Samenvatting · Natuurkunde · havo 4 Elektronica en sensoren: LDR, NTC, diode en spanningsdeler

Een straatlantaarn die aangaat als het donker wordt, een thermostaat die de verwarming regelt en een ledlampje dat alleen de ene kant op werkt: allemaal elektronica met sensoren en diodes. Na deze samenvatting weet je hoe een LDR en een NTC werken, reken je met een spanningsdeler en bepaal je de voorschakelweerstand van een led.

Terugblik: spanning, stroom en weerstand

Voor elke schakeling gebruik je de wet van Ohm:

met $U$ in volt (V), $I$ in ampère (A) en $R$ in ohm ($\Omega$). In een serieschakeling loopt overal dezelfde stroom en tel je de weerstanden op: $R_{tot}=R_1+R_2$. De spanningen over de onderdelen tellen op tot de bronspanning.

Sensoren: weerstanden die veranderen

Een sensor meet een grootheid (licht, temperatuur) en zet die om in een elektrisch signaal. Bij de twee sensoren hieronder verandert de weerstand.

Een LDR heeft in het donker een weerstand van bijvoorbeeld enkele honderden kilo-ohm en in fel licht een paar honderd ohm. Bij een NTC staat het verband tussen temperatuur en weerstand meestal in een grafiek of tabel in de opgave: lees daar de weerstand af bij de gegeven temperatuur. Een PTC doet het omgekeerde: de weerstand stijgt met de temperatuur.

Spanningsdeler

In een spanningsdeler staan twee weerstanden in serie op een bron. De spanning verdeelt zich over de weerstanden in dezelfde verhouding als hun weerstand:

De grootste weerstand krijgt de grootste spanning.

Als je een van de weerstanden vervangt door een sensor, verandert de spanning over de andere onderdelen met het licht of de temperatuur. Zo maak je een sensorschakeling.

Voorbeeld LDR: een LDR staat in serie met een vaste weerstand $R_1=3,0\text{k}\Omega$ op een bron van 6,0 V. De uitgangsspanning $U_{uit}$ meet je over de LDR.

• In het donker is $R_{LDR}=9,0\text{k}\Omega$: $U_{uit}=6,0\cdot \frac{9,0}{3,0+9,0}=4,5\text{V}$.
• In fel licht is $R_{LDR}=1,0\text{k}\Omega$: $U_{uit}=6,0\cdot \frac{1,0}{3,0+1,0}=1,5\text{V}$.

Een schakeling die iets moet aanzetten bij een bepaalde spanning (bijvoorbeeld een lamp bij schemering) kan de uitgangsspanning gebruiken om een schakelaar of relais aan te sturen.

Diode en led

Een diode laat stroom maar in één richting door.

• In doorlaatrichting loopt de stroom, zodra de spanning over de diode groot genoeg is (de drempelspanning).
• In sperrichting loopt vrijwel geen stroom.

Een led (light emitting diode) is een diode die licht uitzendt als er stroom doorheen loopt. Bij een bepaalde stroomsterkte hoort een vaste spanning over de led, bijvoorbeeld 2,0 V bij 20 mA.

Een led kan zelf niet te veel stroom hebben. Daarom zet je er een voorschakelweerstand in serie mee. Over de weerstand staat de rest van de bronspanning:

In de praktijk kies je een weerstand die gelijk is aan of iets groter is dan deze waarde.

Een diode wordt ook gebruikt om wisselspanning om te zetten in gelijkspanning (gelijkrichten): de diode laat alleen de halve periodes in één richting door.

Een thermostaat als voorbeeld

Een NTC in een spanningsdeler regelt de temperatuur:

Let op

• Bij een LDR daalt de weerstand bij meer licht, bij een NTC bij een hogere temperatuur. Veel leerlingen draaien dit om.
• In een spanningsdeler staat de grootste spanning over de grootste weerstand.
• Reken mA om naar A (deel door 1000) en k$\Omega$ naar $\Omega$ (maal 1000) voordat je invult.
• Een led zonder voorschakelweerstand raakt snel kapot.
• Een diode in sperrichting werkt als een open schakelaar, in doorlaatrichting (boven de drempel) als een geleider.

In het kort

• LDR: meer licht geeft minder weerstand. NTC: hogere temperatuur geeft minder weerstand.
• Spanningsdeler: $U_2=U_{bron}\cdot \frac{R_2}{R_1+R_2}$; de grootste weerstand heeft de grootste spanning.
• Met een sensor in een spanningsdeler wordt licht of temperatuur een spanning.
• Een diode laat stroom maar één kant op door; een led heeft een voorschakelweerstand nodig.
• $R=\frac{U_{bron}-U_{led}}{I}$.