Logo FORBOT.pl - darmowe kursy elektroniki, Arduino, Raspberry Pi
Prowadniki kablowe dla robotów zaprojektowane do ruchów w trzech osiach

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

Komentarze

20:23, 30.08.2017 #1

Uważam, że analogia do kulek (razem z animacjami) jest myląca. Pomimo tego, że wspomnieliście o zasadzie zachowania ładunku razem za animacja pokazującą, że ładunek się nie gromadzi przed rezystorem, może utrwalić błędne wyobrażenie sytuacji. Zwłaszcza, że następne animacje pokazują, że kulki wypływają z baterii ale w początkowym momencie nie ma ich ani przy diodzie, ani przy rezystorze.

Lepszą analogią byłby chyba łańcuch, gdzie wszystkie ogniwa są ze sobą połączone, więc skoro jedno się zatrzyma to i cały łańcuch.

Administrator
12:17, 31.08.2017 #2

Hudyvolt, dzięki weźmiemy to pod uwagę i postaramy się wprowadzić jakieś zmiany :)

12:38, 31.08.2017 #3

Moim zdaniem kulki nie są takie złe, chociaż faktycznie nie powinny powoli wychodzić z baterii - w końcu elektrony są już na miejscu gdy podłączamy obwód, przepływ prądu tylko je trochę "przepycha". Moja ulubiona analogia dotyczy wody, ale kulki też są fajne. W sumie kurs jest dla bardzo początkujących, więc zanim dojdą do mechaniki kwantowej pewnie zapomną o kulkach.

Jak dla mnie bardziej mylące jest uogólnienie "kolejność w połączeniu szeregowym nie ma znaczenia". Oczywiście że ma - prądy są takie same, ale napięcia już nie. Inna sprawa, że całe rozumowanie zadziała dla prostych dwukońcówkowych przyrządów. Natomiast jeśli zamiast diody podłączymy np. tranzystor to

będzie trochę inaczej.

Administrator
13:56, 31.08.2017 #4

Elvis, kwestia wychodzenia kulek będzie niedługo poprawiona. Co do reszty, to oczywiście chodziło nam właśnie o takie proste przykłady typu "dioda + rezystor", "rezystor + rezystor" itd., ponieważ o takie tematy pytają najczęściej początkujący. Głównie chodzi o wątpliwości rodzaju: "Dlaczego na schemacie najpierw jest dioda, a na płytce stykowej najpierw pojawia się rezystor" itd. :)

14:24, 31.08.2017 #5

W sumie to może i nawet tak jak jest może zostać? Odruchowo te kulki potraktowałem jako elektrony - a przecież płyną od + do -, więc to bardzo umowne ilustracje. Ważne żeby nie zniechęcać nadmiarem szczegółów.

A co do łańcucha, to byłby problem przy rozgałęzieniu i np. prawach Kirchoffa.

19:07, 31.08.2017 #6

Niestety ale nie ma dobrej analogii, która wszystko by uchwyciła.

Chyba najlepsza jest ta hydrauliczna, ale nie wszyscy też rozumieją co się dzieje w tych analogicznych układach.

Chciałem tylko zwrócić uwagę, że tego rodzaju grafiki budują wyobrażenie osoby, która się z tego uczy, a błędne wyobrażenie tych zjawisk, może powodować problemy ze zrozumieniem innych, trudniejszych zagadnień.

[ Dodano: 31-08-2017, 19:09 ]

Elvis napisał/a:

Oczywiście że ma - prądy są takie same, ale napięcia już nie.

Rozwiniesz co masz na myśli? Albo czegoś nie wiem, albo nie mogę powiązać faktów.

Administrator
20:26, 31.08.2017 #7

Animacje już poprawione - nie ma już sytuacji, w której po włączeniu obwodu nie ma w nim "kuleczek" ;)

22:10, 31.08.2017 #8

Hudyvolt, chodziło mi o napięcie na węźle łączącym diodę i rezystor.

22:42, 31.08.2017 #9

Nie wiem co ze mną nie tak, ale w animacji o gromadzeniu ładunku kulki poruszają się od minusa do plusa, muszę się skupić, żeby je ruszyć w drugą stronę.

W tych artykułach może dałoby się numerować: zdjęcia, rysunki, tabelki, wzory.

Administrator
18:41, 02.09.2017 #10

grg0, na szczęście kierunek, w którym płynie prąd i tak jest umowy ;) Co do numerowania rysunków i zdjęć, to aktualnie nie robimy tego celowo. Niestety nie ma możliwości, aby robić to w tej chwili automatycznie (tak jak np. w LaTeX), więc ręczna numeracja z czasem mogłaby wprowadzić tylko więcej zamieszania (np. podczas późniejszej edycji artykułów).

11:59, 03.09.2017 #11

Elvis napisał/a:

Hudyvolt, chodziło mi o napięcie na węźle łączącym diodę i rezystor.

Niby elektrycznie to nie ma znaczenia, jednak przy większych projektach gdzie takich ledów jest więcej to warto przyjąć w projekcie pewną konwencje, czyli Ledy katodami podpinać do masy, bo potem ułatwia to projektowanie PCB, montarz i diagnostykę. ;)

Jestem przekonany żeby lepiej ksztaucić pewne nawyki od samego początku nauki. :)

19:48, 05.09.2017 #12

Elvis napisał/a:

Hudyvolt, chodziło mi o napięcie na węźle łączącym diodę i rezystor.

To fakt, ale mierząc do GND. Na wyprowadzeniach elementów jest to samo napięcie (spadek napięcia) niezależnie od kolejności.

21:00, 10.09.2017 #13

Hudyvolt napisał/a:

Elvis napisał/a:

Hudyvolt, chodziło mi o napięcie na węźle łączącym diodę i rezystor.

To fakt, ale mierząc do GND. Na wyprowadzeniach elementów jest to samo napięcie (spadek napięcia) niezależnie od kolejności.

Z tym pozwolę sobie nie zgodzić, na LED'zie odkłada się stałe napięcie, podobnie jak na diodzie zenera a rezystor ogranicza jedynie prąd płynący w obwodzie, dlatego na rezystorze będzie spadek napięcia zależny od napięcia podanego do obwodu ..., jeśli jeden obwód LED'a będzie podpięty do masy LED'em, a drugi rezystorem to napięcia mierzone względem masy będą różne. Pomiary napięć zwykło się zdejmować względem masy ;)

http://nakarte.fm.interiowo.pl/led/char.gif

21:08, 10.09.2017 #14

Dokładnie to samo napisał Hudyvolt, zależy względem jakiego punktu mierzymy.

Ja natomiast pozwolę sobie nie zgodzić sie z tym, że na diodzie - krzemowej, LED, czy zenera odkłada się stałe napięcie. Zarówno na rezystorze, jak i diodzie będzie spadek zależny od napięcia zasilania.

21:15, 10.09.2017 #15

Elvis napisał/a:

Dokładnie to samo napisał Hudyvolt, zależy względem jakiego punktu mierzymy.

Ja natomiast pozwolę sobie nie zgodzić sie z tym, że na diodzie - krzemowej, LED, czy zenera odkłada się stałe napięcie. Zarówno na rezystorze, jak i diodzie będzie spadek zależny od napięcia zasilania.

Nie w takim stopniu jak na rezystorze, na diodach zenera też występują te odchyłki, ja tylko zachęcam do zachowania pewnej praktycznej konwencji przy projektach i montażach, dzięki której łatwiej w przyszłości diagnozować uszkodzenia. Na schematach do profesjonalnych urządzeń napięcia testowe są podawane względem masy, a nie przy każdym elemencie podawany spadek napięcia. Oczywiście każdy może robić jak chce to jego twórczy bałagan. ;)

18:40, 11.09.2017 #16

Panowie się trochę zagalopowali.

Mowa jest cały czas o stanie ustalonym, czyli stałe napięcie zasilania, ta sama dioda, ten sam rezystor i jedyne co jest rozpatrywane to kolejność diody i rezystora.

Ja nie będę próbował podważać praw Kirchhoffa i Ohma, ale w II prawie Kirchhoffa nie ma nic o kolejności elementów w obwodzie. Chyba, że od czasów gdy byłem w podstawówce coś się zmieniło i kolejność elementów podczas dodawania ma znaczenie :P

Zachowanie konwencji w projekcie to inna sprawa, ale to nie jest temat tego artykułu.

I nie zgodę się co do mierzenia zawsze względem masy. Końcówki woltomierza przykładam tam gdzie chcę zmierzyć napięcie. Kiedy chcę zmierzyć spadek napięcia na diodzie, która jest podłączona "od plusa" to przykładam sondy do wyprowadzeń diody, nie trzymam uparcie jednej na masie, a drugą po kolei mierzę napięcia, a potem w głowie liczę ile jest na diodzie.

Urządzenia testowe to inna sprawa. Tam na etapie projektowania urządzenia, inżynier policzył jakie napięcia (i w jakim przedziale) mają występować w poszczególnych punktach i mierzy się od masy, żeby zaoszczędzić na igłach testowych, przetwornikach ADC itd.

Zobacz wszystkie komentarze (17) na forum »

Dodaj komentarz