Schakelingen

Les 1: Lading en spanning

De lesstof:

Voorwerpen opladen  

Als je met een wollen doek over een pvc-buis wrijft, zie je dat de buis daarna papieren snippers aantrekt. Ook een dunne waterstraal kan door de buis worden aangetrokken. We zeggen dat de pvc-buis door het wrijven elektrisch geladen of statisch is geworden.

Je merkt op verschillende manieren dat een voorwerp geladen is:

• Het trekt andere voorwerpen aan. Denk bijvoorbeeld aan stof dat zich snel ophoopt op het voorwerp.

• Er kunnen kleine vonkjes overspringen naar andere voorwerpen. Dit kun je soms horen (een zacht geknetter), zien, of zelfs voelen.

Waterdamp  

Een geladen voorwerp verliest zijn lading meestal snel. Hoe meer waterdamp er in de lucht zit, hoe sneller het voorwerp zijn lading kwijtraakt. Daarom werken proeven met geladen voorwerpen beter als de lucht droog is. Bijvoorbeeld, als het buiten vriest en de verwarming hoog staat, zijn de omstandigheden perfect. In vochtige lucht gaat de lading te snel weg.

Lading 

Als je met een zijden doek over een perspex staaf wrijft, raakt de staaf geladen. Hetzelfde gebeurt met een pvc-buis als je er met een wollen doek overheen wrijft. Maar er is een verschil: twee geladen perspex staven stoten elkaar af, net als twee pvc-buizen. Maar een geladen perspex staaf en een geladen pvc-buis trekken elkaar juist aan.

Als je proeven doet met verschillende materialen, ontdek je dat er twee soorten lading bestaan. Voorwerpen met dezelfde lading stoten elkaar af, terwijl voorwerpen met verschillende lading elkaar aantrekken.

Positieve en negatieve lading  

De ene soort lading noemen we positief of plus, de andere soort negatief of min. Een perspex staaf die met een zijden doek is gewreven, krijgt een positieve lading. Een pvc-buis die met een wollen doek is gewreven, krijgt een negatieve lading. Plus en plus stoten elkaar af, net als min en min, maar plus en min trekken elkaar aan.

Elektronen  

Een voorwerp dat niet geladen is, heeft evenveel positieve als negatieve lading. Zo’n voorwerp noemen we neutraal, omdat je geen lading merkt. Als je met een doek over een voorwerp wrijft, springen er kleine, negatief geladen deeltjes over. Deze deeltjes heten elektronen. Ze kunnen van de doek naar het voorwerp springen, of andersom. Positieve deeltjes blijven op hun plek en bewegen niet.

Positief en negatief

Als elektronen van de doek naar het voorwerp springen, krijgt het voorwerp meer negatieve lading en wordt het negatief geladen. De doek verliest elektronen en krijgt daardoor een positieve lading. Als de elektronen van het voorwerp naar de doek gaan, gebeurt het omgekeerde: dan wordt het voorwerp positief geladen en de doek negatief.

Spanning 

De stroom van A naar B duurt maar kort, omdat de spanning tussen A en B snel verdwijnt. Beide voorwerpen hebben dan dezelfde lading. Een geladen voorwerp kan ook zijn lading verliezen door een vonk die naar iets of iemand overspringt. Dit gebeurt heel snel, in een fractie van een seconde.

Als er veel spanning is tussen een geladen voorwerp en de omgeving, kunnen er vonken overspringen. Bijvoorbeeld, de buitenkant van een auto kan tijdens het rijden wel 3000 volt spanning krijgen. Als je dan uitstapt en de auto aanraakt, voel je een schok. Deze schok is niet gevaarlijk, omdat de stroom die door je lichaam gaat heel klein en kort is.

Een batterij of accu zorgt ervoor dat er lange tijd stroom kan lopen, omdat deze spanning blijft leveren. Daarom gebruiken we in het dagelijks leven geen voorwerpen die door wrijving geladen zijn, maar batterijen, accu’s of dynamo’s.

Les 2: Weerstand

De lesstof:

De weerstand bepalen 

Als je verschillende draden test, zie je dat er grote verschillen zijn. Bij sommige draden heb je een hoge spanning nodig om een kleine stroom door de draad te laten lopen. Zo’n draad heeft een grote weerstand, wat betekent dat stroom er moeilijk doorheen gaat. Andere draden hebben juist een lage spanning nodig om een grote stroom te laten lopen. Zo’n draad heeft een kleine weerstand: stroom gaat er makkelijk doorheen.

De weerstand van een onderdeel kun je meten door te kijken naar de spanning (hoeveelheid energie) over het onderdeel en de stroomsterkte (hoeveelheid stroom) door het onderdeel. De weerstand is gelijk aan de spanning gedeeld door de stroomsterkte. Dit kun je met de formule uitrekenen:

R = U / I

Waarbij:

• R de weerstand is, in ohm (Ω);

• U de spanning is, in volt (V);

• I de stroomsterkte is, in ampère (A).

De wet van Ohm 

De wet van Ohm zegt dat als de spanning 2 keer zo groot wordt, de stroomsterkte ook 2 keer zo groot wordt. Als de spanning 3 keer zo groot wordt, gebeurt dat ook met de stroomsterkte, enzovoort. 

Met andere woorden: de spanning en stroomsterkte zijn recht evenredig. Dit betekent dat als je de spanning deelt door de stroomsterkte, je altijd hetzelfde getal krijgt. Dit is de wet van Ohm.

De wet van Ohm en een gloeilampje  

Bij een gloeilampje werkt de wet van Ohm niet altijd. Als je meet hoeveel stroom er door het lampje gaat bij verschillende spanningen, zie je dat de stroom minder snel toeneemt dan de spanning. Dit komt door de hoge temperatuur van de gloeidraad in het lampje.

Weerstand en temperatuur  

Als de spanning over de gloeidraad groter wordt, gaat het lampje feller branden en wordt de gloeidraad heel heet, tot wel 2500 °C. Bij die temperatuur wordt de weerstand van de gloeidraad groter, waardoor er minder stroom doorheen gaat. Dit geldt voor de meeste draden: als ze heet worden, stijgt hun weerstand. Een uitzondering is constantaan, een soort draad waarvan de weerstand hetzelfde blijft, ook als het heet wordt.

In veel gevallen kun je er echter vanuit gaan dat de weerstand van een draad constant blijft, zolang de temperatuur niet te veel stijgt. In de praktijk gebeurt dat meestal niet.

NTC en LDR 

Sommige onderdelen in schakelingen hebben een veranderlijke weerstand. Voorbeelden hiervan zijn de NTC (negatieve temperatuurcoëfficiënt) en de LDR (lichtgevoelige weerstand).

• Een NTC reageert op temperatuurveranderingen. Als de temperatuur stijgt, wordt de weerstand van de NTC lager, waardoor er meer stroom doorheen kan. 

• Een LDR reageert op licht. Als er meer licht op de LDR valt, daalt de weerstand en kan er meer stroom doorheen.

Deze onderdelen worden veel gebruikt in automatische schakelingen. De NTC wordt gebruikt als temperatuursensor en de LDR als lichtsensor.

Les 3: Werken met weerstanden

De lesstof:

De weerstand vergroten 

Je kunt niet zomaar een lampje aansluiten op een batterij van 9 volt, want de weerstand van het lampje is te klein voor deze spanning. Als je het lampje toch direct aansluit, wordt de stroom te groot en kan het lampje kapotgaan.

Als je toch een 9V-batterij wilt gebruiken, bijvoorbeeld omdat je geen andere batterij hebt, kun je de totale weerstand in de stroomkring groter maken. Hiervoor gebruik je een schakelonderdeel dat de stroom tegenhoudt. Dit onderdeel heet een weerstand.

Als je een geschikte weerstand hebt, sluit je die in serie aan met het lampje. Hierdoor wordt de totale weerstand groter en de stroomsterkte kleiner, zodat het lampje niet doorbrandt.

Weerstanden in serie  

Als je meerdere weerstanden in serie schakelt, neemt de totale weerstand steeds verder toe. Bij een constante spanning zal de stroomsterkte steeds kleiner worden. De totale weerstand kun je berekenen door alle weerstanden bij elkaar op te tellen:

Rtot = R1 + R2 + R3 + ...

Waarbij:

Rtot de totale weerstand is, in ohm (Ω);

R1, R2, R3 de weerstanden zijn van de afzonderlijke onderdelen, in ohm (Ω).

De totale weerstand  

Je kunt de losse weerstanden vervangen door één enkele weerstand met dezelfde waarde als de totale weerstand. Dit heet de vervangingsweerstand. Voor de rest van de schakeling maakt het geen verschil.

Stroomsterkte en spanning in een serieschakeling

In een serieschakeling is de stroomsterkte overal even groot, omdat er geen vertakkingen zijn. De spanning verdeelt zich over de verschillende onderdelen in de schakeling. Als je bijvoorbeeld twee identieke lampjes in serie aansluit op een batterij van 9 volt, krijgt elk lampje 4,5 volt: elk lampje krijgt de helft van de totale spanning.

Als de lampjes een verschillende weerstand hebben, wordt de spanning niet precies gelijk verdeeld. De spanning over elk lampje kun je berekenen met de formule:

U1 = I ∙ R1 en U2 = I ∙ R2

De totale spanning is altijd de som van de spanningen over de afzonderlijke onderdelen:

Utot = U1 + U2

Waarbij:

Utot de totale spanning is, in volt (V);

U1 en U2 de spanningen zijn over de onderdelen, in volt (V).

Voorbeeld: een ledlampje 

In veel schakelingen worden weerstanden gebruikt om onderdelen zoals een ledlampje op de juiste spanning te laten werken. Als de spanning van de batterij te hoog is voor het lampje, wordt er een weerstand in serie geplaatst. Hierdoor valt een deel van de spanning over de weerstand, en de rest gaat naar het lampje, zodat het precies de juiste spanning krijgt om goed te branden.

Weerstanden parallel  

Als je meer weerstanden parallel aansluit, wordt de totale weerstand van de schakeling juist kleiner, in plaats van groter zoals bij een serieschakeling. Omdat er meer vertakkingen zijn, kan de stroom gemakkelijker door de schakeling lopen. Als de spanning hetzelfde blijft, wordt de stroomsterkte steeds groter.

Je kunt niet zomaar onbeperkt schakelonderdelen parallel aansluiten, omdat de leidingen dan overbelast kunnen raken. Daarom worden elektrische installaties, zoals die in je huis, verdeeld in groepen met een beperkt aantal schakelonderdelen. Dit geldt ook voor de verlichting tijdens een groot concert.

De totale weerstand van een parallelschakeling berekenen  

De totale weerstand (Rtot) van een parallelschakeling kun je berekenen met de formule:

1/Rtot = 1/R1 + 1/R2 + ...

Waarbij:

• Rtot de totale weerstand is, in ohm (Ω);

• R1, R2 de weerstanden zijn van de afzonderlijke onderdelen, in ohm (Ω).

De totale weerstand en afzonderlijke weerstanden is altijd kleiner

Uit deze formule blijkt dat de totale weerstand (Rtot) altijd kleiner is dan de kleinste van de afzonderlijke weerstanden (zoals R1 of R2).

Stroomsterkte en spanning in een parallelschakeling

In een parallelschakeling is elk onderdeel direct aangesloten op de spanningsbron. Daarom staat de volledige spanning (U) over elk onderdeel. De stroom verdeelt zich over de verschillende vertakkingen. De totale stroomsterkte (Itot) kun je berekenen met de formule:

Itot = I1 + I2 + I3 + ...

Waarbij:

• Itot de totale stroomsterkte is in ampère (A);

• I1, I2, I3 de stroomsterkte is door de eerste, tweede en derde vertakking, in ampère (A).

Overbelasting 

In het deel van de schakeling zonder vertakkingen kan overbelasting optreden als er te veel schakelonderdelen tegelijk worden aangesloten.

Les 4: Automatische schakelingen

De lesstof:

Sensor - schakelaar - actuator

Veel mensen hebben een buitenlamp die vanzelf aan- en uitgaat. Zo’n lamp werkt met een automatische schakeling die uit drie onderdelen bestaat: een sensor, een schakelaar en een actuator.

• De sensor meet de omgeving en stuurt die informatie naar de schakelaar. Bijvoorbeeld, de sensor kan meten of het donker is of dat er iemand langsloopt.

• De schakelaar beslist op basis van de informatie van de sensor of de stroom aan of uit moet.

• De actuator zorgt ervoor dat er iets gebeurt, zoals het aanzetten van de lamp.

Sensoren

In sommige buitenlampen zit een sensor die meet hoeveel licht er is. Als het donker wordt, schakelt de lamp automatisch in. Andere lampen hebben een sensor die beweging detecteert, bijvoorbeeld van mensen of dieren, en gaan aan als er iemand voorbijloopt.

De transistor

In veel automatische schakelingen wordt de actuator (zoals een lamp) aan- of uitgezet door een **transistor**. Een transistor werkt als een schakelaar en heeft drie aansluitpunten:

• collector (C)

• basis (B)

• emitter (E)

Hoe een transistor werkt

Een transistor werkt een beetje zoals een slagboom die verkeer doorlaat of tegenhoudt. In de AAN-stand laat de transistor stroom door, en in de UIT-stand houdt hij de stroom tegen.

• De transistor staat AANals er een kleine stroom van B naar E loopt. Dan kan er een grotere stroom van C naar E stromen.

• De transistor staat UIT als er geen stroom of heel weinig stroom van B naar E loopt. Dan kan er geen stroom van C naar E stromen.

Transistors en weerstanden  

Je gebruikt een kleine stroom (van B naar E) om een grotere stroom (van C naar E) in- of uit te schakelen. Transistors kunnen kapotgaan als er te veel stroom doorheen gaat, dus worden er vaak weerstanden toegevoegd om de stroom te beperken.

Een inbraakalarm 

Stel je een inbraakalarm voor met een draad op een raam. In de normale situatie loopt bijna alle stroom via de draad terug naar de batterij, en de transistor blijft UIT. De alarmzoemer blijft uit.

Als iemand de ruit kapotmaakt, gaat de stroom via de transistorbasis, waardoor de transistor AAN gaat. Nu gaat er een grote stroom van C naar E en de alarmzoemer gaat aan.

De automatische straatlantaarn 

Je kunt ook een automatische straatlantaarn maken met een transistor. In plaats van een draad op een ruit, gebruik je een LDR (lichtgevoelige weerstand) en in plaats van een zoemer een lamp.

• Als het licht is, is de weerstand van de LDR laag en blijft de transistor UIT. De lamp brandt niet.

• Als het donker wordt, gaat er meer stroom door de transistor en uiteindelijk gaat de lamp aan als het helemaal donker is.