Iedereen is uitvinder en jij al helemaal!!
Aarde
In de elektronica kom je heel vaak het woord aarde tegen of de Engelse versie Ground (GND).
Je weet vast al dat dat weinig met tuinaarde of potgrond heeft te maken. Wat wordt er dan wel bedoeld met aarde? Stel dat je een kleine stalen bol hebt. Je propt elektronen in de bol. Wat gebeurt er dan? De elektronen verdelen zich zo gelijk mogelijk over de bol en de bol krijgt een negatieve lading.
Een elektron is ontzettend klein, dus de eerste paar duizend elektronen die je in de bol propt kun je niet eens meten. De planeet aarde waarop wij wonen is ook min of meer een bol. In die bol zitten veel stoffen zoals water met daarin opgeloste zouten, mineralen waaron-der metalen enzovoort. Veel materialen die redelijk goed geleiden. De planeet aarde is een enorme bol. Als je daar een paar miljard elektronen in pompt is het resultaat niet eens meetbaar. Soms kun je zien dat er miljarden elektronen in de aarde worden gepompt, als de bliksem inslaat. Toch krijgt de aarde geen lading.
Je kunt de aarde zien als een enorm vat waarin we al het overtollige water kunnen gieten, of, als we het nodig hebben, uit kunnen halen. In de elektronica gebruiken we de aarde als opslagplaats voor elektronen. De aarde als enorme condensator. Als we schakelingen of elektrische apparaten willen beschermen tegen spanningspieken zorgen we ervoor dat die pieken makkelijk kunnen afvloeien naar de aarde. De wasmachine in jouw huis is bijvoorbeeld ook geaard. Als er in de wasmachine een draad stuk gaat en er 230 V op de buitenkant zou komen te staan vloeit die direct af naar aarde zodat de wasmachine veilig blijft. Hoe?
Ja, het is echt zo dat we daarvoor een goed geleidende pin diep in de grond steken. De meeste huizen hebben zo’n eigen aardpin.
Analoog
Alles in de natuur is analoog. Een geluid kan harder of zachter worden zonder dat je stapjes hoort. De waarde verandert vloeiend. En dat is ook zo met lichtsterkte en kleur. Als we natuurlijke verschijnselen zoals licht, geluid, kleur en beweging, met behulp van een sensor vertalen in elektrische signalen zijn dat dus analoge signalen. Op het plaatje zie je een analoog signaal dat, in dit geval, elke waarde tussen 0 V en 1,5 V aanneemt. De meeste elektronica-onderdelen kunnen prima omgaan met analoge signalen. Maar er zijn belangrijke onderdelen die alleen digitale signalen kennen. Zie digitaal.
Atoommodel
Een atoom is het kleinste bouwsteentje dat nog de eigenschappen heeft van het materiaal dat met dat bouwsteentje is gemaakt. IJzer bestaat bijvoorbeeld uit ijzeratomen. Atomen komen ook vaak in combinaties voor, we noemen dat moleculen. Verreweg de meeste materialen bestaan uit moleculen. Omdat we een atoom niet kunnen zien, proberen we ons zo goed mogelijk voor te stellen hoe het eruit zou kunnen zien en hoe het in elkaar zit. Daarom maken we een model, een vereenvoudigde voorstelling van de werkelijkheid. Net zoals je bijvoorbeeld een tekening kan maken van een huis. De tekening is nooit precies gelijk aan het huis, maar je kunt je toch een voorstelling maken van het huis.
In ons model bestaat het atoom voor het allergrootste deel uit NIETS! In het midden bevindt zich een kern met kleine positieve en neutrale deeltjes. Daaromheen, op heel grote vaste afstand, een soort bolvormig wolkje met één of meer hele kleine negatieve deeltjes: elektronen. Alle deeltjes binnen het atoom worden in het model getekend als kleine bolletjes.
Om een idee te hebben van de enorme leegte: als een euro op de domtoren in Utrecht de kern van een atoom zou zijn, dan is het dichtstbijzijnde elektron een speldenknop in Maastricht!
En toch is een atoom zelf onvoorstelbaar klein. In een glas water zitten meer atomen dan sterren in de Melkweg! De elektronen in de wolk draaien om de kern en hun lading is precies in evenwicht met de lading van de kern. Wordt de kern groter dan moeten er dus ook meer elektronen omheen bewegen om het evenwicht te bewaren. De eerste wolk is echter met twee elektronen “vol”. Als het atoom meer elektronen nodig heeft, gebruikt het daarvoor een tweede wolk op een grotere vaste afstand waarin maximaal 8 elektronen passen. Als die “wolk” vol is, moeten de volgende elektronen weer een grotere afstand bewaren en zo voort. Omdat de wolken op een vaste afstand staan, worden ze schillen genoemd. De eigenschappen van een atoom worden bepaald door de lading van de kern en het aantal elektronen dat daaromheen zweeft, vooral door de elektronen in de buitenste schil.
De samenstelling van atomen is in kaart gebracht in het periodiek systeem der elementen dat je misschien wel uit de natuur- en scheikunde kent. Wat je je goed kunt voorstellen is dat de band tussen een elektron en de kern steeds kleiner wordt als de afstand groter wordt. Hele grote atomen zijn daarom vaak instabiel en kunnen slechts korte tijd bestaan voordat ze uit elkaar vallen. 103 elektronen lijkt zo een beetje het maximum te zijn.
Ionen
Door sterke aantrekkingskrachten kan een atoom elektronen verliezen aan - of erbij krijgen van – een ander atoom. Als een atoom een elektron verliest of opneemt, noemen we het resultaat een ion. Omdat ionen een lading hebben, spelen ze een belangrijke rol in de elektronica, maar ook in de chemie.
Batterij
Een batterij is een elektronenpomp. Dankzij een chemisch proces in de batterij ontstaat er een spanningsverschil op de polen (aansluitingen) dat we kunnen gebruiken als energiebron. Als de voorraad chemische stoffen in de batterij is uitgeput noemen we de batterij leeg. Een gewone batterij komt dan op de afvalberg terecht of wordt (voor een deel) hergebruikt. Bij oplaadbare batterijen kun je het ontlaadproces omkeren door er weer elektronen in te stoppen. Dat heet opladen. Helaas gaat dat niet oneindig en is de batterij na 10 tot 100 keer opladen toch uitgeput.
Batterijen zijn heel handig in gebruik. Bijna alles wordt nu draadloos, zoals je mobiele telefoon, de boormachine, je koptelefoon. En bij een auto is een snoer natuurlijk echt onmogelijk. Maar er is ook een keerzijde; voor batterijen worden zeldzame grondstoffen gebruikt die bovendien vaak ten koste van lokale bevolkingen uit de grond worden gehaald. En door het enorme gebruik van batterijen en het dumpen van de daardoor veroorzaakte afvalstoffen wordt het milieu enorm belast. Gebruik dus als het even kan een netvoeding en als batterijen echt noodzakelijk zijn, kies dan voor oplaadbare batterijen.
Condensator
Een condensator is een onderdeel dat gelijkstroom blokkeert en wisselstroom doorgeeft. Een condensator kan ook gebruikt worden om (een klein beetje) energie op te slaan.
symbool
condensator
Een condensator bestaat uit twee geleidende platen met daartussen een heel dunne isolatielaag. Als je nu elektronen naar één van de platen (die noemen we even plaat A) stuurt, krijgt die een negatieve lading. Omdat de platen zo dicht op elkaar liggen, worden de elektronen in de andere plaat (plaat B) daardoor weggeduwd. Het lijkt net alsof de stroom even door de condensator heen gaat, maar als de plaat helemaal vol met elektronen zit, stopt de beweging. Haal je daarna alle elektronen weg uit plaat A dan wordt die juist positief geladen en worden op plaat B de elektronen juist aangetrokken. Weer lijkt het alsof de elektronen door de condensator heen bewegen, maar dat is niet zo.
Het is alleen het laden en ontladen van plaat A dat voor het (tegenovergestelde) ontladen en laden van plaat B zorgt. Plaat B neemt dus steeds de tegenovergestelde lading aan van plaat A. En dat geldt ook omgekeerd, een condensator heeft geen polariteit (plus en minpool). Hoe groter de platen hoe meer lading erop past. De grootte van de platen en daarmee de hoeveelheid lading die erop past, noemen we de capaciteit. De eenheid van capaciteit heet Farad. De meeste condensatoren die wij gebruiken zijn veel kleiner dan 1 Farad. Je zult waarden tegenkomen van enkele picofarad (pF) tot enkele duizenden microfarad (µf). (Zie vermenigvuldigingsfactoren)
Je kunt je voorstellen dat condensatoren met een kleine capaciteit gauw vol raken. Zij kunnen dus alleen hele snelle wisselingen doorgeven. Hoe groter de capaciteit hoe groter de golflengte die kan worden doorgegeven.
De isolator tussen de platen is heel dun. Als de spanning te hoog wordt, zal de isolator kapotgaan en ontstaat er kortsluiting tussen de platen. Bij een condensator wordt daarom altijd de maximale spanning vermeld.
Emmercondensator
Er bestaan speciale emmercondensatoren die worden gebruikt om veel meer elektronen op te kunnen slaan. Officieel heten ze ‘elektrolytische condensatoren.’ Deze condensatoren zijn wel polair en hebben dus een pluspool en een minpool. Omgekeerd aansluiten maakt de elco (elektrolytische condensator) kapot, soms met een flinke klap en heel veel stank. Let op, die dampen zijn behoorlijk giftig! Een elco kun je gebruiken als voorraademmer voor elektronen. Als je even te veel hebt, of meer dan genoeg, vul je de emmer. Zodra je tekort komt, laat je de emmer leeglopen. Om te laten zien dat een emmercondensator een elco is, heeft hij een ander symbool en staat er een plus en een minteken op de condensator. Het open balkje van het symbool is de pluspool van de condensator. Het Engelse symbool, dat er naast staat, wordt ook nog veel toegepast.
Watermodel van de condensator
Hoe een condensator werkt, is eenvoudig uit te leggen met hulp van een watermodel:
Hierin is een condensator een vat met een vel rubber in het midden. In rust hangt het vel in het midden van het vat.
a) Als we druk uitoefenen zal het vel meteen meerekken.
Er loopt veel stroom, maar de spanning over de condensator is vrijwel 0!
b) Hoe verder het vel wordt opgerekt hoe meer weerstand het gaat opleveren.
c) Uiteindelijk komt het in de eindstand en levert opvoering van de druk geen beweging meer op. Er staat nu de volle spanning, maar er loopt geen stroom!
d) Als we de waterdruk nu weghalen zal het rubber vel terugveren en zelf dus eventjes druk uitoefenen! Er loopt dus heel kort stroom als we de spanning wegnemen.
e) Als we de waterdruk omkeren dan komt de druk van het vel bovenop de waterdruk.
f) De beweging herhaalt zich nu de andere kant op.
Op deze manier kan een wisselstroombeweging worden doorgegeven door een condensator.
Het spanning- en -stroomgedrag van een condensator in detail.
Nu gaan we eens, met hulp van de wet van Ohm kijken wat de condensator precies doet.
Als ik spanning aansluit op een condensator gedraagt die zich eerst als een kortsluiting. De weerstand is op dat moment vrijwel 0 Ω! Er gaat dus al een hele grote stroom lopen, terwijl de spanning nog bijna 0 V is. Zoiets als dit: U = I x R, R = 0,01 Ω. Als I = 10 A dan zal de spanning maar 0,1 V zijn! Als nu het rubber vel steeds verder wordt opgerekt, houdt het de stroom steeds meer tegen, met andere woorden: de weerstand van de condensator wordt steeds groter en zelfs bijna oneindig groot als het rubber helemaal tegen de uitgang aan ligt. De weerstand is dan heel groot en de stroom is dan heel erg klein. Zoiets als dit: U = I x R, I = 0,00001 A en de weerstand = 100000 Ω, U is dan 10 Volt. Dat is bijzonder, eerst komt de stroom bij nul volt spanning en daarna wordt de spanning hoog, terwijl er bijna geen stroom loopt. De spanning loopt achter bij de stroom. Bij gelijkspanning houdt het hier op, de spanning blijft hoog en de weerstand vrijwel oneindig, de stroom is dan ook praktisch 0.
Bij een wisselspanning is dat heel anders! De spanning wisselt immers steeds, waardoor de condensator steeds het patroon herhaalt. Je ziet dan dat er steeds eerst stroom gaat lopen en dat er daarna pas spanning komt. We noemen dat na-ijlen: Bij een wisselspanning ijlt de spanning over een condensator 90° na op de stroom!
Wisselstroomweerstand van een condensator
Een condensator laat geen gelijkstroom door, maar geeft wel wisselstroom door. De mate waarin de condensator daarbij de doorgegeven wisselstroom hindert, wordt impedantie genoemd met het symbool XC. Impedantie komt dus overeen met wisselstroomweerstand en heeft als eenheid dan ook ohm. De wisselstroomweerstand van een condensator wordt als volgt
Waarin f de frequentie van de wisselstroom in Hertz is en C de capaciteit van de condensator in Farad. En, als je dat nog niet weet; π is de Griekse letter pi en die staat voor het getal 3,14. Om de wisselstroomweerstand te vinden vermenigvuldig je eerst de capaciteit met de frequentie. Daarna vermenigvuldig je dat getal met 6,28 (2x3,14). Tenslotte deel je 1 door de uitkomst van dat sommetje. De wisselstroomweerstand is dus afhankelijk van de frequentie! Hoe hoger de frequentie hoe lager de wisselstroomweerstand van een condensator. Een condensator geeft dus inderdaad hoge frequenties makkelijker door dan lage frequenties en je zult in schakelingen zien dat we daar handig gebruik van kunnen maken.
Energie opslag/ gelijkstroomgedrag van een condensator
Als je een condensator oplaadt en dan weglegt, blijft de spanning erin zitten, net als in een opgeblazen ballon. Vroeger haalden we daar wel grappen mee uit door een condensator (die daar geschikt voor was) op te laden met een hoge spanning en dan terug te zetten in de kast. De volgende die de condensator pakte en aansloot, kreeg tot zijn of haar grote schrik flink wat vonken te zien!
De energie die je in een condensator kunt opslaan is gelijk:
Waarin E de opgeslagen energie is, C de capaciteit van de condensator is en U de spanning.
Om een condensator op te laden heb je altijd een begrenzingsweerstand nodig, een ongeladen condensator heeft immers een heel lage weerstand, zo niet kortsluiting. De enorme ‘aanloopstroom’ zou de voeding en de condensator kapot kunnen maken. Daarom is een kleine serieweerstand R opgenomen in de stroomkring.
Zodra we schakelaar S omzetten naar U1 begint de condensator op te laden. Op t = 0 is de condensator een kortsluiting en valt alle spanning over de weerstand R. Er loopt de maximale stroom door de weerstand R (I = U1/R). De condensator begint op te laden en daarmee neemt de weerstand van de condensator toe. Het laden gebeurt volgens een exponentiële functie: de weerstand van C neemt steeds verder toe, waardoor het laden steeds langzamer gaat. Na de laadtijd: R*C (Ω en farad) is de condensator voor 63% opgeladen. Na 5*R*C is de condensator helemaal opgeladen en loopt er geen stroom meer. De spanning U1 staat nu geheel over de condensator C. Als we nu de schakelaar naar 0 V terugzetten zal precies het omgekeerde gebeuren. De condensator gaat zich ontladen via de weerstand R volgens een exponentiële functie. De helemaal opgeladen condensator draagt de spanning U1 en veroorzaakt een grote stroom in de weerstand. Hoe meer de spanning zakt, hoe kleiner ook de stroom door de weerstand en na de ontlaadtijd 5*R*C is de condensator helemaal ontladen.
.
Bij het gebruik van een condensator als energievoorraad, moet je rekening houden met de laagste spanning Um waarop je aangesloten schakeling nog werkt. Uit de grafiek hiernaast zie je dat daardoor maar een klein deel van de capaciteit gebruikt kan worden. Daarna zakt de spanning al onder de minimale werkspanning. De oplossing is een schakelende voeding die de spanning hoger maakt. Je vindt er natuurlijk voorbeelden van in de voorbeeldschakelingen: schakeling 12 en schakeling 13.
Toepassingen: Condensatoren worden veel gebruikt in filters omdat de wisselstroomweerstand afhankelijk is van de frequentie. Verder gebruik je condensatoren als je alleen wisselstroom signalen wilt doorgeven, de zogenaamde koppelcondensatoren.
Digitaal.
Je telefoon, de televisie, je computer en nog veel meer apparatuur is uitgerust met processoren, vaak microcontrollers (zie microcontrollers). Een processor kan alleen maar digitale signalen verwerken. Dat betekent dat de meeste elektronica digitaal werkt. Digitaal kent maar twee waardes: aan en uit of één en nul. Analoge signalen zoals lichtsterkte of volume moeten dus eerst digitaal worden gemaakt voordat ze in je telefoon kunnen worden opgeslagen of per wifi kunnen worden verstuurd.
Om, bijvoorbeeld, een stijgend en dalend volume digitaal te maken, delen we de tijd in vaste stapjes in. Bij elk stapje van, bijvoorbeeld, 1 microseconde wordt het volume gemeten en bewaard als digitaal getal. Het volume bestaat in je PC dus uit een tabel met een getal bij elke microseconde! De hele reeks digitale getallen kan worden opgeslagen in het geheugen! Dat kan ook met kleuren en hoeveelheid licht en noem maar op. Er zijn trouwens meerdere manieren om analoge waarden te vertalen in digitale waarden, maar helemaal precies de analoge waarde wordt het dus nooit! Het grote voordeel is dat je met digitale signalen bijna geen last hebt van ruis. (Zie ruis)
Digitaal getal
Hoe zien digitale getallen er uit?
Om je dat te kunnen voorstellen gaan we eerst nog eens na hoe mensen eigenlijk hebben leren tellen, namelijk op hun vingers!
Wij hebben tien vingers en kunnen dus van nature tot tien tellen. Daarna hebben we een probleem, omdat onze vingers ‘op’ zijn. We hebben dat heel handig opgelost door te zeggen: we onthouden dat we 1 maal alle vingers hebben gehad en beginnen gewoon opnieuw met tellen. Zo hebben we het tiental uitgevonden. Als je vroeger op school het getal 23 wilde voorzeggen aan je vriendje of vriendinnetje stak je eerst stiekem 2 x 10 vingers omhoog en daarna nog eens 3. Twee tientallen en drie eenheden heet dat officieel. Hebben we echter 10 tientallen vol, dan hebben we weer hetzelfde probleem en gaan we daarom met honderdtallen verder. Van elke groep kunnen we er dus steeds maximaal 10 tellen. We noemen dat het tientallig stelsel. De computer past dezelfde truck toe, alleen heeft ‘hij’ maar ‘een vinger’ goed voor nul en een. Daarom rekent hij steeds in meervouden van twee in plaats van tien, dus in het tweetallig of binair stelsel.
In het onderste deel van de tabel heb ik als voorbeeld een wat groter getal gezet; 451. Je ziet dat de computer veel geheugenplaatsen nodig heeft om een decimaal getal binair te bewaren. Voor het getal 451 dat bij ons maar drie plaatsjes kost, heeft de computer maar liefst negen plaatsen nodig. Daarom moet een computer heel veel data versturen bij de verwerking van menselijke getallen of tekens.

Ook rekenen is binair behoorlijk wat omslachtiger.
De volgende stukjes moet je alleen doornemen als je dat leuk vindt, je gebruikt het verder zelden of nooit.
Binair optellen:
Stel dat we de binaire getallen 00001011 en 01101010 willen optellen.
Eigenlijk gaat dat net zoals bij het decimale optellen, (tientallig stelsel) maar dan met onthouden voor elke digit dus:
00001011 = 11decimaal
01101010 = 106 decimaal
We beginnen rechts net als bij ons. 0+1 is uiteraard 1. Bij de tweede digit vinden we 1+1.
Dat zou twee zijn, maar dat past niet in een digit, dus zeggen we: 0 en 1 onthouden.
Bij de derde digit treffen we twee nullen, dat is uiteraard nul, maar we hadden nog 1 onthouden, dus dat wordt 1. De vierde digit is weer 1+1 dat wil zeggen 0 en 1 onthouden. De vijfde digit is 0+0 = 0 plus 1 van de vorige digit is 1.
Digit’s 6 en 7 zijn allebei 1 en digit 8 = 0
Het resultaat is dus 01110101 = 117 decimaal
Als je wilt, kun je nog eens even decimaal optellen en dan zie je meteen de overeenkomst.
Wij schuiven bij de tien door omdat we tien plaatsjes hebben, de computer al direct bij de 1, omdat hij maar één plaatsje heeft (lampje aan, lampje uit).
Nu nog een voorbeeldje voor vermenigvuldigen.
Ik geef eerst de getallen waar de digit’s voor staan:
128- 64- 32- 16- 8- 4- 2- 1
Bit 0 staat voor 1, bit 1 staat voor 2, bit 3 voor 8, bit 4 voor 16, enzovoort.
Vermenigvuldigen we nu 11 met 106 dan gebeurt er het volgende:
01101010
00001011
Voor het gemak heb ik 11 onderaan gezet en laat ik het vermenigvuldigen met 0 weg.
Net als bij ons vermenigvuldigen we elk cijfer van het onderste getal met het bovenste
Het resultaat van bit 0 = 1x106 = 01101010
Het resultaat van bit 1 = 2x106 = 212 = 11010100
Het resultaat van bit 3 = 8x106 = 848 = 1101010000
Als we al die getallen bij elkaar optellen, krijgen we 1166 oftewel 11x106. = 10010001110
In ieder geval snap je nu waar al die rare getallen vandaan komen als we het over computers hebben; het zijn altijd machten van 2!
Diode
Een diode is een onderdeel dat stroom maar in één richting doorlaat.
Het symbool voor een diode is heel toepasselijk een pijl. De linkerzijde (in dit geval) heet de anode, de zijde waar je een (omgekeerde) K van kunt maken heet de kathode. De stroom loopt van anode naar kathode. Het symbool kent nogal wat variaties, zoals een open pijl of een pijl met een streep erdoor.
Watermodel van een diode
Een diode kun je in het watermodel zien als een ventiel, het water kan maar één kant op stromen.
Als het water de ene kant uit stroomt, gaat de klep open en kan het water doorstromen.
Stroomt het water de andere kant uit dan gaat de klep dicht en kan er geen water stromen. Voordat de klep opengaat, moet het water al enige druk uitoefenen om de klep op te tillen. Zo is het precies met de diode. Als we de spanning in de doorlaatrichting aansluiten, verliest de diode altijd wat spanning om de klep open te houden. Bij een diode heet dat forward voltage (FV) of voorwaarts spanningsverlies. Deze spanning verschilt per soort diode vanaf 0,2 V tot wel 3 V.
Als we spanning verkeerd om aansluiten (in sperrichting) moeten we er rekening mee houden dat de klep maar een maximale druk kan hebben, daarna gaat hij kapot. Bij een diode wordt daarom altijd de maximale sperspanning vermeld.
En tenslotte sluit de klep nooit 100% af, waardoor er een héél klein beetje stroom in de sperrichting kan lopen. Dit wordt de lekstroom genoemd.
Er zijn natuurlijk ook weer heel veel verschillende diodes, waarbij de sperspanning, de voorwaartse verliesspanning en de maximale stroom de belangrijkste eigenschappen zijn.
Iets wat gauw wordt vergeten is dat een diode als hij stroom doorlaat ook vermogen in warmte opwekt door de voorwaartse verliesspanning. Als voorbeeld:
Door een diode met een FV van 1 V, loopt een stroom van 3 A. Het opgewekte vermogen is 1x3 = 3 Watt! (P=U*I). Daarom kiezen we voor diodes graag types met een lage FV als er veel stroom moet lopen.
Toepassingen van de diode
De diode wordt overal toegepast waar je van een wisselspanning een gelijkspanning wil maken (zie gelijkrichters). Diodes worden ook gebruikt om te voorkomen dat een spanning terugloopt in een leiding.
Zenerdiode
Symbolen
Je ziet een diode met een gebroken keerstreep. En dat klopt.
Als je een diode in sperrichting aansluit, gaat hij kapot als de spanning te hoog wordt. Een zenerdiode is een diode die doorslaat bij een bepaalde spanning zonder kapot te gaan.
Natuurlijk mag er dan niet te veel stroom lopen en is een goede stroombegrenzing onmisbaar. Maar het leuke is dat je op die manier een vaste spanning kunt maken. Daarvoor worden ze dan ook bijna altijd gebruikt. Voorbeelden vind je in de schakelingen 6,11 en 13. Bij zenerdiodes wordt natuurlijk de zenerspanning gegeven, maar ook het maximum vermogen, de minimale zenerstroom en de mogelijk afwijking in de spanning.
LED
Een diode kan ook licht geven en wordt dan een led (light emitting diode) genoemd. Het symbool van een led stelt dan ook een diode voor die licht uitstraalt. Het fijne ervan is dat er bij een diode veel minder energie verloren gaat aan warmte. Bij een gloeilamp wordt maar 5 tot 10 procent van de toegevoerde energie omgezet in licht, de rest wordt opgestookt aan warmte; erg jammer als je die warmte niet nodig hebt. Bij moderne leds wordt minimaal 50 procent van de energie omgezet in licht. Leds zijn beschikbaar in heel veel kleuren. Een nadeel is dat leds over het algemeen een hoge voorwaartse verliesspanning hebben.
Dynamo
Een dynamo wordt ook wel generator genoemd. Het is een apparaat waarmee je mechanische energie kunt omzetten in elektrische energie.
Er zijn meerdere symbolen in gebruik, omdat er ook meerdere soorten dynamo’s zijn. Vaak zie je ook een G in plaats van een sinus symbooltje.
Lees eerst alles over de spoel, je hebt die kennis nodig om de dynamo te begrijpen.
Een dynamo bestaat namelijk uit een spoel en een magneet waarmee je magnetische golven maakt. Als je de spoel in het golvende magneetveld houdt, gaan de elektronen ‘heen en weer rollen’, zodat er een wisselspanning op de uiteinden van de spoel komt te staan.
Hoe beter de spoel in het magneetveld ligt hoe beter de opbrengst van de dynamo. Je vindt een eenvoudig dynamo-project in schakelingen; knutselproject 2 de afvoerpijpdynamo..
Inmiddels bestaan er vele soorten dynamo’s. Het basisprincipe is voor alle dynamo’s gelijk, maar door vele slimme uitvindingen beschikken we nu over heel efficiënte dynamo’s van een heel klein vermogen tot enorme vermogens tot wel 2 biljoen watt!
symbool voor een dynamo
Aandrijving van de dynamo.
Een dynamo moet worden aangedreven, dat wil zeggen dat iets de magneet of de spoel moet laten draaien.
De meeste generatoren gebruiken daarvoor een benzine- of dieselmotor. Maar er zijn ook veel generatoren die worden aangedreven door turbines.
Een turbine is vergelijkbaar met een watermolen. Door de water- of stoomdruk gaat de molen draaien. Een moderne turbine is de schoepenturbine bij de grote stuwdammen. Het water staat voor de dam heel hoog.
Door het water van grote hoogte door de turbine naar beneden te laten stromen, gaat deze hard draaien en kan een dynamo worden aangedreven. Omdat hierbij geen vervuiling wordt veroorzaakt, noemen we dit ook wel witte steenkool. De eigenlijke bron van deze energie is de zon. Deze zorgt ervoor dat het oceaanwater verdampt en als wolken door de wind wordt meegenomen. De wolken regenen leeg boven de bergen, waardoor het water in het stuwmeer wordt aangevuld. Overigens heeft de aanleg van een stuwdam ook vaak verstrekkende gevolgen voor de omgeving en het milieu. In Nederland hebben we geen bergen en stuwmeren. Wij moeten onze energie dus anders opwekken. Gelukkig hebben we wel veel wind en kunnen we dynamo’s in windmolens bouwen. Maar de meeste elektrische energie wordt bij ons gemaakt met behulp van stoomturbines, turbines die worden aangedreven door stoomdruk. En stoom maak je door water te verhitten. Dat verhitten gebeurt in verbrandingskamers, waarin kolen, aardgas en/of biomassa wordt verbrand. Dat zorgt wel voor een behoorlijke uitstoot van CO2 en fijnstof.
In een kerncentrale wordt de stoomdruk gemaakt door kernsplitsing. Dat brengt geen CO2 of fijnstof in de lucht. Dat is dus een hele mooie energiebron! Helaas verdwijnt daarbij wel 75% van de warmte in de lucht en in het koelwater. Andere problemen van een kerncentrale zijn het radioactief afval, waaruit nog duizenden jaren dodelijke straling (geen elektromagnetische straling) vrijkomt en de grote risico’s bij ongelukken. Het kernsplijtingsproces kan bij een ongeluk ongecontroleerd doorgaan, waardoor enorme hoeveelheden radioactief afval in de lucht of het water terecht kunnen komen. Dat is niet denkbeeldig, de rampen met de kerncentrales in Tsjernobyl en Fukushima hebben nog steeds enorme gevolgen. Wat minder bekend is, is dat er meer kernrampen hebben plaatsgevonden, waaronder:
Sellafield, Groot-Brittannië – 1957
Idaho Falls, Idaho, Verenigde Staten –1961
Jaslovské Bohunice, Tsjecho-Slowakije – 1977
Three Mile Island, Verenigde Staten – 1979
Ibaraki Prefecture, Japan – 1999
Kernenergie veroorzaakt geen luchtvervuiling, maar er moet nog heel wat worden uitgevonden voordat we kernenergie veilig kunnen gebruiken.
Elektromagnetische golven
Elektriciteit en magnetisme zijn tweelingbroers, waar de een is vind je de ander. Als je een wisselspanning op een draad zet ontstaan er elektromagnetische golven. Die golven vliegen alle kanten op en dwars door de meeste dingen heen. Als je een bundel maakt van die golven dan vliegen ze voornamelijk één kant uit. Het licht dat wij zien bestaat ook uit elektromagnetische golven. Je kunt die golven dus heel gemakkelijk zien met een zaklantaarn De lichtbundel uit je zaklantaarn is een bundel elektromagnetische golven. Elektromagnetische golven hebben net als andere golven een golfhoogte en een golflengte. De golfhoogte is gelijk aan de sterkte van de golf en wordt amplitude genoemd. De lengte van de golf kan kilometers groot zijn, maar ook kleiner dan een millimeter. Wij mensen kunnen maar drie van die hele kleine golflengtes zien, maar er zijn er dus veel meer die we niet kunnen zien. Elektromagnetische golven worden vaak radiogolven genoemd omdat ze gebruikt worden om spraak en muziek over te sturen. Tegenwoordig worden radiogolven gebruikt voor alles dat we zonder draadverbinding willen versturen, zoals bijvoorbeeld Instagram en WhatsApp.
Elektromagnetisch spectrum
Als we alle mogelijke frequenties van elektromagnetische straling netjes van laag naar hoog gesorteerd op een rij zetten, noemen we die rij een spectrum. Een spectrum is dus de gesorteerde verzameling van alle mogelijkheden. Het elektromagnetisch spectrum is bijzonder groot, de langste golflengte is ongeveer 100.000 km, terwijl de kortste ongeveer 1 biljoenste meter is.
In de elektronica zul je veel waarden uit het spectrum niet vaak toepassen. Het is goed om te weten dat er meer bestaat dan 2,4 GHz en 5 GHz, maar het spectrum hoef je beslist niet uit je hoofd te kennen. Als je het precies wilt weten vind je het hele spectrum hier. Https://nl.wikipedia.org/wiki/Elektromagnetisch_spectrum
Een raar probleem.
De golf in het touw is gemakkelijk te begrijpen, omdat de opgaande beweging van jouw hand de touwdeeltjes omhoogtrekt, die vervolgens weer aan de volgende touwdeeltjes trekken, enz. Maar elektromagnetische golven vliegen dwars door de ruimte. En daar zijn helemaal geen deeltjes om aan te trekken! Geluid kan daarom niet door de ruimte vliegen, in de ruime hoor je niets! Maar het vreemde is dat alle elektromagnetische straling wel gewoon door de ruimte vliegt. Dat kan alleen als die straling zelf uit een stroom deeltjes bestaat. Die deeltjes noemen we fotonen. En in de natuurkunde gebruiken we soms de golfeigenschap en soms de deeltjeseigenschap van elektromagnetische straling, maar net wat het beste uitkomt.
Fotonen? Zoals je weet, bewegen elektronen in schillen om de kern van het atoom. Als een elektron naar een lagere energieschil van zijn atoom springt, komt er een heel kleine beetje energie vrij en dat noemen we een foton. Het licht dat door het luchtledige vliegt, bestaat uit dat soort heel kleine energiepakketjes.
Infrarood zien: kijk met de camera van je mobiele telefoon naar de afstandsbediening van de TV. Kies een andere zender.... Dankzij je telefoon zie je toch infrarood!
Energie en vermogen
Energie is iets heel bijzonders. Niemand weet eigenlijk precies wat het is. Als je veel energie hebt, kun je veel dingen doen. Energie heb je nodig om te bewegen, te verwarmen, licht te maken en nog veel meer. Je zou kunnen zeggen dat energie de bron is van alle natuurkundige arbeid. Maar waar komt die energie vandaan? Niemand weet het antwoord. Op dit moment denken we dat alle energie in het heelal er altijd al is geweest en er altijd zal blijven. Energie komt in heel veel vormen voor. Maar niet alle energie is voor mensen aantrekkelijk en/of bruikbaar. Energie in de vorm van warmte is onze grootste vriend, maar in de elektronica bijna altijd de grootste vijand. Aangezien alles in de elektronica werkt dankzij het rennen van de elektronen komt er dus overal warmte vrij. Daarom worden alle onderdelen warm. Dat is niet alleen een verlies van kostbare energie, maar het zorgt ook voor veel problemen. Apparaten en onderdelen moeten altijd worden gekoeld om te voorkomen dat ze te heet worden.
Energie in de vorm van elektriciteit is voor ons heel handig. Alle elektronica werkt met deze energie. Er is helaas, behalve bliksem, geen enkele natuurlijke bron van elektriciteit op aarde. Dat wil zeggen dat we elektriciteit moeten maken uit andere energie, bijvoorbeeld windenergie, zonne-energie. Kolen, gas en olie zijn natuurlijke energiebronnen. Om daar elektriciteit van te maken worden die eerst omgezet in warmte (door verbranding) en vervolgens in druk om turbines aan te drijven die weer dynamo’s aandrijven. Waterstof is geen natuurlijke energiebron, maar meer een vorm van opslag. Wil je waterstof gebruiken als brandstof dan moet die eerst met behulp van elektriciteit worden gemaakt.
Omdat de energie eerst moet worden opgewekt aan de kant van de centrale moet er worden betaald voor die energie. Daarom is het belangrijk om de hoeveelheid energie te meten en te kunnen berekenen. We noemen het verbruik van energie vermogen. Vermogen van een gelijkspanning wordt berekend door de spanning met de stroom te vermenigvuldigen.
P=U*I. Voor een wisselspanning geldt:
P=Ueff*I (zie wisselstroom) de eenheid is Watt
Om de hoeveelheid gebruikte energie te berekenen vermenigvuldigen we het vermogen met de tijd die dat vermogen wordt gebruikt: E= P*t de eenheid is Wattuur
Transport van energie
Vermogen moet net als andere goederen worden getransporteerd. De elektriciteitscentrale genereert elektrisch vermogen dat via hoogspanningslijnen naar de afnemers wordt getransporteerd. Daar wordt de hoogspanning teruggebracht naar 230 VAC en naar de huizen en bedrijven getransporteerd. In huis komt het vermogen binnen bij de meterkast, waarna het naar de stopcontacten wordt gestuurd. Daar wordt het vermogen via een kabel naar elektrische apparaten gebracht. Die passen de spanning aan en sturen het vermogen naar de onderdelen. Tenslotte wordt het vermogen via voedingen over de printplaten gedistribueerd. Tijdens al dat transport treden verliezen en storingen op waar we rekening mee moeten houden.
Kabelverliezen bij energietransport
Alle materialen, ook de goede geleiders, bieden weerstand aan elektrische stroom. Met andere woorden: alle leidingen hebben een weerstand.
Stel nu dat we een kilometer koperdraad uitrollen met een totale weerstand van 1 Ω. Over die koperdraad willen we een vermogen van 100Watt transporteren. Als U = 10 V dan moeten we een stroom van 10 A leveren. De wet van Ω leert ons dat de spanningsval over 1 Ω bij 10 A gelijk is aan 10 V! Aan het einde van de kabel is al het vermogen opgebruikt en is er niets meer over voor de gebruiker!
Dat is de reden dat we voor het transport van energie een heel hoge spanning gebruiken:
Stel dat de spanning U = 1000 V. Om 100 Watt te kunnen leveren is dan nog maar 0,1 A nodig.
Het verlies over de kabel is dan 0,1x1 = 0,1 V! Er blijft genoeg over voor de gebruiker!
Ferriet
ferriet is een keramisch materiaal waarin metalen zijn vermengd. Keramisch wil zeggen dat het, net als bijvoorbeeld porselein in een oven wordt gebakken waardoor het heel hard wordt. Theekopjes worden van gebakken klei of gebakken porseleinaarde gemaakt. Keramische materialen zijn isolatoren, ze laten geen stroom door. Omdat aan ferriet ijzerdeeltjes zijn toegevoegd kan het wel heel goed magnetische velden geleiden. Omdat het keramisch is kan het in elke vorm worden gemaakt voordat het wordt gebakken. Als het eenmaal gebakken is, is ferriet heel hard en heel sterk. Ferriet wordt speciaal gemaakt voor de magnetisch geleidende eigenschappen. Het wordt gebruikt in spoelen om het magneetveld te versterken. Met ferriet kun je de waarde van en spoel veranderen door meer of minder ferriet in te stoppen. Omdat ferriet magnetisch heel goed geleidt, wordt het veel gebruikt als smoorspoel. Hoogfrequente signalen worden in het ferriet kortgesloten en dus gesmoord. Deze smoorspoelen vindt je terug als ferrietkralen om snoeren en ferrietkerntjes op printplaten.
Filters
Filters worden gebruikt om troep tegen te houden, zodat je een zuivere stof overhoudt. Stoffilters bijvoorbeeld halen het stof uit de lucht, zodat je zuivere lucht kunt inademen.
In de elektronica doen filters eigenlijk niet anders. Met elektronische filters haal je rommel uit je signalen. Veel voorkomende rommel is bijvoorbeeld ruis. Daarvoor kun je ruisfilters inzetten. Heb je te veel hoge tonen in je koptelefoon, dan filter je die ‘er uit’. Met spoelen, weerstanden en condensatoren kun je enorm veel verschillende filters bouwen. Filteren is een uitgebreid onderdeel van de elektronica. Hierna volgen enkele eenvoudige voorbeelden.
RC-filters
Maak je een spanningsdeler met een condensator als ‘bovenste’ weerstand dan zullen de hoge frequenties makkelijk doorgaan, maar de lage frequenties niet. Je hebt een hoog-doorlaatfilter gemaakt. Vervang je de onderste weerstand door een condensator dan zullen juist alle hoge frequenties naar nul afvloeien en heb je dus een laag-doorlaatfilter gemaakt.
LC-filters
Spoelen houden wisselstroom tegen. Hoe hoger de frequentie hoe beter de spoel de wisselstroom tegenhoudt. Daarom worden spoelen vaak gebruikt als je wisselstroom wilt tegenhouden, zoals bij stoorsignalen. In de praktijk van de elektronica zien we de spoel dan in de vorm van een ferrietkraal, vaak toegepast om stoorpulsen te smoren. Een ferrietkraal is in feite een smoorspoel met een ferrietkern, waarin signalen van hoge frequentie worden gesmoord. Tegenwoordig zijn ferrietkralen verkrijgbaar als SMC. zie Ferriet
Gedrukte bedrading
In de schakelingen die ik als jongetje maakte, zaten alle onderdelen met draad aan elkaar gesoldeerd.
Dat was heel rommelig en daardoor maakte je snel fouten. Elk onderdeel had ‘pootjes’, waarmee het aan een stuk draad, een soldeersteun of een ander onderdeel werd gesoldeerd.
De onderdelen waren ook groot en lomp.
Tegenwoordig wordt al die bedrading op een kunststof plaat gemaakt, een zogenaamde printplaat of kortweg print.
Omdat de bedrading via een soort drukproces wordt gemaakt noemen we het ook wel gedrukte bedrading. Vandaar de Engelse benaming print; ‘to print’ betekent afdrukken.
Geïntegreerde schakelingen
Dankzij de hele grote belangrijke Nederlandse fabrikant ASML kunnen alle onderdeeltjes steeds kleiner worden gemaakt. Fabrikanten kunnen daardoor vele duizenden onderdeeltjes op een heel klein oppervlak samen plakken. Dat noemen we geïntegreerde schakelingen of IC’s. Hele grote schakelingen worden dan uiteraard warm, zodat er flink gekoeld moet worden. Door steeds de werkspanning te verlagen proberen de fabrikanten het vermogen te beperken (P =U*I). Grote processoren, zoals de I7 van Intel, hebben ongeveer 2 biljoen mosfetjes aan boord!!! In schakelingen komt slechts één eenvoudig IC aan bod. Er zijn er duizenden meer om nog te ontdekken!
Gelijkrichters
Bij een wisselspanning/stroom rennen de elektronen steeds heen en weer. Als we schakelingen maken, gebruiken die meestal een gelijkspanning tussen de 3 V en de 12 V. Bij een gelijkspanning/stroom rennen de elektronen steeds één kant uit. Als we een wisselspanningsbron hebben, moeten we er dus eerst voor zorgen dat de elektronen nog maar één kant uit kunnen rennen. We maken van de wisselspanning een gelijkspanning en dat doen we natuurlijk met een diode. Hieronder zie je verschillende gelijkrichtschema’s met uitleg.
Enkelfasig gelijkrichten
Hierboven zie je het schema. Een transformator maakt van 230 V wisselspanning, een 9 V wisselspanning. Bij een wisselspanning loopt de stroom steeds heen en weer. Als de stroom rechtsom loopt, laat de diode hem door. Wil de stroom linksom lopen dan houdt de diode hem tegen.
In de grafiek zie je het resultaat van deze schakeling. De blauwe lijn is de spanning uit de transformator. De rode lijn is de gelijkspanning over de weerstand. Als eerste valt op dat de gelijkspanning nul wordt en blijft als de wisselspanning negatief wordt. De diode houdt dan natuurlijk de stroom door de weerstand tegen, geen stroom door de weerstand betekent geen spanning over de weerstand. Alleen het positieve deel (positieve fase) van de wisselspanning wordt doorgelaten. Daarom noemen we dit enkelfasig gelijkrichten. Als je goed kijkt, zie je nog iets anders wat opvalt. De gelijkspanning blijft aldoor een beetje lager dan de wisselspanning uit de transformator. Dat komt door de voorwaartse verliesspanning van de diode! Daardoor valt net niet de hele wisselspanning over de weerstand, maar de spanning – FV. De meeste elektronica zal niet goed werken op deze gelijkspanning die steeds even uitvalt!
Enkelfasig gelijkrichten met emmercondensator
Je ziet hier vrijwel hetzelfde schema, alleen is in dit geval een (emmer)condensator geplaatst na de diode. Als de wisselspanning positief is, lopen er nu twee stromen door de diode, de laststroom door de weerstand R1, plus de laadstroom voor de (emmer)condensator C1. De emmercondensator wordt dus gevuld tijdens de positieve fase. Als de wisselspanning negatief is, ontlaadt de condensator (loopt de emmer leeg) via de lastweerstand R1. Hoe kleiner de weerstand, (hoe zwaarder de last) hoe sneller de condensator ontlaadt.
Je ziet in de bovenstaande grafiek, dat de spanning in het negatieve deel van de wisselspanning terugloopt tot minder dan 3 V. Ook geen ideale situatie als je schakeling 5 V nodig heeft. Wat kan helpen is een grotere (emmer)condensator, maar de laadstroom zal dan ook flink groter worden. Je moet dan dus een bron (transformator) en diode kiezen die die grote laadstroom kunnen leveren en doorlaten.
Dubbelfasig gelijkrichten
Het gelijkrichten gaat natuurlijk veel beter als je beide helften (fases) van de wisselspanning zou kunnen gebruiken.
Verreweg de mooiste uitvinding is daarom de oplossing van de dubbelfasige gelijkrichter. De transformator heeft een midden-aftakking op de uitgangsspoel. Met behulp van twee diodes wordt nu de stroom door de lastweerstand gestuurd. Als de stroom door de trafo naar D1 loopt, zal die de stroom doorlaten naar R1. De stroom keert terug via de midden-aftakking. D2 blokkeert (spert) op dat moment. Als de stroom richting D2 loopt, zal die de stroom doorlaten naar R1, terwijl diode D1 spert. De (emmer)condensator wordt dus twee keer opgeladen per golflengte in plaats van 1 keer. Daarom zal de spanning ook minder afnemen. De negatieve fase wordt zo positief gemaakt! Vandaar de naam dubbelfasig gelijkrichten.
Diodebrug
Deze schakeling heb je nodig als de transformator geen midden-aftakking heeft en je wilt toch dubbelfasig gelijkrichten.
Telkens staan twee diodes in geleiding en twee in sper. Probeer het maar, hoe loopt de stroom als A plus is en B min? En als B plus is en A min? Het resultaat is vrijwel gelijk aan dat van de voorgaande schakeling, maar omdat de stroom steeds door twee diodes loopt, heb je te maken met tweemaal de voorwaartse verliesspanning en het dubbele verlies aan vermogen in de diodes.
De AM-demodulator
Een bijzondere enkelfase gelijkrichter is de AM-demodulator. Hij bestaat uit een diode gevolgd door een condensator.
Dit is het schema van een echt werkend radio-ontvangertje. Als je wilt, kun je het dus nabouwen.
Hoe werkt het?
De spoel L1 en de verstelbare condensator C1 vormen samen een afgestemde kring (zie resonantie) die is aangesloten op een antenne. De AM gemoduleerde draaggolf wordt via diode D1 gelijkgericht, daarna worden de hoge frequenties eruit gefilterd, dankzij C2. De lage frequenties die overblijven hebben nog genoeg energie om direct een hoog-Ohmig oordopje aan te sturen.
Historisch foutje
Alexander Volta heeft zo ongeveer in 1800 de eerste zink-koperbatterij uitgevonden. De wetenschappers van toen dachten dat de stroom van plus naar min liep en hebben dus altijd daarvoor gekozen. Pas veel later (ca 1860) ontdekte ene meneer Rutherford dat elektronen een negatieve lading hebben. En... het zijn de elektronen die door een geleider kunnen bewegen. De elektronenstroom loopt dus juist van min naar plus! Voor al onze berekeningen maakt dat helemaal niets uit en we blijven daarom de conventionele stroom van plus naar min gebruiken.
Koelplaat
In de elektronica is warmte bijna altijd onze vijand. Doordat er elektronen door de onderdelen rennen, worden die steeds warmer en gaan ze uiteindelijk aan oververhitting kapot.
Bij de meeste onderdelen staat daarom altijd een maximumvermogen vermeld. De onderdelen raken hun warmte kwijt aan de lucht die erlangs stroomt. (In bijzondere gevallen wordt ook waterkoeling gebruikt). Helaas zitten de meeste onderdelen in een kunststof huisje. Dat is begrijpelijk, omdat je niet wilt dat het onderdeel per ongeluk ergens contact maakt. Ook wil je de materialen waaruit het onderdeel bestaat, beschermen tegen oxidatie. Maar kunststof is geen goede geleider van warmte. Daarom zitten er bij onderdelen die grote vermogens moeten verwerken vaak metalen platen in het kunststof. Die platen steken naar buiten, waardoor het onderdeel veel beter kan koelen. Hoe groter het oppervlak waarlangs de lucht kan stromen, hoe beter het onderdeel zijn warmte kwijt kan. Daarom kun je het onderdeel helpen door het koeloppervlak groter te maken. Dan moet je natuurlijk gebruik maken van een materiaal dat de warmte goed geleidt, zoals koper of aluminium. Aluminium is goedkoper en lichter dan koper en daarom wordt dat gebruikt voor koelplaten. Bij een koelplaat staat vermeld hoeveel graden de temperatuur van de plaat zal stijgen per toegevoerd vermogen in watt. In Europa gebruiken we °C/W. Hoe lager deze waarde, hoe beter het koelend vermogen! Bij de meeste onderdelen staat vermeld tot welke temperatuur ze nog goed werken. Het vermogen kun je natuurlijk uit de schakeling berekenen. En op die manier kun je dan weer uitrekenen hoe groot de koelplaat moet zijn.
Een voorbeeld.
Een transistor KD880 heeft een collectorspanning van 12 V. De emitterspanning is 4 V. de stroom is 2 A.
De veilige werktemperatuur is 60°C. De omgevingstemperatuur is 20 °C.
Over de transistor valt 12 - 4 = 8 V Het vermogen dat de transistor in warmte moet omzetten is 8 V x 2 A = 16 W.
De transistor mag maximaal
60-20 =40 °C opwarmen.
Je moet dus een koelplaat monteren van 40/16 °C/W = 2,5 °C/W.
Kracht
Als we goed om ons heen kijken, zien we overal krachten aan het werk. Dingen die we in de lucht gooien, vallen allemaal terug op aarde. De aarde trekt aan alle voorwerpen en dat noemen we zwaartekracht. Als we twee magneten bij elkaar houden, duwen ze elkaar weg of trekken ze elkaar juist aan. Dat noemen we de magnetische kracht.
Iets wat duwt of trekt aan een voorwerp noemen we een kracht.
Er zijn (tot nu toe) vier onverklaarbare trekkers en duwers gevonden:
De zwakke kernkracht zorgt voor de energie-uitwisseling binnen de atoomkern.
De sterke kernkracht zorgt ervoor dat de atoomkernen bij elkaar blijven.
De zwaartekracht zorgt ervoor dat alles op de aarde blijft staan en dat de planeten in hun baan blijven.
De elektromagnetische kracht zorgt ervoor dat de elektronen rond de kern van het atoom blijven. Deze kracht maakt onze elektronica mogelijk.
Krachten zijn heel geheimzinnig, ze zijn onzichtbaar en niemand weet precies waarom ze bestaan.
Logische schakelingen
Het woord logisch wordt voor een heleboel zaken gebruikt, maar in de elektronica heeft het een heel duidelijke betekenis. Een logische schakeling is een schakeling waar je nullen en énen in kan stoppen en waar ook weer nullen en énen uitkomen. Een logische schakeling reageert altijd hetzelfde op de nullen en énen die je er in stopt. Een nul en een één zijn altijd een vaste spanning. In 5 V logica is dat bijvoorbeeld 0 V en 5 V. Logische schakelingen werken dus binair. Er zijn maar een paar basisschakelingen die je heel gemakkelijk kunt begrijpen en toepassen. Met logische schakelingen kun je heel veel leuke schakelingen bedenken.
Logische poorten
Een poort is een boog waar je onderdoor kunt lopen, soms met een deur erin. Je gaat een poort in en je komt er aan de andere kant weer uit. En zo zit dat precies met logische poorten. Er zijn drie basispoorten, waarmee je heel veel combinaties kunt maken.
De OF-poort, de EN-poort en de NIET-poort.
De Niet-poort heeft 1 ingang en 1 uitgang. De uitgang is altijd tegengesteld aan de ingang. Daarom wordt de NIET-poort ook wel een omkeerder (inverter) genoemd. De gemeenschappelijke emitterschakeling met de NPN-transistor is in feite ook een NIET-poort.:
De OF-poort heeft twee (of meer) ingangen. De uitgang wordt 1 als één van de beide ingangen 1 wordt. Een OF-poort is heel eenvoudig te maken met diodes
De EN-poort heeft ook twee (of meer) ingangen. De uitgang wordt 1 als beide ingangen 1 worden.
De EN-poort is ook eenvoudig te maken met diodes.
Even afgezien van alle elektronische beperkingen kun je de ingangen van de EN-poort en de OF-poort (logisch gezien) onbeperkt uitbreiden.
Dus je kunt een alarm af laten gaan als er op één van de zoveel ingangen van de OF-poort een 1 binnenkomt, bijvoorbeeld van een glasbreuksensor.
Of je kunt ervoor zorgen dat je een beslissing alleen maar met zijn allen kunt nemen. Ontbreekt er ergens een 1 op één van de ingangen van de EN-poort dan komt er geen 1 op de uitgang.
De flipflop
In schakeling 9 vind je een schakelaar die steeds omschakelt als je op een knop drukt. Dat is precies wat een flip flop doet. Een flipflop is een logische schakeling die steeds als je hem bedient de twee uitgangen omwisselt. Er zijn veel variaties van de flipflop bedacht maar het omschakelen doen ze allemaal. Omdat je met een flipflop een logische houdschakelaar hebt kun je hem goed gebruiken als binair geheugen. Elke flipflop kan precies 1 bit onthouden.
Er zijn heel veel logische schakelingen als geïntegreerde schakeling te koop. Er bestaan zelfs geïntegreerde schakelingen (IC) waarvan je de logische functies kunt kiezen door ze te programmeren.
Magnetisme
Magnetisme is een kracht, waarvan we het waarom niet kennen. Wat we wel weten is dat magnetisme met elektrische kracht te maken heeft. Een magneet bestaat altijd uit een noordpool en een zuidpool. Gelijke polen stoten elkaar af en tegengestelde polen trekken elkaar aan. Een magnetisch gevoelig materiaal, zoals ijzer, nikkel of kobalt, wordt zelf ook magnetisch als het in een magneetveld komt. De magnetische kracht wordt door magnetisch gevoelige materialen doorgegeven. Het voorwerp wordt een magneet die de noordpool heeft waar hij met een zuidpool wordt aangeraakt en omgekeerd. Als een magnetisch gevoelig voorwerp langdurig in een sterk magneetveld blijft, wordt het zelf ook een magneet
Als het voorwerp daarna uit het magneetveld wordt gehaald blijft het vaak magnetisch. Dat heet remanent magnetisme. Meestal verliest het voorwerp na lange tijd dit remanent magnetisme weer. Voorwerpen die voor altijd magnetisch zijn, worden permanent magneten genoemd. Het feit dat een draad, of beter nog een spoel, waar stroom door loopt ook magnetisch wordt, noemen we elektromagnetisme. Elektromagnetisme en magnetisme spelen een grote rol in ons leven. Overal waar elektrische energie wordt omgezet in mechanische energie (o.a. elektromotor) en waar mechanische energie wordt omgezet in elektrische energie (o.a. dynamo), worden deze twee vormen van elektromagnetisme toegepast. Zie de projecten dynamo en mono-polaire motor voor eenvoudige uitleg.
Meten
Meten is heel bijzonder, omdat het onzichtbare dingen zichtbaar maakt, meestal in de vorm van cijfers en letters. In de elektronica meten we natuurlijk vooral stroom, spanning en weerstand. Om dat te doen hebben we een sensor en een meter nodig. Een sensor is en onderdeel dat een signaal omzet in een elektrisch meetbaar signaal. De eenvoudigste sensor is een weerstand. Als we een stroom door een weerstand sturen komt er een spanning over de weerstand te staan. Hoe groter de stroom, hoe groter de spanning. Met een spanningsmeter kunnen we dan die spanning meten en steeds de bijbehorende stroom berekenen. Vervelend is natuurlijk wel dat de meetweerstand zelf ook de stroom hindert dus ervoor zorgt dat de meting niet helemaal klopt. Als voorbeeld een kring bestaande uit de batterij B1 en de weerstand R1. De spanning die BI levert is. 5 V. , R1 = 1 Ω.
Je wilt de stroom door deze kring meten.
Dankzij de wet van Ohm weten we dat de stroom door R1 gelijk moet zijn aan 5 A.
Nu plakken we onze sensor van 1 Ω in de kring. De meter wijst maar 2,5 A aan! Hoe kan dat? Is de meter soms stuk? Nee, de meter doet het prima. Dankzij onze meetweerstand is de totale weerstand in de kring nu 2 Ω geworden. En 5 V gedeeld door 2 Ω is 2,5 A.
Zonder meetweerstand is de stroom 5 A met meetweerstand is de stroom 2,5 A. We hebben een meetfout van maar liefst 50%. We kiezen daarom bij het meten van stroom onze meetweerstand zo klein mogelijk. Het hele kleine spanningsverschil over deze weerstand wordt dan enorm versterkt met een vast getal en dan pas gemeten. In het voorbeeld kunnen we een meetweerstand van 0,1 Ω toepassen en het signaal 10x versterken. Het meetresultaat is dan 5/1 , 1 = 4,5 A Dat klopt al heel wat beter
Bij het meten van spanning hebben we een vergelijkbaar probleem. De meter gebruikt ook een weerstand als sensor.
Die weerstand komt parallel te staan aan de weerstand waarover we de spanning willen meten.
De totaalweerstand wordt daardoor kleiner.
Je wilt bijvoorbeeld de uitgangsspanning van een spanningsdeler meten. De spanningsdeler bestaat uit R1 en R2 allebei 1 kΩ. De batterij levert 5V.
Dankzij de wet van Ohm weten we dat de spanning over weerstand R2 precies 2,5 V moet zijn.
Je sluit de meter aan en die wijst iets minder dan 1,7 V aan! Is de meter soms stuk? Nee, door de inwendige weerstand (sensor) van de voltmeter staat er nu een weerstand parallel aan R2.
De totaalweerstand wordt daar nu 500 Ω! De spanning is daarom nog maar 1/3 van 5 V en dat is ongeveer 1 , 7 V.
Weer een flinke meetfout dankzij de meetweerstand. Daarom gebruiken we bij het meten van spanning juist een zo hoog mogelijke meetweerstand. Meetweerstanden hebben ook nog een tolerantie die van invloed is op je meting. De nauwkeurigheid van je meting hangt dus af van je sensor, maar ook van je eigenlijke meter.
Tegenwoordig meten we vrijwel alles digitaal. Dat wil zeggen dat we de tijd verdelen in hele kleine stapjes van bijvoorbeeld een milliseconde en steeds als er een stapje voorbij is een meting doen. Een 'sample nemen' noemen we dat ook wel. Elke sample wordt weergegeven door een getal. Dat doen we met behulp van een analoog naar digitaal omzetter. Door slim te rekenen (bijvoorbeeld steeds het gemiddelde van de laatste 10 samples nemen) krijgen we een waarde die we kunnen weergeven op een scherm. Als je meter weinig samPles per seconde kan converteren zie je korte spanningspieken niet. Je moet dus wel precies weten wat de eigenschappen van je meter zijn om te weten of de gemeten waarde een beetje klopt met de werkelijkheid.
De universeelmeter
En dan nu de op dit moment het meest gebruikte meter, de universeelmeter ook wel multimeter genoemd. Universeel omdat hij heel veel verschillende dingen kan meten en vaak nog een aantal handige trucjes in huis heeft. Je hebt ze in allerlei soorten en maten en van heel goedkoop tot peperduur. Als we rekening houden met een nauwkeurigheid die we voor ons doel prima kunnen gebruiken ben je voor een paar tientjes in bezit van een prima universeelmeter.
Laten we zo'n meter maar eens bekijken. Nogmaals er zijn vele soorten en maten dus elke meter kan er weer anders uitzien.
Boven zie je een beeldscherm waarop de gekozen functie en het meetresultaat zichtbaar zijn. Daaronder vaak één of meerdere toetsen om extra functies te kiezen. In het midden een draaischakelaar waarmee je een meetbereik of functie kiest. Onderaan tenslotte de aansluitpunten voor de meetsnoeren.
Wat kan zo'n meter nu allemaal? Dat kunnen we handig zien aan de schakelaar waarmee je de functies kiest. De knop staat nu op UIT, en daar moet je hem zelf ook elke keer zetten als je niet hoeft te meten. De meter werkt namelijk op een batterij en als je hem aan laat staan loopt de batterij leeg! Eén stap naar rechts gaat de meter wisselspanning meten met 500 V als maximum. Nog een stap naar rechts is de gevoeligheid wat groter en meet je wisselspanningen tot 200 V. Daarna kun je gelijkstroom meten van heel nauwkeurig (2 mA volle schaal) tot 10 A. Let op, om 10 A stroom te meten moet het zwarte meetsnoer worden aangesloten op de stroommeet-ingang. Dit is bijna bij alle multimeters zo. Bij de volgende stap levert de meter zelf een blokspanning die je kunt gebruiken als testsignaal.
De stap daarna is een doorfluiter en diodetest. Het doorfluiten zorgt ervoor dat de meter een pieptoon geeft als er een hele lage weerstand tussen de meetpennen staat. Zo kun je bijvoorbeeld kabels testen. Een pen aan elke kant, fluit de meter niet dan zit er ergens een onderbreking. De diodemeting maakt handig gebruik van de voorwaartse verliesspanning van een diode. Een goede diode laat in de geleide richting een spanningsval van tussen de 0,3 en 1,2 V zien en in de sperrichting is de spanning gelijk aan de voedingsspanning dus veel hoger. De volgende stappen laten je een weerstand meten in steeds grotere stappen van 200 Q volle schaal tot en met 200 MQ volle schaal. En tenslotte kun je in afnemende nauwkeurigheid gelijkspanning meten van 200 mv tot 500 V volle schaal. Dat is al ongelooflijk veel, voor een meter die nog geen 20 euro kost. Laten we naar de specificaties kijken, of wel hoe nauwkeurig meet de meter? Volgens de specificatie meet deze meter gelijkspanning met een onnauwkeurigheid van ± 0,8% Wisselspanning met een onnauwkeurigheid van ±2% Gelijkstroom met een onnauwkeurigheid van ± 2% en weerstanden met een onnauwkeurigheid van ± 1 tot 1,5%.
Meet je 10 V gelijkspanning dan zit de werkelijke spanning ergens tussen de 9,84 V en 10,16 V. Meet je een gelijkstroom van 100 mA dan zit de werkelijke stroom ergens tussen de 96 mA en de 104 mA in. Het is daarom belangrijk dat je van tevoren weet hoe nauwkeurig je wilt meten en hoe nauwkeurig je kunt meten. Bedenk daarbij dat het bij grote waarden niet zinvol is om heel precies te meten. Als je de afstand tussen Parijs en Utrecht wil meten, doe je dat uiteraard in kilometers, niet in millimeters. De dikte van een haar meet je in microrneters en niet in kilometers. Bij de multimeter wordt de nauwkeurigheid dan ook gegeven voor de volle schaaluitslag per meetbereik. In het bereik van 200 mA is de nauwkeurigheid ± 0,2% van 200mA dus ± 0,4 mA.
Microcontroller
Een microcontroller kun je goed vergelijken met een rekenmachine. In het hart van de rekenmachine zit een controller die al het verkeer regelt. Met je toetsenbord kun je getallen of opdrachten doorgeven aan de controller. Je toetsenbord vertaalt die getallen eerst naar binaire getallen, anders snapt de controller ze niet. De controller ziet aan het getal of het om een echt getal gaat of om een opdracht. Hij beslist vervolgens waar hij het getal naar toe stuurt. Hij kan het getal bijvoorbeeld even bewaren in het werkgeheugen of naar de rekeneenheid sturen. Als hij het getal weer naar jou terug wil sturen dan stuurt hij het naar het beeldscherm. Daar wordt het binaire getal weer keurig vertaald naar een voor jou leesbaar getal.
Als voorbeeld reken we uit 2+3 = 6
De invoer wordt steeds eerst vertaald naar binaire getallen, de uitvoer wordt steeds vertaald naar voor ons leesbare cijfers. Eerst voer je een 2 in met het toetsenbord. Dat stuurt het getal binair (0010) naar de controller. Die zet het getal in het werkgeheugen en stuurt het naar het beeldscherm. Je ziet daar dus het getal 2 verschijnen. Nu druk je op het plus teken. De controller ontvangt de binaire opdracht plus en zet die in het werkgeheugen en op het beeldscherm. Nu voer je een 3 in met het toetsenbord. Ook dat getal komt bij de controller en die zet het getal weer in het geheugen en op het beeldscherm. Tenslotte druk je op het is teken. De controller ontvangt het is teken en stuurt nu de 2, de 3 en het plus teken naar de rekeneenheid. Deze voert de optelling uit en stuurt 6 terug naar de controller. De controller stuur de 6 naar het werkgeheugen en naar het beeldscherm.
Dit zijn dus de onderdelen van een rekenmachine:
Werkgeheugen
Een rekeneenheid
Een verkeersregelaar of controller
Invoer (toetsenbord)
Uitvoer (beeldscherm)
Het werkgeheugen, de rekeneenheid en de controller samen in een huisje (geïntegreerd, dus zonder toetsenbord en beeldscherm) noemen we een microcontroller.
Een microcontroller heeft daar bovenop een programmageheugen. Daarin kun je een hele rij opdrachten zetten (uiteraard ook binair) die door de microcontroller worden uitgevoerd. Als de controller aan het einde van de rij komt begint hij weer van voren af aan. Zo’n rij opdrachten (instructies) noemen we een programma. En het schrijven van een programma noemen we programmeren.
Daarnaast zijn vaak een aantal poorten (interfaces) naar de buitenwereld opgenomen. De meest bekende zijn de beeldscherminterface en de toetsenbordinterface.
Moderne microcontrollers zitten bovendien boordevol slimme oplossingen, vooral om ze sneller, efficiënter en betrouwbaarder te maken. Er bestaan heel veel soorten microcontrollers met hun speciale eigenschappen en vaak hun eigen taal. Met een microcontroller kun je ongelooflijk veel maken. Hij is onmisbaar voor een uitvinder. Voor beginners is Arduino erg fijn. De taal is eenvoudig te leren en je kunt al snel hele leuke dingen maken.
Moduleren en demoduleren.
Elektromagnetische golven (radiogolven) reizen met de snelheid van het licht. Als het lukt om boodschappen te verpakken in radiogolven kunnen we die boodschappen dus met de snelheid van het licht versturen. Een boodschap verpakken in een licht of radiogolf heet moduleren. De allereenvoudigste modulatie is ‘aan en uit’. Met een zaklantaarn kun je morsetekens oversturen of ASCII-codes. En zelfs typisch analoge dingen als muziek of beeld, als die maar eerst zijn gedigitaliseerd; vertaald in ‘lampje aan en lampje uit’.
Er zijn nog andere manieren om boodschappen in een radiogolf te verstoppen: amplitudemodulatie (AM) en frequentiemodulatie (FM). Dat klinkt ingewikkeld, maar dat is het juist helemaal niet! Eigenlijk heeft een (elektromagnetische) golf maar twee kenmerken: de lengte van een compleet golfdeel en de hoogte. De hoogte van de golf heet de amplitude. Bij amplitudemodulatie veranderen we dus de hoogte van de golf.
Zoals je weet, kan het menselijk oor frequenties horen van ongeveer 30 Hz tot 20 kHz Een radiogolf heeft juist hele hoge frequenties, zoals 2,4 gHz voor wifi: 2,4 miljard Hz.
Geluid zelf reist traag en dooft snel uit, maar een radiogolf reist supersnel over enorme afstanden. Als we de amplitude van die snelle radiogolf laten variëren in de maat van de geluidsgolf, dan reist de geluidsgolf mee met de radiogolf.
Hier zie je hoe we door de amplitude van de radiogolf te veranderen een langzamere frequentie mee kunnen sturen. De radiogolf wordt heel toepasselijk draaggolf genoemd, hij draagt immers de lagere frequentie met zich mee.
Je kunt natuurlijk ook de lengte van een compleet golfdeel veranderen. Daarmee verander je de frequentie van de draaggolf. Het resultaat zie je op het plaatje hiernaast. Ook hier zit de lage frequentie verstopt in de hoge. We noemen het frequentiemodulatie of FM. Het plaatje is erg overdreven, meestal is de variatie heel klein ten opzichte van de draaggolf.
De truc om de lage frequentie in de hoge te verstoppen heet dus moduleren. Wil je de lage frequentie er weer uithalen dan moet je demoduleren.
Montageprint
Als je op je experimenteerbordje een leuke, goed werkende, schakeling hebt gemaakt, wil je die natuurlijk graag ergens gaan gebruiken. In dat geval is het experimenteerbordje juist erg onhandig. Voor kleine schakelingen kun je dan een stukje montageprint gebruiken. Dit is een printplaat met alleen maar rijen gaatjes. De pootjes van de onderdelen steek je door de gaatjes en soldeer je vast. Met draadjes maak je nu de soldeerverbindingen tussen de onderdelen.
Op het plaatje zie je de schakeling “de bliksemmachine” gebouwd op een montageprint. Links de bovenzijde met de onderdelen en de koelplaat. De verbindingen aan de onderzijde zie je er vaag doorheen schijnen net zoals de eilandjes. Rechts de onderkant van het stukje montageprint met alle verbindingen. Op de rode stippen steekt een pootje van een van de onderdelen door het gaatje. Die eilandjes zijn dus gesoldeerd. Er zijn verschillende montageprintjes te koop, met doorverbonden eilandjes in rijtjes of in groepjes en speciale modellen voor microcontrollerbordjes.
Morsecode en ASCII-code
Waarom de ASCII-code werd ingevoerd.
Morsecode bestaat uit korte en lange signalen in licht of als pieptoon. Om de lange en de korte signalen goed te kunnen onderscheiden is afgesproken dat de lange minimaal drie keer zo lang moeten zijn als de korte signalen. Verder moet er tussen elk teken een pauze zitten van minimaal 1 lang signaal. Je snapt al dat dat best lastig is, want de ene marconist is nu eenmaal sneller dan de andere! Bovendien is het aantal tekens nogal beperkt.
Morsecode is foutgevoelig en traag. Dat komt omdat het verschil tussen nul en één een tijdverschil is dat niet precies is afgesproken. Vooral als je onderweg de tel kwijtraakt, weet je niet meer waar een nieuw teken begint. Morsecode is traag, omdat alle tekens zijn opgebouwd met lange en korte signalen. Kijk maar eens naar het cijfer 0, liefst 5 x een lang signaal! Wil je meer tekens maken dan worden die steeds langer.
De ASCII-code is een digitale code
Elk teken wordt voorafgegaan door een pauze van een afgesproken tijd. Daarna volgen steeds 8 nullen of énen van een afgesproken tijd, die samen een teken vormen. De nul is even lang als de één. Simpel gezegd is de nul 0 V en de 1 een vaste spanning, bijvoorbeeld 5 V. Je kunt op die manier 255 tekens maken die allemaal precies even lang zijn. Omdat de machines na elke startpauze weer precies in de pas lopen, kun je met veel kortere bit-tijden werken. De overdracht is daardoor veel sneller en voor alle tekens even snel.
Ter vergelijking: Het morsecijfer nul bestaat uit 5 x lange signalen en vier korte pauzes. Dat wil zeggen de tijd van 19 korte signalen.
Elk teken in de ASCII-code bestaat uit 8 korte signalen.
Inmiddels bestaan er alweer grote uitbreidingen op de ASCII-code vanwege alle speciale tekens, alle talen met eigen tekens en de wis- en natuurkunde met eigen tekens. De code is daarom uitgebreid naar 16 bits, waarmee 65535 tekens kunnen worden gemaakt.
Oscilleren
Je hebt vast wel eens meegemaakt dat een microfoon rondzingt. Een nare fluittoon overstemt al het andere geluid. Hoe komt dat? Het geluid uit de luidsprekers komt weer in de microfoon terecht. Voor bepaalde tonen wordt het geluid precies 1 of zelfs meer keer versterkt. Voor die tonen gaat het geluid steeds maar rond
op maximaal volume. Het houdt pas op als de kring wordt onderbroken Dat heet oscilleren. Rondzingen is heel vervelend, maar oscilleren wordt in de elektronica heel veel gebruikt. Om zenders of sirenes te bouwen bijvoorbeeld. Als je een signaal aan de uitgang terugstuurt naar de ingang en de versterking is minstens 1 dan gaat zo'n schakeling oscilleren.
Voorbeelden vind je in de schakelingen 12, 13 en 14.
Ruis
Als je je ogen dichtdoet en vooral goed luistert, kom je erachter dat de wereld vol lawaai is. Je hoort geluiden van verschillende bronnen: het autoverkeer op de snelweg een eindje verderop, een vliegtuig dat hoog boven je passeert, vogels die fluiten in de bomen, de wind die ruist door de bladeren, enzovoort. Achtergrondruis noemen we dat. Je brein is prima in staat om die geluiden te negeren, zodat je alleen de stem van je vriend of vriendin hoort. Ook elektrische signalen kennen ruis. Die ruis komt, net als het achtergrondgeluid, uit verschillende bronnen. De warmtebeweging van de atomen zorgen voor ruis uit weerstanden, transistoren en versterkers. Schakelende voedingen zorgen voor heel veel schakelpieken op de voeding. Elektromagnetische straling wordt opgevangen door draden en/of printsporen. Al die ruis wordt versterkt met het eigenlijke signaal mee. .Soms is de ruis zo sterk dat het signaal erin ‘verdrinkt’.
Ruis is in de elektronica in 99% van de gevallen een grote bron van narigheid. Vandaar dat er heel veel is nagedacht over hoe je ruis moet voorkomen of uitschakelen. Dat is een vak op zich geworden, waarbij filters een belangrijk onderdeel zijn van de oplossing. Helemaal ruisvrij werken is een illusie. Digitale techniek biedt een goede bescherming tegen ruis in de signaalketen. Het signaal is immers nul of één. De kleine ruissignalen vallen dan vanzelf buiten de boot.
Toch is digitale techniek niet onkwetsbaar. In de signaalketen zelf is nul niet altijd exact nul en één niet altijd exact één. Daarom wordt opgegeven welke grenzen er gelden:
Bij 5 V logica bijvoorbeeld, wordt ‘kleiner dan 0,9 V’ gezien als nul en groter dan 3,7 V wordt gezien als één.
Is een signaal 1 dan wordt het pas nul als het eventjes lager wordt dan 0,9 V. Is het signaal nul dan wordt het pas één als de spanning eventjes boven de 3,7 V stijgt. De tussenruimte wordt hysterese genoemd. Als je signaal 4 V is dan is dat, in dit geval, gelijk aan 1. Komt er een ruissignaal van -3,2 V langs dan is de 1 een 0 geworden! Hoe lager de spanning hoe kleiner de hysterese en hoe gevoeliger de signalen voor ruis. En we willen juist de spanning omlaag brengen vanwege het grote vermogen dat microcontrollers anders gaan gebruiken.
Slimme uitvinders werken al tijden aan dit probleem, zodat we toch met steeds lagere voedingsspanningen kunnen werken.
Schakelaar
Meestal wil je de stroom in een stroomkring aan of uit kunnen zetten. De lamp in je kamer laat je bijvoorbeeld niet altijd aan staan.Gelukkig zit er een schakelaar in de muur, waarmee je de lamp aan of uit kunt doen. Een schakelaar bestaat meestal uit twee stukjes geleidend materiaal die je tegen elkaar aan kunt drukken. Zoals de momentschakelaar in het project "Een lampje bij je bed"
Omdat er veel verschillende schakelaars zijn zijn er ook veel verschillende symbolen. Het principe is echter steeds gelijk. Zodra de geleiders tegen elkaar aankomen, maken ze contact en is de stroomkring gesloten. De geleiders in een schakelaar worden daarom contacten genoemd. Een schakelaar heeft dus contacten die kunnen worden gesloten of geopend. Bij gesloten contacten verbindt de schakelaar de aangesloten draden met elkaar, bij geopende contacten juist niet
Er bestaan dus heel veel verschillende schakelaars. De meest voorkomende zijn drukschakelaars, tuimelschakelaars en draaischakelaars. Een tuimelschakelaar blijft altijd in de stand staan waarin je hem hebt gezet. Om het licht aan of uit te doen wordt meestal een tuimelschakelaar gebruikt. Een draaischakelaar heeft vaak meerdere etages met elk een eigen schakelpatroon. Je vind ze bijvoorbeeld in de universeelmeter. Contacten kunnen bij hoge spanningen en of stromen verbranden. In dat geval worden speciale schakelaars (schakel-walsen) gebruikt die met stikstof zijn gevuld of waar de lucht uit is gezogen.
Schema en schakeling
Stel jezelf voor als de dierentemmer in het circus. Alleen jouw dieren zijn miljarden jaren oud, het zijn elektronen. En jij kunt ze de moeilijkste kunstjes laten doen. Daar is door een brandende hoepel springen niks bij. Om ze die kunstjes te laten doen, laten we in schakelingen de elektronen door zelfbedachte doolhofjes stromen. In die doolhofjes zetten we allerlei hindernissen, glijbanen en nog veel meer elektronica onderdelen. Het is lastig om zo’n doolhofje te ontwerpen als je je er geen voorstelling bij kunt maken. Daarom maken we van elk doolhofje een heel precieze tekening. Zo’n tekening noemen we een schema. Elk onderdeel heeft een eigen symbool en elke verbinding is een lijn. Bovendien heeft elk onderdeel in het schema een eigen cijfer/lettercombinatie, zodat je altijd precies weet over welk onderdeel je het hebt. Het tekenen kun je prima op een papiertje doen, maar bij grote schakelingen wordt dat wel moeilijk. Met de tekensoftware (CAD) van tegenwoordig kun je heel makkelijk een schema tekenen. En meteen op basis van het schema dat je hebt getekend een gedrukte bedrading ontwerpen. Er is gelukkig ook een ‘open source’ project, zodat je gratis over een goed softwarepakket kunt beschikken. Https://kicad-pcb.org/.
Serieel en parallel
Weerstanden in serie
Als je weerstanden achter elkaar schakelt ; in serie, wordt de totale weerstand steeds groter, namelijk de som van alle weerstanden.
Serie: R-totaal = R1+R2+R3 (enzovoort)
Samen 16 Ω (onthoud: altijd groter dan de grootste)
Weerstanden parallel
Als je weerstanden naast elkaar schakelt, parallel, wordt de totale weerstand steeds kleiner.
De totaalweerstand kun je berekenen met de volgende formule:
Parallel: 1/R-totaal = 1/R1+1/R2+1/R3 enzovoort.
Samen 2,6 Ω (onthoud: altijd kleiner dan de kleinste)
De zwarte lijntjes zijn de verbindingsdraden en hebben 0 Ω weerstand. In de tekeningetjes heb ik de hoogste weerstand als de smalste buis getekend. In echte elektrische schematekeningen zijn de blokjes allemaal gelijk en staat er gewoon de waarde bij of in.
Serie en parallel schakelen van condensatoren
Condesatoren in serie
Als je condensatoren achter elkaar plakt (in serie) wordt de capaciteit steeds kleiner en de wisselstroomweerstand steeds groter.
Bij serieschakeling bestaat de vervangingswaarde uit de optelling van de omgekeerde waarden:
1/C-totaal = 1/C1+1/C2+1/C3 (enzovoort)
(Dat is net omgekeerd is als bij de weerstand)
Condensatoren parallel
Als je condensatoren parallel schakelt, wordt de capaciteit steeds groter. Dat is eenvoudig te begrijpen omdat de AC-spanning over de condensatoren overal gelijk is en het plaatoppervlak elke keer toeneemt als je een extra condensator parallel schakelt.
Voor de vervangingscapaciteit C van de parallel geschakelde condensatoren C1 t/m Cn tellen we de capaciteit van de condensatoren bij elkaar op.
C-totaal = C1+C2+C3 (enzovoort)
Serie en parallel schakelen van spoelen
Met spoelen is niet zo makkelijk te rekenen als met weerstanden en condensatoren. Spoelen zijn gevoelig voor magnetische velden, maar ze maken ze ook zelf als je er stroom door stuurt!
Als je spoelen dus achter elkaar of naast elkaar legt zullen ze altijd elkaars magneetveld voelen.
Spoelen in serie
Omdat de zelfinductie van een spoel recht evenredig is met het aantal windingen is de formule voor een serieschakeling eenvoudig:
L-totaal = L1+L2+L3 enzovoort.
De gelijkstroomweerstand telt ook bij elkaar op, maar de parasitaire capaciteit neemt juist af. Maar door de magnetische velden van de in serie geschakelde spoelen is de uitkomst van de formule niet nauwkeurig.
Spoelen parallel
Voor het parallel schakelen van spoelen zijn geen eenvoudige rekenregels te geven. Spoelen danken hun wisselstroomweerstand aan het feit dat zij een magnetisch veld moeten opbouwen dat in overeenstemming is met de stroom die door de spoel loopt. Dat magnetisch veld beïnvloedt helaas ook hier de spoelen die naast een spoel worden geplaatst. Als we dat even vergeten, zou je de volgende formule kunnen gebruiken:
Wat ook kan, is dat de spoelen volkomen in elkaars magnetisch veld liggen. Als de richting van hun velden gelijk is, zal de parallelschakeling geen gevolgen hebben voor de zelfinductie. De gelijkstroomweerstand neemt uiteraard wel af.
Als de richting van hun velden tegengesteld is, heffen zij elkaars zelfinductie op! Als ze daarbij ook nog van verschillende waarde zijn, gaan er onderling stromen lopen, waardoor ze heet kunnen worden en kapot kunnen gaan! Het is dus belangrijk om serie en parallel geschakelde spoelen in de praktijk na te meten.
SMC of SMD
De oude onderdelen die ik vroeger gebruikte zijn vaak groot en lomp. Moderne onderdelen voor op een print zijn veel kleiner. Ze worden direct op het oppervlak van de printplaat gesoldeerd en worden daarom ‘surface mounted components’ of ook wel “surface mounted devices” genoemd.
Er bestaan nog steeds onderdelen met pootjes.
Gelukkig maar, want voor ons uitvinders is het heel gemakkelijk om even snel wat in elkaar te prutsen op een experimenteerbordje. Huh, een experimenteerbordje? Wat is dat nu weer?
Speciaal voor de knutselaars worden er experimenteerbordjes gemaakt, dat zijn dikke plastic platen met gaatjes waaronder koperen veertjes zitten. Die veertjes zijn in rijen met elkaar verbonden, zodat je snel een schakeling in elkaar kunt zetten. De officiële naam is breadboard en je gaat er beslist één nodig hebben, gelukkig zijn ze niet duur. Op de foto zie je een breadboard met 2 x 20 rijtjes van 5, met elkaar verbonden, gaten en daaronder en boven voedingslijnen ook steeds verdeeld in groepjes van 5. Ik heb in het bovenstukje van de tekening met lijntjes laten zien hoe de koperveertjes verbonden zijn:
In rij 1 zijn a, b, c, d en e met elkaar verbonden. En ook f, g, h, i en j. Dit is voor elke rij precies gelijk. Bij de voedingslijnen rood en blauw zie je dat steeds 5 gaatjes onder elkaar zijn verbonden. Als voorbeeld: De dikke rode draad van links zit via de plus voedingspinnen verbonden met de weerstand. De andere kant van de weerstand is via rijtje 8 verbonden met de led. Het andere pootje van de led zit in rij 10. Rij tien zit met een blauwe draad verbonden met de min voedingspinnen en daarop is de dikke blauwe draad aangesloten. Als je een batterij aansluit op de rode en blauwe draad gaat de led dus aan.
Solderen
Metalen worden vloeibaar als je ze verhit. Metalen hebben niet allemaal hetzelfde smeltpunt. Koper smelt pas bij 1080 °C. Zilver smelt bij 960 °C en tin bij 230 °C.
Als je metalen mengt (legeren heet dat) dan heeft het mengsel (de legering) geen precies smeltpunt, maar wordt zij eerst stroperig en dan steeds vloeibaarder als de temperatuur verder oploopt.
Tegenwoordig gebruiken we een mengsel van tin en zilver als soldeer. Soldeer kun je met een soldeerbout (een verwarmde punt metaal met een hoog smeltpunt) vloeibaar maken. Als je dat vloeibare metaalmengsel tegen een ander metaal met een hoger smeltpunt houdt, ontstaat er op het grensvlak ook een legering. Laat je de metalen daarna in rust afkoelen dan zitten ze mechanisch en elektrisch goed aan elkaar vast.
Daar maken we gebruik van als we onderdelen aan elkaar of op een printplaat willen solderen. Tin/zilversoldeer is goed verwerkbaar bij ca 380°C. Helaas verliest je soldeerstift ook atomen aan de hete vloeistof, zodat die langzaam wordt ‘opgegeten’. Verder kan vloeibaar metaal zich heel makkelijk verbinden met de zuurstof uit de lucht (oxideren). Metaaloxides geleiden heel slecht warmte en elektriciteit, dus die kunnen we niet gebruiken. Daarom wordt aan het soldeer een anti-oxideermiddel (flux) toegevoegd. In de moderne soldeer zit dat middel al in de soldeerdraad. Het is handig om eens naar een online soldeercursus of demonstratie te kijken. Zo heb je snel door hoe het moet. Goed laten vloeien en niet te veel soldeer gebruiken zijn vast twee belangrijke aanwijzingen.
Spoel
Een spoel is een onderdeel dat bestaat uit een geleidende draad gewikkeld om een spoelvorm al dan niet met kern.
Om een spoel te begrijpen moeten we terug naar de natuurkundeles. Daaruit weten we dat rond een draad waardoor stroom loopt een magnetisch veld ontstaat.
Door de draad nu om een spoellichaam te wikkelen versterken de windingen elkaars magnetisch veld en wel zo dat de spoel aan een uiteinde een magnetische noordpool opwekt en aan het andere uiteinde uiteraard de zuidpool (afhankelijk van de stroomrichting)
Ook spoelen bestaan in vele soorten en maten en met verschillende kernmaterialen, maar het basisprincipe van de spoel is altijd hetzelfde: een spoel werkt altijd een verandering in stroom tegen. En dat komt omdat de toenemende stroom in een spoel een toenemend magnetisch veld veroorzaakt, een magnetische golf dus.
De spoel zit dus in een magneetgolf die hij zelf veroorzaakt. Die magneetgolf echter zorgt voor een tegenstroom in de spoel. Of om in beeldtaal te blijven: de magneetgolf laat de spoel naar de andere kant scheef hangen, zodat de elektronen terug willen rollen. Elke veranderende stroom door een spoel veroorzaakt een veranderend magnetisch veld dat een tegengestelde elektronenbeweging op gang brengt. Dat noemen we zelfinductie.
Watermodel van de spoel
In het watermodel wordt een spoel voorgesteld als een schoepenrad dat een vliegwiel aandrijft.
a) In eerste instantie is het rad in rust.
b) Als we nu waterdruk aansluiten zal het rad eerst een hele hoge weerstand bieden. Langzaam begint het rad te draaien en als het eenmaal draait, zal het makkelijker steeds sneller gaan draaien.
c) Totdat het water bijna geen hinder meer ondervindt van het rad.
d) Draaien we nu de richting van de waterdruk om, dan zal het schoepenrad eerst nog doordraaien en daarmee de waterdruk nog hoger maken. Het rad zal nu snelheid verminderen door de tegendruk en uiteindelijk tot stilstand komen.
e) Daarna begint het rad de andere kant uit te draaien. eerst langzaam maar dan steeds sneller.
f) totdat het water bijna geen hinder meer ondervindt.
Je ziet dat er steeds eerst spanning over de spoel komt te staan en dat er daarna pas stroom gaat lopen. Dat noemen we na-ijlen, Bij een wisselspanning ijlt de stroom door de spoel 90° na op de spanning. Een spoel doet dus precies het tegenovergestelde van een condensator!
Een spoel kan dankzij het vliegwiel ook energie opslaan. En een spoel werkt verandering tegen door de zelfinductie. Daardoor is de spoel een goede geleider voor gelijkstroom, maar een weerstand voor wisselstroom. De waarde van een spoel wordt uitgedrukt in Henry. De spoel wordt aangegeven door de hoofdletter L. De mate waarin een spoel een wisselstroom hindert wordt impedantie genoemd met het symbool ZL. Impedantie komt overeen met wisselstroomweerstand en heeft als eenheid dan ook ohm. Je kunt de impedantie van een spoel berekenen met behulp van de volgende formule:
De impedantie van een spoel neemt dus toe met het verhogen van de frequentie van de wisselspanning. In de praktijk hebben spoelen ook nog een ohmse draadweerstand.
Toepassingen van spoelen
Spoelen worden gebruikt in filters, voor de omzetting van elektrische energie naar mechanische energie en als energieopslag.
In filters maken we gebruik van het feit dat spoelen een hoge weerstand bieden aan wisselstroom en dat die weerstand toeneemt als de frequentie hoger wordt (zie filters)
Het omzetten van elektrische energie in mechanische energie. De spoel wordt, zodra de stroom loopt, een krachtige magneet die plunjers kan aantrekken, hendels kan overhalen of zichzelf kan verplaatsen binnen een magnetisch veld. Die toepassingen ken je misschien al als solenoïdes, relais, luidsprekers, enz.
Luidspreker
Een luidspreker is misschien wel de leukste uitvinding met een spoel.
Hij werkt als volgt:
Als je een wisselspanning door een spoel stuurt wordt deze een magneet waarvan de noord en zuidpool steeds omwisselen. Als we de spoel verend ophangen in het veld van een permanent magneet dan wordt hij door de permanent magneet wisselend aangetrokken of afgestoten. De spoel beweegt met de frequentie van de wisselstroom door de spoel heen en weer!
Op de spoel plakken we een trechter van licht karton, de zogenaamde conus die dan ook met de spoel mee heen en weer beweegt. Het trillen van de conus brengt de lucht in beweging, en trillende lucht nemen wij waar als geluid. Als de frequentie tenminste in het voor ons hoorbare gebied licht. Het principe van de moderne luidspreker is nog steeds hetzelfde, maar er zijn heel wat uitvindingen gedaan om ervoor te zorgen dat het geluid zo natuurlijk mogelijk klinkt. Het symbool van een luidspreker ziet er uit als een kleine luidspreker. Daarbij wordt dan vaak vermeld wat de weerstand en het maximale vermogen is. In de gegevensbladen van luidsprekers staat vaak een grafiek die laat zien welke tonen het best worden weergegeven.
Microfoon
Het leuke is dat het principe ook andersom werkt. Als je de conus laat trillen met behulp van geluid (door er bijvoorbeeld tegen te zingen) gaat de spoel mee trillen. De spoel bevindt zich in het magnetisch veld van de permanent magneet waardoor de elektronen in de spoel heen en weer gaan rollen in de maat van het geluid.Anders gezegd, op de spoel verschijnt een wisselspanning met de frequentie van het geluid. Een dergelijke geluidssensor heet microfoon. Om het geluid zo natuurlijk mogelijk te laten klinken zit een goede microfoon heel anders in elkaar, maar het principe is helemaal gelijk. Je kunt een luidspreker dus echt als microfoon gebruiken, al is de geluidskwaliteit niet erg goed.
Piëzo
Ook met behulp van het principe van een condensator kun je goede luidsprekers en microfoons maken. En tegenwoordig zijn er materialen uitgevonden die direct krimpen of uitzetten als je er een positieve of negatieve spanning opzet. Piëzo kristallen bijvoorbeeld. Daarmee kun je piepkleine microfoons en luidsprekers maken die evengoed nog redelijk klinken. Driemaal raden waar die in zitten.
Spoel als Relais
Een ander mooi voorbeeld is een relais. Een relais is een schakelaar die elektrisch wordt bediend. Een relais bestaat uit een spoel, een anker en twee verende contacten. Als we stroom sturen door de spoel wordt hij een sterke magneet. Die magneet trekt het anker naar beneden. De andere kant van het anker drukt dan de verende contacten tegen elkaar aan; de schakelaar is gesloten. Als je de stroom uitschakelt wordt het anker niet meer aangetrokken door de spoel. De verende contacten veren terug en maken geen contact meer; de schakelaar staat open.
Het symbool voor een relais bestaat uit het symbool van een spoel die met een stippellijn verbonden is met één of meerdere contacten.
Opslag van energie in een spoel
Als de stroom door een spoel eenmaal loopt, zal deze doorlopen als de leiding wordt onderbroken, het rad heeft immers nog vaart. De opgeslagen energie komt daarbij vrij als spanningspiek. Bij het plotseling los schakelen van de spoel kan dat tot hoge energiepulsen leiden! In het geval van een relais is wil je dat natuurlijk niet, de elektronica die het relais moet schakelen kan ervan kapotgaan.
Een vrijloopdiode lost dit probleem op. Zie de afbeelding hieronder.
1 het relais is aangetrokken en er loopt een stroom door de spoel van plus naar min. De diode staat in sperrichting.
2. Het relais wordt afgeschakeld. De stroom in de spoel loopt nog even door en wordt via de diode kortgesloten.
Schakelende voeding met energie opslag in een spoel.
We kunnen ook profiteren van deze eigenschap van de spoel. Een schakelende voeding maakt handig gebruik van deze eigenschap. Als voorbeeld de werking van een schakelende emmertjesvoeding (buck regulator)
1. de schakelaar is gesloten en de spoel start op. Er loopt een toenemende stroom door de belasting weerstand. De diode staat in sper.
2. De schakelaar staat open en de spoel kan dankzij de diode de opgeslagen energie afgeven aan de belasting weerstand. De diode staat in geleiding. Er loopt een afnemende stroom door de belasting weerstand. Door nu de schakeltijden goed te kiezen en de spanningsvariaties op te vangen met een condensator kunnen we de uitgangsspanning bepalen.
Transformator
Een wisselspanning verlagen doen we met een transformator, twee heel goed gekoppelde spoelen van verschillende waarde. Het symbool van een transformator bestaat uit twee vlak tegen elkaar liggende spoelen, vaak met één of twee lijnen ertussen om aan te geven dat er een (weekijzer) kern in zit. Omdat er heel veel verschillende transformatoren zijn, met veel of weinig wikkelingen, vind je ook veel variaties op het symbool. Een wikkeling is precies één draadlus van een spoel. Door het aantal wikkelingen te veranderen veranderen we de spanning en de maximale stroom van de transformator-spoelen.
Als voorbeeld en lichtnet transformator met drie uitgangsspanningen (6V 9V en 12V) en een maximaal vermogen van 12V, 0,5 ampère. Het symbool zie je hier naast. Een lichtnet transformator heeft veel dunne wikkelingen aan de primaire kant van het lichtnet. Aan de secundaire kant één of meerdere spoelen met een dikke draad en relatief weinig wikkelingen. Afgezien van verliezen van energie (in warmte) is het primaire vermogen gelijk aan het secundaire vermogen. Een primaire spoel van 230 VAC bij 1 ampère kan dus bijna 230 Watt aan de uitgang leveren . Een goede transformator is behoorlijk efficiënt tot wel 97%.
Transistor en MOSFET
Transistor en (mos)fet zijn halfgeleiders met drie aansluitingen. Tussen twee van die aansluitingen kan een grote stroom lopen, de derde aansluiting dient om die stroom te regelen. Transistor en mosfet hebben inwendig een hele andere opbouw. Beide hebben zo hun voor- en nadelen. Bij transistoren heten de drie aansluitingen; Collector, Emitter en Basis. De basis is de regel ingang, de hoofdstroom loopt tussen Collector en Emitter.
Bij de Mosfet heten de aansluitingen Drain, Source en Gate. De gate is de regel ingang, de hoofdstroom loopt tussen drain en source
Zie de symbolen hiernaast.
onthoud: transistor = stroomgestuurd mosfet = spanningsgestuurd
Er zijn van elk twee types, een N-type en een P-type. De emitter is bij de NPN-transistor de uitgang van de grote leiding en de collector de ingang. Bij de PNP-transistor is dat net andersom, wat je gemakkelijk kunt zien aan de richting van de emitter-pijl.
Bij de Mosfet loopt de stroom van drain naar source bij het N-kanaal type en van source naar drain bij het P-kanaal type.
De NPN transistor
Hiernaast zie je links het watermodel van een NPN transistor. Het hoofdkanaal is afgesloten met een plaat met gaten. Op de plaat ligt een rubber flap met gaten, maar zodanig verschoven dat het kanaal gesloten is. Als we nu water door de dunne pijp aan de zijkant blazen komt de rubber flap los van de metalen plaat en kan er water door de hoofdleiding stromen. Hoe meer water je door de zij-ingang stuurt hoe groter de afstand tussen de rubberflap en de metaalplaat wordt, zodat er veel meer water kan stromen. Op een bepaald moment staan de lap en plaat zover van elkaar af dat de maximale stroom loopt; meer stroom-sturen vanaf de zijkant heeft geen zin. Als ik het watermodel helemaal compleet had gemaakt zat er onder in de transistor ook nog een keerklep, zoals in de diode. Het water kan niet teruglopen. Omdat de transistor een regelbare diode is, heeft hij ook een voorwaarts spanningsverlies tussen de basis en de emitter. Dit spanningsverlies varieert van 0,5 tot 0,9 V. In onze sommetjes gaan we altijd uit van 0,7 V in formule: VB – VE = 0,7 V
De transistor is dus een grote diodebuis die je open kunt zetten door via een kleine buis stroom in de grote buis te laten stromen. De collector is de ingang van de grote buis. De emitter is de uitgang van de grote buis. Daar komt dus de stroom uit die via de collector en de basis naar binnen komt. In formulr : IE = IB + IC
Hoever de grote buis opengaat door de kleine hulpstroom door de basis is per type transistor verschillend. We noemen dat de stroomversterkingsfactor en het symbool is ß. Door de basisstroom met de stroomversterking te vermenigvuldigen krijg je de bijbehorende collectorstroom. In formule :
IC = ß x IB
Met deze drie eenvoudige formules kun je voor elke schakeling de bijbehorende weerstanden berekenen om de transistor netjes te laten doen wat je wilt.
Als een transistor helemaal openstaat, heeft hij ook een voorwaartse verliesspanning tussen de collector en emitter van 0,2 V tot wel 0,5 V. Bij grote stromen wordt een transistor daarom behoorlijk heet, en nog veel heter als hij maar half openstaat. Daarom wordt een transistor dan gekoeld.
De eigenschappen van een transistor worden door de fabrikant op een gegevensblad gezet. Daar vind je de maximale spanning tussen collector en emitter, de maximale stroom, het maximale vermogen en de versterkingsfactor van de transistor. Vaak wordt ook de maximale frequentie genoemd waarbij de transistor nog werkt.
De N-MOSFET
Bij de N mosfet liggen twee roosters op elkaar, precies zo dat zij elkaars gaten afsluiten. Er kan dus geen water stromen. Als ik nu druk uitoefen via de zijkant op het bovenste rooster, schuift dat opzij en komen de gaten vrij. Hoe verder ik schuif hoe meer water er kan lopen. Tenslotte liggen de gaten precies boven elkaar en is de maximumstroom bereikt. Als ik geen druk meer uitoefen, veert de bovenste plaat terug en wordt de stroom afgesloten. Ook bij de MOSFET kan de stroom niet teruglopen, maar de mosfet heeft geen ingebouwde diode. Dat betekent ook dat er geen vaste drempelspanning is. Integendeel, je moet de mosfet beschouwen als een regelbare stroombron. Bij elke gatespanning hoort een vaste opening van het kanaal. De stuurspanning van mosfets is daarom variabel en loopt van de minimale gatespanning tot 10 of meer volt. De Mosfet heeft een minimale druk nodig om de klep open te kunnen schuiven. Deze spanning varieert sterk. Bij een Mosfet wordt daarom de minimale gate-spanning
VGS vermeld waarbij hij nog open wil. Let op: die kan dus ook 10 V of meer zijn. Als de gate-spanning boven
VGS komt, zal de mosfet steeds verder opengaan naarmate de gatespanning hoger wordt. Bij een bepaalde spanning is de mosfet geheel geopend. Er blijft een heel kleine inwendige weerstand over, bij de meeste mosfets enkele tot tientallen mΩ. Daarom zijn mosfets heel geschikt om grote stromen te schakelen, het spanningsverlies over de kleine inwendige weerstand is heel klein dus het gedissipeerde vermogen ook.
Als voorbeeld, een mosfet met een AAN-weerstand van 12 mΩ heeft bij 10 A een spanningsverlies van 10x0,012 = 0,12 V dus een vermogen van 1,2 Watt. Een transistor met 0,3 V verlies zou daar maar liefst 3 Watt aan warmte opleveren.
Ook bij mosfets kun je alle belangrijke gegevens terugvinden op het gegevensblad.
Het is je inmiddels wel duidelijk dat van alle onderdelen vele variaties bestaan. Dat geldt dus ook voor de BJT en de MOSFET. Gelukkig zijn er veel transitoren en mosfets die zo’n beetje universeel zijn en die worden het meest gebruikt.
Transistoren en mosfet’ s spelen een grote rol in de elektronica; vrijwel alles is ermee gebouwd. Je kunt ze gebruiken als schakelaars, geheugenelementen, versterkers en nog veel meer. In schakelingen kom je een aantal praktische toepassingen tegen.
Basis transistorschakelingen
Er zijn drie basisschema’s voor transistoren. De gemeenschappelijke emitterschakeling of GES, de gemeenschappelijke basisschakeling of GBS en de gemeenschappelijke collectorschakeling of GCS. De meest gebruikte is de gemeenschappelijke emitterschakeling en daarom wordt die hierna verder uitgelegd.
De gemeenschappelijke emitterschakeling
Hier zie je een gewone NPN-transistor in geleiding. Er is sprake van 2 stroomkringen: de basis-emitter stroomkring (de rode pijlen) en de collector-emitter stroomkring (de paarse pijlen). De basis krijgt stroom geleverd via R1. Voor R1 geldt de wet van Ohm, dus de stroom door R1 (en de basis) is gelijk aan 4,3/47000 = 0,09 mA. De collectorstroom is dan ßX0,09 mA = 200x0,09 mA = 18 mA. De emitterstroom is dan natuurlijk 18+0,09 = 18,09 mA. Over de collectorweerstand staat 0,018*220 = 3,96 V (wet van Ω U = I*R). De voeding drukt de stroom door de stroomkringen dus de stroom loopt door de voeding terug van 0 naar +5 V.
Dit schakelingetje is voor heel veel leuke uitvindingen te gebruiken.
Omdat de emitter aan nul ligt, wordt die dus zowel voor de ingang als de uitgang gebruikt, vandaar de naam: ‘gemeenschappelijke emitterschakeling’.
Hier zie je de PNP-transistor in gemeenschappelijke emitterschakeling. Het is even wennen, maar zoals je ziet, doet de transistor alles hetzelfde als de NPN-transistor, alleen precies omgekeerd. De emitter is direct met de 5 V verbonden. De 5 V-lijn is nu de gemeenschappelijke lijn voor in- en uitgang. De basis is altijd 0,7 V lager dan de emitter en de stromen zijn dus tegengesteld. Je zult ontdekken dat het combineren van NPN en PNP heel veel mogelijkheden biedt.
De voedingslijn is voor alle signalen een virtuele nul. De voeding zorgt er namelijk voor dat de voedingspanning altijd netjes gelijk blijft (in het voorbeeld 5 V). Komt er dus een wisselspanningssignaal terecht op de voedingslijn dan wordt dat via de voeding kortgesloten met de nul.
Als je op de ingang van een GES (de basis) een wisselstroom variatie zet zal die op de uitgang (de collector) omgekeerd tevoorschijn komen. De GES is dus een inverter!
Vermenigvuldigingsfactor
In de elektronica wordt veel met hele grote en hele kleine getallen gewerkt. Daarom worden vermenigvuldigingsfactoren gebruikt. Een aantal ken je al lang zoals bijvoorbeeld kilo voor 1000 keer. Een kilogram is 1000 gram, een kilometer 1000 meter en een kilo-Ω ( kΩ ) is 1000 Ω. Hier vind je een handig overzicht van alle factoren die in de elektronica worden gebruikt. De gewoonte is om het symbool direct voor de naam van de eenheid te plakken. 1 µH = 10-6 Henry, 1 MgΩ = 106 Ω, enzovoort.
Weerstand
zoals de naam al aangeeft, weerstanden bieden weerstand aan stroom, anders gezegd weerstanden hinderen stroom. hoe groter de waarde van de weerstand hoe moeilijker de stroom erdoor kan.
De waarde wordt gegeven in de eenheid Ohm, meestal afgekort tot het Griekse omega teken: Ω. Hiernaast zie je het Europese en het Amerikaanse symbool voor een weerstand. In het schema wordt de waarde naast of in de weerstand vermeld. Een weerstand heeft een waarde van 1 Ω als er precies 1 A aan stroom loopt als je precies 1 V spanning over de weerstand zet. Tegenwoordig kunnen weerstanden heel precies worden gemaakt, met foutmarges tot minder dan 0,1%!
Er bestaan heel veel verschillende soorten weerstanden, afhankelijk van de toepassing.
De hiernaast getoonde modellen zul je het meest gebruiken. Links de gewone weerstand met pootjes en rechts een SMD weerstand die dankzij de metalen randjes direct op de printplaat kan worden gesoldeerd.
Het watermodel van de weerstand
Dit is het eenvoudigste watermodel: vergelijk een weerstand met een buis waar het water door stroomt. Hoe smaller de buis hoe moeilijker het water er door kan stromen en hoe hoger dus de waarde van de weerstand.
Wet van Ohm
Er gaat alleen stroom lopen door de weerstand als er een spanning op de pinnen wordt aangesloten. Hoe meer spanning hoe meer stroom er gaat lopen, maar hoe groter de weerstand, hoe minder stroom er gaat lopen.
Dit zie je meteen terug in de wet van Ohm.
Spanning groter betekent stroom groter, weerstand groter betekent stroom kleiner.
Omgekeerd weten we dan ook welke spanning er over een weerstand staat als we de stroom en de weerstand kennen: U = I x R.
En tenslotte kunnen we weerstand uitrekenen als we de spanning en de stroom kennen. R = U/I
Dit geldt voor elke weerstand waar dan ook in een schakeling!
Vermogen van een weerstand
Weerstanden zetten het spanningsverschil om in vermogen in de vorm van warmte. Een weerstand wordt warmer als de spanning groter wordt en ook als de stroom groter wordt.
Dit zie je meteen in de formule voor het vermogen P:
P = U x I
Waarbij P het opgewekte vermogen is in Watt, U de spanning over de weerstand in Volt en I de stroom door de weerstand in A.
De warmte die ontstaat, moet wel goed worden afgevoerd, omdat de weerstand anders te heet wordt en kapot kan gaan.
Zorg altijd voor een weerstand van het juiste vermogen en voldoende koeling.
Basistoepassingen van de weerstand
Stroombegrenzing
Weerstanden worden veel toegepast in serie met andere onderdelen om de stroom door dat onderdeel te beperken. Een voorbeeld daarvan is de volgende LED-sturing.
Over deze LED valt tijdens geleiding een spanning (forward voltage) van 1 V. De LED werkt het beste bij een stroom van 20 mA. De spanning over de weerstand bedraagt dus 4 V als er stroom loopt door de LED. We willen de stroom beperken tot 20 mA, de weerstandwaarde volgt nu uit de wet van Ω:
R=U/I
De weerstand moet dus zijn: 4 : 0,02 = 200 Ω
Zorg altijd voor een goede stroombegrenzing om je onderdelen te beschermen. Bedenk wel dat het vermogen nu voor een groot deel in de weerstand wordt opgewekt. In het voorbeeld is het vermogen in de weerstand 4 x 0,02 = 0,08 Watt.
Spanningsdeler
Met weerstanden kunnen we een spanning verdelen in meerdere kleinere spanningen. Hier zie je een eenvoudige spanningsdeler.
De ingaande spanning wordt door de weerstanden verdeeld in U1 en U2. Deze kun je uitrekenen met de volgende formules;
Het wordt wat moeilijker als je op de spanning
U2 een schakeling wil aansluiten die op
U2 mag/moet werken. Die schakeling gebruikt natuurlijk ook stroom en is dus in feite een extra weerstand die we ook wel een belasting weerstand of kortweg
Rlast noemen. De onderste weerstand bestaat nu uit de parallelschakeling van
R2 en
RLast.
De formules worden daardoor iets ingewikkelder, maar als je even goed kijkt, valt het wel weer reuze mee, toch ?
Potentiometer
Een potentiometer is een regelbare spanningsdeler. Hij is gemaakt van één grote weerstand waarover een contact glijdt. Dat zie je meteen terug in het symbool. Draai je het schuifje omhoog, dan wordt de bovenste weerstand kleiner en de onderste groter en omgekeerd.
Anti “zweef” weerstand
Als een koperdraad nergens op aangesloten wordt, weet je nooit welke spanning erop staat. Zo’n ‘zwevende’ leiding is erg gevoelig voor storingen. Je wilt dus zeker geen losse eindjes in je schakelingen. Toch komt dat gemakkelijker voor dan je denkt. Kijk maar eens naar deze hele simpele schakeling van 1 enkele schakelaar:
Wat is nu eigenlijk de spanning op IO1 als de schakelaar openstaat? De leiding van de schakelaar naar P ‘zweeft’ en kan dus elke waarde aannemen! Elektronen kunnen zomaar in de draad springen als er ergens een overschot is of er kunnen inductiespanningen voorkomen.
Dat wil je natuurlijk helemaal niet!
Daarom zorgen we ervoor dat een leiding altijd ergens op is aangesloten. Dat doen we door de leiding met een weerstand aan te sluiten op een bekende spanning, meestal de voedingspanning of de nul.
Trekken we de spanning omhoog dan noemen we die weerstand ook wel pull-up weerstand. Trekken we naar de nul dan heet het dus een pull-down weerstand.
In het schakelingetje hiernaast weten we precies wat de spanning op P is, dankzij de pull-up weerstand: 5 V Als de schakelaar dichtgaat, wordt P 0V.
De keuze van de waarde van een dergelijke weerstand is altijd een compromis. De weerstand verlaagt de totale weerstand van de schakeling en gebruikt dus ook energie. Een weerstand van 10 Ω in het voorbeeld zou de ingang heel ongevoelig maken voor storingen, maar vraagt in geval dat de schakelaar is gesloten maar liefst 0,5 A en dus 2,5 Watt! Een veelgebruikte waarde bij een 5 V voeding is 10 kΩ, bij een 3 V voeding 3,3 kΩ.
Zorg ervoor dat alle knooppunten altijd een waarde hebben.
Kleurcode voor weerstanden.
De standaardweerstanden hebben vier ringen. Één van die ringen staat op een grotere afstand, dat is de tolerantie-ring.
Houd die naar rechts. De kleurwaarden lopen van 0 t/m 9, zwart = 0, bruin = 1, rood = 2, oranje = 3, geel = 4, groen = 5, blauw = 6, paars = 7, grijs = 8 en wit = 9
We tellen vanaf links: Schrijf per ring het cijfer op. Standaard weerstanden hebben ring 1, ring 2, een aantal nullen in ring 3 en een tolerantie.
De bovenste standaardweerstand is dus 470 Ω met een tolerantie van 2%
Precisie weerstanden hebben een ring extra: ring 1, ring 2, ring 3, een aantal nullen in ring 4 en een tolerantie.
De onderste precisieweerstand is dus 39000 Ω, dat is 39 kΩ met een tolerantie van 2%
Als de tolerantie-ring ontbreekt (blank is) dan heeft de weerstand een tolerantie van ± 20%. Nu mag een weerstand best een klein beetje afwijken, maar deze weerstanden kun je beter maar niet gebruiken.
Wisselspanning
Bij een wisselspanning is elke pool om de beurt plus en min. De elektronen rennen daardoor heen en weer.
Hoewel wisselspanning vele vormen kan aannemen is zij meestal sinus-vormig. Het aantal wisselingen per seconde noemen we de frequentie f, uitgedrukt in Hz. Omdat wisselspanning voortdurend verandert moeten we bij metingen precies weten wat de wisselspanning op één moment doet. Dat noemen we de fase. De fase wordt verdeeld in 360 graden. Daarna begint de golf opnieuw. Bij 180 graden is de spanning over de polen dus exact 0 V, bij 90 graden is de spanning maximaal. de afstand tussen 0 en 360 graden is precies 1 golflengte met λ als symbool en meter als eenheid. De andere eenheden en waardes voor wisselstroom zijn gelijk aan die van de gelijkspanning. Spanning heeft als symbool U en de eenheid Volt. Stroom heeft als symbool I en de eenheid A. In Europa levert men bijvoorbeeld 230V AC bij 50 Hz via het stopcontact. (AC staat voor alternating current oftewel wisselstroom)
De effectieve waarde
Een wisselspanning wisselt voortdurend van polariteit. Daarbij verandert de spanning op de polen steeds van waarde tussen 0 V en de maximale spanning. De maximale spanning noemen we de top-top spanning. De hoeveelheid vermogen die een wisselspanning oplevert verandert dan natuurlijk ook tussen de 0 en de top-top energie. Als we een gelijkspanning en een wisselspanning vergelijken valt op dat een wisselspanning een groot deel van de tijd lager is dan de gelijkspanning. Een gelijkspanning met dezelfde waarde als de top spanning van een wisselspanning zal daarom veel meer vermogen leveren. Om hetzelfde vermogen te kunnen leveren hebben we een wisselspanning met een hogere top-top spanning nodig. Daarom spreken we bij wisselspanning ( en stroom) meestal over de effectieve waarde.
De effectieve waarde van een wisselstroom is de waarde van de gelijkspanning die hetzelfde vermogen levert als de wisselspanning. Zie de formule hiernaast.
De top-top spanning is dus veel hoger dan de effectieve spanning. Zo is de top-top spanning van onze 230 VAC(eff) is dus maar liefst ±325 V
Wisselspanning heeft als voordeel dat zij gebruikt kan worden voor inductieve overdracht (zie spoel en transformator). Zo kan men wisselspanning eenvoudig transformeren naar andere spanningen. En dat is erg noodzakelijk bij het transport van energie (zie kabelverliezen).
Met wisselspanning kunnen we bovendien elektromagnetische golven maken, die zich met de snelheid van het licht voortbewegen door o.a. de ruimte en de lucht. Dat is de basis van (bijna) alle draadloze dataoverdracht, zoals bijvoorbeeld wifi.
De voortplantingssnelheid van de stroom in een stof (zoals ijzer of koper) heeft als symbool v en als eenheid meter per seconde.
De golflengte vind je door de voortplantingssnelheid door het aantal trillingen per seconde te delen:
Omdat de voortplantingssnelheid door verschillende stoffen anders is, verandert de golflengte dus als de trilling door een andere stof beweegt. Dat geldt ook voor elektromagnetische golven.
Zekering
Een zekering wordt gebruikt om een schakeling en/of voeding te beveiligen tegen te hoge stroom. De ouderwetse zekering bestaat uit een glazenbuisje met daarin een heel dun zilverdraadje. Bij een bepaalde stroom brandt dat draadje door en kan er geen stroom meer lopen. Dat vind je terug in ht symbool Dat bestaat uit een rechthoek met een smeltdraadje erin. De maximale stroom waarde staat erbij vermeld. In dit geval 1 ampère. De T staat voor traag hetgeen wil zeggen dat deze zekering niet doorbrandt bij hele korte overbelastingen, als die tenminste niet al te groot zijn. Als er een F (fast) bij staat brandt de zekering wel direct door.
Tegenwoordig zijn er veel nieuwe materialen ontdekt waarmee zekeringen kunnen worden gemaakt. Zo zijn er bijvoorbeeld zelfherstellende zekeringen die een hele hoge weerstandwaarde krijgen bij overbelasting. Als de overbelasting wegvalt neemt deze zekering weer een heel lage weerstandswaarde aan.
Zonnecel
Dat je met elektriciteit licht kan maken wist je natuurlijk al. Maar het is ook mogelijk om lichtenergie weer om te zetten in elektrische energie. En we hebben een voor ons onuitputtelijke energiebron aan de hemel staan: de zon. Er zijn veel manieren om zonne-energie te gebruiken, maar de zonnecel is een elektronische manier. Zonnecellen worden zo gemaakt dat het opvallend zonlicht een spanning veroorzaakt op de aansluitingen van de zonnecel. Helaas is het rendement niet heel hoog. Van het opvallende licht wordt (op dit moment) maximaal 20% omgezet in stroom. Maar daar wordt door een heleboel mensen aan gewerkt. De ene uitvinding na de andere zorgt ervoor dat het rendement steeds een beetje hoger wordt. Hoe een zonnecel precies werkt is zo ingewikkeld dat de beroemde geleerde Albert Einstein eraan te pas moest komen om het te verklaren. Voor ons is het voorlopig genoeg dat we weten dat het werkt. In de goedkope Chinese tuinlampjes zitten allemaal zonnecellen. Deze lampjes roesten snel en worden dan na een jaar alweer vervangen. Zonde voor het milieu, maar fijn voor ons: de zonnecellen zijn meestal nog prima te gebruiken!
