Basis elektronica

Onderwerpen:

  • Inleiding
  • Atoomkern met elektronen
  • Elektronenstroom
  • Stroom, spanning en weerstand

Inleiding:
Iedere autotechnici, van assistent tot technisch specialist, krijgt met elektronica te maken. Naast de elektronica van comfort- en veiligheidssystemen zoals in verlichting, de ruitenwissermotor en het ABS-systeem, vinden we elektronica in de regeling van het motormanagementsysteem en in de vorm van communicatienetwerken (o.a. CAN-bus). Ook krijgen steeds meer voertuigen een elektrische aandrijflijn. Iedereen die elektronica wil begrijpen, moet bij de basis beginnen. In deze paragraaf beginnen we kort met uitleg over de elektronen die om een atoom heen cirkelen en gaan we al vrij snel over naar elektroschema’s waar op praktische wijze de basisbegrippen in de voertuigelektronica worden uitgelegd.

Atoomkern met elektronen:
Volgens het atoommodel van Bohr bestaat een atoom uit een kern, met daarin protonen en neutronen, met daaromheen cirkelende elektronen in meerdere schillen. Het koperatoom bevat in de kern 29 protonen en 35 neutronen. 

De elektronen bevinden zich in vier schillen. De verdeling van de elektronen over deze schillen noemen we de elektronenconfiguratie. Iedere schil heeft een maximaal aantal plaatsen voor elektronen. De eerste schil (K) heeft plaats voor twee elektronen, de tweede schil (L) voor acht, de derde schil (M) voor achttien en de overige schillen voor 32 elektronen. 

De elektronen in de binnenste drie schillen zijn gebonden elektronen. De elektronen in de buitenste schil doen mee aan chemische bindingen en reacties en noemen we ook wel de “valentie-elektronen”. Het koperatoom bevat één valentie-elektron. Deze elektronen kunnen vrij bewegen en naar een ander atoom bewegen. In het geval van koperdraad, overlappen de buitenste schillen elkaar en kan het enkele elektron zich verplaatsen over de schil van zijn naastgelegen atoom.

Het afstaan van de valentie-elektron is voor dit onderwerp van belang. Het overspringen van de elektron de ene atoom naar de ander maakt het mogelijk dat het materiaal geleidt. Materialen zoals koper, goud en aluminium hebben in de buitenste schil een valentie-elektron. Daarentegen hebben isolatoren, zoals kunststof, glas en lucht geen valentie-elektron. Dit materiaal is daarmee ook niet geleidend.

Elektronenstroom:
In de volgende afbeelding zien we een batterij, een lamp, de geleider (koperdraad) en een schakelaar. Afhankelijk van de stand van de schakelaar loopt er wel of geen stroom door het circuit. De lichtblauwe rechthoek stelt de koperen geleider voor met de koperatomen (geel) en de overspringende valantie-elektronen (groen).

Valente-elektronen in een stroomcircuit
  • Schakelaar geopend: de elektronen cirkelen om het koperatoom, maar er is nog geen sprake van een elektronenstroom door de verbruiker (de lamp). De lamp brandt niet;
  • Schakelaar gesloten: doordat de batterij voor een spanningsverschil zorgt, ontstaat er een elektronenstroom van min naar plus. De stroom loopt door de lamp en gaat door de elektronenstroom en het spanningsverschil branden.

 

De stroom beweegt zich van – (min) naar + (plus). Dit is de werkelijke stroomrichting. Vroeger dacht men dat de stroom zich van plus naar min zou bewegen, maar dat is dus niet correct. Toch houden we ons voor het gemak aan deze theorie vast, en noemen dat de “technische stroomrichting”. In het vervolg houden we deze technische stroomrichting vast, waarbij we er vanuit gaan dat de stroom van plus naar min loopt.

Stroom, spanning en weerstand:
In deze paragraaf zoomen we in op de drie begrippen: stroom, spanning en weerstand. Deze begrippen komen we telkens tegen in de autotechniek. Stroom, spanning en weerstand hebben elk hun eigen grootheid, eenheid en symbool.

  • I = Stroom = Ampère (A)
  • U = Spanning = Volt (V)
  • R = Weerstand = Ohm (Ω)

Stroom: In de vorige paragraaf zagen we de elektronenstroom door een circuit. De hoeveelheid elektronen dat binnen één seconde door een bepaald dwarsdoorsnedeoppervlak van een elektrische geleider stroomt, noemen we de stroomsterkte. De eenheid van stroom is ampère (A). Een stroomsterkte van 1 A wordt bereikt als binnen één seconde 6,24 quintiljoenen (6.240.000.000.000.000.000) elektronen door een doorsnede zijn gevloeid. Hoe meer elektronen er binnen een bepaalde tijdsperiode stromen, hoe hoger de stroomsterkte is.

Lage stroomsterkte
Hoge stroomsterkte

Om inzicht te krijgen hoeveel stroom de elektrische verbruikers in de autotechniek vragen, volgt hier een lijst waar de stroomsterkte wordt ingeschat bij een laadspanning van 14 volt:

  • Startmotor benzinemotor: 40 – 80 A;
  • Startmotor dieselmotor: 100 – 300 A;
  • Bobine: 3 tot 6 A, afhankelijk van type;
  • Brandstofinjector benzinemotor: 4 – 6 A;
  • Elektrische brandstofpomp: 4 – 12 A, afhankelijk van druk en flow;
  • Elektrische koelventilator: 10 – 50 A;
  • H7-lamp (halogeen dimlicht) van 55 Watt: 3,9 A;
  • Xenon-lamp van 35 Watt: 2,5 A;
  • LED-lampen (PWM-gestuurd en niet via een voorschakelweerstand): 0,6 – 1 A;
  • Achterruitverwarming: 10 – 15 A;
  • Stoelverwarming: 3 – 5 A per stoel;
  • Standaard autoradio zonder boordcomputer: ~5 A;
  • Ruitenwissermotor: 2 -5 A, afhankelijk van de kracht;
  • Interieurventilatormotor: 2 – 30 A, afhankelijk van de snelheid;
  • Elektrische stuurbekrachtiging: 2 – 40 A, afhankelijk van de kracht.

Spanning: De spanning is de kracht die de elektronen laat bewegen. De spanning is een meting van het verschil in kracht tussen elektronen op twee punten. De spanning wordt gemeten in volt, afgekort tot V. In de autotechniek werken we met een “nominale spanning” van 12 volt. Dat wil zeggen, dat de accu en alle elektrische verbruikers zijn gebaseerd op 12 volt. Echter, in de praktijk zien we dat de spanning nooit exact 12 volt is, maar altijd iets lager, maar vooral vaak hoger is. Daarnaast is de spanning bij elektrische aandrijving vele malen hoger. De verbruikers in een auto verbruiken spanning. Als voorbeeld nemen we de achterruitverwarming: deze gebruikt ongeveer een stroomsterkte van 10 Ampère bij een spanning van 14 volt. De stroom wordt niet verbruikt en gaat weer terug naar de accu. De spanning van 14 volt wordt in de achterruitverwarming gebruikt om warm te worden. Aan het uiteinde (de massa-zijde) is er nog 0 volt overgebleven.

Om inzicht te krijgen in de mogelijke spanningsniveaus in een personenauto, volgt hier een korte opsomming van spanningen die we tegen kunnen komen:

  • Accuspanning: 11 – 14,8 v (bijna lege accu tot maximale laadspanning van dynamo;
  • Openingsspanning piëzo-injector: kortstondig 60 – 200 volt;
  • Systeemspanning van een voertuig met elektrische aandrijving: 200 – 600 volt.

Weerstand: ieder elektrisch component heeft een interne weerstand. Deze weerstandswaarde bepaalt hoeveel stroom er gaat lopen. Hoe hoger de weerstand, hoe lager de stroomsterkte is. De weerstand heeft de letter R en de eenheid Ohm. Als eenheid gebruiken we het omega-teken uit het Griekse alfabet: Ω.

Op het moment dat er kortsluiting wordt gemaakt, bijvoorbeeld als een plusdraad de carrosserie raakt, is er sprake van een zeer lage weerstand. De stroom loopt daarbij direct hoog op, tot dat een zekering doorbrandt om schade te voorkomen. In de volgende lijst zien we hoeveel weerstand de componenten hebben die we in de autotechniek tegenkomen:

  • Koperdraad van 2 meter lang en een doorsnede van 1,25 mm²: 0,028 Ω;
  • Lamp (21 Watt gloeilamp): 1,25 Ω;
  • Brandstofinjector benzinemotor (de hoog-ohmige variant): 16 Ω;
  • Relais stuurstroomgedeelte: ~ 60 Ω;
  • Relais hoofdstroomgedeelte: < 0,1 Ω.

De weerstand van een component hangt veelal af van de temperatuur: de weerstand van het lampje is bijvoorbeeld tijdens het branden veel hoger dan tijdens de meting waarbij hij koud was, waarin de stroomsterkte afneemt naarmate hij warmer wordt.

Samengevat: de weerstand van een elektrisch component bepaalt hoeveel stroom er gaat lopen. Weinig weerstand betekent dat er veel stroom zal lopen. De toegevoerde spanning (veelal rond de 12 volt) wordt in het elektrische component verbruikt, waardoor er 0 volt op de massazijde staat. Stroom wordt niet verbruikt, dus die is aan de pluszijde net zo hoog als aan de massazijde.

Om de begrippen beter te begrijpen, is het soms handig om even het voorbeeld met het watervat erbij te pakken. Het vat is gevuld met water en aan de onderzijde afgesloten met een kraan. De spanning en de stroming van het water door de kraan die een bepaalde hoeveelheid water doorlaat, geven een goed beeld van wat er met elektriciteit gebeurt bij een verbruiker met een interne weerstand.

Spanning:
Als het vat wordt gevuld met water, 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 we de kraan openen, 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.

Watervat om de begrippen: spanning, stroom en weerstand te begrijpen.