Practicum Elektrotechniek Werktuigbouwkunde(IED) Hogeschool Utrecht. Januari 2016

Transcriptie

1 Practicum Elektrotechniek Werktuigbouwkunde(IED) Hogeschool Utrecht Code : TEWT-VWEWW1C-14 (onderdeel van) Januari 2016

2 Voorwoord Dit is een handleiding voor een practicum elektrotechniek uit de cursus TEWT-VWEWW1C-14. Deze cursus vindt plaats in de Propedeuse-fase. De onderwerpen met betrekking tot elektrotechniek in Exacte wetenschappen A komen in dit practicum aan bod. Het is tevens een voorbereiding op de cursus BESMO uit de hoofdfase. Het practicum bestaat uit een drietal elkaar opvolgende proeven en vind plaats in periode C. In deze handleiding staat alle informatie die nodig is voor het met goed gevolg uitvoeren ervan. Inleiding In dit practicum maak je kennis met een aantal basisvaardigheden uit de elektrotechniek. Aan de hand van een aantal eenvoudige schakelingen oefen je met het gebruik van spanning- en stroommeter. Je leert schakelingen op een overzichtelijke manier op te bouwen vanuit een schema of vanuit een beschrijving. De wetten van Ohm, Kirchhoff leer je in de praktijk toe te passen. Leerdoelen Je maakt kennis met basisbegrippen en vaardigheden uit de praktijk van de elektrotechniek. Je kunt spanning- en stroommeter op correcte wijze gebruiken. Je kunt de spanning- stroomkarakteristiek van een passieve elektronische (gebruiker) component bepalen. Je kunt de spanning- stroomkarakteristiek van een elektrische bron bepalen. Voor een schakeling waarin verschillende (eventueel niet lineaire) componenten voorkomen kun je het individuele gedrag van elke component bepalen met behulp van de betreffende karakteristieken. Je kunt voor een bron bepalen met welke belasting er maximaal vermogen geleverd wordt. Je kent het principe van de houd -schakeling en je kunt hem bouwen met behulp van relais. Werkvorm Practicum 3 maal per periode gedurende 2 lesuren per keer. Uitgevoerd in tweetallen. Inhoud Practicum 1 : Karakteristiek van een elektronische (gebruikers) component blz. 4 Practicum 2 : Karakteristiek van een elektrische bron blz. 7 Practicum 3 : Logische schakelingen blz. 9 Handleiding Practicum Elektrotechniek Eric Timmer / Marcel van Soest 2

3 Voorbereiding Voorafgaand aan het practicum word je geacht een aantal voorbereidende opdrachten uit te voeren. Met deze opdrachten maak je de uitvoering van het practicum niet alleen veel zinvoller maar je zult er hopelijk ook meer plezier aan beleven. Het eerste practicum vraagt geen voorbereiding, wel enige nazorg. Aanwezigheid Voor elk practicum geldt een aanwezigheidsplicht. Meld afwezigheid t.g.v. bijv ziekte zo spoedig mogelijk bij je docent zodat er eventueel nog een (snelle) inhaalmogelijkheid geregeld kan worden. Beoordeling De practicumopdrachten worden in tweetallen uitgevoerd. Je houdt aantekeningen met voorbereidingen en resultaten (journaal) bij. Van elke opdracht moet iets op papier komen (maximaal 2 A4tjes). Soms is dat een meettabel met grafiek, soms een beschrijving van resultaten, soms een tekening of schema van een opstelling. Het is de bedoeling dat je het practicum aan het einde (per keer) door de docent laat aftekenen. Hij beoordeelt dan wat je uitgevoerd hebt o.a. aan hoe je het verwerkt hebt in het journaal. Theorie Veel van de theorie die hoort bij het practicum is terug te vinden in de module natuurkunde van periode A of eventueel in studiemateriaal van je vooropleiding. Soms wordt een practicum nog ingeleid door de betreffende docent. Er is dan tevens de gelegenheid voor het stellen van vragen. Ook tijdens het practicum is hiervoor tijd beschikbaar. Heb je nog moeite met het gebruik van de wetten van Kirchhoff en Ohm bestudeer dan nogmaals : Reader elektriciteit deel2 theorie van periode A. Ook staan daar nog oefensommetjes van Ohm. Handleiding Practicum Elektrotechniek Eric Timmer / Marcel van Soest 3

4 Practicum bijeenkomst 1 De karakteristiek van een elektronische (gebruikers) component Inleiding Het vermogen dat een elektronische component van een bron vraagt (en krijgt) hangt zowel af van de weerstandswaarde van die component als van de aangeboden spanning. Voor veel elektronische componenten geldt dat de weerstand min of meer constant is en dat de stroom evenredig met de aangeboden spanning varieert. Bij de diode (LED) is dit echter niet het geval, er is sprake van een sterk niet lineair gedrag. De wet van Ohm kan nog wel gebruikt worden maar slechts in beperkte mate. LED s worden gemaakt voor een bepaalde spanning en stroom, wil je die op een hogere spanning aansluiten dan waar hij voor gemaakt is dan kun je dit doen door er een weerstand mee in serie te schakelen. Je krijgt dan een spanningsdeler. Om hiermee te oefenen vragen we je in dit practicum eerst om een soortgelijke component te onderzoeken, namelijk een gloeilamp. Ook die heeft een niet lineair gedrag, de weerstand is afhankelijk van de aangelegde spanning. Of eigenlijk, de weerstand hangt af van de temperatuur en die hangt weer af van de stroom en die hangt weer af van de spanning. Aan het einde van dit practicum weet je dan ook hoe je een LED op een 5,0 volt (of 12 v) uitgang van een Arduino kunt aansluiten. Handleiding Practicum Elektrotechniek Eric Timmer / Marcel van Soest 4

5 Inleiding opdrachten Tijdens dit practicum zal je in verschillende situaties spanning en stroom gaan meten. De spanning over bijvoorbeeld een lamp kun je meten met behulp van een universeelmeter die dan aangesloten staat op de punten waartussen je de spanning wilt meten. De universeelmeter moet dan ingesteld staan op spanningmeten (V). Zie fig. 1. Fig 1 Met dezelfde universeelmeter kan ook de stroom door bijvoorbeeld een lamp worden gemeten. Het instrument moet dan ingesteld staan op stroommeten (A). Tevens moet hij zodanig in de schakeling zijn opgenomen dat de stroom die door de lamp loopt tegelijkertijd ook door de meter loopt. (ermee in serie staan) Zie fig. 2. Fig 2 Handleiding Practicum Elektrotechniek Eric Timmer / Marcel van Soest 5

6 Meetopdracht 1 Bepaal de spanning-stroom karakteristiek van twee verschillende 6 volts fietslampjes. Vervolg (reken) opdrachten n. a. v. meetopdracht 1 Bepaal voor het sterkste lampje a. d. h. v. karakteristiek: a) Hoe groot de weerstand van het lampje is als het is aangesloten op 6 Volt b) Hoe groot de weerstand van het lampje is als het is aangesloten op 3 Volt c) Hoe groot de weerstand van het lampje is als het is aangesloten op 0 Volt d) Op welk vermogen het lampje brandt als het is aangesloten op 3 Volt e) Je hebt de beschikking over een 6 Volts voeding en je wilt het fietslampje laten branden op de helft van de nominale stroomsterkte. (nominaal : stroomsterkte bij 6,0 volt) Dit kan door in serie met dit lampje een weerstand te plaatsten. Bereken hoe groot de weerstand moet zijn om de stroom gehalveerd te krijgen. Bedenk daarbij : De voeding blijft op 6 Volt staan Dat deze 6 Volt verdeeld wordt over de lamp en de weerstand. Uit de grafiek van het lampje kun je bepalen welke spanning er dan over het lampje moet staat. f) Bepaal m.b.v. de twee karakteristieken (van felste en van zwakste lamp) wat de stroomsterkte zal worden als de twee lampjes in serie gezet worden op een voedingsspanning van 8,0 Volt. g) Bepaal tot welke spanning de voeding mag worden verhoogd voordat er een lampje overbelast wordt. Hint : bepaal eerst welk lampje het felst brandt als ze in serie staan. Deze zal doorbranden. Meetopdracht 2. Sluit de twee verschillende, in serie geplaatste, fietslampjes aan op een 8,0 Volts voeding en controleer je antwoorden van vraag f en g. Meet de stroom door de lampjes maar ook de spanning over de lampjes. Vervolg (reken) opdrachten n. a. v. meetopdracht 2 h) Bereken het vermogen waar de lampjes op branden als ze in serie staan aangesloten op de bron van 8,0 volt. i) Bereken het vermogen waar de lampjes op branden als ze in serie staan aangesloten op de bron die op bewuste maximale waarde staat. Handleiding Practicum Elektrotechniek Eric Timmer / Marcel van Soest 6

7 Karakteristiek van een elektrische bron. Inleiding In dit practicum leer je hoe de geleverde spanning en vermogen van een elektrische bron varieert met de belasting. Bij een belasting met een zeer kleine stroom levert de bron weinig vermogen. In het extreme geval, als de stroom 0 A is, is dit vermogen zelfs nul (spanning maal stroom). Wordt een bron belast met een maximale stroom, aan de klemmen kortgesloten, dan levert de bron wederom geen vermogen. De stroom kan weliswaar zeer groot zijn maar de spanning is dan nul. Ergens tussen deze twee extremen moet een optimum zitten. In dit practicum vind je uit waar dat optimum zit en waar dat van afhangt. Inleiding opdrachten In dit practicum ga je verschillende elektriciteitsbronnen met verschillende weerstanden belasten om uit te vinden hoe de spanning en het geleverde vermogen hiermee varieert. Een kleine weerstand betekent dat er een grote stroom zal gaan lopen en een hoge weerstandswaarde zorgt voor een kleine stroom. Omdat veel bronnen zich gedragen als een ideale spanningsbron (spanning onder alle omstandigheden constant) met in serie een ideale inwendige weerstand (onder alle omstandigheden een vaste waarde) zal de spanning aan de klemmen lineair met de stroom afnemen. Voor elektriciteitsbronnen in de praktijk gaat dit niet altijd op. De 3 bronnen die je op dit fenomeen gaat onderzoeken zijn : Een vaste spanningsbron (laboratoriumvoeding) met in serie een weerstand die we de inwendige weerstand noemen. Voor de klemspanning van onze bron nemen we de punten A en B. Een vaste spanningsbron (laboratoriumvoeding) met een spanningsdeler. Ook hier noemen we de punten A en B de klemmen van onze bron. Een zonnecel. In alle drie de gevallen mogen de bronnen in de meest extreme situaties belast worden. Dat wil zeggen dat de weerstanden die je er aan hangt waarden mogen bezitten van 0 Ω tot Ω. Welke waarden handig zijn hangt af van de situatie. We adviseren je om, voordat je die weerstandswaarden kiest, eerst te kijken hoe de bron reageert op de twee extremen in belasting, namelijk met open klemmen ( Ω) en met kortgesloten klemmen (0 Ω). Vervolgens mag je aannemen dat het spanningsverloop min of meer lineair met de belastings-stroom zal dalen. Kies hierop je weerstandswaarden zodanig dat je over het totale meettraject minimaal 10 meetpunten (ongeveer) gelijkmatig verdeeld hebt. Daar waar de spanning niet meer lineair met de belasting daalt betekent dit dat je wellicht wat meer meetpunten moet opnemen om dit in een correcte grafiek op te kunnen nemen. Handleiding Practicum Elektrotechniek Eric Timmer / Marcel van Soest 7

8 Meetopdracht 3 Bouw de schakeling hiernaast op. Neem : U laboratorium = 5,0 V R inw = 4700 Ω Beschouw de punten A en B als de klemmen van de door jou te onderzoeken bron. Meet de belastings-karakteristiek, dit is het verband tussen de spanning tussen de klemmen A en B en de, door een belastings-weerstand, afgenomen stroom. Zet de gevonden waarden in een tabel. Vervolg (reken) opdrachten n.a.v. meetopdracht 3 j) Maak een grafiek van de belastings-karakteristiek (Zet de stroom horizontaal). k) Zet in dezelfde grafiek ook het vermogen dat de belasting opneemt uit tegen de stroom. Bepaal uit de grafiek waar het maximum zit, hoe groot het maximum is en hoe groot de belastings-weerstand voor die situatie is. Meetopdracht 4 Bouw de schakeling hiernaast op. Neem : U laboratorium = 12,0 V R 1 = R 2 = 100 Ω Beschouw de punten A en B als de klemmen van de door jou te onderzoeken bron. Meet de belastings-karakteristiek, dit is het verband tussen de spanning tussen de klemmen A en B en de, door een belastings-weerstand, afgenomen stroom. Zet de gevonden waarden in een tabel. Vervolg (reken) opdrachten n.a.v. meetopdracht 4 l) Maak een grafiek van de belastings-karakteristiek (Zet de stroom horizontaal). m) Zet in dezelfde grafiek ook het vermogen dat de belasting opneemt uit tegen de stroom. Bepaal uit de grafiek waar het maximum zit, hoe groot het maximum is en hoe groot de belastings-weerstand voor die situatie is. n) Tussen de punten A en B kun je één van de lampjes van practicum 1 aansluiten. Bereken (maak gebruik van de resultaten van practicum 1) op welke spanning dit lampje zal branden. Meetopdracht 5 Controleer de berekening van opdracht n door een meting. Meetopdracht 6 Meet de belastings-karakteristiek van de zonnecel, dit is het verband tussen de spanning tussen de klemmen A en B en de, door een belastings-weerstand, afgenomen stroom. Zet de gevonden waarden in een tabel. Vervolg (reken) opdrachten n.a.v. meetopdracht 6 o) Maak een grafiek van de belastings-karakteristiek (Zet de stroom horizontaal). p) Zet in dezelfde grafiek ook het vermogen, dat de belasting opneemt, uit tegen de stroom. Bepaal uit de grafiek waar het maximum zit, hoe groot het maximum is en hoe groot de belastings-weerstand voor die situatie is. Handleiding Practicum Elektrotechniek Eric Timmer / Marcel van Soest 8

9 Logische schakelingen Inleiding Bij kortsluiting slaat de stop door en zit je in het donker. Tegenwoordig zijn stoppen, die officieel smeltveiligheid heten, meestal voorzien van magneetschakelaars. Alle stroom wordt alle door een spoel geleid die bij een bepaalde, van te voren ingestelde waarde, net zo n grote magnetische kracht oplevert dat hij in staat is om een schakelaar om te zetten die alle stroom onderbreekt. Na het verhelpen van het probleem moet de schakelaar et de hand weer in de stand aan worden gezet. In bovenstaande beschrijving herken je misschien, alhoewel in zeer primitieve vorm, een zekere mate van geheugenwerking. De veiligheid onthoudt als het ware dat er op zeker moment een te grote stroom heeft gelopen. Met de hand kan het geheel weer in de oorspronkelijke positie worden gezet ( gereset). Zo n geheugenwerking is op zeer veel plaatsen terug te vinden. Ik druk op het knopje naast het raam. Een rood licht met stop ik wil er uit gaar voorin de bus branden. Dit licht blijft branden totdat het door de chauffeur wordt gereset. Ik druk op een toets van mijn GSM. Er verschijnt een symbool op het display en blijft daar staan als ik het toetsje loslaat. Het reset-signaal kan op verschillende manieren worden gegeven. Ik beweeg me in het gebied van een infraroodsensor. Er gaat een schuifdeur open. De deur blijft open. Deze gaat weer dicht als er een zekere tijd geen beweging wordt waargenomen. Ik druk op een knop en het licht gaat zwak branden. Elke keer dat ik weer druk gaat het licht feller branden totdat. Ik druk op een knop en een motor gaat draaien. Ik druk nogmaals en de motor stopt terwijl nogmaals drukken er voor zorgt dat de motor de andere kant op gaat draaien.. Handleiding Practicum Elektrotechniek Eric Timmer / Marcel van Soest 9

10 Inleiding opdrachten Op de vorige pagina zie je voorbeelden van geheugenwerking. De laatste twee voorbeelden geven een al iets ingewikkeldere structuur van geheugenwerking aan. Er moet iets meer worden onthouden dan alleen aan en uit. Er moet ook nog worden geteld. Bovenstaande voorbeelden zijn allemaal realiseerbaar met behulp van elektromagnetische schakelaars, ook wel relais genoemd. Een relais bestaat uit een elektromagneet die met een zo klein mogelijke stroom in staat is een aantal schakelaars om te zetten. Als er in de spoel geen stroom loopt houdt een veertje de schakelaars in de zogenaamde ruststand. In de volgende figuren zijn een aantal veel voorkomende relais symbolisch weergegeven. In de figuren zijn de contacten naast de magneet getekend maar vaak is het handiger om de contacten die ergens in het circuit zijn opgenomen op een andere plek te tekenen. Er wordt dan onderscheid gemaakt tussen hoofden kleine letters. De contacten a1, a2 horen bij de magneet A, enz Op het practicum heb je de beschikking over twee relais met zogenaamde dubbelwissel contacten. Een relais (A) met één maakcontact Een relais (B) met één Een relais (C) met twee wisselcontacten Handleiding Practicum Elektrotechniek Eric Timmer / Marcel van Soest 10

11 Opdracht 7 Beschrijf wat er gebeurt als de schakelaar S bediend wordt. Bouw de schakeling en test deze. Opdracht 7 Opdracht 8 Beschrijf wat er gebeurt als de schakelaar S bediend wordt. Bouw de schakeling en test deze. Bedenk op welke plek in de schakeling er een extra drukknop geplaatst kan worden om de schakeling weer te resetten en bouw deze in. Opdracht 8 Opdracht 9 Sommige motoren kunnen van draairichting veranderen door de polariteit van de aansluitingen om te keren. De schakeling hiernaast (fig 10) is daarvoor te gebruiken. De schakelaar S is dan een zogenaamde dubbelpolige wisselschakelaar. Dit is in de praktijk vaak een schakelaar die gemaakt is voor het schakelen van groot vermogen. Dit kan ook gerealiseerd worden met een kleine drukknop en een relais dat in staat is grote vermogens te schakelen. Bijkomend voordeel is dat de drukknop op afstand van de motor geplaatst kan worden in bijvoorbeeld een schakelpaneel waarbij volstaan kan worden met dunne bedrading (veilig, goedkoop en eenvoudig te monteren) naar de drukknop. Teken het elektrische circuit dat bovenstaande realiseert. Opdracht 9 Handleiding Practicum Elektrotechniek Eric Timmer / Marcel van Soest 11

12 Opdracht 10 Ontwerp, bouw en test een schakeling waarbij twee lampen in serie komen te staan als een drukknop ( S ) ingedrukt wordt terwijl de lampen parallel moeten komen te staan als S weer wordt losgelaten. Maak eerst, voordat je de schakeling bouwt, een schema. Opdracht 11 Beschrijf wat er gebeurt als de schakelaars S1 en S2 bediend wordt. Maak een waarheidstabel. Bouw de schakeling en test deze. Voorbeeld van een waarheidstabel Handleiding Practicum Elektrotechniek Eric Timmer / Marcel van Soest 12

13 Inleiding opdracht 12 Als ik s avonds in de buurt van mijn fietsenschuurtje kom gaat automatisch het licht aan. Ik ben blijkbaar gesignaleerd. Bij aanwezigheid van mijn dochtertje gebeurt hetzelfde. In de verlichting boven de schuurdeur zit een zogenaamde sensor die in staat is mijn aanwezigheid te detecteren. Zo n sensorsysteem is erg handig, met name als je je handen vol hebt. Erg kieskeurig is deze detectie echter niet want ook de kat van de buren kan het licht aanzetten. Er zijn veel soorten sensoren. Er zijn er die elf iets uitzenden en aan de hand van wat er via reflectie terug komt bepalen wat er moet gebeuren. Er zijn er ook die slechts iets opvangen en aan de hand hiervan actie ondernemen. Ook een simpele schakelaar kan als sensor worden opgevat als je bedenkt dat aanraking ervan in een actie kan worden omgezet. Je gaat een aantal schakelingen uitproberen die gebruik maken van een sensor. Er is in het practicum een lichtsensor beschikbaar die in een zogenaamde blackbox is ingebouwd. Er zit naast een lichtgevoelig oog elektronica ingebouwd die de sensor handiger in gebruik maakt en die er tevens voor zorgt dat de sensor beveiligd is. Zie fig hiernaast. Als er licht op het oog valt gaat de schakelaar S open. Bij afwezigheid van licht is S gesloten. Opdracht 12 Probeer de werking van de blackbox uit Sluit hiervoor de sensor in serie met een fietslampje (signaallampje) aan op een voeding van 6 Volt. Zorg voor nog een lichtbron, een lampje of de zon zodat het licht hiervan op de sensor kan vallen. Als je het oog van de sensor afschermt dan moet het signaallampje gaan branden. Deze schakeling zou gebruikt kunnen worden om op afstand een gasvlam te bewaken. Gaat de vlam uit dan gaat de signaallamp aan. Zet een teller in serie met de sensor (blackbox) en controleer of je nog wel 5 vingers aan één hand hebt. De teller werkt alleen bij 24 volt maar de sensor kan daar prima tegen. Zorg dat je de voeding weer terugzet op het moment dat je weer met de fietslampjes werkt. Een aardige maar zinloze schakeling (?) krijg je als je het signaallampje dat in serie staat met de sensor zodanig plaatst dat het licht ervan op het oog van de sensor kan vallen. Wat denk je dat er gebeurt. Probeer dit uit. Ontwerp en bouw een schakeling waarbij een signaallampje niet uit- maar aan gaat als er licht op de sensor valt. Maak gebruik van een relais. Ontwerp en bouw een schakeling waarbij een signaallamp aan gaat als er licht op de sensor valt en waarbij het lichtje daarna blijft branden totdat er op een speciale resetknop wordt gedrukt. Handleiding Practicum Elektrotechniek Eric Timmer / Marcel van Soest 13