BASIESE ELEKTRONIKA VIR 4x4 EIENAARS (Deel 1)

1. INLEIDING

Hierdie artikel het geen intensies om van jou 'n Elektroniese Ingenieur of 'n Outo Elektisiën te maak nie, maar slegs om die gewone 4x4 eienaar wat graag self aan sy voertuig wil werk en basiese opgraderings wil maak soos die installering van LED ligte in sy of haar 4x4 voertuig se kappie, 'n beter begrip te gee van hoe elektrisiteit werk en sodoende te help dat jy nie foute maak wat jou voertuig in ligte laaie kan laat of daar jou iewers in die bos met 'n afgeloopte battery sal laat staan nie.

Neem asseblief kennis dat enige elektriese stelsels bo 50 Volt, algemeen as lewensgevaarlik beskou word en met groot omsigtigheid behandel moet word. Die meeste voertuie op die pad het gelukkig 'n 12 of 24 Volt elektriese stelsel aanboord.

In die algemeen staan die studie van elektriese stelsels waarvan die spanning laer as 50 Volt is bekend as elektronika (die nie-lewens gevaarlike deel van elektrisiteit maar nog steeds gevaarlik aangesien 'n kortsluiting nog steeds 'n ernstige brandgevaar kan inhou).


2. OM MEE TE BEGIN

Die maklikste manier om te verstaan hoe elektrisiteit werk is om dit met water in 'n pyp te vergelyk. Hierdie analoog is nie perfek nie maar dit help baie om die beginsels te kan verstaan. Enige geleier bevat elektrone wat in die geleier self rond beweeg. Elektrisiteit is dus slegs die geordende vloei van hierdie elektrone in 'n geleier in 'n bepaalde rigting.


2.1 BASIESE ELEKTRIESE TERME
2.2 DIE DIAGRAMMATIESE VOORSTELLING VAN 'N STROOMBAAN 2.2 WAAR KRY DIE 4x4 REISIGER SY KRAG VANDAAN ?
2.3 BASIESE ELEKTRONIESE KOMPONENTE WAT IN “N STROOMBAAN GEBRUIK WORD




GENOEG INLEIDING LAAT ONS BEGIN!

3. OHM SE WET

Die eerste en seker die belangrikste reël of wet in elektisiteit of elektronika beskryf die verhouding tussen spanning, stroom en weerstand, en staan bekend as Ohm se Wet. Hierdie verband is reeds in 1827 deur Georg Ohm geformuleer en gepubliseer naamlik :

V = I x R (Waar V die spanning in Volts is, I die stroom in Ampere is en R die weerstand in Ohm (Ώ) is)

Met hierdie formule kan jy maklik bepaal hoeveel stroom 'n sekere komponent gaan trek of hoe groot die spanningsval (verlies aan Volts) oor 'n sekere lengte draad byvoorbeeld gaan wees.

Kom ons kyk na 'n praktiese probleem. Indien ek die weerstand oor my 12 Volt 4x4 yskas sou meet en die lesing is 8.7 Ώ as die yskas reeds koud is en net jou gekose temperatuur van -6oC moet handhaaf dan is die stroom wat my yskas trek vanaf die voertuig se battery dus:

I = V/R (Die stroom getrek is dus die spanning van 12 Volt gedeel deur die weerstand van die yskas van 8.7 Ohm )
  = 12 / 8.7
  = 1.38 A (Ampere)

Indien ek nou wil weet wat die verlies van spannings oor die lengte van die elektriese draad tussen die tweede battery voor in die enjinkompartement en die yskas agter in die laairuim sal wees, gaan ek as volg te werk. Meet eers die lengte van die elektriese draad tussen jou tweede battery, voor in die enjinkompartement, en jou 4x4 yskas agter in die laairuim, gestel dit is ongeveer 5.5 meter. Onthou daar is 'n positiewe draad (gewoonlik rooi) wat die stroom na die yskas neem en ook 'n negatiewe draad (gewoonlik swart) wat weer vanaf die yskas weer terug loop na die battery se negatiewe pool. Die totale of gesamentlike lengte van die draad of geleier is dus 11m (2 x 5.5m). Meet nou die deursnee van die koper geleier in een van die drade, gestel dit is 0.98mm. Die deursnee area van die geleier is dus:

Area = πD2 /4 = π x 0.982 /4 = 0.75mm2

Van die eerste tabel in my artikel “Elektriese kabel Diktes en hul Onderskeie Kapasiteite” , wat ook op hierdie webblad te vinde is, kry ons dat vir 'n “Ripcord” kabel met 'n koper deursnee area van 0.75mm2 die weerstand per kilometer (Kolom 5, “Conductor Resistance”) 26 Ώ/km of 0.026 Ώ/m (26/1000) is.

Die spanningsval d.w.s. hoeveel Volts ek verloor oor die afstand vanweë die weerstand in die draad self is dan :

V = I x R
   = 1.38 A x 0.026 Ώ/m x 11m
   = 0.39 Volt

Wat beteken dat jy by jou yskas agter in jou laaibak ongeveer 13.2 Volt – 0.39 Volt = 12.81 Volt sal hê.

Waarom is hierdie berekening belangrik ? Die meeste 4x4 yskaste het 'n minimum spanning waarby die yskas uitsny om te voorkom dat die battery beskadig word deur te veel krag te onttrek voordat die battery weer gelaai word. Vir ons ARB 47 liter yskas is hierdie waarde gestel op 11.4 Volt. Met die eerste oog opslag blyk dit nie 'n probleem te wees nie, maar onthou soos stoom uit 'n battery onttrek begin die spanning oor die battery se pole ook te sak vanweë die interne weerstand van die battery self. Die 12.81 Volt sal oor 'n tydperk sak na 11.4 waarna die yskas self sal ophou werk alhoewel die battery nie leeg is nie. Dit is dus belangrik om die spanningsval oor die drade so laag as moontlik te hou. Jy kan dit reg kry deur dikker drade te gebruik.

As ek op my yskas se data plakker kyk sien ek dat die maksimum stroom wat die yskassie kan trek, 7 Ampere is en as ek weer terug gaan na my Tabel 1 in die artikel “Elektriese kabel Diktes en hul Onderskeie Kapasiteite” sal ons vind dat die aanvanklike gepose kabel slegs 6 Ampere oor 'n lang tyd kan lewer. Dit sal dus raadsaam wees om eerder die volgende grote naamlik 'n 1mm2 of selfs 'n 1.5mm2 te kies. Vir laasgenoemde is die weerstand per kilometer 13.3 Ώ/km (0.0133 Ώ/m) en die spanninsverlies oor die kabel is nou slegs 0.20 Volt, die helfte minder as voorheen en die spanning by die yskas is nou 13 Volt. Dit sal dus nou langer neem om by die yskas se 11.4V te kom en voordat hy self afskakel.


4. DRYWING

Die tweede belangrike formule is om die energie verbruik per eenheidstyd of drywing (P) van 'n elektriese toestel of apparaat te bereken. Die volgende vergelyings kan gebruik word:

P = V x I of
   = V2 / R of
   = I2 x R in Watt (of Joule/sekonde)

Dit wil sê indien ons weet ons yskas gebruik konstant 1.38 Amp saans wanneer dit koeler is en hy nie meer oop en toe gemaak word nie en die yskas is op 12 Volt gestel is, sodat ons hom met 'n motor battery kan aandryf, dan benodig die yskas:

P = 12 Volt x 1.38 Amp
   = 16.57 Watt

Met bostaande drie formules kan ek ook die spanning, stroom of weerstand bereken as ek die drywing en enige van die ander twee veranderlikes se waardes het.


5. 'N KORT OPSOMMING

Om dit makliker te maak om die regte formule te kies om spanning, stroom, weerstand of drywing te kan bereken het die slim manne 'n formule wawiel ontwerp wat jou met hierdie besluit kan help. Ek sluit hier onder so 'n wawiel in.


(Geleen by: http://diyaudioprojects.com/Technical/Ohms-Law/)

6. KOMPONENTE IN SERIE OF PARALEL GESKAKEL


6.1 BATTERYE IN SERIE OF PARALEL

Indien ons twee 12V battery in serie sou koppel d.w.s. die een na die ander sou koppel , of anders gestel die eerste battery se negatiewe pool aan die tweede battery se positiewe pool sou koppel, sou ons oor die kombinasie 'n totale spanning van 24 Volt meet.



Die stoom wat hierdie kombinasie lewer is nog steeds dieselfde as die stroom wat een 12V battery afsonderlik sou lewer.

Indien ons die twee battery in paralel sou koppel, d.w.s. die twee langs mekaar staan maak en die twee se positiewe pole aan mekaar koppel en aan die ander kant weer die twee negatiewe pole aan mekaar koppel en ons meet nou weer oor die kombinasie se pole dan bly die spanning steeds 12 Volt. Die verskil is nou dat die kombinasie nou dubbel soveel stroom kan lewer as enige van die battery op hul eie.




6.2 KOMPONENTE IN SERIE

Alle elektroniese komponente sowel as die geleiers tussen hulle het interne weerstand wat afhanklik is van die soort materiaal waarvan dit gemaak is.

Gewoonlik is die weerstand van die komponente heelwat hoër as die van die geleiers tussen hulle, veral as die afstand baie kort is, sodanig dat die geleiers se weerstand gewoonlik in sulke gevalle eenvoudig geignoreer word. Om dieselfde rede word die interne weerstand van 'n battery ook gewoonlik buite rekening gelaat wanneer die spanning oor of stroom in 'n spesifieke komponent bereken word. Die battery en die weerstande in die stroombaan hier onder is dus almal in serie met mekaar geskakel. Die gemete stroom in die stroombaan is 1.5 Ampere.



Die spanning oor die weerstand R1 en die stroom deur die weerstand word as volg bereken:

(a.) Die stroom deur R1 is:

I1 = I2 = I3 = I = 1.5 Ampere (Vir komponente in serie is die stroom deur almal identies dieselfde.)

(b.) Die spanning oor weerstand R1 volgens Ohm se Wet is dan:

V1 = I x R1
     = 1.5 A x 2 Ώ
     = 3 Volt

Die gesamentlike weerstand in die stroom baan is:

R = R1 + R2 + R3
   = 2 Ώ + 4 Ώ + 6 Ώ
   = 12 Ώ

6.3 KOMPONENTE IN PARALEL

In die voorbeeld hier onder is die twee weerstande in paralel geplaas en deel hul die stroom vanaf die battery tussen mekaar volgens die weerstand wat elk besit.



(a.) Die spanning oor R1 is:

V1 = V2 = V3 = V = 18 Volt (Vir komponente in paralel is die spanning oor almal identies dieselfde.)

(b.) Die gesamentlike weerstand in die stroom baan is nou:

I = I1 + I2 + I3

V/R = V1/R1 + V2/R2 +V3/R3 (Volgens Ohm se Wet.)

1/R = 1/R1 + 1/R2 + 1/R3 (Die gevolg van V = V1 = V2)
      = 1/2 Ώ + 1/4 Ώ + 1/6 Ώ
      = = 0.917 / Ώ

Dan is R = 1.09 Ώ

(c.) Die totale stroom wat die stroombaan dus trek volgens Ohm se Wet is :

I = V/R
  = 18Volt / 1.09 Ώ
  = 16.5 Ampere

(d.) Die stroom deur weerstand R1 volgens Ohm se Wet is:

I1 = V1/R1
   = 18 Volt / 2 Ώ
   = 9 Ampere

6.4 KOMPONENTE IN SERIE SOWEL AS PARALEL

Ongelukkig is die lewe nooit so eenvoudig nie en bevat die meeste stroombane komponente in serie sowel as paralel wat die berekeninge so effens bemoeilik maar as jy kophou is dit glad nie moeilik nie. In die voorbeeld hieronder het ons weerstande R1 en R2 in series met R3 en R4 wat in paralel met mekaar gekoppel is.



Die spanning oor en die stroom deur weerstand R5 kan as volg bereken word:

(a.) Begin deur neer te skryf wat ons weet.

(i) Ons weet dat R1 en R6 en die groep weerstande saam regs van lyn 2-7 is in series met mekaar, dus geld:

I = I1 = I6 = I27

(ii) Ons weet ook dat R2, R3 en (R4 + R5) Paralel met mekaar geskakel is dus geld :

V2 = V3 = V(4+5)

(iii) Verder weet ons dat R4 en R5 in serie met mekaar is d.w.s. :

I4 = I5


(b.) Ons vervolg nou met die nodige berekeninge:

(i) Die eerste stap is om die gesamentlike weerstand van die groep weerstande links van die lyn 2-7 nou te bepaal :

R45 = R4 + R5
       = 3 Ώ + 5 Ώ
       = 8 Ώ

Met R2, R3 en R45 saam in paralel geskakel is die som byna klaar

1/R(2-7) = 1/R2 + 1/R3 + 1/R45
             = 1/4 +1/6 + 1/8
             = 0.5417/ Ώ

R(2-7) = 1.846 Ώ

(ii) Ons kan nou die stroom deur R1, R6 en R(2-7) as volg bereken.

R = R1 + R(2-7) + R6
   = 2 Ώ + 1.846 Ώ + 8 Ώ
   = 11.846 Ώ

Die stroom deur R1, R6 en R(2-7) is dan :

I1 = V/R
    = 24 Volt / 11.846 Ώ
    = 2.026 Ampere
    = I6 = I(2-7)

(iii) Die volgende is om die spanning oor die lyn 2-7 te bereken.

Die spanning oor R(2-7) is :

V(2-7) = V – (R1 x I1) – (R6 x I6)
         = 24 volt – (2 Ώ x 2.026 A) – (8 Ώ x 2.026 A)
         = 3.74 Volt
         = V2 = V3 = V45 (want R2, R3 en R45 is in paralel)

(iv) Ons moet nou die stroom deur R4 en R5 bereken.

I45 = V45 / R45
     = 3.74 Volt / 8 Ώ
     = 0.4675 Ampere
     = I4 = I5 (want R4 en R5 is in serie)

(v) Laastens moet ons nou slegs die spanning oor R5 bereken.

V5 = I5 x R5 (Ohm se Wet)
     = 0.4675 A x 5 Ώ
     = 2.3375 Volt

En siedaar die probleem is opgelos !

7. KOM ONS SLUIT AF MET 'N PRAKTIESE VOORBEELD


Gestel jy besluit om jou nuwe kappie vir jou bakkie toe te rus met drie LED aluminium ligstawies van Lumeno. My kappie op die 2013 Petrol LC het so 'n ligstaffie net bo elk van die sydeure en een net bo die agterdeur. Defnitief te veel lig as almal saam brand, maar daar is niks so frustreerends as jy in die donker gou een van die kappie se deure moet oop maak om iets in die laaibak te vind en daar is nie 'n lig naderby nie. Elkeen van hierdie LED staffies het natuurlik sy eie skakelaar. Ek het gevind dat stafies met ses LED liggies meer as genoeg lig elk gee om die laairuim goed te kan verlig in die aand.

Hoe bedraad jy hierdie drie LED ligstaffies?

Die eerste punt om te onthou is dat, hierdie LEDs in werklikheid diodes is wat lig uitstraal en as diode slegs stroom in een rigting kan deur laat. Dit is dus baie belangrik om die positiewe draad op die ligstafie (rooi) met die positiewe draad wat van die motor battery se positiewe pool kom te verbind.

Die tweede punt om te onthou is dat hiedie LED ligstaffies 12V benodig om te werk.

Bogenoemde beteken dus dat ons die drie LED ligstaffies in paralel moet verbind. Dit wil sê al drie die ligstafies se positiewe drade (rooi) aan mekaar te verbind en al die se negatiewe drade (swart) aan mekaar en dan aan die battery te koppel. Die stroombaan sal dus soos volg daaruit sien.



Die rede vir die 15 A en 5 A sekeringe is omdat die bedrading van die battery na die vroulike Hella koppelstuk stroom kan dra van maximum 15 Amp wat belangrik is vir toekomstige gebruik (dalk 'n yskas), terwyl die drade benodig vir die LED ligstaffies baie dun is en nie meer as 6 Amp kan hanteer nie.

Lys van komponente benodig:


3 x Lumeno Aluminium LES Stafie (6 LEDs) met AAN/AF Skakelaar.

Kliek hier vir 'n volledige Datastaat van Lumeno se LED Stafies

1 x Hella Koppelstuk Manlik
(16 Ampere)

1 x Hella Koppelstuk Vroulik
(16 Ampere)

1 x 15 Ampere Sekering met Houer

1 x 5 Ampere Sekering met Houer

1 x 5m 2.5mm2 “RipCord” Kabel (Rooi en Swart)
1 x 5m 0.75mm2 “RipCord” Kabel (Wit)


Vir veiligheid moet ons die volgende vrae kan beantwoord:

  1. Hoeveel stroom gaan die stelsel trek?
  2. Is die gekose draad diktes dik genoeg?
  3. Is ons sekeringe reg gekies?
  4. Hoeveel energie verbruik die stelsel?

Kom ons maak dus 'n paar somme.

Vir die 2.5 mm2 “RipCord” Kabel kry ons vanaf die eerste tabel in die artikel “Elektriese Kabel Diktes en hul Onderskeie Kapasiteite”, ook op die webblad hier onder, die kabel se weerstand per kilometer naamlik 7.98 Ώ/km (0.00798 Ώ/m) en die afstand van die battery voor in die enjinkompartement na die Hella koppel stuk in die laaibak is 4.8m. Die maksimum stroom wat hierdie kabel kan hanteer is 25 Ampere.

In die kappie was dit nodig om 4.2m se 0.75 mm2 draad te gebruik tussen die ligstaffies en die ander end van die Hella koppeling. Die weerstand per kilometer is 26.0 Ώ/km d.w.s. 0.026 Ώ/m. Die maksimum stroom wat hierdie kabel kan hanteer is 10 Amp.

Die LED Ligstafies gebruik elk 1.44 Watt teen 12 V. Die weerstand (RLED)van so 'n ligstafie is dus:

RLED = V2/P (van Ohm se formule wiel)
         = 122/1.44
         = 100 Ώ elk

Die weerstand van die 2.5mm2 kabel met sy twee geleiers (R1 en R2) is:

R1 = R2
     = 4.5 meter x 0.00798 Ώ/m
     = 0.0359 Ώ elk.

Die weerstand van die 0.75mm2 kabel met sy twee geleiers (R3 en R4) is:

R3 = R4
     = 4.2 meter x 0.026 Ώ/m
     = 0,1092 Ώ elk.

Ons maak soos gewoonlik die aanname dat die interne weerstand van die battery baie klein is te opsigte van die totale stelsel en ignoreer dit dus.

Verder moet ons daarop let dat as slegs een LED ligstafie brand dan is al die komponente in serie en die totale weerstand van die stroombaan op daardie tydstip is dan:

RST1 = R1 + R3 + RLED + R4 + R2
        = 0.0359 + 0.1092 + 100 + 0.1092 + 0.0359
        = 100.2902 Ώ

Die stoom wat dan deur die stelsel vloei is:

I = V/RST1 (van Ohm se formule wiel)
   = 12/100.2902
   = 0.11965 Ampere
   = 119.65 milli Ampere (Byna niks.)

Indien al drie die LED ligstafies gelyk brand dan is die drie LED ligstafies in paralel geskakel (dieselfde geld as net twee ook saam sou brand) en die kombinasie is weereens in serie met die res van die stroombaan.

Die totale weerstand van die LED ligstafies in paralel is dan:

1/RP = 1/RLED + 1/RLED + 1/RLED
        = 1/100 + 1/100 + 1/100
        = 0.03 / Ώ

RP = 33.3333 Ώ

Indien slegs twee LED's saam sou brand:

1/RP = 1/RLED + 1/RLED
        = 1/100 + 1/100
        = 0.02 / Ώ

RP = 50 Ώ

Die totale weerstand van die serie stelsel is nou:

RST3 = R1 + R3 + Rp + R4 + R2
         = 0.0359 + 0.1092 + 33.3333 + 0.1902 + 0.0359
         = 33.6444 Ώ

Die stoom wat dan deur die stelsel vloei is:

I = V/RST1 (van Ohm se formule wiel)
  = 12/33.6444
  = 0.3567 Ampere
  = 35.67 milli Ampere (Let op 10x groter as wanneer net een LED ligstaffie sou werk, maar nog steeds in die geval relatief klein t.o.v die kabels se vermoëns.)

Dit is dus duidelik dat die gekose kabel diktes meer as goedgenoeg is, naamlik 6 en 25 Ampere, dit beteken ook dat ons dunner kabel kan gebruik maar om praktiese redes sal ek volstaan met my aanvanklike keuses.

Met 'n maksimum toelaatbare stroom van 25 Amp vir die dikker kabel is die gekose 15 Amp sekering meer as genoeg maar ook hoog genoeg om 'n yskas en al jou ligte saam te hanteer. Jy kan selfs twee 50 of 60 liter yskaste saam laat loop, maar jou 12V battery gaan nie baie lank stroom kan bly lewer nie.

Netso met 'n maksimum toelaatbare stroom van 6 Amp vir die dunner kabel is die gekose 5 Amp sekering ook genoeg maar verseker ook dat indien daar 'n kortsluiting sou kom daar nie 'n brandgevaar sal wees nie.

NEEM KENNIS: Dit is belangrik om 'n sekering (“fuse”) so na as moontlik aan die kragbron, soos 'n battery of soos in die kappie se gaval van jou kappie so na as moontlik aan die koppelstuk te installeer.

Wat is die totale energie verbruik van die stelsel ?

P = V2/RST3
= 12 x 12 / 33.6444
= 4.28 Watt (Wat weereens byna niks is nie.)

Jy kan dus hierdie tipe ligte byna dag en nag laat brand op 'n tweede battery.

Ek hoop hierdie artikel kan ook vir jou iets beteken in die toekoms.



7. VERDERE VERWYSINGS

Besoek gerus die volgende webwerwe indien u meer wil weet.

Electronics for Absolute Beginners
http://lushprojects.com/absolutebeginners/elecabsbegin.pdf

http://www.ibiblio.org/kuphaldt/electricCircuits/DC/DC_7.html

http://www.autoshop101.com/forms/elec11.pdf

http://www.robotshop.com/media/files/pdf/eck-10-manual.pdf

Laaste Bywerking: 2015/06/24

Flag Counter