Dit hoofdstuk behandelt wisselstroom (AC), de basis van radiotechniek. Je leert over periodiciteit, reactantie, impedantie, filters en resonantie - allemaal essentieel voor het begrijpen van radiozenders en -ontvangers.
Bij gelijkstroom (DC) stroomt de stroom altijd in dezelfde richting en blijft de spanning constant. Bij wisselstroom (AC) wisselt de stroomrichting periodiek en varieert de spanning tussen positief en negatief.
De meest voorkomende wisselspanning heeft een sinusvormig verloop. Dit is de "zuiverste" vorm van wisselspanning. De spanning stijgt geleidelijk naar een maximum, daalt door nul naar een negatief minimum, en keert dan terug - dit herhaalt zich continu.
Bij radiotechniek werken we met veel hogere frequenties, maar het principe blijft hetzelfde: de spanning en stroom variëren sinusvormig.
Een wisselspanning wordt gekenmerkt door een aantal belangrijke grootheden die je moet kennen voor het examen.
De periode is de tijd die nodig is voor één volledige trilling (van begin tot het punt waar het patroon zich herhaalt). De eenheid is de seconde (s).
De frequentie is het aantal trillingen per seconde. De eenheid is hertz (Hz).
Of andersom: T = 1 / f
| Voorvoegsel | Afkorting | Factor | Voorbeeld |
|---|---|---|---|
| kilo | kHz | 103 (1.000) | AM-radio: 500-1600 kHz |
| mega | MHz | 106 (1.000.000) | FM-radio: 88-108 MHz |
| giga | GHz | 109 | WiFi: 2,4 GHz |
De amplitude is de maximale uitwijking van de spanning of stroom. Dit is de afstand van de nullijn tot de top (of dal). We noteren dit als Umax of Imax, ook wel de topwaarde genoemd.
De top-topwaarde (Utt) is de afstand van de positieve top tot de negatieve top, dus twee keer de amplitude:
De effectieve waarde (Ueff of Ieff) is de waarde die dezelfde warmte zou produceren als een gelijkspanning. Dit is de waarde die je op je multimeter afleest bij het meten van wisselspanning.
Andersom: Umax = Ueff × √2 ≈ 1,41 × Ueff
De fase geeft aan waar in de cyclus een signaal zich bevindt. Het faseverschil beschrijft hoeveel twee signalen "uit de pas" lopen.
Faseverschil wordt uitgedrukt in graden (0° tot 360°) of radialen (0 tot 2π):
Condensatoren en spoelen gedragen zich anders bij wisselstroom dan bij gelijkstroom. Ze bieden een frequentie-afhankelijke weerstand die we reactantie noemen.
Een condensator laat wisselstroom door, maar biedt wel weerstand. Deze capacitieve reactantie is afhankelijk van de frequentie en de capaciteit:
Eenheid: ohm (Ω)
Belangrijke eigenschappen:
Een spoel laat ook wisselstroom door, maar biedt eveneens weerstand. Deze inductieve reactantie is:
Eenheid: ohm (Ω)
Belangrijke eigenschappen:
Bij reactantie treedt altijd een faseverschuiving van 90° op tussen stroom en spanning:
In de praktijk hebben spoelen en condensatoren ook enige weerstand:
Voor berekeningen in het examen beschouwen we ze meestal als ideaal (alleen reactantie, geen weerstand).
Wanneer we weerstand (R) en reactantie (X) combineren in een schakeling, spreken we van impedantie (Z). Impedantie is de totale wisselstroomweerstand van een schakeling.
Bij een serieschakeling van R en X (bijvoorbeeld een weerstand met een condensator of spoel) kunnen we de waarden niet zomaar optellen. Door het faseverschil geldt:
Dit komt van de stelling van Pythagoras!
Hierbij kan X zowel XC als XL zijn, of het verschil (XL - XC) als beide aanwezig zijn.
Bij een parallelschakeling van R en X geldt:
Of: Z = (R × X) / √(R2 + X2)
De wet van Ohm geldt ook voor wisselstroom, maar dan met impedantie:
Met combinaties van weerstanden, condensatoren en spoelen kunnen we filters bouwen. Filters laten bepaalde frequenties door en verzwakken andere.
Een laagdoorlaatfilter laat lage frequenties door en verzwakt hoge frequenties.
Eenvoudige uitvoering: RC-filter met weerstand in serie en condensator naar aarde. De condensator heeft een lage reactantie bij hoge frequenties, waardoor die naar aarde worden kortgesloten.
Een hoogdoorlaatfilter laat hoge frequenties door en verzwakt lage frequenties.
Eenvoudige uitvoering: RC-filter met condensator in serie en weerstand naar aarde. De condensator blokkeert lage frequenties (hoge XC) en laat hoge frequenties door (lage XC).
Een banddoorlaatfilter laat alleen frequenties binnen een bepaald bereik (band) door en verzwakt frequenties daarbuiten.
Dit wordt vaak gemaakt met een combinatie van een laagdoorlaat- en een hoogdoorlaatfilter, of met een LC-kring (spoel en condensator).
Een bandsperfilter (ook wel notch-filter) doet het omgekeerde: het verzwakt frequenties binnen een bepaald bereik en laat de rest door.
De afsnijfrequentie (ook wel -3dB punt) is de frequentie waarbij de uitgangsspanning is gedaald tot 70,7% (= 1/√2) van de ingangsspanning. Dit punt markeert de grens tussen doorlaten en verzwakken.
In schema's worden filters vaak weergegeven met standaardsymbolen:
| Filter | Nederlandse afkorting | Engelse term |
|---|---|---|
| Laagdoorlaatfilter | LDF | Low-Pass Filter (LPF) |
| Hoogdoorlaatfilter | HDF | High-Pass Filter (HPF) |
| Banddoorlaatfilter | BDF | Band-Pass Filter (BPF) |
| Bandsperfilter | BSF | Band-Stop/Notch Filter |
Resonantie treedt op wanneer de capacitieve reactantie (XC) en de inductieve reactantie (XL) aan elkaar gelijk zijn. Bij deze speciale frequentie heffen ze elkaar op.
De frequentie waarbij XL = XC noemen we de resonantiefrequentie (f0 of fres).
Waarbij L in henry en C in farad.
Bij een serieschakeling van L en C bij de resonantiefrequentie:
Bij een parallelschakeling van L en C bij de resonantiefrequentie:
De Q-factor (kwaliteitsfactor) van een resonantiekring geeft aan hoe "scherp" de resonantie is:
Waarbij B de bandbreedte is (het frequentiebereik tussen de -3dB punten).
Een hoge Q wordt bereikt door componenten met lage verliezen (spoelen met weinig weerstand, goede condensatoren).
Niet alle wisselspanningen zijn perfect sinusvormig. Een niet-sinusvormig signaal (zoals een blokgolf of zaagtand) kan wiskundig worden ontleed in een som van sinusvormige signalen.
Een blokgolf bestaat uit de grondfrequentie plus alle oneven harmonischen, waarbij de amplitude van elke harmonische omgekeerd evenredig is met het volgnummer.
Bij radiozenders is het belangrijk om harmonischen te onderdrukken:
Filters in zendereindtrappen bevatten alleen spoelen en condensatoren, geen weerstanden. Reden: weerstanden zetten kostbare zenderenergie om in warmte, terwijl ideale spoelen en condensatoren dat niet doen.