Lessenserie – Hoe werkt elektriciteit?

De stroomkring is de grondslag van de elektrotechniek. In deze serie lessen leer je hoe elektrische circuits werken. Zelf zullen we ook enkele circuits bouwen om te zien hoe het in het echt werkt.

Wat is electriciteit?

Wat is electriciteit nou eigenlijk? Het is lastig om aan iemand anders iets uit te leggen als je het niet echt kunt laten zien. Gelukkig kunnen we zelf meten aan electriciteit, om te ontdekken wat het is. Maar eerst geven we een korte uitleg.

Je kunt denken aan wind en een windmolen. Met een kleine windmolen kan je minder wind energie opvangen dan met een grotere. En allebei zullen ze harder draaien als het harder gaat waaien. En sommige windmolens zijn steviger gemaakt om ook bij heel harde wind nog te kunnen werken.

Electrische componenten zijn ook gemaakt om juist veel of weinig energie te kunnen verwerken. Sommige lampen zijn gemaakt om meer licht te geven, en die gebruiken dan ook meer stroom dan andere lampen. Sommige batterijen zijn gemaakt om een beetje energie te geven, of juist enorm veel – dat maakt dat je ze voor verschillende dingen kunt gebruiken.

Bedenk eens een toepassing waarbij een kleine batterij een goede keuze is? En waarvoor heb je juist een heel krachtige batterij nodig?

Energie vanuit een batterij in een apparaat

Je kunt een apparaat zo maken dat deze op een batterij werkt. Bij het ontwerp kies je een batterij die het beste past bij waarvoor je hem gebruikt. Bij een auto gebruiken we bijvoorbeeld een grote, zware accu van 12 Volt. Die weegt soms wel 20 kilo!

Een kleine fietslamp op batterijen heeft soms al genoeg aan één, twee of drie kleine AA batterijen van elk 1,5 Volt. Hoeveel je er dan nodig hebt, dat hangt af van hoe het electrische circuit van het apparaat is ontworpen en welke componenten er zijn gebruikt. Zo’n component is bijvoorbeeld een lampje of een LED om licht te geven.

Als het apparaat uit staat, dan loopt er geen stroom, en wordt er geen energie verbruikt. Als een apparaat aan staat, dan wordt energie van de batterij verbruikt. Een lamp gebruikt energie om licht te geven.

Lab 1 – Bouw een trilrobot

Bouw een trilrobot –> https://junioriot.nl/soldeeroefening/

Je bouwt eerst je trilrobot met een batterij en een trilmotor. Daarna voeg je ook een schakelaar toe om je apparaat aan- en uit te zetten.

Lab 2 – Wat zijn Volts en Ampères?

Meer of minder AA batterijen in een zaklamp – meer of minder Volt

Een super klein zaklampje is zo ontworpen dat er maar één AA batterij nodig is. En bij de meeste fietsverlichting met batterijen zijn er wel twee batterijen nodig.

Een AA batterij geeft ongeveer 1,5 Volt. Dat kan je meten, ook als de batterij niet in een apparaat zit. De platte ronde batterij die wij gebruiken geeft ongeveer 3 V.

Neem een multimeter, en zet deze op de stand voor DC Volt meten, tot 20 V. Meet hoeveel volt jouw batterij geeft. Zo kan je ook controleren of je batterij nog goed is.

Leg nu twee batterijen op elkaar, en meet hoeveel volt ze samen geven. Hoeveel meet je? Is dat ongeveer het dubbele van één batterij?

Grote en kleine lampen in een auto – meer of minder Ampére

De knipperlichten van een auto gebruiken misschien wel 5 Watt aan energie, terwijl de koplampen auto misschien wel 25 Watt elk gebruiken. Toch komt die energie van dezelfde auto accu met een spanning van 12 Volt.

Om meer licht te kunnen geven gebruiken deze 12 volt koplampen meer stroom. En de lampjes van het knipperlicht gebruiken minder stroom. Hoeveel stroom ze gebruiken, dat meten we in Ampére. Als een apparaat uit staat dan loopt er nul Ampére aan stroom. En een kleine lamp van een auto gebruikt soms ongeveer een halve Ampére, en een grote lamp misschien wel 2 Ampére. Sommige auto accu’s kunnen wel 100 of 200 Ampére tegelijk geven.

Ohja, bij een electrische auto zien we een accu die eigenlijk veel meer dan 122 Volt kan geven. Hoeveel dat is hoeven we niet te weten, omdat er dan voor de lampen en andere onderdelen wel wordt gewerkt met 12 Volt. Wat dan wel belangrijk is, is hoeveel energie de accu in totaal kan leveren – hoe meer energie, hoe verder de electrische auto kan rijden.

We gaan NIET meten hoeveel Ampére de batterij geeft. Waarom niet? Nou, als we dit direct op de batterij meten dan probeert de batterij zoveel mogelijk stroom te geven. Het is alsof je de batterij kortsluit, waardoor hij heel snel leeg gaat. Al de energie van de batterij wordt dan in een heel korte tijd gebruikt, wat gevaarlijk kan zijn. Dit geeft geen nuttige meting, en het is slecht voor de batterij en voor onze meter.

Lab 2 – Een stroomkring bouwen

Om een electrisch apparaat te laten werken bedenken we eerst een stroomkring. We noemen dit ook wel een schakeling of een circuit. Hoe je zelf een stroomkring mag ontwerpen lees je hier: https://junioriot.nl/circuit-ontwerp/

Bij dit lab ga je jouw eerste stroomkring bouwen we op een breadboard. Wat dit is kan je hier lezen: https://junioriot.nl/breadboard/

In dit lab maak je op het breadboard zelf een stroomkring. Je ontdekt dat je verbindingen legt van de batterij, door de schakelaar, door de LED en dan weer naar de batterij. Er moet een soort kring ontstaan voordat het kan werken.

Lab: Stroomkring op een breadboard  –> lab nog uit te schrijven, precies zoals de trilrobot

Je hebt nu een schakeling met één LED. Meet met de multimeter hoeveel Volt er over de LED staat.

We bouwen nu verder en voegen een extra LED toe, zodat elke LED de helft van de Volts van de batterij krijgt. Dit noemen we een Serie schakeling.

Lab 3 – Werken met weerstand

Je zag dat je met een serie schakeling de batterij spanning kunt verdelen over meerdere componenten. Soms is dat nodig omdat je een batterij gebruikt die meer Volt geeft dan waar je component tegen kan. Meestal wil je dit niet oplossen met extra LEDs, want dan komt er altijd extra licht. Gelukkig kunnen we dan een weerstand gebruiken.

Lab met twee weerstanden – zie officieel Arduino

Lab 4 – Componenten in serie en parallel

Nu heb je je onderdelen in serie gezet. Je hebt ontdekt hoe dit werkt met batterijen, LEDs en met weerstanden. Een andere manier van samenvoegen is ‘parallel’.

Eigenlijk hebben we het hier al over gehad. Weet je nog dat in de auto de koplampen en ook de andere verlichting op dezelfde accu zijn aangesloten? Dit is een parallel schakeling.

Lab. Twee LEDS met elk een eigen knop op een breadboard. Bouw een Parallel schakeling en bouw een serie schakeling.

Lab. RGB lichtorgel: https://junioriot.nl/rgb-lichtorgel/

Lab 5 – Complexe circuits met de Stroomwet van Kirhoff

Bij het parallel aansluiten van componenten zal de stroom zich verdelen. Je kunt ontdekken, of uitrekenen hoe deze verdeling is – en uitrekenen is meestal een stuk makkelijker. Wat je in de gaten moet houden is dat op elk knooppunt telt: hoeveel stroom er in komt is net zoveel als hoeveel stroom er uit gaat.

Lab. Eigen circuit solderen: https://junioriot.nl/circuit-op-printplaat/