De wet van Ohm uitgelegd: spanning, stroomsterkte en LED-weerstanden

Drie grootheden die elke schakeling beschrijven

Elektrische lading die door een geleider beweegt, noemen we stroom. Er is iets nodig om die lading te laten bewegen, en dat is spanning. Er is ook iets dat de beweging tegenwerkt, en dat is weerstand.

• Spanning (V), gemeten in volt, is de energie die aan elke eenheid lading wordt gegeven wanneer die een bron zoals een batterij passeert. Het is de duw.
• Stroom (I), gemeten in ampère, is de hoeveelheid lading die elke seconde een punt passeert. Het is de stroming.
• Weerstand (R), gemeten in ohm (Ω), geeft aan hoe sterk een onderdeel die stroming tegenwerkt.

Een vergelijking met water helpt in het begin: spanning lijkt op druk, stroom lijkt op het tempo waarmee water door een buis stroomt, en weerstand lijkt op een smal stuk buis. Zoals elke vergelijking heeft ook deze grenzen, maar ze geeft wel een goed beeld van hoe de drie van elkaar afhangen.

Even over de veiligheid: alles wat hier wordt besproken gaat over laagspanningscircuits op batterijniveau. Elektriciteit uit het stopcontact is gevaarlijk en daar moet je niet mee experimenteren. Daarom komt die in deze uitleg en in het practicum niet aan bod.

De wet van Ohm: één vergelijking, drie antwoorden

Bij veel gewone weerstanden zorgt een verdubbeling van de spanning er ook voor dat de stroom erdoor verdubbelt. Die rechte-lijnrelatie is de wet van Ohm:

V = I × R

Na omvormen geeft de vergelijking antwoord op drie verschillende vragen:

• De spanning nodig? V = I × R
• De stroom nodig? I = V / R
• De weerstand nodig? R = V / I

Een snel voorbeeld: een batterij van 9 V over een weerstand van 450 Ω geeft I = 9 / 450 = 0.02 A, oftewel 20 milliampère. Verander een van de drie getallen en de andere twee veranderen mee.

De wet van Ohm beschrijft een bepaald soort onderdeel, een ohmse weerstand, bij ongeveer constante omstandigheden. Sommige onderdelen houden zich er niet aan. De LED is daar een voorbeeld van; die bespreken we zo.

De getallen lezen: milliampère, kilo-ohm en kleurbanden

Echte schakelingen gebruiken voortdurend voorvoegsels. 1 mA is een duizendste van een ampère. 1 kΩ is duizend ohm. Eenheden door elkaar halen is de meest voorkomende fout bij het gebruik van V = I × R, dus reken eerst om: 20 mA wordt 0,02 A voordat je deelt.

Kleine weerstanden hebben een rij gekleurde banden in plaats van gedrukte cijfers. Bij de gebruikelijke uitvoering met vier banden zijn de eerste twee banden cijfers, de derde is een vermenigvuldigingsfactor en de vierde is de tolerantie. Die geeft aan hoeveel de werkelijke waarde mag afwijken. Bruin, zwart, rood betekent bijvoorbeeld 1, 0 en vervolgens ×100, dus 1 kΩ.

Je hoeft niet meteen op dag één de hele code uit je hoofd te leren. Een paar weerstanden in het lab aflezen totdat je het patroon doorhebt werkt beter dan een tabel.

Waarom je een LED niet rechtstreeks op een batterij kunt aansluiten

Een gewone weerstand laat de stroom geleidelijk toenemen wanneer de spanning stijgt. Een LED (lichtgevende diode) doet dat niet. Onder een bepaalde spanning, de zogenaamde doorlaatspanning, laat de LED bijna geen stroom door. Net boven die spanning neemt de stroom bij een heel kleine extra verhoging zeer sterk toe.

Daarom is een losse LED op een batterij een gok: de batterij blijft stroom leveren, de stroom wordt veel groter dan waarvoor de LED is ontworpen en de LED kan bijna meteen kapotgaan. De LED heeft geen ingebouwde manier om "genoeg" te zeggen.

De oplossing is een stroombegrenzende weerstand in serie. Omdat dezelfde stroom door beide onderdelen moet lopen, neemt de weerstand de spanning op die de LED niet nodig heeft en begrenst hij met behulp van de wet van Ohm de stroom.

De weerstand kiezen: een uitgewerkt voorbeeld

Stel dat een rode LED een doorlaatspanning van ongeveer 2 V heeft en dat je er ongeveer 15 mA doorheen wilt laten lopen, met een voeding van 5 V.

1. Bereken de spanning die overblijft voor de weerstand: 5 V − 2 V = 3 V.
2. Deel door de gewenste stroom: R = 3 / 0.015 = 200 Ω.
3. Kies de dichtstbijzijnde standaardwaarde die niet kleiner is, bijvoorbeeld 220 Ω. De stroom wordt dan iets lager en de LED iets minder fel. Dat is een veilige kant om op af te wijken.

We kunnen ook berekenen hoeveel vermogen de weerstand verwerkt. Vermogen is P = V × I, dus 3 V × 0.015 A = 0.045 W, ruim binnen de limiet van een kleine weerstand.

Controleer altijd de eigen gegevens van de LED voor de doorlaatspanning en aanbevolen stroom. De bovenstaande waarden zijn gebruikelijk, maar niet universeel.

Veelgemaakte fouten

• Vergeten eenheden om te rekenen. Milliamps en kilohms moeten worden omgerekend naar amps en ohms voordat je gaat delen.
• De weerstand parallel aansluiten. Om de stroomlimiet te laten werken, moet de weerstand in serie staan, in dezelfde lus als de LED.
• De LED omgekeerd aansluiten. Een LED geleidt maar in één richting. Als hij niet brandt, draai hem dan om voordat je de berekening de schuld geeft.
• De wet van Ohm als universeel beschouwen. Deze geldt voor weerstanden, niet voor elk onderdeel in de schakeling.
• Denken dat minder weerstand veiliger is. Voor een LED geldt juist het tegenovergestelde: door een kleinere weerstand loopt er meer stroomsterkte.

Zo verken je dit in het lab

In het lab Elektronica & Arduino kun je deze schakelingen bouwen en meten zonder hardware. Een handige volgorde door de eerste gratis wereld:

1. Begin met Spanning, stroomsterkte en weerstand om de drie ideeën uit elkaar te houden.
2. Test de vergelijking in De wet van Ohm in de praktijk en oefen daarna de drie herschrijvingen in De wet van Ohm herschrijven.
3. Bekijk hoe een LED werkt in De LED.
4. Bescherm de LED met Stroombegrenzende weerstanden.
5. Sluit af met Vermogen en watts om te zien hoeveel warmte de weerstand verwerkt.

Het lab is een vereenvoudigd onderwijsmodel met ideale onderdelen, dus echte onderdelen zullen in details een beetje verschillen. Gebruik voor je eigen experimenten alleen batterijen met lage spanning en voedingen op USB-niveau.