Wisselstroom, driefasenstroom en gelijkstroom
Wie zich intensiever met elektrotechniek en elektronica bezighoudt, zal steeds weer struikelen over de termen "stroom" en "spanning". Vooral beginners weten al gauw niet meer wat wordt bedoeld met gelijkstroom, wisselstroom, driefasenstroom of wissel- en gelijkstroom. Wanneer ook nog de formulesymbolen in het spel komen, is de verwarring compleet. Daarom hebben wij enkele termen met betrekking tot stroom en spanning op een begrijpelijke manier uitgelegd.
Wat is elektrische stroom?
Om het onderwerp elektriciteit goed te kunnen begrijpen, moet u weten wat elektrische stroom precies is. Alle verdere informatie en toelichtingen kunnen dan gemakkelijk hierop worden gebaseerd.
In de elektriciteitstheorie wordt elektriciteit gedefinieerd als het transport van elektrische ladingsdragers. Ladingdragers kunnen bijvoorbeeld elektronen zijn die in een elektrische geleider stromen.
Daartoe moeten de atomen van de elektrische geleider van dien aard zijn dat zij gemakkelijk elektronen kunnen afstaan en ook gemakkelijk weer opnemen. Veel metalen, zoals aluminium of koper, hebben deze voordelige eigenschap. Daarentegen zijn er materialen die hun elektronen niet afstaan. Deze materialen worden dan gebruikt als isolatoren.
In de stroomkabel zijn de geleider en de isolator belangrijke componenten.
Als we het atoommodel van Bohr nader bekijken, zien we dat elektronen in verschillende banen om de atoomkern draaien. In het geval van koper met het atoomnummer 29 zijn er 29 elektronen, waarbij er slechts één elektron (valentie-elektron) in de buitenste schil, de valentieschil, aanwezig is.
In de bijgevoegde tekening is de relatie tussen de atoomkern en de elektronenbaan echter niet correct. In een atoomkern met een diameter van 5 - 6 cm zou een elektron de grootte hebben van de kop van een speld en op een afstand van ongeveer 100 m rond de kern draaien.
Aangezien de atomen in metalen een roosterachtige structuur hebben, gebeurt het dat het valentie-elektron zeer dicht bij de kern van een "naburig atoom" komt. Als gevolg daarvan verliest het de binding aan zijn "eigen" atoomkern en kan het zich vrij in de geleider bewegen.
Koper heeft slechts één elektron in de buitenste schil (N-schil).
Om deze vrije elektronen door de geleider te laten bewegen en om dus elektrische stroom te laten vloeien, moet een drijvende kracht van buitenaf op de geleider of de elektronen in de geleider werken. Deze kracht wordt opgewekt door de elektrische spanning.
Wat is elektrische spanning?
Elektronenoverschot en elektronentekort in een batterij.
De elektrische spanning wordt uitgelegd als de drijvende kracht voor de elektrische stroom. Een spanningsbron heeft dus twee aansluitingen nodig. Aan het ene uiteinde moet er een overmaat aan elektronen zijn (negatieve pool) en aan het andere uiteinde moet er een tekort aan elektronen zijn (positieve pool). De manier waarop het potentiaalverschil tussen de twee aansluitingen in een spanningsbron wordt opgewekt, is heel anders.
In wezen wordt hiervoor elektromagnetische inductie gebruikt. Dit begint met een fietsdynamo met weinig energie en strekt zich uit tot een gigantische krachtcentralegenerator. In batterijen of accu's worden elektrochemische processen gebruikt om spanning op te wekken.
Een andere mogelijkheid van spanningsopwekking is bij voorbeeld statische oplading door convectie, die kan worden aangetroffen in onweerswolken of in beïnvloedingsmachines.
Het formule-symbool voor spanning is U en de eenheid is 1 volt.
Ongeacht de wijze waarop de spanning wordt opgewekt, is het effect van de elektrische spanning altijd hetzelfde:
Zodra de twee polen van een spanningsbron worden verbonden met een elektrische geleider, gaat er stroom lopen. Dit betekent dat vrije elektronen worden onttrokken aan de geleider aan de kant met het elektronentekort. Tegelijkertijd komen er elektronen vrij in de geleider aan de kant met de overmaat aan elektronen.
Dit werkt vergelijkbaar met een buis (geleider) gevuld met bolletjes (elektronen). Als je aan de ene kant nog een bal in de buis doet, valt er aan de andere kant tegelijk een bal uit.
Als een bal links wordt ingeduwd, valt er rechts een bal uit.
Het is hetzelfde met het elektrische circuit. Het effect van de spanning, d.w.z. de druk op de bolletjes in de buis, wordt met bijna de snelheid van het licht doorgegeven. De werkelijke beweging van de afzonderlijke elektronen bedraagt daarentegen ongeveer 1 mm/s.
Het symbool van de formule voor de stroom is I en de eenheid is 1 ampère.
Wat is het verband tussen stroom en spanning?
Om elektriciteit te laten stromen, moet aan bepaalde voorwaarden worden voldaan:
De elektronen stromen via de gebruiker van het overschot naar het tekort.
1. Er moet een elektrische spanning aanwezig zijn
Aangezien elektrische spanning de drijvende kracht is voor elektriciteit, kan er geen stroom vloeien zonder spanning. Ten laatste wanneer u tijdens een stroomstoring in een koude en donkere flat zit, wordt dit verband duidelijk merkbaar.
2. Het circuit moet gesloten zijn
Opdat de spanningsbron enerzijds elektronen in de stroomkring kan brengen en anderzijds elektronen eruit kan trekken, moet de stroomkring gesloten zijn.
Als de stroomkring door een schakelaar wordt onderbroken, kan er geen stroom meer vloeien. Zelfs als de spanning nog aanwezig is.
Hoeveel stroom door een stroomkring vloeit, hangt in de eerste plaats af van het spanningsniveau van de stroombron. Als bijvoorbeeld de spanning van een zaklamp daalt omdat de batterijen leeg raken, daalt ook de stroomsterkte. Het licht wordt zwakker en zwakker tot het uiteindelijk helemaal uitgaat.
Maar ook de weerstand van het circuit of de verbruiker speelt een doorslaggevende rol.
Wanneer een auto wordt gestart, stroomt er enkele honderden ampères door de startmotor. De parkeerlichtlamp daarentegen heeft slechts enkele milliampères nodig. Dit ondanks het feit dat beide verbruikers op dezelfde auto-accu zijn aangesloten en dezelfde bedrijfsspanning hebben van 12 V. De reden hiervoor is de elektrische weerstand van de accu. De reden hiervoor is de elektrische weerstand van de verbruikers. Dit is extreem laag voor een elektrische starter en erg hoog voor een parkeerlichtlampje.
Het formule-symbool voor de weerstand is R en de eenheid is 1 Ohm (Ω).
De wet van Ohm
De wet van Ohm definieert de relatie tussen spanning, stroom en weerstand:
Weerstand = Spanning : Stroom (R = U : I).
Volgens deze formule kan altijd één waarde worden berekend als de andere twee bekend zijn. De omgezette formules zijn dan:
U = R x I of I = U : R
Wat is de technische en fysieke richting van stroom?
In schakelschema's wordt de technische stroomrichting gebruikt.
Nog voordat het bestaan van atomen en elektronen bekend was, kon de beweging van positief geladen ladingsdragers (ionen) in elektrolyten worden aangetoond.
Aangezien de ladingsdragers zich van de positieve pool naar de negatieve pool bewogen, ging men uit van een technische stroomrichting van plus naar min.
Deze aanpak is tot op de dag van vandaag gehandhaafd. In de schakelschema's van de meest uiteenlopende apparaten zijn de getekende componenten, zoals diodes of transistors, ontworpen volgens deze stroomrichting.
De fysieke stroomrichting daarentegen beschrijft de feitelijke beweging van elektronen, die van min naar plus loopt.
Wat is gelijkspanning en gelijkstroom?
Een gelijkspanning is een spanning waarbij de elektronen altijd in één richting bewegen. De spanningsbron heeft dus dezelfde permanente polariteit. Het spanningsniveau hoeft daarentegen niet altijd hetzelfde te zijn. Klassieke energiebronnen voor de opwekking van gelijkspanning zijn batterijen en accu's, waarbij het spanningsniveau in de loop van de ontlading in meer of mindere mate daalt.
Bovendien wekken de meeste voedingen ook een gelijkspanning op, hoewel zij met wisselspanning worden gevoed. In het geval van gestabiliseerde voedingseenheden wordt, naast de constante stroomrichting, groot belang gehecht aan een absoluut constant spanningsniveau.
Batterijen zijn typische gelijkspanningsbronnen.
Aangezien de spanning voortdurend dezelfde polariteit heeft, vloeit de stroom ook voortdurend in dezelfde richting. De gelijkstroom kan echter in grootte variëren, afhankelijk van de spanning. De beginletters van de Engelse term Direct Current (DC) worden ook in het Duits gebruikt voor gelijkstroom.
Hint:
Het grote voordeel van gelijkspanning of gelijkstroom is de mogelijkheid tot opslag. Met behulp van batterijen of accu's kan elektrische energie op een ideale manier worden opgeslagen voor mobiel gebruik.
Wat is wisselspanning en wisselstroom?
Een wisselspanning is een spanning waarbij de polariteit periodiek verandert en de spanningswaarde als gevolg daarvan voortdurend verandert. De meest voorkomende wisselspanning is de sinusvormige wisselspanning van het openbare elektriciteitsnet. Het is heel gemakkelijk te zien hoe een sinusvormige wisselspanning tot stand komt door een stroomgenerator van dichtbij te bekijken.
Wanneer de spoel in het magnetische veld beweegt, wordt er spanning geïnduceerd.
Net als in een Gelijkstroom-elektromotor bestaat de generator uit een permanente magneet (1) met noordpool (rood) en zuidpool (groen), die dienst doet als stator. Tussen de twee polen zijn enkele pijlen (2) te zien om het onzichtbare magnetische veld visueel weer te geven.
In dit magnetisch veld is een draaibare spoel (3) aangebracht. Om het eenvoudig te houden, heeft de rotorspoel in de afbeelding slechts één wikkeling. De twee uiteinden van de spoel zijn verbonden met sleepringen (4), zodat de spanning van de spoel via schuifcontacten (5) naar buiten kan worden afgevoerd.
Als de spoel verticaal is uitgelijnd zoals in de afbeelding, passeren de horizontaal geplaatste delen van de spoel een groot aantal magnetische veldlijnen als ze bewegen. Als gevolg daarvan is de in de spoel geïnduceerde spanning zeer hoog.
Als de spoel horizontaal is uitgelijnd, is er een beweging van de horizontale spoeldraden evenwijdig aan de magnetische veldlijnen. Aangezien in dit geval geen magnetische veldlijnen worden gekruist, is de geïnduceerde spanning in de spoel nul.
Aangezien de spoel met een uniforme snelheid ronddraait, resulteert dit in een sinusoïdale wisselspanning. In de volgende video is de spoel direct van voren te zien.
Bij een ohmse belasting, zoals een gloeilamp, gedraagt de stroom zich op dezelfde wijze als de spanning. Dit betekent dat de stroom gelijktijdig met de spanning toeneemt, na de piekwaarde weer daalt en bij de negatieve halve golf van richting verandert. Daarom spreken we ook van wisselstroom. De beginletters van de Engelse term Alternated Current (AC) worden ook in het Duits gebruikt voor wisselstroom.
Hint:
Het grote voordeel van wisselspanning of wisselstroom is de mogelijkheid tot transformatie. Met twee spoelen op een ijzeren kern (transformator) kan een wisselspanning van b.v. 230 V gemakkelijk worden omgezet in een wisselspanning van 12 V.
Wat betekent 230 V/50 Hz?
In het kader van de harmonisatie werd de netspanning in 1987 in heel Europa op een uniforme 230 V vastgesteld. Sinds 2009 bedraagt de maximaal toelaatbare spanningsschommeling ± 23 V.
Dit betekent dat de netspanning kan variëren tussen 207 V en 253 V. De aangegeven spanningswaarden beschrijven de effectieve spanning. Dit betekent: Als een verwarmingsweerstand wordt aangesloten op de netspanning van 230 V van het stopcontact, bereikt hij hetzelfde verwarmingsvermogen als wanneer hij op een directe spanning van 230 V zou werken.
Aangezien echter bij een sinusoïdale wisselspanning de spanning tussen de halve golven altijd naar 0 volt terugkeert, moeten de spanningspieken (Us) dus aanzienlijk hoger zijn dan 230 V. In de praktijk is de waarde ongeveer 325 V. Het bijgevoegde schema illustreert deze relaties.
De piekwaarden van de wisselspanning liggen ver boven 230 V.
Wat zijn gemengde spanningen?
Ongestabiliseerde voedingen hebben een zekere golving.
Men spreekt van gemengde spanningen wanneer een gelijkspanning wordt gesuperponeerd met een wisselspanning.
In de praktijk worden gemengde spanningen vaak aangetroffen in ongestabiliseerde stekkernetvoedingen. Deze voedingen bevatten gewoonlijk een bruggelijkrichter (diode D1 - 4) die de negatieve halve golf omvouwt naar het positieve spanningsbereik. Zonder een filtercondensator (C), die de uitgangsspanning op ongeveer hetzelfde niveau houdt (zie blauwe lijn), zou de spanning tussen de halve golven altijd terugvallen tot nul.
Aangezien de filtercondensator echter altijd iets ontlaadt tussen de afzonderlijke spanningspieken van de sinus-helften, schommelt de gelijkspanning voortdurend in niveau. In dit geval spreken deskundigen van rimpel in de spanning. Overeenkomstig de spanningsveranderingen van de gemengde spanning, vloeit er dan ook een voortdurend veranderende gemengde stroom. Dit betekent: De gelijkstroom fluctueert in het ritme van de gesuperponeerde wisselspanning.
Wat is driefasige wisselstroom of driefasige stroom?
Voor veel toepassingen en consumenten thuis en op kantoor is 230 V netspanning volkomen toereikend. In de handel of de industrie is dit echter heel vaak niet het geval.
Hier is meer vermogen nodig voor de elektrische energievoorziening van motoren, grote machines en systemen. Daarom worden in de stroomgeneratoren niet één, maar drie spoelen gebruikt om elektriciteit te produceren. De middelste aansluiting van de drie spoelen wordt gecombineerd in een gemeenschappelijk punt en verbonden met de aarde. De andere drie uiteinden van de spoel worden naar buiten geleid als fase L1, L2 en L3.
Driefasige generatoren leveren wisselspanningen verschoven met 120°
Hint:
Of een spoel roteert in een magnetisch veld van een vaste magneet of omgekeerd is voor het functionele principe irrelevant.
De sinusgolven zijn 120° verschoven.
De drie spoelen zijn mechanisch 120° uit elkaar geplaatst. Bijgevolg zijn de drie sinusgolven ook 120° in tijd verschoven.
Indien de wisselspanning aan één spoel wordt gemeten, resulteert dit in een waarde van 230 V. Deze spanning wordt gebruikt in gebouwinstallaties voor stopcontacten en verlichting.
Indien de spanning echter tussen twee fasen wordt gemeten, tellen de spanningswaarden van beide spoelen bij elkaar op. Bijgevolg is de effectieve waarde hier 400 V en de piekwaarde 565 V.
Aangezien driefasige wisselstroom hoofdzakelijk wordt gebruikt voor de voeding van grote elektromotoren, heeft dit type stroomvoorziening zich in de omgangstaal ook gevestigd als zware stroom, driefasige stroom of krachtstroom. De elektromotoren worden dienovereenkomstig ook driefasenelektromotoren of driefasenmotoren genoemd.
CEE-stekker (links) met 5 contacten en aardingscontactstekker (rechts) met 3 contacten.
In tegenstelling tot de driepolige geaarde contactdozen die men in elk kantoor en elke werkplaats aantreft, hebben de contactdozen of stekkers voor driefasige wisselstroom of driefasige stroom vijf stekkercontacten en worden zij CEE-stekkers genoemd.
De energieleveranciers hebben er belang bij alle drie de fasen van het elektriciteitsnet gelijkelijk te belasten. Daarom worden alle drie fasen ter beschikking gesteld van de eindgebruiker voor de installatie van het gebouw. Zelfs als de eindverbruiker geen aansluiting met driefasestroom nodig heeft.
Het is dan de taak van de elektrische installatie om de bestaande verbruikers via een adequate verdeling gelijkmatig over de drie fasen te verdelen.
Interessante vragen over stroom en spanning
Waarom wordt gevaarlijke 230 V gebruikt voor de stroomvoorziening van gebouwen?
De hoge spanning betekent dat de stroom laag kan worden gehouden. Dit maakt het mogelijk om kabels van 1,5 mm² of 2,5 mm² te gebruiken voor de elektrische installatie en zo de kosten beheersbaar te houden.
Waarom staat er hoogspanning op bovengrondse hoogspanningslijnen?
Stroomkabels hebben een ohmse weerstand die niet kan worden vermeden. Hoe groot het spanningsverlies ten gevolge van de lijnweerstand is, hangt af van hoeveel stroom er over de lijn loopt. Om de stroomsterkte zo laag mogelijk te houden, wordt de spanning voor lange afstanden getransformeerd tot enkele 100.000 V. Dit zorgt ervoor dat zo weinig mogelijk stroom verloren gaat tijdens de stroomtransmissie.
Waarom kunnen vogels op hoogspanningskabels zitten zonder dat er iets met ze gebeurt?
De vogels zitten immers maar op één geleider, waarbij de afstand tussen de poten zo klein is dat het spanningspotentiaal vrijwel gelijk is. Het wordt gevaarlijk wanneer vogels met een grote spanwijdte met hun vleugeltippen in de buurt komen van twee elektriciteitsleidingen of een elektriciteitsleiding en de geaarde mast. Dit kan gemakkelijk leiden tot gevaarlijke spanningsflitsen.
Wanneer worden spanningen gevaarlijk?
Volgens de Vereniging voor Elektrische, Elektronische & Informatietechnologieën e. V. (VDE), bedraagt de maximale aanraakspanning 50 V/AC en 120 V/DC. De stroom die vloeit hangt af van de lichaamsweerstand. Bij een wisselstroom met 50 Hz kunnen reeds bij 45 mA ernstige gezondheidsproblemen optreden. Dat is de reden waarom aardlekschakelaars al bij 30 mA uitschakelen.
Zijn elektrische weideafsluitingen gevaarlijk voor mensen?
In principe niet! Want hoewel de weideomheiningsgeneratoren zeer hoge spanningen van verscheidene duizenden volts produceren, stort de spanning onmiddellijk in zodra er zelfs maar een kleine stroom vloeit. Mensen met een hartkwaal mogen echter nog steeds niet opzettelijk een onder stroom staande afrasteringsdraad aanraken.
Waarom krijg je soms een elektrische schok als je deuren aanraakt?
Dit gebeurt als je met goed geïsoleerde schoenen over een tapijtvloer loopt. De wrijving veroorzaakt een elektrostatische lading. Het materiaal met de zwakkere elektronenbinding geeft elektronen af aan het materiaal met de sterkere elektronenbinding. Zo ontstaat een potentiaalverschil. Wanneer een deur of een metalen plank wordt aangeraakt, ontlaadt zich de elektrische energie van het potentiaalverschil, wat wordt gevoeld als een korte maar onaangename "elektrische schok".