Technologie 1 Elektrische en elektronische begrippen
Signalen
stroom, spanning, weerstand, vermogen AC, DC, effectieve waarde
Opleiding Pop en Media Peet Ferwerda, januari 2002
Deze instructie wordt tijdens de colleges over technische achtergronden gebruikt en dient tegelijkertijd als een naslagwerk in de vorm van een stripboek.
In elektronische apparatuur wordt geluid en beeld weergegeven door elektrische signalen. Dit zijn hele kleine elektrische stromen en spanningen.
1
Signalen
Wisselstroom door luidspreker veroorzaakt beweging en geluid
Om goed te kunnen snappen hoe apparatuur werkt en om problemen t e kunnen oplossen is het belangrijk iets af te weten van stromen en spann ingen. Een stroom is een verplaatsing van elektronen.
Signalen
Wisselstroom door luidspreker veroorzaakt beweging en geluid
Elektronen bewegen heen en weer
Elektronen kan je je voorstellen als hele kleine onderdelen van de materie met een negatieve lading. De stroom is de verplaatsing van elektronen. We drukken de stroom uit in Amperes . 1 Ampere is een enorm groot elektronen per seconden.
2
Signalen
We zeggen bijvoorbeeld: de stroom I = 2A
er nd i m Re STROOM LOOPT ALTIJD DOOR EEN DRAAD
Om met de stroom te kunnen rekenen geven we deze een symbool. Dit is de hoofdletter I. Voor de Ampere gebruiken we de hoofdletter A.
Signalen
Batterij duwt elektronen naar de negatieve pool (- pool)
Maar wat is nou eigenlijk SPANNING?? We beginnen met een gewone batterij. We zeggen dat het een 1,5 V olts batterij is. De batterij kan een stroom leveren doordat hij elektronen naar d e minpool “pompt”.
3
Signalen + Batterij duwt elektronen naar de negatieve pool (- pool)
-
Hierdoor ontstaat aan de - kant van de batterij een opeenhoping van elektronen en aan de + kant een tekort. We zeggen: de - pool is negatief geladen en de + pool is positief geladen.
Signalen + Batterij duwt elektronen naar de negatieve pool (- pool)
-
De elektronen worden aangetrokken door de +pool, maar kunnen binnendoor er niet naar toe door de pompwerking.
4
Signalen + Batterij duwt elektronen naar de negatieve pool (- pool)
Batterij
Lampje
Elektronen bewegen door de draad
Nu sluiten we bijvoorbeeld met 2 draadjes een lampje aan op de batterij. De elektronen willen nog steeds graag naar de positieve pool en gaan door het lampje.
Signalen + Batterij duwt elektronen naar de negatieve pool (- pool)
Batterij
Lampje
-
er nd i m Re STROOM HEEFT EEN GESLOTEN CIRCUIT NODIG
Als we een draadje onderbreken houdt de stroom direct op met lopen.
5
Signalen + Batterij duwt elektronen naar de negatieve pool (- pool)
Batterij
Lampje
Elektronen bewegen door de draad Worden de elektronen met veel kracht naar de minpool geduwd, dan zijn er veel meer elektronen verplaatst en levert de batterij een hogere spanning.
Nogmaals: maar wat is nou eigenlijk SPANNING?? De spanning is de kracht waarmee de elektronen door de batterij naar de minpool worden geduwd.
Signalen A + De spanning tussen punt A en punt B is 1,5 Volt
Batterij
Lampje
B er nd i m Re SPANNING IS EEN KRACHT OP
ELEKTRONEN EN STAAT TUSSEN TWEE PUNTEN
De spanning staat altijd tussen 2 punten en wordt uitgedrukt in Volts. We gebruiken voor de spanning het symbool U. We zeggen U = 1,5 V
6
Signalen + Batterij duwt elektronen naar de negatieve pool (- pool)
Batterij
Lampje
Elektronen bewegen door de draad
+
U
_ Elektrisch schema
De manier waarop dingen elektrisch zijn verbonden noemen we een elektrische schakeling. We tekenen deze schakeling met symbolen. Een spanningsbron (de batterij) tekenen we als het linker rondje en een lampje als een kruisje.
Signalen + Batterij duwt elektronen naar de negatieve pool (- pool)
Batterij
Lampje
Elektronen bewegen door de draad
+
U
I
_ Elektrisch schema
er ind m Re DE STROOM
LOOPT VAN + NAAR -
Vroeger hebben we eens aangenomen dat de stroom, buiten de batte rij, van + naar loopt. Later is pas ontdekt dat de elektronen de andere kant op bewegen. Ook nu tekenen we de pijl van de stroom van de plus naar de min.
7
Signalen +
U
In elektronische schakelingen vinden we ook componenten die een bepaalde weerstandswaarde hebben. Ze worden b.v. gebruikt om de stroom kleiner te maken.
Lampje heeft een weerstandswaarde R in Ω
_
+
U
I
I
_ Weerstand R
De spanning is de drijvende kracht van de stroom. Maar wat bepaa ld nu hoe groot de stroom is? De lamp heeft een elektrische weerstand die we uitdrukken in ohms (Ω) De weerstand geven we weer met de letter R.
Signalen + De stroom kunnen we berekenen met de formule:
U
I
_
Lampje heeft een weerstandswaarde R in Ω
U I= R (wet van ohm)
+
U
I Weerstand R
_
De spanning is de drijvende kracht van de stroom. Maar wat bepaa ld nu hoe groot de stroom is? De lamp heeft een elektrische weerstand die we uitdrukken in ohms (Ω) De weerstand geven we weer met de letter R.
8
Signalen
De stroom kunnen we berekenen met de formule:
+
I R = 15 Ω
U = 75 V
_
U I= R
U I =
(wet van ohm)
75 V =
R
= 5 A 15 Ω
Als we op een weerstand van 15 Ω een spanning aansluiten van 75 Volt, gaat er een stroom lopen van 5 Ampere.
Signalen
De stroom kunnen we berekenen met de formule:
+ U = 75 V
I R = 15 Ω
_
U I= R
U=IxR
(wet van ohm)
U
Zelfde formule
R= I
We kunnen de wet van ohm op 3 manieren schrijven
9
Signalen
Luidsprekers hebben een weerstand van b.v. 8 Ω
In en uitgangen hebben een weerstandswaarde (impedantie), hier komen we nog op terug.
Voorbeelden van weerstandswaarden
Signalen
U
I AC
R
Even terug naar de warmte: een elektrische stroom veroorzaakt in een weerstand warmte. Hoe heet de weerstand wordt in een bepaalde tijd hangt a f van het vermogen. Het vermogen (P=power) drukken we uit in Watt. (W)
10
Signalen
U
I AC
R
P=UxI
I = 3,6 A
U=29V
Hoeveel Watt aan elektrische energie gaat hier naar de gitaarbox?
Signalen
U
I AC
R
P=UxI
I = 3,6 A
U=29V
P = U x I = 29V x 3,6A = 104,4 W. En wat is de impedantie (weerstand) van de luidspreker?
11
Signalen
U
I AC
R
P=UxI
I = 3,6 A
U=29V
De weerstand is: R = U / I = 29V / 3,6A = 8 Ω
Signalen
als
P=UxI
en
U = I x R
P=UxI
dan kan je ook schrijven P= = = =
UxI (I x R) x I IxIxR I2 x R
er ind m Re P =
I I2
xR
AC
R
Deze formule is vaak heel handig
Een van de formules die je zo kan afleiden, maar die toch ook ha ndig is om te onthouden is P = I 2 x R
12
Signalen er nd i m Re P =
I I2 x R
AC
R
8Ω monitor levert 250 W
I
Vaak willen we weten hoe groot een stroom is bij een bepaald vermogen, bijvoorbeeld om te achterhalen hoe dik een koperdraad moet zijn voor de aansluiting. Een monitor krijgt 250 W toegeleverd in 8 Ω. Hoe groot is de stroom I?
Signalen er ind m Re P =
I I2
xR
I
AC
R
8Ω monitor levert 250 W
P = I2 x R I 2 = P / R = 250 / 8 = 31,25 I = √ 31,25 = 5,6 A De stroom is 5,6 Ampere. Dat valt nog wel mee.
13
Technologie 2 Elektrische en elektronische begrippen
Schakelingen
serie- en parallelschakelingen (en toepassingen)
Opleiding Pop en Media Peet Ferwerda, januari 2002
Deze instructie wordt tijdens de colleges over technische achtergronden gebruikt en dient tegelijkertijd als een naslagwerk in de vorm van een stripboek.
Serieschakelingen
+ 9V
V _
Spanningen kunnen we met met een voltmeter. Die sluiten we dan o ver de spanningsbron aan (parallel). In dit geval wijst de meter 9 Volt aan.
14
Serieschakelingen + 9V _
V
+ 9V _
Deze 2 batterijen staan in serie. Spanningen die in serie staan moeten we optellen. De meter wijst 18 V aan.
Serieschakelingen I I=
U Rt
Rt = R1 + R2 U = U 1 + U2
Weerstanden kunnen we ook in serie schakelen. Door beide weerstanden loopt dezelfde stroom. De totale weerstand (of vervangingsweerstand) is de som van de weerstanden.
15
Serieschakelingen I I=
18V
U Rt
Rt = R1 + R2 U = U 1 + U2
Rekenvoorbeeld: R1 = 2 Ω R2 = 4 Ω U=18V Hoe groot is de stroom en de spanning over elke weerstand?
Serieschakelingen I
Rt = R1 + R2 = 2 + 4 = 6Ω 2 Ω
18V 4 Ω
I=
U Rt
=
18 6
= 3A
U1 = I x R1 = 3A x 2Ω = 6V U2 = I x R2 = 3A x 4Ω = 12V U = U1 + U2 = 6V + 12 V = 18 V
Rekenvoorbeeld: R1 = 2 Ω R2 = 4 Ω U=18V Hoe groot is de stroom en de spanning over elke weerstand?
16
Serieschakelingen I 2 Ω
V
6V
18V 4 Ω
U1 = I x R1 = 3A x 2Ω = 6V U2 = I x R2 = 3A x 4Ω = 12V U = U1 + U2 = 6V + 12 V = 18 V
Over de weerstand R1 staat een spanning van 6 Volt
Serieschakelingen I 2 Ω 18V 4 Ω
V
12V
U1 = I x R1 = 3A x 2Ω = 6V U2 = I x R2 = 3A x 4Ω = 12V U = U1 + U2 = 6V + 12 V = 18 V
Over de weerstand R2 staat een spanning van 12 Volt. Samen 18V Bij serieschakelingen moeten we de deelspanningen optellen
17
Serieschakelingen
draad 0,5 Ω U = 230 V
Masterblaster 1500 W draad 0,5 Ω
P = 1500 W U = 230 V Rdraad = 0,5 Ω
Toepassing: We sluiten onze PA (1500 Watt) aan via een verlengsnoer van 20 meter. De weerstand van elk draadje is 0,5 Ω.
Weerstand van kabels
De draaddoorsnede wordt opgegeven in mm2 (oppervlakte) of mm (diameter)
Installatiedraad heeft een doorsnede van 2,5 mm 2 (kleur) od 1,5 mm 2 (zwart) De weerstand van een kabel kunnen we aflezen uit deze grafiek
18
Serieschakelingen
I=6,5 A draad 0,5 Ω U = 230 V
Masterblaster 1500 W draad 0,5 Ω
P = 1500 W U = 230 V Rdraad = 0,5 Ω
P =U x I I = P / U = 1500 / 230 = 6,5 A De stroom I die door de kabel loopt is de stroom die een masterblaster opneemt uit het net. Normaal is die ongeveer 6,5 A . De masterblaster levert 1500 W, maar neemt in werkelijkheid meer op. Dit is slechts een rekenvoorbeeld.
Serieschakelingen
I=6,5 A draad 0,5 Ω U = 230 V
V
3,25V
Masterblaster 1500 W draad 0,5 Ω
V
3,25V
P = 1500 W U = 230 V Rdraad = 0,5 Ω
Udraad = I x Rdraad =6,5 x 0,5 = 3,25V De stroom heeft een spanning over de draad tot gevolg. Deze is 3 ,25V per draad
19
Serieschakelingen
I=6,5 A
U = 230 V
draad 0,5 Ω
223,5V
Masterblaster
V
draad 0,5 Ω
P = 1500 W U = 230 V Rdraad = 0,5 Ω
Umasterblaster = 230 - 3,25 - 3,25 = 223,5 V Over de masterblaster blijft een spanning over van 230 - 3,25 - 3,25 = 223,5 V. Niet zo spectaculair laag. Maar wat gebeurt er in de verlengkabel?
Serieschakelingen
I=6,5 A draad 0,5 Ω U = 230 V
V
3,25V
Masterblaster 1500 W draad 0,5 Ω
V
3,25V
P = 1500 W U = 230 V Rdraad = 0,5 Ω
Pdraad = U x I =3,25 x 6,5 = 21,125 Watt P kabelhaspel = 2 x 21,125 = 42,25 Watt In de kabel wordt in elke draad een vermogen opgewekt van ca. 21 Watt !! In totaal dus 42 Watt, het vermogen van een redelijke groeilamp.
20
Serieschakelingen
Bij grote vermogens kabels afrollen Pdraad = U x I =3,25 x 6,5 = 21,125 Watt P kabelhaspel = 2 x 24 = 42,25 Watt Gebruiken we deze haspel in opgerolde toestand dan kan hij niet afkoelen en zal knap warm worden. In een warme omgeving kan hij zelfs smelten en zo k ortsluiting maken.
Serieschakelingen
Impedantie (Z) is wisselstroomweerstand
Ri=150 Ω Ingang mackie 50 mV
Zi=1,5 k Ω
Een ander voorbeeld. Een ingang van de mengtafel heeft een impedantie van 1,5 k Ω De microfoon (shure SM 57) levert een signaal van 50 mV en heeft een inwendige weerstand van 150 Ω. Hoeveel spanning komt op de ingang terecht?
21
Serieschakelingen Oplossing: De vervangingsweerstand is: Rt = Ri + Rmackie = 150 + 1500 = 1650 Ω Er loopt een stroom van: I = U / Rt = 50x10 -3 / 1650 = 3,03 x 10-5 A Op de ingang staat een spanning van: U = I x Rmackie = 3.03 x 10-5 x 1500 = 0,0455 V = 45,5 mV
30µA Ri=150 Ω 45,5 mV 50 mV
Ingang mackie Zi=1,5 k Ω
Door de inwendige weerstand van de microfoon wordt de spanning verlaagd tot 45,5 mV . Een klein verschil. Met de gain regelaar kunnen we dit wel corrigeren.
Serieschakelingen
Slechte soldering
Ro=750 Ω overgangsweerstand
Ri=150 Ω Ingang mackie 50 mV
Zi=1,5 k Ω
Nu gebruiken we een kabel met een slecht contact. Door een slechte soldering is er een zogenaamde overgangsweerstand van 750 Ω. Hoe groot wordt nu de spanning op de ingang?
22
Serieschakelingen Oplossing: De vervangingsweerstand is: Rt = Ri + Ro + Rmackie = 150 + 750 + 1500 = 2400 Ω Er loopt een stroom van: I = U / Rt = 50x10 -3 / 2400 = 2,08 x 10-5 A Op de ingang staat een spanning van: U = I x Rmackie = 2.08 x 10-5 x 1500 = 0,03125 V = 31,25 mV
Ro=750 Ω overgangsweerstand
Ri=150 Ω 31,25 mV 50 mV
Ingang mackie Zi=1,5 k Ω
20,8 µA We zien dat de spanning op de ingang aanzienlijk daalt. Een lagere spanning is een kleiner signaal dat zachter klinkt. We kunnen nog wel iets met de gaininstelling doen, maar als de overgangsweerstand varieert zal het signaal steeds i n sterkte variëren.
Parallelschakelingen
I1
I2
R1
R2
Spanning U
Bij Parallelschakeling van weerstanden gaat de spanning naar bei de en splitst de stroom zich. Er is een voorbeeld gebruikt van 2 parallel geschak elde luidsprekers. Volg de draadjes en kijk of ze inderdaad parallel geschakeld zijn.
23
Parallelschakelingen
IT
I1 Spanning U R1
I2
R2 I1
I2
IT
De totale stroom splitst zich in twee (of meer) deelstromen. I T = I1 + I 2 Over beide weerstanden staat dezelfde spanning U = U1 = U2 De vervangingsweerstand berekenen we met: 1 / R v = 1/R 1 + 1/R 2 Bij gelijke weerstanden: R v = R / aantal weerstanden
Bij Parallelschakeling van weerstanden gelden de bovenstaande fo rmules en gegevens
Parallelschakelingen
IT
I1
I2
Spanning U=24V R1 = 8 Ω
R2 = 4 Ω
Voorbeeld: een versterker levert een spanning van 24V aan een luidsprekerbox met 2 parallelgeschakelde speakers van 8 en 4 Ω. Hoeveel stroom levert de versterker en welk vermogen komt uit elke luidspreker?
24
Parallelschakelingen Eerst de vervangingsweerstand:
IT
I1
1/Rv = 1/R1 + 1/R2 = 1/8 + 1/4 = 1/8 + 2/8 = 3/8
I2
Rv/1 = 8/3 = 2,67Ω
Spanning U=24V
dan de stromen: R1 = 8 Ω
R2 = 4 Ω
I T = U/Rv = 24/2,67 = 9A I1 = U/R1 = 24/8 = 3A I2 = U/R2 = 24/4 = 6A en de vermogens: P1 = U x I1 = 24 x 3 = 72W P2 = U x I2 = 24 x 6 = 144W
Voorbeeld: een versterker levert een spanning van 24V aan een luidsprekerbox met 2 parallelgeschakelde speakers van 8 en 4 Ω. Hoeveel stroom levert de versterker en welk vermogen komt uit elke luidspreker?
Schakelingen
IT
R3 = 8 Ω
Spanning U=24V I1
R1 = 8 Ω
I2
R2 = 8 Ω
Nog een probleempje: kunnen we van 3 luidsprekers een fatsoenlijke luidsprekerbox bouwen? Bijvoorbeeld door ze als hierboven te schakelen.
25
Schakelingen Eerst de vervangingsweerstand:
IT
R1 en R2 (parallel) samen zijn 4Ω R3 erbij: 4 + 8 = 12Ω I T = U / RT = 24 / 12 = 2A
R3 = 8 Ω
Spanning U=24V
U3 over R3 = IT x R3 = 2 x 8 = 16V I1
R1 = 8 Ω
I2
U1 = U2 = 24 - 16 = 8V I1 = U1/R1 = 8/8 = 1A I2 = U2/R2 = 8/8 = 1A
R2 = 8 Ω
P3 = U3 x I3 = 16 x 2 = 32W P2 = U2 x I2 = 8 x 1 = 8W P1 = U1 x I1 = 8 x 1 = 8W
Dat kan dus niet. Luidspreker R3 krijgt een vermogen van 32 Watt te verwerken en de andere luidsprekers elk slechts 8 Watt.
Schakelingen
? minimaal 2 Ω
R = 8Ω
R = 8Ω
R = 8Ω
R = 8Ω
R = 8Ω
R = 8Ω
Nog eentje: Hoeveel luidsprekers van 8 Ω kan ik maximaal aansluiten op een versterker die niet zwaarder mag worden belast dan 2 Ω?
26
Schakelingen
X X minimaal 2 Ω
R = 8Ω
R = 8Ω
R = 8Ω
R = 8Ω
R = 8Ω
R = 8Ω
De vervangingsweerstand bij gelijke weerstanden is: Rv = R/aantal Rv mag niet kleiner dan 2Ω aantal is dan maximaal 4 want 8/4=2
Vier luidsprekers is dan het maximale aantal. Sluiten we er meer aan dan wordt de totale weerstand te laag, de stroom te hoog en zal de versterker het niet meer kunnen trekken en mogelijk kapot gaan.
Vragen?
27
Bedankt!
28
