Способы соединения проводников

Мы поговорим сегодня о соединение проводников. В эту систему у нас будет входить параллельное соединение проводников, последовательное соединение проводников, смешанное соединение.

Важнейшее качество, которого добиваются при соединении проводников электропроводки, — это постоянство  свойств соединения в течение достаточно долго го периода времени (десятки  лет).

Соединение  и  ответвление  проводников  электропроводки  выполняется  сваркой,  опрессовкой,  колпачками, сжимами (клипсами) или  винтовыми  клеммными  зажимами  в ответвительных  коробках.  В  любом  случае  все  соединения должны быть доступны.

Сварка  медных  проводников  производится  угольным  или графитовым  электродом  с  обязательным  использованием  специального тепло отводящего зажима, чтобы избежать обгорания изоляции проводников. Зажим имеет две толстые медные губки для отвода тепла и подвода сварочного тока и мощную пружину,  которая  позволяет  губкам  плотно  обжимать  скрученные провода.

Проводники  зачищают на 30...50 мм, складывают зачищенными  концами в одну  сторону и скручивают. Скрутка  должна иметь  как минимум  пять витков. Скрученные  проводники  обкусывают  кусачками  до  нужной  длины,  и  потом  на  середину скрученной  части  крепят  теплоотводящий  зажим,  к  которому подключён один вывод сварочного аппарата.

Действуя угольным электродом,  подключённым к  другому выводу  сварочного  аппарата,  расплавляют  концы  скрученных проводов,  образуя  при  этом  аккуратный  шарик  из  расплавленного  металла. 

Процесс  сварки  стараются  вести  как  можно быстрее,  чтобы ограничить количество теплоты, передаваемое свариваемым  проводникам. После  остывания места  сварки  зажим снимают и изолируют оголённые концы, например, отрезком термоусаживаемой трубки.

Для сварки проводников предпочтительнее использовать любой портативный сварочный аппарат постоянного тока. Сварка ведётся на прямой полярности на электроде «минус»). Ток не более 80 А. Специально продаются угольные и графитовые электроды любых диаметров.

Хотя есть сведения, что неплохие результаты можно получить на переменном  токе,  используя  обычный  трансформатор мощностью  примерно 600 Вт  и напряжением  холостого хода  на  выходной  обмотке 9... 12 В. 

Работы  необходимо  производить  в сварочной  маске  и  рукавицах.  Соединение  получается  максимально надёжным, прочным  и дешёвым, но  сам способ  достаточно хлопотный и пока не очень у нас распространённый.

Необходимо заметить, что проводники сваривают,  скручивая вместе по два, по три или по четыре, причем чем толще проводники, тем  меньше их должно быть в скрутке. 

Удобно фиксировать сваренные проводники в стандартных клеммных колодках,  не  изолируя  их  термоусаживаемой  трубкой,  а  просто вставляя их в колодку с одной стороны, что, правда, несколько удорожает  монтаж. 

Зато  монтаж  становится  надёжным  и  наглядным, а  клеммные колодки можно  применять  самые  дешёвые, т. к. они используются только для фиксации проводников.

Очень технологично и быстро, но менее надёжно и заметно

дороже, чем сварка, соединение двух проводников с помощью специальных  опрессовываемых  изолированных  соединительных гильз.

Для  исполнения  ответвлений  от  магистрали  очень  популярны,  но  достаточно  дороги  ответвительные  сжимы  типа Werit, Scotchlok или Wago.

Соединители Scotchlok с  врезным  контактом  не  требуют зачистки  проводов  и  великолепно  справляются  с  функцией ответвителя. 

Соединение  очень  быстро  выполняется  и  получается уже изолированным. Со временем  качество соединения даже возрастает.

Единственное требование — точно выбирать тип  соединителя  в  зависимости  от  сечения  соединяемых проводников.  Из  таблицы  видно,  что  для  силовых  ветвей домашней  электросети  лучше  применять  соединитель 534, а для  осветительных  ветвей — соединитель 560. На  рисунке показано  использование  довольно  редкого  соединителя Scotchlok 567.

Для  соединения  проводников  также  широко  используют изолированные  соединительные  заглушки,  или  колпачки, которые  просто навинчивают рукой на скрученные оголённые концы  проводов.  Надо  заметить,  что  колпачки  надёжно  фиксируют  только  многопроволочные  провода.  Для  однопроволочных нужно очень точно подбирать колпачок по суммарному диаметру  соединяемых проводников,  что достаточно  сложно, поэтому  для  них  лучше  использовать  другие  способы  соеди-

нения. На рисунке показаны: слева в разрезе — один из самых лучших видов  колпачков из  серии Performance Plus справа — отечественные колпачки типа КИЗ.

На  практике  в  качестве  основного  способа  соединений проводников  друг  с  другом  чаще  всего  используются различные  виды  винтовых  соединительных  колодок  и  клемм.  Причём  для  более  надёжного  соединения  стараются,  чтобы каждый проводник проходил через всю колодку и попадал под оба крепёжных винта.

К  сожалению,   соединения   в   винтовых  соединительных колодках  требуется  через  определённые  промежутки  времени протягивать,  т.  е.  дожимать  ослабевающие  винты.  Это  очень большой  недостаток  подобных  соединений. 

Значительно надёжнее  клеммные колодки с квадратной шайбой, под винты которых  можно  подкладывать  пружинные  шайбы,  постоянно поджимающие винтовое соединение. Но такие колодки гораздо дороже  винтовых,  имеют  большие  габариты  и  реже встречаются.

Категорически  не  рекомендуется  использовать  скрутку  в чистом виде, т.  е. без клеммных колодок, т.  к. этот вид  соединения  из-за  ухудшения  контакта  со  временем  может  начать греться и вызвать возгорание.

Не  рекомендуется  использовать  пайку.  Паять  медь  без флюса  практически  невозможно,  но  любой  флюс ( даже канифоль) при  нагревании  разрушается,  при  этом  образуются активные  химические  соединения ( они,  собственно,  и выполняют  функцию  флюса),  которые  вызывают  усиленную коррозию  проводника.  Контакт  из-за  коррозии  может ухудшиться,  а  соединение  начать  греться  со  всеми вытекающими последствиями, которые  могут выявиться через много  лет. 

Удалить  остатки  флюса  в  реальных  условиях монтажа  возможно,  но  технически сложно.  К тому  же  паяные соединения  очень  плохо  переносят  отрицательные  температуры. При соединении под винт рекомендуется использовать различные  виды  наконечников  типа « штырь», «вилка»  или «ушко», которые опрессовываются на концах проводов.

Для  опрессовки  наконечников  и  соединительных  гильз следует  использовать  только  специальные  пресс-клещи,  или кримпер.  На  рисунке  показан  один  из  лучших универсальных кримперов PressMaster™, который позволяет обжимать кабели сечением 0.75...6.0 мм.

Профили обжима могут быть разными и  определяются  сменными  матрицами.  Для обжима наконечников  на  проводниках,  в  зависимости  от  конкретного вида  наконечника,  рекомендуются  овальный  двухконтурный, лепестковый двухконтурный и клиновидный профили.

Принципиальные схемы соединения проводников

Можно выделить всего два основных метода соединения проводников, а именно параллельное и последовательное соединение. Допускаются также различные комбинации параллельного и последовательного соединения. Как правило, такие комбинации характеризуют никак иначе как смешанное соединение проводников. В данном разделе мы изучим свойства и доступные варианты этих соединений, но прежде нужно ознакомиться с соответствующей вводной информацией.Проводник, который обладает сопротивлением и маркируется латинской буквой R принято называть резистором. Схематическое изображение резистора представлено ниже на рис. 1.

Рис. 1. Резистор
Напряжение на резисторе являет собой некую разность потенциалов. Как правило, речь идет о стационарном электрическом поле, которое образуется между концами резисторов.  Не редко  в ходе практического изучения возникает ряд сложностей.

Многие студенты очень часто затрудняются с ответом на, казалось бы, предельно простой вопрос: «Между какими концами резистора возникает магнитное поле и впоследствии напряжение?».  Но как выяснилось, ответ на поставленный вопрос является не столь важным.

Ведь напряжение в итоге можно согласовать, а точнее согласовать разность потенциалов тока и   напряжения.
Известно, что ток в цепи протекает от «плюса» указанного источника к его «минусу». Если придерживаться именно этой схемы, то нужно учесть то, что в данном направлении потенциал стационарного поля непременно будет убывать.

Рассмотрим более подробно этот процесс и попытаемся выяснить, почему все происходит именно так.
Предположим, что положительный заряд (мнимый заряд q) способен перемещаться из точки a, в указанную точку b по цепи. Преодолевая этот путь, он проходит через резистор R (данная схема представлена на рис. 2.).


Рис. 2.  U = a  b
В ходе ране описанного движения так называемое стационарное поле способно совершать «положительную» работу A = q (a  b). Так как q > 0 и A > 0, то и a  b > 0, т. е. a > b.
В итоге напряжение на указанном резисторе можно будет вычислить очень быстро и легко, так как изначально мы рассматриваем его как некую разность потенциалов. Единственное, на что стоит обратить внимание в процессе расчетов – это на направление тока: U = a  b.

В свою очередь сопротивление подведенных проводов должно быть пренебрежимо малым, поэтому фактически на всех электрических схемах его значение принимают равным минимальной отметке (нулю). В подобной ситуации в качестве электротехнического обоснования используют закон Ома, который гласит о том, что потенциал не способен изменятся вдоль провода, а это значит, что: a  b = IR и R = 0, то a = b (рис. 3):Данную схему легко объяснить с помощью рис. 3., который представлен ниже.


Рис. 3. U = a  b
Опираясь на ранее приведенные данные, можно сделать только один логический вывод. В процессе рассмотрения любой электрической цепи нужно прибегать к некой идеализации. Так как именно этот метод позволит существенно упростить процесс их последующего изучения.

Поэтому потенциал так называемого стационарного поля  способен изменятся только в случае перехода через отдельный элемент цепи. Но если речь идет о продольном переходе соединительного привода, тогда стационарное поле останется неизменным.Если говорить исключительно о реальных цепях, то в них потенциал будет непрерывно и монотонно убывать, в зависимости от продвижения положительной клеммы самого источника.

Свойства и основные правила последовательного соединения

Последовательное соединение проводников изначально подразумевает под собой определенную схему (конструкцию)  соединения. А именно то, что конец каждого из соединенных между собой проводников будет последовательно соединяться с каждым последующим (с началом каждого последовательно идущего за ним проводника).Рассмотрим схему, состоящую из двух последовательно включенных  резисторов   и соответственно  , которые в итоге подсоединяются к источнику постоянного напряжения. Схема данного соединения приведена на рис. 4., который расположен ниже по тексту.


Рис. 4. Последовательное соединение
Глядя на схематическое изображение не сложно отличить положительную клемму источника от отрицательной клеммы, так как она обозначается длинной чертой. Направление протекания тока в цепи  указано стрелкой, исходя из чего, можно сказать о том, что ток в этой схеме протекает  исключительно по часовой стрелке.

Если с элементарными подключениями и направлением протекания  тока в цепи более или менее что-то ясно, то со свойствами последовательного соединения пока не так просто разобраться. Для того чтобы облегчить поставленную задачу, нужно сформулировать основные определения свойств последовательного соединения. Пожалуй, более наглядным примером будет следующая иллюстрация:

1. Сила тока в проводниках будет одинаковой только в том случае,  когда они между собой будут соединены последовательно. Ведь на самом деле через любое (даже самое незначительное) поперечное сечение проводника в течение одной секунды сможет пройти один и тот же заряд. А все потому, что сами по себе заряды, нигде не накапливаются. Соответственно они не способны уйти наружу  из цепи, ровным счетом, как и поступить в цепь извне. 
2. Напряжение на отдельно взятом участке, который состоит из соединенных последовательно проводников можно приравнять к сумме напряжений, которые были сняты на каждом проводнике в отдельности. А это значит, что действующее напряжение,   снятое на участке ab можно условно охарактеризовать как некую работу поля, которая способствует переносу заряда с единичным коэффициентом из точки b, в указанную точку с.  U = Uab + Ubc.

Можно и более формально, без всяких словесных объяснений: U = Uac = a  c = (a  b) + (b  c) = Uab + Ubc.
3. В процессе суммирования произведенной работы можно получить наиболее оптимальный результат.

При этом работа электрического поля, которая будет произведена исключительно для переноса единичного заряда из указанной точки a, в конечную точку с. Другими словами напряжение на всем участке поля можно будет описать с помощью следующего равенства.

В ходе основного расчета нужно обязательно учесть то, что  сопротивление на участке состоит из последовательно соединенных друг с другом проводников, а значит равно суммарному выражению сопротивления каждого из проводников.
Предположим, что  R – это сопротивление на участке ас, тогда по закону Ома результирующую формулу можно описать следующим образом:

Что, собственно говоря, и требовалось доказать.Все ранее описанное можно интуитивно объяснить, причем объяснение в данном случае будет предельно точным. Ведь данное правило сложения сопротивлений  описывается следующим примером.

Предположим, что два проводника между собой последовательно соединены, при этом имею абсолютно идентичную площадь поперечного сечения, далее именуемую как S. Кроме этого они изготовлены из одного и того же вещества, а также имеют  одинаковую длину   и  . В таком случае сопротивления проводников можно будет описать с помощью следующих равенств:

В итоге проводники способны будут образовать единый (общий) проводник. Его длину можно будет вычислить как некую сумму  , а сопротивление соответственно с помощью следующей формулы.


Следует обратить внимание на то, что данное равенство являет собой лишь частный пример. В то время как в общем случае сопротивления будут складываться, только при одном условии, а именно при наличии различных по типу веществ, проводников, и соответственно их поперечных сечений. Это суждение не сложно теоретически обосновать, а также доказать его на практике.

Сделать это можно с помощью закона Ома (пример представлен выше).Не менее важно обратить внимание еще на то, что все ранее описанные доказательства  и свойства последовательного соединения изначально были представлены только для двух проводников.

А это значит, что без существенных изменений, при необходимости они могут быть применятся к другим (аналогичным)  случаям, только с большим количеством проводников в первичной схеме.

Свойства и основные правила параллельного соединения

Когда речь идет о параллельном соединении проводников, то не сложно догадаться, что в принципиальной электрической схеме их начальные точки будут присоединяться к одному и тому же участку цепи.Ниже, на рис. 5. представлены два резистора, которые включены в схему параллельно.


Рис. 5. Параллельное соединение
Глядя на схематическое изображение, мы можем увидеть, что резисторы подключены к двум точкам, а именно к точке а, и соответственно к точке  b. Далее в тексте определение «точки» мы изменим, на иное более подходящее для данного случая определение «узлы» или же «точки разветвления основной цепи». Что касается параллельных участков, то их также принято называть ветвями. Итак, на схеме рис. 5., представлена неразветвленная часть цепи, которая расположена на участке от узла b к узлу а (так как любая схема читается по направлению тока).

Исходя из всего ранее описанного, а, также опираясь на электрическую принципиальную схему рис.5., попытаемся сформулировать свойства параллельного соединения, и доказать их. Сделаем мы это, конечно же, на примере схемы двух параллельно соединенных резисторов:

1.  Напряжение на каждой из ветвей данной схемы является одинаковым, а это значит, что суммарно оно равно  напряжению на так называемой неразветвленной части цепи. На самом деле напряжение  , как в принципе и   равны разности потенциалов на резисторах  и  , между основными точками их подключения:
   Этот факт можно считать наиболее очевидным проявлением, так как потенциальность стационарного электрического поля и движущихся зарядов давно уже теоретически обоснована.  U1 = U2 = a  b = U
2.  Сила тока на участке неразветвленной части цепи суммарно равна силе тока в каждой ветке. Предположим, что в точку, а за определенное время t может поступить из неразветвленного участка заряд q. Примерно за это же время из точки а, к первому резистору   подойдет заряд  , и соответственно ко второму резистору    подойдет второй заряд  . Не сложно догадаться, что суммарный заряд  можно будет описать с помощью следующего выражения  . Иначе в первой точке (речь идет о точке а) непрерывно накапливался заряд, что в итоге привело бы к крайне нежелательным последствиям, а именно к изменению потенциала самой точки. Более того, этот процесс был бы неизбежным, так как в цепи протекает постоянный ток, а заряды при этом являются стационарными. Поэтому потенциал каждой из точек не мог бы самостоятельно меняться во времени. Тогда выражение, определяющее величину тока можно описать с помощью следующего равенства.  Что, собственно говоря, и требовалось доказать.     
3.  Величина, которую принято считать обратной сопротивлению участка параллельного соединения, непременно будет равна сумме обобщенных величин, или же так называемым обратным сопротивлениям ветвей. Предположим, что  R – это сопротивление на участке между точками а и b. Тогда напряжение на указанном участке мы обозначим как U, а ток, текущий через эти точки, обозначим как I, и опишем его значение в виде следующей формулы.
4.  После того как мы сократим, ранее приведенное равенство  на U, получим в итоге результирующее выражение:После проведенных действий вполне закономерным покажется вопрос: «Как в случае с последовательным соединением, можно будет дать теоретическое обоснование данному правилу?». На самом деле лучше всего это сделать на частном примере (не обращаясь за помощью к закону Ома).
   Предположим, что параллельно были соединены проводники, изготовленные из одного и того же вещества, которые при  всем этом  имеют еще совершенно одинаковую длину  . Единственное, что разное в них – это поперечное сечение, которое в данном примере легче всего описать. 

В таком случае, указанное соединение легче всего рассматривать как проводник аналогичной длины  .
Приведенные выше доказательства и теоретические обоснования свойств   параллельного соединения без каких-либо существенных и заметных изменений можно будет перенести на любой другой аналогичный случай (с любым количеством проводников).

Так, с помощью ранее представленного соотношения (1) можно вычислить конечное значение R.
Единственный нюанс, на который нужно обратить особое внимание – это то, что, к сожалению, в процессе рассмотрения общего случая,  при большом количестве параллельно соединенных проводников получить компактный аналог формулы (2) не удастся.

Поэтому придется довольствоваться следующим соотношением:Тем не менее, полезные выводы из формулы (3)  сделать все-таки можно. Так, путь сопротивления всех   резисторов, в принципе, как и их общая  величина,   будут равны номиналу.

Глядя на эти формулы не сложно определить, что сопротивления участков, состоящие из так называемых   параллельно соединенных (абсолютно одинаковых) проводников, в итоге окажутся в   раз меньшереального сопротивления одного проводника. 

Свойства и основные правила смешанного соединения

Когда речь заходит о смешанном соединении, то, судя по одному только названию не сложно догадаться, что  электрическая принципиальная схема данного соединения состоит из некой совокупности параллельно и последовательно включенных проводников (допускаются абсолютно любые комбинации).

Единственным нюансом является то, что в состав данных соединений входят как отдельные резисторы, так и более сложные комбинации (составные участки).

При расчете смешанного соединения следует опираться на ранее изученные свойства параллельного и последовательного соединения, так как, что-то новое придумать вряд ли удастся. Перед расчетом всех необходимых составляющих нужно очень аккуратно и грамотно расчленить исходную схему на менее сложные участки, так, чтобы в итоге образовались отдельные последовательные и параллельные соединения.

А теперь более подробно рассмотрим пример так называемого смешанного   соединения  проводников, и сделаем мы это на примере данной электрической принципиальной схемы.


Рис. 6.Предположим, что U = 14 В, R1 = 2 Ом, R2 = 3 Ом, R3 = 3 Ом, R4 = 5 Ом, R5 = 2 Ом.С помощью этих формул не сложно будет определить ток, который протекает в электрической цепи и соответственно через каждый из ранее представленных резисторов.

При этом не стоит забывать о том, что нашей первоначальной целью является расчет всей элементной базы. А если учесть то, что данная цепь состоит сразу из  двух последовательно соединенных друг с другом участков bс и аb, то сопротивление на участке аb можно будут описать следующим образом:

Кроме этого, участок  bс, сам по себе является в данной схеме параллельным соединением, так как состоит из двух последовательно включенных резисторов, а именно резистора    и  . Они в свою очередь параллельно подключены к пятому резистору  . Опираясь на ранее описанные правила и свойства сопротивление на участке цепи аb можно описать с помощью следующей формулы.Соответственно результирующее сопротивление цепи будет представлено в виде следующего выражения:

После произведенных расчетов не сложно определить силу тока, которая определяется с помощью следующего равенства:Для того чтобы вычислить ток в цепи, и непосредственно в каждом резисторе производим расчет сразу на обоих участках:В процессе расчетов следует обратить особое внимание на то, что в итоге сумма всех указанных напряжений должна быть равной 14 В.

Или же соответствовать общему напряжению в цеп (исходя из правила предусмотренного для последовательного соединения).
Предположим, что в момент напряжения резистор   , точно также как и резистор  , на участке аb находится под напряжением  , поэтому справедливыми будут следующие выражения:А это значит, что   и   в сумме дают нам 5 А, (так как в принципе и должно быть при параллельном соединении).

Результирующая сила тока, которая проходит через резисторы   и   в итоге окажется одинаковой, из-за того, что резисторы между собой соединены последовательно. Для большей наглядности данного примера приведем следующую формулу:Стало быть, в электрической цепи, через последний, пятый резистор    протекает ток   А.