Elementare elektronica schakelingen in de motorvoertuigentechniek (3) Timloto o.s. / E. Gernaat / ISBN 978-90-808907-4-9 Op dit werk is de Creative Commens Licentie van toepassing. Uitgave: september 2012 1 Niet elektronische schakel-componenten In de elektronica maakt men veelvuldig gebruik van componenten die niet direct tot de elektronica gerekend worden. We noemen: de koolstofweerstanden; de instelpotentiometers; de condensator; de reed-schakelaar. 2 Weerstanden Om stromen c.q. spanningen in de elektronica in te stellen worden koolstofweerstandjes gebruikt (fig. 1). Deze weerstanden meestal met een vermogen van 0,25 Watt, zijn verkrijgbaar in verschillende standaard reeksen. De weer- Figuur 1: Doorsnede van een lineaire koolstofweerstand standswaarde variëert meestal tussen de 1Ω en 1 MΩ. Veel toegepast worden de E24, E12 resp. E6 reeks. De weerstanden zijn dan verkrijgbaar in decimale veelvouden van de in de reeks aangegeven waarden (fig. 2). Voorbeeld: Het getal 27 in de E12 reeks betekent dat een weerstandsgrootte van 2,7-27 - 270-2,7k - 27k - 270k(Ω) verkrijgbaar is. Om de weerstandswaarde te herkennen 1
E24 E12 E6 10 10 10 11 12 13 15 16 18 20 22 12 15 18 22 15 22 24 27 30 33 27 33 33 36 39 43 39 47 47 47 51 56 62 56 68 68 68 75 82 82 91 Figuur 2: Links: De drie meest bekende E-reeksenKleurringen. Rechts: Tabel voor het bepalen van de grootte van de weerstanden (tabel: Elektuur). wordt gebruik gemaakt van gekleurde ringen. Deze ringen zijn op de weerstand gedrukt. De eerste en laatste ring zijn te herkennen aan het verschil in afstand van de buitenzijde tot de ring. Na de kleinste afstand volgt de eerste ring. De laatste ring is bij de meest voorkomende weerstanden goudkleurig. Deze zgn. tolerantieband geeft aan dat de afgelezen afwijking maximaal 5% mag bedragen. We geven een voorbeeld: Bij een weerstand is de 1e ring geel; 2e ring violet; 3e ring oranje; 4e ring goudkleurig; We raadplegen nu de tabel van fig. 2. De 1e ring geel staat voor het eerste cijfer 4, de tweede ring violet geeft het tweede cijfer 7 en de vermenigvuldigingsfactor wordt door de oranje kleur van de derde ring 1000. De weerstandwaarde is dan 47000 Ω of 47 kω. De afwijking mag 5% meer of 5% minder bedragen. 3 Potentiometers Instelpotentiometers komen we in de auto-elektronica veel tegen. Het betreft in veel gevallen een enkelslag, 100 mw koolfilm potentiometer. Een potentiometer heeft drie aansluitingen, de plus, de min en de zgn. loper. Ook hier worden 2
weerstandsreeksen zoals bij de koolweerstand aangehouden. De hoogste weerstandswaarde geldt als maat. Potentiometers worden gebruikt om spanningen in te stellen. Potentiometers kunnen ook gebruik worden als variabele of instelbare weerstanden. Het is dan gebruikelijk om de loper met de plus of de min door te verbinden. Een instelbare weerstand (dus niet te verwarren met een potentiometer) wordt ook wel een rheostaat genoemd. Fig. 3 geeft diverse opstellingen van een potentiometer in een schakeling. Behalve de verschillende Figuur 3: Potentiometer als spannings- insteller en geheel rechts als variabele weerstand uitvoeringsvormen, draadgewonden, meer slagen etc. is er nog een belangrijk onderscheid aan te brengen nl. de lineaire en de logaritmische potentiometer. Bij de lineaire potmeter komt elke graad hoekverdraaiing overeen met een bepaalde vaste waarde. Bijv. een 330 Ω potmeter die een slag kan maken van 330 0 geeft 1 Ω weerstandverschil per graad verdraaiing. Bij de logaritmische potmeter is dit verloop niet rechtevenredig maar progressief. Fig. 4 geeft grafisch het verschil weer. Logaritmische potmeters worden vaak ingezet wanneer natuurkundige processen moeten worden ingeregeld. Bijv. de potentiometer van een volumeknop van een (ouderwetse?) radio is logaritmisch. Wordt bij een po- Figuur 4: Het weerstandsverloop van een lineaire resp. een logaritmische potentiometer tentiometer de hoekverdraaiing t.o.v. de spanningsverandering bekeken, dan 3
spreekt men van een (hoekverdraaiings)sensor. Gasklepsensoren bijv. zijn vaak potentiometers. 4 Condensatoren Condensatoren worden veelvuldig in de elektronica gebruikt. Het zijn echter geen elektronische componenten. Constructief bestaat een condensator uit twee geleiders die geïsoleerd ten opzichte van elkaar staan opgesteld. Een condensator is in staat om een zekere hoeveelheid energie op te nemen. We spreken van capaciteit. De capaciteit wordt uitgedrukt in farad. De capacaciteit van de condensatoren waar we in de elektronica mee te maken krijgen ligt tussen de 1 nf en 100 µf (1 µf = 0,000001 F en 1nF = 0,001 µf). Nog kleinere waarden worden uitgedrukt in picofarad (1 pf = 0,001 nf). Door de opbouw vormt de condensator voor een gelijkspanning een oneindig grote weerstand. Voor een wisselspanning vormt de condensator een weerstand waarvan de grootte afhangt van de capaciteit van de condensator en de frequentie van de wisselspanning. Hoe groter de frequentie en de capaciteit, hoe kleiner de (capacitieve) weerstand. Condensatoren spelen in schakelingen een rol wanneer we met veranderlijke spanningen te maken hebben. Veranderende spanningen treden ook op tijdens het in- en uitschakelen van elektrische circuits. 4.0.1 Stromen en spanningen in een condensatorcircuit 4.0.2 Het laden van een condensator Hoewel de condensatorplaten gescheiden zijn door een isolator, lijkt het alsof er tijdens het laadproces stroomdoorgang plaats vindt. De ampèremeters slaan dan ook (tijdelijk) uit. We kunnen het ons voorstellen alsof aan de ene zijde elektronen naar de plaat toe worden gedrukt en aan de andere zijde worden weggezogen (fig. 5). Op het moment van inschakelen is de stroomsterkte in het circuit bijzonder hoog (de condensator heeft geen ohmse weerstand), maar zal snel teruglopen omdat op de platen van de condensator een spanning komt te staan. Het spanningsverschil tussen stroombron en condensator wordt dan kleiner. Hoe verder de condensator wordt opgeladen, des te kleiner is het spanningsverschil en des te kleiner is de laadstroom. Na enige tijd is het spanningsverschil zo klein, dat de laadstroom vrijwel nul is geworden. Wanneer we de spanning en de stroom tijdens het laden van de condensator meten dan zien we dat deze grootheden zich tegengesteld gedragen. De spanning over de condensator wordt steeds groter en de stroomsterkte steeds kleiner. Het stroom- en spanningsverloop tijdens het laden kan dan volgens fig. 6 worden weergegeven. 4
Figuur 5: Situatie op het moment van inschakelen. De condensator laadt op. Beide ampéremeters slaan uit. Er vindt ogenschijnlijk stroomdoorgang plaats. Figuur 6: Stroom- en spanningsverloop tijdens het laden van een condensator 5
4.0.3 De laadtijd van de condensator Wanneer we een weerstand in serie schakelen met een condensator, ontstaat een zogenaamde RC-keten. De laadtijd van de condensator hangt dan af van: de grootte van de weerstand (deze beperkt immers de maximale stroom); de grootte van de condensator (hoe groter de condensator, hoe meer lading kan worden opgenomen). Wanneer we nu de grootte van de weerstand vermenigvuldigen met de grootte van de condensator, dan kunnen we daar de dimensie tijd aan toekennen. We spreken dan van de RC-tijd. De RC-tijd is die tijd in seconden, waarbij de condensator voor 63,2 % is opgeladen. Aangezien een condensator nooit voor de volle 100 % kan worden opgeladen (immers, het spanningsverschil tussen stroombron en condensator wordt wel steeds kleiner maar nooit nul), stellen we dat een condensator geladen is wanneer 3 x de RC-tijd wordt bereikt. Als voorbeeld nemen we het elektrische circuit van fig. 7. De grootte van de weerstand bedraagt 3 kω en de condensator 0,3 µf. Bij het sluiten van de schakelaar zal de condensator worden geladen. De RC-tijd bedraagt dan 3000 x 0,3 x 0,000001 s. De condensator is dan geladen in 3 x (3000 x 0,3 x 0,000001) s, hetgeen overeenkomt met 2,7 ms. Figuur 7: Het RC-circuit voorgesteld op het moment dat de condensator wordt geladen. De laadtijd wordt gesteld op (3000 x 0,3 x 0,000001) x 3 = 2,7 ms. 4.0.4 Het spannings- en stroomverloop over de weerstand tijdens het laden Soms wordt gebruik gemaakt van het spanningsverloop over de met de condensator in serie geschakelde weerstand. Het stroomverloop zal uiteraard hetzelfde zijn, omdat we met een serieschakeling te maken hebben. Het verloop van de spanning is echter tegengesteld aan dat van de condensator. Immers, op het moment dat de stroom het grootst is (condensatorspanning nul volt), zal het spanningsverlies over de weerstand maximaal zijn. Wordt de laadstroom kleiner dan zal ook het spanningsverlies over de weerstand afnemen. Zie fig. 8. 6
Figuur 8: Het spanningsverloop over de condensator (a) en de weerstand (b) tijdens het laden 4.0.5 Het ontladen van de condensator Wanneer we een geladen condensator met behulp van een weerstand aansluiten (zie fig. 9) dan zal het spanningsverschil tussen de platen voor een ontlaadstroom zorgen. De maximale grootte hangt af van de weerstandsgrootte, terwijl de ontlaadtijd weer bepaald wordt door de RC-waarde. De ontlaadstroom is aanvankelijk maximaal en loopt terug omdat het spanningsverschil tussen de platen steeds kleiner wordt. Wanneer we een condensator zullen gaan laden en Figuur 9: Het spanningsverloop over de condensator tijdens het ontladen. vervolgens weer ontladen, dan zal het verloop van de spanning volgens fig. 10 plaatsvinden. Op een oscilloscoop is een dergelijk spanningsverloop zichtbaar te maken als we de oscilloscoop over de condensator aansluiten en het circuit voeden met een blokspanning. Een dergelijk citcuit wordt een integrator-circuit genoemd. 7
Figuur 10: Het spanningsverloop over de condensator wanneer we een blokspanning als voeding op het circuit aansluiten. 4.0.6 Capaciteit in elektrische circuits Twee draden naast elkaar voldoen aan de definitie van een condensator. Het zijn namelijk twee geleiders die door een isolator van elkaar gescheiden zijn. Ze vormen dus een ongewenste condensator. Een kabelbundel heeft dus een zekere capaciteit. Of we daar rekening mee moeten houden hangt af van het signaal dat door een kabel gaat. De flanken van blokvormige signalen kunnen door de capaciteit van de kabelbundel worden vervormd. 4.0.7 Condensator uitvoeringen Men onderscheidt o.a. keramische condensatoren; elektrolitische condensatoren (elco s); tantaal condensatoren; MKT-(polyester film) condensatoren. De verschillen betreffen de gebruikte materialen, de wijze van opbouw en de toepassing. De elco s en de tantaal condensatoren zijn polariteitsgevoelig (fig. 11). Verkeerd aansluiten kan de condensator doen uiteenspatten. Voor de toepassing onderscheidt men nog wel, voedings- ontstorings en veiligheidscondensatoren. De gangbare waarden voor de elco s liggen tussen de 1 µf en 1000 µf, voor de MKT-condensatoren tussen de 1 nf en 1 µf en voor de keramische condensatoren tussen de 1 pf en 10 nf. Veelal zijn de waarden opgedrukt. Bijv 3n3 betekent een condensator grootte van 3,3 nf. Verwar niet µ1 met 1µ zijnde het verschil tussen 0,1 en 1 µf. Condensatoren hebben als componenten een zekere capaciteit. Er zijn echter in elektrische circuits ook ongewilde capaciteiten. De bobine bijv. bestaat uit twee spoelen, die elektrisch van elkaar geschieden (kunnen) zijn. Deze spoelen vormen (ongewild) ook een condensator. Men zegt dan 8
Figuur 11: Een elco is polariteitsgevoelig. Voor de aansluiting dient rekening te worden gehouden met de plus en de min. dat een spoel een zekere capaciteit heeft. Hetzelfde geldt ook voor de draden in de draadbundel. Twee draden naast elkaar voldoen aan de definitie van een condensator, namelijk dat twee geleiders gescheiden door een isolator een condensator vormen. Men kan ook zeggen dat twee draden naast elkaar capacitief met elkaar in verbinding staan. 5 Reedschakelaars Reedschakelaars komen we in de auto-elektronica een enkele maal tegen. Bij een aantal airbag-computers wordt de vertraging geregisteerd door een verschuivend magneetje dat een reedschakelaar bedient. De reedschakelaar is een microschakelaar die zich in een geheel gesloten en met gas gevuld buisje bevindt. Wanneer een magnetisch voorwerp de reedschakelaar nadert dan sluiten of openen de contacten. De bediening vindt dus plaats zonder mechanische delen en de constructie is ongevoelig voor stof. Ook kunnen we reedschakelaars tegenkomen waar omheen een spoeltje is gewikkeld (fig. 12). Wanneer de stroom een bepaalde waarde overschrijdt dan zorgt het magnetische veld ervoor dat de contacten sluiten (of openen). Er vindt dan een zekere stroommeting plaats. Autotechnische toepassingen kunnen worden gezocht in het toenemen van de knipperfrequentie wanneer een knipperlicht uitvalt of een waarschuwing aan de bestuurder dat bijv. een achterlicht defect is. Figuur 12: Reed-schakelaar met stroomspoeltje 9
6 Vragen en opgaven Vragen zie boek 10