Basis ICT/Basis Elektrotechniek

Inleiding

Dit hoofdstuk gaat over eenvoudige elektrotechniek. Het is bedoeld voor systeembeheerders en thuisgebruikers die te maken hebben met elektrische apparaten. Over elektrotechniek is veel te vertellen, daarom zijn de onderwerpen bewust een beperkte selectie. Wie ergens meer over wil weten klikt op de link naar een gespecialiseerd Wikipedia artikel.

Leerdoelen

De lezer kan het volgende na bestuderen van de onderwerpen en het maken van de opdrachten:
1. De volgende begrippen noemen en kort toelichten:

• spanning, stroom, vermogen, stroomkring
• wisselstroom, gelijkstroom, geleiding, weerstand en isolatoren
• elektrische installatie, groepenkast, aarde, zekeringen, stopcontacten
• energiegebruik

2. Van veel voorkomende huishoudelijke en ICT apparaten het energiegebruik onderzoeken en berekenen

Elektriciteit

Elektriciteit is een energiebron voor vele apparaten. De energie wordt gemaakt in elektriciteitscentrales en komt via kabels en stopcontacten in huis of kantoor.
Elektriciteit werkt alleen als het “rond gaat”, dat heet een stroomkring. Voorbeeld: in een stopcontact zitten twee gaten. Als de stekker van een apparaat in het stopcontact wordt gestoken gaat de stroom van het ene gat van het stopcontact (de “fase”) door het apparaat heen het andere gat in (de “nul”). Door de energie uit het stopcontact werkt het apparaat.

Racebaan

Dus: elektriciteit gaat in een stroomkring van plus naar min. Over elektriciteit op een bepaalde plaats wil je drie dingen weten:

• Hoe sterk: spanning
• Hoeveel: stroom
• Hoeveel energie: vermogen

Spanning
De sterkte van elektriciteit heet spanning en wordt gemeten in Volt, afgekort “V”. De Italiaan Alessandro Volta was een natuurkundige uit de 19e eeuw. Vergelijking met water: spanning is de druk die op een waterleiding staat. De stopcontacten in Europa hebben allemaal 230 Volt, die in de USA 110 V. De meeste apparaten werken op 230 of 110 volt. Apparaten die op een lager voltage werken gebruiken een adapter die de spanning terugbrengt van 230 V naar bijvoorbeeld 12 V.
Lees voor meer informatie in Wikipedia: Elektrische spanning

Stroom
De hoeveelheid elektriciteit heet stroom en wordt gemeten in Ampère, afgekort “A”. De Fransman André-Marie Ampère was een natuurkundige uit de 19e eeuw. Vergelijking met water: stroom is de hoeveelheid water die uit een kraan kan stromen. Bij een kraan kun je kiezen hoever je deze opendraait, een stopcontact geeft een vast aantal ampères.
Lees voor meer informatie in Wikipedia: Elektrische stroom

Vermogen
De energie van elektriciteit heet elektrisch vermogen en wordt gemeten in Watt, afgekort “W”. De Schot James Watt was een ingenieur uit de 19e eeuw. Vergelijking met water: voor het blussen van een brand heb je veel waterdruk en veel water nodig. Als één van beiden onvoldoende is wordt er niet goed geblust.

Vermogen = Spanning x Stroom, dus Watt = Volt x Ampère. Voorbeeld: 230 Volt x 16 Ampére = 3680 Watt. Dat is in een woonhuis ongeveer het vermogen van één stroomgroep.

Alle elektrische apparaten halen vermogen uit het stopcontact. Omdat de spanning altijd 230V is nemen ze dus een verschillend aantal Ampères (dat heet stroom) op.
Voorbeelden van vermogen:

• Licht: gloeilampen tussen de 40 en 100 Watt, spaarlampen tussen de 8 en 20 Watt
• Kracht: stofzuiger 1000-2000 Watt
• Warmte: elektrische radiator 2000 Watt, wasdroger 2000 Watt
• Consumentenelektronica: een computer 100-400 Watt, een tv 100-300 Watt

Het werkelijk gebruikte vermogen zit meestal tussen een minimum en een maximum: een wasmachine die water spoelt gebruikt 200 Watt, het water opwarmen vraagt 1500 Watt.

Lees voor meer informatie in Wikipedia: Vermogen

Wisselstroom en gelijkstroom
Er zijn twee soorten elektriciteit: wisselstroom en gelijkstroom. Ze zijn allebei even goed maar hebben verschillende technische eigenschappen, van belang voor de elektrotechnicus.

• Wisselstroom: stopcontact, hoogspanningsleidingen
• Gelijkstroom: batterijen, computers binnenin, (auto)accu’s
  

Lees voor meer informatie in Wikipedia: Gelijkstroom en Wisselstroom

Statische elektriciteit
Er bestaat ook “vrije” elektriciteit die niet in een vaste stroomkring zit. Deze statische elektriciteit ontstaat door natuurkundige krachten. Een systeembeheerder gebruikt een anti–statisch polsbandje bij het assembleren van hardware. Deze voert statische elektriciteit af naar de aarde voordat de hardware beschadigt.
Lees voor meer informatie in Wikipedia: Statische elektriciteit

Geleiding, weerstand en isolatoren
Elektriciteit stroomt van plus naar min. Dat kan omdat het materiaal waar het doorheen gaat dat toelaat, dat materiaal noem je geleidend. Voorbeelden van geleidende materialen zijn ijzer, koper en water.

Alle materialen houden elektriciteit een beetje tot sterk tegen, dat heet weerstand. Weerstand wordt gemeten in Ohm, afgekort “Ω”, de Griekse letter Omega. De Duitser Georg Ohm was een wis– en natuurkundige uit de 19e eeuw. De Wet van Ohm zegt dat Spanning = Stroom x Weerstand. Voor systeembeheerders: hoe meer weerstand hoe minder stroom en hoe minder vermogen.

Ook geleidende materialen houden elektriciteit een hééél klein beetje tegen. Dunne, koperen elektriciteitskabels houden meer elektriciteit tegen dan dikke kabels. Materiaal dat elektriciteit niet doorlaat noem je een isolator. Voorbeelden van isolatoren zijn kunststoffen en porselein.

Geleiding, weerstand en isolatie hangen samen: je hebt koperdraad nodig om elektriciteit van het stopcontact naar een apparaat te krijgen. Om die koperdraad moet isolerend materiaal zitten omdat de elektriciteit anders weglekt. Die koperdraad moet dik genoeg zijn om met weinig weerstand vermogen door te laten.
Daarom:

• Is de voedingskabel van de computer dikker dan de voeding voor een harddisk (geschikt voor veel vermogen t.o.v. weinig vermogen)
• Heb je alleen bliksem bij onweersbuien en niet bij zonneschijn (natte lucht t.o.v. droge lucht)
• Hangen hoogspanningskabels met grote isolatoren aan de masten (anders kortsluiting met 220.000 V)
• Worden dunne kabels warm als er te veel vermogen doorheen gaat (te veel weerstand)

Elektrische installaties

De stroomkring in een gebouw noem je de elektrische installatie. Voor het maken van een betrouwbare en veilige stroomkring zijn verschillende materialen en technieken nodig. Dit is het werkterrein van de officiële elektrotechnische installateur. Een elektrische installatie begint waar het energiebedrijf de stroom levert aan een gebouw, meestal de meterkast. Andere onderdelen zijn:

• groepenkasten
• bedrading
• lasdozen in de muur of het plafond voor het onderbrengen van verbindingen van draden
• stopcontacten

Groepenkast
Stopcontacten in een kamer zijn verbonden met een stroomgroep in een groepenkast. Een groepenkast heeft 4 tot 12 groepen. In de meeste elektrische installaties heeft een stroomgroep een zekering (zie verderop) van 16 Ampère. Het maximale vermogen van die groep is dan 230 V x 16 A = 3680 W. In de meeste huishoudens is dat genoeg. Echter als je in één kamer tegelijk een wasmachine (gemiddeld 1200 Watt), een wasdroger (gemiddeld 2000 Watt) en een strijkijzer (gemiddeld 1000 Watt) gebruikt kan de zekering doorslaan

Groepenkast traditioneel, ook wel stoppenkast genoemd

Zekeringenkast modern

Lees voor meer informatie Wikipedia: Groepen in elektrotechniek

Bedrading
Op de afbeelding zie je de onderdelen die je nodig hebt voor bedrading.

1) Draden zijn van massief maar buigzaam koper. Ze hebben vaste kleuren:

Bruin	de “fase” (niet te verwarren met plus: er is geen plus bij wisselspanning)
Blauw	de “nul” (in de centrale verbonden met de aarde, maar mag absoluut niet als aarde gebruikt worden)
Geel/groen	de aarde (zie verderop)
Zwart	de schakeldraad, tussen schakelaar en lichtpunt

2) Draden zitten in sterke PVC buizen. Deze voorkomen dat de draden beschadigen.
3) PVC buizen en de draden komen samen in een lasdoos. Op de foto is de deksel weg. Lasdozen zijn er in vele vormen en maten.
4) Draden komen samen in een lasdop, deze zorgt voor een goede elektrische verbinding.

Lees voor meer informatie Wikipedia: Elektrische installatie

Stopcontacten
Een stopcontact heet officieel een wandcontactdoos. Hieronder zie je een paar voorbeelden:

• 
  Geaard stopcontact, Noord-Europees met beugeltjes
• 
  Geaard stopcontact, Zuid-Europees met 3e pin
• 
  Geaard stopcontact, Groot Brittannië met rechthoekige pinnen
• 
  Geaard stopcontact, USA met rechthoekige pinnen

Aarde

Elektriciteit in een stroomkring gaat normaal van plus naar min. Als er iets mis is met de stroomkring wil de elektriciteit naar buiten. Omdat dit ongecontroleerd gaat kan dit gevaarlijk zijn. De elektriciteit zoekt de weg van de minste weerstand, vaak naar het aardoppervlak. Denk maar aan de bliksem bij een onweersbui.
In een deel van de elektrische installatie is daarom naast de plus- en mindraden een aardedraad aangelegd. Die aardedraad loopt tussen stopcontact en meterkast. In de meterkast is verbinding met de aarde d.m.v. de waterleiding of met een ijzeren pen in de grond.

In de meterkast zit tevens een zgn. aardlekschakelaar die in noodgevallen de gehele installatie afsluit, dus niet slechts één groep. Een geaard stopcontact geeft meer veiligheid in geval van kortsluiting. Hierop zet je een apparaat dat veel vermogen gebruikt.

Lees voor meer informatie in Wikipedia Aarde en Aardlekschakelaar

Zekeringen en kortsluiting
Een zekering is een veiligheidsvoorziening: als over de stroomkring teveel stroom gaat slaat de zekering door en wordt de stroomkring afgesloten. Dat merk je als volgt:

• Het apparaat waarmee je werkt doet het niet meer.
• Je hoort soms een zachte knal.
• Je ruikt soms een schroeilucht, dat betekent risico van brand.

Meestal gebeurt dit doordat de elektriciteit direct van plus naar min gaat en niet meer langs een apparaat dat vermogen nodig heeft, dat heet kortsluiting. Hiervoor kunnen veel oorzaken zijn, bijvoorbeeld een beschadiging van de isolatie of er is per ongeluk (tang of vingers) direct contact tussen plus en min.

De sterkte van een zekering wordt ook gemeten in Ampères. Zekeringen zijn er in vele soorten, maten en sterktes. Orde van grootte tussen de 0,1 en 20 Ampère.

Voorbeelden van zekeringen:

In een groepenkast	In een auto	In apparaten

Zekeringen zitten op een centrale plaats: in de groepenkast of in een apparaat. Een ouder woord voor zekering is “stop”, dat wordt nog veel gebruikt (“de stoppen slaan door”). Het officiële woord is “smeltveiligheid”.

Energiegebruik

Energiegebruik is het vermogen dat een apparaat tijdens een bepaalde tijd gebruikt. Het wordt gemeten in KiloWattUur (kWh), één kilowattuur is 1000 Watt gedurende 1 uur.

Let op: De afkorting is kWh en geen kWu. 1000 Watt = 1 kiloWatt (kW) Eén kilowattuur is 1000 Watt gedurende 1 uur, daarom is: 1000 Watt gedurende 2 uur = 1 kW x 2 u = 2 kWh 500 Watt gedurende 1 uur = 0,5 kW x 1 u = 0,5 kWh 2000 Watt gedurende 1 uur = 2 kW x 1 u = 2 kWh 400 Watt gedurende 4 uur = 0,4 kW x 4 u = 1,6 kWh 5000 Watt gedurende 2 uur = 5 kW x 2 u = 10 kWh

Energiegebruik betaal je aan het energiebedrijf. 1 kWh kost € 0,2183 = 22 eurocent (bron: Eneco jan-juli 2010). Inderdaad met vier cijfers achter de komma. De energiekosten van een wasmachine die gemiddeld 1200 Watt verbruikt en 2 uur draait zijn 1,2 kW x 2 u x € 0,22 = € 0,53.

De elektriciteitsmeter in de meterkast meet kWh. Deze meterstanden geef je ieder jaar door aan het energiebedrijf. Daarmee wordt de jaarrekening uitgerekend.

Energie en ICT
Energiegebruik door ICT wordt voor organisaties steeds belangrijker. Alle PC’s, beeldschermen, printers en servers gebruiken veel stroom en de energiekosten voor bedrijven zijn hoog. Daarnaast produceren deze apparaten zoveel warmte dat er meer koeling nodig is. Deze koeling kost weer extra energie en energiekosten.

Organisaties nemen o.a. de volgende maatregelen voor besparing:

• Desktop PC’s worden kleiner en gebruiken minder Watt.
• (platte) TFT beeldschermen gebruiken minder Watt dan CRT schermen (met beeldbuis)
• Apparaten uitzetten wanneer ze niet worden gebruikt.
• Veel servers worden gevirtualiseerd: op één fysieke server (kun je beetpakken) met veel intern geheugen draaien virtuele ‘namaak’ servers, alsof het een programma is.

Elektriciteit en veiligheid

Van elektriciteit kan je gewond raken of overlijden.

Je kunt bijvoorbeeld per ongeluk met je vingers, een kettinkje of een stuk gereedschap een spanningsbron aanraken. Bij ieder elektriciteitsongelukje gaat er stroom door je lichaam en dat geeft spierkrampen en zenuwbeschadigingen. Ieder lichaam reageert anders en 20 milliampère (20 duizendste) door je hart kan dodelijk zijn.

Er is niet exact te zeggen hoeveel Volt of Ampère dodelijk is. Dat is sterk afhankelijk van de weerstand die je lichaam op dat moment heeft. Bij lage weerstand is je lichaam geleidend, gaat er veel stroom door je lichaam en loop je een hoog risico.

• Je hebt een hoge weerstand bij o.a. droge huid, geïsoleerd gereedschap, isolerende schoenzolen en afwezigheid van andere elektrische contacten.
  
• Je hebt een lage weerstand bij het omgekeerde van deze omstandigheden.

Lees voor meer informatie: www.KiesBeter.nl

Van elektriciteit kan je gewond raken of overlijden. Daarom: Wees altijd voorzichtig met elektriciteit. Gebruik geïsoleerd gereedschap. Schakel de stroomgroep uit als je aan de 230 V elektrische installatie werkt.

Wiktionary