HOGENT - Elektromechanica - Analoge elektronica

ELEKTRONICA 1 Analoge Elektronica DEEL 1

Professionele bachelor in de elektromechanica 1e jaar

Hogeschool Gent Faculteit Natuur & Techniek

Yves Steleman

Academiejaar 2019-2020

Inhoudsopgave

Hoofdstuk 1 Inleiding .............................................................................................................. 3 1.1 Wat is elektronica? ..................................................................................................... 3 1.2 Indeling elektronische componenten ........................................................................ 5 1.3 Oppervlaktemontage van componenten ................................................................... 7 1.4 Eigenhandig solderen van SMD-componenten.......................................................... 9 Hoofdstuk 2 Weerstanden .................................................................................................... 11 2.1 Vaste lineaire weerstanden...................................................................................... 11 2.1.1 Koolstofweerstanden ....................................................................................... 11 2.1.2 Metaalfilmweerstanden ................................................................................... 12 2.1.3 Vermogens van weerstanden .......................................................................... 13 2.1.4 Tolerantie op weerstanden .............................................................................. 14 2.1.5 Tolerantiereeksen of E-reeks ........................................................................... 14 2.1.6 Kleurcodering van weerstanden ...................................................................... 16 2.1.7 Weerstandswaarde en temperatuur ............................................................... 17 2.1.8 Potentiometers ................................................................................................ 18 2.2 Niet-lineaire weerstanden ....................................................................................... 20 2.2.1 NTC (Negative Temperature Coëfficiënt) ......................................................... 20 2.2.2 PTC weerstanden (Positive Temperature Coëfficiënt) ..................................... 22 2.2.3 LDR of Light Dependent weerstanden ............................................................. 28 2.2.4 VDR of Voltage Dependent weerstanden ........................................................ 29 2.2.5 MDR of Magnetic Dependent weerstanden .................................................... 31 2.2.6 MDR versus Hall-sensoren ............................................................................... 33 2.2.7 GMR of Giant Magneto Resistors ..................................................................... 34

1e jaar professionele bachelor in de elektromechanica

Theorie Analoge Elektronica

Hoofdstuk 1

Inleiding

1.1 Wat is elektronica?

Elektronica is een tak van de elektrotechniek, die zich bezighoudt met het gedrag van elektronen (in bepaalde specifieke materialen). In tegenstelling tot bijvoorbeeld in een kopergeleider, gaan elektronen zich anders gedragen in zogenaamde halfgeleidercomponenten. De belangrijkste halfgeleider is silicium. De elektronica heeft zich rond deze halfgeleiders ontwikkeld. Typische halfgeleidercomponenten zijn de transistor en de diode.

Transistoren en diodes zijn zogenaamde losse discrete componenten, die afzonderlijke basisonderdelen kunnen vormen van een elektronische schakeling. Er bestaan ook geïntegreerde schakelingen of zogenaamde IC’s (Integrated Circuits). Men spreekt ook wel van ‘chips’. De term 'chip' is afgeleid van de plak silicium die van een staaf van puur silicium (gefabriceerd uit zuiver zand, ofwel SiO2) van bijvoorbeeld 20 of 30 cm doorsnede afgezaagd wordt. Een geïntegreerde schakeling is een elektronische schakeling die niet zoals voorheen bestaat uit losse componenten op een Printed Circuit Board (PCB) of printplaat, maar waarin de schakeling en alle componenten geïntegreerd gefabriceerd zijn op een plakje silicium. Zo'n plakje wordt daarna in een keramische of plastic behuizing met metalen pootjes gelijmd (keramisch) of gegoten (plastic).

Deze cursus behandelt de basiscomponenten binnen de analoge elektronica. Bij analoge circuits kunnen de in- en uitgangssignalen een continu verloop hebben. Zo kan bijvoorbeeld een sinusvormig signaal ter versterking worden aangeboden aan een transistorschakeling, waarbij een versterkte kopie aan de uitgang verschijnt. Ook het audiosignaal dat luidsprekers aanstuurt en meestal verschillende frequentiecomponenten bevat, is een voorbeeld van een analoog signaal.

De digitale elektronica bestudeert dan weer geïntegreerde elektronische schakelingen (men spreekt over IC’s of Integrated Circuits) waarbij de in- en/of uitgangen geen continue verlopen kennen, maar discrete waardes. Zo kan een uitgang van een digitaal circuit ‘hoog’ of ‘laag’ staan, zeg maar ‘aan’ of ‘uit’. Deze twee toestanden komen dan elk met een bepaalde spanning overeen. Digitale elektronica wordt behandeld in het gelijknamige deelopleidingsonderdeel.

Onthoud wel dit : digitale elektronische bouwstenen, zoals logische poorten, zijn eigenlijk ook opgebouwd uit dezelfde discrete (analoge) basiscomponenten zoals diodes, transistoren en weerstanden, dewelke in deze cursus aan bod komen. Geen digitale elektronica zonder de basiscomponenten uit de analoge elektronica…

Een IC kan dus zowel ‘analoog’ als ‘digitaal’ zijn. Bij een ‘digitaal’ IC zal je digitale waardes aan de ingangen aanbieden en digitale waardes aan de uitgangen krijgen. Bij analoge IC’s, bijvoorbeeld versterkerschakelingen, zal je een bepaald (continu) signaal aan in- en uitgangen aantreffen. Tenslotte bestaan er natuurlijk ook IC’s die de conversie van analoge signalen naar digitale signalen en omgekeerd verzorgen.

Mordern IC, gefabriceerd als SMD-component (Surface Mounted Device) Hogeschool Gent

Faculteit Natuur en Techniek

Y. Steleman

Academiejaar 2019-2020

3

1e jaar professionele bachelor in de elektromechanica

Theorie Analoge Elektronica

In deze cursus bespreken we vooreerst (kort) weerstanden. We zullen zien dat er naast de vertrouwde lineaire weerstand (die je al kent uit de cursus elektriciteit) ook niet-lineaire weerstanden bestaan, waarvan de weerstandswaarde varieert onder invloed van een externe grootheid. Dat kan de temperatuur zijn maar ook de lichtintensiteit. Bij het ontwerp van elektronische schakelingen komen die vaak van pas.

Ook herhalen we even de eigenschappen en basisformules van condensatoren en spoelen. Deze componenten ken je ook al uit de cursus elektriciteit. Uiteraard komen ze ook voor in elektronische ontwerpen. Een RC-filter vormt ĂŠĂŠn van de toepassingen die we zullen uitwerken.

Hierna komt de halfgeleidertheorie aan bod. We bespreken de werking van de diode (halfgeleidercomponent) en de verschillende uitvoeringsvormen. Zo zullen we zeker de spanning stabiliserende werking van een zenerdiode bekijken. Ook gelijkrichterschakelingen a.d.h.v. diodes vormen een onderdeel van deze cursus.

Diode We hebben het ook over transistoren (ook een halfgeleidercomponent). We zullen o.a. het gebruik van transistoren bekijken bij versterkingsschakelingen en het gebruik van de transistor als schakelaar.

We bespreken zowel de bipolaire junctietransistor als de veldeffecttransistor (FET of Field Effect Transistor)

(Bipolaire) transistor Tenslotte zijn er nog de Operational Amplifiers, of kortweg OPAMPS. Dit zijn versterkerschakelingen die als geĂŻntegreerde schakeling vervat zitten in een IC. We zullen de basisschakelingen bekijken ( opamp als comparator, opamp als inverterende versterker, opamp als niet-inverterende versterker).

Binnen het opleidingsonderdeel elektronica II wordt hier dieper op ingegaan.

Hogeschool Gent

Faculteit Natuur en Techniek

Y. Steleman

Academiejaar 2019-2020

4

1e jaar professionele bachelor in de elektromechanica

Theorie Analoge Elektronica

1.2 Indeling elektronische componenten Elektronische componenten kunnen we indelen in • passieve componenten o Weerstanden (R) o Spoelen (L) o Condensatoren (C) o Diode o …

• actieve componenten o Transistoren o Thyristoren o IC’s (Integrated Circuits) vb. opamps (operationele versterker) vb. logische poorten (zie cursus digitale elektronica) ... o …

Actieve componenten dienen te worden gevoed om te kunnen functioneren. Ze worden o.a. gebruikt voor het versterken van signalen.

Voorbeeld analoog IC – actieve component Als voorbeeld zie je hieronder een afbeelding van een analoog IC, namelijk de 741. De 741 bevat een ‘opamp’, wat staat voor ‘operational amplifier’. Het IC heeft twee ingangen (pin 2 en 3) en een uitgang (pin 6). Aan deze uitgang komt het versterkt signaal tevoorschijn. Uiteraard is dit enkel mogelijk als de schakeling ook gevoed wordt. Dit gebeurt via pin 4 en pin 7. Het is duidelijk dat deze IC tot actieve componenten behoort.

Om je een idee te geven waarom er in feite sprake is van een IC of geïntegreerde schakeling, staat verder ook de werkelijke schakeling van het IC afgebeeld, het zg. schematic diagram. (Deze details vind je trouwens terug op de ‘datasheet’ van een IC.) Je merkt dat de schakeling in feite ook kan worden opgebouwd uit afzonderlijke discrete componenten, nl. condensatoren, weerstanden en transistoren. Toch is de hele schakeling in dit geval opgebouwd op één plakje silicium en ‘verpakt’ tot een IC.

Hogeschool Gent

Faculteit Natuur en Techniek

Y. Steleman

Academiejaar 2019-2020

5

1e jaar professionele bachelor in de elektromechanica

Theorie Analoge Elektronica

Opamps komen pas aan bod in het laatste deel van deze cursus. Dit is logisch, aangezien in het ‘schematic diagram’ van een opamp-schakeling transistoren voorkomen, dewelke we pas op in het midden van deze cursus zullen behandelen…

In het 2e jaar (Elektronica II) wordt de leerstof rond opamps verder uitgediept.

Voorbeeld digitaal IC – toch opgebouwd uit “analoge” basiscomponenten Hieronder zie je het ‘schematic diagram’ van een (digitale) AND-poort. Je merkt dat deze poort (vervat in een digitaal IC, nl. de 74LS08) in feite is opgebouwd uit discrete analoge basiscomponenten.

Binnen de digitale elektronica wordt de inwendige opbouw van digitale schakelingen meestal buiten beschouwing gelaten en is het enkel van belang de relatie te kennen tussen digitale ingangswaarden en de uitgangswaarden. In onderstaand schema zijn A en B de ingangsspanningen, en is Y de uitgangsspanning.

Schematic diagram digitale AND poort

74LS08 (digitaal IC met 4 x 2-input AND)

Logic diagram AND poort

Hogeschool Gent

Faculteit Natuur en Techniek

Y. Steleman

Academiejaar 2019-2020

6

1e jaar professionele bachelor in de elektromechanica

Theorie Analoge Elektronica

1.3 Oppervlaktemontage van componenten Surface-mounted device, afgekort SMD, betekent letterlijk oppervlak-gemonteerd onderdeel.

Deze componenten worden met behulp van soldeerpasta rechtstreeks op de printplaat aangebracht, tegen het oppervlak dus. Een doorboring van de printplaat (oudere methode, waarbij klassieke componenten met aansluitdraden door de printplaat werden gestopt en gesoldeerd werden) is hier dus niet meer aan de orde.

Klassieke component versus SMD component (bron: www.assembleon.com) Tijdens het montageproces van SMD componenten wordt er op de juiste plaatsen soldeerpasta op de printplaat aangebracht. Dit gebeurt door een zogenaamde “solder paste printer”.

“Solder paste printer” Daarna worden de SMD componentjes geplaatst. Deze worden meestal aangeleverd via ‘tapes’ die op grote rollen zitten. Elke rol kan gemakkelijk 5000 componenten bevatten (bijvoorbeeld weerstandjes of kleine condensatoren).

Smd componenten die via tapes op rol worden aangeleverd

Hogeschool Gent

Faculteit Natuur en Techniek

Y. Steleman

Academiejaar 2019-2020

7

1e jaar professionele bachelor in de elektromechanica

Theorie Analoge Elektronica

Smd componenten die via tapes op rol worden aangeleverd Nadat de componentjes zijn geplaatst, gaan de printplaten in een soort oven, zodat de soldeerpasta uithardt.

Oppervlaktemontage biedt enkele belangrijke voordelen t.o.v. de klassieke soldeertechnieken: • De schakelingen worden aanzienlijk kleiner (slechts 20% à 30% nodig van de oppervlakte die nodig is bij het gebruik van gewone componenten, niet alleen omdat SMD componenten kleiner zijn, maar omdat ze ook een grotere integratiedichtheid toelaten).

• Minder kans op fouten, dus hogere kwaliteit van de schakelingen. Bij de machines die standaardcomponenten monteren door de geplooide draadjes in de voorgeboorde gaatjes (through-hole) te steken, treden er ongeveer 1000 à 2000 fouten op per miljoen componenten (geplooide of afgebroken draadjes). Bij SMD zou dit amper 10 à 20 fouten per miljoen componenten bedragen.

• Minder straling bij HF toepassingen door afwezigheid van lange stroombaantjes en aansluitdraden aan de componenten.

• Snellere montage (geen gaatjes boren, geen draadjes plooien) die grotendeels geautomatiseerd kan verlopen (pick and place robots).

Surface Mounted Devices zijn componenten die speciaal zijn ontwikkeld voor oppervlaktemontage. Ze hebben géén aansluitdraden (leadless). De geïntegreerde schakelingen hebben echter wel aansluitpennen. Door de afwezigheid van aansluitdraden zijn SMD componenten beter bestand tegen schokken en trillingen.

SMD weerstandjes

Hogeschool Gent

Faculteit Natuur en Techniek

Y. Steleman

Academiejaar 2019-2020

8

1e jaar professionele bachelor in de elektromechanica

Theorie Analoge Elektronica

Print met SMD componenten Het geheel van technologieën en apparatuur om SMD-componentjes te plaatsen, wordt aangeduid met de term SMT (Surface Mounted Technology). Een bedrijf dat SMT toestellen ontwerpt en produceert is Kulicke & Soffa. - https://www.kns.com/Products/Equipment/Electronics-Assembly (oorspronkelijk Assembleon, wat dan weer onderdeel was van Philips Electronics Nederland). Philips was eind de jaren ’70 trouwens de pionier inzake SMD componenten. Pas nadat er industriestandaarden kwamen, werd de techniek alom toegepast.

1.4 Eigenhandig solderen van SMD-componenten Mogelijk zal je (bijvoorbeeld tijdens de vakoverschrijdende projectwerking) een kleine elektronische schakeling willen opbouwen. Je kan ervoor kiezen te werken met klassieke componentjes, maar het eigenhandig solderen van SMD-componenten is ook mogelijk. Uiteraard zijn SMD-componenten veel kleiner, maar met wat oefening valt het mee.

Plaatsing van SMD component met vast soldeermiddel en soldeerbout

SMD-weerstandjes zijn er in verschillende formaten, bijvoorbeeld formaat 1206. Dit getal geeft de afmetingen van de component aan in 1/100 inch. Maat 1206 komt overeen met 0,126 inch*0,063 inch.

Dit komt overeen met 3,2mm*1,6mm.

De grootte van de weerstand bepaalt, zoals we verder nog zullen verduidelijken, de maximale vermogendissipatie (lees: warmte-ontwikkeling) in de weerstand. Weerstandjes van dit formaat hebben een maximale vermogendissipatie van 250mW. Wat je alvast nodig hebt…

• een goed pincet, om de componentjes te verplaatsen en nauwkeurig op de juiste plaats te krijgen.

• Een soldeerbout met regelbare temperatuur.

Hogeschool Gent

Faculteit Natuur en Techniek

Y. Steleman

Academiejaar 2019-2020

9

1e jaar professionele bachelor in de elektromechanica

Theorie Analoge Elektronica

•

Eventueel een ‘vacuüm picker pen’, waarmee je de componentjes gemakkelijk kan vastzuigen en optillen.

•

Soldeermiddel Let op: vanaf 1/7/2006 is lood verboden door een EU-richtlijn (=wet). Met dient dus een loodvrij middel te gebruiken. RoHS staat voor ‘Restriction of Hazardous Substances’.

Je kan gebruik maken van soldeermiddel in vaste vorm of van vloeibare soldeerpasta. De soldeerpasta wordt geleverd in een soort spuit die je eenvoudig kan aanbrengen. Als je gebruik maakt van soldeerpasta, dient deze achteraf nog verhit te worden. Je kan dan best eerst alle SMD componenten in de soldeerpasta zetten. Na visuele inspectie gaat de printplaat dan in een oventje.

•

Eventueel extra fluxmiddel Flux zorgt voor extra vloei van het soldeermiddel over het metaaloppervlak. Het verwijdert immers de oxidatielaag op het contactoppervlak, waardoor de aanhechting sterk verbetert.

•

Eventueel oventje, als je werkt met soldeerpasta.

Meer uitleg en tips kan je bekomen tijdens de labosessies en bij de technisch adviseur elektronica binnen de projectwerking.

Het is in ieder geval interessant om enkel voorbeeldfimpjes te bekijken op Youtube.

Methode met soldeermiddel en soldeerbout HowTo SMD Soldering https://www.youtube.com/watch?v=z7Tu8NXu5UA Methode met soldeerpasta en oven Surface Mount Soldering Tips and Tricks https://www.youtube.com/watch?v=f0KZbhvKqS0

Hogeschool Gent

Faculteit Natuur en Techniek

Y. Steleman

Academiejaar 2019-2020

10

1e jaar professionele bachelor in de elektromechanica

Theorie Analoge Elektronica

Hoofdstuk 2

Weerstanden

2.1 Vaste lineaire weerstanden Er is een lineair verband vast te stellen tussen spanning en stroom doorheen een lineaire component! Dit lineair verband wordt niet veranderd of teniet gedaan door een externe factor (zoals bijvoorbeeld de temperatuur).

De spanning over de weerstand is recht evenredig met de stroom.

De verhouding tussen spanning (Engels: Voltage) en stroom (Engels: Current) is steeds constant, namelijk R)

De twee meest voorkomende soorten lineaire weerstanden zijn • koolstofweerstanden (CR – Carbonfilm Resistor) • metaalfilmweerstanden (MR – Metalfilm Resistor)

2.1.1

Koolstofweerstanden

Ter herkenning: een koolstofweerstand heeft vaak (maar niet altijd) een beige kleur.

Als basismateriaal gebruikt men een keramisch (niet geleidend) staafje, waar een dunne homogene koolstoflaag is opgedampt.

De lengte en de diameter van het weerstandslichaam, dus de afmetingen, worden in belangrijke mate bepaald door het gewenste maximaal toelaatbare vermogen.

Weerstanden van 10 en 10M hebben dus dezelfde afmetingen als hun maximaal toelaatbaar vermogen gelijk is. Dit betekent dat de weerstandswaarde wordt bepaald door :

1. de dikte van de cilinderwand van het weerstandsmateriaal.

2. de specifieke weerstand van het weerstandsmateriaal.

3. de lengte van de cilinder van het weerstandsmateriaal.

Hogeschool Gent

Faculteit Natuur en Techniek

Y. Steleman

Academiejaar 2019-2020

11

1e jaar professionele bachelor in de elektromechanica

Theorie Analoge Elektronica

Deze lengte wordt speciaal vernoemd omdat ze kunstmatig kan worden vergroot door een spiraalvormige groef te slijpen in het weerstandsmateriaal. Naarmate de spoed van de spiraal kleiner wordt, neemt het aantal gangen toe waardoor de weerstandswaarde stijgt.

De aansluitdraden worden meestal met een aansluitdop over de uiteinden van het weerstandslichaam geklemd. Vervolgens worden de koolweerstanden bedekt met een laag beige of lichtgroene lak (bescherming tegen elektrische en klimatologische invloeden). Tenslotte wordt de kleurencode aangebracht. Koolweerstanden zijn (iets) minder stabiel en vertonen meer ruis dan metaalfilmweerstanden.

2.1.2

Metaalfilmweerstanden

Ter herkenning: een metaalfilmweerstand heeft vaak (maar niet altijd) een blauwgroene kleur!

Een metaalfilmweerstand wordt gevormd door op een isolerende keramische drager een dunne laag metaal op te dampen. Als metaal gebruikt men goud, platina, palladium en chroom. Om op een kleine oppervlakte een grote weerstandswaarde te verkrijgen wordt vaak met een zig-zag patroon gewerkt.

Bron: www.registerguide.com Metaalfilmweerstanden hebben uitstekende eigenschappen en zijn zeer stabiel, reden waarom deze technologie word toegepast voor het vervaardigen van nauwkeurige weerstanden met toleranties van 2 %, 1 % en 0,5 % in de gestandaardiseerde reeksen E-48, E-96 en E-192. (zie verder).

Vanwege hun extreem lage eigen ruis worden deze weerstanden aanbevolen voor toepassingen in audio-schakelingen. Bij een koolfilmweerstand is dit ongewenste ruis-effect opmerkelijk sterker dan bij een metaalfilmweerstand.

Hogeschool Gent

Faculteit Natuur en Techniek

Y. Steleman

Academiejaar 2019-2020

12

1e jaar professionele bachelor in de elektromechanica

Theorie Analoge Elektronica

Toelichting Wat bedoelt men met “ruis” / “ruisspanning”?

Thermische ruis is ruis die ontstaat doordat de warmtebeweging van de ladingdragers de stroomsterkte tijdelijk van haar gemiddelde waarde doet afwijken.

De elektronen kunnen zich immers ordeloos door elkaar bewegen en op een bepaald tijdstip kunnen er meer elektronen aan de ene kant van de weerstand zitten, dan aan de andere kant. Hierdoor is er een (klein) potentiaalverschil en is er, zonder een externe bron aan te sluiten, een ruisbron/ruisgenerator gemaakt.

Deze thermische ruis in weerstanden kan in audio-schakelingen hoorbaar zijn als zogenaamde witte ruis. Het is het geluid dat bijv. hoorbaar is als een FM-radio geen signaal ontvangt. Het is een geluid waarbij voor alle frequenties de gemiddelde amplitude gelijk is, (maar wegens de aard van ons gehoor klinken daarbij de hoogste frequenties luider).

2.1.3

Vermogens van weerstanden

De meest voorkomende vermogens van weerstanden zijn (ev. 0.1W, ) 0.125W, 0.25W, 0.5W, 1W, 2W ( ev. 3W) Voor grotere vermogens dan 3W, gebruiken we meestal draadgewonden weerstanden.

De afmetingen van de weerstanden verschillen naargelang hun maximale vermogendissipatie.

Let op, een verschil in afmetingen duidt dus niet op een verschil in weerstandswaarde! (Bijv. een weerstand van 100Ω en 100kΩ die beiden een max. vermogendissipatie van ¼ Watt hebben, zijn even groot) Vermogendissipatie = vermogenontwikkeling = warmteontwikkeling = Joule-effect in de weerstand

Hogeschool Gent

Faculteit Natuur en Techniek

Y. Steleman

Academiejaar 2019-2020

13

1e jaar professionele bachelor in de elektromechanica

Theorie Analoge Elektronica

2.1.4

Tolerantie op weerstanden

Weerstanden worden steeds gefabriceerd met een bepaalde precisie of tolerantie. Door het fabricageproces zal er een afwijking zijn tussen de nominale waarde en de werkelijke waarde van de weerstand.

• De nominale waarde is de waarde die op de weerstand (d.m.v. gekleurde ringen) vermeld staat en die de weerstand zou horen te hebben.

• De werkelijke waarde wijkt echter af. Dit is geen fout, maar een gevolg van het fabricageproces.

• Uiteraard zijn er grenzen aan de mate van afwijking. De grootst toelaatbare afwijking wordt aangeduid in %, en noemen we de tolerantie van een weerstand.

2.1.5

Tolerantiereeksen of E-reeks

Voor weerstanden die gefabriceerd worden met een tolerantie van 20%, heeft het geen zin om bijvoorbeeld zowel een weerstand van 7000 Ohm als van 8000 Ohm te maken aangezien 7000 + 20% en 8000 -20% elkaar ruimschoots overlappen. Om aan dit bezwaar tegemoet te komen zijn de E-reeksen of tolerantiereeksen opgesteld.

Weerstanden worden uitgevoerd in verschillende tolerantiereeksen (nauwkeurigheidsklassen), aangegeven met de codes: E3

E6

E12

E24

E48

E96

E192

In feite komt een E-reeks overeen met een logaritmische verdeling met een gegeven aantal punten per decade.

De coëfficiënt waarmee moet worden vermenigvuldigd binnen een reeks : 3

10 , voor de E3-reeks, 6 10 , voor de E-6 reeks,…

Hogeschool Gent

Faculteit Natuur en Techniek

Y. Steleman

Academiejaar 2019-2020

14

1e jaar professionele bachelor in de elektromechanica

Theorie Analoge Elektronica

Er zijn dus zeven verschillende decadereeksen voor de waarde van weerstanden in de handel.

Respectievelijk de E-3, E-6, E-12, E-24, E-48, E-96 en E-192 reeks.

Hogeschool Gent

E3 (40%)

E6 (20%)

E12 (10%)

E24 (5%)

E48 (2%)

E96 (1%)

E192 (0,5%)

10

10

10

10

100

100 316

100 176 312 556

22

15

12

11

105

102 324

101 178 316 562

47

22

15

12

110

105 332

102 180 320 569

33

18

13

115

107 340

104 182 324 576

47

22

14

121

110 348

105 184 328 583

68

27

15

127

113 357

106 187 332 590

33

16

133

115 365

107 189 336 597

39

18

140

118 374

108 191 340 604

47

20

147

121 383

109 193 344 612

56

22

154

124 392

110 196 348 619

68

24

162

127 402

111 198 352 626

82

27

169

130 412

113 200 357 634

30

178

133 422

114 203 361 642

33

187

137 432

115 205 365 649

36

196

140 453

117 208 370 657

39

205

143 464

118 210 374 665

43

215

147 475

120 213 379 673

47

226

150 487

121 215 383 681

51

237

154 499

123 218 388 690

56

249

158 511

124 221 392 698

62

261

162 523

126 223 397 706

68

274

165 536

127 226 402 715

75

287

169 549

129 229 407 723

82

301

174 562

130 232 412 732

91

316

178 576

132 234 417 741

332

182 590

133 237 422 750

348

187 604

135 240 427 759

365

191 619

137 243 432 768

383

196 634

138 246 437 777

402

200 649

140 249 442 787

422

205 665

142 252 448 796

442

210 681

143 255 453 806

464

215 698

145 258 459 816

487

221 715

147 261 464 825

511

226 732

149 264 470 835

536

232 750

150 267 475 845

562

237 768

152 271 481 856

590

243 787

154 274 487 866

619

249 806

156 277 493 876

649

255 825

158 280 499 887

681

261 845

160 284 505 898

715

267 866

162 287 511 909

750

274 887

164 291 517 920

787

280 909

165 294 523 931

825

287 931

167 298 530 942

866

294 953

169 301 536 953

909

301 976

172 305 542 965

953

309

174 309 549 976

Faculteit Natuur en Techniek

Y. Steleman

Academiejaar 2019-2020

15

1e jaar professionele bachelor in de elektromechanica

Theorie Analoge Elektronica

2.1.6

Kleurcodering van weerstanden

De nominale waarde van weerstanden en hun tolerantie worden aangeduid door gekleurde ringen die een bepaalde codering in zich dragen.

De waarde van weerstanden wordt gecodeerd door middel van vier of vijf kleurringen.

• Bij weerstanden van de E12 (10 %) en E24 (5 %) reeksen wordt gebruik gemaakt van vier ringen • Bij weerstanden van de E48 (2 %), E96 (1 %) en E192 (0,5 %) reeksen wordt gebruik gemaakt van vijf ringen De ring, die de tolerantie aangeeft (%), is steeds iets breder dan de andere ringen. Op deze manier kan men de volgorde van de ringen bepalen.

1

1

KLEUR Zwart Bruin Rood Oranje Geel Groen Blauw Violet Grijs Wit Goud Zilver Geen

RING 1 cijfer 1 2 3 4 5 6 7 8 9 -

Hogeschool Gent

RING 2 cijfer 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 -

(RING 3) cijfer 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 -

2

X

2

%

3 X

%

tc

RING 4 OF 3 vermenigvuldiger x1 x 10 x 100 x 1.000 x 10.000 x 100.000 x 1.000.000 x 0,1 x 0,01 -

Faculteit Natuur en Techniek

Y. Steleman

Tolerantie 1% 2% 3% 0,5 % 5% 10 % 20 %

Eventueel Temp. Coëff.

Academiejaar 2019-2020

16

1e jaar professionele bachelor in de elektromechanica

Theorie Analoge Elektronica

Kijk ook eens op volgende website: http://www.dannyg.com/examples/res2/resistor.htm Je vindt er een Javascript applicatie die je toelaat de kleurcodering op een weerstand visueel in te stellen en te berekenen.

Via deze Youtube-link vind je ook een filmpje over het gebruik van de kleurcodering… https://www.youtube.com/watch?v=SjlnW5g9np4&list=PL-nS93a4Kf3ZaXVLHvuzYQyT8A43WvL32

Tot slot dit hulpmiddeltje: Zij Bracht Rozen Op Gerrits Graf Bij Vies Grijs Zwart Bruin Rood Oranje Geel Groen Blauw Violet Grijs 0 1 2 3 4 5 6 7 8

2.1.7

Weer (Geheugensteuntje!)

Wit 9

Weerstandswaarde en temperatuur

De weerstandswaarde van de meeste materialen verandert als de temperatuur verandert. De verhouding van de verandering in weerstandswaarde t.o.v. de temperatuursverandering, wordt weergegeven door de zg. temperatuurscoëfficiënt α.

De eenheid van α is 1/°C of 1/°K. De temperatuurscoëfficiënt is positief als een temperatuursverhoging een weerstandsverhoging tot gevolg heeft.

De temperatuurscoëfficiënt is negatief als een temperatuursverhoging een weerstandsdaling tot gevolg heeft.

De meeste metalen hebben een positieve TC. De temperatuurscoëfficiënt van koper is bijvoorbeeld positief en bedraagt 0,0039 1/°K. Merk op dat deze TC zeer klein is (en daarom vaak verwaarloosbaar).

Wanneer de temperatuur van materialen met een positieve TC het absolute nulpunt (-273°C of 0°K) bereikt, wordt hun weerstand quasi 0 ohm. Dit fenomeen noemen we supergeleiding.

De meeste isolatoren, halfgeleiders en elektrolyten hebben een negatieve TC. Wanneer hun temperatuur het absolute nulpunt (-273°C of 0°K) bereikt, wordt hun weerstand quasi oneindig.

(Bij elektrolyten: denk aan een autobatterij. De inwendige weerstand wordt beduidend groter bij koude.)

Toch bestaan er materialen met een grotere TC, die specifiek gebruikt worden bij het vervaardigen van niet-lineaire vaste weerstanden. Deze speciale weerstanden (NTC’s en PTC’s, of in het algemeen aangeduid als ‘thermistor’ kunnen o.a. dienst doen als temperatuursensor. Ze worden verder in deze cursus besproken.

Hogeschool Gent

Faculteit Natuur en Techniek

Y. Steleman

Academiejaar 2019-2020

17

1e jaar professionele bachelor in de elektromechanica

Theorie Analoge Elektronica

2.1.8

Potentiometers

De weerstanden die je tot nu toe gebruikt hebt bij de oefeningen elektriciteit waren meestal vast en lineair. Ze hebben dus een vaste weerstandswaarde. Deze weerstandswaarde is gelijk aan de verhouding van de spanning op de stroom. Deze verhouding ken je natuurlijk als de ‘wet van Ohm’. Er geldt: U/I = R = constante. Als de spanning verdubbelt, zal de stroom dus ook verdubbelen. 1/R is hier de richtingscoëfficiënt van een rechte. Het U/I-diagram laat hier trouwens geen twijfel over bestaan.

(U op de x-as, I op de y-as).

Men kan ook stellen dat, als men een sinusoïdale stroom doorheen een lineaire weerstand laat lopen, het spanningsverloop over deze weerstand ook sinusoïdaal zal zijn.

Naast vaste lineaire weerstanden, bestaan er ook mechanisch instelbare of regelbare lineaire weerstanden. Deze weerstanden noemt met potentiometers. Eens bijgeregeld of ingesteld, gedragen ze zich als een vaste lineaire weerstand.

De volgende afbeelding illustreert de werking van een continu regelbare potentiometer. In feite zorgt een loper (draaibaar contact) ervoor dat de cirkelvormige koolstofbaan (=weerstandsmateriaal) in twee wordt verdeeld. Op die manier wordt de weerstandwaarde RAB (en natuurlijk ook RBC) ingesteld.

Je kan het systeem dus bekijken als een spanningsdeler.

Hogeschool Gent

Faculteit Natuur en Techniek

Y. Steleman

Academiejaar 2019-2020

18

1e jaar professionele bachelor in de elektromechanica

Theorie Analoge Elektronica

Een voorbeeld van een toepassing is de volumeknop van de hifi-versterker. Deze koolstofpotentiometers kunnen na verloop van tijd vervuild raken, waardoor de loper soms slechts contact maakt met de koolstofbaan. Reinigen met contactspray is slechts een tijdelijke oplossing.

Vervanging van de potentiometer is uiteindelijk de enige oplossing.

Anderzijds bestaan er ook potentiometers die men instelt met behulp van een schroevendraaier. Deze potentiometers worden trimpotentiometers genoemd. Ze dienen om iets af te stellen, waarna bijregeling in principe niet frequent meer dient te gebeuren.

Trimpotentiometer Een mogelijke uitvoeringsvorm van deze trimpotentiometers kan draadgewonden zijn. De volgende afbeelding toont deze uitvoeringsvorm. Het weerstandsmateriaal is hier geen vlakke koolstofbaan, doch een draad, gewikkeld rondom een keramische drager. Ook hier is sprake van een zg. loper die bovenaan contact maakt met de draad. Ook hier ziet men duidelijk dat de loper in feite de totale draadweerstand in twee verdeelt.

Draadgewonden regelbare weerstand

Andere uitvoeringsvorm van een trimpotentiometer

Hogeschool Gent

Faculteit Natuur en Techniek

Y. Steleman

Academiejaar 2019-2020

19

1e jaar professionele bachelor in de elektromechanica

Theorie Analoge Elektronica

2.2 Niet-lineaire weerstanden Bij deze groep weerstanden is de weerstandswaarde geen constante meer. Ze varieert, afhankelijk van een uitwendige factor, zoals de temperatuur, lichtinval,…

• • • • •

PTC (Positive Temperature Coëfficiënt) NTC (Negative Temperature Coëfficiënt) VDR (Voltage Dependent Resistor) MDR (Magnetic Dependent Resistor LDR (Light Dependent Resistor)

2.2.1

NTC (Negative Temperature Coëfficiënt)

De “Negative Temperature Coëfficiënt” weerstand, ook “thermistor” genoemd, is een weerstand, waarvan de waarde varieert met de temperatuur.

De temperatuurscoëfficiënt van een NTC is negatief, wat inhoudt dat de weerstandwaarde zal dalen, als de temperatuur stijgt.

Onderstaande grafiek illustreert dit.

Binnen bepaalde temperatuurgrenzen mag men de karakteristiek geïdealiseerd als lineair beschouwen.

Een NTC weerstand kan worden gebruikt in twee zogenaamde gebruiksmodes: • •

ambient heated mode self heating mode.

In de zogenaamde “ambient heated mode” is het de bedoeling dat de NTC weerstandswaarde afhangt van de omgevingstemperatuur. Dit veronderstelt dat de vermogendissipatie (lees:

Hogeschool Gent

Faculteit Natuur en Techniek

Y. Steleman

Academiejaar 2019-2020

20

1e jaar professionele bachelor in de elektromechanica

Theorie Analoge Elektronica

warmteontwikkeling) van de NTC weerstand zelf verwaarloosbaar is en de omgevingstemperatuur niet beïnvloedt. In deze mode wordt een NTC-weerstand bijvoorbeeld gebruikt voor temperatuursmeting van lucht, een vloeistof op een oppervlak.

Een NTC in “ambient heated mode” kan dienst doen als temperatuursensor.

Bovenstaande eenvoudige sensor vind je terug in heel wat huishoudtoestellen zoals koelkasten en diepvriezers, thermostaten, buitenvoelers verbonden aan je centrale verwarming,…Ook de temperatuur van bijvoorbeeld de koelvloeistof van wagens wordt door dergelijke sensoren gemeten en doorgegeven.

De inwendige opbouw van deze sensor is vrij eenvoudig. Eén van beide weerstanden R1 of R2 in onderstaande schakeling zal de temperatuursafhankelijke NTC zijn. In feite betreft het hier een spanningsdeler. De middelste draad zal de sensorspanning afgeven.

Denk eens na over volgende vragen.

1) Stel dat je een afgekoppelde temperatuursensor in handen hebt. Hoe zou je bepalen welke van de twee weerstanden de temparatuursafhankelijke weerstand is?

2) Ben je wel zeker dat het om een NTC weerstand gaat?

3) Hoe zou je bepalen wat de spanningsfluctuatie is tussen de gele sensorspanningsdraad en de zwarte massadraad, bij een temperatuursschommeling tussen Tmin en Tmax?

Een NTC weerstand kan ook in “self heated mode” worden gebruikt. In deze mode hangt de temperatuur van de NTC bijna volledig af van zijn eigen dissipatie en dus niet van de omgevingstemperatuur. De weerstandswaarde van de NTC zal ook hier afnemen als zijn temperatuur stijgt, waardoor de stroom zal stijgen. Let wel op, dit veroorzaakt eigenlijk een sneeuwbaleffect, wat we kunnen aanduiden als zogenaamde ‘Thermal Runaway’. Zonder extra beveiligingen zal dit leiden tot vernietiging van de component!

Een NTC in zogenaamde “self heated mode” kan bijvoorbeeld dienst doen als “soft start” schakeling van een motor.

De NTC weerstand wordt in serie geplaatst met een belasting, bijv. een motor. Wanneer de motor uit staat, vloeit uiteraard geen stroom. Wanneer spanning wordt aangelegd, zal er weinig stroom vloeien, aangezien de NTC koud is en dus een hoge weerstand heeft. De NTC zal echter stilaan opwarmen door

Hogeschool Gent

Faculteit Natuur en Techniek

Y. Steleman

Academiejaar 2019-2020

21

1e jaar professionele bachelor in de elektromechanica

Theorie Analoge Elektronica

de eigen vermogendissipatie, waardoor zijn weerstandswaarde zal zakken. De belasting, bijv. de motor, krijgt op die manier stelselmatig steeds meer stroom ter beschikking. Uiteindelijk zal een stabiele toestand worden bereikt, waarbij de NTC in thermisch evenwicht komt met de omgeving en waarbij zijn weerstandswaarde niet meer zal veranderen.

Een NTC in zogenaamde “self heated mode” kan bijvoorbeeld dienst doen bij detectie van het uitvallen van een ventilator Men plaatst de NTC in de luchtstroom van een koelende ventilator. Door de NTC in “self heating mode” te gebruiken, zal hij een veel hogere temperatuur hebben dan de omgevingstemperatuur, bijv. 100°C. Als nu de ventilator zou uitvallen, dan gaat de temperatuur van de NTC plots nog sterker oplopen, waardoor zijn weerstandswaarde plots gaat dalen. Deze dalende weerstandswaarde kan dan bijv. een alarmsignaal in werking zetten.

Een NTC in “self heated mode” gebruikt voor detectie van een stijgend of dalend waterniveau Een NTC in self heating mode zal van temperatuur veranderen als hij in een andere omgeving terechtkomt met een andere thermische conductie. Zo kan een NTC in self heating mode worden gebruikt om bijv. het waterniveau te gaan detecteren. Als het waterniveau de NTC bereikt, zal dat de NTC plots sterk gaan koelen, waardoor de weerstandswaarde even plots stijgt. Dit kan ook weer leiden tot bijv. een alarmsignaal.

2.2.2

PTC weerstanden (Positive Temperature Coëfficiënt)

In principe kan men alle metalen geleiders beschouwen als PTC weerstanden. Immers, hun weerstand zal toenemen als de temperatuur stijgt. Alleen is het zo dat hun (positieve) temperatuurscoëfficiënt zeer klein is in vergelijking met daarvoor speciaal ontworpen PTC weerstanden. Met andere woorden, een metalen geleider zal niet spectaculair in weerstandswaarde gaan toenemen bij stijgende temperatuur, terwijl deze eigenschap bij een PTC net wel is benadrukt.

PTC thermistor

Hogeschool Gent

Faculteit Natuur en Techniek

Y. Steleman

Academiejaar 2019-2020

22

1e jaar professionele bachelor in de elektromechanica

Theorie Analoge Elektronica

PTC weerstanden zijn echter (iets) moeilijker te maken en dus (iets) duurder dan NTC weerstanden. Ze zullen daarom enkel gebruikt worden als het niet mogelijk is NTC weerstanden te gebruiken voor dezelfde toepassing. De grafiek hieronder laat duidelijk zien dat de weerstandswaarde stijgt, wanneer de temperatuur toeneemt.

De getekende curve heeft de volgende karakteristieke punten (ter informatie): • • • • • • •

RMIN : Minimum weerstand. Laagst mogelijke weerstand van de PTC. Op dit punt verandert de coëfficiënt van negatief naar positief.

RN : Nominale weerstandswaarde. Deze is per definitie vastgelegd als 2 x RMIN RMAX: Maximum weerstand. Boven deze waarde zal de temperatuurcoëfficiënt sterk afnemen. αR: De temperatuurscoëfficiënt op het werkingspunt. Deze bepaalt de raaklijn aan de curve in het betreffende werkingspunt. In het Engels spreekt men van de “slope” TMIN: Start temperatuur (bij RMIN) TN: Nominale temperatuur bij RN. De PTC weerstand zal normaal gezien operationeel zijn boven deze temperatuur TMAX: Maximum temperatuur bij RMAX. De PTC weerstand zal normaal gezien operationeel zijn onder deze temperatuur.

In datasheets is vaak enkel het “bruikbare” gedeelte van de curve gegeven, nl. het gedeelte tussen RN en RMAX. Merk ook op dat de raaklijn aan de curve in het nominale werkingspunt heel steil is. Dit houdt in dat de weerstandswaarde heel sterk zal veranderen bij geringe temperatuursveranderingen. Een PTC wordt dan ook gebruikt wanneer uiterst gevoelige temperatuurmetingen nodig zijn.

Kijk ook eens naar de spanning/stroom karakteristiek van een PTC. Je kan opmerken dat, ten gevolge van de stijgende vermogendissipatie en dus opwarming van de PTC, op een gegeven moment de stroom weer gaat afnemen. Immers, de weerstandswaarde van de PTC zal toenemen en zelfs bij stijgende spanning zal er steeds minder stroom worden doorgelaten. Je merkt ook dat de dissipatiehyperbool van 100mW nooit wordt overschreden en er hier geen gevaar is voor ‘Thermal Runaway’ en zelfvernietiging!

Hogeschool Gent

Faculteit Natuur en Techniek

Y. Steleman

Academiejaar 2019-2020

23

1e jaar professionele bachelor in de elektromechanica

Theorie Analoge Elektronica

De karakteristiek hieronder geldt bij een bepaalde omgevingstemperatuur, bijv. 25°C. Je merkt dat de weerstandswaarde tot een bepaalde spanning vrij constant is. Vanaf een bepaalde spanning zal de weerstandswaarde echter gevoelig beginnen stijgen.

In Self Heated Mode geven we hier één voorbeeldje, waarbij de PTC een circuit kan beschermen tegen te hoge spanningen.

Let op: om de werking van de schakeling te snappen, dien je het begrip ‘belastingslijn’ te vatten.

Waarschijnlijk heb je het principe om de belastingslijn te tekenen en het instelpunt te bepalen nog niet eerder gezien.

Dit wordt tijdens de theorieles verduidelijkt en stap voor stap uitgelegd. Hier zijn eigen notities dus belangrijk.

Merk op dat we hier te maken hebben met een belastingslijn en het normale werkingspunt A is. In het geval de spanning sterk stijgt (stippellijn), verschuift de belastingslijn en wordt het werkingspunt B. In het geval van een kortsluiting zal de stroom I heel groot worden en wordt het werkingspunt B’. De belastingslijn zal quasi verticaal komen te staan. In beide gevallen zal de PTC de stroom beperken.

Vanwege een zekere thermische “traagheid” treedt deze beveiliging echter niet onmiddellijk in werking.

Hogeschool Gent

Faculteit Natuur en Techniek

Y. Steleman

Academiejaar 2019-2020

24

1e jaar professionele bachelor in de elektromechanica

Theorie Analoge Elektronica

Verder ving je hieronder een nog een praktijkvoorbeeld. De advertentie heeft het over een “zelfherstellende zekering”. Het ‘resetten’ van de PTC, zoals beschreven bij de eigenschappen van het schakelpaneel, is natuurlijk niets anders dan de stroom voldoende lang onderbreken, zodat de PTCweerstandswaarde weer zal dalen. Is de kortsluiting echter nog niet hersteld, dan zal na het inschakelen opnieuw overstroom optreden, dewelke door de verhoogde weerstandswaarde van de PTC echter wordt “afgeknepen”.

Hogeschool Gent

Faculteit Natuur en Techniek

Y. Steleman

Academiejaar 2019-2020

25

1e jaar professionele bachelor in de elektromechanica

Theorie Analoge Elektronica

Hogeschool Gent

Faculteit Natuur en Techniek

Y. Steleman

Academiejaar 2019-2020

26

1e jaar professionele bachelor in de elektromechanica

Theorie Analoge Elektronica

Hogeschool Gent

Faculteit Natuur en Techniek

Y. Steleman

Academiejaar 2019-2020

27

1e jaar professionele bachelor in de elektromechanica

Theorie Analoge Elektronica

2.2.3

LDR of Light Dependent weerstanden

De weerstandswaarde van LDR weerstanden is afhankelijk van de lichtintensiteit.

De weerstandwaarde vermindert immers als de lichtintensiteit toeneemt, zoals de grafiek ook toont.

Het gebruikte materiaal is meestal cadmiumsulfide, de donkerweerstand bedraagt 1-10 MΩ terwijl de lichtweerstand (afhankelijk van het type en de hoeveelheid licht) 75-300 Ω bedraagt. LDR's reageren tamelijk traag. Met name het opbouwen van de donkerweerstand heeft een halfwaardetijd in de grootte-orde van enige honderden milliseconden. Vroeger werden LDR's wel eens toegepast als lichtmeter in camera's, maar de traagheid kon hier wel eens tot foutieve belichting leiden.

Tegenwoordig zijn LDR’s bijna volledig verdrongen door fotodiodes. Deze laatsten zijn goedkoper, reageren sneller, en zijn bovendien ook gevoeliger.

Een leuke maar ook nuttige toepassing blijft het klassieke “nachtlampje”. Laten we eens kijken naar onderstaande schakeling.

De schakeling wordt uitgelegd tijdens de les.

Er zijn nog twee componenten te plaatsen. Een LDR weerstand en een potentiometer. Op welke plaats komt de LDR te staan en waarom?

Hogeschool Gent

Faculteit Natuur en Techniek

Y. Steleman

Academiejaar 2019-2020

28

1e jaar professionele bachelor in de elektromechanica

Theorie Analoge Elektronica

Andere toepassingen zijn : • Fotocellen aan winkeldeuren • Automatisch inschakelen van verlichting als het donker wordt (tuin, auto) • Lichtsterkte meters • Automatische contrastregeling bij bijv. televisies of autoradio’s • Gele waarschuwingslichten bij wegenwerken

2.2.4

VDR of Voltage Dependent weerstanden

VDR weerstanden worden ook wel varistors genoemd. De weerstandswaarde van een VDR weerstand neemt af als de spanning toeneemt. Moderne VDR weerstanden hebben een U/I-karakteristiek die lijkt op die van zenerdiodes (zie verder), alleen is het zo dat de karakteristiek bij VDR-weerstanden meestal symmetrisch is. Anders gezegd, als we de weerstand omdraaien, blijven zijn eigenschappen gelijk (wat natuurlijk niet zo is bij een zenerdiode).

VDR weerstanden worden vaak gebruikt om elektronische circuits te beschermen tegen hoge piekspanningen, bijv. door blikseminslag. Ze komen veel voor in telecommunicatiesystemen om inkomende lijnen te beschermen.

Hieronder zie je de karakteristiek.

Hogeschool Gent

Faculteit Natuur en Techniek

Y. Steleman

Academiejaar 2019-2020

29

1e jaar professionele bachelor in de elektromechanica

Theorie Analoge Elektronica

De karakteristiek volgt de functie I = K x Uα, waarbij K een constante is eigen aan een bepaalde VDR, en α een exponent die, afhankelijk van het soort VDR, schommelt rond de 30.

Zoals onderstaand schema toont, wordt een VDR parallel geschakeld aan het apparaat dat tegen spanningspieken moet worden beveiligd. Bij een blikseminslag zal de drastisch verhoogde spanning zorgen voor een drastisch verlaagde weerstandswaarde van de VDR. Daardoor wordt de faselijn en de massalijn als het ware kortgesloten voor het te beschermen apparaat, waardoor de stroomstoot niet binnen het te beschermen apparaat loopt. Uiteraard is het wel noodzakelijk dat de stroomstoot kort en binnen de perken wordt gehouden. Daartoe dient de zekering (fuse). Anders zou de VDR mogelijk vernield worden, kabels doorbranden,…

Een ingebouwde beveiliging tegen overspanning gebeurt bij heel wat toestellen (bijvoorbeeld bij computervoedingen) door het plaatsen van twee varistors, ééntje tussen de fasedraad en aarding, en eentje tussen de massadraad en de aarding. (De meeste goedkope beveiligingsapparaten tegen overspanning, zijn trouwens ook niet meer dan dat.)

Hogeschool Gent

Faculteit Natuur en Techniek

Y. Steleman

Academiejaar 2019-2020

30

1e jaar professionele bachelor in de elektromechanica

Theorie Analoge Elektronica

De varistor zal optreden als kortsluiting wanneer de spanning hoger wordt dan 470V. Wetende dat de maximale spanning bij 240V AC gelijk is aan 339V (maximale spanning = effectieve waarde vermenigvuldigd met 2 ), zal de varistor hier zijn werk doen bij een overspanning van 40%.

Een andere toepassing van VDR weerstanden is het opvangen van piekspanningen die kunnen ontstaan bij spoelen. Wordt de stroom in een spoel plots onderbroken, dan ontstaan grote piekspanningen die de windingen van de spoel of de contacten kunnen beschadigen.

Immers: e = − L 

di dt

Is de zelfinductiecoëfficiënt van de spoel hoog en gebeurt de stroomonderbreking snel (wat meestal het geval is), dan kunnen hoge spanningen ontstaan over de spoel. Door echter parallel over de spoel een VDR te plaatsen, wordt deze inductiespanning als het ware kortgesloten door de kleine weerstand van de VDR. Door de symmetrie van VDR’s kunnen deze worden gebruikt bij spoelen die met wisselspanning gevoed worden. Bij gelijkspanning kan een halfgeleiderdiode volstaan voor zover de anode van de diode aan de –pool ligt en de kathode aan de +pool (zie verder in de cursus).

2.2.5

MDR of Magnetic Dependent weerstanden

De werking van een MDR-weerstand is gebaseerd op het zogenaamde Hall-effect. Laten we dus eerst even kijken hoe een Hall element werkt.

Een Hall element heeft 4 polen. Tussen 2 polen vloeit een aangelegde stroom, die in de figuur is aangeduid als “Hall current”. (conventionele stroomzin van + naar -, maar zoals je weet stromen de elektronen van – naar +).

Deze elektronenstroom wordt echter blootgesteld aan een extern aangelegd magnetisch veld, dat loodrecht staat op de aangelegde stroom. De zogenaamde Lorentz-krachten doen deze elektronen in dit geval inderdaad afbuigen. Deze Lorentz-kracht werkt loodrecht in op het aangelegd magnetisch veld en eveneens loodrecht op de aangelegde stroom. De tekening illustreert dit. Door de afbuiging van deze elektronen, ontstaat er een potentiaalverschil tussen de twee overige polen van het Hall element. Deze spanning noemen we de “Hall spanning”.

Hogeschool Gent

Faculteit Natuur en Techniek

Y. Steleman

Academiejaar 2019-2020

31

1e jaar professionele bachelor in de elektromechanica

Theorie Analoge Elektronica

We kunnen het hele effect in formule gieten: UH = (RH x I x B)/d RH = Hallconstante I = gelijkstroom door de geleider B = fluxdichtheid d = dikte van het Hall element Hall elementen zijn dus ideaal om magnetische veldsterktes te gaan opmeten. Zo kunnen ze bijvoorbeeld de positie van het magnetisch veld gaan opmeten in elektrische motoren.

Een MDR-weerstand maakt eveneens gebruik van het Hall-effect, maar heeft in tegenstelling tot een Hall-element geen 4 maar slechts 2 polen. De tekening hieronder illustreert dit.

Wanneer een MDR-weerstand wordt blootgesteld aan een magnetisch veld, wordt de te volgen weg van de elektronen eigenlijk verlengd door afbuiging. Deze verlenging betekent eveneens een verhoging van de weerstand.

Wanneer magnetische veldsterktes dienen gemeten te worden, kunnen MDR-weerstanden worden ingeschakeld.

Hogeschool Gent

Faculteit Natuur en Techniek

Y. Steleman

Academiejaar 2019-2020

32

1e jaar professionele bachelor in de elektromechanica

Theorie Analoge Elektronica

Als voorbeeld kunnen we bepaalde magnetische druktoetsen op toetsenborden van bijv. alarminstallaties of controlepanelen aanhalen. Drukt men het permanent magneetje dicht tegen de MDR, dan wordt zijn weerstand verhoogd.

2.2.6

MDR versus Hall-sensoren

Zoals eerder reeds beschreven, heeft een Hall-sensor 4 polen, terwijl een MDR er slechts 2 heeft.

Doorheen een Hall-sensor loopt net zoals bij een MDR een elektrische stroom, die in een (veranderend) magnetisch veld wordt geplaatst. Hierdoor wordt in een Hall-sensor een zogenaamde Hall-spanning opgewekt, dewelke via twee extra polen kan worden gemeten (deze twee extra polen ontbreken dus bij een MDR weerstand). Bij een MDR wordt de opwekking van deze Hall-spanning niet gemeten, maar gaat het om de weerstandsverandering in het materiaal tgv. het magnetisch veld. Echter, zowel bij Hall-sensoren als bij MDR-weerstanden, doen zich dezelfde effecten voor, nl. afbuiging van elektronen tgv. de zogenaamde Lorentzkrachten.

Enkele voorbeelden van Hall-sensoren vind je hieronder.

Vaak wordt een Hall-sensor ingezet voor toerentalmeting. Door middel van verschillende magneetjes op een cilinder of door middel van een ringmagneet wordt een magnetisch veld gewijzigd. De sensor bevindt zich in het veranderende magnetische veld. De sensor zal dus een variĂŤrende uitgangsspanning genereren (Hallspanning)

In hotels kom je wel eens magnetische kaarten tegen om de deur van de hotelkamer te openen.

Wanneer de kaart wordt ingebracht, zal een bepaald magnetisch patroon worden ingelezen door de sensor. Dit digitaal signaal wordt verwerkt en geĂŻnterpreteerd door een kleine microprocessor, die al dan niet een relais bekrachtigt, zodat de deur wordt geopend. Wat is trouwens het belang van de diode over de spoel?

Hogeschool Gent

Faculteit Natuur en Techniek

Y. Steleman

Academiejaar 2019-2020

33

1e jaar professionele bachelor in de elektromechanica

Theorie Analoge Elektronica

2.2.7

GMR of Giant Magneto Resistors

De werking van de in vorige paragraaf beschreven (oudere) MDR-weerstanden (Magnetic Dependant Resistor) berust op het Hall-effect. Door afbuiging van de elektronen ten gevolge van een extern aangelegd magnetisch veld, loodrecht op de aangelegde stroom, wordt de te volgen weg van de elektronen eigenlijk verlengd. Deze verlenging zorgt voor een verhoging van de weerstand.

Sinds enkele jaren bestaan er ook GMR-weerstanden (GMR staat voor “Giant Magneto Resistor”). De precieze werking van GMR-weerstanden is te gecompliceerd om hier in detail te verklaren (er doet zich immers een kwantummechanisch effect voor en we zouden teveel afglijden naar fysica…), maar je kan onthouden dat de weerstandswaarde hier afneemt in aanwezigheid van een magnetisch veld, en dat een GMR-weerstand veel gevoeliger is dan een gewone MDR. De technologie is een alternatief voor Hall-sensoren en heeft een aantal voordelen: GMR-sensoren zijn (t.o.v. traditionele Hall-sensoren) …

• veel gevoeliger • zijn dan weer minder gevoelig voor temperatuursveranderingen • hebben een lager stroomverbruik O.a. de firma NVE (www.nve.com) ontwikkelt nieuwe elektronica-componenten gebaseerd op de GMR technologie. Op hun website vind je een zeer actueel overzicht.

Op de volgende bladzijden, vind je wat achtergrondinformatie. Omdat het om echte sensortoepassingen gaat, zullen er in deze cursus niet dieper op in gaan. Sensoren komen zeker nog aan bod binnen je opleiding.

Hogeschool Gent

Faculteit Natuur en Techniek

Y. Steleman

Academiejaar 2019-2020

34

1e jaar professionele bachelor in de elektromechanica

Theorie Analoge Elektronica

Hogeschool Gent

Faculteit Natuur en Techniek

Y. Steleman

Academiejaar 2019-2020

35

1e jaar professionele bachelor in de elektromechanica

Theorie Analoge Elektronica

Hogeschool Gent

Faculteit Natuur en Techniek

Y. Steleman

Academiejaar 2019-2020

36

1e jaar professionele bachelor in de elektromechanica

Theorie Analoge Elektronica

Hogeschool Gent

Faculteit Natuur en Techniek

Y. Steleman

Academiejaar 2019-2020

37

1e jaar professionele bachelor in de elektromechanica

Theorie Analoge Elektronica

Toelichting Magneetveld navigeert katheter (gebruik van MDR) Bron: http://www.delftintegraal.tudelft.nl/ Katheters zijn holle, vrij stevige plastic buisjes die onontbeerlijk zijn voor lokale ingrepen in het hart, de hersenen, een arm, een been of een long. Maar hoe weet de arts dat de katheter op de juiste plek zit? Nu nog gebeurt dat door röntgenfotografie. Om de katheter in real-time te navigeren, maakt de arts zo’n tien tot twintig röntgenfoto’s per seconde. Weliswaar is de stralingsdosis laag, maar het blijft onwenselijk, niet alleen voor de patiënt maar ook voor het medisch personeel dat dagelijks met deze straling heeft te maken. Onderzoekers van de Delftse faculteit Informatietechnologie en Systemen ontwikkelen een magnetisch navigatiesysteem voor medische instrumenten zoals katheters en voerdraden. Een magneetsensor aan het uiteinde van het medische instrument meet een extern magneetveld en geeft precies de plek van het uiteinde van het instrument aan. Daarnaast ontwikkelen ze sensoren die meerdere bloedeigenschappen tegelijk kunnen meten. Nu nog kunnen artsen maar één eigenschap per keer meten, en moeten ze voor elke andere meting een nieuw katheter inbrengen. Verkleining van sensoren moet daar een eind aan maken…. ….

Een extern magneetveld genereren bleek eenvoudiger dan het opwekken van een magneetveld op de dunne katheter en vervolgens het veld extern meten.

Tanase bouwde een prototype waarin drie spoelen een extern magneetveld opwekken. Door elke spoel loopt een constante elektrische stroom van zes ampère. Maar dat gebeurt wel op een gepulste manier: afwisselend schakelt de stroom aan en uit. Dat levert drie gepulste magneetvelden op. De sensor meet voor elke spoel de componenten van het magneetveld in alle drie de ruimtelijke richtingen. De metingen worden vervolgens verwerkt door een speciaal rekenalgoritme dat snel de positie van de kathetertip ten opzichte van de externe bron van het magneetveld berekent. Op een beeldscherm kan de arts vervolgens meteen zien waar het katheteruiteinde zich bevindt.

‘Deze methode maakt het overbodig om tien tot twintig maal per seconde een röntgenfoto te maken, zoals nu gebeurt’, zegt de promovenda. ‘Wel blijft het noodzakelijk om één röntgenfoto te nemen als referentiebeeld.

… …Magnetoweerstanden (MDR) Centraal in het magnetische navigatiesysteem staat de sensor die het magneetveld meet.

‘We hebben twee typen magneetvelddetectoren gebruikt: Hallplaatjes en magnetoweerstanden’, vertelt Tanase. ‘In een Hallplaatje loopt een elektrische stroom die afbuigt onder invloed van een magneetveld, resulterend in een elektrische spanning. Hoe sterker het magneetveld, hoe groter de

Hogeschool Gent

Faculteit Natuur en Techniek

Y. Steleman

Academiejaar 2019-2020

38

1e jaar professionele bachelor in de elektromechanica

Theorie Analoge Elektronica

spanning. Dat is niet de nauwkeurigste magneetvelddetectie, maar het is een relatief goedkope, makkelijk te verkrijgen IC-technologie. Magnetoweerstanden, waarbij de weerstand afhangt van het magneetveld, zijn al een stuk nauwkeuriger, maar ook een stuk duurder. Die halen een nauwkeurigheid van een tot twee millimeter. In mijn uiteindelijke testmetingen heb ik magnetoweerstanden gebruikt.’

De onnauwkeurigheid in de positie hangt af van de afstand tussen bron en sensor. Hoe verder van de magneetbron, hoe kleiner het veld, en hoe groter de onnauwkeurigheid. Het kleinste gemeten magneetveld is ongeveer tweemaal zo sterk als het aardmagnetisch veld. Het aardmagnetisch veld en magneetvelden afkomstig van omringende apparatuur worden via een referentiemeting – zonder aangelegd veld – gemeten. Die waarde wordt afgetrokken van het gemeten magneetveld in aanwezigheid van het aangelegde veld. Verhoging van het externe magneetveld zou de onnauwkeurigheid kunnen terugdringen. Een groter magneetveld is praktisch echter niet haalbaar, vanwege grote stromen, de warmteontwikkeling en de vertraging van de metingen doordat de spoelen langzamer reageren… …

•

Hogeschool Gent

Faculteit Natuur en Techniek

Y. Steleman

Academiejaar 2019-2020

39