Paralelní zapojení vodičů – Fyzika. 8. ročník. Baryakhtar

Rozhodli jste se tedy vybavit svůj domov solárními panely. Víte ale, jak nejlépe propojit panely do jednoho systému pro optimální výrobu energie? Existují dva způsoby připojení panelů: paralelní a sériové. V tomto článku si povíme o výhodách a nevýhodách obou metod, abyste si pro sebe mohli vybrat to nejlepší řešení.

Všeobecné informace

Pokud jde o připojení solárních panelů, klíčové parametry, které je třeba vzít v úvahu, jsou napětí a proud v okruhu. Každý systém solárních panelů bude mít minimální a maximální hodnotu pro tyto metriky. Právě tato data ovlivňují, jak nejlépe propojit panely ve vašem systému.

Různé modely solárních panelů se liší napětím a proudem v okruhu. To znamená, že je musíte propojit tak, aby příkon byl co nejvyšší, ale nepřesáhl maximální výkon nabíjecí stanice.

K jedné nabíjecí stanici je zpravidla připojeno více solárních panelů. To, jak tyto panely spojíte dohromady, stejně jako vyváženost systému, může ovlivnit efektivitu celé instalace, její schopnost zachytit, generovat a ukládat energii.

Solární panely samy o sobě vám energii neposkytnou. Fungují pouze ve spojení s dalšími zařízeními, která přeměňují a ukládají energii přijatou ze slunce. Pokuste se proto pečlivě pochopit podstatu problému, abyste pochopili princip fungování sady energetické nezávislosti.

Jaký je rozdíl mezi paralelním a sériovým připojením

Solární panely můžete zapojit paralelně i sériově. Každý z nich má svá pro a proti, a proto ve větší či menší míře vyhovuje určitým podmínkám. Pojďme zjistit, jaké jsou tyto rozdíly.

Když připojíte panely do systému důsledně (nebo sériově), to znamená, že jsou zapojeny jeden po druhém. V tomto případě je systémové napětí napětím všech panelů celkem. Pokud máte například čtyři panely po 12 V zapojené do série, celkové napětí se vypočítá následovně: 12 V * 4 ks. = 48 V. Při sériovém zapojení zůstává proud v obvodu stejný.

Pokud plánujete řetězení vašeho systému, můžete omezit počet panelů zakoupením vysokonapěťových modelů. Například výběrem 400W solárních panelů EcoFlow má každý panel napětí 37,1 V, což znamená, že s pouhými dvěma panely můžete dosáhnout více než 74 V.

na paralelní spojení, všechny kladné a záporné svorky jsou vzájemně propojeny. Pro připojení k regulátoru a nabíjecí stanici zbývá jeden záporný a jeden kladný spoj. Napětí se tedy nemění, ale síla proudu v obvodu je součtem všech jeho „účastníků“.

Výhody a nevýhody těchto metod pro uživatele se liší podle toho, co od konkrétního typu připojení očekává. Sériové zapojení tedy znamená vyšší výstupní výkon, který vám umožní nabíjet solární panely rychleji. Vzhledem k nízkému celkovému proudu není nutné používat kabel s vysokým výkonem nebo jiné zařízení. Tato možnost je vhodná pro nezastíněné oblasti. Pokud však některý z panelů začne fungovat hůře, ovlivní to zbývající panely v řetězci.

V paralelním zapojení neovlivní porucha žádného panelu účinnost ostatních. Tento způsob připojení je vhodný pro malé nízkonapěťové systémy (například v obytném automobilu). Také toto zapojení funguje lépe v podmínkách kombinovaného osvětlení s periodickým zastíněním. Při paralelním připojení budete potřebovat silné, výkonné kabely a další vybavení, které zvládne vysoký proud.

Vliv stínu na volbu způsobu připojení

Účinnost solárních panelů závisí na tom, jak často jsou vystaveny stínu. A přestože je solární energie obnovitelným zdrojem, v různých oblastech získáváte různé množství slunečního světla. Není v našich silách nějak ovlivnit rozložení slunce na planetě, ale umíme správně umístit solární panely tak, aby byly co nejkratší dobu ve stínu.

Umístěte panely daleko od korun stromů. Pokud jsou však náhle některé panely pravidelně ve stínu, zvolte paralelní připojení. To umožňuje panelům fungovat nezávisle na sobě, takže budete stále sbírat solární energii. Kromě způsobu připojení věnujte pozornost modelům, které efektivně fungují i ​​ve stínu. Například bifaciální solární panely EcoFlow 220W fungují dobře za špatných světelných podmínek, dokonce zachycují odražené světlo (například od hladiny vody).

Kombinované připojení

Pokud jste se nerozhodli, jaký způsob spojování panelů upřednostnit, můžete zvolit kombinované připojení. Poskytne vám výhody paralelního a sériového připojení. Nejprve zapojte solární panely do série a poté přepněte na paralelní zapojení. Takto zvýšíte napětí celého panelového systému nejprve sériovým zapojením a následně paralelním zapojením zvýšíte proud. Ukazuje se, že kombinovaným zapojením řešíte dva problémy najednou: zvyšujete napětí a proud celého systému, čehož nelze dosáhnout jediným způsobem.

Proč potřebujeme tyto ukazatele zvyšovat? Faktem je, že všechny solární akumulátory a přenosné nabíjecí stanice vyžadují určité minimální napětí pro dobíjení.

Pokud máte pochybnosti o tom, jak nejlépe propojit solární panely do jednoho systému, je lepší se poradit s odborníkem.

V praxi je často nutné zapojit do elektrického obvodu více spotřebičů najednou. Elektrický osvětlovací obvod školní kanceláře tedy nutně obsahuje několik lamp a porucha jedné lampy nepovede k vypnutí ostatních. V tomto případě fyzici říkají, že lampy jsou zapojeny paralelně. Jak vypočítat proud, napětí a odpor při paralelním zapojení vodičů?

1. Studujeme obvod sestávající z paralelně spojených vodičů

Uvažujme elektrický obvod obsahující dvě paralelně zapojené lampy (obr. 32.1, a). Když se podíváme na schéma tohoto obvodu (obr. 32.1, b), vidíme: za prvé, pro průchod proudu v obvodu existují dvě cesty – dvě větve, z nichž každá obsahuje jednu lampu; za druhé, obě větve mají společnou dvojici bodů – A a B. Takové body se nazývají uzlové body (uzly)*. V uzlových bodech se řetěz rozvětvuje. Rozvětvení je charakteristickým znakem obvodu s paralelním připojením vodičů.

* Uzel je bod na schématu zapojení, kde jsou připojeny alespoň tři vodiče.

Rýže. 32.1. Paralelní připojení několika současných spotřebičů: a – celkový pohled; b – schéma; šipky ukazují směr proudu

Schéma zapojení může obsahovat ne jeden, ale několik párů uzlových bodů. V tomto případě jsou všechny vodiče připojené k libovolnému páru uzlů považovány za paralelně spojené (obr. 32.2).

Rýže. 32.2. Schéma části obvodu obsahující paralelní zapojení vodičů. Zapojené paralelně: rezistory 1 a 2 (uzly A a B), odpory 3, 4 a 5 (uzly C a D); rezistor 6 je zapojen paralelně k sekci AD (uzly A a D)

2. Zjistěte, jak vypočítat proud a napětí při paralelním připojení vodičů

K určení napětí na každém z paralelně zapojených vodičů stačí změřit napětí mezi uzly. Takže připojením voltmetru do dvojice uzlových bodů A a B (obr. 32.3) ihned změříme napětí jak na sekci AB, tak na každé lampě.

Rýže. 32.3. Měření napětí při paralelním připojení vodičů: a – vzhled; b – schéma. Voltmetr ukazuje napětí na lampě 1, lampě 2 a na celém úseku AB

Celkové napětí v sekci a napětí na každém z paralelně připojených vodičů jsou stejné:

kde n je počet vodičů.

Tento vztah platí pro libovolný počet paralelně zapojených vodičů.

Při paralelním zapojení vodičů je proudová síla v nerozvětvené části obvodu rovna součtu proudových sil ve větvích (jednotlivých větvích):

kde n je počet vodičů.

Toto tvrzení lze experimentálně dokázat připojením k elektrickému obvodu znázorněnému na Obr. 32.1, tři ampérmetry: jeden (A) v nerozvětvené části obvodu a další dva (A₁ a A.₂) – do každé větve (obr. 32.4).

Rýže. 32.4. Měření proudu při paralelním zapojení vodičů: proud v nerozvětvené části obvodu, měřený ampérmetrem A, se rovná součtu proudů měřených ampérmetrem A₁ a A₂ v každé pobočce pobočky

Vezměte prosím na vědomí: Pokud jedna z paralelně zapojených žárovek selže, druhá bude svítit dál, protože jejím vláknem bude stále protékat proud.

• Zkuste vysvětlit, proč jsou spotřebiče elektrické energie u vás doma zapojeny paralelně?

3. Odvodíme vzorec pro výpočet odporu úseku obvodu s paralelním zapojením vodičů

Pro výpočet odporu R úseku obvodu AB (viz obr. 32.1), sestávajícího ze dvou paralelně zapojených lamp, použijeme vztah:

Z posledního výrazu získáme vzorec pro výpočet odporu části obvodu sestávajícího ze dvou paralelně zapojených vodičů:

Obecně lze odpor R části obvodu sestávající z n paralelně zapojených vodičů vypočítat pomocí vzorce:

Po analýze posledního vzorce dojdeme k následujícím závěrům:

– celkový odpor paralelně zapojených vodičů je menší než odpor každého z těchto vodičů;

– celkový odpor paralelně zapojených vodičů se stejným odporem lze vypočítat pomocí vzorce:

kde R – odpor každého vodiče; n je počet vodičů.

• Najděte odpor části obvodu obsahující pět vodičů s odporem každého 15 kOhm, pokud jsou vodiče zapojeny: paralelně; postupně. Jaký je proud v každém vodiči, pokud je na sekci přivedeno napětí 300 V?

4. Pojďme se dozvědět o některých důležitých faktech

Doufáme, že jste správně odpověděli na otázku v odstavci 2 tohoto odstavce a došli k následujícímu závěru. K elektrické síti se paralelně připojují různá domácí elektrická zařízení, protože: 1) pouze při takovém zapojení bude mít každé zařízení takové napětí, pro které je navrženo, a to 220 V; 2) odpojení jednoho ze spotřebitelů nepovede k odpojení ostatních.

Na Obr. 32.5 je znázorněna část elektrických rozvodů v bytě. Vodorovné čáry jsou elektrické vodiče. Tyto dráty skryté ve zdech pokrývají celý byt. Napětí mezi dráty je 220 V.

Rýže. 32.5. Část elektroinstalace v bytě: a – celkový pohled; b – schematické znázornění. V praxi se elektrické rozvody skrývají ve zdech

5. Naučit se řešit problémy

1 výzva. Na obrázku je schéma elektrického obvodu. Určete hodnoty ampérmetrů, pokud je hodnota voltmetru 12 V. Odpory rezistorů jsou znázorněny na obrázku.

Analýza fyzikálního problému. Výše uvedené schéma elektrického obvodu má dvě větve, proto obvod obsahuje paralelní zapojení vodičů.

Před větev je zapojen ampérmetr A a na větev obsahující rezistor 1 ampérmetr A2. Je tedy nutné zjistit celkový proud v obvodu a proud v rezistoru 2. Určíme hodnoty ​​požadovaných veličin pomocí Ohmova zákona a vzorců pro výpočet proudu a napětí při paralelním zapojení vodičů.

2 výzva. Čtyři lampy s odporem 6 ohmů jsou zapojeny, jak je znázorněno na obrázku. Určete proud v každé lampě, pokud je napětí na zdroji 30 V.

Analýza fyzikálního problému. Obvod obsahuje smíšené připojení vodičů: lampy 2 a 3 jsou zapojeny paralelně; výbojky 1 a 4 jsou zapojeny do série s částí obvodu tvořenou výbojkami 2 a 3. Pomocí Ohmova zákona a vztahů pro proud, napětí a odpor pro sériové a paralelní zapojení vodičů určíme hodnotu požadovaných veličin.

Vezměte prosím na vědomí: Při výpočtu složitých obvodů se smíšeným zapojením vodičů je vhodné postupné zjednodušení obvodu. Takže v úloze 2 bude mít takové zjednodušení krok za krokem podobu znázorněnou na Obr. 32.6, a. Postupné zjednodušení složitějšího schématu je znázorněno na Obr. 32.6, ž.

Rýže. 32.6. Příklady postupného zjednodušení elektrického obvodu při řešení problémů se smíšeným zapojením vodičů

Část obvodu sestávající z paralelně zapojených vodičů musí mít odbočku. Vodiče jsou považovány za paralelně spojené, pokud jsou připojeny k páru uzlů.

Vyřazení jednoho z paralelně zapojených vodičů nemá prakticky žádný vliv na činnost ostatních.

Pokud se část obvodu skládá z n vodičů zapojených pouze paralelně, platí následující tvrzení:

Kontrolní otázky

1. Vyjmenujte charakteristický znak obvodu obsahujícího paralelní spojení vodičů. 2. Porovnejte napětí na části obvodu obsahující paralelně zapojené vodiče a napětí na každém vodiči. 3. Jaký je vztah mezi proudem v nerozvětvené části obvodu a proudem v každé větvi větve? 4. Pomocí jakého vzorce můžete vypočítat odpor části obvodu sestávajícího z několika paralelně zapojených vodičů? 5. Proč jsou spotřebitelé elektřiny ve vašem domě zapojeni paralelně?

Cvičení č. 32

1. Elektrický obvod se skládá z baterie a tří paralelně zapojených lamp. Nakreslete schéma obvodu.

2. Na Obr. Obrázek 1 ukazuje schéma úseku elektrického obvodu. Je známo, že odpor R₁ rovná se 100 Ohm, odpor R₂ – 150 Ohm, údaj ampérmetru – 2,4 A. Určete napětí v oblasti.

Obr. 1

3. Dvě elektrické lampy jsou zapojeny paralelně a připojeny ke zdroji proudu, jehož napětí je 120 V. Určete sílu proudu v každé lampě a v nerozvětvené části obvodu, pokud je odpor jedné lampy 200 Ohmů a druhá je 300 ohmů.

4. Dráty stejné délky a průřezu – železné, měděné a stříbrné – byly zapojeny paralelně a připojeny ke zdroji proudu. Který drát bude mít největší proud?

5. Určete odpor části obvodu znázorněné na Obr. 32.6, b, pokud R₁ = R₆ = 7 Ohm; R₂ = 1 Ohm; R₃ = 5 Ohm; R₄ = 12 Ohm; R₅ = 4 Ohmy. Jaký bude celkový proud v části obvodu, pokud se na něj přivede napětí 4 V?

6. Jaké je napětí na pólech zdroje proudu napájejícího obvod (obr. 2), je-li R₁ = 3 Ohm; R₂ = 2 Ohm; R₃ = 8 ohmů? Hodnota ampérmetru je 0,1 A.

Obr. 2

7. Odpor všech rezistorů v části elektrického obvodu (obr. 3) je stejný a rovná se 5 Ohmům. Na část obvodu je přivedeno konstantní napětí. Který klíč je třeba zavřít, aby bylo možné odečíst zařízení A₂ byla nižší než hodnota přístroje A₁? Jakou aktuální hodnotu zobrazí zařízení A?₁, pokud zavřete klíč K₁? Je známo, že zařízení A₂ ukazuje 300 mA, pokud jsou všechny spínače rozpojené.

Obr. 3

8. Máte 4 rezistory s odporem R každý. Kolik různých odporů a které přesně můžete získat použitím všech odporů současně?

9. Pro měření proudové síly přesahující tu, pro kterou je ampérmetr určen, můžete použít stejný ampérmetr. K tomu je paralelně k ampérmetru připojen rezistor – bočník (obr. 4). Pokud existuje bočník, proud se rozdělí na dvě části: jedna prochází ampérmetrem a druhá bočníkem: I = I_А + I_ш.

Obr. 4

Jaký odporový bočník by měl být zapojen paralelně s ampérmetrem s odporem 0,07 Ohm, aby se zvýšil limit měření ampérmetru z 2 na 10 A?

10. Sestavte úlohu podle Obr. 32.2 a vyřešte to.