Czy kolejność w połączeniu szeregowym ma znaczenie?

Czy kolejność w połączeniu szeregowym ma znaczenie?

Co powinno być pierwsze? Dioda, czy rezystor? Czy kolejność w połączeniu szeregowym jest ważna? Takie pytania zadają sobie początkujący elektronicy. 

Przez elementy połączone szeregowo płynie ten sam prąd. Warto więc zapamiętać, co dokładnie dzieje się w obwodzie, aby uniknąć problemów!

Artykuł jest uzupełnieniem naszego kursu podstaw elektroniki. Z tego poradnika dowiesz się jak należy w praktyce łączyć elementy, które na schemacie połączone są szeregowo. Czy można je uszkodzić zmieniając kolejność, lub czy wpływa to na działanie całego układu?

Wielu początkujących elektroników zastanawia się, czy można zamienić miejscami elementy w szeregu - przykładowo, umieścić rezystor za diodą LED, a nie przed nią. Obawiają się, że taka zamiana może uszkodzić elementy. Przykład takiej zmiany widoczny jest poniżej:

W działaniu powyższych układów nie będzie żadnej różnicy. Zastanówmy się teraz dlaczego tak jest i jak raz na zawsze zapamiętać to zagadnienie!

Wersja pierwsza układu z diodą

Załóżmy, że mamy do czynienia z takim obwodem:

Połączenie szeregowe: dioda + rezystor.

Jego działanie jest proste: prąd wypływa z końcówki "+" baterii (tak zakładamy w elektronice), przepływa przez rezystor, diodę, po czym wraca z powrotem do źródła zasilania. Włączenie rezystora w szereg z diodą jest konieczne, aby jej nie uszkodzić zbyt dużym natężeniem płynącego prądu. Można powiedzieć, że rezystor pełni rolę tłumika dla prądu.

Druga wersja układu z diodą

W drugiej wersji układu (po zamienionej kolejności) mamy następującą sytuację:

Połączenie szeregowe: rezystor + dioda.

W tym układzie, prąd wypływający z baterii najpierw przepływa przez diodę, a dopiero potem przez rezystor. Można mieć wrażenie, że przez diodę przepłynie prąd o dużym natężeniu, bo jego ogranicznik znajduje się dopiero dalej. Tak się jednak nie dzieje i układ działa poprawnie!

Układ działa i w obu przypadkach płynie przez niego identyczny prąd!

Dlaczego kolejność nie ma znaczenia?

Prąd elektryczny należy kojarzyć z ruchem ładunków, które można wyobrazić sobie jako kulki. Bateria wypycha kulki, które wędrują w obwodzie i wracają do niej z powrotem.

Zasada zachowania ładunku, jedna z elementarnych zasad fizyki, mówi, że ładunek nie może zostać zgubiony, nie może również pojawić się znikąd. Dla elektroników sprowadza się to do reguły, że tyle samo prądu musi wypłynąć z obwodu, co do niego wpłynęło. W przeciwnym razie, ładunek wchodzący do obwodu i wychodzący z niego byłby różny. Przenosząc to na analogię kulkową: więcej kulek wychodziłoby z baterii, niż do niej wracało.

Co może się w takim razie dziać w układzie? Skoro nie możemy zgubić ładunku, to może będzie się gromadził w przewodzie pomiędzy diodą i rezystorem? Taką (błędną) wersję widać poniżej:

Czy prąd może gromadzić się "między elementami"? Błędne myślenie...

Gdyby taki układ działał bardzo długo, wtedy ilość odłożonego ładunku byłaby ogromna. Gdzie on miałby się zgromadzić? Co miałoby się z nim stać po wyłączeniu zasilania? Wątpliwości jest bardzo dużo. Na szczęście, ładunek nigdzie się nie gromadzi.

W praktyce przepływa go tyle, na ile pozwalają na to elementy składające się na obwód, sytuacja wygląda więc tak, jak na poniższej animacji:

Przez cały układ płynie prąd o takim samym natężeniu.

W przypadku diody i rezystora, to rezystor jest elementem ograniczającym prąd diody - odkłada się na nim nadmiar napięcia (więcej w artykule o mocy). Dioda jest zachłannym elementem i chciałaby, żeby płynął przez nią możliwie duży prąd. Nie można jej na to pozwolić, ponieważ uległaby uszkodzeniu. Dlatego konieczny jest szeregowy rezystor, który przyjmie na siebie część napięcia i, zgodnie z prawem Ohma, ograniczy wartość płynącego prądu.

Część napięcia przyjmie dioda (zależnie od koloru około 2-4V). Reszta odłoży się na rezystorze, który będzie robił to, co potrafi najlepiej: będzie się grzał. Mniej lub bardziej, ale będzie się grzał - więcej na ten temat znaleźć można w artykule o podstawach mocy.

Wartość rezystora musi być taka, aby nadmiar napięcia wymusił przepływ prądu o pożądanej wartości (prawo Ohma). Korzystając z faktu, że rezystor i dioda połączone są szeregowo, prąd o tej samej wartości będzie płynął również przez diodę!

W sytuacji bez rezystora płynęłoby więcej prądu, który uszkodziłby diodę:

Brak rezystora w obwodzie - większy prąd i uszkodzenie diody.

Hydrauliczna analogia prądu płynącego w obwodzie

Omawiany obwód można zastąpić hydrauliczną analogią: szeregowe połączenie zbiornika wodnego (baterii), zwężki (rezystora) i turbiny (diody LED) za pomocą rur (przewodów). Niezależnie od kierunku połączenia podzespołów, ciśnienie w tym obwodzie będzie takie samo.

Woda wypływa z wylotu pompy/zbiornika, przepływa przez obwód i wraca do pompy/zbiornika. Prędkość przepływu wody w powyższym układnie nie zależy od kolejności połączenia elementów w obwodzie, ponieważ ciśnienie również jest takie samo.

Podstawa teoretyczna

Opisane zjawisko wynika z I prawa Kirchhoffa, które zostało opisane w kursie elektroniki. Połączenie pomiędzy elementami w szeregu można traktować jak węzeł: z jednego elementu prąd wypływa, a do drugiego wpływa. Natężenie obydwu prądów zawsze musi być takie samo, dlatego zamiana kolejności nie zmienia prądu płynącego przez cały szereg.

Podsumowanie, co warto zapamiętać?

Elementy połączone szeregowo można przestawiać w dowolny sposób. Prąd płynący przez taki układ będzie identyczny! Jedynym warunkiem jest zachowanie tej samej biegunowości elementów takich tak diody, kondensatory elektrolityczne, itd.

Warto pamiętać, że dobrą analogią prądu płynącego w obwodzie jest woda płynąca w rurach. To proste porównanie pozwala często łatwiej wyobrazić sobie pewne zjawiska. Zrozumienie tego układu jest również znacznie prostsze, gdy pamięta się o prawach Ohma i Kirchhoffa.

Autorzy: Michał Kurzela, Damian Szymański,
Ilustracje, zdjęcia: Piotr Adamczyk

elektronika, ohm, podstawy, połączenie, rezystor, szeregowe