De elektrische schakeling

Een eenvoudige elektrische schakeling is een arrangement van fysieke componenten die spanning, stroom en weerstand gebruiken om een aantal nuttige functies uit te voeren.

Wat onthoud je best?

• De beschrijving van een eenvoudige elektrische schakeling.

• De relatie van een schema tot een fysieke schakeling.

• De definitie van een open circuit en een gesloten circuit.

• Een beschrijving van de verschillende soorten beveiligingen.

• Een beschrijving van de verschillende soorten schakelaars.

• De definitie van “massa” (ground).

Algemeen bestaat een elektrische schakeling uit een spanningsbron, een belasting en een pad voor de stroom tussen de spanningsbron en de belasting. Onder belasting wordt een apparaat verstaan waarop arbeid wordt verricht door de stroom. De figuur 2-36 toont een eenvoudige schakeling.

Figuur 2-36: eenvoudige elektrische schakeling; rechts het elektrisch schema van deze eenvoudige schakeling

De batterij is de spanningsbron in deze schakeling en de lamp vormt de belasting. Twee draden vormen het stroompad zodat er een verplaatsing van elektronen (stroom) kan plaatsvinden vanaf de negatieve batterijpool door de lamp naar de positieve batterijpool. De stroom die vloeit door de schakeling wordt veroorzaakt door de chemische werking in de batterij. De stroom die door de lamp gaat zorgt voor een zekere warmteontwikkeling waardoor eer licht wordt uitgestraald.

Eén pool van de batterij wordt meestal verbonden met de “massa” (ground). Bijvoorbeeld bij auto’s wordt de negatieve pool verbonden met het metaal chassis. Dit chassis vormt dan de massa. Wat een massa precies is volgt later.

Aan de hand van blokschema’s worden signaalpaden en functies van een elektrische schakeling, of deelschakelingen ervan, verduidelijkt. Wanneer details van een schakeling nodig zijn voor bijvoorbeeld troubleshooting (foutzoeken) of een analyse van het systeem, is een elektrische schema van de schakeling een zeer handig instrument om te gebruiken. Meestal wordt een elektrisch schema zodanig opgesteld dat de signaaloverdracht of de signaalbewerking van links naar rechts verloopt. De gebruikte symbolen van een elektrisch schema zijn standaardsymbolen die gebruikt worden door verschillende standaardorganisaties.

Stroom schakelen en veiligheidsaspecten

In figuur 2-36(a) is een elektrische schakeling weergegeven waarbij de schakelaar gesloten is. Door feit dat deze schakelaar gesloten is, is het stroompad eveneens gesloten en kan er stroom vloeien vanaf de negatieve pool naar de positieve pool van de spanningsbron. Algemeen als het stroompad gesloten is spreekt men van een gesloten circuit. Figuur 2-36(b) toont dezelfde schakeling maar met de schakelaar open. Het stroompad is hierdoor onderbroken zodat er geen stroom meer kan vloeien doorheen de schakeling. Men spreekt van een open circuit in dit geval. Vermits bij een open stroompad geen stroom door de schakeling kan vloeien wordt beschouwd dat een open stroompad een oneindig grote weerstand heeft.

Figuur 2-37: voorbeeld van een open en gesloten circuit dat gecontroleerd wordt met een enkelpolige schakelaar.

Mechanische schakelaars

Enkelpolige schakelaar

Het type schakelaar dat is gebruikt in de schakeling van figuur 2-37 is een enkelpolige schakelaar. De term “pool” verwijst naar de beweegbare arm in de schakelaar en de term “enkel” geeft het aantal contacten (stroompaden) die beïnvloed worden bij het schakelen. De enkelpolige schakelaar is dus een schakelaar die één stroompad sluit of onderbreekt naargelang de stand van de schakelaar. Een andere benaming voor deze schakelaar is de single-pole-single-throw (SPST)-schakelaar.

Wisselschakelaar

Figuur 2-38: voorbeeld van gebruik van een wissselschakelaar om twee lampen afzonderlijk te laten branden

Figuur 2-38 toont een wisselschakelaar waarmee een keuze kan gemaakt worden tussen twee stroompaden die elk een lamp kunnen laten branden. Deze schakelaar heeft één pool en twee contacten 1 en 2 . Als de schakelaar contact maakt met contact 1 dan vloeit er stroom vanaf de negatieve pool van de batterij langs lamp L2 door het contact 1 en langs de pool van de schakelaar naar de positieve pool van de batterij. Omschakelen van de schakelaar naar contact 2 laat de stroom via lamp L1 vloeien, contact 2 , de pool en zo terug naar de batterij. Een andere benaming voor de wisselschakelaar is single-pole-double throw of SPDT

Dubbelpolige schakelaar

Dubbelpolige schakelaars worden gebruikt daar waar veiligheid van groot belang is. Zo worden lichtschakelingen in badkamers, buiten het huis, kelders … geschakeld met dubbelpolige schakelaars. Vermits beide aansluitdraden van de verbruiker (in fig. 2-39 de lamp) van de spanning volledig worden afgesloten kan in de uit-toestand geen spanning op één van de aansluitdraden van de lamp staan. Bij de enkelpolige schakelaar blijft één van de aansluitdraden van de lamp verbonden met de spanningsbron. In figuur 2-39 zie je het symbool van de dubbelpolige schakelaar. De twee contactarmen van de schakelaar zijn met elkaar verbonden om aan te geven dat ze mechanisch met elkaar verbonden zijn zodat ze beide gelijktijdig bewegen met een enkele schakelactie. Een andere benaming voor de dubbelpolige schakelaar is dubbel-pole-single-throw of DPST.

Figuur 2-39 voorbeeld van gebruik van een dubbelpolige schakelaar

Dubbelpolige wisselschakelaar

Figuur 2-40 : dubbelpolige wisselschakelaar (DPDT)

De dubbelpolige wisselschakelaar maakt een verbinding van een set contacten op één van de twee sets (contacten 1 of contacten 2). Het schematisch symbool is weergegeven in figuur 2-40. Het verschil met de enkelpolige wisselschakelaar is dat wanneer deze met de contacten 1 verbonden is, de draden aangesloten aan de contacten 2 zijn spanningsloos en omgekeerd. Een andere benaming voor deze schakelaar is dubbel-pole-double-throw of DPDT.

Drukknop (push button)

Figuur 2-40 : (a) normaal open drukknop (PBF); (b) normaal gesloten drukknop (NCPB)

Met een normaal open drukknop (PBF), zoals weergegeven in figuur 2-40 (a), wordt een verbinding gemaakt tussen twee contacten als de knop wordt ingedrukt. Van zodra de knop terug wordt losgelaten wordt de verbinding terug verbroken.

Met de normaal gesloten drukknop (NCPB), zoals weergegeven in figuur 2-40 (b), is reeds een verbinding tussen de twee contacten gemaakt. Deze verbinding wordt verbroken op het moment dat men deze knop indrukt. Van zodra de knop terug wordt losgelaten wordt het contact hersteld.

Draaischakelaar (Rotary)

Figuur 2-41 : Voorbeeld van een schakeling met een draaischakelaar waarvan de schakelstand bepaald welke lamp zal branden.

In een draaischakelaar kan de loper van de schakelaar worden bewogen door aan een knop te draaien. Telkens de knop een stap verder wordt gedraaid, wordt een andere verbinding gemaakt. Een voorbeeld met het symbool van een acht-positie draaischakelaar of rotary is in figuur 2-41 weergegeven.

Componenten die gebruikt worden ter bescherming van een schakeling

Zekeringen en stroomonderbrekers worden in het stroomcircuit geplaatst om doelbewust een open circuit te genereren wanneer de stroom door een storing of ander abnormale toestand groter is dan een aantal ampères. Zo zal een zekering (of stroomonderbreker) met een waarde van 20 A het circuit openen als de stroom groter wordt dan 20 A . Beide apparaten beschermen dus een schakeling tegen overstroom of tegen een gevaarlijke toestand ten gevolge door oververhitting van kabels en andere componenten als de stroom te groot wordt. Het fundamentele verschil tussen een zekering en een stroomonderbreker is dat wanneer een zekering het circuit onderbroken heeft ten gevolge van te veel stroom, deze moet vervangen worden. Als een stroomonderbreker daarentegen het circuit opent wegens te veel stroom, kan deze na een “reset” herhaaldelijk opnieuw gebruikt worden. Vermits zekeringen sneller de overtollige stroom afschakelen dan stroomonderbrekers, worden zekeringen gebruikt wanneer gevoelige elektronische apparatuur moet worden beschermd.

Figuur 2-42 : schemasymbool stroomonderbreker en zekering en voorbeeldschakeling met zekering

In termen van hun fysieke configuratie kunnen zekeringen onderverdeeld worden in twee categorieën: cartridge zekeringen en plug-type (schroef).

Figuur 2-43 : voorbeelden van type zekeringen en stroomonderbrekers

Cartridge type zekeringen hebben verschillende gevormde behuizingen met aansluitdraden of andere contacten zoals in figuur 2-43 (a) is weergegeven. In figuur 2-44 (b) is een typische plug-type zekering weergegeven.

De werking van een zekering is gebaseerd op de smelttemperatuur van een draad of een ander metalen element. Door de toenemende stroom zal het zekeringelement opwarmen. Eénmaal de nominale stroom wordt overschreden bereikt het element zijn smeltpunt en opent het circuit. Twee veel voorkomende soorten zekeringen zijn de snelle zekering of fast-acting en de trage zekering of time-delay. Snelle zekeringen zijn te herkennen met de letter F op hun behuizing terwijl trage zekeringen een letter T op hun behuizing bevatten. Bij normaal gebruik worden zekeringen vaak onderworpen aan intermitterende stroompieken die de nominale stroom mogen overschrijden. Dikwijls wordt deze stroom kort overschreden bij het inschakelen van de stroom in een schakeling. De zekering moet dit vermogen kunnen weerstaan. Na verloop van tijd vermindert de mogelijkheid van de zekering om deze stroompieken te weerstaan. Een trage zekering kan meer verdragen dan een snelle zekering en kan dus blootgesteld worden aan een hogere stroompiek of een stroompiek die lagere tijd duurt.

Typische stroomonderbrekers zijn weergegeven in figuur 2-43 (c). In het algemeen onderbreekt een stroombreker een te hoge stroom, hetzij door het warmte-effect ten gevolge van de stroom of het magnetisch veld dat ontstaat doordat er stroom door vloeit. In een stroomonderbreker die werkt op basis van warmte-effect springt een bimetaalcontact open als de nominale stroom wordt overschreden. Eenmaal het contact is onderbroken wordt dit contact via mechanische middelen opengehouden tot deze handmatig wordt gereset. Bij een stroomonderbreker op basis van een magnetisch veld worden de contacten geopend als er voldoende magnetische kracht aanwezig is. De kracht ontstaat door overmatige stroom en moet mechanisch worden gereset.

Een spelletje kleurencode spelen

Wie kent er het spelletje “elektro” niet van uit zijn kindertijd? Dit elektrisch kwisspelletje toont een aantal vragen die je moet beantwoorden. Maak je de juiste verbinding tussen vraag en antwoord dan licht er een lampje op. In figuur 2-44 is het principe weergegeven van zo’n elektrospel. Op het bord zijn vier weerstanden met hun kleurcode afgebeeld. Via een draaischakelaar schakel je een bepaalde weerstandswaarde in. Een bijbehorend lampje aan de schakelaar licht op ter indicatie welke weerstand je geselecteerd hebt. Door op de drukknop te drukken met de juiste weerstandswaarde licht het lampje “juist” op. In de andere gevallen blijft het lampje gedoofd.

Figuur 2.44 : elektrisch kwisspelletje : “welke kleurcode past bij welke weerstandswaarde?”

Met de weerstand R1 in de schakeling stel je de helderheid van de lampjes in. Hoe lager de weerstandswaarde hoe meer stroom er door de lampjes kan vloeien waardoor ze feller gaan oplichten.

In het voorbeeld van figuur 2-44 is weerstand 3 geselecteerd. Hierdoor licht lamp L3 op vermits de schakelaar verbonden is met contact 3. Wanneer nu ook de drukknop “but1” wordt ingedrukt, licht de lamp voor de juist-indicatie ook op.

De zekering F1 zorgt ervoor dat bij een kortsluiting het circuit geopend wordt zodat de gebruikte elektrische componenten beveiligd zijn tegen overstroom.

Geleiders

De weerstand van een elektrische geleider

Hoewel koperdraad zeer goed geleid, heeft het nog steeds een bepaalde weerstand. De weerstand van een geleider hangt af van drie fysische kenmerken: het soort materiaal, de lengte van de draad en de doorsnede van de draad. Bovendien kan ook de temperatuur van invloed zijn op de weerstand van de draad.

Elk type geleidend materiaal heeft een eigenschap, genaamd de soortelijke weerstand, en wordt voorgesteld door de Griekse letter rho (  ). Voor elk materiaal is  een constante waarde bij een bepaalde temperatuur. De formule voor weerstand van een draad met lengte l en doorsnede A is als volgt:

$\mathit{R}=\mathit{ }\frac{\mathit{\rho }\mathit{ }.\mathit{ }\mathit{l}}{\mathit{A}}$ (2-5)

Deze formule laat zien dat de weerstand toeneemt met een toename van de soortelijke weerstand  en de lengte l . De weerstand neemt af met een toename van de dwarsdoorsnede A . Om de weerstand te berekenen in Ohm moet de lengte uitgedrukt worden in meter en de doorsnede in vierkante meter. De soortelijke weerstand  wordt uitgedrukt in Ω / m .

Tabel 2-4 geeft de soortelijke weerstand weer van een aantal geleidende materialen. De gevonden weerstandswaarde is deze van een stuk materiaal met lengte één meter en doorsnede van één vierkante meter bij een temperatuur van 15°C.

Materiaal	 ( Ω / m )	 ( Ω mm 2 / m )
Aluminium	0 ,03 x 10-6	0,03
Constantaan	0,5 x 10-6	0,5
Goud	0,022 x 10-6	0,022
IJzer	0,12 x 10-6	0,12
Koolstof	100 – 1000 x 10-6	100 - 1000
Koper	0,0175 x 10-6	0,0175
Messing	0,065 x 10-6	0,065
Wolfraam	0,045 x 10-6	0,045
Zilver	0,016 x 10-6	0,016

$R= \frac{\rho . l}{A}= \frac{\mathrm{0,0175}\mathrm{ }\mathrm{ }.\mathrm{ }{10}^{-6} . 15 }{\mathrm{2,5}\mathrm{ }.\mathrm{ }{10}^{-6}}=\mathrm{0,105} \Omega$ Tabel 2-4 : soortelijke weerstand van diverse materialen

Het verbinden van elektriciteitsdraden

In sommige elektrische systemen moeten draden aan elkaar gekoppeld worden. Hiervoor zijn specifieke regels voor die terug te vinden zijn in het Algemeen Reglement voor de Elektrische Installaties of gewoonweg A.R.E.I.. Verbinden van draden is toegestaan op voorwaarde dat de draad schoon is en een goede elektrische en mechanische verbinding wordt gemaakt. Tevens is men ook verplicht om bepaalde doorsnede van draden te gebruiken voor bepaalde stroomsterktes. Zo is de toegelaten stroomsterkte voor een kopergeleider met doorsnede van 2,5 mm 2 gelijk aan 27 A .

Meestal bevindt de verbinding zich in een elektrische doos om de verbinding te beschermen. Voor kabels met een kleine diameter zijn de krimp-type aansluitingen handig en snel. Een krimptang wordt gebruikt om de verbindingen te maken. Solderen van de draden samen in een las is toegestaan behalve op de geleiders die worden gebruikt voor aarding. Nadat de verbinding is gemaakt moet de verbinding worden ingekapseld in een isolatie die zo goed is als draadisolatie.

Te vermijden is het verbinden van draden gemaakt van verschillende soorten geleiders zoals aluminium en koper. In dit geval ontstaat een chemische reactie (elektrolyse) op het knooppunt waardoor een hoge weerstand ontstaat en de verbinding faalt. Een ander probleem met het verbinden van twee verschillende soorten geleiders is dat ze anders kunnen uitzetten wanneer zijn verwarmd worden waardoor de verbinding kan loskomen en een verbreking (fout) ontstaat.

Massa

Onder massa (aarding of ground) wordt het referentiepunt verstaan in een elektrische schakeling. De term aarding is afkomstig van het feit dat één geleider van het elektrisch circuit meestal verbonden is met een 2,64 m lange metalen staaf die in de grond is geslagen.

In huishoudelijke bedrading is de aarding aangeduid met een geel/groene of kale koperdraad. Deze draad is dan verbonden met de aarding. De aarding wordt normaal verbonden met het metalen chassis van een apparaat. Helaas zijn hierop uitzonderingen. Daarom is het best te verifiëren dat het metalen chassis op aardingspotentiaal is alvorens te starten met de werkzaamheden aan het apparaat.

Een ander type van massa is de referentie massa (reference ground). Het symbool ervan is weergegeven in figuur 2-45 (a). Spanningen worden altijd gespecificeerd ten opzichte van een ander punt. Als dat punt niet expliciet wordt vermeld, is de spanning gespecificeerd ten opzichte van de referentiemassa.

Figuur 2-45 : verschillende symbolen om massa aan te duiden

In figuur 2-45 (b) is het symbool weergegeven van een chassis massa (chassis ground). Figuur 2-45 (c) toont een alternatief referentiesymbool dat gewoonlijk gebruikt wordt als er meerdere massa’s aanwezig zijn in de elektrische schakeling zoals een analoge massa en een digitale massa.

Figuur 2-46 : eenvoudige schakeling met massa-connecties

De figuur 2-46 illustreert een eenvoudige schakeling met aarding. De stroom vloeit van de negatieve pool van de 12 V bron via de gemeenschappelijke aardverbinding, door de lamp en door de geleider naar de positieve pool van de bron. De aarding of massa verschaft een pad voor de stroom van de bron omdat alle massapunten elektrisch hetzelfde zijn en (ideaal gezien) een weerstand van 0 Ω hebben. De spanning aan de bovenkant van de schakeling is + 12 V ten opzichte van de massa of aardverbinding. Je kan veronderstellen dat al de massapunten in schakeling met elkaar verbonden zijn via een geleider.

Test jezelf aangaande de elektrische schakeling

1. Wat zijn de basiselementen waaruit een elektrische schakeling (circuit) bestaat?

2. Definieer een “open circuit”.

3. Definieer een “gesloten circuit”.

4. Wat is ideaal gezien de weerstand van een open schakelaar en deze van een gesloten schakelaar.

5. Waarvoor dient een zekering?

6. Wat is het verschil tussen een zekering en een stroomonderbreker?

7. Wat wordt bedoeld met de “massa” in een elektrisch circuit?