Leerdoelen
In dit thema gaan jullie aan de slag met elektriciteit. Je leert wat een sensor is en hoe deze gebruikt worden om elektrische schakelingen te regelen. In dit thema maak je een theorietoets en werk je aan een praktijkopdracht in de vorm van een schemerschakeling. Dit is een lamp die automatisch aangaat in het donker!
Aan het einde van het thema:
- Kan je uitleggen wat een stroomkring is.
- Herken je serie en parallel schakelingen en kan je beschrijven hoe de spanning en stroom zich verdeelt.
- Kan je verschillende onderdelen in de meterkast herkennen, benoemen en verklaren (kWh-meter, aardlekschakelaar, zekering en aardrail).
- Ken je de functie en schematische weergave van verschillende elektrische componenten (transistor, weerstand, LDR, LED).
- Kan je met de juiste technische termen de werking van de schemerschakeling verklaren.
Theorie
De stroomkring, serie en parallel
Met een batterij kun je een fietslampje laten branden. Dat lukt alleen als de stroom van de batterij naar het lampje, door de gloeidraad van het lampje en weer terug naar de andere kant van de batterij kan stromen. Er is dan een gesloten stroomkring. Als je de stroomkring onderbreekt, gaat het lampje weer uit. Een stroomkring kan je bijvoorbeeld sluiten door een schakelaar in te drukken. Hierboven zie je een deurbel. Als je de deurbel indrukt sluit je de schakeling en stroomt de elektriciteit vanuit de batterij, via de lamp, door de schakelaar terug naar de batterij.
Schematische weergave.
Hierboven zie je de schematische weergave van de lamp en deurbel. De batterij zijn twee strepen, een lange (de plus kant) en een korte (de min kant). Stroom loopt van plus naar min. Je ziet ook de deurbel afgebeeld als een soort openstaande deur. De lamp is een cirkel met een kruis er in.
Een serie schakeling.
Hierboven zie je een schematische weergave van tweelampjes die zijn aangesloten op een batterij. Deze lampjes zijn in serie aangesloten. Dat betekent dat de stroom eerst door het ene lampje moet, voordat het door het andere lampje gaat. Als ik een van de twee lampjes zou losdraaien dan verbreek ik daar de stroomkring en gaat het andere lampje ook uit.
Een parallel schakeling.
Hierboven zie je een schematische weegave van twee lampjes die zijn aangesloten op een batterij. Deze lampjes zijn parallel aangesloten. Ze hebben eigenlijk allebei hun eigen stroomkring. Als het ene lampje kapot gaat (en daar de verbinding verbreekt) kan het andere lampje gewoon blijven branden.
Spanning en stroom
Om te oefenen met spanning en stroom ga je het spel 'Power' spelen. Hier zie je hoe stroom en spanning zich verdeelt in een serie en parallel schakeling. Klik op de afbeelding hierboven om het spel te starten.
Elektrische componenten
In de schakeling van de nachtlamp gebruik je 4 verschillende elektrische componenten. Hieronder wordt per onderdeel beschreven hoe het er uit ziet (links op de afbeelding), wat het schematische symbool is (rechts op de afbeelding) en hoe het onderdeel werkt.
De weerstand.
De weerstand doet precies wat je denkt. Het biedt weerstand tegen stroom en zorgt ervoor dat er niet al te veel stroom loopt. Dit gebruik je bijvoorbeeld bij het aansluiten van lampjes zodat ze niet kapot gaan. Op een weerstand zie je verschillende gekleurde ringen. Hierdoor kan je zien hoe goed de weerstand stroom kan tegenhouden. Hoe beter de weerstand dit doet, hoe minder stroom er loopt.
De LDR (light dependent resistor).
De LDR is ook een weerstand (resistor betekent weerstand in het Engels). Alleen houdt een LDR niet altijd evenveel stroom tegen, dit is afhankelijk van het licht. Als er veel licht op een LDR schijnt dan is de weestand heel laag (er gaat veel stroom doorheen). In het donker is de weerstand ontzettend hoog en kan er bijna geen stroom meer doorheen. Het symbool van de LDR is bijna hetzelfde als het symbool van de weerstand, alleen wordt er met pijlen aangegeven dat het reageert op licht.
De LED (light emitting diode).
De LED is een heel bekend elektrisch component en wordt veel gebruikt in het dagelijks leven. Veel verkeerslichten zijn bijvoorbeeld gemaakt met LED verlichting. LED verlichting gebruikt veel minder energie dan bijvoorbeeld een gloeilamp. Een LED kan je niet zomaar aansluiten, je moet goed kijken naar de plus en min kant. Het symbool geeft goed aan hoe de stroom er door heen loopt, je ziet dit aan de richting van de pijl. Als je een LED in je handen hebt zie je dat de een van de pootjes langer is dan de ander. Het lange pootje is de plus kant.
De transistor.
De transistor is waarschijnlijk een van de belangrijkste uitvindingen van de vorige eeuw geweest. Een mobiele telefoon zou zonder de transistor niet werken. Een transistor heeft 3 pootjes met elk een eigen naam en functie. De B is de basis, hier bepaal je hoeveel stroom er tussen de C (collector) en E (emittor) kan lopen. Eigenlijk zit er dus een soort van deur in de transistor. De deur kan je open zetten door stroom te laten lopen door de B. Op deze manier kan je met een hele klein stroom een hele grote stroom (tussen C en E) sturen.
De schemerschakeling
Hieronder zie je de 2 situaties van de schakeling. Eerst wanneer er veel licht is, en daarna in het donker. Onder elke situatie wordt uitgelegd hoe de stroom loopt.
Als het licht is.
Wanneer het licht is, heeft de LDR weinig weerstand. De stroom neemt de weg van de minste weerstand, dus door de LDR. De stuurstroom door de basis is er niet of te laag om de transistor open te zetten. Hierdoor is de stroomkring door de LED niet rond en loopt er geen stroom door en gaat de LED niet branden.
In het donker.
In het donker heeft de LDR een hoge weerstand. Dan 'spert' hij. De weg van de minste weerstand is nu: via de basis. Met als gevolg: de transistor schakelt naar ‘geleiden’ en de hoofdstroom gaat door de stroomkring met de LED. R2 beschermt de LED tegen doorbranden.
De meterkast
Je weet nu hoe elektriciteit werkt met stroom en spanning. Maar hoe zit dit eigenlijk in je eigen huis? In je huis heb je op verschillende plekken stopcontacten zitten. In de muren zitten koperen draden waar de stroom door heen loopt. In je meterkast komen deze draden bij elkaar en kan je zien hoeveel stroom je verbruikt. Hoe dit precies allemaal zit ga je leren door het spel 'Villa Elektra' te spelen. Dit spel bestaat uit twee delen. Het eerste deel gaat over de werking van de verschillende onderdelen in de meterkast, en het tweede deel over de bedrading in je huis.
De meterkast.
In elk huis zit een meterkast. Hier kan je zien hoeveel stroom je verbruikt en hier zitten zekeringen die je apparatuur beschermen. Om de meterkast beter te leren kennen ga je een spel spelen genaamd Villa Elektra (deel 1). In dit spel leer je de volgende onderdelen beter kennen:
- De kWh-meter
- De aardlekschakelaar
- De zekeringen
- De aardrail
Klik op de afbeelding hierboven om het spel te starten!
Bedrading in je huis.
Nu weet je hoe de meterkast er uitziet en wat de functie is van de onderdelen in de meterkast. In deel 2 ga je als elektricien aan de slag en ontdek je hoe de lampen zijn aangesloten op een schakelaar.
Test je kennis.
Het proefwerk
Je krijgt over de theorie van dit thema een proefwerk. In het proefwerk komen de volgende onderdelen terug:
-
Elekrische schakelingen.
-
Elektrische componenten
-
De meterkast:
-
Elektriciteit in huis:
Praktijk: Het nachtlampje
De opdracht
Je gaat je eigen nachtlampje maken. Een nachtlampje dat gaat branden wanneer het donker is! Hoe het lampje precies werkt kan je lezen op de pagina van de schakeling. Het lampje heeft natuulijk een mooie behuizing nodig.
Eisen:
- Het ontwerp bestaat uit een Amerikaanse en Isometrische projectie
- In het ontwerp zijn de maten correct genoteerd
- Het nachtlampje gaat branden wanneer de LDR geen licht ontvangt
- Het nachtlampje is mooi afgewerkt (schuren, solderen)
- Wanneer 2 leerlingen samenwerken, worden er ook 2 schakelingen gebruikt
De schakeling aansluiten en solderen
De nachtlamp werkt zoals je weet met een elektronische schakeling die je kan vinden op de opdracht-pagina. Deze ga je zelf maken en om dit te doen moet je gaan solderen. Het solderen van elektrische componenten gebeurt in de volgende stappen:
- Vastmaken van de elektrische componenten aan de soldeerpennen
- Controleren en schoonmaken van de soldeerbout
- Vertinnen van de soldeerbout
- Solderen van het elektrisch component
Hieronder wordt elke stap in detail uitgelegd
Vastmaken van de elektrische componenten aan de soldeerpinnen.
Om makkelijk en snel te solderen gebruiken we soldeerpinnen. Dit zijn kleine metalen pinnen die goed hechten aan het tin. De pinnen sla je met een hamer in het MDF. Hierboven zie je hoe een platbektang wordt gebruikt, zodat je niet op je vingers slaat. LET OP: zorg dat je de scherpe kan van de soldeerpin het hout in slaat.
Als alle soldeerpinnen in het hout zitten kan je elektrische componenten vastmaken. Op de afbeelding hierboven zie je hoe een weerstand vast is gemaakt aan 2 pinnen. Je kan simpelweg de pootjes van de componenten om de pinnen heen wikkelen.
Hieronder zie je de hele schakeling (zonder de LED) gefotografeerd van boven.
Controleren en schoonmaken van de soldeerbout
Voordat je gaat solderen controleer je of de soldeerbout schoon is. Dit is belangrijk, omdat de tin anders niet hecht. Kijk of de punt van de soldeerbout mooi glimt (zoals je hierboven ook ziet). Als dit niet het geval is dan pak je een klein stukje schuurpapier en schuur je de kop schoon.
Vertinnen van de soldeerbout
Zoals je hierboven ziet wordt er eerst een kleine laag tin op de soldeerbout gelegd. Hierdoor wordt het makkelijk om contact te maken met de soldeerpen en kan de warmte zich sneller verspreiden.
Solderen van het elektrisch component
Je raakt nu met de vertinde soldeerbout de soldeerpen aan. Door het dunne laagje tin is het contact goed en wordt de soldeerpen snel warm. Dan kan je de tin tegen de soldeerpen houden en zal je zien dat de tin er direct intrekt! Als dat gebeurt haal je meteen de soldeerbout weg! Nu kan de tin afkoelen en gaat het mooi glanzen.
Het nachtlampje, voorbeelden
Extra
Het nachtlampje wat jullie gaan maken bestaat uit een systeem. Dit systeem zorgt ervoor dat de lamp aangaat wanneer het donker wordt. In een systeem zitten altijd 4 belangrijke onderdelen, invoer, verwerking, uitvoer en controle.
Systeem 1 (de mens)
Voorbeeld:
Je wilt een telefoon oppakken van de tafel. Dan ziet het proces voor de mens er zo uit:
- Invoer (zintuigen): je ogen kijken naar de telefoon.
- Verwerking (hersenen): je weet nu waar de telefoon ligt en kan de armen de juiste kant opsturen.
- Uitvoer (spieren): je armen en handen komen in beweging en pakken de telefoon.
- Controle (hersenen): je controleert of je de telefoon vast hebt. Dit kan door opnieuw met je ogen te kijken, of met je handen te voelen.
Systeem 2 (een machine)
Voorbeeld: Een brandalarm gaat af omdat het te warm is.
- Invoer (sensor): een temperatuurmeter meet de temperatuur.
- Verwerking (processor): de processor vergelijkt de temperatuur en kijkt of het acceptabel is.
- Uitvoer (actuator): een luidspreker maakt een heel luid geluid.
- Controle processor): de processor kijkt of de luidspreker stroom krijgt en correct werkt.
In de twee voorbeelden hierboven staan 3 nieuwe termen: sensor, processor en actuator. Wat betekent dit?
Sensor.
In het menselijk systeem zijn onze zintuigen de sensoren. Een sensor kan informatie uit de wereld ontvangen. Een microfoon krijgt geluid. Een temperatuurmeter meet de temperatuur. In het nachtlampje waar jullie gaan maken gebruiken we een LDR. Dat betekent een Light Dependant Resistor. Dat is een sensor die reageert op licht.
Processor.
Een processor is net zoals de hersenen. Het slimme gedeelte van het systeem. In je telefoon zit een kleine chip die we letterlijk de processor noemen. Die doet al het nadenk werk van de telefoon. In nachtlampje zit ook een processor, de transistor! Deze transistor werkt wanneer het invoer ontvang van de sensor.
Actuator.
Een actuator voert iets uit. Een luidspreker maakt geluid. Een motor gaat draaien. En bij het nachtlampje wat jullie gaan maken gaat een lampje aan.
