1L3 ELEKTRICITEIT  (niveau 1)

Gelijkspanningscircuits

Dit hoofdstuk is onderverdeeld in:

  • Inleiding
  1. Wet van Ohm, spannings- en stroomwetten van Kirchoff
  2. Betekenis van de inwendige weerstand van een voeding
  3. Weerstandsvermogen/weerstand
  4. Weerstandkleurencode, waarden en toleranties, voorkeurwaarden, wattagewaarden
  5. Weerstanden in serie en parallel

INLEIDING ELEKTRICITEIT

Eerst wordt hier beschreven waar je als technicus in de praktijk mee te maken krijgt. Vroeger hadden de zweefvliegtuigen geen enkel instrument waar je elektriciteit voor nodig had. Wie tegenwoordig in een modern zweefvliegtuig gaat zitten constateert dat het aantal elektrische instrumenten alleen maar toeneemt.

Wanneer je wat langer kijkt dan valt je misschien het volgende op. Een zweefvliegtuig heeft één of meerdere accu's. Loodaccu's worden steeds meer vervangen door LifePo4-accu's. Die zijn lichter en hebben een hogere capaciteit. Je hebt elektriciteit nodig voor:

  • de radiozendinstallatie
  • de transponder
  • het navigatiescherm met een elektrische vario
  • de FLARM
  • de bugwipers om de muggen van de vleugels te wissen
  • een anti-collision systeem met ledlampjes.

Bij een zweefvliegtuig met een turbo komen daar nog bij:

  • de motorinstrumenten 
  • de brandstofpomp
  • de elektromotor die de propeller naar buiten en naar binnen klapt
  • de pomp waarmee je de tank vult

Bij een FES (Front Electric Sustainer)  zoals op de afbeelding:

  • de motorinstrumenten voor de bediening van de FES
  • de grote accu's voor de aandrijving van de motor. 

Verder zie je op de bovenste foto dat het navigatiesysteem bedient kan worden door bedieningsknoppen op de stuurknuppel. Daar loopt een bundeltje draden heen. Er is een hoofdschakelaar en een heel rijtje zekeringen. Voor elk instrument één.  

De meeste zweefvliegtuigen hebben veel minder elektrische verbruikers en maar één accu. Die accu is verbonden met de hoofdschakelaar en van daar vindt een aftakking plaats naar:

  • de elektrische vario 
± 100 mA 
  • de radiozendinstallatie
 ± 250 mA bij zenden 2,5 Ah
  • het navigatischerm
± 400 mA
  • de FLARM
± 180 mA
  • de transponder
± 300 mA
Totaal  ±1230 mA 

 

Hierboven zie je de berekening van het gebruik van elektrische instrumenten in een zweefvliegtuig. De radio in dit zweefvliegtuig verbruikt bij zenden 2,5 Ah. Per uur verbruikt dit zweefvliegtuig minder dan 1500 mA. Dat is 1,5 Ah. Met een batterij van 15 Ah kan de vlieger dan 10 uur gebruik maken van deze elektrische instrumenten. 

Op het instrumentenbord zie je zekeringen. Elk instrument heeft één zekering. Op de zekering staat de waarde van de zekering en voor welk instrument die aangesloten is. Staat er bijvoorbeeld NAV 1 en op een andere COM 3 dan zal de zekering van het navigatiescherm doorbranden als de stroomsterkte groter is dan 1 A en voor de radiozendinstallatie gebeurt dat bij een grotere stroomsterkte dan 3A.

Voor veel instrumenten is een zekering van 1A voldoende. De radiozendinstallatie heeft een hogere waarde nodig omdat bij zenden de radio zo'n 2,5 Ah verbruikt. De zekering op de batterij heeft vaak een waarde van 6A. Bij een zweefvliegtuig met een elektrisch intrekbaar wiel bedraagt die zekering vaak 12 A.  Naast smeltzekeringen kunnen er ook drukzekeringen geplaatst zijn. 

    
   

Een drukzekering werkt met een bimetaal die de stroom onderbreekt bij een te hoge stroomsterkte. De knop spingt dan omhoog en zo kun je duidelijk zien dat er bij dat instrument iets aan de hand is. Wanneer de juiste zekering geplaatst is en deze defect raakt, dan is de kans groot dat er in de bedrading of in het instrument een storing opgetreden is. Rekening houdend met de mogelijkheid van veroudering van de zekering mag je één keer een zekering - van dezelfde waarde -  plaatsen. Raakt ook deze defect of werkt het instrument dan nog niet, dan moet de oorzaak van de storing worden uitgezocht. 

Kijk je achter het instrumentenbord dan zie je elektrische bedrading van de hoofdschakelaar naar een zekering lopen en van daar naar één van de verbruikers. In schema ziet dat er zo uit:

Kijk je naar de bedrading dan zie je stroomdraden met verschillende kleuren en van verschillende dikte. De bedrading moet voldoen aan luchtvaartkwaliteit. De isolatie moet onbrandbaar zijn en er mogen bij rook geen giftige gassen vrijkomen. De dikte wordt weergegeven in AWG (American Wire Gauge). AWG 16, WG 18, AWG 20, AWG 22 en AWG 24 zijn o.a. geschikt voor zweefvliegtuigen. Je kunt ze bestellen bij een luchtvaartshop. Aan welke eisen de bedrading moet voldoen en welke dikte je nodig hebt  dat leer je in hoofdstuk 3 van elektriciteit (site van het KEI). Daar staat o.a. deze tabel:

AWG 16 is veel dikker dan AWG 24. Hoe lager het AWG nummer hoe dikker de kabel. De draad heeft een bepaalde weerstand. Hoe dikker en korter de kabel hoe lager de weerstand. Hoe dunner en langer hoe groter de weerstand. De weerstand die in de tabel staat is per meter bij 20 graden Celcius. De draad van de batterij naar de hoofdzekering moet dus dik zijn en die van de hoofdzekering naar bijvoorbeeld de FLARM kan veel dunner zijn.  

 

Wat is elektriciteit

Elektriciteit is een vorm van energie die voortkomt uit de beweging van elektronen. Het woord elektriciteit is afgeleid van ‘elektron’, het Griekse woord voor barnsteen. Met zo’n steen kan door middel van wrijving statische elektriciteit worden opgewekt.

Alle stoffen bestaan uit moleculen. Alle moleculen zijn opgebouwd uit atomen, die op hun beurt bestaan uit protonen, neutronen en elektronen. 

Een atoom bestaat uit een kern met elektronen die daar omheen bewegen. De kern is positief geladen en de elektronen zijn negatief geladen. Elektronen zijn onzichtbare deeltjes. 

Je ziet hier een model van het koperatoom. De elektronen in de binnenste drie schillen zijn gebonden elektronen en de atomen in de buitenste schil kunnen vrij bewegen en naar een ander atoom bewegen. 

Vrije elektronen

Een elektrische stroom is het bewegen van elektronen door een voorwerp (zoals een stroomkabel). Elektronen hoeven namelijk niet 'vast' te zitten in een atoom. Er zijn genoeg materialen waarin een elektron van zijn atoom 'los' kan komen en vrij tussen alle andere atomen door kan bewegen. Ze stromen van een plaats waar veel elektronen zijn (de minpool) naar een plek waar juist weinig elektronen zijn (de pluspool).

'Elektriciteit' wordt vaak kortweg 'stroom' genoemd. Dat komt omdat de elektronen door een elektrische draad heen 'stromen', net zoals water door een tuinslang stroomt. Het bewegen van elektrische deeltjes (elektronen) in een stroomkabel gaat razendsnel, maar als de elektronen niet kunnen rondstromen (de stroomkring niet gesloten is), heb je geen elektriciteit.

Geleiders en isolatoren

Materialen waarin elektronen vrij kunnen bewegen, noemen we 'geleiders'. Alle soorten metaal zijn geleiders. Binnen de geleiders bestaan er natuurlijk ook nog verschillende soorten: in sommige materialen kunnen elektronen een stuk makkelijker bewegen dan in andere. Dat zijn dus betere geleiders. Materialen waarin elektronen helemaal niet vrij kunnen bewegen, noemen we 'isolatoren'. Hout en plastic zijn isolatoren.

Stroomkringen

Die bewegende elektronen worden gebruikt om energie te transporteren van een energiebron (bijvoorbeeld een accu naar een apparaat (bijvoorbeeld een lamp) om daar op één of andere manier werk te verrichten. Daarvoor moet de accu verbonden worden met de lamp door stroomkabels.

Eén kabel is niet genoeg: er zouden dan een paar elektronen van de accu naar de lamp bewegen, en vervolgens niet verder kunnen, zodat er niets meer zou gebeuren. De elektronen moeten door de gloeidraad van de lamp heen stromen en vervolgens weer teruggaan naar de batterij, zodat de elektronen door kunnen blijven stromen. Met andere woorden: de stroomkring moet gesloten zijn. De energiebron werkt dan als een soort 'pomp' voor de elektronen, die rond blijven bewegen.

Lading :eenheid Coulomb, afgekort C  (symbool Q).

Elektronen hebben een negatieve lading. Dat betekent dat de lading van een elektron tegengesteld is aan die van een proton, dat een positieve lading heeft. Twee tegengestelde ladingen trekken elkaar aan, terwijl twee dezelfde ladingen elkaar afstoten; net zoals twee dezelfde magnetische polen elkaar afstoten. Aan de ene kant van de energiebron (de minpool) zijn er heel veel elektronen aanwezig, terwijl er aan de andere kant (de pluspool) juist heel weinig zijn. 

De negatief geladen elektronen die op een kluitje aan de minpool zitten, worden aangetrokken door de positieve pluspool waar ruimte genoeg is voor de elektronen. Ze gaan daarom - zo lang er een overschot aan elektronen aan de minpool is - van de minpool via de lamp naar de pluspool toe. Toch is de afspraak, als we het hebben over een elektrische stroom die door een draad loopt, dat de elektrische stroom loopt van de pluspool naar de minpool.

Het verschil in de richting waarin elektronen bewegen (de elektronenstroom) en de richting waarin de elektrische stroom “loopt” is het gevolg van de afspraken die vroeger gemaakt zijn. Nog voor men wist hoe atomen in elkaar zaten, was de afspraak dat een elektrische stroom van een positief geladen kant naar een negatief geladen kant stroomt. 

 

Stroomsterkte; eenheid Ampère (symbool: I)

De elektrische lading gaat in een gesloten stroomkring van het ene naar het andere punt. De stroomsterkte wordt gebruikt om de grootte van een elektrische stroom uit te drukken. Het zegt iets over de hoeveelheid van elektrische deeltjes die zich bewegen. Hiervoor wordt gebruikt gemaakt van de eenheid Ampère (symbool: I). De ampèremeter wordt in de stroomkring geplaatst. De hoeveelheid stroom die er per seconde wordt verplaatst bereken je met de formule: I = Q / t

Spanning; eenheid Volt (symbool: U)

Spanning is de kracht die de eletronen laat bewegen. De spanning wordt gemeten in Volt  afgekort V (symbool: U). De voltmeter wordt over de stroomkring geplaatst. De spanning van een zweefvliegaccu is tussen 11 en zo'n 13 volt (11 volt is een bijna lege batterij en 13 volt een volle).

Op de site van PHET kun je een stroomkring bouwen en zien hoe de elektronen stromen. Je kunt de spanning meten door een voltmeter te plaatsen en de stroomsterkte door een Ampèremeter in de stroomkring te plaatsen. Je kunt lampjes parallel en in serie plaatsen enzovoort. Je ziet wat er gebeurt.

Weerstand; eenheid Ohm afgekort Ω (symbool R)

Wanneer je een lampje in een stroomkring plaatst dan veroorzaakt dat lampje een weerstand. Plaats je twee lampjes achter elkaar dan verdubbel je de weerstand. Er zal dan minder stroom door de draad lopen en de lampjes branden minder fel. De eenheid voor weerstand is Ohm en wordt aangeduid met de Griekse letter omega Ω. Als letter en symbool wordt de R gebruikt (afkomstig van het woord resistor).

Ieder materiaal heeft een bepaalde weerstand. Dat zegt iets over de energie die nodig is om de elektronen ergens doorheen te laten bewegen, ofwel hoe goed een bepaald materiaal geleidt. Hoe groter de weerstand hoe beter een materiaal isoleert.

Materialen die goed isoleren zijn bijvoorbeeld rubber, plastic, lucht, keramiek of glas. Andere materialen zijn juist weer goed in het geleiden van elektrische stroom, zoals metalen. Vooral aluminium, koper, zilver en goud lenen zich hier goed voor.

Vermogen; W=V x A

Als de spanning en stroomsterkte bekend zijn, is het mogelijk om het vermogen te berekenen: 

Vermogen (in Watt) = Spanning (in volt) x Stroomsterkte (in ampère)  Dus : W=V x A

Gevaren van elektriciteit

Elektriciteit kan erg gevaarlijk zijn als deze door het menselijk lichaam stroomt. Spieren kunnen verkrampen. Bij hogere stroomsterktes kan zelfs de hartspier verkrampen wat de dood tot gevolg kan hebben.

De vuistregel is dat stroom vanaf 10 mA en 45 Volt gevaarlijk is. Stroom vanaf 100 mA kan dodelijk zijn. Hoe gevaarlijk de elektriciteit daadwerkelijk is, hangt echter af van een groot aantal andere factoren:

  • Hoe je lichaam de stroom geleidt.
  • Als je op een rubberen band staat, geleidt de stroom minder goed.
  • Als je lichaam nat is, geleidt de stroom juist veel beter.
  • Met welk oppervlak je contact maakt met een stroombron
  • Hoe lang je contact maakt met een stroombron

Samengevat:

Lading eenheid Coulomb, afgekort C symbool Q
Spanning  eenheid Volt, afgekort V  symbool:
Stroomsterkte eenheid Ampère,  afgekort A symbool: I
Weerstand eenheid Ohm, afgekort   Ω symbool R
Tijd  afgekort t , eenheid seconde, symbool s

 

Vermogen             een heid  Watt    Volt * Ampère = Watt  symbool P

 

De begrippen spanning, stroomsterkte en weerstand kun je gemakkelijk onthouden als je het vergelijkt met een een watervat, met een kraan en een molentje.

Het watervat bevat een kolom water. Hoe hoger die kolom is, hoe groter de druk onder in het watervat en op de kraan. Als de kraan iets geopend wordt, loopt er water door de kraan op het molentje en dat begint te draaien. 

Spanning: De hoogte van de waterkolom zorgt voor waterdruk bij de kraan en dat kun je vergelijken met de spanning (Volt) bij elektriciteit. 

Stroomsterkte: Als de kraan geopend wordt loopt er water door de leiding naar het molentje. De waterstroom kun je vergelijken met de stroomsterkte. Als de kraan helemaal open is dan loopt er meer water door de kraan. 

Weerstand: Als de kraan maar een beetje geopend is dan is de weerstand groot en stroomt er weinig water door de leiding naar het molentje. Het molentje draait langzaam. Als de kraan helemaal open staat is de weerstand klein en de stroom water groot. 

Vermogen: Als de kraan maar een beetje open is, stroomt er weinig water door de kraan, draait het molentje langzaam en levert dus weinig vermogen. Als de kraan helemaal open staat, stroomt er meer water door de kraan en levert het molentje meer vermogen. Als de waterkolom zakt dan neemt de druk af en levert het molentje minder vermogen. 

 

1. WET VAN OHM, SPANNINGS- EN STROOMWETTEN VAN KIRCHOFF

Een gelijkspanning(stroom) is een spanning(stroom) waarbij de grootte en de richting constant zijn.

Onder de stroomsterkte verstaat men de elektriciteitshoeveelheid die per seconde door een doorsnede stroomt. 

De stroomsterkte wordt door de letter I aangegeven, de lading (elektriciteitshoeveelheid) door Q en de tijd door t.

Dan geldt voor gelijkstroom:    I = Q / t

De eenheden van tijd, stroomsterkte en lading zijn:

  • eenheid van tijd = 1 seconde (1 sec)
  • eenheid van stroomsterkte = 1 ampère (1 A)
  • eenheid van lading = 1 ampère. seconde (1 A sec) = 1 Coulomb (1 C).

De oorzaak van een elektrische stroom I door een draad is een potentiaalverschil U tussen de draadeinden. Dit potentiaalverschil wordt meestal spanningsverschil of kortweg spanning genoemd.

De wet van Ohm luidt als volgt:

De stroomsterkte door een geleider is recht evenredig met het potentiaalverschil tussen de uiteinden.

De wet van Ohm geeft het verband tussen spanning (U) en stroomsterkte (I): 

Het quotiënt van spanning en stroomsterkte is een constante. Deze constante wordt de weerstand van de geleider genoemd.

In symbolische notatie:

U = I.R

Hierin is:

  • U de spanning in Volt [V]
  • I de stroomsterkte in Ampère [A]
  • R de weerstand in Ohm [Ω]  

Wanneer de spanning twee keer zo groot wordt en de weerstand blijft gelijk, dan wordt de stroomsterkte twee keer zo groot.

Wanneer de weerstand groter wordt, neemt de stroomsterkte af.

 

Wetten van Kirchhoff

De wet van Kirchhoff voor stroom zegt dat op elke plaats binnen een schakeling de som van stromen naar dit punt toe en van dit punt af nul is, ongeacht het aantal aftakkingen dat op dit punt begint of eindigt. Hiervan kan gebruik gemaakt worden bij het bepalen van stroomsterktes binnen een schakeling.

1. Eerste wet van Kirchhoff: In elk knooppunt is de som van de ingaande stromen gelijk aan de som van de uitgaande stromen.

2. Tweede wet van Kirchhoff In een gesloten circuit is de spanning gelijk aan de som van de deelspanningen.

Om deze laatste wet goed te kunnen gebruiken zijn een aantal afspraken noodzakelijk:

  1. De spanning wordt positief genoemd als deze van de –pool naar de +pool van de spanningsbron verloopt.
  2. De spanningen worden positief gerekend als deze met de stroomsterkte meegaat. 

  

 

2. BETEKENIS VAN DE INWENDIGE WEERSTAND VAN EEN VOEDING

Wanneer de batterij spanning levert aan de stroomkring, dan gaat in de stroomkring een stroom lopen.  Deze stroom loopt ook door de batterij (je merkt dat wanneer de batterij warm wordt). Deze weerstand wordt de inwendige weerstand van de voeding genoemd. Behalve het instrument of apparaat dat opgenomen is in de stroomkring, gebruikt de batterij ook energie. Het is de bedoeling om zoveel mogelijk energie bij het apparaat te krijgen. Dat doe je door de batterij(en) voor het zweefvliegtuig zo te kiezen dat deze past bij het apparaat waarvoor je het gebruikt. 

  

3. WEERSTANDSVERMOGEN/WEERSTAND

Weerstand is de elektrische eigenschap van een materiaal om de stroomsterkte te belemmeren. Wanneer er door een draad een elektrische stroom gaat, dan is daar energie voor nodig. De elektrische draad van een stofzuiger wordt soms warm. 

Een dikke koperen draad heeft een veel lagere weerstand dan een dunne draad. De draad van de batterij naar de hoofdzekering moet daarom dikker zijn dan de draad naar de FLARM.

Materialen met een lage weerstand zoals koperdraad zijn geleiders. Materialen die moeilijk elektrische stroom doorlaten hebben een hoge weerstand. Materialen die helemaal geen stroom doorlaten zijn isolatoren. 

 

4. WEERSTANDKLEURENCODE, WAARDEN EN TOLERANTIES, VOORKEURWAARDEN, WATTAGEWAARDEN

In een stroomkring kun je weerstanden plaatsen. Je hebt de keuze uit heel veel weerstanden. Op de weerstand zie je links drie kleurtjes en rechts één. Om te berekenen hoeveel Ohm de weerstand is gebruik je de kleurencode die je op deze afbeelding ziet.

Afbeelding van Teleac. Je vindt daar ook een grafische weerstand calculator. Waarmee je snel uit kunt zoeken welke weerstand geleverd wordt.  

5. WEERSTANDEN IN SERIE EN PARALLEL

Serieschakeling en parallelle schakeling

Stroom loopt altijd in een gesloten kring: een stroomkring. In die stroomkring kunnen een lamp en een schakelaar zitten. De lamp brandt als de stroomkring gesloten is. Door de schakelaar om (open) te zetten, onderbreek je de stroomkring. De stroom kan niet doorstromen en de lamp gaat uit. Je kunt verschillende lampjes in één stroomkring achter elkaar zetten. Dit heet een serieschakeling. Als één lampje stuk gaat, is de stroomkring onderbroken. De lampjes gaan allemaal uit. Dit gebeurt nogal eens bij kerstverlichting. Om het te voorkomen kun je ieder lampje een eigen stroomkring geven. Dit noem je een parallelle schakeling

Een Ampèremeter plaats je in de stroomkring. Dus als serieschakeling. Een Voltmeter plaats je bijvoorbeeld bij de polen van de batterij dus als parallel schakeling