов по формулам:

Таблица 1 — Измеренные параметры

№измерения

Измерением

Расчетом

U

I

U1

U2

U3

R1

R2

R3

RЭ

R1

R2

R3

RЭ

В

А

В

В

В

Ом

Ом

Ом

Ом

Ом

Ом

Ом

Ом

1

15

2

24

 

3. 2. Исследование параллельного соединения реисторов

3.2.1. Собрать схему (Рисунок 4).

 

Рисунок 4. Схема исследования.

3.2.2. Установить на схеме величины R1=70 Ом + N, R2=100 Ом + N и R3=150 Ом + N,
где N — номер студента по журналу (мощность резисторов более 1 Вт). 
3.2.3. Включить источник и установить напряжение U=15 В, 24 В.
3.2.4. Измерить величину тока, протекающего во всей цепи и занести значение в таблицу 2.                                                                  
3.2.5. Измерить величину тока, протекающего в каждом резисторе и записать в таблицу 2.
3.2.6. Расчитать проводимость каждого резистора и записать в таблицу 2 (установкой):

3.2.7. Рассчитать проводимость каждого резистора через ток и напряжение и записать в таблицу 2 (расчетом):

3. 2.8. Отключить схему.

 

Таблица 2 — Измеренные параметры

№ измер.

Измерением

Установкой

Расчетом

U

I

I1

I2

I3

g1

g2

g3

gэ

Rэ

g1

g2

g3

gэ

Rэ

А

А

А

А

А

См

См

См

См

Ом

См

См

См

См

Ом

1

15

2

24

 

4. Содержание отчета
4.1. Название и цель работы
4.2. Схемы
4.3. Таблицы
4.4. Расчеты по формулам
4.5. Ответы на контрольные вопросы
4.6. Вывод

 

5.Контрольные вопросы

5.1. Какое соединение резисторов называют последовательным?
5.2. Как определить общее сопротивление резисторов при последовательном соединении?
5.3. Что называется проводимостью и в каких единицах она измеряется?
5.4. Чему равен общий ток цепи и напряжение на участках при последовательном соединении?
5.5.  Как определяется мощность на участках цепи и всей цепи при последовательном соединении?
5.6. Какое соединение резисторов называют паралельным?
5.7. Как определить общее сопротивление резисторов при паралельным соединении?
5.8. Чему равен общий ток цепи и напряжение на участках при паралельным соединении?
5.9.  Как определяется мощность на участках цепи и всей цепи при паралельным соединении?

Как различать последовательное и параллельное соединение.

Соединение резисторов параллельно и последовательно

Главная > Двери > Как различать последовательное и параллельное соединение. Соединение резисторов параллельно и последовательно

Параллельное и последовательное соединение проводников – способы коммутации электрической цепи. Электрические схемы любой сложности можно представить посредством указанных абстракций.

Определения

Существует два способа соединения проводников, становится возможным упростить расчет цепи произвольной сложности:

• Конец предыдущего проводника соединен непосредственно с началом следующего — подключение называют последовательным. Образуется цепочка. Чтобы включить очередное звено, нужно электрическую схему разорвать, вставив туда новый проводник.
• Начала проводников соединены одной точкой, концы – другой, подключение называется параллельным. Связку принято называть разветвлением. Каждый отдельный проводник образует ветвь. Общие точки именуются узлами электрической сети.

На практике чаще встречается смешанное включение проводников, часть соединена последовательно, часть – параллельно. Нужно разбить цепь простыми сегментами, решать задачу для каждого отдельно. Сколь угодно сложную электрическую схему можно описать параллельным, последовательным соединением проводников. Так делается на практике.

Использование параллельного и последовательного соединения проводников

Термины, применяемые к электрическим цепям

Теория выступает базисом формирования прочных знаний, немногие знают, чем напряжение (разность потенциалов) отличается от падения напряжения. В терминах физики внутренней цепью называют источник тока, находящееся вне – именуется внешней. Разграничение помогает правильно описать распределение поля. Ток совершает работу. В простейшем случае генерация тепла согласно закону Джоуля-Ленца. Заряженные частицы, передвигаясь в сторону меньшего потенциала, сталкиваются с кристаллической решеткой, отдают энергию. Происходит нагрев сопротивлений.

Для обеспечения движения нужно на концах проводника поддерживать разность потенциалов. Это называется напряжением участка цепи. Если просто поместить проводник в поле вдоль силовых линий, ток потечет, будет очень кратковременным. Процесс завершится наступлением равновесия. Внешнее поле будет уравновешено собственным полем зарядов, противоположным направлением. Ток прекратится. Чтобы процесс стал непрерывным, нужна внешняя сила.

Таким приводом движения электрической цепи выступает источник тока. Чтобы поддерживать потенциал, внутри совершается работа. Химическая реакция, как в гальваническом элементе, механические силы – генератор ГЭС. Заряды внутри источника движутся в противоположную полю сторону. Над этим совершается работа сторонних сил. Можно перефразировать приведенные выше формулировки, сказать:

• Внешняя часть цепи, где заряды движутся, увлекаемые полем.
• Внутренняя часть цепи, где заряды движутся против напряженности.

Генератор (источник тока) снабжен двумя полюсами. Обладающий меньшим потенциалом называется отрицательным, другой – положительным. В случае переменного тока полюсы непрерывно меняются местами. Непостоянно направление движения зарядов. Ток течет от положительного полюса к отрицательному. Движение положительных зарядов идет в направлении убывания потенциала. Согласно этому факту вводится понятие падения потенциала:

Падением потенциала участка цепи называется убыль потенциала в пределах отрезка. Формально это напряжение. Для ветвей параллельной цепи одинаково.

Под падением напряжения понимается и нечто иное. Величина, характеризующая тепловые потери, численно равна произведению тока на активное сопротивление участка. Законы Ома, Кирхгофа, рассмотренные ниже, формулируются для этого случая. В электрических двигателях, трансформаторах разница потенциалов может значительно отличаться от падения напряжения. Последнее характеризует потери на активном сопротивлении, тогда как первое учитывает полную работу источника тока.

При решение физических задач для упрощения двигатель может включать в свой состав ЭДС, направление действия которой противоположно эффекту источника питания. Учитывается факт потери энергии через реактивную часть импеданса. Школьный и вузовский курс физики отличается оторванностью от реальности. Вот почему студенты, раскрыв рот, слушают о явлениях, имеющих место в электротехнике. В период, предшествующий эпохе промышленной революции, открывались главные законы, ученый должен объединять роль теоретика и талантливого экспериментатора. Об этом открыто говорят предисловия к трудам Кирхгофа (работы Георга Ома на русский язык не переведены). Преподаватели буквально завлекали люд дополнительными лекциями, сдобренными наглядными, удивительными экспериментами.

Законы Ома и Кирхгофа применительно к последовательному и параллельному соединению проводников

Для решения реальных задач используются законы Ома и Кирхгофа. Первый выводил равенство чисто эмпирическим путем – экспериментально – второй начал математическим анализом задачи, потом проверил догадки практикой. Приведем некоторые сведения, помогающие решению задачи:

Посчитать сопротивления элементов при последовательном и параллельном соединении

Алгоритм расчета реальных цепей прост. Приведем некоторые тезисы касательно рассматриваемой тематики:

1. При последовательном включении суммируются сопротивления, при параллельном — проводимости:
   1. Для резисторов закон переписывается в неизменной форме. При параллельном соединении итоговое сопротивление равняется произведению исходных, деленному на общую сумму. При последовательном – номиналы суммируются.
   2. Индуктивность выступает реактивным сопротивлением (j*ω*L), ведет себя, как обычный резистор. В плане написания формулы ничем не отличается. Нюанс, для всякого чисто мнимого импеданса, что нужно умножить результат на оператор j, круговую частоту ω (2*Пи*f). При последовательном соединении катушек индуктивности номиналы суммируются, при параллельном – складываются обратные величины.
   3. Мнимое сопротивление емкости записывается в виде: -j/ω*С. Легко заметить: складывая величины последовательного соединения, получим формулу, в точности как для резисторов и индуктивностей было при параллельном. Для конденсаторов все наоборот. При параллельном включении номиналы складываются, при последовательном – суммируются обратные величины.

Тезисы легко распространяются на произвольные случаи. Падение напряжения на двух открытых кремниевых диодах равно сумме. На практике составляет 1 вольт, точное значение зависит от типа полупроводникового элемента, характеристик. Аналогичным образом рассматривают источники питания: при последовательном включении номиналы складываются. Параллельное часто встречается на подстанциях, где трансформаторы ставят рядком. Напряжение будет одно (контролируются аппаратурой), делятся между ветвями. Коэффициент трансформации строго равен, блокируя возникновение негативных эффектов.

У некоторых вызывает затруднение случай: две батарейки разного номинала включены параллельно. Случай описывается вторым законом Кирхгофа, никакой сложности представить физику не может. При неравенстве номиналов двух источников берется среднее арифметическое, если пренебречь внутренним сопротивлением обоих. В противном случае решаются уравнения Кирхгофа для всех контуров. Неизвестными будут токи (всего три), общее количество которых равно числу уравнений. Для полного понимания привели рисунок.

Пример решения уравнений Кирхгофа

Посмотрим изображение: по условию задачи, источник Е1 сильнее, нежели Е2. Направление токов в контуре берем из здравых соображений. Но если бы проставили неправильно, после решения задачи один получился бы с отрицательным знаком. Следовало тогда изменить направление. Очевидно, во внешней цепи ток течет, как показано на рисунке. Составляем уравнения Кирхгофа для трех контуров, вот что следует:

1. Работа первого (сильного) источника тратится на создание тока во внешней цепи, преодоление слабости соседа (ток I2).
2. Второй источник не совершает полезной работы в нагрузке, борется с первым. Иначе не скажешь.

Включение батареек разного номинала параллельно является безусловно вредным. Что наблюдается на подстанции при использовании трансформаторов с разным передаточным коэффициентом. Уравнительные токи не выполняют никакой полезной работы. Включенные параллельно разные батарейки начнут эффективно функционировать, когда сильная просядет до уровня слабой.

Если нам надо, чтобы электроприбор работал, мы должны подключить его к . При этом ток должен проходить через прибор и возвращаться вновь к источнику, то есть цепь должна быть замкнутой.

Но подключение каждого прибора к отдельному источнику осуществимо, в основном, в лабораторных условиях. В жизни же приходится иметь дело с ограниченным количеством источников и довольно большим количеством потребителей тока. Поэтому создают системы соединений, позволяющие нагрузить один источник большим количеством потребителей. Системы при этом могут быть сколь угодно сложными и разветвленными, но в их основе лежит всего два вида соединения: последовательное и параллельное соединение проводников. Каждый вид имеет свои особенности, плюсы и минусы. Рассмотрим их оба.

Последовательное соединение проводников

Последовательное соединение проводников – это включение в электрическую цепь нескольких приборов последовательно, друг за другом. Электроприборы в данном случае можно сравнить с людьми в хороводе, а их руки, держащие друг друга – это провода, соединяющие приборы. Источник тока в данном случае будет одним из участников хоровода.

Напряжение всей цепи при последовательном соединении будет равно сумме напряжений на каждом включенном в цепь элементе. Сила тока в цепи будет одинакова в любой точке. А сумма сопротивлений всех элементов составит общее сопротивление всей цепи. Поэтому последовательное сопротивление можно выразить на бумаге следующим образом:

I=I_1=I_2=⋯=I_n ; U=U_1+U_2+⋯+U_n ; R=R_1+R_2+⋯+R_n ,

Плюсом последовательного соединения является простота сборки, а минусом – то, что если один элемент выйдет из строя, то ток пропадет во всей цепи. В такой ситуации неработающий элемент будет подобен ключу в выключенном положении. Пример из жизни неудобства такого соединения наверняка припомнят все люди постарше, которые украшали елки гирляндами из лампочек.

Если в такой гирлянде выходила из строя хотя бы одна лампочка, приходилось перебирать их все, пока не найдешь ту самую, перегоревшую. В современных гирляндах эта проблема решена. В них используют специальные диодные лампочки, в которых при перегорании сплавляются вместе контакты, и ток продолжает беспрепятственно проходить дальше.

Параллельное соединение проводников

При параллельном соединении проводников все элементы цепи подключаются к одной и той же паре точек, можно назвать их А и В. К этой же паре точек подключают источник тока. То есть получается, что все элементы подключены к одинаковому напряжению между А и В. В то же время ток как бы разделяется на все нагрузки в зависимости от сопротивления каждой из них.

Параллельное соединение можно сравнить с течением реки, на пути которой возникла небольшая возвышенность. Вода в таком случае огибает возвышенность с двух сторон, а потом вновь сливается в один поток. Получается островок посреди реки. Так вот параллельное соединение – это два отдельных русла вокруг острова. А точки А и В – это места, где разъединяется и вновь соединяется общее русло реки.

Напряжение тока в каждой отдельной ветви будет равно общему напряжению в цепи. Общий ток цепи будет складываться из токов всех отдельных ветвей. А вот общее сопротивление цепи при параллельном соединении будет меньше сопротивления тока на каждой из ветвей. Это происходит потому, что общее сечение проводника между точками А и В как бы увеличивается за счет увеличения числа параллельно подключенных нагрузок. Поэтому общее сопротивление уменьшается. Параллельное соединение описывается следующими соотношениями:

U=U_1=U_2=⋯=U_n ; I=I_1+I_2+⋯+I_n ; 1/R=1/R_1 +1/R_2 +⋯+1/R_n ,

где I — сила тока, U- напряжение, R – сопротивление, 1,2,…,n – номера элементов, включенных в цепь.

Огромным плюсом параллельного соединения является то, что при выключении одного из элементов, цепь продолжает функционировать дальше. Все остальные элементы продолжают работать. Минусом является то, что все приборы должны быть рассчитаны на одно и то же напряжение. Именно параллельным образом устанавливают розетки сети 220 В в квартирах. Такое подключение позволяет включать различные приборы в сеть совершенно независимо друг от друга, и при выходе их строя одного из них, это не влияет на работу остальных.

Нужна помощь в учебе?

Предыдущая тема: Расчёт сопротивления проводников и реостаты: формулы
Следующая тема:&nbsp&nbsp&nbspРабота и мощность тока

Ток в электроцепи проходит по проводникам от источника напряжения к нагрузке, то есть к лампам, приборам. В большинстве случаев в качестве проводника используются медные провода. В цепи может быть предусмотрено несколько элементов с разными сопротивлениями. В схеме приборов проводники могут быть соединены параллельно или последовательно, также могут быть смешанные типы.

Элемент схемы с сопротивлением называется резистором, напряжение данного элемента является разницей потенциалов между концами резистора. Параллельное и последовательное электрическое соединение проводников характеризуется единым принципом функционирования, согласно которому ток протекает от плюса к минусу, соответственно потенциал уменьшается. На электросхемах сопротивление проводки берется за 0, поскольку оно ничтожно низкое.

Параллельное соединение предполагает, что элементы цепы подсоединены к источнику параллельно и включаются одновременно. Последовательное соединение означает, что проводники сопротивления подключаются в строгой последовательности друг за другом.

При просчете используется метод идеализации, что существенно упрощает понимание. Фактически в электрических цепях потенциал постепенно снижается в процессе перемещения по проводке и элементам, которые входят в параллельное или последовательное соединение.

Последовательное соединение проводников

Схема последовательного соединения подразумевает, что они включаются в определенной последовательности один за другим. Причем сила тока во всех из них равна. Данные элементы создают на участке суммарное напряжение. Заряды не накапливаются в узлах электроцепи, поскольку в противном случае наблюдалось бы изменение напряжения и силы тока. При постоянном напряжении ток определяется значением сопротивления цепи, поэтому при последовательной схеме сопротивление меняется в случае изменения одной нагрузки.

Недостатком такой схемы является тот факт, что в случае выхода из строя одного элемента остальные также утрачивают возможность функционировать, поскольку цепь разрывается. Примером может служить гирлянда, которая не работает в случае перегорания одной лампочки. Это является ключевым отличием от параллельного соединения, в котором элементы могут функционировать по отдельности.

Последовательная схема предполагает, что по причине одноуровневого подключения проводников их сопротивление в любой точки сети равно. Общее сопротивление равняется сумме уменьшения напряжений отдельных элементов сети.

При данном типе соединения начало одного проводника подсоединяется к концу другого. Ключевая особенность соединения состоит в том, что все проводники находятся на одном проводе без разветвлений, и через каждый из них протекает один электроток. Однако общее напряжение равно сумме напряжений на каждом. Также можно рассмотреть соединение с другой точки зрения – все проводники заменяются одним эквивалентным резистором, и ток на нем совпадает с общим током, который проходит через все резисторы. Эквивалентное совокупное напряжение является суммой значений напряжения по каждому резистору. Так проявляется разность потенциалов на резисторе.

Использование последовательного подключения целесообразно, когда требуется специально включать и выключать определенное устройство. К примеру, электрозвонок может звенеть только в момент, когда присутствует соединение с источником напряжения и кнопкой. Первое правило гласит, что если тока нет хотя бы на одном из элементов цепи, то и на остальных его не будет. Соответственно при наличии тока в одном проводнике он есть и в остальных. Другим примером может служить фонарик на батарейках, который светит только при наличии батарейки, исправной лампочки и нажатой кнопки.

В некоторых случаях последовательная схема нецелесообразна. В квартире, где система освещения состоит из множества светильников, бра, люстр, не стоит организовывать схему такого типа, поскольку нет необходимости включать и выключать освещение во всех комнатах одновременно. С этой целью лучше использовать параллельное соединение, чтобы иметь возможность включения света в отдельно взятых комнатах.

Параллельное соединение проводников

В параллельной схеме проводники представляют собой набор резисторов, одни концы которых собираются в один узел, а другие – во второй узел. Предполагается, что напряжение в параллельном типе соединения одинаковое на всех участках цепи. Параллельные участки электроцепи носят название ветвей и проходят между двумя соединительными узлами, на них имеется одинаковое напряжение. Такое напряжение равно значению на каждом проводнике. Сумма показателей, обратных сопротивлениям ветвей, является обратной и по отношению к сопротивлению отдельного участка цепи параллельной схемы.

При параллельном и последовательном соединениях отличается система расчета сопротивлений отдельных проводников. В случае параллельной схемы ток уходит по ветвям, что способствует повышению проводимости цепи и уменьшает совокупное сопротивление. При параллельном подключении нескольких резисторов с аналогичными значениями совокупное сопротивление такой электроцепи будет меньше одного резистора число раз, равное числу .

В каждой ветви предусмотрено по одному резистору, и электроток при достижении точки разветвления делится и расходится к каждому резистору, его итоговое значение равно сумме токов на всех сопротивлениях. Все резисторы заменяются одним эквивалентным резистором. Применяя закон Ома, становится понятным значение сопротивления – при параллельной схеме суммируются значения, обратные сопротивлениям на резисторах.

При данной схеме значение тока обратно пропорционально значению сопротивления. Токи в резисторах не взаимосвязаны, поэтому при отключении одного из них это никоим образом не отразится на остальных. По этой причине такая схема используется во множестве устройств.

Рассматривая возможности применения параллельной схемы в быту, целесообразно отметить систему освещения квартиры. Все лампы и люстры должны быть соединены параллельно, в таком случае включение и отключение одного из них никак не влияет на работу остальных ламп. Таким образом, добавляя выключатель каждой лампочки в ветвь цепи, можно включать и отключать соответствующий светильник по необходимости. Все остальные лампы работают независимо.

Все электроприборы объединяются параллельно в электросеть с напряжением 220 В, затем они подключаются к . То есть все приборы подключаются независимо от подключения прочих устройств.

Законы последовательного и параллельного соединения проводников

Для детального понимания на практике обоих типов соединений, приведем формулы, объясняющие законы данных типов соединений. Расчет мощности при параллельном и последовательном типе соединения отличается.

При последовательной схеме имеется одинаковая сила тока во всех проводниках:

Согласно закону Ома, данные типы соединений проводников в разных случаях объясняются иначе. Так, в случае последовательной схемы, напряжения равны друг другу:

U1 = IR1, U2 = IR2.

Помимо этого, общее напряжение равно сумме напряжений отдельно взятых проводников:

U = U1 + U2 = I(R1 + R2) = IR.

Полное сопротивление электроцепи рассчитывается как сумма активных сопротивлений всех проводников, вне зависимости от их числа.

В случае параллельной схемы совокупное напряжение цепи аналогично напряжению отдельных элементов:

А совокупная сила электротока рассчитывается как сумма токов, которые имеются по всем проводникам, расположенным параллельно:

Чтобы обеспечить максимальную эффективность электрических сетей, необходимо понимать суть обоих типов соединений и применять их целесообразно, используя законы и рассчитывая рациональность практической реализации.

Смешанное соединение проводников

Последовательная и параллельная схема соединения сопротивления могут сочетаться в одной электросхеме при необходимости. К примеру, допускается подключение параллельных резисторов по последовательной или их группе, такое тип считается комбинированным или смешанным.

В таком случае совокупное сопротивление рассчитывается посредством получения сумм значений для параллельного соединения в системе и для последовательного. Сначала необходимо рассчитывать эквивалентные сопротивления резисторов в последовательной схеме, а затем элементов параллельного. Последовательное соединение считается приоритетным, причем схемы такого комбинированного типа часто используются в бытовой технике и приборах.

Итак, рассматривая типы подключений проводников в электроцепях и основываясь на законах их функционирования, можно полностью понять суть организации схем большинства бытовых электроприборов. При параллельном и последовательном соединениях расчет показателей сопротивления и силы тока отличается. Зная принципы расчета и формулы, можно грамотно использовать каждый тип организации цепей для подключения элементов оптимальным способом и с максимальной эффективностью.

Последовательным
называют такое соединение элементов
цепи, при котором во всех включенных в
цепь элементах возникает один и тот же
ток I (рис. 1.4).

На
основании второго закона Кирхгофа (1.5)
общее напряжение U всей цепи равно сумме
напряжений на отдельных участках:

U
= U 1
+ U 2
+ U 3 или
IR экв
= IR 1
+ IR 2
+ IR 3 ,

откуда
следует

R экв
= R 1
+ R 2
+ R 3 .

Таким
образом, при последовательном соединении
элементов цепи общее эквивалентное
сопротивление цепи равно арифметической
сумме сопротивлений отдельных участков.
Следовательно, цепь с любым числом
последовательно включенных сопротивлений
можно заменить простой цепью с одним
эквивалентным сопротивлением R экв
(рис. 1.5). После этого расчет цепи
сводится к определению тока I всей цепи
по закону Ома

и
по вышеприведенным формулам рассчитывают
падение напряжений U 1 ,
U 2 ,
U 3
на соответствующих участках электрической
цепи (рис. 1.4).

Недостаток
последовательного включения элементов
заключается в том, что при выходе из
строя хотя бы одного элемента, прекращается
работа всех остальных элементов цепи.

Электрическая цепь с параллельным соединением элементов

Параллельным
называют такое соединение, при котором
все включенные в цепь потребители
электрической энергии, находятся под
одним и тем же напряжением (рис. 1.6).

В
этом случае они присоединены к двум
узлам цепи а и b, и на основании первого
закона Кирхгофа можно записать, что
общий ток I всей цепи равен алгебраической
сумме токов отдельных ветвей:

I
= I 1
+ I 2
+ I 3 ,
т.е.

откуда
следует, что

.

В
том случае, когда параллельно включены
два сопротивления R 1
и R 2 ,
они заменяются одним эквивалентным
сопротивлением

.

Из
соотношения (1.6), следует, что эквивалентная
проводимость цепи равна арифметической
сумме проводимостей отдельных ветвей:

g экв
= g 1
+ g 2
+ g 3 .

По
мере роста числа параллельно включенных
потребителей проводимость цепи g экв
возрастает, и наоборот, общее сопротивление
R экв
уменьшается.

Напряжения
в электрической цепи с параллельно
соединенными сопротивлениями (рис. 1.6)

U
= IR экв
= I 1 R 1
= I 2 R 2 =
I 3 R 3 .

Отсюда
следует, что

т.е.
ток в цепи распределяется между
параллельными ветвями обратно
пропорционально их сопротивлениям.

По
параллельно включенной схеме работают
в номинальном режиме потребители любой
мощности, рассчитанные на одно и то же
напряжение. Причем включение или
отключение одного или нескольких
потребителей не отражается на работе
остальных. Поэтому эта схема является
основной схемой подключения потребителей
к источнику электрической энергии.

Электрическая цепь со смешанным соединением элементов

Смешанным
называется такое соединение, при котором
в цепи имеются группы параллельно и
последовательно включенных сопротивлений.

Для
цепи, представленной на рис. 1.7, расчет
эквивалентного сопротивления начинается
с конца схемы. Для упрощения расчетов
примем, что все сопротивления в этой
схеме являются одинаковыми: R 1 =R 2 =R 3 =R 4 =R 5 =R.
Сопротивления R 4
и R 5
включены параллельно, тогда сопротивление
участка цепи cd равно:

.

В
этом случае исходную схему (рис. 1.7)
можно представить в следующем виде
(рис. 1.8):

На
схеме (рис. 1.8) сопротивление R 3
и R cd
соединены последовательно, и тогда
сопротивление участка цепи ad равно:

.

Тогда
схему (рис. 1.8) можно представить в
сокращенном варианте (рис. 1.9):

На
схеме (рис. 1.9) сопротивление R 2
и R ad
соединены параллельно, тогда сопротивление
участка цепи аb равно

.

Схему
(рис. 1.9) можно представить в упрощенном
варианте (рис. 1.10), где сопротивления
R 1
и R ab
включены последовательно.

Тогда
эквивалентное сопротивление исходной
схемы (рис. 1.7) будет равно:

Рис. 1.10

Рис. 1.11

В
результате преобразований исходная
схема (рис. 1.7) представлена в виде
схемы (рис. 1.11) с одним сопротивлением
R экв.
Расчет токов и напряжений для всех
элементов схемы можно произвести по
законам Ома и Кирхгофа.

ЛИНЕЙНЫЕ
ЦЕПИ ОДНОФАЗНОГО СИНУСОИДАЛЬНОГО ТОКА.

Получение
синусоидальной ЭДС. . Основные
характеристики синусоидального тока

Основным
преимуществом синусоидальных токов
является то, что они позволяют наиболее
экономично осуществлять производство,
передачу, распределение и использование
электрической энергии. Целесообразность
их использования обусловлена тем, что
коэффициент полезного действия
генераторов, электрических двигателей,
трансформаторов и линий электропередач
в этом случае оказывается наивысшим.

Для
получения в линейных цепях синусоидально
изменяющихся токов необходимо, чтобы
э. д. с. также изменялись по синусоидальному
закону. Рассмотрим процесс возникновения
синусоидальной ЭДС. Простейшим генератором
синусоидальной ЭДС может служить
прямоугольная катушка (рамка), равномерно
вращающаяся в однородном магнитном
поле с угловой скоростью ω

(рис. 2.1, б
).

Пронизывающий
катушку магнитный поток во время вращения
катушки abcd

наводит (индуцирует) в ней на основании
закона электромагнитной индукции
ЭДС е

.
Нагрузку подключают к генератору с
помощью щеток 1
,
прижимающихся к двум контактным кольцам
2
,
которые, в свою очередь, соединены с
катушкой. Значение наведенной в катушке
abcd

э. д. с. в каждый момент времени
пропорционально магнитной индукции В
,
размеру активной части катушки l

= ab

+ dc

и нормальной составляющей скорости
перемещения ее относительно поля v
н
:

e

= Blv
н
(2. 1)

где
В

и l

— постоянные величины, a v
н

— переменная, зависящая от угла α. Выразив
скорость v н

через линейную скорость катушки v
,
получим

e

= Blv·sinα
(2.2)

В
выражении (2.2) произведение Blv

= const. Следовательно, э. д. с., индуцируемая
в катушке, вращающейся в магнитном поле,
является синусоидальной функцией угла
α
.

Если
угол α = π/2
,
то произведение Blv

в формуле (2.2) есть максимальное
(амплитудное) значение наведенной э. д.
с. E m
= Blv
.
Поэтому выражение (2.2) можно записать в
виде

e
= E
m
sinα
(2.3)

Так
как α

есть угол поворота за время t
,
то, выразив его через угловую скорость
ω
,
можно записать α
= ωt
, a формулу
(2.3) переписать в виде

e
= E
m
sinωt
(2.4)

где
е

— мгновенное значение э. д. с. в катушке;
α = ωt

— фаза, характеризующая значение э. д.
с. в данный момент времени.

Необходимо
отметить, что мгновенную э. д. с. в течение
бесконечно малого промежутка времени
можно считать величиной постоянной,
поэтому для мгновенных значений э. д.
с. е
,
напряжений и

и токов i

справедливы законы постоянного тока.

Синусоидальные
величины можно графически изображать
синусоидами и вращающимися векторами.
При изображении их синусоидами на
ординате в определенном масштабе
откладывают мгновенные значения величин,
на абсциссе — время. Если синусоидальную
величину изображают вращающимися
векторами, то длина вектора в масштабе
отражает амплитуду синусоиды, угол,
образованный с положительным направлением
оси абсцисс, в начальный момент времени
равен начальной фазе, а скорость вращения
вектора равна угловой частоте. Мгновенные
значения синусоидальных величин есть
проекции вращающегося вектора на ось
ординат. Необходимо отметить, что за
положительное направление вращения
радиус-вектора принято считать направление
вращения против часовой стрелки. На
рис. 2.2 построены графики мгновенных
значений э. д. с. е

и е»
.

Если
число пар полюсов магнитов p
≠ 1
, то за
один оборот катушки (см. рис. 2.1) происходит
p

полных циклов изменения э. д. с. Если
угловая частота катушки (ротора) n

оборотов в минуту, то период уменьшится
в pn

раз. Тогда частота э. д. с., т. е. число
периодов в секунду,

f

= Pn

/ 60

Из
рис. 2.2 видно, что ωТ
= 2π
, откуда

ω
= 2π / T = 2πf
(2.5)

Величину
ω
,
пропорциональную частоте f и равную
угловой скорости вращения радиус-вектора,
называют угловой
частотой.
Угловую частоту выражают в радианах в
секунду (рад/с) или в 1 / с.

Графически
изображенные на рис. 2.2 э. д. с. е

и е»

можно описать выражениями

e
= E
m
sinωt;
e» = E»
m
sin(ωt
+ ψ
e»
)
.

Здесь
ωt

и ωt + ψ
e»

— фазы, характеризующие значения э. д.
с. e

и e»

в заданный момент времени; ψ
e»

— начальная фаза, определяющая значение
э. д. с. е»

при t = 0. Для э. д. с. е

начальная фаза равна нулю (ψ
e

= 0
). Угол ψ

всегда отсчитывают от нулевого значения
синусоидальной величины при переходе
ее от отрицательных значений к
положительным до начала координат (t =
0). При этом положительную начальную
фазу ψ

(рис. 2.2) откладывают влево от начала
координат (в сторону отрицательных
значений ωt
),
а отрицательную фазу — вправо.

Если
у двух или нескольких синусоидальных
величин, изменяющихся с одинаковой
частотой, начала синусоид не совпадают
по времени, то они сдвинуты друг
относительно друга по фазе, т. е. не
совпадают по фазе.

Разность
углов φ
,
равная разности начальных фаз, называют
углом сдвига
фаз. Сдвиг фаз
между одноименными синусоидальными
величинами, например между двумя э. д.
с. или двумя токами, обозначают α
.
Угол сдвига фаз между синусоидами тока
и напряжения или их максимальными
векторами обозначают буквой φ

(рис. 2.3).

Когда
для синусоидальных величин разность
фаз равна ±π
,
то они противоположны
по фазе, если
же разность фаз равна ±π/2
,
то говорят, что они находятся в квадратуре.
Если для синусоидальных величин одной
частоты начальные фазы одинаковы, то
это означает, что они совпадают
по фазе.

Синусоидальные
напряжение и ток, графики которых
представлены на рис. 2.3, описываются
следующим образом:

u
= U
m
sin(ω
t
+
ψ
u
)
;
i
= I
m
sin(ω
t
+
ψ
i
)
, (2.6)

причем
угол сдвига фаз между током и напряжением
(см. рис. 2.3) в этом случае φ
= ψ
u

— ψ
i
.

Уравнения
(2.6) можно записать иначе:

u
= U
m
sin(ωt
+ ψ
i

+ φ)
; i
= I
m
sin(ωt
+ ψ
u

— φ)
,

поскольку
ψ
u

= ψ
i

+ φ
и ψ
i

= ψ
u

— φ
.

Из
этих выражений следует, что напряжение
опережает по фазе ток на угол φ

(или ток отстает по фазе от напряжения
на угол φ
).

Формы
представления синусоидальных электрических
величин.

Любая,
синусоидально изменяющаяся, электрическая
величина (ток, напряжение, ЭДС) может
быть представлена в аналитическом,
графическом и комплексном видах.

1).
Аналитическая

форма представления

I

= I
m
·sin(ω·t

+ ψ
i
),
u

= U
m
·sin(ω·t

+ ψ
u
),
e

= E
m
·sin(ω·t

+ ψ
e
),

где
I
,
u
,
e

– мгновенное значение синусоидального
тока, напряжения, ЭДС, т. е. Значения в
рассматриваемый момент времени;

I
m
,
U
m
,
E
m

– амплитуды синусоидального тока,
напряжения, ЭДС;

(ω·t

+ ψ
)
– фазовый угол, фаза; ω

= 2·π/Т

– угловая частота, характеризующая
скорость изменения фазы;

ψ
i ,
ψ
u ,
ψ
e
– начальные фазы тока, напряжения, ЭДС
отсчитываются от точки перехода
синусоидальной функции через нуль к
положительному значению до начала
отсчета времени (t

= 0). Начальная фаза может иметь как
положительное так и отрицательное
значение.

Графики
мгновенных значений тока и напряжения
показаны на рис. 2.3

Начальная
фаза напряжения сдвинута влево от начала
отсчёта и является положительной ψ
u
> 0, начальная фаза тока сдвинута вправо
от начала отсчёта и является отрицательной
ψ
i
φ
.
Сдвиг фаз между напряжением и током

φ

= ψ
u
– ψ
i
= ψ
u
– (- ψ
i)
= ψ
u
+ ψ
i .

Применение
аналитической формы для расчёта цепей
является громоздкой и неудобной.

На
практике приходится иметь дело не с
мгновенными значениями синусоидальных
величин, а с действующими. Все расчёты
проводят для действующих значений, в
паспортных данных различных
электротехнических устройств указаны
действующие значения (тока, напряжения),
большинство электроизмерительных
приборов показывают действующие
значения. Действующий ток является
эквивалентом постоянного тока, который
за одно и то же время выделяет в резисторе
такое же количество тепла, как и переменный
ток. Действующее значение связано с
амплитудным простым соотношением

2).
Векторная

форма представления синусоидальной
электрической величины – это вращающийся
в декартовой системе координат вектор
с началом в точке 0, длина которого равна
амплитуде синусоидальной величины,
угол относительно оси х – её начальной
фазе, а частота вращения – ω

= 2πf
.
Проекция данного вектора на ось у в
любой момент времени определяет
мгновенное значение рассматриваемой
величины.

Рис.
2.4

Совокупность
векторов, изображающих синусоидальные
функции, называют векторной диаграммой,
рис. 2.4

3).
Комплексное

представление синусоидальных электрических
величин сочетает наглядность векторных
диаграмм с проведением точных аналитических
расчётов цепей.

Рис.
2.5

Ток
и напряжение изобразим в виде векторов
на комплексной плоскости, рис.2.5 Ось
абсцисс называют осью действительных
чисел и обозначают +1
,
ось ординат называют осью мнимых чисел
и обозначают +j
.
(В некоторых учебниках ось действительных
чисел обозначают Re
,
а ось мнимых – Im
).
Рассмотрим векторы U


и I


в момент времени t

= 0. Каждому из этих векторов соответствует
комплексное число, которое может быть
представлено в трех формах:

а).

Алгебраической

U


= U
’+
jU
«

I


= I
’
– jI
«,

где
U
«,
U
«,
I
«,
I
»
– проекции векторов на оси действительных
и мнимых чисел.

б).

Показательной

где
U
,
I

– модули (длины) векторов; е

– основание натурального логарифма;
поворотные
множители, т. к. умножение на них
соответствует повороту векторов
относительно положительного направления
действительной оси на угол, равный
начальной фазе.

в).

Тригонометрической

U


= U
·(cosψ
u
+ j
sinψ
u)

I


= I
·(cosψ
i
– j
sinψ
i).

При
решении задач в основном применяют
алгебраическую форму (для операций
сложения и вычитания) и показательную
форму (для операций умножения и деления).
Связь между ними устанавливается
формулой Эйлера

е
j
·ψ
=
cosψ

+ j
sinψ
.

Неразветвлённые
электрические цепи

Нужно вычислить сопротивление последовательной, параллельной или комбинированной цепей? Нужно, если вы не хотите сжечь плату! Эта статья расскажет вам, как это сделать. Перед чтением, пожалуйста, уясните, что у резисторов нет «начала» и нет «конца». Эти слова вводятся для облегчения понимания изложенного материала.

Шаги

Сопротивление последовательной цепи

Сопротивление параллельной цепи

Сопротивление комбинированной цепи

Некоторые факты

1. Каждый электропроводный материал имеет некоторое сопротивление, являющееся сопротивляемостью материала электрическому току.
2. Сопротивление измеряется в Омах. Символ единицы измерения Ом — Ω.
3. Разные материалы имеют разные значения сопротивления.
   • Например, сопротивление меди 0.0000017 Ом/см 3
   • Сопротивление керамики около 10 14 Ом/см 3
4. Чем больше значение сопротивления, тем выше сопротивляемость электрическому току. Медь, которая часто используется в электрических проводах, имеет очень малое сопротивление. С другой стороны, сопротивление керамики очень велико, что делает ее прекрасным изолятором.
5. Работа всей цепи зависит от того, какой тип соединения вы выберете для подключения резисторов в этой цепи.
6. U=IR. Это закон Ома, установленный Георгом Омом в начале 1800х. Если вам даны любые две из этих переменных, вы легко найдете третью.
   • U=IR: Напряжение (U) есть результат умножения силы тока (I) * на сопротивление (R).
   • I=U/R: Сила тока есть частное от напряжение (U) ÷ сопротивление (R).
   • R=U/I: Сопротивление есть частное от напряжение (U) ÷ сила тока (I).

• Запомните: при параллельном соединении существует несколько путей прохождения тока по цепи, поэтому в такой цепи общее сопротивление будет меньше сопротивления каждого отдельного резистора. При последовательном соединении ток проходит через каждый резистор в цепи, поэтому сопротивление каждого отдельного резистора добавляется к общему сопротивлению.
• Общее сопротивление в параллельной цепи всегда меньше сопротивления одного резистора с самым низким сопротивлением в этой цепи. Общее сопротивление в последовательной цепи всегда больше сопротивления одного резистора с самым высоким сопротивлением в этой цепи.

Последовательное и параллельное соединение проводников

Последовательное и параллельное соединение очень широко используется в электронике и электротехнике и порой даже необходимо для правильной работы того или иного узла электроники. И начнем, пожалуй, с самых простых компонентов радиоэлектронных цепей — проводников.

Для начала давайте вспомним, что такое проводник? Проводник — это вещество или какой-либо материал, который отлично проводит электрический ток. Если какой-либо проводник отлично проводит электрический ток, то он в любом случае обладает каким-либо сопротивлением. Сопротивление проводника мы находим по формуле:

формула сопротивление проводника

ρ – это удельное сопротивление, Ом × м

R – сопротивление проводника, Ом

S – площадь поперечного сечения, м²

l – длина проводника, м

Более подробно об этом я писал здесь.

Следовательно, любой проводник представляет из себя резистор с каким-либо сопротивлением. Значит, любой проводник можно нарисовать так.

обозначение резистора на схемах

Последовательное соединение проводников

Сопротивление при последовательном соединении проводников

Последовательное соединение проводников — это когда к одному проводнику мы соединяем другой проводник и так по цепочке. Это и есть последовательное соединение проводников. Их можно соединять с друг другом сколь угодно много.

последовательное соединение резисторов

Чему же будет равняться их общее сопротивление? Оказывается, все просто. Оно будет равняться сумме всех сопротивлений проводников в этой цепи.

Получается, можно записать, что

формула при последовательном соединении резисторов

Пример

У нас есть 3 проводника, которые соединены последовательно. Сопротивление первого 3 Ома, второго 5 Ом, третьего 2 Ома. Найти их общее сопротивление в цепи.

Решение

R_общее =R₁ + R₂ + R₃ = 3+5+2=10 Ом.

То есть, как вы видите, цепочку из 3 резисторов мы просто заменили на один резистор R_AB .

показать на реальном примере с помощью мультиметра
Видео где подробно расписывается про эти соединения:

Сила тока через последовательное соединение проводников

Что будет, если мы подадим напряжение на концы такого резистора? Через него сражу же побежит электрический ток, сила которого будет вычисляться по закону Ома I=U/R.

Получается, если через резистор R_AB течет какой-то определенный ток, следовательно, если разложить наш резистор на составляющие R₁ , R₂ , R₃ , то получится, что через них течет та же самая сила тока, которая текла через резистор R_AB .

сила тока через последовательное соединение проводников

Получается, что при последовательном соединении проводников сила тока, которая течет через каждый проводник одинакова. То есть через резистор R₁ течет такая же сила тока, как и через резистор R₂ и такая же сила тока течет через резистор R₃ .

Напряжение при последовательном соединении проводников

Давайте еще раз рассмотрим цепь с тремя резисторами

Как мы уже знаем, при последовательном соединении через каждый резистор проходит одна и та же сила тока. Но вот что будет с напряжением на каждом резисторе и как его найти?

Оказывается, все довольно таки просто. Для этого надо снова вспомнить закон дядюшки Ома и просто вычислить напряжение на  любом резисторе. Давайте так и сделаем.

Пусть у нас будет цепь с такими параметрами.

Мы теперь знаем, что сила тока в такой цепи будет везде одинакова. Но какой ее номинал? Вот в чем загвоздка. Для начала нам надо привести эту цепь к такому виду.

Получается, что в данном случае R_AB =R₁ + R₂ + R₃ = 2+3+5=10 Ом. Отсюда уже находим силу тока по закону Ома I=U/R=10/10=1 Ампер.

Половина дела сделано. Теперь осталось узнать, какое напряжение падает на каждом резисторе. То есть нам надо найти значения U_R1 , U_R2 , U_R3  . Но как это сделать?

Да все также, через закон Ома. Мы знаем, что через каждый резистор проходит сила тока 1 Ампер, мы уже вычислили это значение. Закон ома гласит I=U/R , отсюда получаем, что U=IR.

Следовательно,

U_R1 = IR₁ =1×2=2 Вольта

U_R2 = IR₂ = 1×3=3 Вольта

U_R3 = IR₃ =1×5=5 Вольт

Теперь начинается самое интересное. Если сложить все падения напряжений на резисторах, то можно получить… напряжение источника! Он у нас равен 10 Вольт.

Получается

U=U_R1+U_R2+U_R3

Мы получили самый простой делитель напряжения.

Вывод: сумма падений напряжений при последовательном соединении равняется напряжению питания.

 

Параллельное соединение проводников

Параллельное соединение проводников выглядит вот так.

параллельное соединение резисторов

Ну что, думаю, начнем с сопротивления.

Сопротивление при параллельном соединении проводников

Давайте пометим клеммы как А и В

В этом случае общее сопротивление R_AB будет находиться по формуле

 

Если же мы имеем только два параллельно соединенных проводника

То в этом случае можно упростить длинную неудобную формулу и она примет вид такой вид.

Напряжение при параллельном соединении проводников

Здесь, думаю ничего гадать не надо. Так как все проводники соединяются параллельно, то и напряжение у всех будет одинаково.

Получается, что напряжение на R1 будет такое же как и на R2, как и на R3, так и на Rn

Сила тока при параллельном соединении проводников

Если с напряжением все понятно, то с силой тока могут быть небольшие затруднения. Как вы помните, при последовательном соединении сила тока через каждый проводник была одинакова. Здесь же совсем наоборот. Через каждый проводник будет течь своя сила тока. Как же ее вычислить? Придется опять прибегать к Закону Ома.

Чтобы опять же было нам проще, давайте рассмотрим все это дело на реальном примере. На рисунке ниже видим параллельное соединение трех резисторов, подключенных к источнику питания U.

Как мы уже знаем, на каждом резисторе одно и то же напряжение U. Но будет ли сила тока такая же, как и во всей цепи? Нет. Поэтому для каждого резистора мы должны вычислить свою силу тока по закону Ома I=U/R. В результате получаем, что

I₁ = U/R₁

I₂ = U/R₂

I₃ = U/R₃

Если бы у нас еще были резисторы, соединенные параллельно, то для них

I_n = U/R_n

В этом случае, сила тока в цепи будет равна:

Задача

Вычислить силу тока через каждый резистор и силу тока в цепи, если известно напряжение источника питания и номиналы резисторов.

Решение

Воспользуемся формулами, которые приводили выше.

I₁ = U/R₁

I₂ = U/R₂

I₃ = U/R₃

Если бы у нас еще были резисторы, соединенные параллельно, то для них

I_n = U/R_n

Следовательно,

I₁ = U/R₁ = 10/2=5 Ампер

I₂ = U/R₂ = 10/5=2 Ампера

I₃ = U/R₃ = 10/10=1 Ампер

Далее, воспользуемся формулой

чтобы найти силу тока, которая течет в цепи

I=I₁ + I₂ + I₃ = 5+2+1=8 Ампер

2-ой способ найти I

I=U/R_общее

Чтобы найти R_общее мы должны воспользоваться формулой

Чтобы не париться с вычислениями, есть онлайн калькуляторы. Вот один из них — «калькулятор резисторов«. Я за вас уже все вычислил. Параллельное соединение 3-ех резисторов номиналом в 2, 5, и 10 Ом равняется 1,25 Ом, то есть R_общее = 1,25 Ом.

I=U/R_общее = 10/1,25=8 Ампер.

Параллельное соединение резисторов в электронике также называется делителем тока, так как резисторы делят ток между собой.

Ну а вот вам бонусом объяснение, что такое последовательное и параллельное соединение проводников от лучшего преподавателя России.

Подробное объяснение на видео:

Прикольный набор радиолюбителя по ссылке <<<

Похожие статьи по теме «последовательное и параллельное соединение»

Закон Ома

Проводник (электрический проводник)

Что такое резистор

Делитель напряжения

Делитель тока

Что такое напряжение

Что такое сила тока

Что такое последовательно-параллельное устройство?

Что такое последовательно-параллельное устройство?

Далее: Как сделать
Вверх: Фон
Предыдущий: Как использовать

Последовательно-параллельное устройство принимает серию
импульсы и фиксирует их на параллельном массиве выходных
контакты, как показано на рис. 1. В этой лабораторной работе используется
довольно простая интегральная схема (ИС), известная как 8-битная
сдвиговый регистр с последовательным вводом/выводом (74HC595) в качестве
последовательно-параллельное устройство. На рис. 6 показано
вывод микросхемы и показано, как подключить микросхему к
MicroStamp11 и светодиодный дисплей.

Рисунок 6:
Последовательно-параллельная микросхема

Основная идея состоит в том, чтобы отправить последовательность битов (т.
положительные импульсы) до последовательно-параллельного чипа
(74HC595). Затем 74HC595 преобразует этот последовательный вход
в параллельный вход и зафиксировать выход, чтобы он продолжал
управлять светодиодным дисплеем до тех пор, пока не будет принята следующая последовательность битов.
получил и зафиксировал. Однако эта операция требует
некоторая степень контроля. Например, нам нужен какой-то способ
сообщает чипу, когда ожидается появление импульсов, и
нам нужен какой-то способ сказать чипу, когда защелкнуть
данные. Это означает, что нам нужно два контроль линий на
чип, в дополнение к линии данных.

Чтобы понять, как работают эти контрольные линии, нам нужно взять
подробнее рассмотрим, как работает 74HC595. 74HC595
состоит из взаимосвязанного набора более простых цифровых
схемы, известные как защелки . На самом деле их два
ряды (столбцы) защелок, каждый столбец, состоящий из 8
защелки. На рис. 7 показаны эти два столбца.
Первый столбец защелок образует нечто, известное как 9.0022
сдвиговый регистр . Этот банк принимает последовательный ввод и
сдвигает каждый бит в серии входных импульсов вниз в
столбец. Второй столбец защелок используется для хранения того, что
находится в первой колонке. Этот второй столбец подключен к
выход чипа и используется для управления светодиодным дисплеем.
Это освобождает первый столбец для получения другой серии
входы, не нарушая фактические сигналы, подаваемые на
7-сегментный дисплей.

Рисунок 7:
Временная диаграмма последовательно-параллельного чипа

Каждая защелка представляет собой цифровую схему с двумя входами и одним
выход. Верхний ввод с черной стрелкой представляет
данные и другой ввод с белой стрелкой
представляет собой элемент управления. Линии с черной стрелкой
подключены к контакту с маркировкой SER (последовательный вход) и
линии с белыми стрелками подключены к контакту, отмеченному
СРКЛК. Эту линию иногда называют линией часов. Когда
линия данных (SER) имеет высокий уровень, а управление (SRCLK)
высокий, то выход защелки также высокий, пока не будет
перезагрузить. Когда данные (SER) высокие, а управление (SRCLK)
низкий, то выход не изменится по сравнению с предыдущим
зафиксированное значение. Первый столбец защелок — ромашка
связаны вместе, так что выход верхней защелки — это данные
вход во вторую защелку. Таким образом, то, что мы делаем, является входом
битовая строка в SER вместе с сигналом SRCLK. Каждый раз
SRCLK становится высоким, данные в защелке сдвигаются в
защелка под ним. Поэтому мы можем ввести строку из 8 бит
в первый столбец защелок, отправляя каждый бит по
линию SER, а затем установить высокий уровень линии SRCLK для каждого
бит данных. Временная диаграмма, показанная на рисунке
7 показано, как сдвинута битовая строка 1011.
в устройство. После переноса данных в
первый столбец, мы передаем эти данные параллельно
второй столбик защелок, установив РКЛК строка
высокая.
Этот
второй столбец защелок сохранит свое значение до тех пор, пока мы
перезапишите их другим сигналом RCLK .

В вашем дизайне вам нужно будет подключить данные Microstamp11
контакт (MOSI) к эхо-запросу последовательной линии (SER) на защелке. Часы
сигнал производится микроштампом на выводе SCK. Тебе следует
подключите SCK к контакту SRCLK (исходные часы), чтобы синхронизировать данные
в защелку. Наконец, вам нужно будет использовать управляющий сигнал
генерируется штифтом выбора состояния (SS) на микроштампе для фиксации
74HC595-й выход. Это означает, что вам нужно будет подключить контакт SS
по микроштампу для закрепления RCLK на защелке.

Обратите внимание, что функция ядра shiftout() была
написано для согласования тактового сигнала на SRCLK с
сигнал защелки, генерируемый линией выбора ведомого
( SS ) подключен к сдвиговому регистру RCLK
штырь. Возможно, вам будет интересно изучить источник
код функции shiftout и посмотреть, сможете ли вы
объяснить, как это работает.

---

Далее: Как сделать
Вверх: Фон
Предыдущий: Как использовать

Майкл Леммон
2009-02-01

CIS 304 — Изучение передачи данных через последовательный/параллельный порт

Урок 9. Знакомство с передачей данных через параллельный/последовательный порт Инструктор: Майкл П. Харрис Компьютерные данные/информация могут быть отправлены с одного устройства на другое с помощью проволочный кабель без использование сетевой карты (NIC). Эти данные, как правило, отправлено одним из двух основных способов. При использовании параллельного порта многие биты (обычно 4 или 8) посылаются одновременно по многим проводам в кабеле. Это известно как параллельная передача . Отправка одного бита за раз по одному проводу через последовательный порт известна как последовательный порт . передача . Каждый вид трансфера имеет свои преимущества и недостатки. последовательные или параллельные соединения с компьютером называются ПОРТЫ . В совокупности они называются портами ввода/вывода или портами ввода/вывода. Для практического опыта, диагностики и информации, которую мы будем использовать PORTTEST.EXE — общедоступная комплексная диагностическая программа от: Microsystems Development 4100 Moorpark Ave. #104 SAN HOSE, CA 95117 USA Телефон: (408)296-4000 .6-5877 PORTTEST проверит порты ввода-вывода, установленные на IBM PC и AT-совместимых компьютерах. под управлением MS-DOS. Полезно идентифицировать порты, манипулировать системными таблицами, тестировать портов, а также для выявления и устранения проблем. Основы параллельного порта Восемь бит данных передаются одновременно через параллельные порты ПК. Данные отправлены используя +5 вольт и 0 вольт для представления 1 или 0 бит данных. Как и следовало ожидать, данные могут быть переданы относительно быстро таким образом. Недостатки этого метод заключается в том, что требуется больше проводов и что наиболее распространенные параллельные порты могут только надежно работают на расстоянии менее 20 футов. В ПК есть три различных типа параллельных портов. Однонаправленный — однонаправленный порт — это исходный порт на ПК и все три порта могут работать в однонаправленный режим. Двунаправленный — Двунаправленный порт обеспечивает передачу данных в оба направления на одних и тех же линиях. FastParallel — быстрый параллельный порт не только предлагает двунаправленные данные передачи, но также работает с гораздо более высокой скоростью передачи данных. Двунаправленный порт обеспечивает передачу данных в обоих направлениях по одним и тем же линиям. как быстрый параллельный, так и двунаправленный порт могут работать в любом из трех ставки трансфера. Ваше программное обеспечение должно работать в наиболее выгодных условиях. режиме, в зависимости от типа порта, к которому он подключен. Если обнаружены ошибки в передачи данных вам может потребоваться изменить использование порта на другой параметр. Ты обычно необходимо выбрать более низкую скорость, если во время передачи данных возникают ошибки. Варианты скорости: 250Кб, 500Кб и 1Мб. Три типа параллельных портов в порядке убывания пропускной способности: Быстрый параллельный порт Двунаправленный параллельный порт Однонаправленный параллельный порт На вашем ПК может быть максимум три параллельных порта любого типа: LPT1, LPT2 и LPT3. В отличие от последовательных портов, в которых для передачи данных используется микросхема, параллельные данные полностью обрабатывается программным обеспечением. Параллельные порты имеют три регистра: один для вывода данных один для выходных линий управления и один для линий управления вводом Способы передачи данных через параллельные порты различаются, но общее описание приведено ниже. Чтобы отправить байт данных, программное обеспечение выводит байт в линии данных, а затем СТРОБ выход. Затем устройство на другом конце (обычно принтер) подтверждает свое ЗАНЯТА линия. ПК ждет BUSY уйти перед отправкой следующего байт. В других реализациях строка ACKNOWLEDGE используется для того, чтобы принтер сигнализировал компьютеру, что он получил данные. Остальные линии управления используются для различных целей. Со стороны принтера КОНЕЦ БУМАГИ — это сигнал ПК о том, что в принтере закончилась бумага. Принтер также отправляет на ПК сигнал SELECTED , указывающий, что он «в сети» и готов для получения данных. ОШИБКА сигнал принтера может использоваться для любого типа ошибки это может привести к тому, что принтер не сможет получать данные. В общем, если что-то из этого сигналы подтверждены, BUSY также подтвержден. ПК имеет три дополнительные линии управления выводом. Использование этих строк зависит от конкретное используемое программное обеспечение и принтер. В исходной реализации для ПК они используются следующим образом: АВТОПОДАЧА — указывает принтеру автоматически вставлять перевод строки после каждый возврат каретки. INIT инициализирует принтер при включении питания. SELECT — отменяет выбор принтера и переводит его в «офлайн». SELECT чаще всего использовался как метод, чтобы сигнализировать оператору о необходимости некоторого внимания. требовалось. Например, когда программе нужно было перейти на другой шрифт, она отменяла выбор принтер. Это приведет к отключению принтера.0013 SELECTED строка и ее фронт панельный свет. Затем пользователь менял печатающее колесо в принтере и нажимал кнопку SELECT на принтере. После этого принтер включится. SELECTED строка, сигнализирующая программе о продолжении работы. Многие принтеры будут оставаться в «оффлайне» условие до тех пор, пока SELECT или INIT утверждаются даже если кнопка SELECT нажал. Как указывалось ранее, не все эти строки управления используются одинаково. Немного из новейших лазерных принтеров на рынке игнорируют все линии управления, кроме линейка СТРОБ . Основы последовательного порта Последовательный порт ПК использует напряжения и разъемы, установленные электронным блоком . Стандартная спецификация Промышленной ассоциации (EIA), известная как RS-232C . Кроме того к одному биту данных, другие управляющие сигналы также отправляются и принимаются. Отправка данных один бит за раз относительно медленно, но последовательные порты имеют преимущество использования меньше проводов для соединения двух устройств и возможность связи по относительно большие расстояния кабеля. Большинство последовательных портов могут легко обмениваться данными по кабелю длиной более 100 футов. Данные отправляются с использованием +12 вольт и -12 вольт для представления 0 или 1 бита данных. В Кроме того, существует широкий спектр доступных последовательных периферийных устройств, которые используют стандартная спецификация RS-232C. Кроме того, последние достижения сделали последовательная передача данных надежна при более высоких скоростях передачи данных. Эти скорости передачи данных относятся до «бит/с» (бит в секунду) или «бод» скорости. Сердцем всех последовательных портов является универсальный асинхронный приемник-передатчик , называется UART . ЦП считывает и записывает байт (8 бит) данных в этот чип, а UART обрабатывает последовательные передачи и другие функции, связанные с спецификации RS-232C. UART используется в большинстве моделей ПК и XT (8088 и 8086). систем — INS8250B или аналогичный. Большинство машин класса AT (80286 и выше) используйте устройство NS16450. Чип 16450 предназначен для работы с более высокой шиной данных. скорости более быстрых компьютеров. Однако передача последовательных данных идентична к 8250. Теперь доступен более новый 16550 UART, который совместим с 16450, но с двумя 8-битными выходными буферами, поэтому передача данных может происходить на более высоких скоростях особенно подходит для CCITT V.32bis. Это выходит за рамки данного урока подробно опишите работу этих чипов. Адресация порта Любое устройство ввода-вывода в ПК должно располагаться по определенному адресу. Собственно, сериал порт состоит из восьми адресов, а параллельный порт имеет три. Адрес, используемый для ссылаться на конкретный порт является первым или БАЗОВЫМ адресом. Как для последовательного, так и для параллельного порты, по этому первому адресу считываются и записываются передаваемые данные. Эти адреса являются ФИЗИЧЕСКИМИ адресами портов. Именно там находится Центральный Процессорный блок (ЦП) ПК должен считывать или записывать данные для отправки или получения данных. над портом. Не существует установленных правил относительно того, какие адреса должны использоваться для портов, за исключением за копирование того, что IBM сделала с ПК в 1981, но некоторые часто используемые адреса поддерживаются большинством производителей. Как правило, первые два последовательных порта физические адреса 3F8 и 2F8. Они обозначаются как COM1 и COM2, логических имен . Как правило, параллельные порты располагаются по адресам 3BC, 378 и 278, которые названы LPT1, LPT2 и LPT3. Многие старые карты мониторов имеют встроенный параллельный порт. В этих случаях порт обычно находится на 3BC. БИОС и ДОС Большинство подпрограмм ПК POST/BIOS выполняют быструю проверку при включении, чтобы определить, как установлено много последовательных и параллельных портов. Они проверяют конкретные адреса по запись на них, а затем чтение их обратно, чтобы определить, присутствует ли устройство в этом адрес. Затем POST/BIOS помещает адрес каждого отвечающего устройства в таблица в ОЗУ, расположенная по адресу 40:0 для последовательных портов и по адресу 40:8 для параллельных портов. После загрузки ПК, когда POST/BIOS больше не контролируется, DOS использует адреса в этих таблицах как COM1, COM2 и т. д. для последовательных портов, а также LPT1, LPT2, и т.д. для параллельных портов. Например, в DOS есть программа MODE для установки различные параметры, такие как скорость передачи данных порта. Чтобы использовать РЕЖИМ команда, пользователь должен обратиться к нужному порту по его назначению COM или LPT. Используемый адрес — тот, который хранится в таблице. Очень возможно, что COM1 в одна система не находится по тому же физическому адресу, что и COM1 в другой системе. POST/BIOS ПК обычно обнаруживает установленные последовательные порты и сохраняет адрес регистр передачи/приема в своих таблицах. Этот адрес называется «базовым». этот адрес, который появляется в главном меню PORTTEST. IRQ (прерывание Запрос) номера не сохраняются. PORTTEST предполагает IRQ4 для порта 03F8. hex и IRQ3 для порта с номером 02F8 hex, потому что они используются чаще всего. Базовые адреса следующие: LPT1 03BC шестигранник ЛПТ2 0378 шестнадцатеричный ЛПТ3 0278 шестнадцатеричный COM1 03F8 шестигранник COM3 03E8 шестнадцатеричный COM2 02F8 шестигранник СОМ4 02E8 шестигранник Примечание: Только DOS 3.3 и Больше поддерживает COM3 и COM4. Однако часто БИОС не определяет больше 2-х портов. В этом случае используйте PORTTEST для установки эти порты в системных таблицах, чтобы DOS их распознала. Чтобы DOS распознала номер COM или LPT, должен быть действительный адрес указаны в таблице, и пробелов быть не может. Если в таблице есть нулевая запись, DOS считает, что это конец списка. Поэтому, что касается DOS, это невозможно иметь COM1 и COM4, ​​не имея также COM2 и COM3! Другое программное обеспечение может сообщать иначе, как описано ниже. Логические и физические адреса Многие процедуры BIOS проверяют только два последовательных порта и три параллельных порта. В качестве ПК становились все популярнее, росла потребность в большем количестве портов. Эта проблема была «фиксированный» для DOS 3.3 и выше, который распознает до четыре COM и три LPT порта. Однако DOS распознает только логический порт, физический адрес которого был помещается в таблицу оперативной памяти. Если BIOS не помещает туда физический адрес включите питание, DOS не распознает логический порт, даже если аппаратное обеспечение правильно настроен и установлен! Если вам нужно использовать DOS для поддержки большего количества портов, чем ваш BIOS может обнаружить и install PORTTEST можно использовать для размещения правильного адреса в системных таблицах. ПРИМЕЧАНИЕ: Многие приложения программы не используют DOS для взаимодействия с портами, так что может не понадобиться включать адрес порта в системные таблицы. Однако вы должен поместить адрес в таблицу, чтобы протестировать порт с помощью PORTTEST. Существует значительная путаница в отношении правильного адреса логического и физического порта. Строго говоря, ни для одного из логических портов нет правильного физического адреса. Структура логического порта позволяет помещать в свои таблицы любой физический адрес. Многие прикладные программы обращаются к портам напрямую и не используют встроенный подпрограммы в аппаратном BIOS. Обычно это делается потому, что приложение требуется более сложный драйвер устройства, чем предусмотрено в BIOS. Когда это В этом случае адреса логических портов не всегда используются должным образом. Немного приложения обращаются к портам напрямую, но правильно определяют физический адрес из логический адрес с помощью таблицы 40:0. Другие программы не используют логические адреса вообще, а просто ссылаться на физические адреса. Третьи преобразуют логические в физические адреса, используя свою собственную таблицу. В этом случае программа может сообщить что установлены COM1 и COM4 без COM2 или COM3! Использование прерывания В дополнение к регистрам последовательного порта UART также имеет возможность прерывания процессор, либо после того, как он передал байт данных, либо после того, как он получил один. В идеале линия запроса на прерывание, которую использует каждый порт, должна быть уникальной, но не всегда хватает прерываний. Следовательно, прерывания иногда используется более чем одним устройством. Это нормально, но рискованно, пока только один устройств активны одновременно. Стандартный AT имеет шестнадцать линий запроса аппаратного прерывания. Чаще всего IRQ4 используется для последовательных портов COM1 и COM3, а IRQ3 используется для последовательных портов COM2 и COM4. Параллельный порт LPT1 может использовать IRQ7, а LPT2 может использовать IRQ5, но не прерывание требуется для большинства операций порта принтера. Большинство плат ввода-вывода имеют перемычки. чтобы выбрать, какие прерывания и адреса ввода/вывода будут использоваться. Если возникают конфликты, пользователь должен проверить эти перемычки, чтобы определить причину конфликта. Информация о параллельном порте Схема подключения параллельного кабеля Стандартный параллельный кабель Centronics — для подключения параллельного порта к стандартному принтеру ПРИЛОЖЕНИЕ №1: Построение Параллельный кабель Параллельный кабель для передачи данных — этот кабель можно использовать для создания клиента /server LAN с использованием INTERSVR и INTERLNK, описанных далее в этом уроке, которые поставляется с MS-DOS версии 6.0 или выше. Этот же кабель также используется для LapLink и LANtastic-Z. Информация о последовательном порте ПРИЛОЖЕНИЕ № 2: Нуль-модемный кабель RS-232-C ПРИМЕНЕНИЕ № 3: Кабель-адаптер последовательного порта с 9 на 25 контактов Прикладной тест Для тестирования кабелей используйте Interlnk & Intersvr, программное обеспечение клиент/сервер, которое входит в комплект поставки. входит в состав MS-DOS 6.0 и выше. Это программное обеспечение позволит вам создать два узел LAN и работает как с параллельным кабелем передачи (приложение № 1), так и с Последовательный нуль-модемный кабель (Приложение №2). Попробуйте оба и определите для себя разницы в скорости. INTERSVR.EXE Запускает сервер Interlink. Все параметры являются необязательными. После запуска INTERSVR устанавливает выделенный сервер на машине, на которой он работает. Все доступ будет осуществляться через клиентскую машину, подключенную с использованием дополнения ПО ИНТЕРЛНК. INTERSVR автоматически найдет соединение (параллельный или последовательный) и автоматически подключать и переназначать все доступные диски. Комбинация программного обеспечения INTERSVR / INTERLNK распознает параллельную передачу кабель или кабель последовательного нуль-модема. Синтаксис: INTERSVR [диск:[…]] [/X=диск:[…]] [/LPT:[n|адрес]] [/COM:[n|адрес]] [/BAUD:скорость] [/B] [/V] Чтобы скопировать файлы Interlink с одного компьютера на другой, используйте следующий синтаксис: ИНТЕРСВР /RCOPY Параметры: привод: Указывает буквы дисков, которые будут перенаправлены. По умолчанию все диски перенаправляются. /X=привод: Указывает буквы дисков, которые не будут перенаправлены. По умолчанию все диски перенаправляются. /LPT:[n|адрес] Указывает используемый параллельный порт. Параметр n указывает номер параллельный порт. Параметр адреса указывает адрес параллельного порта. Если n или адрес опускаете, сервер Interlnk использует первый параллельный порт, который находит подключен к клиенту. Если вы укажете переключатель /LPT и опустите переключатель /COM, сервер ищет только параллельные порты. По умолчанию все параллельные и последовательные порты сканируются. /COM:[n|адрес] Указывает используемый последовательный порт. Параметр n указывает номер серийного номера. порт. Параметр адреса указывает адрес последовательного порта. Если опустить n или адрес, сервер Interlink ищет все последовательные порты и использует первый порт, который он находит подключенный к клиенту. Если вы укажете переключатель /COM и опустите /LPT коммутатор, сервер ищет только последовательные порты. По умолчанию все параллельно и последовательно порты сканируются. /BAUD:скорость Устанавливает максимальную скорость последовательной передачи данных. Допустимые значения скорости: 9600, 19200, 38400, 57600 и 115200. Значение по умолчанию — 115200. /Б Отображает экран сервера Interlink в черно-белом цвете. Используйте этот переключатель, если вы есть проблемы с чтением вашего монохромного монитора. /В Предотвращает конфликты с таймером компьютера. Используйте этот переключатель, если у вас есть последовательный соединение между компьютерами, и один из них перестает работать, когда вы используете Interlink для доступа к приводу или порту принтера. /RCOPY Копирует файлы Interlnk с одного компьютера на другой при условии, что компьютеры соединены 7-проводным нуль-модемным последовательным кабелем и что &;ltMODE> Команда доступна на компьютере, где вы устанавливаете Interlnk. INTERLNK.EXE Соединяет два компьютера через параллельные или последовательные порты и позволяет компьютеры для совместного использования дисков и портов принтеров. Например, вы можете подключить переносной компьютер на настольный компьютер и обмениваться файлами. Вы должны установить Драйвер устройства INTERLNK.EXE в файле CONFIG.SYS. Подключение к клиенту Машина под управлением INTERSVR будет работать автоматически при перезагрузке компьютера. Вы также можете использовать INTERLNK в качестве команды из командной строки DOS после установки. Синтаксис (из CONFIG.SYS) устройство = c:\dos\INTERLNK.EXE Для управления соединениями INTERLNK из командной строки DOS используйте эту команду. INTERLNK [клиент[:]=[сервер][:]] Параметры: клиент Указывает букву клиентского диска, который перенаправляется на диск на Interlnk сервер. Диск должен быть перенаправлен при запуске Interlnk. сервер Указывает букву диска на сервере, который будет перенаправлен. Привод должен быть указан в столбце Этот компьютер (сервер) сервера Interlink экран. Если буква диска не указана, клиентский диск больше не будет перенаправлен. Предыдущий урок Индекс Учебный план Эта страница поддерживается: Майкл П. Харрис viking.delmar.edu Последнее изменение 15 августа [email protected] Авторское право © 1998

Последовательное и параллельное хранилище | Computerworld

Практическое руководство

org/Person» itemprop=»author»>

Рассел Кей

Соавтор,

Компьютерный мир |

Данные, хранящиеся на диске, состоят из длинных строк (называемых дорожками и секторами) из единиц и нулей. Головки дисков считывают эти строки по одному биту за раз, пока накопитель не наберет нужное количество данных, а затем отправит их в процессор, память или другие устройства хранения. То, как диск отправляет эти данные, влияет на общую производительность.

Много лет назад все данные, отправляемые на диски и с дисков, передавались в последовательной форме — один бит отправлялся сразу за другим, используя только один канал или провод.

Подробнее

Computerworld
QuickStudies

Однако с появлением интегральных схем стало возможным и дешевым размещать несколько устройств на одном кристалле кремния, так родился параллельный интерфейс. Обычно для передачи использовалось восемь каналов, что позволяло одновременно отправлять восемь битов (один байт), что было быстрее, чем прямые последовательные соединения. В стандартном параллельном интерфейсе использовался громоздкий и дорогой 36-жильный кабель.

Так почему же поставщики отказываются от параллельных интерфейсов в пользу последовательных, когда нам нужно передавать данные на диски и с дисков быстрее, чем когда-либо?

Например, большинство принтеров больше не имеют параллельных портов. Ноутбуки отказались от традиционных параллельных и последовательных портов в пользу высокоскоростной универсальной последовательной шины и портов IEEE 1394. [Дополнительную информацию об этих технологиях см. в QuickLink 29332.] Теперь мы наблюдаем ту же миграцию в интерфейсах, соединяющих дисковые накопители.

На первый взгляд это кажется контринтуитивным. Разве параллельный не более эффективен, чем последовательный, с большей пропускной способностью? Не совсем, и, конечно, уже нет. При текущих скоростях параллельная передача имеет несколько недостатков.

Затраты на обработку

Во-первых, помните, что данные сохраняются и извлекаются по одной дорожке за раз, по одному биту за раз. Мы говорим о байтах для удобства, но байт — это просто строка из восьми битов подряд, и в конечном итоге нам приходится обрабатывать каждый бит отдельно.

Таким образом, прежде чем мы сможем отправить байт параллельно на дисковод, мы должны получить эти восемь битов и выровнять их, направив каждый по разным проводам. Когда мы выполнили всю обработку и подготовили их все, мы запускаем этот байт.

На другом конце кабеля, когда накопитель получает биты, он должен пройти обратный процесс, чтобы преобразовать этот байт обратно в последовательный поток битов, чтобы записывающие головки дисковода могли записать его на диск.

Чтобы представить это по-другому, подумайте о почти полностью обратном процессе — преобразовании параллельного в последовательный для передачи и обратно. Это то, что происходит при отправке азбуки Морзе по телеграфной линии. Сообщение начинается как написанные слова (мыслите параллельно) на листе бумаги. Процессор (т. е. мозг оператора) должен преобразовать каждую букву в серию точек и тире (последовательность), а затем отправить их по сети.

На принимающей стороне другой процессор должен прослушивать эти последовательные точки и тире, а затем преобразовывать их обратно в буквы и слова. Требуется много накладных расходов, потому что среда передачи не соответствует исходному входу или желаемому результату.

Искажение сигнала

При прохождении сигнала по проводу или дорожке интегральной схемы дефекты проводов или драйверов интегральных площадок могут замедлить некоторые биты.

При параллельном соединении восемь битов, отправленных одновременно, не достигают другого конца одновременно; некоторые доберутся туда позже, чем другие. Это называется перекос. Чтобы справиться с этим, принимающая сторона должна синхронизироваться с передатчиком и ждать, пока не поступят все биты. Последовательность обработки такова: чтение, ожидание, защелка, ожидание тактового сигнала, передача.

Чем больше проводов и чем больше расстояние между ними, тем больше перекос и выше задержка. Эта задержка ограничивает эффективную тактовую частоту, а также длину и количество параллельных линий, которые можно использовать.

Перекрёстные помехи

Тот факт, что параллельные провода физически объединены в жгуты, означает, что иногда один сигнал может «отпечатываться» на соседнем проводе. Пока сигналы различны, это не вызывает проблем.

Но по мере того, как биты становятся ближе друг к другу, уровень сигнала ослабевает на расстоянии (особенно на более высоких частотах), и из-за промежуточных разъемов накапливаются паразитные отражения. В результате вероятность ошибки значительно возрастает, и контроллер диска может быть не в состоянии отличить единицу от нуля. Для предотвращения этого необходима дополнительная обработка.

Последовательные шины избегают этого, изменяя сигналы во время передачи, чтобы компенсировать такие потери. В последовательной топологии все пути передачи хорошо контролируются с минимальной изменчивостью, что позволяет последовательной передаче надежно работать на значительно более высоких частотах, чем в параллельных конструкциях.

Новые серийные номера меньшего размера

Мы уже видели, как последовательные соединения вытесняют параллельные для принтеров и других периферийных устройств.