Inhoudsopgave Blz. 1 Blz. 2 Blz. 3 Blz. 4 Blz. 5 Blz. 6 Blz. 7 Blz. 8 Inleiding Weerstand Codering en waarden Speciale weerstanden Condensator Serieel en parallel Codering Diode Aanwijzingen bij het gebruik van dit bestand. In dit bestand wordt veel met knoppen gewerkt die aangeklikt kunnen worden. Gele knoppen openen een extern web-adres. Blauwe onderstreepte tekst opent een andere bladzij in dit bestand of op het web. Sommige afbeeldingen zijn animaties die gaan lopen als ze aangeklikt worden. Andere afbeeldingen bevatten een hyperlink naar het bronbestand, tenzij het eigen materiaal is. Het NIUtec-logo verwijst naar de startpagina van de website. Voor dit bestand en alle daarbij behorende afbeeldingen geldt een Creative Commons licentie. Deze versie is gepubliceerd op 12 maart 2012 Voor op- of aanmerkingen betreffende de inhoud kan contact opgenomen worden met de auteur, P. Jongejan
Inleiding Elektronica is te vergelijken met het regelen van het verkeer. Een stroom is een gecoördineerde beweging van een massa deeltjes. Die deeltjes zijn in het verkeer de verkeersdeelnemers. Ze vormen een verkeersstroom als ze zich gaan verplaatsen. Zonder verplaatsing is er geen verkeers stroom. Misschien staan ze te wachten tot de trein gepasseerd is of wordt er gewerkt aan de weg en kunnen ze alleen stapvoets rijden. De versperring remt de beweging en vormt een weerstand voor de stroom. Er ontstaat een verstopping en de spanning onder de automobilisten groeit. Als de overweg weer vrij is, of als er een tweede rijstrook beschikbaar komt, dan is er minder weerstand voor het verkeer, er komt weer beweging in de file, de spanning neemt af en de stroom komt weer op gang. Eenheden Stroom is de mate van verplaatsing. Eenheid: Ampère Symbool: I Spanning is de verkeersdruk. Eenheid: Volt Symbool: U Weerstand is de invloed van de weg. Eenheid: Ohm Symbool: R Wet van Ohm De wet van Ohm beschrijft de relatie tussen de drie eenheden van elektriciteit, te weten spanning (U), stroom (I) en weerstand (R). Je zou kunnen zeggen dat naarmate er meer weerstand is onderweg, de spanning onder de verkeersdeelnemers groeit. Spanning is recht evenredig aan weerstand. Ook kan je zeggen dat het maar weinig opschiet met veel opstoppingen onderweg. Stroom is omgekeerd evenredig met weerstand. I U R R = U I = I U = I x R U R Ook kan je zeggen dat hoe hoger de druk is om thuis te komen, hoe harder iedereen rijdt. Dus: Spanning is recht evenredig aan stroom. Als we stroom als symbool de letter I geven, spanning de letter V en weerstand de letter R, dan kan je de onderlinge relatie tussen de drie weergeven als R=V/I. Of als I=V/R. Of als V=IR. Dit verband tussen stroom, spanning en weerstand is de wet van Ohm. De verkeersdeelnemers in dit verhaal zijn die ongrijpbare, onzichtbare en onvoorstelbaar kleine elektronen. Energie en vermogen Vermogen ( Watt) is de hoeveelheid energie ( Joule) die nodig is om in een bepaalde tijd iets te doen. Eén Watt is óók 1Volt x 1Amp. 1 Watt = 1Joule per sec. = 1Volt x 1Ampère P U I P P U = I = I U P = U x I 1
Weerstand Elektronische Algemeen Alle materialen, met uitzondering van supergeleiders, hebben een weerstand voor elektrische stroom. De weerstand wordt bepaald door de mate waarmee vrije elektronen van het ene naar het volgende atoom kunnen overspringen. Materialen met veel losse elektronen zijn goede geleiders. Voorbeelden: metalen, grafiet, zout water. Slechte geleiders noemen we isolatoren. Voorbeelden: lucht, porselein, rubber, kwarts. Symbool gewone weerstand + Stroombegrenzer Eenheid en afkorting Net zoals de eenheid van lengte de meter is, is de eenheid van weerstand de Ohm (vernoemd naar de 19e eeuwse natuurkundige Georg Ohm). Net zoals de afkorting van meter de m is, is de afkorting van Ohm de griekse letter omega,. In formules wordt de weerstand met de letter R (Resistance) aangegeven. Zie blz. 4 voor de voorvoegsels. Als stroombegrenzer wordt een weerstand in serie geschakeld met een ander onderdeel dat niet zoveel stroom kan verwerken. Op deze manier kan een weerstand kortsluiting van een stroombron voorkomen. Ook kan hij dienen als bescherming bij halfgeleider- zoals LED s, transistors en IC s. Zo n weerstand wordt een voorschakelweerstand genoemd. + Functie Weerstanden kunnen, afhankelijk van de manier waarop ze geschakeld zijn, drie dingen doen: 1. Ze begrenzen de elektrische stroom. 2. Ze delen de elektrische spanning. 3. Ze delen de elektrische stroom. Zie illustraties hiernaast Spanningdeler Als spanningdeler worden twee weerstanden in serie geschakeld. Als het weerstanden met een gelijke waarde zijn, is tussen de twee weerstanden de spanning gehalveerd. Bij ongelijke weerstandswaarden verminderd de weerstand naar verhouding. V Formules De totale weerstandswaarde van in serie geschakelde weerstanden is de som van de afzonderlijke weerstanden. R 123serie = R 1 + R 2 + R 3 + A Stroomdeler De totale weerstandswaarde van parallel geschakelde weerstanden is de som van de omgekeerde afzonderlijke weerstanden. 1 1 1 R 123parallel = + + R 1 R 2 R 3 Als stroomdeler worden twee weerstanden parallel geschakeld. Als het weerstanden zijn met gelijke waarde, wordt de hoofdstroom over beide aftakkingen in twee half zo grote deelstromen verdeeld. Bij ongelijke weerstandswaarden wordt de hoofdstroom verdeeld in een verhouding omgekeerd evenredig aan de weerstandsverhouding. 2
Materiaal De weerstandjes die we in de les gebruiken zijn koolfilm-weerstanden.het geleidende materiaal van deze weerstandjes is koolstof of grafiet. Dit is in een dunne laag spiraalsgewijze aangebracht op een keramische, niet geleidende ondergrond. Je zou kunnen zeggen dat het een potloodstreepje op een gebakken kleistaafje is. De lengte, de breedte en de samenstelling van de grafietlijn bepalen de weerstand. Een leuk proefje is om te kijken of een potloodstreep op papier óók geleidt! Kleurcodering De waarde van een weerstand wordt met kleurringen aangegeven. Een tabel hiervoor vind je onder de kleurcode-tabel. Een tweede mogelijkheid is om hiervoor het rekenprogrammaatje kleurcode aan te klikken. Dan hoef je alleen de waarde in te voeren, en het antwoord komt vanzelf! x 0,01 10% x 0,1 5% 0 0 x 1 1 1 x 10 1% 2 2 x 100 2% 3 3 x 1k 4 4 x 10k 5 5 x 100k 0,5% 6 6 x 1M 0,25% 7 7 x 10M 0,1% 8 8 9 9 Weerstandreeksen E6 E12 E24 1.0 1.5 2.2 3.3 4.7 6.8 1.0 1.2 1.5 1.8 2.2 2.7 3.3 3.9 4.7 5.6 6.8 8.2 1.0 1.1 1.2 1.3 1.5 1.6 1.8 2.0 2.2 2.4 2.7 3.0 3.3 3.6 3.9 4.3 4.7 5.1 5.6 6.2 6.8 7.5 8.2 9.1 Tolerantie en voorkeurswaarden Weerstanden hebben nooit helemaal precies de aangegeven waarde, ze kunnen altijd een beetje meer of minder zijn. Zo zijn er weerstanden voor niet zo kritische toepassingen, die kunnen wel 20% boven of onder de aangegeven waarde zitten! Maar voor heel gevoelige elektronica kan het juist ook nodig zijn dat zo n weerstand heel precies de aangegeven waarde moet hebben, dus bijvoorbeeld niet meer dan 1% mag afwijken. Afhankelijk van de tolerantie zijn er reeksen weerstanden in de handel, de E6, E12, E24 (en nog verder). Klik voor meer uitleg maar eens op voorkeurswaarden. 3
Speciale weerstanden Elektronische Vermogensweerstand De vermogensweerstand is een weerstand die bedoeld is om energie af te voeren in de vorm van warmte. Het zijn dus stevig uitgevoerde weerstanden die tijdens gebruik flink heet kunnen worden. Vaak zijn deze weerstanden gewikkeld van weerstandsdraad en lijken ze op spoelen. Sommige vermogensweerstanden zijn echt bedoeld om heet te worden, bijvoorbeeld het warmte-element in een strijkbout of soldeerbout. -t Regelbare weerstand De regelbare weerstand of potentiometer worden gebruikt om een elektronische schakeling af te regelen zonder vaste weerstanden te hoeven veranderen. Ze zijn in vele vormen en afmetingen te verkrijgen, liggend (zie afb.) en staand, open of gesloten, enkelslags of meerslagenuitvoering. De nauwkeurigste zijn zgn. cermet-potmeters (ceramic metal), vaak gebruikt in volumeregelaars. Warmtegevoelige weerstand Warmtegevoelige weerstanden of thermistors zijn er in twee soorten: 1. Het type dat bij warm worden méér weerstand gaat geven is de PTC (Positive Temperature Coëfficient). 2. De soort die dan juist mínder weerstand krijgt is de NTC. (Negative enz.) PTC s worden vaak gebruikt als beveiliging tegen kortsluiting. -Pa Drukgevoelige weerstand Bij deze sensor neemt de weerstand geleidelijk af bij toenemende druk. Hij bestaat uit een dunne folie met daarop aangebracht het weerstandsmateriaal. Ook in zelfklevende uitvoering te verkrijgen. Lichtgevoelige weerstand Lichtgevoelige weerstanden of LDR s (Light Depending Resistor) hebben de eigenschap dat ze minder weerstand krijgen als er licht op valt. Ze zijn herkenbaar aan de zigzaggende lijn weerstandsmateriaal, dat vaak onder een lens ligt. De reactiesnelheid op lichtwisselingen is vrij traag in vergelijking met andere lichtgevoelige zoals de lichtgevoelige diode en de lichtgevoelige transistor. Ze zijn wél een stuk goedkoper. Ze worden vaak toegepast in beveiligingslampen die aan gaan bij duisternis. 4
Condensator elektrolytische condensator Algemeen Elke centrale verwarming heeft een expansievat. Het is een grote rode ketel die uit twee helften bestaat met een rand in het midden. Binnenin bestaat hij uit twee ruimtes die van elkaar gescheiden zijn door een rubberen plaat. De ene helft is aangesloten op de leidingen van de verwarming, de andere helft staat in verbinding met de buitenlucht. Als er teveel water in het verwarmingssysteem zit omdat dat bij het opwarmen is gaan uitzetten, dan wordt dat in de éne helft van het expansievat geperst. Doordat de rubberen plaat meegeeft, kan er een redelijke hoeveelheid water in worden opgevangen. Maar zodra het water in de verwarming weer afkoelt en krimpt, drukt het rubber het water weer terug in de leidingen. Het vat werkt zo als een tijdelijk opvangreservoir. gewone condensator In de elektronica bestaat er ook zo n soort expansievat. Het heet condensator en kan elektriciteit opslaan. Dat gebeurt in de vorm van statische elektriciteit, bekend van de knetterende zakkam door droog haar. In de elektronica heet zoiets een elektrisch veld. Een condensator bestaat uit twee dunne, geleidende (metaal-) platen, gescheiden door een isolator. Als er geen verschil is in de spanning over beide aansluitingen, gebeurt er niets. Maar zodra aan de ene kant de elektronen wat harder duwen om naar binnen te kunnen dan aan de andere kant, loopt die kant vol en de andere kant leeg. Zodra de spanning weer afneemt (of de spanning aan de andere kant oploopt!), stelt zich een nieuw evenwicht in. De luchthelft van het vat moet verbinding hebben met de buitenlucht, anders kan de rubberen plaat niet bewegen. Water erin = lucht eruit en omgekeerd. Eenheid en afkorting De hoeveelheid energie die in een condensator kan worden opgeslagen, wordt de capaciteit genoemd. Deze wordt uitgedrukt in Farad, afgekort F. Eén (1) Farad is een behoorlijk grote hoeveelheid elektrische energie. De waarden die een gewone condensator meestal heeft, varieert tussen de 12pF tot 50mF. Hieronder kan je zien wat die p en die m betekenen. membraan in het midden: geen drukverschil tussen links en rechts Voorvoegsel Afkorting Vermenigvuldigingsfactor tera giga mega kilo geen centi milli micro nano pico T G M k geen c m µ n p 12 10 (=1 000 000 000 000) 9 10 (=1 000 000 000) 6 10 (=1 000 000) 3 10 (=1 000) 0 10 (=1) -2 10 (=0,01) -3 10 (=0,001) -6 10 (=0,000 001) -9 10 (=0,000 000 001) -12 10 (=0,000 000 000 001) membraan naar rechts: druk links is groter dan druk rechts. Als de zuiger wordt losgelaten, schiet hij weer omhoog. 5
Serie- en parallel Net als weerstanden kunnen condensators parallel of in serie geschakeld worden om andere waarden te verkrijgen. De totale capaciteit van in serie geschakelde condensators is de som van de omgekeerde afzonderlijke condensators. 1 1 1 C 123serie = + + C 1 C 2 C 3 De totale capaciteit van parallel geschakelde condensators is de som van de afzonderlijke condensators. In serie werken de membranen elkaar tegen: in drie kan minder dan in één vat. Parallel kan er drie keer zoveel in! C 123parallel = C 1 + C 2 + C 3 Merk op dat de formules precies andersom zijn als bij weerstanden! Materiaal Het materiaal waarvan condensators gemaakt worden kan erg verschillen. Om een paar soorten te noemen: tantalium, polystyreen, polycarbonaat, gemetalliseerde film, keramisch. De verscheidenheid in materiaal vindt je terug in een groot verschil in uiterlijke vorm. De ene condensator is een klein, blauw pilletje met twee aansluitdraadjes, de andere ziet eruit als een forse metalen cylinder. Of een klein zilverkleurig plat rechthoekig tabletje of iets wat lijkt op een Smartie met twee draadjes. Er valt haast geen peil op te trekken. Een gesloopte elektrolytische condensator blijkt een rolletje papier te bevatten met aan de beide kanten dun aluminiumfolie. Het papier is doordrenkt met iets wat nog het meeste op jodiumtinctuur lijkt. Héél vies! 6
Codering De waarde van een kleine condensator wordt meestal aangegeven met drie cijfers; de eerste twee geven de waarde aan en het laatste geeft de vermenigvuldigingsfactor. Daarbij wordt uitgegaan van een basiswaarde -12 van 1 pf (één picofarad=10 Farad= een miljoenste van een miljoenste Farad). Dus een opdruk van 204 staat voor 200.000 pf, beter gezegd 200 nf. Zodra je drie nullen kan vervangen door een ander voorvoegsel, moet je dat doen. Kijk voor die voorvoegsels op blz. 5. Toepassingen en bijzondere soorten condensators Naast de gewone kleine condensator, die meestal gebruikt worden als ontkoppel- condensator (om ongewenste stroom-piekjes weg te vangen), zijn er natuurlijk ook soorten met een grotere capaciteit. Deze worden vaak toegepast om stroom af te vlakken (om van een wisselspanning een gelijkspanning te maken). Voor deze grotere capaciteiten worden vaak elektrolytische condensators gebruikt. Elektrolytisch condensator De elektrolytische condensator, kortweg elco, heeft een diëlektricum (=isolerend tussenlaagje) dat uit een heel dunne laag oxide (een soort roest) bestaat. Deze laag is niet alleen gevoelig voor overspanning (teveel Volt), maar ook niet bestand tegen een verkeerde poling. Bij een elco moeten de plus en de nul dus goed aangesloten zijn, anders gaat hij stuk. Variabele condensator Een heel bijzondere condensator is de variabele condensator. Hij bestaat uit twee groepen metalen plaatjes, die met een kleine tussenruimte om-en-om in een behuizing zitten. De ene groep is vast, de andere draaibaar. De tussenruimte bestaat soms uit lucht, maar vaak zit er een dunne kunststof folie tussen (zie afbeelding) Variabele condensators worden vaak toegepast in radio s om de ontvangstfrequentie mee af te regelen. 7
Diode Werking Een diode is een soort elektronische eenrichtingsstraat; elektrische stroom kan maar in één richting passeren. Een diode heeft dus een doorlaatrichting (pijl, pluskant) en een sperrichting (balkje, minkant). Maar ook in doorlaatrichting wordt er een prijs betaald; het kost ongeveer 0,5 Volt spanning om een diode te passeren. lichtgevoelige diode lichtgevende diode (LED) gewone diode Handig wanneer je de spanning wat omlaag moet brengen zonder de weerstand te verhogen, de diode werkt nl. niet volgens de wet van Ohm! Soorten De meest bekende diode is ongetwijfeld de lichtgevende diode. Tegenwoordig zijn er zeer sterke op de markt, denk maar aan autolampen! Ook veel toegepast in energiezuinige lampen. minkant Een tweede soort is de lichtgevoelige diode, te vinden in optische sensors. De gewone diode wordt toegepast in elektronische schakelingen om er bijvoorbeeld voor te zorgen dat wisselstroom omgezet wordt in gelijkstroom. In de niet-doorlatende richting worden zenerdiodes gebruikt om spanning op een bepaalde hoogte te houden; komt er een spanning op te staan dan wordt die doorgelaten. Het is als het ware een drempel voor spanning, boven een bepaald niveau loopt die over. Vormen Naast de gewone behuizing van de lichtgevende diode kan je ze in praktisch elke vorm tegenkomen, met combinaties van diodes in de vorm van een langwerpige rechthoek worden bijvoorbeeld cijferdisplays gemaakt. En de diode die in schakelingen wordt toegepast zit in een klein staafje, met aan de sperkant een zwart ringetje, of in een klein blokje als het is uitgevoerd als SMD (Surface Mounted Device) component. 8
Transistor NPN transistor PNP transistor DIT DOCUMENT IS NOG NIET AF 9