如何计算并行分支中的电流?

电器工程 引领 二极管 反抗 平行线
2022-02-01 21:54:35

我玩 Arduino 已经有一段时间了,虽然我对简单电路的了解足以让小项目启动和运行,但除了最简单的电路之外,我仍然不知道到底发生了什么电路。

我读过几本关于电子的书籍和一些在线文章,虽然我认为我了解电压、电流、电阻器、电容器和其他组件的工作原理;当我看到有很多它们的示意图时,我不知道在哪里发生了什么。

为了最终掌握它,我买了一个 300 合 1 电子项目集,但它似乎从“这是一个有两个并联电阻的电路”跳到更复杂的东西,没有解释它是如何工作的.

例如,它显示了一个简单的电池->电阻->LED 电路,但显示如果您将按钮与 LED 并联连接,按下按钮会关闭 LED。

我知道电流必须通过阻力最小的路径,但我不明白为什么它不通过两者

我被教导将两个电阻并联起来会导致电流流过两者,因此更多的电流会在电路中流动。我还尝试用不同值的电阻器替换上面电路中的按钮,正如我所怀疑的,高值电阻器根本不会影响灯泡,但较低的值会开始使灯泡变暗。

我不确定如何将 E = IR 方程应用于所有这些。

另外,LED的电阻有多大?我试着用万用表测量它,但它不会给出读数。

抱歉,如果我在这里扯了很多东西,但我正在努力描绘我认为我理解的内容和我想理解的内容。不知道我已经实现了!

哦,是的,当我深入研究我的 300 合 1 项目套件时,期待更多这样的事情!

4个回答

您不能直接将 E=IR 应用于此,因为 LED 是一个二极管,它是一种非线性器件。

简化:除非在其端子上存在足够的、正确极性的电压以对其进行正向偏置,否则二极管不会传导电流。

将二极管短路的开关的电阻非常小,因此它两端产生的电压也非常小,肯定要小很多数量级,无法正向偏置二极管。

如果用电阻器替换开关,情况可能会发生变化。想象一下 LED 不在电路中。如果电阻器充分限制电流以产生等于或大于 LED 的正向偏置要求的电压降,则一旦将 LED 放入电路中,您将看到 LED 将在您使用时昏暗地亮起观察到的。LED 和电阻器“共享”电流 - 您会观察到与二极管并联的电阻器两端的电压被二极管“钳位”。

二极管本身并不像电阻器那样具有电阻性。它们的电阻非常小 - 这就是 LED 电路需要串联电阻的原因 - 以提供限制电流并保护二极管不发生故障的电阻。

请参阅有关二极管的维基百科文章。

好吧,我现在正在学习电气工程,我可以告诉你,你所描述的这种跳跃在我的大学里大约需要两年的时间。

首先重要的是要知道哪些元素是被动的,哪些是主动的。然后你需要知道哪些元素是线性的,哪些不是。下一步是获取您拥有的元素的等效原理图并查看它们的行为方式。

例如,让我们进行开关。在关闭状态下,它起到开路的作用,而在开启状态下,它起到短路的作用。接下来,如果您有敏感设备,您将能够注意到开关实际上并没有短路,因为它有一些电阻,但它非常低。现在让我们来看看二极管二极管不是线性元件,因此它不具有经典意义上的电阻,例如电阻器。取而代之的是二极管的 VI 曲线。在电阻上,它是一个线性函数,我们可以使用电阻作为它的特性,但在二极管上,它看起来是指数的。

来自维基百科的二极管曲线

从图中可以看出,二极管需要一定的电压才能正常工作,当您触发开关时,该电压就会消失。这意味着,二极管的“电阻”刚刚变得巨大。要对此有所了解,请使用并联电阻计算来计算 1 mΩ 电阻和 1MΩ 电阻,并查看流过它们的电流。这就是您提到的电路的行为方式。

普通电阻是线性器件;如果电阻上的 10V 会产生 1mA 的电流,那么 20V 会给你 2mA。这很容易,但很少有组件如此简单。
例如,LED(或任何二极管)的行为并非如此。

在此处输入图像描述

如果您在二极管上施加 100mV 之类的低电压,则几乎不会有任何电流。如果你慢慢增加电压,你会看到大约 0.7V 的电流开始流动,很快达到一个高值,见图。我们可以看到二极管上的电压或多或少是恒定的。0.7V是普通硅二极管的,对于LED来说这个电压会更高,主要看颜色,但图基本一样。因为电流会突然增加到会破坏 LED 的值,所以您必须使用限流电阻。电流的增加将是突然的,但不是立即的;图中的线不是很垂直。那是因为 LED 的电阻也很小,但这太小了,无法将电流限制在安全值。那么这在电路中意味着什么?

在此处输入图像描述

电路中的两个基本事物(除了欧姆定律)是基尔霍夫定律,有一个基尔霍夫电压定律,又名 KVL,和一个基尔霍夫电流定律 (KCL)。我们暂时忘记了 KCL,看看电压定律 KVL。这表示任何闭环中的电压总和为零。您选择通过循环的方向。我们选择顺时针。电源电压通常选择为正,顺时针方向我们从负到正。然后电阻和 LED 上的电压是负的,因为我们首先遇到的是正的。然后基尔霍夫说:\$V_{BAT} - V_{R} - V_{LED} = 0\$,或 \$V_{BAT} = V_{R} + V_{LED}\$。假设 LED 的电压为 2V。然后我们可以计算\$V_{R} = V_{BAT} - V_{LED} = 6V - 2V = 4V\$,

如果我们将开关与 LED 平行放置会发生什么?如果开关闭合,它的电阻为零,根据欧姆定律,它上面的电压为零。仍然根据欧姆,任何电阻上的零电压意味着零电流,因此考虑到 LED 的电阻,不会有电流流过它。

二极管不以阻抗为特征,而电阻器、电容器和电感器可以铸造在同一个电气模具中——每个都有一个“电阻”(可能会随着所施加电压信号的“频率”而变化)。

另一方面,二极管汲取的电流量非线性地取决于施加在其端子上的电压。与它并联的开关在闭合时有效地使其两端的电压降为零,因此它不传导电流。

顺便说一句,由于不同的原因,如果用电阻器替换 LED,您会观察到类似的现象。按下开关就像将一个 0 欧姆(或者非常小的)电阻与其并联。几乎所有的电流都会流过短路。

编辑

针对我的回复评论中的附录问题。有很多方法可以证明这一点,但假设你有:

                        R_1
                   +---^v^v^----+
          R_x      |            |      R_y
   Vcc---^v^v^-----+            +-----^v^v^----GND
               V_x |    R_2     | V_y
                   +---^v^v^----+

Let Delta_V = V_x - V_y

我们知道 Delta_V 是 R_1 和 R_2 上的压降(即 R_1 上的压降与 R_2 上的压降等于 Delta_V 相同)。该电压降意味着通过两个电阻器的电流。即:

                        R_1
                   +---^v^v^----+
          R_x      |    -->     |      R_y
   Vcc---^v^v^-----+    i_1     +-----^v^v^----GND
          -->      |    R_2     | 
        i_total    +---^v^v^----+
                        -->
                        i_2

Delta_V = i_1 * R_1
Delta_V = i_2 * R_2

therefore:    i_1 * R_1 = i_2 * R_2
equivalently: i_2 = i_1 * R_1 / R_2
equivalently: i_1 = i_2 * R_2 / R_1
equivalently: i_1 / i_2 = R_2 / R_1

也就是说,电流在并联电阻之间的分布与它们的相对电阻成反比。因此,如果一个电阻器的 R_1比 R_2三倍,则它所消耗的电流是 R_2 的三倍您可以通过折叠并联和串联电阻来计算电路消耗的总电流 i_total,从而进一步将显示的总电路缩减为单个电阻。使用附加公式:

i_total = i_1 + i_2

therefore:    i_total = i_1 + i_1 * R_1 / R_2
equivalently: i_total = i_1 * ( 1 + R_1 / R_2 ) = i_1 * (R_1 + R_2) / R_2
equivalently: i_1 = i_total * (R_2 / R_1 + R_2)
equivalently: i_2 = i_total * (R_1 / R_1 + R_2)

请注意,实际上 Delta_V 是什么并不重要,以了解总电流在并行路径之间的分布情况。