Seriekoppling och parallellkoppling: mitt experiment med tre lampor

Jag hade läst formlerna för seriekoppling och parallellkoppling flera gånger utan att det riktigt fastnade, så en kväll kopplade jag helt enkelt upp tre likadana lampor på båda sätten för att se skillnaden med egna ögon. Den var betydligt tydligare än jag väntat mig.

Kort sagt: i en seriekoppling delar komponenterna på spänningen och har samma ström genom sig, medan de i en parallellkoppling delar på strömmen och har samma spänning över sig. Det låter abstrakt tills man faktiskt ser vad det gör med tre lampor kopplade på ett breadboard.

Mitt experiment

Jag använde tre identiska motstånd på 100 ohm vardera som lampor, i stället för riktiga lysdioder. Anledningen är enkel: lysdioder är olinjära komponenter med ett eget spänningsfall, vilket gör räkningen krångligare än den behöver vara för att visa själva principen. Ett vanligt motstånd följer Ohms lag rakt av, så det blir lättare att se vad som faktiskt händer med ström och spänning. Strömkällan var ett 9-voltsbatteri i båda fallen.

Seriekopplingen

När jag kopplade de tre motstånden efter varandra i en enda slinga blev den totala resistansen summan av alla tre, precis som Ugglans Fysik beskriver för seriekoppling:

R_tot = R1 + R2 + R3 = 100 + 100 + 100 = 300 ohm

Strömmen genom hela slingan blev då, enligt Ohms lag:

I = U / R = 9 V / 300 Ω = 0,03 A (30 mA)

Den här strömmen är exakt densamma genom alla tre motstånden, eftersom det bara finns en väg för strömmen att ta. Spänningen, däremot, delas upp. Eftersom alla tre motstånden är lika stora delas 9 volt jämnt i tre delar:

U per motstånd = 9 V / 3 = 3 V

Varje “lampa” fick alltså bara 3 volt och 30 milliampere att jobba med, vilket gav en effekt på P = U × I = 3 × 0,03 = 0,09 watt per lampa.

Parallellkopplingen

Sedan kopplade jag om exakt samma tre motstånd parallellt i stället, alla direkt över batteriets plus och minus. Här räknas den totala resistansen ut annorlunda, enligt formeln för parallellkoppling som bland annat Wikipedia listar:

1 / R_tot = 1/R1 + 1/R2 + 1/R3 = 1/100 + 1/100 + 1/100 = 3/100

R_tot = 100 / 3 ≈ 33,3 ohm

Nu ligger hela batteriets 9 volt över varje enskilt motstånd, eftersom varje gren är direkt kopplad till batteriet. Strömmen genom varje gren blir:

I per gren = U / R = 9 V / 100 Ω = 0,09 A (90 mA)

Och totalt ur batteriet, summan av alla tre grenarna: 0,09 + 0,09 + 0,09 = 0,27 A, vilket också stämmer om jag räknar direkt på den totala resistansen: 9 V / 33,3 Ω ≈ 0,27 A. Effekten per lampa blev nu P = 9 × 0,09 = 0,81 watt, nio gånger mer än i seriekopplingen.

Vad jag faktiskt såg

Skillnaden var långt ifrån subtil, och stämmer med formlerna för serie- och parallellkoppling av resistorer. De seriekopplade lamporna lyste svagt och lite gulaktigt, medan de parallellkopplade lyste klart starkare, precis som räkningen ovan förutsåg. Det gjorde också något annat tydligt för mig: eftersom strömmen ur batteriet var nio gånger högre i parallellkopplingen (0,27 A mot 0,03 A), tömdes batteriet också mycket snabbare i det läget. Effekt och batteritid hänger ihop, och det syns inte förrän man faktiskt räknar på det.

	Seriekoppling	Parallellkoppling
Total resistans	Summan av alla (R1+R2+R3)	Lägre än minsta motståndet
Ström	Samma genom alla komponenter	Delas mellan grenarna
Spänning	Delas mellan komponenterna	Samma över varje gren
Om en komponent går sönder	Hela slingan bryts	Övriga fortsätter fungera

Varför det märks i vardagen

Det här är också förklaringen till varför en gammal julgransslinga ibland slocknar helt när en enda lampa går sönder, om lamporna sitter i serie. Är slingan i stället parallellkopplad fortsätter de andra lamporna lysa som vanligt även om en enstaka lampa dör. De flesta moderna LED-slingor jag sett är faktiskt byggda med flera parallella grupper av seriekopplade lampor, en kombination som begränsar strömmen per grupp men ändå gör att hela slingan inte slocknar av en enda trasig lampa.

Samma logik gäller batterier. Kopplar jag två 1,5-voltsbatterier i serie får jag 3 volt totalt, medan jag kopplar jag dem parallellt i stället stannar spänningen på 1,5 volt men batterierna räcker ungefär dubbelt så länge, eftersom de delar på strömbehovet i stället för att lägga ihop spänningen.

Såväljer jag mellan serie och parallell i mina egna projekt

I praktiken landar valet oftast i vad jag faktiskt vill uppnå. Ska jag begränsa strömmen till en enskild lysdiod räcker det med ett motstånd i serie med dioden, för att strömmen ska vara exakt densamma genom bägge. Ska jag däremot driva flera sensorer från samma spänningskälla, en temperaturgivare och en ljussensor till exempel, kopplar jag dem parallellt, så att varje sensor får hela matningsspänningen oavsett vad de andra gör.

Ett annat exempel från min egen bänk: när jag byggde en liten LED-ramp med åtta lysdioder insåg jag snabbt att jag inte kunde seriekoppla alla åtta rakt av på ett vanligt 9-voltsbatteri. Varje lysdiod behöver typiskt runt 2 volt för att lysa, så åtta i serie hade krävt runt 16 volt bara för att komma över tröskeln, långt mer än batteriet klarade. Lösningen blev att dela upp dem i två parallella grupper om fyra seriekopplade dioder vardera, med ett eget förbehandsmotstånd i varje grupp. Det är exakt samma princip som i LED-slingorna jag nämnde ovan, fast i mindre skala.

Vanliga missförstånd jag hade

Jag trodde länge att parallellkoppling av motstånd på något sätt “adderar” resistansen, ungefär som i serie. Det är precis tvärtom: parallellkoppling sänker alltid den totala resistansen under det minsta enskilda motståndet, eftersom strömmen får fler vägar att ta. Har man redan koll på vad resistans faktiskt är och hur man räknar med ohm blir det lite mer logiskt varför fler vägar ut ger mindre motstånd totalt, ungefär som fler kassakötag i en butik minskar den totala väntetiden.

Jag blandade också ihop vilken storhet som är “samma” i vilken koppling, om och om igen, tills jag bara bestämde mig för en minnesregel: serie delar spänningen, parallell delar strömmen. Fungerar det inte att komma ihåg annat, fungerar den regeln nästan alltid som genväg.

Ett tredje missförstånd var att jag trodde att fler komponenter alltid betyder mer resistans, oavsett koppling. Det stämmer bara i serie. Kopplar jag i stället in ett fjärde motstånd parallellt med de tre andra sjunker den totala resistansen ytterligare, eftersom jag återigen öppnar en ny väg för strömmen. Det kändes bakvänt första gången jag räknade på det, men stämmer varje gång jag testar det på riktigt.

Har du inte redan läst grunderna för hur spänning, ström och resistans hänger ihop har jag gått igenom det med ett konkret räkneexempel i inlägget om Ohms lag.

Nästa gång tänkte jag testa att blanda seriekopplade och parallellkopplade grupper i samma krets, typ som i LED-slingorna, och se om jag faktiskt kan förutsäga resultatet innan jag löder något. Fler experiment från köksbordet finns på Lödpennan.