Elektronische basiscomponenten
Deze pagina behandelt de elektronische basiscomponenten: weerstanden, condensatoren, spoelen, transformatoren en kwartskristallen, hoe ze te identificeren en hun algemene storingen te begrijpen, en hoe ze te testen.
Samenvatting
De meest elementaire elementen die de basis van een elektronische schakeling vormen zijn weerstanden en potentiometers (of regelbare weerstanden), verschillende soorten condensatoren, spoelen en transformatoren, en kwartskristallen. We beschrijven hieronder hoe u ze kunt identificeren, wat ze doen, hoe ze soms falen en hoe u ze kunt testen.
U kunt deze pagina op zichzelf lezen, maar als u nog niet vertrouwd bent met elektrische en elektronische basistheorie zult u merken dat u er meer aan hebt als u eerst Elektrische schakelingen, Volt, Ampère, Watt en Ohm leest.
Weerstanden
In veel schakelingen zijn weerstanden de meest voorkomende componenten. Ze zijn over het algemeen ook het goedkoopst. Hun doel is om de stroom bij een bepaalde spanning te beperken of om een bepaalde spanning te laten ontstaan bij een bepaalde stroom. De meeste bestaan uit een dunne laag oxide of koolstof, afgezet op een keramische basis. In een weerstand ontstaat altijd warmte als de stroom vloeit, vaak slechts een kleine hoeveelheid, maar soms kan de warmte vrij groot zijn.
Af en toe kunt u een weerstand met een negatieve temperatuurcoëfficiënt (NTC) tegenkomen. Dat is een weerstand waarvan de weerstand duidelijk afneemt bij toenemende temperatuur, of een lichtafhankelijke weerstand (LDR) waarvan de weerstand afneemt bij toenemend licht.
De weerstand wordt gemeten in Ohm (Ω), kiloOhm (kΩ - duizend Ohm) of MegaOhm (MΩ - miljoen Ohm).
Terzijde: weerstanden zijn weliswaar de meest voorkomende en goedkoopste componenten in een conventioneel circuit, maar ze zijn duur om op een siliciumchip te fabriceren omdat ze veel ruimte innemen. Bijgevolg kan een chip miljarden transistors bevatten maar weinig of geen weerstanden!
Identificatie
Weerstanden hebben 2 draden en hun weerstand wordt meestal aangegeven door een aantal gekleurde banden (zie kleurcode van de weerstand).
Opbouwweerstanden (SMD) zijn meestal zwart, rechthoekig en met een zilverkleurig soldeerplaatje aan elk uiteinde. Zej variëren in grootte van enkele millimeters tot een fractie van een millimeter.
Een vermogensweerstand is groter dan een gewone, zodat hij de vereiste hoeveelheid warmte kan afvoeren. Vaak staat de waarde erop gedrukt in plaats van met een kleurcode aangegeven.
Foutopsporing en reparatie
Weerstanden zijn meestal zeer betrouwbaar. Als ze uitvallen, meestal door oververhitting, is dat bijna altijd het gevolg van een ander defect onderdeel waardoor er te veel stroom gaat lopen. In slecht ontworpen apparatuur met onvoldoende voorzieningen voor warmteafvoer kan matige oververhitting over een lange periode een storing veroorzaken.
Potentiometers
Een potentiometer (of kortweg pot) is een weerstand met een derde aansluiting die naar elk punt van zijn lengte kan worden bewogen, zodat elk gewenst deel van de totale weerstand kan worden afgetapt.
Identificatie
Potentiometers worden zeer vaak gebruikt voor de volumeregeling in audioapparatuur (hoewel tegenwoordige digitale regelaars worden gebruikt). Deze hebben een spindel met een knop aan de voorzijde, of soms een gekarteld wieltje waarvan de rand blootligt om te worden ingesteld. Dubbele potentiometers bestaan uit twee op één spindel gemonteerde potentiometers. Ze worden vaak aangetroffen in stereoapparatuur voor het regelen van het volume van beide stereokanalen.
Kleine potentiometers met een gegroefde schroefkop worden vaak aangetroffen in apparatuur voor eenmalige afstelling tijdens fabricage en testen.
Foutopsporing en reparatie
Potentiometers zijn veel minder betrouwbaar dan vaste weerstanden. De baan kan versleten raken of barsten, of de druk van de schuifknop op de baan kan verzwakken. Soms kan de druk worden verhoogd door het metalen schuifje te buigen, maar potmeters zijn normaal gesproken niet ontworpen om uit elkaar te worden gehaald en kunnen het best worden vervangen voor een duurzame oplossing.
Een snelle oplossing die soms werkt is om reinigingsvloeistof voor de schakelaar in de behuizing te spuiten via eventuele openingen of gleuven die u kunt zien, zoals onder de terminals, en dan de knop herhaaldelijk van de ene naar de andere kant te draaien.
Als u in een apparaat een schroefkop met gleuf vindt, stel deze dan nooit bij, tenzij u weet waarvoor hij dient en hoe u de juiste positie kunt vinden. Zelfs dan kunt u best de oorspronkelijke positie markeren voordat u begint, zodat u er altijd naar terug kunt keren.
Condensatoren
Als er een spanning over een condensator staat, bevat de ene plaat vooral negatieve ladingen en de andere vooral positieve. Omdat gelijkvormige ladingen elkaar afstoten, loopt er stroom bij het sluiten van het circuit (bv door een schakelaar te sluiten).
Elektriciteit stapelt zich in beperkte mate op over de condensator als je een spanning uitoefent. Dit is het opladen van de condensator.
Als er geen weerstand is in de stroomkring, zal de spanning over de condensator heel snel de maximumwaarde bereiken. Hoe groter de condensator (maw hoe groter de capaciteit) hoe langer dit duurt.
Een condensator is een apparaat dat elektriciteit laat opstapelen door het ruimte te geven. Een van de eenvoudigste types bestaat gewoon uit twee lange stroken aluminiumfolie, gescheiden door een dunne isolerende strook plastic, en dan opgerold, met een draad verbonden met elke strook. Als je die aansluit op de twee polen van een batterij, stroomt er positieve lading uit de positieve pool van de batterij naar een van de stroken. Omdat hij dicht bij de andere strook ligt, stoot hij evenveel positieve lading van die strook af, die terugvloeit naar de negatieve pool van de batterij. Als u de accu loskoppelt, blijft de elektrische lading bestaan totdat u de twee draden met elkaar verbindt, zodat deze zich kan ontladen.
De grootte van een condensator wordt aangeduid als de capaciteit. Die wordt uitgedrukt in Farads (F), of meestal in microFarads (μF - miljoenste van een Farad), nanoFarads (nF - miljardste van een Farad), of picoFarads (pF - miljoenste van een Farad).
U kunt de capaciteit verdubbelen door het oppervlak waarover de lading zich moet verspreiden te verdubbelen. Maar dat kan ook door de dikte van de isolerende laag te halveren, want daardoor kan de lading aan de ene kant gemakkelijker lading uit de andere kant duwen. Maar een voldoende grote spanning zou een zeer dunne isolatielaag destructief doorbreken. Een condensator heeft daarom ook een doorslagspanningswaarde, namelijk de hoogste spanning die hij veilig kan verdragen. Deze mag in geen geval worden overschreden.
Condensatoren worden gebruikt wanneer de circuitontwerper fluctuaties moet afvlakken, of wanneer het nodig is fluctuaties (b.v. een audiosignaal) van het ene deel van een circuit naar het andere te laten stromen, terwijl elke gelijkstroom wordt geblokkeerd.
Identificatie
Net als weerstanden hebben condensatoren slechts twee aansluitingen, maar ze zijn er in allerlei vormen en maten. Op de condensator staat meestal de capaciteit en de doorslagspanning vermeld en voor sommige types ook de maximum temperatuur.
Opbouwcondensatoren (SMD) met een lage waarde zijn meestal grijs of geelbruin van kleur, rechthoekig en met een zilverkleurig soldeerpad aan elk uiteinde. Ze zijn meestal een paar millimeter lang.
Elektrolytische condensatoren worden zeer vaak gebruikt wanneer een hoge capaciteitswaarde vereist is. De meest voorkomende zijn aluminium types, die te herkennen zijn aan de cilindrische aluminium behuizing, meestal met een afdekking van plastic folie. Eén poot is negatief ("-") gemarkeerd op de aangrenzende zijde of het uiteinde van de behuizing.
Tantaalcondensatoren zijn een hoogwaardigere (en duurdere) soort elektrolytische condensator waarbij tantaal in plaats van aluminium wordt gebruikt. Ze worden geleverd als een met hars beklede kraal. Meestal is de positieve poot gemarkeerd met "+".
Condensatoren die rechtstreeks op het lichtnet worden aangesloten hebben een speciale veiligheidsclassificatie nodig. Dit is klasse X voor condensatoren die dwars op het lichtnet zijn aangesloten, waar een storing brandgevaar kan opleveren, en klasse Y voor condensatoren die tussen het lichtnet en de aarde zijn aangesloten, waar een storing een gevaar voor elektrische schokken kan opleveren. Dergelijke condensatoren moeten altijd worden vervangen door condensatoren van dezelfde klasse. Voor huishoudelijke apparatuur is subklasse X2 of Y2 vereist. Meer informatie over condensatoren van klasse X en klasse Y vindt u in dit artikel (in het Engels).
Oudere apparatuur van vóór de X- en Y-classificatie gebruikt vaak met epoxy ingekapselde RIFA-condensatoren, zoals afgebeeld. Deze zullen het einde van hun levensduur naderen en moeten onmiddellijk worden vervangen door moderne klasse X- of klasse Y-onderdelen.
Foutopsporing en reparatie
Condensatoren zijn meestal zeer betrouwbaar, behalve elektrolytische types, die een van de meest voorkomende oorzaken van defecten in elektronische apparatuur zijn.
In een elektrolytische condensator bestaat de isolatielaag uit een elektrochemisch gevormde film van aluminiumoxide met een dikte van slechts enkele miljoensten van een millimeter. Deze kan verslechteren na een lange periode van niet-gebruik (vele jaren) of na een kortere periode dichtbij of voorbij de maximale spanning en/of temperatuur. Ook kan de vloeistof die wordt gebruikt om de isolerende laag te vormen, uitdrogen. Het komt vaak voor dat elektrolytische condensatoren van slechte kwaliteit binnen hun nominale waarden het begeven.
Een falende elektrolytische condensator is vaak te herkennen aan een ophoping van interne druk, waardoor de bovenkant uitpuilt, de condensator niet meer gelijk ligt met de printplaat of er elektrolyt uit de bodem lekt. In dit stadium presteert hij waarschijnlijk niet meer goed, waardoor de apparatuur niet meer goed functioneert. Als hij niet wordt vervangen, kan hij zelfs exploderen. Zelfs als een elektrolytische condensator geen zichtbare tekenen van verslechtering vertoont, is het echter geenszins zeker dat hij nog goed is.
De eenvoudigste betrouwbare methode om een elektrolytische condensator te testen is met een ESR (Equivalent Series Resistance) tester. Er zijn goedkope, eenvoudig exemplaar met een grafisch display maar zonder behuizing te koop. Dit is een uitstekende investering omdat het ook vele andere soorten componenten kan identificeren en testen. Een goede elektrolytische condensator moet een ESR van een fractie van een ohm vertonen, en een vloss (een andere maat die deze testers geven) van een fractie van een procent.
Als een elektrolytische condensator moet worden vervangen, is het van groot belang dat dit op de juiste manier gebeurt (de "+" of de "-" markering aan dezelfde kant als origineel), omdat anders het elektrolytische vormingsproces wordt omgekeerd en de condensator snel defect raakt. Tip: de langste poot is de positieve kant.
Het is ook altijd een goed idee om ze te vervangen door een exemplaar met een hogere spanning en/of temperatuur, want het origineel kan te laag gewaardeerd zijn. Gebruik nooit een vervanger met een lager vermogen. Als er geen vervanging met dezelfde capaciteit beschikbaar is, zal een hogere waarde tot tweemaal de originele bijna altijd goed werken, of mogelijk zelfs beter, omdat er in elk geval een aanzienlijke variatie is in de capaciteit van identiek gemarkeerde elektrolytische condensatoren.
De site badcaps.net heeft nuttige tips voor het vervangen van elektrolytische condensatoren.
Spoelen
Een spoel bestaat eenvoudigweg uit een opgerolde draad. Wanneer een stroom vloeit creëert het een magnetisch veld, dat energie opslaat. Door de spoel om een kern van magnetisch materiaal zoals ijzer of ferriet te wikkelen, wordt deze gemagnetiseerd, waardoor de hoeveelheid opgeslagen energie sterk toeneemt.
Terwijl een condensator energie opslaat als elektrische lading en kan worden gebruikt om variaties in de spanning af te vlakken, slaat een spoel energie op als magnetische flux en heeft de neiging om variaties in de stroom af te vlakken. In een dergelijke toepassing wordt hij vaak een smoorspoel genoemd, omdat hij variaties in de stroom smoort.
In feite is er een prachtige symmetrie tussen de wiskundige vergelijkingen die condensatoren en spoelen beschrijven. Als je een spoel en een condensator in een schakeling combineert, bloeit deze symmetrie op en gebeurt er iets heel bijzonders. Een spanning op de condensator probeert een stroom door de spoel te sturen, maar als de stroom eenmaal op gang komt, probeert de spoel hem op gang te houden, en drijft uiteindelijk de lading naar de andere kant van de condensator. Dus het stroomt heen en weer in een zeer regelmatig tempo, precies zoals een kind heen en weer schommelt op een schommel (resonantiekring). Met een variabele condensator (of een variabele spoel) kan de snelheid worden veranderd. Zo stemmen bijna alle oudere AM- en FM-radio's af op de gewenste zender (heterodyne principe).
Inductantie wordt gemeten in Henrys (H), milliHenrys (mH - duizendsten van een Henry), of microHenrys (μH - miljoensten van een Henry).
Identificatie
De smoorspoelen met de kleinste waarde bestaan uit niet meer dan een spoel van dik draad die uit de printplaat omhoog steekt. Sommige kleine smoorspoelen bestaan uit een torus van ferriet met de draadspoel eromheen gewikkeld, en zijn gemakkelijk te herkennen. Bij andere is de spoel gewikkeld rond een ferrietkern in de vorm van een katoenspoel, die soms precies in een holle cilinder van ferriet past. Een common mode smoorspoel heeft twee windingen en wordt soms gebruikt om zowel de spanning als de nul te filteren. Deze verschilt dan in wezen niet van een transformator.
Voor grote inductiewaarden wordt een gelamineerde ijzeren kern gebruikt. Dit komt zelden voor in redelijk moderne apparatuur, maar oude buizenradio's gebruikten vaak twee grote condensatoren en een spoel met ijzeren kern om het lichtnet na gelijkrichting af te vlakken.
Een spoel heeft vaak geen merktekens.
Foutopsporing en reparatie
In een spoel kan weinig fout gaan, behalve misschien een slecht gesoldeerde verbinding. Een zeer zware stroom kan een spoel oververhitten of doorbranden, maar waarschijnlijk niet voordat elders in het circuit al veel schade is aangericht.
Transformatoren
Een transformator is eenvoudigweg een spoel met twee (of meer) spoelen van draad.
Een elektrische stroom creëert altijd een magnetisch veld dat rond de stroom loopt, en een verandering in het magnetisme dat door een circuit loopt, genereert een spanning in dat circuit. In een transformator oefenen we dus kracht uit op één draadspoel, de primaire, en de magnetische flux die daardoor ontstaat wekt een spanning op in de andere spoel(en), de secundaire. Maar het werkt alleen als het magnetisch veld verandert, en dus kan een transformator alleen worden gebruikt voor wisselstroom, niet voor gelijkstroom.
Transformatoren zijn om twee redenen zeer nuttig:
- Als de secundaire spoel meer of minder windingen heeft dan de primaire, zal de geïnduceerde spanning groter of kleiner zijn dan die op de primaire, in verhouding (op- of aftransformeren).
- Aangezien de enige verbinding tussen de primaire en de secundaire magnetisch is, zijn ze elektrisch van elkaar geïsoleerd. Dit kan nuttig zijn om veiligheidsredenen, of wanneer de ontwerper een netto stroom van het ene onderdeel naar het andere moet blokkeren (veiligheidstransfo).
Identificatie
Als je weet hoe je een spoel moet herkennen, dan ziet een transformator er precies hetzelfde uit, behalve dat er minstens 3 draden uit komen, en bijna altijd 4 of meer.
Oudere elektronische apparatuur met netvoeding bevat bijna altijd een transformator met ijzeren kern, die gemakkelijk te herkennen is. Geluidsapparatuur van goede kwaliteit gebruikt soms een ringkerntransformator, omdat dit type minder storende magnetische velden produceert en dus minder achtergrondbrom in de geluidsweergave. Nieuwere apparatuur gebruikt meestal een veel kleinere transformator met een ferrietkern.
Storingen opsporen en repareren
Netwerktransformatoren moeten soms een aanzienlijke hoeveelheid stroom verwerken, zodat ze bij storingen zeer heet kunnen worden. Als de isolatie tussen twee aangrenzende wikkelingen van de primaire of secundaire transformator verbroken is, werken deze wikkelingen als een kortgesloten secundaire en worden ze zeer heet.
Het opnieuw opwinden van een doorgebrande netwerktransformator is niet moeilijk, maar is zelden de moeite waard, omdat het veel tijd en geduld kost.
Kwarts kristallen en keramische resonatoren
Een kwartskristal wordt vaak gebruikt wanneer de ontwerper een oscillatie met een vaste frequentie moet opwekken. Kwarts is een piëzo-elektrisch materiaal, wat betekent dat er een mechanische spanning ontstaat over tegenoverliggende vlakken als je er elektrische spanning op zet, en omgekeerd, als je er elektrische spanning op zet, ontstaat er een mechanische spanning. Een stuk kwarts kan zo worden gesneden en gepolijst dat het resoneert (of trilt als een klok) op een zeer nauwkeurig gekozen frequentie. Geplaatst in een elektronisch circuit dat de resonantie versterkt en in stand houdt, heb je een eenvoudige en zeer stabiele frequentiebron. De foto toont een kristal dat uit zijn beschermende bus is gehaald.
Behalve kwartsuurwerken bevat digitale apparatuur heel vaak een kristal om de oscillatie te leveren die de bewerkingsstappen doorloopt. In een digitaal afgestemde radio genereert een kristaloscillator een referentiefrequentie, waarvan de gewenste frequentie digitaal wordt gegenereerd om op de gekozen zender af te stemmen. Sommige oude FM-radio's bevatten drie kristallen in een glazen omhulsel, vergelijkbaar met een buis. Hierdoor konden drie zenders worden afgestemd door een van de drie kristallen te kiezen.
Keramische resonatoren werken op dezelfde manier, maar zijn goedkoper en minder nauwkeurig in hun frequentie. Deze gebruiken gewoonlijk loodzirkoniumtitanaat in plaats van kwarts. Ze kunnen worden gebruikt in plaats van een kristal in digitale apparatuur als de frequentie daarnaast niet wordt gebruikt voor nauwkeurige timing. Een keramische resonator kan ook worden gebruikt in de middenfrequentie-fasen van een radio om de vereiste frequentie te selecteren. Deze resonatoren hebben drie draden, één bevestigd aan elk uiteinde van één zijde van de resonator, en de derde aan de tegenoverliggende zijde. Het signaal wordt toegepast op de eerste en de derde, waardoor deze over de gehele lengte gaat resoneren. Het signaal wordt gereproduceerd tussen de tweede en derde draad, waarbij eventuele andere afwijkende frequenties sterk worden verminderd.
Identificatie
Kwarts kristallen zijn meestal gemakkelijk te herkennen omdat ze in een zilverkleurig metalen blikje zitten. Bij kwartsuurwerken zijn ze meestal cilindrisch en vrij klein. Vaak zie je naast een kristal twee kleine condensatoren, die nodig zijn om het vrij te laten trillen. Soms is één daarvan een variabele condensator waarmee de resonantiefrequentie, die al tot op ongeveer 10 ppm nauwkeurig is, nauwkeurig kan worden ingesteld.
Een keramische resonator lijkt erg op een kleine condensator, behalve dat hij 3 of zelfs 4 draden kan hebben.
Foutopsporing en reparatie
Kwarts kristallen zijn meestal betrouwbaar, maar storingen zijn mogelijk. Omdat het kristal zelf alleen aan de draden hangt om vrij te kunnen trillen, kan het beschadigd raken door schokken of trillingen, misschien in combinatie met een zwakke verbinding als gevolg van een fabricagefout.
Er is geen eenvoudige manier om een kwartskristal te testen, behalve door het te vervangen. Een multimeter op de draden zal een open circuit aangeven, omdat kwarts een zeer goede isolator is.
En nu...
...wil je misschien verder lezen over Actieve componenten (in het Engels).