Toepassingen op de wet van Ohm

De basisconcepten van serieschakelingen en de wet van Ohm kunnen gebruikt worden voor analyse van een serieschakeling.

Wat is belangrijk?

• Je kan de stroom bepalen door een serieschakeling.
• Je kan de spanning over elke weerstand in een serieschakeling bepalen.

Vooraleer je start met de analyse van een serieschakeling is het belangrijk om volgende zaken te weten:

• De stroom door eender welk van de serieweerstanden is gelijk aan de totale stroom door de schakeling
• Volgens de wet van Ohm geldt:
• Als je de spanningsval over een weerstand kent, dan is :
• Als je de totale stroom kent, dan is de spanningsval over een weerstand :
• De polariteit van een spanningsval over een weerstand is het positiefst aan het uiteinde van de weerstand die het dichts bij de positieve klem is van de spanningsbron (voeding)
• De stroom door een weerstand vloeit van de aansluitdraad van de weerstand die het negatiefst is naar de aansluitdraad van de weerstand die het positiefst is.
• Een opening in een serieschakeling (vb. open schakelaar) voorkomt dat er stroom door de schakeling vloeit. Dit houdt in dat over elke serieweerstand geen spanning staat en dat de volledige bronspanning over de opening (open schakelaar) staat.

Voorbeeld 4-7

Bereken de stroom doorheen de serieschakeling van figuur 4-15

Figuur 4-15

Oplossing:

De stroom wordt bepaald door de bronspanning en de totale serieweerstand R_T.

Voorbeeld 4-9

1. Bereken de spanningsvallen over de weerstanden en de aangelegde spanning U van de serieschakeling in figuur 4-17.
2. Tot hoeveel volt moet de spanningsbron worden verlaagd opdat er een stroom van 20 mA zou vloeien door de serieschakeling van figuur 4-17?

Figuur 4-17

Oplossing:

1. De stroom is gekend en bedraagt 40 mA (zie fig. 4-17). Via de wet van Ohm kan dan de spanning over de drie weerstanden bepaald worden:

Voorbeeld 4-8

De stroom doorheen de serieschakeling van figuur 4-16 bedraagt 10 mA. Hoe groot is de aangelegde spanning aan de schakeling opdat deze stroom zou vloeien?

Figuur 4-16

Oplossing:

De aangelegde bronspanning kan worden bepaald via de stroom en de totale serieweerstand R_T.

Via de wet van Ohm kan de bronspanning U worden bepaald :

Via de wet van Ohm kan de stroom worden bepaald:

De aangelegde spanning U kan gevonden worden door eerst de totale serieweerstand van de schakeling te bepalen en daarna deze te vermenigvuldigen met de stroom door deze schakeling.

Merk op dat de aangelegde spanning U ook kan gevonden worden door de spanningsvallen over de weerstanden op te tellen.

b) Indien er een stroom van 20 mA zou vloeien door de schakeling kan de aangelegde spanning als volgt bepaald worden :

Voorschakelweerstand

Indicatielicht wordt gebruikt om een bepaalde toestand van een machine, relais of schakeling weer te geven. Bijvoorbeeld als je de geluidsversterker van een audio-installatie aanschakelt, begint een indicatie-LED te branden om weer te geven dat de versterker aan staat. Een LED is een elektronische halfgeleidercomponent (diode) die licht uitzend als er een elektrische stroom in doorlaat doorheen stroomt. Het halfgeleidermateriaal wordt ingebouwd in een kleine doorzichtige behuizing van een paar millimeter groot dat tevens als lens wordt gebruikt. LED staat voor licht emitterende diode of licht uitstralende diode. Gloeilampindicatorlampen zijn eveneens beschikbaar voor spanningen van 240 V, 120 V, 480 V en 600 V.

LED’s zijn een goede keuze voor het aangeven van een bepaalde conditie zoals het opzetten van de labovoeding. Over een typische LED staat 1,7 V. Deze spanning is wel afhankelijk van het gebruikte materiaal waarmee de LED is opgebouwd. Meer hierover in het OLOD electronic devices. Afhankelijk van de gewenste lichtsterkte moet een bepaalde stroom door de LED vloeien zodat deze voldoende licht geeft. Meestal wordt bij berekeningen hiervoor 20 mA gekozen. Een stroombegrenzingsweerstand wordt meestal gebruikt in serie met de LED. Deze serieweerstand heeft als functie de stroom door deze LED te beperken.

Figuur 4-18: voorbeeld van gebruik van een serieweerstand om een LED te laten oplichten bij een bepaalde spanning

Voorbeeld 4-10

Om de lichtsterkte van een LED aan zijn omgeving te kunnen aanpassen is de schakeling van figuur 4-19 ontworpen. De rheostaat R₁ wordt gebruikt om het licht van de LED te kunnen dimmen.

Over een rode LED staat steeds een spanning van ongeveer 1,7 V wanneer deze in normale omstandigheden werkt. De overige spanning staat over de beide serieweerstanden.

Stel dat je de stroom door de LED wil laten variëren van een minimum van 4 mA tot een maximum van 20 mA (helder licht). Welke waarden moeten dan beide weerstanden hebben om dit te realiseren met de schakeling van figuur 4-19?

Figuur 4-19

Oplossing:

Wanneer de LED het meeste licht geeft (helder), heeft de weerstand R₁ een weerstandswaarde gelijk aan 0 Ω. De stroom die door de schakeling vloeit is dan 20 mA. Over R₂ staat dan een spanningsval gelijk aan het verschil tussen de bronspanning en de spanning over de LED. In formulevorm:

Wanneer de LED het minst licht geeft (donker) is weerstand R₁ mee in de schakeling geplaatst met zijn maximale weersandswaarde. De totale weerstand R_T die dan in de schakeling is terug te vinden is gelijk aan de som van R₁ met R₂. Vermits R₂ reeds gekend is, is R₁ te vinden door het verschil te nemen tussen R_T en R₂. In formulevorm:

Uiteindelijk kiezen we voor R₂ = 510 Ω en R₁ 2200 Ω als dichts bijzijnde standaard weerstandswaarden (E24 reekswaarden)

Test jezelf : Toepassingen op de wet van Ohm

1. Een 6 V batterij is verbonden over een serieschakeling van drie weerstanden met waarde 100 Ω. Bepaal de stroom door iedere weerstand.
2. Hoeveel spanning is er nodig om 5 mA stroom te produceren in de schakeling van figuur 4-20?
3. Hoeveel spanning staat er over iedere weerstand van figuur 4-20 als de stroom gelijk is aan 5 mA?
4. Vier gelijke weerstanden staan in serie en zijn verbonden met een bron met spanning 5 V. De gemeten stroom is gelijk aan 4,63 mA. Wat is de weerstandswaarde van elke weerstand in deze schakeling?

Figuur 4-20

1. Een rode LED en een weerstand staan in serie. Als de aangelegde spanning gelijk is aan 3 V, bepaal dan de weerstandswaarde van deze weerstand om de stroom door de LED te beperken tot 10 mA. Veronderstel dat de spanningsval over de LED gelijk is aan 1,7 V.