Elementare elektronica schakelingen in demotorvoertuigentechniek (3)

Timloto o.s. / E. Gernaat / ISBN 978-90-808907-4-9Op 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 di-rect 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 koolstof-weerstandjes gebruikt (fig. 1). Deze weerstanden meestal met een vermogenvan 0,25 Watt, zijn verkrijgbaar in verschillende standaard reeksen. De weer-

Figuur 1: Doorsnede van een lineaire koolstofweerstand

standswaarde varieert meestal tussen de 1Ω en 1 MΩ. Veel toegepast wordende E24, E12 resp. E6 reeks. De weerstanden zijn dan verkrijgbaar in decimaleveelvouden van de in de reeks aangegeven waarden (fig. 2). Voorbeeld: Hetgetal 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

11

12

13

15

16

18

20

22

24

27

30

33

91

82

75

68

62

56

47

43

36

39

51

22 22

27

33 33

39

47 47

56

68 68

82

18

15

12

10

15

10

Figuur 2: Links: De drie meest bekende E-reeksenKleurringen. Rechts: Tabel voor het bepalenvan de grootte van de weerstanden (tabel: Elektuur).

wordt gebruik gemaakt van gekleurde ringen. Deze ringen zijn op de weerstandgedrukt. De eerste en laatste ring zijn te herkennen aan het verschil in afstandvan de buitenzijde tot de ring. Na de kleinste afstand volgt de eerste ring. Delaatste ring is bij de meest voorkomende weerstanden goudkleurig. Deze zgn.tolerantieband geeft aan dat de afgelezen afwijking maximaal 5% mag bedra-gen. 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 cijfer4, de tweede ring violet geeft het tweede cijfer 7 en de vermenigvuldigingsfac-tor wordt door de oranje kleur van de derde ring 1000. De weerstandwaarde isdan 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 inveel gevallen een enkelslag, 100 mW koolfilm potentiometer. Een potentiome-ter heeft drie aansluitingen, de plus, de min en de zgn. loper. Ook hier worden

2

weerstandsreeksen zoals bij de koolweerstand aangehouden. De hoogste weer-standswaarde geldt als maat. Potentiometers worden gebruikt om spanningenin te stellen. Potentiometers kunnen ook gebruik worden als variabele of in-stelbare weerstanden. Het is dan gebruikelijk om de loper met de plus of demin door te verbinden. Een instelbare weerstand (dus niet te verwarren meteen potentiometer) wordt ook wel een rheostaat genoemd. Fig. 3 geeft diverseopstellingen 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 belangrijkonderscheid aan te brengen nl. de lineaire en de logaritmische potentiometer.Bij de lineaire potmeter komt elke graad hoekverdraaiing overeen met een be-paalde vaste waarde. Bijv. een 330 Ω potmeter die een slag kan maken van 3300

geeft 1 Ω weerstandverschil per graad verdraaiing. Bij de logaritmische potme-ter is dit verloop niet rechtevenredig maar progressief. Fig. 4 geeft grafisch hetverschil weer. Logaritmische potmeters worden vaak ingezet wanneer natuur-kundige processen moeten worden ingeregeld. Bijv. de potentiometer van eenvolumeknop 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 vaakpotentiometers.

4 Condensatoren

Condensatoren worden veelvuldig in de elektronica gebruikt. Het zijn echtergeen elektronische componenten. Constructief bestaat een condensator uit tweegeleiders die geısoleerd ten opzichte van elkaar staan opgesteld. Een conden-sator is in staat om een zekere hoeveelheid energie op te nemen. We sprekenvan capaciteit. De capaciteit wordt uitgedrukt in farad. De capacaciteit van decondensatoren waar we in de elektronica mee te maken krijgen ligt tussen de1 nF en 100 µF (1 µF = 0,000001 F en 1nF = 0,001 µF). Nog kleinere waar-den worden uitgedrukt in picofarad (1 pF = 0,001 nF). Door de opbouw vormtde condensator voor een gelijkspanning een oneindig grote weerstand. Vooreen wisselspanning vormt de condensator een weerstand waarvan de grootteafhangt van de capaciteit van de condensator en de frequentie van de wissel-spanning. Hoe groter de frequentie en de capaciteit, hoe kleiner de (capacitie-ve) weerstand. Condensatoren spelen in schakelingen een rol wanneer we metveranderlijke spanningen te maken hebben. Veranderende spanningen tredenook 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 alsofer tijdens het laadproces stroomdoorgang plaats vindt. De amperemeters slaandan ook (tijdelijk) uit. We kunnen het ons voorstellen alsof aan de ene zijdeelektronen naar de plaat toe worden gedrukt en aan de andere zijde wordenweggezogen (fig. 5). Op het moment van inschakelen is de stroomsterkte inhet circuit bijzonder hoog (de condensator heeft geen ohmse weerstand), maarzal snel teruglopen omdat op de platen van de condensator een spanning komtte staan. Het spanningsverschil tussen stroombron en condensator wordt dankleiner. Hoe verder de condensator wordt opgeladen, des te kleiner is het span-ningsverschil en des te kleiner is de laadstroom. Na enige tijd is het spannings-verschil zo klein, dat de laadstroom vrijwel nul is geworden. Wanneer we despanning en de stroom tijdens het laden van de condensator meten dan zienwe dat deze grootheden zich tegengesteld gedragen. De spanning over de con-densator wordt steeds groter en de stroomsterkte steeds kleiner. Het stroom- enspanningsverloop tijdens het laden kan dan volgens fig. 6 worden weergegeven.

4

Figuur 5: Situatie op het moment van inschakelen. De condensator laadt op. Beide amperemetersslaan 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, ontstaateen 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 groot-te 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 decondensator voor 63,2 % is opgeladen. Aangezien een condensator nooit voorde volle 100 % kan worden opgeladen (immers, het spanningsverschil tussenstroombron en condensator wordt wel steeds kleiner maar nooit nul), stellenwe dat een condensator geladen is wanneer 3 x de RC-tijd wordt bereikt. Alsvoorbeeld nemen we het elektrische circuit van fig. 7. De grootte van de weer-stand bedraagt 3 kΩ en de condensator 0,3 µF. Bij het sluiten van de schakelaarzal de condensator worden geladen. De RC-tijd bedraagt dan 3000 x 0,3 x0,000001 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. Delaadtijd 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 conden-sator in serie geschakelde weerstand. Het stroomverloop zal uiteraard hetzelfdezijn, omdat we met een serieschakeling te maken hebben. Het verloop van despanning is echter tegengesteld aan dat van de condensator. Immers, op hetmoment dat de stroom het grootst is (condensatorspanning nul volt), zal hetspanningsverlies over de weerstand maximaal zijn. Wordt de laadstroom klei-ner 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 aanslui-ten (zie fig. 9) dan zal het spanningsverschil tussen de platen voor een ontlaad-stroom zorgen. De maximale grootte hangt af van de weerstandsgrootte, ter-wijl de ontlaadtijd weer bepaald wordt door de RC-waarde. De ontlaadstroomis aanvankelijk maximaal en loopt terug omdat het spanningsverschil tussen deplaten 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. 10plaatsvinden. Op een oscilloscoop is een dergelijk spanningsverloop zichtbaarte maken als we de oscilloscoop over de condensator aansluiten en het circuitvoeden met een blokspanning. Een dergelijk citcuit wordt een integrator-circuitgenoemd.

7

Figuur 10: Het spanningsverloop over de condensator wanneer we een blokspanning als voedingop het circuit aansluiten.

4.0.6 Capaciteit in elektrische circuits

Twee draden naast elkaar voldoen aan de definitie van een condensator. Hetzijn namelijk twee geleiders die door een isolator van elkaar gescheiden zijn.Ze vormen dus een ongewenste condensator. Een kabelbundel heeft dus eenzekere capaciteit. Of we daar rekening mee moeten houden hangt af van hetsignaal dat door een kabel gaat. De flanken van blokvormige signalen kunnendoor 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 detoepassing. De elco’s en de tantaal condensatoren zijn polariteitsgevoelig (fig.11). Verkeerd aansluiten kan de condensator doen uiteenspatten. Voor de toe-passing onderscheidt men nog wel, voedings- ontstorings en veiligheidsconden-satoren. 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 con-densatoren tussen de 1 pF en 10 nF. Veelal zijn de waarden opgedrukt. Bijv 3n3betekent een condensator grootte van 3,3 nF. Verwar niet µ1 met 1µ zijnde hetverschil tussen 0,1 en 1 µF. Condensatoren hebben als componenten een zekerecapaciteit. Er zijn echter in elektrische circuits ook ongewilde capaciteiten. Debobine bijv. bestaat uit twee spoelen, die elektrisch van elkaar geschieden (kun-nen) 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 gehou-den met de plus en de min.

dat een spoel een zekere capaciteit heeft. Hetzelfde geldt ook voor de dradenin de draadbundel. Twee draden naast elkaar voldoen aan de definitie van eencondensator, namelijk dat twee geleiders gescheiden door een isolator een con-densator vormen. Men kan ook zeggen dat twee draden naast elkaar capacitiefmet elkaar in verbinding staan.

5 Reedschakelaars

Reedschakelaars komen we in de auto-elektronica een enkele maal tegen. Bijeen aantal airbag-computers wordt de vertraging geregisteerd door een ver-schuivend magneetje dat een reedschakelaar bedient. De reedschakelaar is eenmicroschakelaar die zich in een geheel gesloten en met gas gevuld buisje be-vindt. Wanneer een magnetisch voorwerp de reedschakelaar nadert dan sluitenof openen de contacten. De bediening vindt dus plaats zonder mechanischedelen en de constructie is ongevoelig voor stof. Ook kunnen we reedschake-laars tegenkomen waar omheen een spoeltje is gewikkeld (fig. 12). Wanneerde stroom een bepaalde waarde overschrijdt dan zorgt het magnetische veldervoor dat de contacten sluiten (of openen). Er vindt dan een zekere stroom-meting plaats. Autotechnische toepassingen kunnen worden gezocht in het toe-nemen van de knipperfrequentie wanneer een knipperlicht uitvalt of een waar-schuwing aan de bestuurder dat bijv. een achterlicht defect is.

Figuur 12: Reed-schakelaar met stroomspoeltje

9

6 Vragen en opgaven

Vragen zie boek

10