|
Elektrische spanning is een basisbegrip uit de elektriciteitsleer. In dit artikel wordt beschreven wat dit verschijnsel is, hoe het wordt gedefinieerd en hoe u het kunt opwekken.
|
Wat is elektrische spanning?
Definitie
Een elektrische spanning is een hoeveelheid potentiële energie, die noodzakelijk is om elektrische ladingen te verplaatsen in een elektrisch veld. U zou het kunnen vergelijken met een roeier, die een bepaalde krachtsinspanning moet leveren om zijn bootje tegen de stroom in te verplaatsen. Hoe sterker de stroming (veld) en hoe zwaarder de boot (lading), hoe meer krachtsinspanning de roeier moet leveren.
| FORMULES IN DIT ARTIKEL |
|---|
| VERMENIGVULDIGEN:
Het vermenigvuldigingsteken wordt voorgesteld door een bullet tussen de factoren: a • b = c DELEN: Het gedeeld door teken wordt voorgesteld door een schuine streep: a / b = c |
Eenheid en symbool
De eenheid van elektrische spanning is, zoals algemeen bekend, de volt, afgekort tot V. Dit ter ere van de Italiaanse fysicus Allessandro Giuseppe Antonio Anastasio Volta, die leefde van 1745 tot en met 1827. Volta staat bekend als de uitvinder van de elektrische batterij, een apparaat waarmee het mogelijk was continu, zonder moeilijke toestanden, een potentiaal verschil tussen twee geleiders te creëren.
De wiskundige definitie van de Volt wordt gegeven door:
1 V = 1 J / 1 C = [1 N • 1 m] / 1 C
In woorden: één volt is het potentiaal verschil dat een energie van één joule opwekt als een lading van één coulomb verplaatst wordt van de ene naar de andere geleider.
Het symbool voor spanning is helaas niet gestandaardiseerd. In schema's treft u zowel de letters U en E aan, waarmee in beide gevallen spanningen worden bedoeld. Toch is er principieel een groot verschil tussen U en E!
De elektromotorische kracht
Vaak leest u in artikelen die over elektronica gaan de afkorting 'emk' of 'tegen-emk'. Dit letterwoord is de afkorting van 'elektromotorische kracht', een begrip dat zeer nauw samenhangt met de definitie van elektrische spanning. De elektromotorische kracht die een bepaald onderdeel opwekt is niets anders dan de totale energie per coulomb, die door dit onderdeel in een bepaalde schakeling kan wordt gegenereerd.
Minder ingewikkeld gesteld is de emk de elektrische spanning die aan de klemmen van een onbelaste spanningsbron beschikbaar is. Dat de spanning van een bepaalde spanningsbron afhankelijk is van de belasting, wordt duidelijk als het begrip weerstand wordt gedefinieerd in een van de volgende artikelen. Hoe dan ook, het zal wel duidelijk zijn dat de emk eveneens in V wordt uitgedrukt. In theorie is het nu zo dat de emk van een spanningsbron moet worden voorgesteld door het symbool E, terwijl alle overige spanningen door de letter U worden aangegeven. Maar er zijn maar weinig mensen die zich aan deze afspraak houden.
Spanning bestaat alleen tussen twee punten
Uit de eerder beschreven definitie van elektrische spanning volgt dat dit verschijnsel alleen aanwezig kan zijn tussen twee punten. Toch zult u in artikelen over elektronische schema's vaak een tekst lezen als 'dit punt staat op een spanning van 12,5 V'. In elektronische schakelingen worden spanningen altijd gemeten ten opzichte van een referentie-potentiaal, de massa. Het potentiaal op dit punt wordt per definitie vastgesteld op 0 V, zodat alle overige spanningen in het schema gemakkelijk naar dit potentiaal gerefereerd kunnen worden. Als u in een elektronisch apparaat spanningen gaat meten, moet u de zwarte aansluiting van uw meter altijd verbinden met de massa van de schakeling. In de meeste gevallen wordt deze aansluiting COM of GND genoemd.
Het opwekken van elektrische spanning
Er zijn verschillende systemen ontwikkeld voor het opwekken van elektrische spanningen:
- Generatie door mechanische wrijving.
- Generatie door inductie.
- Generatie door warmte.
- Generatie door chemische actie.
- Generatie door licht.
- Generatie door mechanische vervorming.
Al die vormen komt u wel op de een of andere manier in de praktische elektronica tegen.
Spanningsgeneratie door mechanische wrijving
De oudste vorm van spanningsgeneratie
Dit is uiteraard de van oudst bekende manier om een potentiaalverschil tussen twee punten te kweken. Reeds besproken apparaten zoals de Van de Graaf generator werken op deze manier. Als u twee geschikte materialen tegen elkaar wrijft kan het gebeuren dat er elektronen van de ene stof naar de andere overspringen. Er ontstaat een ladingsverschil en dus ook een potentiaalverschil. In de meeste gevallen noemt men de op deze manier opgewekte spanning 'statische spanning'.
 |
| Het ontstaan van statische spanning door mechanische wrijving. (© CoBouw) |
Gevaarlijk voor uw elektronische schakelingen
Generatie van statische spanningen zult u maar zelden nuttig gebruiken in de elektronica. Integendeel, het ontstaan van statische spanningen is iets waar u uw onderdelen en schakelingen op alle mogelijke manieren tegen moet beschermen. Zeker tegenwoordig, nu zeer ingewikkelde geïntegreerde schakelingen miljoenen transistoren bevatten, die ieder maar een paar duizendsten van een millimeter groot zijn, kunnen statische spanningen echte rampen aanrichten. Vandaar dat de meeste IC's tegenwoordig geleverd worden op stukjes geleidend schuimrubber, die er voor zorgen dat alle aansluitpennetjes op hetzelfde potentiaal staan.
Conductive foam
Dergelijk 'conductive foam' heeft een specifieke weerstand van 105 Ω/cm, hetgeen laag genoeg is om statische spanningen kort te sluiten. Als u op de verpakking van elektronische onderdelen onderstaand symbooltje ziet weet u dat u zeer voorzichtig met het onderdeel moet omgaan en in ieder geval statische spanningen moet voorkomen.
 |
| Het symbooltje, waarmee wordt aangegeven dat een elektronisch onderdeel zeer gevoelig is voor statische spanningen. (© AliExpress) |
Zo'n onderdeel kan al beschadigd raken als u de behuizing met de ene hand vastpakt en met de andere hand een pennetje aanraakt. Om dergelijke rampen te voorkomen bestaat er een aantal eenvoudige en goedkope hulpmiddelen. Die hulpmiddelen hebben allemaal een simpel principe: zorg ervoor dat alles in de buurt van het onderdeel op een gelijk potentiaal staat. Dan zijn er geen potentiaalverschillen en kan er dus ook geen sprake zijn van statische spanningen. In onderstaande figuur wordt een van de eenvoudigste middeltjes voorgesteld in de strijd tegen statische spanningen: een aardingsarmband.
 |
| Een aardingsarmband is een goedkoop middel om elektronische onderdelen te beschermen tegen statische spanningen. (© AliExpress) |
 |
| Een statische mat zorgt voor een veilige werkplek voor uw gevoelige componenten. (© AliExpress) |
Spanningsgeneratie door inductie
Magnetisme wekt elektrische spanning op
Het principe van het opwekken van spanning door middel van inductie is getekend in onderstaande figuur. Als u een staafmagneet in en uit een spoel beweegt zal er in de spoel een spanning ontstaan. Meer algemeen gesteld: er ontstaat steeds een inductiespanning als een geleidende draad in een variërend magnetisch veld wordt aangebracht. In het voorbeeld ontstaat dat variërend veld door de verplaatsing van de magneet naar en van de spoel. Een bekend gegeven dat bijvoorbeeld op iedere fiets gebruikt wordt in de dynamo om de spanning te genereren voor het voeden van de lampjes. Maar ook de allergrootste elektrische centrales werken volgens dit principe. In de elektronica krijgt u vaak met inductie te maken. Bekende onderdelen die volgens dit principe werken of er op de een of andere manier gebruik van maken zijn de transformator, het gekoppeld LC-filter, de microfoon en het aloude magneto-dynamische element van de al even stokoude platendraaier.
 |
| Het genereren van elektrische spanning door inductie. (© nationalmaglab.org) |
Maar er is nog een ander verschijnsel, waar de elektronicus vaak mee te maken heeft en dat op inductie stoelt: de tegen-emk van een spoel. Als u een relaisspoel bekrachtigt door er een stroom doorheen te sturen, zal deze stroom rond de spoel een magnetisch veld opbouwen. Stel nu dat u de stroom opeens tot nul reduceert. Op dat moment is het magnetisch veld nog aanwezig. Maar omdat de oorzaak van dit veld, de stroom, is weggevallen, zal ook het veld verdwijnen. Op dat moment bevindt de spoel van het relais zich in een variërend magnetisch veld, met als gevolg dat er in de spoel een inductiespanning wordt opgewekt. Deze inductiespanning kan vele malen groter zijn dan de voedingsspanning van de elektronische schakeling. Het gevaar bestaat dat sommige onderdelen niet tegen deze inductiespanning bestand zijn en doorslaan. Deze inductiespanning noemt men de 'tegen elektromotorische kracht' van het relais, een mondvol dat meestal wordt afgekort tot 'tegen-emk' of zelfs 'temk'. Het is absoluut noodzakelijk maatregelen te treffen die de nare gevolgen van deze temk moeten verhinderen. Dat kan gelukkig heel eenvoudig door over de spoel van het relais een diode te schakelen. Hoe dat moet is getekend in onderstaande figuur.
 |
| Het beveiligen van een transistor tegen de inductiespanning die in de spoel van een relais wordt opgewekt. (© 2017 Jos Verstraten) |
Spanningsgeneratie door warmte
Het Seebeck-effect
Natuurlijk kunt u stellen dat in iedere elektrische centrale spanning wordt opgewekt door warmte. Maar dit is een indirect proces, waar de warmte eerst stoom vol thermische energie stopt, die nadien een turbine aan het draaien zet. Bedoeld worden processen, waarbij warmte rechtstreeks in spanning wordt omgezet. Het principe is getekend in onderstaande figuur. Als u twee draden, gemaakt van verschillend metaal, in elkaar draait en deze verbinding flink opwarmt, zult u opmerken dat er tussen beide draden een meetbare spanning ontstaat. Door het verschillend aantal vrije elektronen in de buitenste elektronenschillen ontstaat een potentiaal verschil op de plaats waar de twee metalen star aan elkaar bevestigd zijn. Dit potentiaal verschil uit onder de vorm van een zeer kleine spanning, die tussen de twee draden gemeten kan worden. Dit verschijnsel is in de fysica bekend onder de naam Seebeck-effect.
 |
| Het genereren van een elektrische spanning door middel van warmte. (© 2017 Jos Verstraten) |
De opgewekte spanning is zeer klein, vaak niet meer dan enige tientallen mV, maar goed meetbaar. Een van de bekendste toepassingen van dit verschijnsel zijn de 'thermokoppels', onderdelen die gebruikt worden voor het meten van zeer hoge of zeer lage temperaturen. De normaal gebruikte halfgeleider thermo-sensoren laten het boven 150 °C gegarandeerd afweten en dan is een thermokoppel in feite de enige manier om op een goedkope manier een temperatuur te meten.
Ongewenste thermokoppels
Maar aan dit op zich zeer nuttige verschijnsel is een vervelend neveneffect verbonden. Als u een koperen draadje vastschroeft in een printkroonsteentje, waarvan het metalen deel uit vertind messing bestaat, dat ontstaat er dus ook een thermokoppel. Bij sommige zeer gevoelige schakelingen, die zeer kleine gelijkspanningen moeten versterken, kan dit problemen veroorzaken. Een ander onverwacht neveneffect kan ontstaan bij het monteren van elektronische schakelingen in behuizingen. Als u een kast uit aluminium maakt en de onderdelen van deze kast met messing boutjes en moertjes in elkaar schroeft, dan vormt iedere messing/aluminium-overgang in wezen een thermokoppeltje, dat zichzelf bovendien kortsluit. De kleine spanningen die als gevolg hiervan ontstaan kunnen in vochtige omgevingen tot corrosie van aluminium en/of messing leiden! Bij professionele behuizingen zult u opmerken dat men de contactoppervlakken tussen twee metalen isoleert door er een teflon of nylon ringetje tussen te monteren.
Spanningsgeneratie door chemische actie
Het galvanisch principe
Natuurlijk ook al een bekend gegeven, want iedere batterij of accu maakt er gebruik van. Het principe is getekend in onderstaande figuur en berust op het galvanisch principe. Genoemd naar Luigi Galvani (9 september 1737 geboren, 4 december 1798 overleden). Twee verschillende metalen, gedompeld in een elektrisch geleidende oplossing, genereren een kleine spanning. Bij een batterij worden via een chemische reactie aan de minpool elektronen vrijgemaakt, terwijl aan de pluspool op hetzelfde moment via een andere chemische reactie elektronen worden gebonden. Via een op de batterij aangesloten component (bijvoorbeeld een lampje) kunnen nu de elektronen vanaf de minpool, door het lampje, naar de pluspool stromen. In de elektronica treft u vooral zink/koolstof-, lood/zuur-, nikkel/cadmium- en lithium/mangaanoxide-cellen aan. NiCad's worden nog vaak gebruikt als bufferbatterij om bepaalde delen van een elektronische schakeling van spanning te voorzien, ook als de hoofdvoeding is uitgeschakeld. Dat geldt voor geheugens, waar belangrijke gegevens in opgeborgen zitten, maar bijvoorbeeld ook voor het tijd/datum-IC dat tegenwoordig in iedere computer aanwezig is en de juiste datum en tijd levert.
 |
| Het principe van spanningsopwekking door middel van een chemische actie. (© 2017 Jos Verstraten) |
Een andere toepassing van het galvanisch principe treft men aan in de zogenoemde normaal-cel of Weston-cel. Zoals getekend in onderstaande figuur bestaat dit galvanisch element uit twee kolommen. De positieve elektrode bestaat uit zuiver kwik (Hg), de tweede uit een legering van kwik en cadmium. Beide elektroden worden bedekt met een pasta-achtige substantie, die enerzijds bestaat uit kwiksulfaat Hg2S04 en anderzijds uit cadmiumsulfaat CdS04. De constructie wordt gevuld met een verzadigde oplossing van cadmiumsulfaat. Bij 20 °C geeft deze cel een spanning af van precies 1,01835 V. Dergelijke cellen worden nog vaak toegepast om meetapparatuur, zoals digitale voltmeters met een hoge resolutie, te ijken. Wel mag de cel met niet meer dan 10 nA belast worden.
 |
| De Weston-cel wordt gebruikt als spanningsreferentie. (© DrKFS.net) |
Spanningsgeneratie door licht
Het principe van het zonnepaneel
Ook dat is een principe dat in de moderne elektronica vaak gebruikt wordt. Denk maar aan zonnecellen, waarmee het op dit moment mogelijk is rendabele spanningsvoorziening voor woonwijken, boten, caravans en zomerhuisjes mogelijk te maken. De werking van dergelijke cellen is vrij complex en wordt verklaard door het foto-elektrisch verschijnsel. Het komt er op neer dat het invallend licht weer elektronen uit atomen bevrijd, die vanwege hun snelheid door een sperlaag dringen. Op deze manier ontstaat een potentiaal verschil over de cel, hetgeen zich uiteraard uit onder de vorm van een spanning.
 |
| Het genereren van elektrische spanning in een zonnecel. (© 2017 Jos Verstraten) |
Spanningsgeneratie door mechanische vervorming
Het piëzo-elektrisch effect
Als u bepaalde kristallen tussen twee geleidende plaatjes monteert en nadien een mechanische druk op het kristal uitoefent, zult u vaststellen dat er tussen de twee geleidende plaatjes een spanning ontstaat. Dit verschijnsel staat bekend als het piëzo-elektrisch effect, een woord dat is afgeleid van het oud-Griekse woord piezein, hetgeen drukken betekent. Deze manier van spanningsgeneratie wordt in de elektronica gebruikt bij kristalmicrofoons en bij sommige druksensoren.
 |
| Genereren van een spanning met behulp van het piëzo-elektrische effect. (© 2017 Jos Verstraten) |
|
|
