Persoonlijke instellingen

Elektronica basis

Uit BeneluxSpoor.net - Encyclopedie
Versie door Martin Hilvers (overleg | bijdragen) op 4 jun 2020 om 15:19
(wijz) ← Oudere versie | Huidige versie (wijz) | Nieuwere versie → (wijz)
Ga naar: navigatie, zoeken
Hoofdpagina  Categorie-index  Index  Menu
Vorige | Volgende

Onder redactie van: BeneluxSpoor.net / Auteur: Fred Eikelboom


Dit artikel geeft een uitleg over enige passieve en actieve elektronica basiscomponenten.

Let-op.jpg
  LET OP
Waarschuwing: er zijn sinds een aantal jaren minderwaardige imitatie-onderdelen op de markt. Dit zijn vervalsingen van de echte halfgeleiders, zoals o.a. 2N3055 en BD679. Kijk dus zeer goed uit waar de onderdelen worden gekocht! Zie ook de links bij 'Meer informatie'.

Passieve componenten

De weerstand

De waarde van een weerstand wordt aangegeven in ohm, met het symbool Ω. In Europese schema's wordt het symbool gebruikt zoals aangegeven in de tekening (in andere schema's als een zig-zag lijntje). Een weerstand heeft geen polariteit, dus het maakt niet uit hoe die wordt aangesloten.

Weerst symbool01.gif
Afbeelding: 1
Schemasymbool van een weerstand
Tekening gemaakt door: Fred Eikelboom


Typen weerstanden

De weerstand bestaat in meerdere typen:

  • De koolfilmweerstand, waarop een dun laagje kool is aangebracht.
  • De metaalfilmweerstand, waarop een dun laagje metaal is aangebracht.
  • De draadgewonden weerstand. Bij dit type is een stuk weerstanddraad om een keramische kern gewikkeld. De lengte en de diameter van de draad bepalen de weerstandswaarde.

Weerstandcodering

In schema's worden afkortingen voor de waarden gebruikt. Zouden we alle weerstandwaarden voluit in het schema noteren, dan zou het schema onleesbaar worden. De waarden worden aangegeven met een hoofdletter, zoals de T voor Terra ohm en de M voor Mega ohm, behalve de kΩ, die wordt als 'k' geschreven.

Bij waarden van 1000 ohm en hoger gaat het als volgt: 1000 ohm = 1k,   4700 ohm = 4k7,   12000 ohm = 12k,   1000000 ohm = 1M, 3300000 ohm = 3M3 enz.

Bij waarden onder de 1000 ohm wordt een R achteraan de waarde toegevoegd; zo wordt 56 ohm geschreven als 56R, en 720 ohm als 720R.

Bij waarden onder de 1 ohm wordt het op deze manier aangegeven: er staat een R vóór de waardeaanduiding: R47 = 0,47 ohm.

Wanneer de letter R tussen de cijfers staat hebben we te maken met een weerstand met achter de komma een decimale waarde, bijvoorbeeld 1R8 = 1,8 Ω (vroeger werd bij de firma Philips de letter E gebruikt in plaats van de R. Een weerstand van 6E8 is dus hetzelfde als 6R8 en heeft dus een waarde van 6,8 Ω).

E-Reeksen

Weerstanden zijn ingedeeld in E-Reeksen. Een E-reeks is een vastgelegde, uniforme reeks van waarden. De volgende E-reeksen zijn in de handel: E6, E12, E24, E48, E96 en E192.

In de E12-reeks (standaard waarden met 10% tolerantie) komen de volgende waarden voor: 10, 12, 15, 18, 22, 27, 33, 39, 47, 56, 68, 82. Tot deze reeks behoren b.v. de waarden 12 ohm, 220 ohm, 33 kΩ, 560 kΩ enz. De waarden in de E-reeksen zijn zo gekozen dat de weerstandswaarden binnen de tolerantiegrenzen elkaar niet of nauwelijks overlappen, zoals te zien is in tabel 55.

Grenswaarden van de E12-reeks
Nominale waarde Minimaal Maximaal
10 9 11
12 10,8 13,2
15 13,5 16,5
18 16,2 19,8
22 19,8 24,2
27 24,3 29,7
33 29,7 36,3
39 35,1 42,9
47 42,3 51,7
56 50,4 61,6
68 61,2 74,8
82 73,8 90,2
Tabel: 2
Tabel gemaakt door: Fred Eikelboom

In de E24-reeks (weerstanden met 5% tolerantie) komen de volgende waarden voor: 10, 11, 12, 13, 15, 16, 18, 20, 22, 24, 27, 30, 33, 36, 39, 43, 47, 51, 56, 62, 68, 75, 82, 91. Tot deze reeks behoren b.v. de waarden 11 ohm, 240 ohm, 36k, 510k enz.

Over de E-reeksen is in de WikiPedia en via Google uitgebreidere informatie te vinden.

Kleurcodering

Weerstanden (en ook spoelen) zijn voorzien van een gestandaardiseerde code in de vorm van gekleurde ringen.

Weerst code01.gif
Afbeelding: 3
Kleurcodering van koolfilmweerstanden
Tabel gemaakt door: Fred Eikelboom

Een koolfilmweerstand heeft vier ringen. Met de zilveren of gouden ring aan de rechterzijde (zie tabel 56) kan aan de hand van de kleurcode (van links naar rechts lezend) de waarde gevonden worden:

  • een weerstand met de kleuren: bruin-zwart-rood-goud heeft dan de waarde 1 0 × 100 = 1000 ohm ofwel 1k, met een tolerantie van 5%.
  • een weerstand met de kleuren oranje-wit-geel-rood heeft een waarde van 3 9 × 10k = 390k met een tolerantie van 2%
  • een weerstand met de kleuren groen-blauw-goud-goud heeft een waarde van 5 6 × 0,1 = 5,6 ohm met een tolerantie van 5%.

Soms staan er maar drie ringen op de weerstand, dan heeft deze een tolerantie van 20%.

Weerst code02.gif
Afbeelding: 4
Kleurcodering van metaalfilmweerstanden
Tabel gemaakt door: Fred Eikelboom

Bij metaalfilmweerstanden staan vijf (en soms zes) ringen op de weerstand. Met de ringen aan de linkerzijde (zie tabel 54) is aan de hand van de kleurcode de waarde te achterhalen:

  • een weerstand hebben met de kleuren bruin-bruin-zwart-rood-goud heeft dan de waarde 1 1 0 × 100 = 11k met een tolerantie van 5%
  • een weerstand met de kleuren oranje-wit-zwart-rood-rood heeft een waarde van 3 9 0 × 100 = 39k met een tolerantie van 2%.
  • een weerstand met de kleuren groen-blauw-bruin-blauw-groen heeft een waarde van 5 6 1 × 1M = 561 Mega ohm met een tolerantie van 0,5%.

Een eventuele zesde ring geeft de temperatuurcoënt aan. 561 Mega ohm wordt in vaktermen '561 Meg' genoemd. Berekende weerstandswaarden worden altijd afgerond naar de eerstvolgende verkrijgbare hogere E-waarde, zie Tolerantie.

Op het www zijn vele kleurcodecalculators te vinden, bijvoorbeeld deze.

De potentiometer

De potentiometer of kortweg 'potmeter', is een weerstand die instelbaar of regelbaar is.

Potmeters-01.gif
Afbeelding: 5
Schemasymbolen potentiometer
Tekening gemaakt door: Fred Eikelboom


Potmeter Conrad440891.jpg InstelPotmeter Conrad430862.jpg
Afbeelding: 6 Afbeelding: 7
Potentiometer Instel-potentiometer
Bron: Conrad.nl Bron: Conrad.nl

Een potmeter heeft een sleper die over een koolbaan (of een draadgewonden weerstand) glijdt. Er bestaan draaipotmeters (onderverdeeld in instelbare en continu regelbare typen) en schuifpotmeters.

Het type met een koolbaan kan geen hoge stroomsterktes verdragen. Doorgaans is 150 tot 200 milliampère het maximum.

Het draaibare type, de gewone potmeter (zie schemasymbool B midden in tekening 6 en afbeelding 7), heeft een as welke ca. 270 graden draaibaar is en waarop een knop gemonteerd kan worden (zie bijvoorbeeld de volumeregelaar op een audio-versterker). Schuifpotmeters werken hetzelfde als draaipotmeters, alleen is hier de sleper lineair verstelbaar.

De instelpotmeter (zie schemasymbool A links in de tekening en afbeelding) heeft een gleuf of kruisvormige opening in het centrum, waar een schroevendraaier in past om de potmeter in te kunnen stellen. Dit type treffen we aan op printen en dit type dient bijvoorbeeld voor het instellen van spanningen. De instelpotmeter wordt dan als variabele spanningsdeler toegepast (zie schemasymbool C rechts in de tekening). De spanning op de sleper (het middencontact) kan hiermee op elke gewenste waarde tussen de voedingsspanning en de massa ingesteld worden. Er bestaan ook meerslagsinstelpotmeters welke in b.v. 10 slagen van begin tot eind gedraaid kunnen worden, dit geeft een hogere nauwkeurigheid.

Bij draai-potmeters maakt men ook nog een onderscheid tussen lineaire of logaritmische typen. Bij het lineaire type wordt dit aangegeven met de letter B op de behuizing. Bij het logaritmische type staat de letter A op de behuizing. Heel vroeger kwamen ook typen voor met lin of log op de behuizing (zie potentiometer bij 'Meer informatie').

Er zijn uitvoeringen die geschikt zijn voor printmontage en met soldeerogen voor het aansolderen van draden.

De PTC/NTC/LDR

Schemasymbool ptc.gif Schemasymbool ntc.gif
Afbeelding: 8 Afbeelding: 9
Schemasymbool PTC Schemasymbool NTC
Tekening gemaakt door: Fred Eikelboom Tekening gemaakt door: Fred Eikelboom

De PTC en NTC zijn temperatuurafhankelijke weerstanden. De afkorting staat voor Positieve TemperatuurCoëfficiënt respectievelijk Negatieve TemperatuurCoëfficiënt. Dat wil zeggen dat bij een PTC de weerstand toeneemt bij verwarmen, bij de NTC is dit andersom, hierbij neemt de weerstand juist af.

Bij een Light Dependent Resistor (LDR) of lichtgevoelige weerstand is de weerstandswaarde afhankelijk van de hoeveelheid opvallend licht. Hoe meer licht hoe lager de weerstand.

Toepassing

De PTC wordt als kortsluitbeveiliging gebruikt in voedingen. Bij kortsluiting zal de stroom door de PTC toenemen waardoor hij warmer wordt en daarmee neemt de weerstand toe, die de kortsluitstroom weer zal doen afnemen. NTC's worden onder andere gebruikt bij temperatuurmetingen.

Op een analoge modelbaan kan een PTC gebruikt worden om een loc langzaam te laten stoppen en een NTC om hem weer langzaam te laten wegrijden.

De LDR, belicht door een lampje of led, kan worden gebruikt in een opto-coupler of lichtsluis om bijvoorbeeld een passerende trein te detecteren.

De varistor / VDR

Een varistor of Voltage Dependent Resistor (VDR) is een weerstand waarvan de waarde varieert met de spanning over de weerstand. Bij een lage spanning gedraagt de VDR zich als een gewone weerstand. Bij toenemende spanning neemt de weerstandswaarde af. Wordt ook gebruikt als beveiliging tegen te hoge spanningen.


Schemasymbool vdr.gif
Afbeelding: 10
Schemasymbool VDR
Tekening gemaakt door: Fred Eikelboom

De condensator

Bij condensatoren worden twee hoofdtypen onderscheiden: de gewone condensator, die niet gepolariseerd is (geen plus en min heeft) en de Elektrolytische Condensator (elco), die wel gepolariseerd is (een plus en min heeft). In schema's wordt een gewone condensator aangegeven zoals afgebeeld in de tekening.

Condensator symbool01.gif
Afbeelding: 11
Schemasymbool van een condensator
Tekening gemaakt door: Fred Eikelboom

Een condensator wordt gebruikt voor verschillende doeleinden, zoals ontstoring (bijv. op de elektromotor van een modellocomotief of -treinstel). Dit type condensator heeft, zoals aangegeven, geen polariteit, in tegenstelling tot de elco. Het maakt dus niets uit hoe dit type condensator wordt aangesloten.

De waarde van een condensator wordt in farad als volgt aangegeven: nF, pF, μF en F. 1 μF = 1000nF = 1000000pf. μF= microfarad, nF = nanofarad en pF = picofarad. De waardeaanduiding op een condensator met kleine waarde bestaat uit een code; bijvoorbeeld u33 = 0,33μF of u1 = 0,1μF. Dus het opgedrukte getal direkt achter de komma zetten, en de waarde is bekend. Staan er alleen getallen op de condensator, zoals bij SMD componenten, dan gaat het a.v.;

  • het meest rechtse getal is de vermenigvuldigingsfactor (het aantal nullen): 2 = × 100, 3 = × 1000, 4 = × 10000 enz.
  • 472 = 47 × 100 = 4700 pf = 4,7 nF = 0,0047 μF;
  • 223 = 22×1000 = 22000 pF = 22 nF = 0,022 μF;
  • 473 = 47×1000 = 47000 pF = 47 nF = 0,047 μF;
  • 102 = 10×100 = 1000 pF = 1 nF = 0,001 μF.

Hier volgt een tabel met een aantal codes:

Code Picofarad
(pF)
Nanofarad
(nF)
Microfarad
(μF)
102 1000 1 0,001
152 1500 1,5 0,0015
222 2200 2,2 0,0022
332 3300 3,3 0,0033
472 4700 4,7 0,0047
682 6800 6,8 0,0068
103 10000 10 0,01
153 15000 15 0,015
223 22000 22 0,022
333 33000 33 0,033
473 47000 47 0,047
683 68000 68 0,068
104 100000 100 0,1
154 150000 150 0,15
224 220000 220 0,22
334 330000 330 0,33
474 470000 470 0,47
Tabel: 12
Tabel gemaakt door: Fred Eikelboom

Achter de cijfers kan een letter staan, deze duidt de tolerantie aan.

Lettercode Tolerantie
B +/- 0,10p
C +/- 0,25p
D +/- 0,5p
E 0,5%
F 1%
G 2%
H 3%
J 5%
K 10%
M 20%
N 30%
P +100%/-0%
Z +80/-20%
Tabel: 13
Tabel gemaakt door: Fred Eikelboom


De elektrolytische condensator

In Europese schema's wordt een elektrolytische condensator (elco) aangegeven zoals afgebeeld in tekening 14.

Elco symbool01.gif
Afbeelding: 14
Schemasymbool van een elco
Tekening gemaakt door: Fred Eikelboom

De elektrolytische condensator (deze naam werd ongeveer 50 jaar geleden al afgekort tot elco) is ook een condensator, maar dan een condensator die leverbaar is met een zeer grote elektrische capaciteit, zoals 10000 μF of 33000 μF. Er zijn echter ook elco's leverbaar met kleinere waarden, zoals bijvoorbeeld 0,1 μF of 0,33 μF. De elco heeft een speciale eigenschap, hij is gepolariseerd (ook wel polair genoemd). Dat betekent dat de elco een positieve pool (de plus), en een negatieve pool (de min) heeft.

De benaming 'elektrolytisch' betekent dat hij gevuld is met een elektroliet, een geleidende vloeistof. De elektroliet vormt de kathode(-) en bevindt zich in een strook papier. Een strook sterk opgeruwd aluminiumfolie met daarop een dun laagje aluminiumoxide vormt de anode(+). De twee stroken samen opgerold vormen de elco. Het oxidelaagje vormt een isolator tussen het aluminium en de electroliet.

Elcoos.GIF
Afbeelding: 15
Aansluitingen van diverse typen elco's
Tekening gemaakt door: Klaas Zondervan

Er zijn twee hoofdtypen elco's te onderscheiden:

  • De axiale elco, waarbij aan weerszijden van de behuizing een aansluitdraad zit. Bij de axiale elco is op de behuizing aangegeven wat de plus- of min-aansluiting is (zie rechts op tekening).
  • De radiale elco, waarbij beide aansluitdraden aan dezelfde zijde van de behuizing zitten. Bij de radiale elco is door middel van een lengteverschil van de aansluitdraden aangegeven, wat plus en min zijn. De langste draad is hierbij de plus-aansluiting. Meestal is ook op de behuizing met een grijze band aangegeven wat de min-aansluiting is (zie links op tekening).

De waarde van een elco wordt in schema's in farad of microfarad aangegeven: 1 μF = één microfarad. Een elco met een waarde van 1 farad wordt als volgt aangegeven: 1 F ofwel 1.000.000 μF.

Bij waarden onder de 1 microfarad wordt het op deze manier aangegeven: er staat een μ-teken vòòr de waardeaanduiding: μ47 = 0,47 μF.

Een elco kan stroom opslaan (net als een accu) en wordt dan ook vaak voor dat doel gebruikt. De bekendste toepassing is het afvlakken van de gelijkgerichte spanning in voedingen ('afvlakken' betekent vermindering van de rimpelspanning) en bij led-verlichting in rijtuigen (led-strips) wordt de elco gebruikt om het knipperen van de leds tegen te gaan, zie Maatregelen tegen knipperende verlichting.

Let-op.jpg
  LET OP
Een elco mag nooit verkeerd-om op de voedingsspanning aangesloten worden, dat overleeft de elco niet! Een elco op een wisselspanning (AC) aansluiten heeft hetzelfde effect want hij is dan ook verkeerd-om aangesloten, ook al is dat dan maar de helft van de tijd.

Let er ook goed op dat de elco's niet in serie wordengeschakeld, want dan vermindert de waarde. Dus: parallel = 1000 + 1000 = 2000 μF en in serie wordt het 1/Cx = 1/C1 + 1/C2 = 1/1000 + 1/1000 = 2/1000 = 1/500 ---> Cx = 500 μF!

Pas op voor het kortsluiten van een elco. Bij een elco van 100μF kan er al (heel even) een stroom van 20 ampère gaan lopen!

Elco's parallel

De capaciteit van een condensator wordt bepaald door het oppervlak van de 'plaat' en de afstand tussen de platen. Wanneer meer elco-capaciteit nodig is, stel 2000 μF i.p.v. 1000 μF, dan kunnen twee elco's van 1000 μF parallel geschakeld worden (plus van elco1 aan plus van elco2 en min van elco1 aan min van elco2). Het totale oppervlak van de 'platen' neemt daarmee toe en de twee elco's samen hebben dan een waarde van 2000 μF. Bij meerdere elco's parallel moeten de waarden bij elkaar opgeteld worden.

Eén grote elco of meerdere kleinere elco's parallel maakt bij het modelspoor elektrisch gezien niet uit. De totale waarde is altijd de som van alle elco's in parallelschakeling. Het kan, vanwege de beperkte ruimte in een rijtuig, handiger zijn om een aantal kleinere elco's parallel te schakelen omdat deze gemakkelijker weg te werken zijn.

Let-op.jpg
  LET OP
Een elco mag nooit kortgesloten worden, omdat er dan kortstondig een zeer grote stroom gaat lopen!

Elco ontladen

Het snel ontladen van een elco moet altijd via een weerstand van minimaal 470 ohm, anders wordt door de kortstondige hoge stroom de levensduur van de elco sterk bekort.

De tantaal-elco

TantaalElco Conrad.jpg
Afbeelding: 16
Tantaal-elco
Bron: Conrad.nl

Bij een tantaal-elco bestaat het diëlektricum (de isolatie) uit tantalium(V)oxide (Ta2O5). Enige voordelen van tantaal-elco's zijn:

  • ze nemen minder ruimte op de print in beslag (veel kleiner dan een aluminium-elco met dezelfde capaciteit);
  • hebben een zeer lage lekstroom;
  • er kan een kleinere waarde toegepast worden: 22 μF tantaal komt overeen met een 150 μF aluminium-elco.

Een nadeel is dat ze duurder zijn dan aluminium elco's.

In schema's wordt hetzelfde symbool toegepast als voor de aluminium-elco. In de onderdelenlijst wordt het echter specifiek aangegeven wanneer er een tantaal-elco moet worden toegepast.

De supercondensator

GoldCaps F-type.png
Afbeelding: 17
GoldCaps Type F
Foto gemaakt door: Fred Eikelboom


Een supercondensator is een elco met grote capaciteit en kleine afmetingen. Deze zijn ook bekend onder de naam GoldCap, een merknaam van Panasonic en als Supercap, Ultracap, PowerCap, DynaCap of GreenCap.

De supercondensator is een dubbellaags elektrolytische condensator, een Electric Double Layer Capacitor (ELDC). Ze hebben een maximale werkspanning van 2,3, 2,5, 2,7 3,6, 5,5 en 6,3 volt. Ze hebben een lange laad- en ontlaadtijd, zie o.a. de datasheet van de fabrikant met een grafiek met daarin de spanningen na 1 uur, 100 uur en 200 uur opladen.

De supercondensator wordt in de modelbouw gebruikt als spanningsbuffer voor locdecoders. Zie ook het artikel 'GoldCaps' bij 'Meer informatie'.


De smoorspoel

Loc-met-smoorspoelen-Sven01.jpg
Afbeelding: 18
Smoorspoelen in Roco loc
Foto gemaakt door: Sven

Een smoorspoel heeft een hoge weerstand voor wisselspanning en een lage weerstand voor gelijkspanning. De functie van een smoorspoel is o.a. om hoogfrequente stoorsignalen tegen te houden, zoals bijvoorbeeld in televisies, radio's en mobiele telefoons e.d. Ook worden ze gebruikt voor laagfrequente filtering, zoals bij scheidingsfilters voor luidsprekers.

In modeltreinen worden smoorspoelen ook toegepast (zie foto). De smoorspoelen reduceren de stroom niet noemenswaardig. Daarvoor is de gelijkstroomweerstand te laag. Ze dienen hier voor het ontstoren van de motor, zodat stoorpulsen die ontstaan door het vonken van de koolborstels (collector), niet naar de buitenwereld doordringen. In de meeste locs zitten dergelijke spoeltjes. Hier worden ze dan per paar toegepast.

De foto is van de 'klassieke' onstoring, met parallel aan de motoraansluitingen een condensator en twee spoelen tussen de beide motoraansluitingen en de stroomafnemers. De meeste smoorspoelen zijn duidelijk als spoelen herkenbaar, maar op de afbeelding zien ze er uit als weerstanden. Aan de hand van de kleurcode (dezelfde als bij weerstanden) is te zien dat de waarde 100 eenheden is (bruin-zwart-bruin). Die heten hier niet ohm, maar microhenry (μH). De spoelen hebben dus een waarde van 100 μ;H. Een weestandsmeter zal aangeven dat de weerstand minder is dan 100 ohm, waarschijnlijk zelfs minder dan één ohm. De smoorspoelen dienen dus samen met de condensator (dat blauwe knobbeltje) voor de ontstoring.

Bij het aansluiten van een locdecoder op de motor dient de condensator over de koolborstels verwijderd te worden. De condensator zal de hoge frequenties van de PWM motorregeling kortsluiten (doorlaten), waardoor de motorregeling niet goed werkt (en de decoder slecht af te regelen is). De smoorspoelen kunnen aanwezig blijven, tenzij de decoderfabrikant aangeeft dat die ook verwijderd moeten worden.

Zie ook het artikel 'Stappenplan decoderinbouw' bij 'Meer informatie'.


Het relais

Een relais is een door een elektromagneet bediende schakelaar. Het is een eenvoudige en veelgebruikte component in elektrische en elektronische schakelingen.

Een relais bestaat uit de volgende onderdelen:

  • elektromagneet (de spoel met het weekijzer);
  • anker;
  • schakelcontact en/of omschakelcontact, afhankelijk van het type relais;
  • veermechanisme.
Zeer Klein
Afbeelding: 19
Schematische weergave van de onderdelen van een relais
Tekening gemaakt door: Fred Eikelboom

Een relais heeft minimaal één moedercontact, aangegeven met C, dit is de afkorting van Common (ofwel gemeenschappelijk) en één schakelcontact, aangegeven met NO, dit is de afkorting van Normally Open (ofwel in ruststand geopend). De meeste relais zijn voorzien van omschakelcontacten. Bij het verbreekcontact staat dan NC, dit is de afkorting van Normally Closed (ofwel in rusttoestand gesloten). In afbeeldingen 34 en 35 (zie onder) is weergegeven hoe dit in schema's wordt aangegeven.

Werking

De elektromagneet in het relais bestaat uit een stuk weekijzer (A), het anker, met daaromheen een groot aantal windingen van dun gelakt koperdraad (B), zie tekening 34. De lak om het koperdraad voorkomt dat de windingen onderling kortsluiting maken. Wanneer op de aansluitdraden van de spoel (S) een voldoende hoge spanning wordt gezet, ontstaat in- en om de spoel een magnetisch veld. Dit veld zal het weekijzer in/om de spoel magnetiseren. Door de magnetische trekkracht wordt het anker door de elektromagneet aangetrokken. Zodra er een voldoende hoge spanning aanwezig is over de spoel, zal het relais dus 'aantrekken' (inschakelen of omschakelen afhankelijk van het type relais). Zodra de stuurspanning wegvalt, zal het magnetisch veld wegvallen en het relais in de ruststand terugspringen door het veermechanisme (V). ('Weekijzer' is een oude benaming voor niet gehard ijzer of staal.)

DC of AC

Staat er een = symbool op de spoel, dan is de relaisspoel bedoeld voor gelijkspanning (DC). Staat er een ~ symbool op de spoel, dan is de relaisspoel bedoeld voor wisselspanning (AC). Gelijkspanningrelais

Zeer Klein
Afbeelding: 20
Relais voor gelijkspanning
Tekening gemaakt door: Fred Eikelboom

Bij een gelijkspanningrelais (zie tekening 32) veroorzaakt de stroom in de kern (het weekijzeren gedeelte waar de spoel omheen gewikkeld is) een (magnetische) noord- en zuidpool. In het weekijzeren anker, waaraan de contacten van de schakelaar bevestigd zijn, ontstaan ook een noord- en zuidpool, zodat het anker wordt aangetrokken door de kern met spoel.

Het maakt normaliter bij gelijkspanningsrelais niet uit hoe de spoeldraden zijn aangeloten, tenzij er op het relais een + en - aangegeven zijn bij de spoelaansluitingen. Ook wanneer er over de spoel een blusdiode gemonteerd is, moet de plus van de voedingsspanning op die aansluiting gemonteerd worden waar de kathodezijde (de streep) van de diode aangesloten is. Bij twijfel is het raadzaam om de datasheet van de fabrikant te raadplegen.

Het spoelvermogen

Sommige fabrikanten geven in hun datasheet aan welk maximale spoelvermogen het relais kan verdragen. Vaak staat er dan bijvoorbeeld: maximale spoelvermogen 130% van het nominale vermogen. Wanneer dan een relais ontworpen is voor nominaal 12 volt gelijkspanning en de spoelweerstand bijv. 270 Ω mag er maximaal 13,7 volt op de spoelaansluitingen staan volgens de onderstaande berekeningen:

  • UNom = 12 volt   R = 270 ohm
  • de opgenomen stroom van de spoel is te berekenen met de formule I = U / R
  • de stroomsterkte I = is dan 12 / 270 = 0,04444 ampère, vermenigvuldigd met 1000 om de stroomsterkte in milliampère te krijgen, geeft 44,44 mA.

Nu de spoelstroom bekend is, is het 'spoelvermogen' (P) te berekenen met de formule P = U x I = 12 X 44,44 = 533 milliwatt ofwel 0,533 watt.

Nu het vermogen (P) bekend is, is te bepalen wat de maximaal toegestane spoelspanning is. Dat is op twee manieren te doen:

  • het nominale vermogen vermenigvuldigd met 1,3 (=130%) geeft 0,533 x 1,3 = 0,693 watt. Vermenigvuldigd met de spoelweerstand (R) geeft dit 0,693 x 270 = 187,11. De wortel hiervan geeft de maximaal toelaatbare spoelspanning: 187,11 = 13,68. Dus de maximaal toelaatbare spoelspanning is 13,7 volt afgerond.
  • We kunnen ook de formule P = U² / R gebruiken. Wanneer het spoelvermogen P een factor 1,3 zo groot is, betekent dit dat U² (Ukwadraat) ook een factor 1,3 zo groot wordt en dat U dan ook 1,3 keer zo groot wordt. 1,3 = 1,14 (afgerond). De maximaal toelaatbare spoelspanning volgt dan uit: 12 × 1,14 = 13,68 = 13,7 volt afgerond.

(de berekening van het spoelvermogen is beschikbaar gesteld door Klaas Zondervan).

Het wisselspanningrelais

Zeer Klein
Afbeelding: 21
Relais voor wisselspanning
Tekening gemaakt door: Fred Eikelboom

Bij een wisselspanningrelais (zie tekening 33) gebeurt precies hetzelfde. Alleen wisselt hier de polariteit van de spanning 50× per seconde (50 herz.). Daardoor trilt het weekijzeren anker 100 keer per seconde, aangezien het zowel op het positieve, als het negatieve deel van de sinus wordt aangetrokken. Bij de polariteitwisseling ontstaat ook even een nuldoorgang van de stroom. Op dat moment is de magnetische aantrekkingskracht even weg en zou het anker meteen weer afvallen. Om dat te voorkomen is een koperen plaatje in de vorm van een gesloten winding (zie fig. A op tekening 33) op de kern aangebracht. Wanneer het magnetisch veld het grootst is, gaat er in dat koper een kortsluitstroom lopen. Die stroom wekt weer een klein magnetisch veld op, dat zijn eigen ontstaan tegenwerkt. Gevolg hiervan is, dat er een beetje stroom loopt door het koperen plaatje bovenaan de kern als de stroom van de spoel door nul gaat. De aantrekkingskracht van de grote spoel is even nul, maar op dat moment is er wel een aantrekkingskracht, die veroorzaakt wordt door de stroom door het koperen plaatje. Hierdoor valt het anker niet af en ontstaat er geen trilling van het anker. Bij een wisselspanningrelais is de kern vaak opgebouwd uit stripjes weekijzer. Dit wordt gedaan om wervelstromen in de kern te voorkomen.

Aantrekspanning en houdspanning

Een relais heeft een aantrekspanning en een houdspanning. De aantrekspanning is de spanning waarbij het relais volledig aantrekt (of omklapt). Voor het aantrekken van het anker is veel meer elektrische energie nodig dan voor het vasthouden van het anker tegen de kern. Dit komt doordat er een magnetische weerstand van de luchtspleet en de spanning van de trekveer overwonnen moeten worden. De houdspanning, dit is de spanning waarbij het relais nog net niet terugveert en het contact niet verbroken wordt, is lager.

Aanduidingen op een relais

Op een relais wordt vaak aangegeven wat de spoelspanning is, voor welke soort stroom het bedoeld is (AC of DC) en wat het maximaal te schakelen vermogen (spanning × stroom) is. Staat er niets aangegeven, dan is aan de hand van het typenummer op het relais bij de fabrikant het datasheet (gegevensblad) te bekijken. Op het relais staat bijvoorbeeld:

  • 12V~1A230V~ of 12VAC1A230V~, dit betekent dat de spoel ontworpen is voor 12 volt wisselspanning (AC), en de contacten maximaal één ampère mogen schakelen bij 230 volt AC.
  • 24V=2A230V~ of 24VDC2A230V~, dit betekent dat de spoel ontworpen is voor 24 volt gelijkspanning (DC), en de contacten maximaal twee ampère mogen schakelen bij 230 volt AC.

Staat er bij de gegevens '1 × om', ('om' is de afkorting van omschakelen) dan betekent dit dat er één contact in het relais zit dat omschakelt. Staat er bij de gegevens '2 × om', dan betekent dit dat er twee contacten in het relais zitten die gelijktijdig omschakelen, enz.

Ook kan, in plaats van de aanduiding '1 × om' of '2 × om', de Engelse methode gebruikt zijn. Dan geeft de fabrikant met een code aan wat voor soort relais het is, zoals:

  • SPST Single Pole Single Throw ofwel: één maak- of verbreekcontact
  • DPDT Double Pole Double Throw ofwel: twee omschakelcontacten
  • 4PST Four Pole Single Throw ofwel: vier maak- of verbreekcontacten
  • 4PDT Four Pole Double Throw ofwel: vier omschakelcontacten

Er bestaat nog een andere codering:

  • SPNO Single Pole Normally Open ofwel: één maakcontact
  • DPNC Single Pole Normally Closed ofwel: twee verbreekcontacten
  • SPCO Single Pole Change Over ofwel: één wisselcontact
  • 4PCO Four Pole Change Over ofwel: vier wisselcontacten
Let-op.jpg
  LET OP
Bij spoelspanningen van 230 volt dient de isolatie van de stuurdraden te voldoen aan de geldende veiligheidseisen en dus een bepaalde voorgeschreven minimale dikte te hebben i.v.m. elektrocutiegevaar. Ook wanneer met de relaiscontacten 230 volt wisselspanning wordt geschakeld, dienen de aansluitdraden aan bovenstaande eisen te voldoen.

Soorten relais

Er zijn twee hoofdsoorten relais:

  1. monostabiel
  2. bistabiel
Monostabiel relais
Relais-02.gif
Afbeelding: 22
Schemasymbool monostabiel relais 1 x om (fig. A) en 2 x om (fig. B)
Tekening gemaakt door: Fred Eikelboom

De standaarduitvoering is een monostabiel relais. Dit is een type relais dat tijdens de bekrachtiging in één stand wordt gehouden, maar zonder bekrachtiging (dus zodra de stuurspanning wegvalt) in de ruststand terugspringt door het veermechanisme.

Bistabiel relais
Relais-03.gif
Afbeelding: 23
Schemasymbool bistabiel relais 1 x om (fig. A) en 2 x om (fig. B)
Tekening gemaakt door: Fred Eikelboom

Een bistabiel relais is een relais met twee standen, dat na de bekrachtiging in de geschakelde stand blijft. Daardoor blijven de contacten staan in de stand waarin ze geschakeld worden, ook na het uitschakelen van de stuurspanning. Een bistabiel relais is voorzien van twee spoelen, de 'set'- en de 'reset'-spoel. Het vasthouden van het anker in één van de twee posities kan mechanisch of m.b.v. een kleine permanente magneet geschieden.

Wanneer worden relais gebruikt?

Relais worden overal ingezet op die plaatsen waar een hoge stroom geschakeld moet worden. Om de volgende redenen wordt gebruik gemaakt van een relais i.p.v. een schakelaar:

  • een hoge stroomsterkte vereist zeer dikke draden van- en naar de schakelaar;
  • de hoge elektrische stromen verkorten de levensduur van een gewone schakelaar aanzienlijk;
  • een kleine schakelaar kan eenvoudiger ergens geplaatst worden (betere ruimtebenutting);
  • beperken van spanningsverliezen door lange bedrading.

Wanneer een relais wordt gebruikt met lage spoelspanning (12 of 24 volt), dan volstaan dunne draden (0,14 mm² als stuurbedrading van de lichte enkelpolige schakelaar naar het relais. De dikkere draden lopen van de voeding naar het schakelcontact van het relais en vanaf het het schakelcontact van het relais verder naar de verbruiker (bijv. een wisselspoel).Er kan dus een kleine schakelaar gebruikt worden, bijv. Conrad bestnr.: 701070 - 89, die gemakkelijk ergens in te bouwen of te plaatsen is en die toch een hoge stroomsterkte kan schakelen.

Vonkblussing

Wanneer een relais gebruikt wordt om een trafo in- of uit te schakelen, vonkt het vaak tussen de relaiscontacten, wanneer het relais uitschakelt. In dat geval is de trafo de schuldige. De trafo heeft een spoel en een eigenschap van spoelen is de stroom zo lang mogelijk te laten lopen door het circuit,ook op het moment van uitschakelen, waardoor er tussen de contacten een vonkbrug ontstaat. Bij nieuwe relais die wisselspanning moeten schakelen, wordt daarom vaak een 'blusnetwerkje' gemonteerd over de contacten, zodat deze een langere levensduur hebben. Zo'n blusnetwerkje (in het Engels snubber) bestaat uit een weerstand en een condensator, die in serie geschakeld zijn. Dat blusnetwerkje zorgt er voor dat de stroom die door de schakelaar wil, na het uitschakelen omgeleidt wordt. Voor de weerstand wordt meestal een waarde van 100 tot 330 Ω gebruikt en voor de condensator een waarde van 0,1 µF/400V= of zelfs 0,1 µF/630V=. Af fabriek zijn kant-en-klare vonkblussers leverbaar waarbij de weerstand en de condensator ingegoten zijn in een kleine behuizing. Bij relais die gelijkspanning moeten schakelen wordt vaak een diodenetwerkje gebruikt.


Het reed-contact

Zie het hoofdartikel 'Wat is een reed-contact'.

Ook bij reed-contacten kan vonkblussing toegepast worden. Het blusnetwerkje (0,1 µF/400V= met 100 Ω ¼ Watt in serie) komt over het reed-contact (zie ook 'Meer info').


Actieve componenten

De diode

De diode, die maar in één richting stroom doorlaat, wordt o.a. gebruikt voor het omzetten van wisselspanning naar gelijkspanning; gelijkrichten. Een diode heeft twee aansluitingen, de anode en de kathode. De stroom loopt van anode naar kathode door de diode. De anode is dus de pluszijde, de kathode de minzijde.

Schemasymbool diode01.gif Diode kenmerk-01.gif
Afbeelding: 24 Afbeelding: 25
Schemasymbool van een diode De kathode is op de diode aangegeven met een streep (of ring)
Tekening gemaakt door: Fred Eikelboom     Tekening gemaakt door: Fred Eikelboom

In tekening 10 staat het schema-symbool van de diode. Het streepje geeft de kathode aan. Ook op de behuizing is een streep afgedrukt. Deze streep geeft eveneens de kathode aan (zie tekening).

Bij het zelfbouwen van modelspoor-elektronica worden de 1N4148, 1N4007, BYV28-200 of 1N5408 vaak gebruikt. De 1N4148 kan 150 milliampère verwerken bij maximaal 75 volt. De 1N4007 kan maximaal één ampère verwerken bij 1000 volt. De BYV28-200 kan maximaal drie ampère verwerken bij 200 volt en de 1N5408 kan maximaal drie ampère verwerken bij 1000 volt. De BYV28-200 is uitermate geschikt voor detectieschakelingen (vier diodes, in combinatie met een stuk geïsoleerde rails).

De sperspanning

De hierboven vermelde spanningen betreffen de sperspanning van de diode. De sperspanning is de spanning die de diode in tegengestelde richting (dus niet in de doorlaatrichting) kan weerstaan. Wordt de spanning hoger, dan slaat de diode door en is onherstelbaar defect.

De led

Schemasymbool LED.gif
Afbeelding: 26
Schemasymbool van de led
Tekening gemaakt door: Fred Eikelboom

De Light Emitting Diode of led is een diode die in doorlaatlichting aangesloten licht uitzendt. De led heeft, net als een gewone diode, twee aansluitingen, de anode (+) en de kathode (-). In de afbeelding is symbool van de led weergegeven. Het streepje geeft de kathode aan. Bij de standaard leds is de kathode (-) de korte aansluiting. Ook zijn er leds die aan de behuizing een plat vlakje hebben. Ook dit geeft de kathode aan. Een led werkt anders dan een gloeilamp en heeft daarom een voorschakelweerstand (serieweerstand) nodig om de stroom door de led te beperken tot een veilige waarde.

De drempelspanning

De vuistregel is ongeveer 2 volt voor (normale) rode, gele, oranje en groene leds en 3 volt voor (warm) witte, blauwe en high efficiency groene leds. De datasheets geven via Google de juiste waarden. Door het verschil in drempelspanning kunnen geen witte led (3 volt) en rode leds (2 volt) in serie gezet worden. Door beide leds loopt dan dezelfde stroom en dat kon nog wel eens een heel uiteenlopende helderheid opleveren. Sluit dus rode en witte leds altijd via een eigen voorschakelweerstand aan.

Zie voor het berekenen van de waarde van de voorschakelweerstand (serieweerstand) het artikel Minimale led voorschakelweerstand berekenen.

De doorlaatrichting

Een led wordt altijd in de doorlaatrichting aangesloten. Dus, plus van de voedingsspanning, via een voorschakelweerstand (serieweerstand), aan de anode en de min van de voedingsspanning aan de kathode. Zie ook het artikel Hoe sluit u leds aan.

De Schottky diode

Zeer Klein
Afbeelding: 27
Schottky diode
Tekening gemaakt door: Fred Eikelboom

De Schottky diode (genoemd naar de Duitser Walter H. Schottky) kenmerkt zich door een lage doorlaatspanning. Bij de BAT85 is deze spanning zelfs extra laag.

Dit type is een diode voor snelle schakeltoepassingen, hetgeen betekent dat de hersteltijd zeer kort is. Bij de BAT85 is deze hersteltijd maar vijf nanoseconden, in tegenstelling tot gewone diodes, die een hersteltijd van 100 tot meerdere 100en nanoseconden hebben.

Bij de BAT85 is de maximale doorlaatstroom 200 milliampère. Piekstroom gedurende minder dan een seconde: 600 milliampère. Doorlaatspanning bij 1 milliampère: 320 millivolt. Bij <10 milliampère: 400 millivolt. Bij <30 milliampère: 500 millivolt. Bij 100 milliampère: 500 millivolt, tot een max. van 800 millivolt bij 200 milliampère.

De Zenerdiode

Zenerdioden zijn genoemd naar C.M. Zener, een Amerikaanse natuurkundige die het zener-effect ontdekte. De zenerdiode heeft, net als de gewone diode, een kathode en een anode. Op de behuizing zit een ring die de kathodezijde aangeeft. Er bestaan gewone zenerdioden, maar ook zenerdioden die het zgn. Avalance (Engels) of lawine-effect hebben. Bij de laatste typen neemt de inwendige weerstand plotseling sterk af van enkele tientallen mega-ohm tot ongeveer 100 ω wanneer ze in geleiding komen (c.q. doorslaan).

Zener symbool01.gif Zener symbool02.gif
Afbeelding: 28 Afbeelding: 29
Schemasymbool zenerdiode 2e Schemasymbool zenerdiode
Tekening gemaakt door: Fred Eikelboom Tekening gemaakt door: Fred Eikelboom

De zenerdiode wordt normaliter aangesloten in sperrichting. Er bestaan echter ook zenerdiodes voor lage spanningen (lager dan twee volt), die in doorlaatrichting aangesloten dienen te worden. Zodra de aangelegde spanning boven de doorslagspanning (zenerspanning) komt, gaat de zenerdiode geleiden waarbij de spanning over de zenerdiode dan redelijk constant blift.

Er moet in serie met de zenerdiode altijd een weerstand worden aangesloten (meestal aan de kathodezijde), om er voor te zorgen dat de maximale doorlaatstroom niet overschreden wordt. Voor een goede werking van de zenerdiode is een minimumstroom benodigd, 5 tot 10 mA geeft goede resultaten. Zenerdiodes zijn niet bruikbaar bij wisselspanning.

Met twee- of meer tegengesteld geschakelde zenerdiodes kan bijv. de motorsnelheid niet worden gereduceerd, daar een zenerdiode in tegengestelde stroomrichting als gewone diode werkt, zal er dus bij twee antiparellel staande zenerdiodes (van bijv. 12 volt) in beide richtingen nooit meer dan 0,6 volt over de zenerdiodes komen te staan. Zenerdiodes zijn dus alleen toepasbaar bij gelijkstroomtoepassingen.

Als in een bruggelijkrichter twee dioden vervangen worden door twee zenerdioden dan zal de uitgangsspanning gestabiliseerd worden.


De bruggelijkrichter (brugcel)

Gelijkrichter02.gif
Afbeelding: 30
Bruggelijkrichters
Tekening gemaakt door: Fred Eikelboom


Netspanning-01.gif
Afbeelding: 31
De sinusvormige golf van de netspanning
Tekening gemaakt door: Fred Eikelboom


Een bruggelijkrichter of Graetzschakeling dient om een wisselspanning in een gelijkspanning om te zetten. De wisselspanning van het lichtnet heeft een frequentie van 50 herz (Hz), ofwel 50 perioden per seconde. In de tekening is de sinusvorm van de netspanning weergegeven.

Er bestaan drie basisschakelingen, zie tekening:

  1. de enkelfasige/enkelzijdige met één diode (zie fig. 1), frequentie op de uitgang = 50 herz.
  2. de dubbelfasige/dubbelzijdige met twee diodes en een middenaftakking op de trafo (zie fig. 2), frequentie op de uitgang = 100 herz.
  3. de dubbelfasige/dubbelzijdige met een bruggelijkrichter (zie fig. 3), frequentie op de uitgang = 100 herz.

In dit voorbeeld is een trafo met gebruikt secundair een spanning van 12 volt. De dioden in fig. 1 en fig. 2 (zie afbeelding) moeten minstens een sperspanning hebben van twee × de topwaarde van de wisselspanning.

De bruggelijkrichter bestaat uit vier dioden in een behuizing, de brugcel (zie links op de tekening) of uit vier losse dioden die in brug geschakeld zijn (zie rechts op tekening 01). Dit is de Graetzschakeling, genoemd naar de uitvinder ervan, Leo Graetz.

Achter de gelijkrichter hebben we een pulserende gelijkspanning, daarom wordt een elco geplaatst (met grote capaciteit) om de rimpelspanning te verminderen. De onbelaste spanning achter de elco is 1,414 × de wisselspanning die op de ingang van de gelijkrichter staat, minus de drempelspanning over twee diodes (1,4 volt). Dus bij een ingangsspanning van 12 volt wisselspanning staat er op de elco een spanning van: (12 × 1,414) - 1,4 = 15,56 volt.

In figuur 2 (zie tekening) geleidt afwisselend diode A of B. In figuur 3 (zie tekening 03) geleiden afwisselend de diodeparen A en A' of B en B'. Aan de rechterzijde van tekening 03 is de vorm van de uitgangsspanning weergegeven.

Gelijkrichter-01.gif
Afbeelding: 32
Gelijkrichtschakelingen
Tekening gemaakt door: Fred Eikelboom

In tekening 33 ter verduidelijking van de werking nogmaals de schakeling uit de figuur hierboven. Tijdens de positieve fase van de netspanning geleidt diode A (zie fig. 1A) en tijdens de negatieve fase van de netspanning geleidt diode B (zie fig. 1B). Daar de netfrequentie 50 herz. is, en tijdens de negatieve én positive fase van de netspanning een diode in geleiding is, staat op de uitgang (+) een pulserende gelijkspanning met een frequentie van 100 herz.

Zeer Klein Zeer Klein
Afbeelding: 33 Afbeelding: 34
De werking van de schakeling met twee diodes     De werking van de schakeling met vier diodes
Tekening gemaakt door: Fred Eikelboom Tekening gemaakt door: Fred Eikelboom

In de tekening ter verduidelijking van de werking nogmaals de schakeling uit figuur 3 hierboven (zie tekening). Tijdens de positieve fase van de netspanning geleiden de diodes A en A' (zie fig. 2A). Tijdens de negatieve fase van de netspanning geleiden diodes B en B' (zie fig. 2B). Daar de netfrequentie 50 herz. is, en er bij zoweel de negatieve als de positieve fase van de netspanning twee diodes geleiden, staat op de uitgang (+) een pulserende gelijkspanning met een frequentie van 100 herz.

Codering

Op een brugcel staat een code: de B van brug, dan de maximale spanning: bijv. 40 volt, daarna de C van Current (stroom in milliampère), en daarachter de maximaal toelaatbare continu-stroom, in dit geval 2200 milliampère oftwel 2,2 Ampère (zie tekening 01). In tekening 06 is een bruggelijkrichter weergegeven met een maximale spanning van 40 volt en een maximale stroom van 5000 milliampère ofwel vijf ampère.

Gelijkrichter03.gif
Afbeelding: 35
Brugcel (bruggelijkrichter)
Tekening gemaakt door: Fred Eikelboom

Er zijn ook typen waarop achter de C twee waarden aangegeven staan: bijv. C3300/2200. Het eerste getal is de maximaal toelaatbare continu-stroom, wanneer de brugcel op een voldoende groot koelelement gemonteerd is, én er koelpasta tussen de brugcel en het koelelement aangebracht is. Het tweede getal (achter de schuine streep) is de maximaal toelaatbare stroom, wanneer de brugcel vrij opgesteld is, dus zonder aanvullende koelingmaatregelen.

Afvlakking van de uitgangsspanning

Zeer Klein
Afbeelding: 36
Afvlakking van de rimpel m.b.v. een elco
Tekening gemaakt door: Fred Eikelboom

Achter de gelijkrichter (dus op + en -) is een pulserende gelijkspanning (rimpelspanning genoemd) aanwezig, en daar is de meeste apparatuur niet voor ontworpen. Die apparatuur verwacht een behoorlijk afgevlakte spanning (gelijkspanning, met zo klein mogelijke rimpel). Daarom wordt over de plus en min van de gelijkrichter een elco met grote capaciteit geplaatst (zie tekening 07) om de rimpelspanning te verminderen c.q. af te vlakken. De uitgangsspanning noemt men daarom afgevlakte gelijkspanning. De waarde van de elco (aantal μF) is afhankelijk van de grootte van de uitgangsstroom.


Zeer Klein
Afbeelding: 37
Slecht afgevlakte spanning met grote rimpel
Tekening gemaakt door: Fred Eikelboom

Bij enkelzijdige gelijkrichting met één diode zal op de buffer-elco een grote rimpel staan. De uitgangsspanning bevat dan een rimpel die veel te groot is om gevoelige apparatuur te kunnen voeden (zie tekening 08). We kunnen deze rimpel nog wel verkleinen door een aantal zeer grote elco's parallel te schakelen, maar vanwege de ruimte die dit inneemt (en de kosten) gebruikt men voor het merendeel voedingen met bruggelijkrichter.

Zeer Klein
Afbeelding: 38
Afgevlakte spanning met kleine rimpel
Tekening gemaakt door: Fred Eikelboom

Bij dubbelzijdige gelijkrichting (d.m.v. een bruggelijkrichter) zal op de buffer-elco een veel kleinere rimpel staan, omdat de frequentie van het aantal pulsen nu verdubbeld is (zie tekening 09).


De OpAmp

OpampUA741-01.gif
Afbeelding: 39
OpAmp (Operational Amplifier)
Tekening gemaakt door: Fred Eikelboom

Een Operational Amplifier (OpAmp)) zoals bijv. de μA741 (zie tekening 24) heeft een inverterende ingang (in het schema aangeduid met een minteken) en een niet-inverterende ingang (in het schema aangeduid met een plusteken, zie tekening 25). De OpAmp heeft de eigenschap dat hij het verschil tussen de spanningen op zijn ingangs-pinnen als uitgangsspanning zal willen geven (de uitgangsspanning kan uiteraard echter niet hoger dan de voedingsspanning worden). De spanning op de inverterende ingang, zal geïnverteerd naar buiten gebracht worden.

OpampUA741-02.gif
Afbeelding: 40
Offset-instelling
Schema gemaakt door: Fred Eikelboom

Om de uitgangsspanning precies op nul volt af te kunnen regelen, wanneer de beide ingangen op gelijk potentiaal staan, zijn de offset-ingangen aanwezig. Door middel van een potentiometer is de uitgang precies op nul in te stellen (zie schema). Een bekende OpAmp is de μA741.

Zie datasheetcatalog.com of op alldatasheet.com voor de specificaties. Er zijn typen voor max. 18 volt en voor max. 22 volt!


De optocoupler

OptoCoupler.gif
Afbeelding: 41
OptoCouplers voor DC en AC ingangsspanningen
Tekening gemaakt door: Fred Eikelboom

De optocoupler dient o.a. om twee circuits elektrisch te scheiden zodat er geen galvanische koppeling tussen beiden is. Wordt bijvoorbeeld gebruikt om een gedeelte van schakeling waarop netspanning aanwezig is, van het laagspannings gedeelte te scheiden. Door hier gebruik te maken van een optocoupler zijn signalen veilig over te dragen van het ene naar het andere circuit.

Bij de modelbaan wordt de optocoupler vaak gebruikt om de elektronica (zoals bijv. S88-printen en wisselaansturings-printen) van de digitale railspanning gescheiden te houden. Veelgebruikte optocouplers zijn hier de ILQ620, LTV814, LTV844 en PC 814. Dit zijn AC optocouplers, bedoeld voor wisselspanning op de ingang. De PC817 is een vaak toegepaste DC optocoupler, bedoeld voor gelijkspanning op de ingang.

Een optocoupler kan ook gebruikt worden als lichtsluis om passerende treinen te detecteren. Om ongewenste effecten van omgevingslicht te beperken worden infrarood leds gebruikt.


De spanningsregelaar

Stab IC7805.gif Stab IC-LM317.gif
Afbeelding: 42 Afbeelding: 43
7805 LM317
Tekening gemaakt door: Fred Eikelboom Tekening gemaakt door: Fred Eikelboom

Een spanningsregelaar kan een vaste of een instelbare uitgangsspanning hebben. Bekende typen zijn de 78xx-serie voor positieve uitgangsspanning en de 79xx-serie voor negatieve uitgangsspanning. (op de plaats van de xx staat de spanning afgedrukt). Deze spanningsregelaars kunnen doorgaans een stroom van 1 of 1,5 ampère. verwerken (mits we zorgen voor afdoende koeling).

De 78xx en 79xx-series zijn verkrijgbaar in de standaard-spanningen 5, 8, 10, 12, 15, 18, 20 en 24 volt (zie afbeelding 38). Wanneer de gewenste uitgangspanning in de 78xx-serie niet voorkomt, kunnen we gebruikmaken van de LM317. Deze heeft een uitgangspanning die instelbaar is tussen 1,2 en 37 volt (zie afbeelding 39).

De standaard spanningsregelaar moet altijd een ingangspanning (dit is de spanning over de buffer-elco) krijgen die minimaal drie volt hoger is dan de gewenste uitgangsspanning. Het gaat bij deze minimale spanning om de voedingspanning minus rimpel (zie voor nadere info: 'Voedingsberekeningen'). Dit is noodzakelijk voor het goed kunnen regelen van de uitgangsspanning. Ook is er een maximum gesteld aan de ingangsspanning.

Het is wel raadzaam om geen al te hoge spanning op de ingang te zetten, daar er dan behoorlijke warmteverliezen optreden, waardoor een grotere koelplaat of koelvin gebruikt moet worden. Het beste is een 2,5 tot 5 volt hogere spanning dan de uitgangsspanning. Het is dus altijd noodzakelijk om in de datasheet van de fabrikant te kijken wat de hoogte van de betreffende spanningen mag/moet zijn.

Voorbeelden:

  • Bij de μA7812 zijn de aanbevolen waarden: minimaal 14,5 volt en maximaal 30 volt op de ingang.
  • Bij de LM7812 zijn de aanbevolen waarden: minimaal 14,5 volt en maximaal 27 volt op de ingang.
  • Bij de LM317 mag het verschil tussen ingangsspanning en uitgangsspanning niet meer dan 40 volt bedragen. Ook hier is het best ongeveer 2,5 tot 5 volt boven de gewenste uitgangsspanning te kiezen.

Er zijn ook twee-ampère (78Sxx) en drie-ampère typen (78Txx). Voor een stroom lager dan 100 mA is de 78Lxx bruikbaar. Zie voor aansluitgegevens afbeelding 05 in het artikel Sluitseinen (Sluitverlichting).

Het Low Drop type

De Low Drop-typen hebben een lage spanningsval over de in- en uitgang. Bij dit type moet op de ingang minimaal 1 volt (bij de KA78R12) tot 1,5 volt (bij de LT1086-12) meer staan (aanwezig zijn), dan de uitgangsspanning.

Voorbeelden:

  • Bij de LT1086-12 zijn de aanbevolen waarden: minimaal 13,5 volt en maximaal 25 volt op de ingang.
  • Bij de KA78R12 zijn de aanbevolen waarden: minimaal 13 volt en maximaal 29 volt op de ingang.

Bij hogere stroom wordt het twee-ampère Low Drop-type (KA278Rxx) of het drie-ampère Low Drop-type (KIA378Rxx) gebruikt.

Hier het bassisschema voor de stabilisatieschakeling:

Basis Stabvoeding.gif
Afbeelding: 44
Basisschema
Tekening gemaakt door: Fred Eikelboom

Component Ca is de afvlakelco. Vin is de spanning vanaf de afvlakelco na de gelijkrichter. Ci dient geplaatst te worden indien de afstand tussen de buffer-elco en het IC meer dan vijf cm is. Deze dient ter onderdrukking van oscillatieverschijnselen. Co dient ter verbetering van de stabilisatie-eigenschappen bij snel wisselende belastingen en dient zo dicht mogelijk bij het IC geplaatst te worden.

Veel fabrikanten raden aan om voor Ci en Co tantaalelco's te gebruiken. De minimale waarde van Ci en Co staat meestal vermeld in de datasheet van de fabrikant. Zoniet, dan voor Ci een 10μF Tantaal of een 22μF Aluminium-elco en voor Co 47μF Tantaal of een 100μF Aluminium-elco gebruiken. De waarde van de afvlak-elco (Ca) achter de gelijkrichter is te berekenen.

Het verdient ten zeerste aanbeveling om tussen ingang en uitgang van het IC een diode op te nemen (zie schema 43). Deze diode zorgt er voor dat, wanneer de spanning op de ingang wegvalt, er geen stroom (vanuit een elco groter dan 1000 μF in tegengestelde richting door het regel-IC (de regelaar) gaat lopen, want dan bestaat de grote kans dat de regeltransistor in het IC doorslaat of beschadigd raakt.


De transistor

Transistor-01.gif
Afbeelding: 45
Transistor
Tekening gemaakt door: Fred Eikelboom


Transistoren Conrad.jpg
Afbeelding: 46
Diverse transistoren
Bron: Conrad.nl

De benaming 'transistor' is een samentrekking van 'TRANSfer' en 'varISTOR' of transresistance. Veel electronici gebruiken de afkorting 'tor'.

In 1947 werd de bruikbare transistor ontwikkeld door de heren Shockley, Bardeen en Brittain tijdens experimenten met het materiaal germanium, op basis van werk van anderen al vanaf 1923. Vóór die tijd gebruikte men al twee lagen germanium voor het maken van diodes. De eerste transistor bestond uit drie lagen germanium en had ongeveer de afmetingen van een golfbal. Tegenwoordig wordt voor transistoren silicium gebruikt in plaats van germanium. Een geleidende germaniumtransistor heeft een iets lagere spanningsval (0,5 V) dan een siliciumtransistor (0,7 V).

Er bestaan twee hoofdsoorten transistoren, genoemd naar de opbouw van de lagen germanium, respectievelijk PNP (positief, negatief, positief) en NPN (negatief, positief, negatief). Een transistor heeft een collector, een basis en een emitter, respectievelijk aangegeven met C, B en E.

Bij een NPN transistor is de aansluiting: Vcc (voedingsspanning)- belasting - NPN-tor - massa (nul) (zie fig.1 en fig.2 hieronder)

Bij een PNP-tor is de aansluiting: Vcc - PNP-tor - belasting - massa (zie fig.3 en fig.4 hieronder).

(Vcc is een term die veelvuldig in schema's wordt gebruikt en betekent 'positieve voedingsspanning').

De NPN-transistor is iets gemakkelijker te produceren en is daarom goedkoper. De NPN-transistor wordt daarom het meest gebruikt.

Transistor-02a.gif
Afbeelding: 47
Schakelprincipe van een transistor
Schema gemaakt door: Fred Eikelboom

In fig.1 en fig.2 in het schema zijn de spanningsniveau's bij een NPN-transistor aangegeven. Met de ingang (basis) aan de massa (-), dan spert T1 en ligt de uitgang op bijna hetzelfde niveau als de voedingsspanning (fig.1). Met de basis aan de voedingspanning (+), dan geleidt T1 en ligt de uitgang aan massa (fig.2).

In fig.3 en fig.4 in schema 47 zijn de spanningsniveau's bij een PNP-transistor aangegeven. Met de basis aan de voedingspanning, spert T2 en ligt de uitgang op bijna hetzelfde niveau als de massa (fig.3). Met de basis aan de massa, dan geleidt T2 en ligt de uitgang op bijna hetzelfde niveau als de voedingspanning (fig.4).

Onderdelenlijst
T1 BC547
T2 BC557
R1 4k7
R2 47k

Het schakelprincipe in afbeelding 45 wordt gebruikt bij het schakelen van leds.

Zeer Groot
Afbeelding: 48
Schakelgedrag van een transistor
Schema gemaakt door: Fred Eikelboom


SMD-Transistor Conrad.jpg
Afbeelding: 49
Transistor in SMD-uitvoering
Bron: Conrad.nl


Bij een NPN-transistor (zie fig.1 en fig.2 in schema 45) met de basis aan een negatieve spanning spert de transistor en zijn de leds gedoofd (fig.1). Met de basis aan een positieve spanning geleidt de transistor en branden de leds (fig.2.)

Bij een PNP-transistor (zie fig.3 en fig.4 in schema 45) met de basis aan een positieve spanning spert de transistor en zijn de leds gedoofd (fig.3). Met de basis aan een negatieve spanning geleidt de transistor en branden de leds (fig.4).

Om ruimte te besparen op de print, is we in plaats van de normale versie ook de SMD-uitvoering toepassen, zie afbeelding 46.

Onderdelenlijst
T1 BC547
T2 BC557
R1 10k
R2 1k2
Tabel: 47
Tabel gemaakt door: Fred Eikelboom



De Darlingtontransistor

Darlington-PNP-01.gif
Afbeelding: 48
Darlingtontransistor
Tekening gemaakt door: Fred Eikelboom

Een darlingtontransistor of kortweg 'darlington', is een schakeling van twee in cascade gekoppelde transistoren in één behuizing. Deze dubbele transistorconfiguratie werd in 1953 bedacht door de Amerikaanse elektrotechnicus Sidney Darlington. De stroomversterkingsfactor (hfe) van een darlington-transistor is bij benadering het product van de stroomversterkingsfactoren van de twee afzonderlijke transistoren, zodat een darlington een zeer grote stroomversterkingsfactor heeft. Er zijn darlingtons met en zonder ingebouwde weerstanden. Ook zijn er darlingtons met en zonder ingebouwde beveiligingsdiode. In afbeelding 50A is het inwendige schema van een BD 678 (PNP-type) weergegeven, met weerstanden en beveiligingsdiode. In afbeelding 50B is het schemasymbool van de darlington (PNP-type) weergegeven.


De JFET

Zeer Klein
Afbeelding: 49
JFET (Junction Field Effect Transistor)
Tekening gemaakt door: Fred Eikelboom

De benamig JFET staat voor Junction Field Effect Transistor, in het Nederlands: Verbindings Veld Effect Transistor ('Verbinding' slaat op het feit dat de gate intern metallisch met de source/drain van de transistor verbonden is). Het is een unipolaire transistor met drie aansluitingen: de source (S), de drain (D) en de gate (G). De stroom loopt van drain naar source. De JFET wordt o.a. in hoogfrequent apparatuur toegepast. De JFET noemt men unipolair, (in tegenstelling tot een gewone transistor, die bipolair is) omdat slechts één soort ladingsdrager (gaten of elektronen) deelneemt aan de stroom tussen source en drain. De spanning op de gate zorgt voor het sturen van de stroom van source naar drain. De JFET is spanninggestuurd, in tegenstelling tot een gewone transistor, die stroomgestuurd is. Bij een JFET loopt dus geen stroom van betekenis door de gate, zoals door de basis van een transistor. Pas op! Omdat de gate hoogohmig is, is een JFET gevoelig voor elektrostatische lading.

De MOSFET

Zeer Klein
Afbeelding: 50
MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)
Tekening gemaakt door: Fred Eikelboom

De benamig MOSFET staat voor Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor. Het is een unipolaire transistor, met drie aansluitingen: de source (S), de drain (D) en de gate (G). De stroom loopt van Drain naar Source. De MOSFET wordt o.a. in decoders toegepast. De MOSFET noemt men unipolair, (in tegenstelling tot een gewone transistor, die bipolair is) omdat slechts één soort ladingsdrager (gaten of elektronen) deelneemt aan de stroom tussen source en drain. De spanning op de gate zorgt voor het sturen van de stroom van source naar drain. De MOSFET is namelijk spanninggestuurd, in tegenstelling tot een gewone transistor, die stroomgestuurd is. Een ander verschil met een gewone transistor is, dat er bij een MOSFET geen stroom van betekenis door de gate loopt, zoals door de basis van een transistor.

Let-op.jpg
  LET OP
Pas op! Een MOSFET is gevoelig voor elektrostatische lading. Gebruik een geaard polsbandje bij het omgaan met dit onderdeel.

Voedingsberekeningen

Bij een zelfbouwvoeding moeten een aantal berekeningen gemaakt worden. Hieronder is één-en-ander uitgelegd voor een voeding met daarin een spanningsregelaar μA7812.

De voeding moet 1 A kunnen leveren. Vuistregel voor de rimpelspanning is max. 3 V. Er wordt een bruggelijkrichter gebruikt, dus de frequentie van de gelijkgerichte spanning is 100 herz. Eén periode duurt dus 0,01 sec. Met deze gegevens is de grootte van de buffer-elco te berekenen. Dat kan met de volgende formule:

C = I / (T × Urimpel). C is de gezochte waarde van de elco, I = 1 (ampére), T = 100 (herz), Urimpel = 3 (volt).

De formule wordt dan: C = 1 / (100 × 3) ofwel C = 1 / 300 = 0,00333 farad. C is dus 3333 μF. Standaardwaarde = 3300 μF.

Voor de spanningsstabilisatie moet rekening worden gehouden met het laagste punt van de rimpelspanning. In het Fairchild Datasheet staat:

  1. The input voltage must remain typically 2,0 volt above the output voltage even during the low point on the input ripple voltage.
  2. Ci is required if regulator is located an appreciable distance from power supply filter.
  3. Co improves stability and transient response. '

Het laagste punt van de rimpelspanning (zie lijn B in de grafiek) moet dus ten allen tijde hoger liggen, dan de door de fabrikant aangegeven minimum ingangsspanning. Dan zalde stabilisator ten allen tijde een voldoende hoge ingangsspanning krijgenen stabiel werken.

Zeer Groot
Afbeelding: 51
Rimpelspanning
Tekening gemaakt door: Fred Eikelboom

In de grafiek is de vorm van de spanning over de buffer-elco aangegeven. Bij A is de top-top spanning aangegeven. Aan de grafiek is te zien dat hier een rimpelspanning van drie volt aanwezig is. Het gaat er nu om dat de spanning aan de onderzijde van de rimpel (aangegeven met de oranje lijn bij B) voldoende hoog is.

Voor de μA7812 geeft de fabrikant een minimumspanning op van 14,5 volt. De rimpelspanning bedraagt 3 volt. De voedingspanning (Top-Top) op de ingang van de μA7812 moet dan minimaal 14,5 + 3 = 17,5 volt bedragen.

De secundaire spanning van de trafo is nu te berekenen. De vereiste minimumspanning op de elco is 17,5 volt. Daar komt de drempelspanning over twee diodes (1,4 volt) bij: 17,5 + 1,4 = 18,9 volt. Deze waarde vermenigvuldigd met 0,7 om de effective uitgangsspanning van de trafo te krijgen geeft 18,9 × 0,7 = 13,23 volt. Deze waarde wordt verhoogd met 10% om netspanningsvariaties op te kunnen vangen. We spanning wordt dan 14,55 volt.

De uitgangstroom moet 1 A bedragen. Kies dan een trafo die 1,5 A kan leveren; een standaard trafo met 15 V secundair en 1,5 A.

De werkspanning van de toegepaste elco volgt uit; Uwerkspanning = Ubrug x 2 ofwel Uwerkspanning = 18,9 × 2 = 37,8 volt. De eerstvolgende standaardwaarde die in de handel is 50 volt.

Basis Stabvoeding.gif
Afbeelding: 52
Basisschema
Tekening gemaakt door: Fred Eikelboom

Wanneer de afvlakelco (zie Ca in schema 50) zich op meer dan 10 cm afstand van de μA7812 bevindt, moet volgens advies van de fabrikant -Ci is required if regulator is located an appreciable distance from power Supply filter- een tantaalelco (Ci) van 10μF in de onmiddelijke nabijheid van de μA7812 gemonteerd worden.

De koeling

Het vermogen (U) dat het IC moet opnemen komt uit de formule Uin - Uuit × Imax

Uin = 19 volt.   Uuit = 12 volt.   Imax = 1 ampère. Het IC moet dus (19 - 12) × 1 = 7 watt opnemen.

Nu moet berekend worden of er een koelplaat noodzakelijk is. Dat kan met de formule: Pt = (Tj-Ta) / Rj-a

  • Pt is het maximaal te dissiperen vermogen van het IC, zonder koelplaat
  • Tj is de maximaal toegestane chiptemperatuur volgens de datasheet, meestal 150°C
  • Ta is de omgevingstemperatuur (deze stellen we op 40°C)
  • Rj-a is de thermische weerstand van de chip naar de omgeving (in het geval van een μA7812 in TO220-behuizing is deze 55°C/W)

Dit geeft dan: Pt = (150-40) / 55 ofwel Pt = 2 watt.

Hierboven is berekend dat het te dissiperen vermogen 7 watt is en het IC zonder koelplaat maar 2 watt kan verwerken. Het IC moet dus gekoeld worden. Er moet nu berekend worden wat de thermische weerstand van de koelplaat moet zijn. De thermische weerstand (Rhs-a) voor de koelplaat wordt berekend met de formule: Rhs-a = (Tj - Ta / Pt) - (Rj-c) - (Rc-hs), waarin

  • Tj is de maximaal toegestane chiptemperatuur volgens de datasheet, meestal 150°C
  • Ta is de omgevingstemperatuur (40°C)
  • Pt is het maximaal te dissiperen vermogen, in dit geval 7 watt
  • Rj-c is de thermische weerstand van de chip naar de behuizing (in het geval van een μA7812 in TO220-behuizing is deze 6)
  • Rc-hs is de thermische weerstand tussen IC en koelplaat, meestal zo rond de 0,5°C/W

Met deze waarden in de formule geeft dit: Rhs-a = (150 - 40)/ 7 - 6 - 0,5 ofwel 110 / 7 - 6,5 ofwel 15,71 - 6,5 = 9,2°C/W

Als de max. chiptemperatuur wordt verlaagd naar 125°C gebeurt het volgende:

  • Tj is de maximaal toegestane chiptemperatuur volgens de datasheet, meestal 125°
  • Ta is de omgevingstemperatuur (40°C)
  • Pt is het maximaal te dissiperen vermogen, in dit geval 7 watt
  • Rj-c is de thermische weerstand van de chip naar de behuizing (in het geval van een μA7812 in TO220-behuizing is deze 3)
  • Rc-hs is de thermische weerstand tussen IC en koelplaat, meestal zo rond de 0,5°C/W

Met deze waarden in de formule geeft dit: Rhs-a = (120 - 40)/ 7 - 3 - 0,5 ofwel 80 / 7 - 3,5 ofwel 11,42 - 3,5 = 7,9°C/W


Toleranties

Let-op.jpg
  LET OP
Één van de zaken die bij elektronica in de gaten gehouden moeten worden, is de zogenaamde tolerantie bij de componenten. Hieronder wordt verstaan dat de waarde van een bepaalde component, bijvoorbeeld de weerstand, niet altijd is wat die moet zijn. Bedenk, dat het hier meestal gaat om onderdelen die in massa geproduceerd worden, vaak geheel machinaal, zoals weerstanden. De tolerantie wordt, normaal gesproken, op het onderdeel weergegeven.

Bij een tolerantie van bijvoorbeeld 10% bij een weerstand van 50 ohm betekent dat bij een spanning van 5 volt de stroomsterkte door de weerstand tussen 90 en 110 milliampère kan zijn, een verschil van 20%! Meestal zal dat niet erg zijn, maar bij gevoelige componenten, zoals leds en transistoren, kan dat het 'overlijden' van de component betekenen.

Dit is de reden dat bij het berekeningen van weerstandswaarden altijd afrond wordt op de eerstvolgende hogere waarde.


Meer informatie

Encyclopedie:
Beneluxspoor.net:
over spanningsregelaars/elco's.
Externe websites:
Onderdelen.
over imitatie halfgeleiders.
Informatie over verschillende types PowerCaps (Goldcaps). (pdf, 20Mb, dus lange laadtijd!)
Technische informatie over PowerCaps (Goldcaps). (pdf)
Aanvullende info over relais.
Meer over de condensator. (Component)
Meer over de diode. (Component)
Meer over de elco. (Component)
Meer over de E-reeks.
Meer over de gelijkrichter.
Meer over de Goldcap (Duits). (Component)
Meer over millihenry.
Meer over de potentiometer. (Component)
Meer over relais.
Meer over vonkblussing (snubber).
Meer over de weerstand. (Component)
Meer over de Zenerdiode. (Component)
Informatie over verschillende types Goldcaps. (pdf)
Technische informatie over verschillende types Goldcaps. (pdf)
Meer over imitatie-halfgeleiders.



Hoofdpagina  Categorie-index  Index  Menu
Vorige | Volgende
Contact met de redactie: Contact met de redactie 

Laatste wijziging: 4 juni 2020 15:02