Inleiding
Waarom begin ik deze reeks met elektriciteit? Omdat ik veel zin en onzin lees online in de antwoorden op vragen die beginners stellen in Facebookgroepen en forums over de elektriciteit in hun zelfbouw camper. Het is ook het minst tastbare gedeelte in een camper of mobilhome en veel problemen en inefficiëntie kan verholpen worden door een basisbegrip van elektriciteit. In mijn opleiding Industrieel Ingenieur worstelde ik lang met het concept van elektriciteit. Eigenlijk begreep ik pas jaren later hoe het juist werkte en beseft dan pas dat het allemaal niet zo moeilijk is, althans niet in eenvoudige circuits die je in een huis of in een camper vindt. Met de kennis in artikel en een multimeter zal je zelf in staat zijn om:
- Je eigen schema op te stellen
- Je eigen berekeningen te maken
- De juiste kabels en zekeringen kiezen om een veilige installatie te bouwen
- Problemen oplossen onderweg in je eigen installatie, of een bestaande
- Inefficiënties op te sporen en te elimineren en dus langer off-grid te staan
De enige basis die je moet hebben om de rest van het artikel te begrijpen is een notie van basiswiskunde.
Introductie tot elektriciteit
Wat is elektriciteit
Elektriciteit is een vorm van energie die ons leven op talloze manieren verrijkt. Het is wat onze lampen laat branden, onze koelkasten koelt, en onze mobiele apparaten oplaadt. In de context van een mobilhome is elektriciteit wat je de vrijheid geeft om onderweg comfortabel te leven. Elektriciteit zijn elektronen die door een geleider vloeien, je kan het vergelijken met water dat door een tuinslang stroomt. Die elektronenstroom wordt meestal omgezet in warmte (voor een verwarming, waterkoker) of magnetisme, om iets in beweging te krijgen. In de elektronica worden die elektronen gebruikt om signalen (de eentjes en nulletjes) door te geven. De lading van elektronen wordt uitgedrukt in Coulomb of C, maar dat hoeft je niet te onthouden.
Spanning, Stroom en Vermogen
Deze drie basisbegrippen worden wel eens door elkaar gebruikt, maar betekenen heel andere dingen. We gaan hier twee analogiën gebruiken: deze van water en deze van jezelf op een fiets…
Spanning
Iedereen kent wel de volt, de eenheid van spanning, vooral van batterije. De Volt drukt de spanning uit waarmee de elektronen als het ware door de draad gedrukt willen worden. Stel dat je een emmer neemt en onderin een gat maakt. Wanneer je een bodempje water in de emmer zet en dan het gat openmaakt, vloeit het water er geleidelijk uit. Wanneer je de emmer helemaal voldoet en dan pas het gat openmaakt, zal het water er met meer kracht uitspuiten. Dit illustreert de spanning. Als je op een fiets zit, dan is de spanning de kracht die jij op de pedalen moet zetten om rond te kunnen trappen. Als je een hoge versnelling neemt, of bergop fietst, moet je dus meer spanning op de pedalen zetten om ze rond te trappen. Spanning kan je dus vergelijken met de druk die op de elektronen zit.
Bij batterijen spreken we meestal van gelijkspanning of DC. Dit wil zeggen dat de druk, net zoals onze emmer water of de pedalen van onze fiets, constant in dezelfde richting zit.
We nemen er dan ineens de term wisselspanning of AC bij. Hier verandert de druk volgens een bepaald ritme van richting. De elektronen veranderen dus elke keer van richting, zoals bij het zagen van een tak met een handzaag. Of de elektronen nu constant in dezelfde richting stromen of heen en weer heeft het zelfde effect, en beide systemen hebben voor- en nadelen. Belangrijk om te weten is dat toestellen gebouwd worden voor een bepaalde spanning en voor wisselspanning of gelijksspannning. Uit onze stopcontacten in Europa komt 220 Volt wisselspanning. In een camper kennen we ook nog 12V (gelijksspanning) en 5V, die 5V is je bekender dan je denkt wat dat is de spanning die uit een USB-poort komt, en waarmee je je smartphone en tablet oplaadt. Het symbool voor spanning is U of V.
Het symbool voor spanning is U of V.
Stroom
De stroom is het directe gevolg van de spanning en wordt uitgedrukt in Ampère. Ampère is het aantal Coulomb (de lading van elektronen) dat passeert per seconde. Als je dit met water vergelijkt zou je uitkomen op liter per minuut, wat later zal terug komen wanneer we het watersysteem bespreken. Als je op een fiets zit is de stroom het aantal omwentelingen dat je met je trappers per minuut maakt. Als je harder op je trappers gaat stampen zal het aantal omwentelingen ook stijgen. Als de spanning stijgt zullen er dus ook meer elektronen door de draad (en toestel) gejaagd worden. Het symbool van stroom is I.
Het symbool van stroom is I.
Vermogen
Het product van spanning en stroom wordt uitgedruk in Watt en duidt het vermogen aan of de arbeid die geleverd wordt. Stel je een watermolen voor die wordt aangedreven door het stromende water. Als je meer water (meer stroom) met een hogere druk (hogere spanning) hebt, zal de molen sneller draaien en meer werk kunnen verrichten. Dit vertaalt zich in een hoger vermogen. In elektrische termen betekent dit dat als je apparaten hebt die op hogere stroom en spanning werken, ze meer vermogen hebben en dus meer ‘werk’ kunnen doen, zoals het sneller opladen van een apparaat of het aandrijven van een krachtigere motor.
Vermogen vertaalt zich in de fietsanalogie met de snelheid die je bereikt wanneer je een bepaalde druk op de pedalen zet: je pedalen zullen met een bepaalde frequentie rondgaan en je zal dus ook een bepaalde snelheid halen. Uiteraard kan een helling of tegenwind daar verandering in brengen. En dat brengt ons bij het begrip van ‘weerstand’. Stel dat je ineens bergop gaat fietsen en je blijft met dezelfde spanning op je pedalen drukken: het aantal omwentelingen gaat naar beneden maar het vermogen, de arbeid, die je levert blijft hetzelfde. Door de verhoogde weerstand (de helling) is het huidige vermogen niet genoeg om dezelfde snelheid te behouden. Ga je daarentegen lekker sportief harder op je pedalen stampen en verhoog je de spanning, waardoor je dezelfde snelheid en omwentelingen behoudt, dan verhoog je dus het vermogen. Je zal het wel merken als je boven hijgend aankomt op die heuvel…
In formules wordt spanning geschreven als U en stroom als I, vermogen is P (Power). P = U x I . Dus Spanning maal stroom is arbeid. Concreet: Heb je een ledstrip op 5V en stroomt daar 2A door, dan verbruikt deze ledstrip dus 10 Watt. Deze formule is heel handig om de maximule stroom te berekenen die toestellen nodig hebben en dus voor het bepalen van de dikte van je kabels (zie later).
$ P = U . I $
Weerstand
Weerstand is simpelweg de weerstand die elektronen ondervinden in een elektrisch circuit en wordt uitgedrukt in Ohm (Ω).
Op de fiets:
- Zonder Weerstand: Rijden op een vlakke, gladde weg is vergelijkbaar met een elektrische kring met lage weerstand. Je hoeft niet veel kracht te gebruiken om een constante snelheid te behouden, net zoals een lage weerstand het elektronen gemakkelijk maakt om door een geleider te stromen.
- Met Weerstand: Rijden op een weg met veel hellingen of een ruw oppervlak is zoals een kring met hoge weerstand. Je moet harder trappen (meer kracht gebruiken) om dezelfde snelheid te behouden. Dit is vergelijkbaar met hoe een hogere weerstand in een elektrisch circuit het moeilijker maakt voor elektronen om te stromen, waardoor meer ‘spanning’ (kracht) nodig is.
Met water:
- Zonder Weerstand: Een grote, open pijp waar water gemakkelijk doorheen stroomt, vertegenwoordigt een circuit met lage weerstand. Er is weinig dat de stroom van het water belemmert, dus het stroomt vrij.
- Met Weerstand: Stel je nu voor dat er in dezelfde pijp vernauwingen of obstakels zijn geplaatst, zoals een gedeeltelijk gesloten klep. Dit is vergelijkbaar met hoge weerstand in een elektrisch circuit. De vernauwingen belemmeren de stroom van het water, waardoor er meer druk (spanning) nodig is om dezelfde hoeveelheid water door de pijp te krijgen.
Voor de petrolheads
Voor de liefhebbers van verbrandingsmotoren is het nog makkelijker om de analogie met elektriciteit te maken. Spanning is niets meer dan het koppel dat een motor kan leveren, stroom het toerental en vermogen blijft watt, al gebruiken we dan vaker kilowatt (= 1000 watt) of de archaïsche pk’s.
De wet van Ohm
Ok, nu we de basisbegrippen beet hebben gaan we daar nu wat nuttige toepassingen aan koppelen. In formules wordt spanning geschreven als U en stroom als I. De weerstand is R (resitance). De wet van Ohm is heilig en zegt dat U = R x I. Met deze formule kan je heel wat aanvangen binnen de elektra van een camper.
$ U = R . I $
$ = I = {U \over R} $
$ = R = {U \over I} $
Ampère-uur en Watt-uur (Ah en Wh)
Nog twee afgeleide eenheden die je nog vaak zal tegenkomen zijn Ah en Wh. Dit wil zeggen Ampere per uur en Watt per uur. Stel dat je smartphone-oplader 10 watt verbruikt en het duurt 2 uur om je smartphone op te laden dan kan je zeggen dat je het opladen 20 Wh gekost heeft. Het voegt dus de tijd toe als extra dimensie. Ampere-uur kan afgeleid worden van watt-uur als de spanning gekend is. Ah wordt vaak gebruikt voor het aanduiden van de capaciteit van batterijen. Wanneer je Ah x batterijspanning doet kom je aan Wh.
In de praktijk
Nu we dit stukje theorie achter de kiezen hebben, wat kunnen we hier nu mee doen? Hieronder enkele voorbeelden
Je kan berekenen hoeveel capaciteit je batterij nodig heeft voor een bepaalde toepassing: Je hebt een laptoplader van 100 watt. Het duurt een halfuur om je laptop op te laden. $$ {100W . 0.5h} = 50Wh $$.
We weten ook dat $ P = {U . I} $ dus $ I = {P \over U} $ We kunnen de h even weglaten dus $ {50 \over 12} = 4.16 $. Want onze batterij is 12V. Onze laptop opladen kost dus ongeveer 4Ah aan accucapaciteit.
Als ander voorbeeld heb ik even de specificaties van onze koelkast opgezocht (Indel B Cruise 85):
Max Power Input (W):60
Energy consumption [kWh/24h]: 0,386
Supply Voltage (V) / Frequency (Hz)12/24 DC
We werken nog altijd met een 12V-batterij en 0.386kWh is 386Wh. Dat is het aantal Watt-uur dat de koelkost verbruikt in 24u. Belangrijk: een koelkast werkt met een compressor en die staat niet altijd aan, vandaar dat het verbruik per 24u uitgedrukt wordt. Delen we dit door 12 dan krijgen we: $ {386 \over 12} = 32.16 $ Onze batterij zal dus per 24u 32.16Ah aan capaciteit nodig hebben om onze pintjes koud te houden. Stel dan dat je 7 dagen off-grid wil staan zonder je batterij op te laden (ook niet met zonnepanelen) dan heb je al minstens 225Ah nodig voor je koelkast alleen al. Je zal later zien dat ik voor een 12V systeem meestal werk met 13V omdat dit de nominale spanning is van een Lithiumbatterij, maar daarover meer.
Uiteraard werkt dit ook omgekeerd: Als je een alternatorlader (als je niet weet wat dit is, geen nood, dat leggen we nog uit) of DC-DC charger hebt van 30A en je rijdt 5u aan een stuk dan pomp je dus 150Ah weer in je batterij. Later zien we ook hoe dit bij zonnepanelen werkt.
We hebben het nog niet over weerstand gehad in de praktijk en weerstand zal je ook weinig nodig hebben voor het uittekenen van een elektrische schema. Maar toch is het belangrijk om te weten wat het is, vooral voor het berekenen van kabeldiktes, en ook voor het opsporen van verliezen. Je ziet hierboven bij onze ijskast dat deze maximaal 60W verbruikt. $ {60 \over 12} = 5 $. De koelkast ’trekt’ in een 12V systeem 5A.
Met de formule $ R = {U \over I} $ kunnen we dan de weerstand berekenen: $ {12 \over 5} = 2.4 $. De weerstand van de koelkast is dus 2.4 Ω.
Het heeft weinig nut om de weerstand van de ijskast te kennen, maar het is wel nuttig om de weerstand van de kabels te kennen. Want ook de kabels die je gebruikt om de elektriciteit van punt A naar punt B te brengen hebben een weerstand, zij het zeer klein. In theorie moeten we dus de weerstand van de kabel optellen bij de weerstand van de koelkast om een correcte berekening te doen. Wat belangrijker is: wanneer de weerstand van de kabel te hoog wordt dan kan dit leiden tot warmteontwikkeling, defecten en in de meest extreme gevallen: brand! Hoe we dit gaan vermijden lees je verder in deze serie.