Hoofdstuk 4: Condensatoren en Spoelen

Dit hoofdstuk behandelt twee fundamentele componenten in de elektronica: condensatoren en spoelen. Anders dan weerstanden (die energie omzetten in warmte) kunnen deze componenten elektrische energie opslaan en weer teruggeven. De condensator slaat energie op in een elektrisch veld, de spoel in een magnetisch veld.

1. Elektrische en magnetische velden

Elektrisch veld

Een elektrisch veld ontstaat tussen tegengesteld geladen objecten. Denk aan twee platen: een met elektronenoverschot (negatief) en een met elektronentekort (positief). Het veld bestaat uit denkbeeldige veldlijnen die lopen van positief naar negatief.

Kenmerken elektrisch veld:

Magnetisch veld

Een magnetisch veld ontstaat rond een permanente magneet of rond een stroomvoerende draad. Het heeft een noord- en zuidrichting (vergelijkbaar met + en -).

Kenmerken magnetisch veld:

Afscherming:

2. Condensatoren

Opbouw en werking

Een condensator bestaat uit twee geleidende platen (elektroden) gescheiden door isolerend materiaal (het diëlektricum). Door een spanning aan te leggen ontstaat een elektrisch veld tussen de platen, waardoor lading wordt opgeslagen.

Capaciteit

De capaciteit (symbool C) bepaalt hoeveel lading een condensator kan opslaan bij een bepaalde spanning.

Examenstof! De eenheid en omrekeningen moet je kennen.
Eenheid Naam Waarde
F farad 1 F (in praktijk te groot)
μF microfarad 10-6 F
nF nanofarad 10-9 F
pF picofarad 10-12 F

Formule voor lading

Examenstof! Ken deze formule en weet hem om te schrijven.
Q = U × C

Lading (coulomb) = Spanning (volt) × Capaciteit (farad)

Afgeleid:

C = Q / U      U = Q / C

Waar hangt de capaciteit van af?

Examenstof! Dit komt regelmatig terug in vragen.

De capaciteit C is:

Diëlektrische constante: Lucht/vacuüm heeft waarde ~1. Sommige isolatoren hebben waarden van 10 of hoger, wat de capaciteit evenredig vergroot.

Schemasymbolen

Type Kenmerk
Vaste condensator Twee evenwijdige strepen
Variabele condensator Met pijl erdoor (afstemming)
Trimcondensator Met schuine streep (eenmalig instelbaar)
Elektrolytische condensator (elco) Met + teken; polariteit belangrijk!
Let op: Een elco (elektrolytische condensator) heeft een plus- en minaansluiting. Verkeerd aansluiten vernielt de condensator! Elco's hebben hoge capaciteiten (tientallen tot honderden μF).

Doorslagspanning

Bij te hoge spanning "slaat" de condensator door: er brandt een gat in het diëlektricum (soort bliksem). De maximale werkspanning staat altijd op de condensator vermeld.

3. Spoelen (zelfinducties)

Inductie en zelfinductie

Inductie: een veranderend magnetisch veld wekt een stroom op in een geleider. Dit is het basisprincipe van dynamo's en generatoren.

Zelfinductie: een spoel zit in zijn eigen magnetisch veld. Als de stroom verandert, verandert het veld, en dit wekt een tegenstroom op die de verandering tegenwerkt.

Belangrijk principe: Een spoel verzet zich tegen stroomverandering. De stroom door een spoel kan niet plotseling veranderen - hij komt geleidelijk op gang of sterft geleidelijk uit.

Eenheid van zelfinductie

Examenstof!

De eenheid van zelfinductie is de henry (symbool H).

Bij een zelfinductie van 1 H leidt een spanning van 1 V tot een stroomverandering van 1 A/s (ampère per seconde).

Let op het verschil:

Waar hangt de zelfinductie van af?

Examenstof! Let vooral op het kwadraat bij het aantal windingen.

De zelfinductie L is:

Let op bij examenvragen: Als de diameter D 2× zo groot wordt, wordt de doorsnede A 4× zo groot (want A ~ D2). Dus de zelfinductie wordt ook 4× zo groot!

4. Gedrag: condensator vs. spoel

Condensatoren en spoelen zijn elkaars "spiegelbeeld". Door stroom en spanning, kortsluiting en isolatie te verwisselen, kun je van het ene gedrag het andere afleiden.

Condensator

Spoel

Praktisch belangrijk: Het onderbreken van stroom door een spoel veroorzaakt een spanningspiek (de energie van het magnetisch veld moet ergens heen). Dit kan vonken en schade aan schakelaars veroorzaken.

5. Combinaties met weerstanden

RC-schakeling (weerstand + condensator)

Bij opladen via een weerstand verloopt de spanning over de condensator niet lineair maar volgens een kromme: eerst snel, dan steeds langzamer. Dit komt doordat:

  1. De bronspanning constant blijft
  2. De condensatorspanning stijgt
  3. Het spanningsverschil over de weerstand wordt kleiner
  4. Dus de stroom (en daarmee de laadsnelheid) neemt af

Ontladen gaat op dezelfde manier: eerst snel, dan steeds langzamer.

RL-schakeling (weerstand + spoel)

Precies hetzelfde verhaal, maar met stroom in plaats van spanning. De stroom door de spoel bouwt zich op volgens dezelfde kromme.

Kernpunt: Bij een weerstand lopen stroom en spanning "in de pas". Bij condensatoren en spoelen is dat niet zo - dit is de basis voor veel filterschakelingen (hoofdstuk 5).

6. Serie- en parallelschakelingen

Examenstof! Deze formules moet je uit je hoofd kennen. Let op: condensatoren gedragen zich tegengesteld aan weerstanden!

Basisprincipes (zoals bij weerstanden)

Condensatoren

Parallel: Ctot = C1 + C2 + C3 + ...

(Capaciteiten optellen - vervangingswaarde is groter dan de grootste)
Serie: 1/Ctot = 1/C1 + 1/C2 + 1/C3 + ...

(Omgekeerden optellen - vervangingswaarde is kleiner dan de kleinste)
Let op: Dit is precies omgekeerd aan weerstanden! Bij weerstanden tel je op bij serie, bij condensatoren tel je op bij parallel.

Spoelen

Spoelen gedragen zich hetzelfde als weerstanden (mits ze onderling afgeschermd zijn):

Serie: Ltot = L1 + L2 + L3 + ...

(Zelfinducties optellen - vervangingswaarde is groter dan de grootste)
Parallel: 1/Ltot = 1/L1 + 1/L2 + 1/L3 + ...

(Omgekeerden optellen - vervangingswaarde is kleiner dan de kleinste)

Samenvattend overzicht

Weerstand R Capaciteit C Zelfinductie L
Serie Rtot = R1 + R2 + ... 1/Ctot = 1/C1 + 1/C2 + ... Ltot = L1 + L2 + ...
Parallel 1/Rtot = 1/R1 + 1/R2 + ... Ctot = C1 + C2 + ... 1/Ltot = 1/L1 + 1/L2 + ...
Ezelsbruggetje Serie: optellen Omgekeerd aan R! Zelfde als R
Ezelsbruggetje:

Samenvatting kernpunten

Onthoud voor het examen: