Schakelingen

Les 1 : Weerstanden

De lesstof:

Verschillen in weerstand

Schakelingen bestaan uit onderdelen met verschillende eigenschappen. De snoeren die de onderdelen verbinden, hebben een heel kleine weerstand. Hierdoor kan de stroom er bijna zonder moeite doorheen. Onderdelen zoals lampjes, motortjes en zoemers hebben juist een veel grotere weerstand. Hierdoor stroomt de elektriciteit minder gemakkelijk.

Stel dat je een lampje met twee snoeren aansluit op een spanningsbron. De totale weerstand in de schakeling wordt vooral bepaald door het lampje. De weerstand van de snoeren is zo klein dat je die kunt negeren. De stroomsterkte in de schakeling hangt daarom af van twee dingen: de spanning van de spanningsbron en de weerstand van het lampje.

Als het lampje is aangesloten op een spanning van 6,0 volt, werkt het optimaal. Het lampje geeft helder licht zonder te heet te worden. Een hogere spanning kan het lampje feller laten branden, maar het gaat dan sneller kapot.

De weerstand groter maken

Een lampje dat geschikt is voor 6 volt kun je niet zomaar aansluiten op een batterij van 9 volt. De weerstand van het lampje is te klein voor die hogere spanning. Hierdoor wordt de stroomsterkte te groot en brandt het lampje door.

Wil je toch een batterij van 9 volt gebruiken, dan moet je de totale weerstand van de schakeling verhogen. Dit kan door een extra weerstand in de schakeling te plaatsen. Zo'n extra weerstand wordt eenvoudigweg een ‘weerstand’ genoemd.

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

De weerstand berekenen

Om de weerstand te berekenen, meet je de spanning over de weerstand met een spanningsmeter die parallel is aangesloten. De stroomsterkte meet je met een stroommeter die in serie is geplaatst. Met deze metingen kun je de weerstand berekenen met de formule:

Weerstand = Spanning : Stroomsterkte

In symbolen:

R = U / I

Hierbij is:

• R de weerstand in ohm (Ω);

• U de spanning in volt (V);

• I de stroomsterkte in ampère (A).

De letter R staat voor "resistance", het Engelse woord voor weerstand.

De wet van Ohm

Met een proefopstelling kun je meerdere metingen uitvoeren. Door de spanning stap voor stap te verhogen en de stroomsterkte te meten, kun je het verband tussen spanning en stroomsterkte bepalen. Bij een draad van constantaan (een legering van koper, nikkel en mangaan) blijft de weerstand constant. Dit betekent dat als je de spanning (U) deelt door de stroomsterkte (I), je steeds dezelfde waarde voor R krijgt.

Deze eigenschap wordt de wet van Ohm genoemd. De wet zegt dat spanning en stroomsterkte evenredig zijn. In een grafiek (U,I-diagram) zie je dit als een rechte lijn door de oorsprong.

Bij de meeste metalen verandert de weerstand als de temperatuur stijgt. De weerstand wordt dan groter. Bij constantaan is dat niet het geval; de invloed van temperatuur op de weerstand is verwaarloosbaar.

Elektronicaweerstanden

In elektronische apparaten worden kleine weerstandjes gebruikt. Deze weerstandjes bestaan uit een dun laagje koolstof op een glasstaafje. Hoe dunner het koolstoflaagje, hoe groter de weerstand.

Op elk weerstandje staan gekleurde ringen. Deze geven de waarde van de weerstand aan. In BINAS tabel 13 kun je opzoeken wat de kleuren betekenen. Let op: de tolerantiering (ring T) bevindt zich altijd aan de rechterkant. Deze ring wijkt af van de andere ringen door kleur, breedte of afstand.

Les 2: LDT & NTC

De lesstof:

Automatische schakelingen

Veel mensen hebben een buitenlamp die vanzelf aan- en uitgaat. Dit gebeurt dankzij een automatische schakeling. Een automatische schakeling voert zelfstandig een taak uit, zoals een lamp inschakelen, koffiezetten, de verwarming regelen of de wasmachine starten.

Een eenvoudige automatische schakeling bestaat uit drie onderdelen:

1. Sensor: Deze produceert een elektrisch signaal dat informatie over de omgeving geeft.

2. Schakelaar: Deze schakelt iets in of uit op basis van het signaal van de sensor.

3. Actuator: Deze voert een nuttige of prettige actie uit, zoals een lamp laten branden.

Sommige buitenlampen hebben een sensor die reageert op licht. Als het donker wordt, geeft de sensor een signaal aan de schakelaar, die vervolgens de lamp inschakelt. Andere lampen reageren op beweging en hebben een infrarooddetector die warmtestraling van mensen en dieren detecteert.

Een lichtsensor: De LDR

Een LDR (Light Dependent Resistor) is een veelgebruikte lichtsensor. De weerstand van een LDR hangt af van de hoeveelheid licht die erop valt:

• In het donker is de weerstand erg groot (tot 10 miljoen Ω).

• Bij fel licht is de weerstand klein (ongeveer 100 Ω).

In een lichtsterktemeter kan een LDR worden gebruikt als sensor. Hoe meer licht er op de LDR valt:

• Hoe kleiner zijn weerstand wordt.

• Hoe groter de stroomsterkte wordt die door een stroommeter wordt gemeten.

De stroomsterkte vormt een elektrisch signaal dat informatie geeft over de lichtsterkte. Dit signaal kun je gebruiken om bijvoorbeeld een automatische lamp aan- en uit te schakelen.

Een temperatuursensor: De NTC

Een NTC (Negatieve Temperatuur Coëfficiënt) is een sensor waarvan de weerstand kleiner wordt bij een stijgende temperatuur. Dit betekent:

• Hoe hoger de temperatuur, hoe kleiner de weerstand.

• Hoe groter de stroomsterkte die door een stroommeter wordt gemeten.

Een NTC kan worden gebruikt in een elektronische thermometer, zoals in een weerstation. De stroomsterkte geeft dan informatie over de temperatuur. Door de stroommeter te ijken met een gewone thermometer, kun je de schaalverdeling in graden Celsius omzetten.

De stroom begrenzen

Een NTC kan te heet worden doordat een hogere stroomsterkte de weerstand nog verder verlaagt, wat een gevaarlijke vicieuze cirkel veroorzaakt. Om dit te voorkomen, wordt een gewone weerstand in serie met de NTC geplaatst. Deze weerstand werkt als een stroombegrenzer en zorgt ervoor dat de totale weerstand groot genoeg blijft. Hierdoor blijft de stroomsterkte binnen veilige grenzen.

De totale weerstand van de schakeling wordt berekend door de afzonderlijke weerstanden bij elkaar op te tellen:

Rv = R1 + R2 +...

Bijvoorbeeld, als je een weerstand van 100 Ω en een van 200 Ω in serie schakelt, is de totale weerstand 300 Ω. Deze weerstanden kun je vervangen door één vervangingsweerstand van 300 Ω zonder dat de werking van de schakeling verandert.

Variabele weerstanden

Naast vaste weerstanden zijn er ook variabele weerstanden, zoals een schuifweerstand. In deze weerstand zit een spiraal van weerstandsdraad waarover een beweegbaar contact kan schuiven. Hoe langer het ingeschakelde deel van de draad, hoe groter de weerstand. Hiermee kun je de weerstand handmatig aanpassen.

Les 3: Schakelen met een relais

De lesstof:

Wat is een relais?

Een relais is een automatische schakelaar die wordt gebruikt in apparaten zoals wasmachines, televisies, magnetrons en buitenlampen. Het relais maakt een klikgeluid wanneer het schakelt.

Een relais werkt met een elektromagneet. Dit is een spoel (een draad gewikkeld rond een ijzeren kern) die magnetisch wordt als er stroom doorheen loopt. Net als een gewone magneet heeft een elektromagneet een noord- en zuidpool.

De opbouw van een relais

In een relais heb je:

1. Een elektromagneet met koperdraadwikkelingen.

2. Contactpunten om te schakelen

3. Metalen pinnen om het relais aan te sluiten.

Een relais heeft twee stroomkringen:

1. De stroomkring van de elektromagneet, die een kleine stroom gebruikt om het relais te activeren.

2. De stroomkring van de actuator, zoals een lamp of motor, die een grotere stroom voert.

Hoe werkt een relais?

Als er geen stroom door de spoel loopt, is de elektromagneet niet magnetisch. Een veer trekt dan een beweegbaar onderdeel (anker) omhoog tegen contactpunt 1. De stroomkring is onderbroken, en bijvoorbeeld een lamp blijft uit.

Als er wél stroom door de spoel loopt, wordt de spoel magnetisch. Het anker wordt dan tegen contactpunt 2 getrokken. Hierdoor sluit de stroomkring, en de lamp gaat aan. Het schakelen maakt het kenmerkende klikgeluid van een relais.

Een praktisch voorbeeld: startmotorschakeling

Relais hebben meerdere aansluitpunten:

• Punten 1 en 2: Voor de spoel (stroomkring 1).

• Punten 3, 4 en 5: Voor de actuator (stroomkring 2).

Bij een startmotor wordt het relais gebruikt om een grote stroom naar de motor te schakelen. De sleutel in het contactslot laat een kleine stroom (50 mA) door de spoel lopen. Dit schakelt het relais in, waardoor een grote stroom (100 A) door de startmotor gaat.

Om verlies te voorkomen, worden dikke koperen draden gebruikt voor stroomkring 2. Het relais wordt dicht bij de accu en motor geplaatst.

Toepassingen van relais

Inbraakalarm

Een inbraakalarm schakelt een sirene in als een winkelruit breekt. In de normale situatie blijft een stroomkring via een draad op de ruit gesloten, en de elektromagneet houdt het relais in positie. Als de draad breekt, stopt de stroom door de spoel, en het relais schakelt om. Hierdoor gaat de sirene aan.

Raambeveiliging

Voor ramen wordt vaak een reedcontact gebruikt. Dit is een schakelaar die reageert op een magneet.

• Als het raam gesloten is, houdt de magneet het reedcontact gesloten, en de stroom loopt door de spoel van het relais.

• Als het raam opent, beweegt de magneet weg. Het reedcontact opent, de stroom door de spoel stopt, en het relais schakelt om. Hierdoor gaat het alarm af.

Les 4: Elektrische schakelingen

De lesstof:

Wat is een transistor?

Een transistor is een compacte, efficiënte schakelaar die met kleine stroomsignalen apparaten kan in- en uitschakelen, en is ideaal voor lage spanningen en toepassingen zoals inbraakalarmen en automatische straatlantaarns.
Een transistor is een automatische schakelaar zonder bewegende onderdelen. Het schakelt apparaten (actuatoren) aan en uit door middel van elektronische signalen. Transistors zijn klein, goedkoop en energiezuinig, maar kunnen alleen lage spanningen schakelen. Voor hoge spanningen, zoals in wasmachines, is een relais een betere keuze.

De werking van een transistor

Een transistor heeft drie aansluitpunten:

1. Collector (C)

2. Basis (B)

3. Emitter (E)

• UIT-stand: Er loopt bijna geen stroom door de basis (B → E). Hierdoor is er ook geen stroom van de collector naar de emitter (C → E).

• AAN-stand: Een kleine stroom door de basis (B → E) schakelt een grotere stroom van de collector naar de emitter (C → E) in.

Een transistor werkt dus als een elektronische schakelaar waarbij een kleine ‘schakelstroom’ een grotere stroom inschakelt.

Praktische toepassingen van een transistor

1. Inbraakalarm

• Bij een inbraakalarm kan een transistor de zoemer in- of uitschakelen.

• Werking:

  • Als de draad op een ruit intact is, loopt bijna alle stroom terug naar de batterij, en niet door de transistor. De zoemer blijft uit.

  • Bij een kapotte draad loopt de stroom via de basis van de transistor. Dit schakelt de transistor in, waardoor de zoemer aangaat.

 Beperking: Een transistor is geschikt voor kleine stroomsterktes (zoals een zoemer), maar niet voor grote stromen zoals een sirene.

2. Automatische straatlantaarn

Een transistor schakelt een lamp op basis van de hoeveelheid licht.

• Sensor: LDR (lichtgevoelige weerstand).

• Werking:

  • Overdag: De LDR heeft een lage weerstand, waardoor de stroom niet door de transistorbasis loopt. De lamp blijft uit.

  • ’s Nachts: De weerstand van de LDR neemt toe, waardoor er stroom naar de transistorbasis gaat. De transistor schakelt de lamp in.

3. Ventilatorschakeling met condensator

Een condensator wordt gebruikt om elektrische energie tijdelijk op te slaan, bijvoorbeeld om een ventilator na te laten draaien.

• Werking condensator:

  • Laadt op als de ventilator ingeschakeld is.

  • Loopt leeg zodra de stroom wordt uitgeschakeld, waardoor de ventilator nog een paar minuten blijft werken.
    Beperking: Een condensator heeft beperkte capaciteit en laadt snel op en ontlaadt snel.