Spanning, Stroom & Weerstand:


Op deze pagina worden de volgende onderdelen beschreven:
-Algemeen
-Spanning
-Stroom
-Weerstand
-Eenheden
-Wet van Ohm
-Stroomkring
-Serie- & Parallelschakeling



Algemeen:

Op deze pagina worden de begrippen Spanning, Stroom en Weerstand vanaf de basis uitgelegd.
Elektronica is voor veel mensen lastig te begrijpen en is soms een struikelblok bij bijvoorbeeld een opleiding of bij het meten van storingen. Om het toch wat begrijpelijker te maken, wordt er vaak een voorbeeld gemaakt met water en een kraan. Dit is altijd handig als de begrippen spanning, stroom en weerstand door elkaar gehaald worden. De volgende voorbeelden hebben betrekking op de onderstaande afbeelding, waarop een vat met water en een kraan afgebeeld zijn.


- Spanning:
Als er meer water in het vat gebracht wordt, neemt de waterdruk bij de kraan toe. De waterdruk is te vergelijken met het begrip spanning bij elektriciteit. Het systeem moet wel gesloten zijn, want anders loopt het water weg en is er geen sprake meer van waterdruk.

- Stroom:
Als de kraan opengezet wordt, gaat het water door de kraan 'stromen'. De waterstroom is te vergelijken met het begrip stroom bij elektriciteit.

- Weerstand:
De kraan regelt de weerstand tegen de doorgang van de waterstroom. Naarmate de kraan verder wordt opengedraaid, neemt de weerstand af en de stroom toe. Hetzelfde geldt voor elektriciteit. Bij meer weerstand in het elektrische circuit is er dus minder stroom en omgekeerd. De weerstand heeft geen invloed op de spanning.



Gelijkstroom:
In de auto hebben we eigenlijk alleen te maken met gelijkstroom. In de dynamo kan alleen wisselstroom opgewekt worden, maar dat wordt inwendig in de diodenbrug omgezet in gelijkstroom voordat de stroom de dynamo verlaat. Gelijkstroom wil zeggen dat de richting waarin de stroom zich beweegt steeds dezelfde is en niet steeds verwisselt, zoals bij wisselstroom. De accu en de dynamo zijn de spanningsbronnen in de auto. Deze leveren een spanning tussen de 10 en 14 volt. De spanning is 10 volt bij een bijna lege accu en rond de 14 volt wanneer de dynamo de accu oplaadt bij draaiende motor.
De stroom loopt via de dynamo en accu door de bedrading naar de componenten (bijv. een lamp). Door een schakelaar te bedienen kan men de stroom de lamp laten bereiken. De lamp is aan de minzijde aangesloten aan de voertuigmassa, zijnde de carrosserie. De minpool van de accu is via een korte kabel weer met de carrosserie verbonden. Er is dus geen aparte kabel van de lamp naar de accu nodig. De stroom gaat via de massa, die geleidend is, terug naar de accu.



Eenheden:
Spanning, stroom en weerstand hebben elk hun eigen eenheid.
- Spanning: Volt (V)
- Stroom: Ampère (A)
- Weerstand: Ohm (
Ω)

 

Wet van Ohm:
Spanning, stroom en weerstand zijn afhankelijk van elkaar. Neemt de spanning toe bij een gelijkblijvende weerstand, dan neemt de stroomsterkte ook toe. Wordt de weerstand groter en blijft de spanning gelijk, dan neemt de stroomsterkte af. Met behulp van een formule uit "de wet van Ohm'' kan een van deze drie factoren worden berekend als de beide andere bekend zijn.

Als voorbeeld gebruiken we de volgende waarden:
U= 12 volt
I= 24 Ampère
R= 0,5 Ohm

De formule is in de rechter afbeelding te zien.
Wanneer stroom en weerstand bekend zijn, kan de spanning berekend worden.
U is in dit geval onbekend, dus dek je af. Wat er overblijft is I x R (de punt is een wiskundig vermenigvuldigingsteken).

U= I x R
U= 24 x 0,5
U= 12v
Wanneer spanning en weerstand bekend zijn, kan de stroom berekend worden.
I is in dit geval onbekend, dus dek je af. Wat er overblijft is U : R (streep onder de U moet gezien worden als een deelstreep).

I = U : R
I= 12 : 0,5
I= 24A
Wanneer spanning en stroom bekend zijn, kan de weerstand berekend worden.
R is in dit geval onbekend, dus dek je af. Wat er overblijft is U : I (streep onder de U moet gezien worden als een deelstreep).

R= U : I
R= 12 : 24
R= 0,5
Ω



Stroomkring:
De stroomkringen in een auto lopen vaak via de voeding (accu) > zekering > schakelaar (met eventueel relais) >component > massa.
Moderne auto's hebben zeer uitgebreide stroomkringen, die met speciale stroomloopschema's in de werkplaatsdocumentatie zichtbaar worden gemaakt. In die stroomloopschema's zijn alle draden (vaak ook de kleuren en de dikten) afgebeeld met de bijbehorende componenten en stekkers. Met behulp van deze schema's kan er gemakkelijk gemeten worden. In een kabelboom waarin 40 kabels zijn verwerkt (met 40 verschillende kleuren en dikten) is zonder stroomloopschema's moeilijk te achterhalen hoe de draden lopen. Er kan dan niet bepaald worden welke draden bijv. de schakelaars en de lampen met elkaar verbinden. Met behulp van de schema's kan de draad gemakkelijk opgezocht worden, en kan men daarop metingen verrichten.

Hieronder wordt een simpel schema weergeven, dat enigszins vergeleken kan worden met een stroomloopschema van een autofabrikant.

In het schema zijn de accu, een zekering, twee weerstanden en twee lampen te zien. De lampen hebben ieder hun eigen schakelaar. De schakelaars S1 en S2 staan nu geopend. De stroomkring is nu onderbroken en de lampen zullen dus niet branden. Wanneer een van de schakelaars gesloten wordt, is de stroomkring van een lamp gesloten en zal de desbetreffende lamp gaan branden. De stroom zal nu via de zekering en de weerstanden de lamp bereiken. Vanuit de lamp zal de stroom weer via de massa terug in de accu terechtkomen. Wanneer een lamp geen contact maakt met de massa, maakt deze geen verbinding met de accu en is de stroomkring dus ook onderbroken. De lamp zal dan niet branden.

De weerstanden R1 en R2 zijn geplaatst om een bepaalde stroomsterkte in de lamp toe te laten. Een te hoge stroomsterkte kan leiden tot overbelasting, waardoor er een lamp stuk kan gaan. Als de weerstand R1 groter is dan R2, zal de lamp L1 dus minder fel gaan branden dan lamp L2. Meer weerstand betekent minder stroom en daardoor een minder fel brandende lamp.



Serie- & Parallelschakeling:
In het onderstaande elektrische schema zijn de lampen in serie geschakeld. Ze zijn nu achter elkaar geplaatst.
Als de schakelaar S1 gesloten wordt, gaan beide lampen branden. Er is echter een nadeel aan dit systeem. Als er nu een lamp stuk gaat, zal de andere lamp ook niet werken. Dat komt doordat dan de stroomkring tussen de accu en de massa onderbroken is.

In het onderstaande schema zijn de lampen parallel geschakeld. Ze worden door dezelfde schakelaar bediend, maar ze branden onafhankelijk van elkaar.
Gaat er in dit geval een lamp stuk, dan zal de andere blijven branden, omdat de stroomkring niet onderbroken wordt.



Deze parallelgeschakelde lampen worden bijvoorbeeld toegepast bij de kentekenverlichting van een auto.


Berekenen van Serie- & Parallelschakelingen:
Weerstanden in serie en weerstanden in parallel geschakelde toestand gedragen zich niet op dezelfde manier. Daarmee moet bij het berekenen van de totale weerstand goed rekening worden gehouden.


R1 = 100
Ω
R2 = 200
Ω
R3 = 300
Ω
 
Serieschakeling:

Wanneer de weerstanden in serie geschakeld zijn, kunnen de waarden daarvan bij elkaar opgeteld worden.
De totale vervangingsweerstand is dan:
Rv = R1 + R2 + R3.
Rv = 100
Ω + 200Ω + 300Ω
Rv = 600Ω

R1 = 100
Ω
R2 = 200
Ω
R3 = 300
Ω
 
Parallelschakeling:

Wanneer de weerstanden parallel geschakeld zijn, kunnen de waardes niet meer bij elkaar opgeteld worden. Het berekenen gaat op een andere manier.
De basisformule is dan:



Het berekenen van de parallelschakeling kan op drie manieren. Deze worden hieronder uitgelegd:

 


 

Manier 1:


 
Manier 2:

 
Manier 3:
Laat de rekenmachine het werk doen:

Gebruik de ABC-knop om de breuken
in te voeren:

1 ABC 100 +
1 ABC 200 +
1 ABC 300 =

Druk nu op de toetsen Shift en X-1, en het antwoord komt in het display.
 

Metingen aan schakelingen kunnen gedaan worden met meetinstrumenten als de Multimeter en de Oscilloscoop.

Meer uitgebreide schakelingen met meerdere spanningsbronnen kunnen volgens het Thevenin principe worden vereenvoudigd en berekend.