Serie- en parallelschakelingen

Leerdoelen

•Je kunt uitleggen welke verschillende spanningsbronnen er zijn en hoe je elektrische energie kunt opslaan.

•Je kunt uitleggen wat serieschakelingen en parallelschakelingen zijn.

•Je kunt de verschillen tussen serie- en parallelschakelingen benoemen als je kijkt naar spanning, stroomsterkte en weerstand.

Spanningsbronnen

Spanningsbronnen kunnen worden onderverdeeld in gelijkspanningsbronnen en wisselspanningsbronnen. Voorbeelden van gelijkspanningsbronnen zijn batterijen, accu's en zonnecellen. Wisselspanningsbronnen zijn onder andere de dynamo op je fiets en de stopcontactspanning in huis.

Bij gelijkspanningsbronnen lopen de elektronen altijd dezelfde kant op. Dit komt doordat de pluspool en minpool vaststaan. Hieronder wordt de gelijkspanning in een spanning-tijddiagram afgebeeld.

Bij wisselspanning is een van de polen 0 V en de andere is afwisselend plus en min. Dit betekent dus ook dat de elektronen continu van richting veranderen. In een spanning-tijddiagram ziet dat er als volgt uit:

Elektrische energie opslaan

Elektrische energie kan worden opgeslagen in bijvoorbeeld batterijen, accu's en waterstofcellen. Daarnaast helpt de natuur ons door energie in fossiele brandstoffen zoals olie, kolen en gas op te slaan via fotosynthese. De energiedichtheid is het aantal joule energie dat per kilogram energiebron is opgeslagen. De energiedichtheid is het grootst bij kernenergie, terwijl accu's juist een hele lage energiedichtheid hebben.

Waterstofcel

Een waterstofcel is een batterij gevuld met waterstof (H_2H), dit reageert bij de negatieve pool (de anode). Zuurstof (O_2O)) uit de lucht reageert bij de positieve pool (kathode). De cel levert dan spanning tussen de anode en kathode en produceert water (H_2OH_2H_2)H_2)IH_2)H_2)H_2H). Om de waterstofcel duurzaam te maken moet er sprake zijn van elektrolyse van water voor het opwekken van waterstof. Verder moeten er duurzame bronnen gebruikt worden voor de elektrische energie die nodig is voor de elektrolyse.

Stroomsterkte en spanning

•Stroomsterkte (I) wordt gemeten in ampère () en geeft de hoeveelheid elektronen aan die per tijdseenheid voorbijkomen. Dit wordt gemeten met een ampèremeter die in serie is geschakeld en een zeer kleine weerstand heeft. De eenheid ampère () is gelijk aan één coulomb per seconde (), wat leidt tot de formuleI=\frac{\Delta Q}{t}I=I=I=I=I=I=I=I=I=I=I=I=I=I=I=I=I=I=I=I.

•Spanning (U) wordt gemeten in volt () en is de hoeveelheid elektrische energie per elektron. Dit meten we met een voltmeter, die parallel wordt geschakeld en een zeer grote weerstand heeft.

Serie- en parallelschakelingen

Serieschakelingen

In een serieschakeling zijn elektrische apparaten achter elkaar geschakeld. Dit betekent dat de stroom door alle apparaten dezelfde is (I_{bron}=I_1=I_2=I_3=I_{tot}I_{bron}=I_1=I_2=I_3=I_{to}I_{bron}=I_1=I_2=I_3=I_{t}I_{bron}=I_1=I_2=I_3=II_{bron}=I_1=I_2=I_3=I_{bron}=I_1=I_2=I_3I_{bron}=I_1=I_2=II_{bron}=I_1=I_2=I+I_{bron}=I_1=I_2=I+3I_{bron}=I_1=I_2=I+I_{bron}=I_1=I_2=II_{bron}=I_1=I_2=I3I_{bron}=I_1=I=I3I_{bron}=I_1=I2=I3I_{bron}=I_11=I2=I3I_{bron}=I1=I2=I3I_{bro}=I1=I2=I3I_{br}=I1=I2=I3I_{b}=I1=I2=I3I_{b}r=I1=I2=I3I_{b}ro=I1=I2=I3) en dat de totale spanning de som is van de spanningen over elk apparaat (U_{bron}=U_1+U_2+U_3=U_{tot}U_{bron}=U_1+U_2+U_3=U_{to}U_{bron}=U_1+U_2+U_3=U_{t}U_{bron}=U_1+U_2+U_3=UU_{bron}=U_1+U_2+U_3=U_{bron}=U_1+U_2+U_3U_{bron}=U_1+U_2+UU_{bron}=U_1+U_2+U3U_{bron}=U_1+U+U3U_{bron}=U_1+U2+U3U_{bron}=U+U2+U3U_{bron}=U1+U2+U3U_{bro}=U1+U2+U3U_{br}=U1+U2+U3U_{b}=U1+U2+U3U_{b}r=U1+U2+U3U_{b}ro=U1+U2+U3U_{b}ron=U1+U2+U3U_{b}ro=U1+U2+U3U_{b}r=U1+U2+U3U_{b}=U1+U2+U3U_{b}r=U1+U2+U3U_{b}ro=U1+U2+U3).

Belangrijk is dat als één apparaat in een serieschakeling uitvalt, alle apparaten uitgaan omdat de stroomkring is onderbroken.

Ook spanningsbronnen kunnen in serie worden geschakeld. Je mag de spanning dan optellen. Zie bijvoorbeeld de afbeelding hieronder. Elke spanningsbron levert los2{,}5\;V25\;V2,5\;V2,5V2,5V2,5V. De spanning tussen A en B is3\cdot2{,}5=7{,}5\;V3\cdot2{,}5=7{,}5\;3\cdot2{,}5=7{,}5\;3\cdot2{,}5=7{,}5\;3\cdot2{,}5=7{,}5\;3\cdot2{,}5=7{,}5\;3\cdot2{,}5=7{,}5\;3\cdot2{,}5=7{,}5\;3\cdot2{,}5=7{,}5\;3\cdot2{,}5=7{,}5\;3\cdot2{,}5=7{,}5\;3\cdot2{,}5=7{,}5\;3\cdot2{,}5=7{,}5\;3\cdot2{,}5=7{,}5\;3\cdot2{,}5=7{,}53\cdot2{,}5=7{,}53\cdot2{,}5=7{,}53\cdot2{,}5=7{,}5V3\cdot2{,}5=7{,}53\cdot2{,}5=7{,}3\cdot2{,}5=73\cdot2{,}5=3\cdot2{,}53\cdot2{,}3\cdot23\cdot33333322{,}2, en in het totale systeem is A de minpool en B de pluspool.

In het tweede voorbeeld is de middelste spanningsbron omgedraaid, hierdoor wordt de spanning van de omgedraaide bron van het totaal afgetrokken (2\cdot2{,}5-2{,}5=2{,}5\;V2\cdot2{,}5-2{,}5={,}5\;V2\cdot2{,}5-2{,}5=7{,}5\;V2\cdot2{,}5-2{,}=7{,}5\;V2\cdot2{,}5-2{,}4=7{,}5\;V2\cdot2{,}5-2{,}=7{,}5\;V2\cdot2{,}5-2=7{,}5\;V2\cdot2{,}5-=7{,}5\;V2\cdot2{,}5=7{,}5\;V\cdot2{,}5=7{,}5\;V). De spanning tussen E en F is dan0\;V0V0V0VV2V2,V2,5V, en de spanning tussen C en D is dus. C is de minpool en D de pluspool.

Parallelschakelingen

In een parallelschakeling zijn apparaten naast elkaar geschakeld, zoals verschillende klassen op school. De stroom verdeelt zich over de apparaten (I_{bron}=I_1+I_2+I_3=I_{tot}I_{bron}=I_1+I_2+I_3=I_{to}I_{bron}=I_1+I_2+I_3=I_{t}I_{bron}=I_1+I_2+I_3=II_{bron}=I_1+I_2+I_3=I-I_{bron}=I_1+I_2+I_3=II_{bron}=I_1+I_2+I_3=I_{bron}=I_1+I_2+I_3I_{bron}=I_1+I_2+II_{bron}=I_1+I_2+I3I_{bron}=I_1+I+I3I_{bron}=I_1+I2+I3I_{bron}=I+I2+I3I_{bron}=I1+I2+I3I_{bro}=I1+I2+I3I_{br}=I1+I2+I3I_{b}=I1+I2+I3I_{bf}=I1+I2+I3I_{bfo}=I1+I2+I3I_{bfon}=I1+I2+I3I_{bfo}=I1+I2+I3I_{bf}=I1+I2+I3I_{b}=I1+I2+I3I_{b}r=I1+I2+I3I_{b}ro=I1+I2+I3), maar de spanning over elk apparaat is hetzelfde als de bronspanning (U_{bron}=U_1=U_2=U_3=U_{tot}U_{bron}=U_1=U_2=U_3=U_{to}U_{bron}=U_1=U_2=U_3=U_{t}U_{bron}=U_1=U_2=U_3=U_{}U_{bron}=U_1=U_2=U_3=U_{r}U_{bron}=U_1=U_2=U_3=U_{ro}U_{bron}=U_1=U_2=U_3=U_{r}U_{bron}=U_1=U_2=U_3=UU_{bron}=U_1=U_2=U_3=U_{bron}=U_1=U_2=U_3U_{bron}=U_1=U_2=U_3+U_{bron}=U_1=U_2=U_3U_{bron}=U_1=U_2=UU_{bron}=U_1=U_2=U3U_{bron}=U_1=U=U3U_{bron}=U_1=U2=U3U_{bron}=U=U2=U3U_{bron}=U1=U2=U3U_{bro}=U1=U2=U3U_{brom}=U1=U2=U3U_{bro}=U1=U2=U3U_{br}=U1=U2=U3U_{b}=U1=U2=U3U_{b}r=U1=U2=U3U_{b}ro=U1=U2=U3).

Een groot voordeel van parallelschakelingen is dat als één apparaat uitvalt, de andere apparaten blijven werken.

Gemengde schakeling

Een gemengde schakeling is een combinatie van serie- en parallelschakelingen. Om de totale spanning, stroomsterkte of weerstand te berekenen, pas je de regels voor serie- en parallelschakelingen stapsgewijs toe op de verschillende onderdelen van de schakeling.

Weerstand in schakelingen

Weerstand () meet je met een multimeter of bereken je met de wet van Ohm:R=\frac{U}{I}R=\frac{U}{I}.R=\frac{U}{I}I.R=\frac{U}{\placeholder{}}I.R=UI.R=U/I.OR=U/I.OhR=U/I.OhmR=U/I.Ohm: R=U/I.\frac{1}{R_{totaal}}=\frac{1}{R_1}+\frac{1}{R_2}+\frac{1}{R_3}R.\frac{1}{R_{totaal}}=\frac{1}{R_1}+\frac{1}{R_2}+\frac{1}{R_3}R3.\frac{1}{R_{totaal}}=\frac{1}{R_1}+\frac{1}{R_2}+\frac{1}{R}R3.\frac{1}{R_{totaal}}=\frac{1}{R_1}+\frac{1}{R_2}+\frac{1}{R_3}R3.\frac{1}{R_{totaal}}=\frac{1}{R_1}+\frac{1}{R_2}+\frac{1}{R_3}R.Ohm: R=U/I.Ohm: R=U/I.Ohm:R=\frac{U}{\placeholder{}}I.Ohm:R=\frac{U}{}I.Ohm:R=\frac{U}{I}I.Ohm:R=\frac{U}{I}.Ohm:R=\frac{U}{I}I.Ohm:R=\frac{U}{\placeholder{}}I.Ohm:R=UI..

In een serieschakeling geldt:R_{totaal}=R_1+R_2+R_3R_{totaal}=R_1+R_2+R_3.R_{totaal}=R_1+R_2+R.R_{totaal}=R_1+R_2+R3.R_{totaal}=R_1+R+R3.R_{totaal}=R_1+R++R3.R_{totaal}=R_1+R+2+R3.R_{totaal}=R_1+R++R3.R_{totaal}=R_1+R+R3.R_{totaal}=R_1+R2+R3.R_{totaal}=R+R2+R3.R_{totaal}=R1+R2+R3.R_{totaa}=R1+R2+R3.R_{tota}=R1+R2+R3.R_{total}=R1+R2+R3.R_{tota}=R1+R2+R3.R_{tot}=R1+R2+R3.R_{to}=R1+R2+R3.R_{t}=R1+R2+R3.R_{t}o=R1+R2+R3.R_{t}ot=R1+R2+R3.R_{t}ota=R1+R2+R3.R_{t}otaa=R1+R2+R3..

In een parallelschakeling vermindert de totale weerstand:\frac{1}{R_{totaal}}=\frac{1}{R_1}+\frac{1}{R_2}+\frac{1}{R_3}\frac{1}{R_{totaal}}=\frac{1}{R_1}+\frac{1}{R_2}+\frac{1}{R_3}.\frac{1}{R_{totaal}}=\frac{1}{R_1}+\frac{1}{R_2}+\frac{1}{R_3}R.\frac{1}{R_{totaal}}=\frac{1}{R_1}+\frac{1}{R_2}+\frac{1}{R_3}R3.\frac{1}{R_{totaal}}=\frac{1}{R_1}+\frac{1}{R_2}+\frac{1}{R}R3.\frac{1}{R_{totaal}}=\frac{1}{R_1}+\frac{1}{R_2}+\frac{1}{\placeholder{}}R3.\frac{1}{R_{totaal}}=\frac{1}{R_1}+\frac{1}{R_2}+1R3.\frac{1}{R_{totaal}}=\frac{1}{R_1}+\frac{1}{R_2}+1/R3.\frac{1}{R_{totaal}}=\frac{1}{R_1}+\frac{1}{R_2}R+1/R3.\frac{1}{R_{totaal}}=\frac{1}{R_1}+\frac{1}{R_2}R2+1/R3.\frac{1}{R_{totaal}}=\frac{1}{R_1}+\frac{1}{R}R2+1/R3.\frac{1}{R_{totaal}}=\frac{1}{R_1}+\frac{1}{\placeholder{}}R2+1/R3.\frac{1}{R_{totaal}}=\frac{1}{R_1}+1R2+1/R3.\frac{1}{R_{totaal}}=\frac{1}{R_1}+1/R2+1/R3.\frac{1}{R_{totaal}}=\frac{1}{R_1}R+1/R2+1/R3.\frac{1}{R_{totaal}}=\frac{1}{R_1}R1+1/R2+1/R3.\frac{1}{R_{totaal}}=\frac{1}{R}R1+1/R2+1/R3.\frac{1}{R_{totaal}}=\frac{1}{\placeholder{}}R1+1/R2+1/R3.\frac{1}{R_{totaal}}=1R1+1/R2+1/R3.\frac{1}{R_{totaal}}=1/R1+1/R2+1/R3.\frac{1}{R_{totaal}}R=1/R1+1/R2+1/R3.\frac{1}{R_{totaal}}R_{}=1/R1+1/R2+1/R3.\frac{1}{R_{totaal}}R_{t}=1/R1+1/R2+1/R3.\frac{1}{R_{totaal}}R_{t}o=1/R1+1/R2+1/R3.\frac{1}{R_{totaal}}R_{t}ot=1/R1+1/R2+1/R3.\frac{1}{R_{totaal}}R_{t}ota=1/R1+1/R2+1/R3.\frac{1}{R_{totaal}}R_{t}otaa=1/R1+1/R2+1/R3.\frac{1}{R_{totaal}}R_{t}otaal=1/R1+1/R2+1/R3.\frac{1}{R_{totaa}}R_{t}otaal=1/R1+1/R2+1/R3.\frac{1}{R_{tota}}R_{t}otaal=1/R1+1/R2+1/R3.\frac{1}{R_{tot}}R_{t}otaal=1/R1+1/R2+1/R3.\frac{1}{R_{to}}R_{t}otaal=1/R1+1/R2+1/R3.\frac{1}{R_{t}}R_{t}otaal=1/R1+1/R2+1/R3.\frac{1}{R}R_{t}otaal=1/R1+1/R2+1/R3.\frac{1}{\placeholder{}}R_{t}otaal=1/R1+1/R2+1/R3.1R_{t}otaal=1/R1+1/R2+1/R3..

Hoe meer apparaten je parallel aansluit, hoe lager de totale weerstand wordt.