Stroom en Computers! Volt, Watt, Ampère, Ohm?

Alle elektronische apparaten beschikken over (duhhh what’s in the name) elektronica. Computers beschikken dus ook over de nodige elektronische onderdelen. Deze post is voor iedereen die hier wat meer over wilt weten. Wat is stroom, welke termen worden er gebruikt en hoe ziet er dit in een computer uit.

Zonder elektriciteit zou je dit artikel niet op de computer kunnen lezen met dat in de koelkast gekoelde biertje naast je. Elektriciteit heeft het menselijke leven, levensritme en levenstoepassingen drastisch veranderd. Dus laten we allereerst eens kijken wat elektriciteit nou eigenlijk is.

Elektriciteit is energie die we gemakkelijk kunnen overbrengen over korte en lange afstanden. Om te weten wat elektriciteit is moet je teruggaan naar de bouwstenen waaruit alle materie bestaat, namelijk atomen. Een atoom bestaat uit een kern welke weer bestaat uit neutronen en patronen. Een kern is positief geladen. Om deze kern heen bewegen de elektroden. Elektroden zijn hele kleine deeltjes welke vele maken lichter zijn dan de kern en welke een negatieve lading hebben. Op het moment dat we deze elektroden door een voorwerp (geleider zoals een kabel) kunnen sturen hebben we het over elektriciteit.

Als we terugkijken op moleculair niveau dan hebben we in een atoom dus een positief (kern) en een negatief (elektrode) geladen deel. Het negatieve deel is echter een stuk lichter. Vergelijk nu de lading maar eens met een magneet.
+ / + = 2 plus ladingen stoten elkaar af
– / – = 2 min ladingen stoten elkaar af
+ / – = plus en min lading trekken elkaar aan

Vervolgens kennen we nog een neutrale lading. Dit is een voorwerp waarin alle positief en alle negatief geladen deeltjes gelijk zijn.

Omdat een atoom zowel een positief als een negatief geladen deel heeft blijven deze bij elkaar.

Een koperdraad is neutraal. In deze draad bevinden zich evenveel kernen als elektroden. Een stroombron zoals een batterij heeft als functie om de elektroden los te trekken van de kern en van elkaar te scheiden. Aan de ene kant (+) verzamelt de stroombron alle positief geladen kernen en aan de andere kant alle negatief (-) geladen elektronen (lading scheiding). Het uit elkaar trekken van deze delen gebeurt middels een chemische reactie en kost energie. Dit is waarom een batterij op den duur ook leeg gaat.

Wanneer je nu met een geleider (koperdraad) de + en – polen van de stroombron met elkaar verbind “zien” ontstaat er een elektromagnetische aantrekkingskracht (want + en – trekken elkaar aan). Omdat de elektrode een stuk lichter zijn dan de kernen komen deze als eerste in beweging. De elektrode stroomt nu door de draad op weg naar de kern. Bij het stromen van de elektrode (verplaatsen van lading) komt energie vrij. Nu loopt er “stroom” door de draad.

Bovenstaande is een simplistische schets van wat stroom is, maar geeft al een goed beeld van het idee. Laten we even verder gaan met een aantal veelgebruikte termen:

Elektriciteit Termen

AC/DC
AC/DC is een Australische hardrock ba…. Oeps. 🙂 In de Elektriciteit staat AC voor “Alternating Current” en dus voor wisselstroom. Wisselstroom is stroom met een periodiek wisselende stroomrichting. DC (wat staat voor “Direct Current”) daarentegen is gelijkstroom. Dus stroom met een constante stroomrichting.

Ampère / Stroom – A
Ampère is de eenheid van stroom. We gebruiken Ampère om aan te geven hoeveel lading er per seconde getransporteerd wordt over de geleider (Coulomb per seconde). Dus, de snelheid van de stroom.

Anode
De positieve pool van een batterij of accu noemen we de anode.

Capaciteit
De capaciteit geeft aan hoeveel stroom er geleverd kan worden alvorens de stroom leverancier (batterij / accu etc.) leeg is. De capaciteit staat altijd vermeld en is uit te rekenen met een formule. Deze formule is:

C = I * t

Ofwel:

Capaciteit (in mAh) = Stroomsterkte (in mA) * tijd (in uur)

Dus als je 2 batterijen hebt die ieder het volgende leveren:

0,5 ampère (500 milliampère) voor 20 uur lang.

500 * 20 = 10000 mAh. We hebben 2 batterijen die gezamenlijk dus 20000 mAh kunnen leveren alvorens ze leeg zijn.

Andersom kun je berekenen hoe lang een apparaat kan doen met deze batterijen. Als het apparaat 0,2 A verbruikt dan rekenen we de tijdsduur als volgt uit:

t = C : I

20000 : 200 = 100.

Het apparaat zal met 2 volle batterijen dus 100 uur werken alvorens de batterijen leeg zijn.

Condensator
Een condensator (EN: capacitator) is een elektrische component die elektrische lading opslaat, opgebouwd uit twee geleiders. Er zijn vele soorten condensatoren welke allen verschillende karakteristieken hebben zoals de capaciteit, tolerantie, verlieshoek, afmeting, stabiliteit en toegelaten temperatuur. Een condensator wordt meestal gebruikt om een bepaalde spanning constant te houden waarbij pieken worden afgevangen. Vaak worden ze ook toegepast om gelijkstroom te blokkeren maar wisselstroom door te laten. De tegenhanger van de condensator is de spoel die wel gelijkstroom doorlaat maar wisselstroom blokkeert. Zie een condensator als een bescherming voor de vervolgcomponenten. Een wisselstroom condensator verandert voortdurend van richting. Dit betekent dat de condensator beurtelings wordt opgeladen en ontladen, telkens wanneer de stroom van richting verandert. Het gevolg is, dat in een wisselstroomcircuit de condensator de stroom niet blokkeert zoals in een gelijkstroomcircuit.

Diëlektrisch
Het elektrisch isolerend medium tussen twee geleiders.

Diëlektrische weerstand
Het vermogen van isolerende materialen en afstanden om gedurende een bepaalde tijd (één minuut, indien niet anders aangegeven) zonder overslag of doorslag bepaalde overspanningen te doorstaan.

Diode
Een diode is halfgeleidercomponent met twee aansluitingen (anode en kathode). Een diode zorgt ervoor dat stoom in 1 richting door kan lopen maar niet terug kan lopen in tegengestelde richting. Denk bij een diode aan een elektronisch terugslagventiel. De geleidende richting noemen we “doorlaatrichting” en de blokkerende richting noemen we “sperrichting”.

Elektronen
Een elektrode is een geleider die gebruikt wordt om contact te maken met een niet-metalen deel van het circuit of met een deel van het elektrisch circuit dat niet als vast onderdeel van dat circuit gedacht wordt. Michael Faraday stelde de naam elektrode samen uit de Griekse woorden elektron (barnsteen), waar het woord elektriciteit van is afgeleid en hodos voor weg.

Geleider
Een geleider (in de elektriciteit) is een materiaal welke stoom goed geleid. Koper wordt (in draad) vaak gebruikt als geleider omdat koper een lage weerstand heeft. Alle metalen zijn prima geleiders. De beste geleiders (met de laagste weerstand) zijn zilver, koper en aluminium.

Halfgeleider (Semiconductor)
Een halfgeleider is de tussenvariant van een geleider en een isolator. Qua structuur is het een isolator maar gemaakt van 1 of meerdere stoffen die zo te beïnvloeden zijn dat ze wel geleiden. We kunnen een halfgeleider vaak zo manipuleren dat deze tot duizenden keren meer geleid door de geleider te beïnvloeden. Halfgeleiders zijn essentieel voor de werking van elektronica zoals magnetrons, radio’s, horloges en telefoons. Dit is omdat het met halfgeleiders gemakkelijk is om de hoeveelheid elektriciteit die zij doorgeven te reguleren. Dit draag bij om het apparaat te kunnen besturen.

Een halfgeleider wordt ook wel uitgelegd als de samenstelling van een stof waarbij het Fermi-niveau tussen twee energiebanden in ligt en waarbij het gebied tussen deze banden (de verboden zone) niet veel breder is dan de thermische energie van de elektronen. We kennen o.a. diodes, transistoren, thyristoren en geïntegreerde schakelingen als halfgeleiders (halfgeleidercomponenten).

Hertz
Bij wisselstroom wordt met hertz het aantal wisselingen van de negatieve en positieve polen per seconde.

Impedantie
Als een condensator schijnbaar stroom doorlaat, zal deze ook een weerstand bezitten. Bij wisselstroom spreken wij net zoals bij de spoel niet van weerstand, maar van impedantie. De impedantie is afhankelijk van de capaciteit van de de condensator en de frequentie van de stroom. Doordat spanning en stroom elkaar soms tegen werken zal het vermogen afnemen.

Isolator
Een isolator is een materiaal welke elektriciteit tegenhoud. Door stroom goed te isoleren voorkom je lekstroom of overslag. Glas, porselein, hout en kunststof zijn ideale isolatoren.

Joule – J
Joule is het internationale symbool voor energie, Joule is de energie die nodig is om een object te verplaatsen met een kracht van 1 newton over een afstand van 1 meter. Joule is vernoemd naar James Prescott Joule welke de theorie van “Joule” gedefinieerd heeft. Deze theorie wordt ook wel met de volgende formule aangeduid:

1 J = 1 Nm = 1 (kg m2 : s2) = 1 Ws

Dus:

1 Joule = 1 Newtonmeter = 1 kilo per m2 : aantal seconde2 = 1 Watt

Aangezien energie meestal gemeten wordt in kilowatuur (kWh) staat dit gelijk aan 3.6 MJ (megajoule).

Kathode
De nagatieve pool van een batterij of accu noemen we de kathode.

Kruipafstand
De kortste afstand tussen twee geleiders gemeten langs het apparaat dat de geleiders scheidt. De kruipafstand is normaliter een ontwerpparameter van isolatoren.

Lading – Q (Coulomb)
Alle materie op moleculair niveau bestaat uit atomen (zoals we al hebben kunnen lezen). Atomen zijn positief of negatief geladen. Dit noemen we dan ook de lading. Voor lading gebruiken we het symbool Q. De eenheid waarin we lading aangeven is “Coulomb”.

Parallelschakeling
Een parallelschakeling is een schakelmethode waarbij alles in een “trapvorm” is geschakeld. De stroombron geeft stroom aan 2 voedingsdraden ofwel de hoofdaders (de verticale stijlen van de trap) en de apparaten zijn individueel aan deze hoofdaders geschakeld. Dus als treden tussen de stijlen. In parallelschakeling wordt de stroom verdeeld door alle parallel geschakelde apparaten maar wordt de volledige spanning afgegeven aan het aangesloten apparaat.

Polariteit + / 0 / –
In de elektriciteit herkennen we 3 vormen van elektrische polariteit. Namelijk neutraal (0), positief (+) en negatief (-). Een positieve polariteit heeft een overschot aan negatief geladen deeltjes (elektronen) en een negatieve polariteit heeft hier een tekort aan. Een object (geleider of isolator) met een elektrische polariteit wordt aangeduid als een elektrische pool.

Serieschakeling
Een serieschakeling is een schakelmethode waarbij alles in een “kring” is geschakeld. A naar B, B naar C, C naar D en D terug naar A. In serieschakeling gaat de stroom door alle in serie geschakelde apparaten maar wordt de spanning gedeeld door alle aangesloten apparaten.

Spanning – U (Volt)
De krachtbron doet dus aan ladingscheiding. Maar de krachtbron doet meer. De krachtbron geeft de elektrodes namelijk ook een bepaalde hoeveelheid energie mee. De hoeveelheid energie een elektrode met zich meebrengt noemen we de “spanning”. Spanning wordt aangegeven het het symbool U en de eenheid “Volt”.

Spanningsmeter
Een spanningsmeter wordt gebruikt om de spanning (Volt) te meter. Een spanningsmeter wordt geplaatst voor en na een object om het verschil in spanning te meten. Op die manier weet je hoeveel spanning het object gebruikt.

Transistor
Een transistor wordt meestal gebruikt in schakelcircuits. Een transistor bestaat uit een kristal van een halfgeleider in een afgesloten omhulsel. Een transistor is feitelijk een soort schakelaar die wordt gebruikt om bepaalde elektrische trillingen versterken en is (meestal) opgebouwd uit 3 pennen welke gelijk staan aan de 3 stromen, namelijk B, C en E. B = de basisstroom welke wordt gebruikt door C (de collectorstroom, ofwel het te versterken signaal) en E, de emitterstroom ofwel de output. Er zijn vele verschillende soorten en typen transistors op de markt.

Vermogen – P (Watt)
Met het vermogen geven we aan hoeveel spanning of ampère een apparaat nodig heeft om te functioneren. Als een apparaat (b.v. een lamp) te weinig spanning krijgt dan zal de stroomtoevoer (ampère) omhoog gaan. Zo niet dan brand de lamp minder fel of helemaal niet.

Vermogen wordt als volgt gedefinieerd:

P = U * I

Dus:

Vermogen = spanning * stroomsterkte.

Stel je voor dat je een magnetron koopt van 800 watt welke je aansluit op een stopcontact die 230V levert. Dan kun je berekenen hoeveel ampère het apparaat vraagt om normaal te kunnen functioneren. Dit doe je door bovenstaande formule iets om te bouwen naar:

I = P : U

800 / 230 = 3.47 A. Dus I = 3.47 ampère.

Vermogen wordt aangegeven met het symbool P en de eenheid Watt.

Weerstand / Resistantie – Ω (Ohm)
De weerstand of resistantie is de mogelijkheid om elektrische stroom te belemmeren (af te zwakken). Om stroom te laten geleiden is energie nodig. Des te meer weerstand er geboden wordt, des te meer energie het kost en dus te zwakker de stroom wordt (zwakker het aantal ampère). In formules wordt weerstand aangetoond met de letter R (van het Latijnse “resistre”) en heeft als eenheidssymbool de hoofdletter omega (Ω). Normaliter duiden we weerstand aan als “ohm”.

Werkelijk vermogen
De gemiddelde waarde van het directe product van volt en ampère gedurende een vaste tijdsperiode in een wisselstroomcircuit.

Algemene regels m.b.t. elektriciteit

Als er werken met elektriciteit moeten we ons ook houden aan een paar algemene regels. Zoals:

1. Alle spanning (energie) moet in de stroomkring worden afgegeven / verbruikt alvorens deze terugkomt bij de krachtbron.

2. Stroom blijft behouden maar de spanning wordt verbruikt. Bij een parallelschakeling zal er dus meer stroom nodig zijn (en dus meer ampère) om beide apparaten van voldoende stoom te voorzien. De stroom die bij de apparaten komt hebben allemaal eenzelfde spanning welke wordt verbruikt door de apparaten (zie regel 1).

3. Stroom kiest altijd de weg van de minste weerstand. Omdat de stroom bij meer weerstand “filevorming” krijgt zullen de meeste elektronen via de weg van de minste weerstand gaan. Apparaten met meer weerstand zullen dus minder gevoed worden dan apparaten met minder weerstand (in een parallelschakeling). Daarnaast is het stroomverbruik lager (want de stroom gaat niet zo snel door de hogere weerstand heen) en dus heeft een stroomkring met meer weerstand een lager verbruik (en dus een lager ampère).

4. Stroom (elektronen) lopen van – naar + (terwijl de lading van + naar – loopt).

5. De som van alle stromen (bij een splitsing in het circuit) is 0. Ofwel de stroom van splitsing 1 en van splitsing 2 is gelijk als die van de hoofdweg.

Wet van Ohm

Bovenstaande informatie legt zonder het specifiek te benoemen de wet van Ohm uit. Toch wil ik de wet van Ohm nog even kort aanhalen omdat deze wet essentieel is als je gaat werken met elektriciteit.

Deze natuurkundige wet is uitgevonden door Georg Ohm, die een relatie legt tussen spanning, weerstand en stroomsterkte.

Deze wet luidt als volgt:
“De stroomsterkte door een geleider is recht evenredig met het potentiaalverschil tussen de uiteinden.”

Dus:
U = I x R

Ofwel:
U (spanning) = I (stroom) x R (weerstand).

Wat we hiermee zeggen is dat de uiteindelijke spanning (Volt) de stroom (ampère) maal de weerstand (Ohm) is.

Als voorbeeld maken we een som. We hebben een stroom van 6 ampère en sturen deze door een weerstand van 12 ohm dan is de spanning die over de weerstand gaat 36 volt.

Bij meer stroom krijgen we ook een hogere spanning. En bij meer weerstand krijgen we ook een hogere spanning.

De formulier is dus eigenlijk niet zo ingewikkeld en kan ook andersom gebruikt worden om uit te rekenen hoeveel ampère er door een weerstand loopt. Als een accu 6 volt levert en door een weerstand van 4 ohm gaat dan delen we het aantal volt (6) door de weerstand (4). De geleverde stroom wordt dan 1.5 ampère. De formule wordt dan:

I = U : R

Dus:

Spanning (U) uitrekenen:
I (stroom) x R (weerstand)

Stroom (I) uitrekenen:
U (Spanning) : R (weerstand)

Weerstand (R) uitrekenen:
U (spanning) : I (stroom)

Elektriciteit in computers

Ok… en nu wat we eigenlijk wilde weten toch. Hoe zit het met elektriciteit in computers?

Eigenlijk gebeurt er in een computer niet heel veel anders dan in ieder elektrisch circuit. Echter, het is vaak allemaal wel een stukje kleiner. Laten we eens kijken hoe het er in een computer aan toe gaat:

Een computervoeding zit aangesloten op een 230V aansluiting. De voeding zelf zet de AC (wisselstroom) om in DC (gelijkstroom) en voorziet de juiste connectoren van de juiste spanning. De zware componenten zoals een videokaart en DVD writer werken op 12V. Er zijn echter heel veel onderdelen die voorzien moeten worden van een lichtere spanning. Verschillende componenten vragen ook een verschillende hoeveelheid ampère. Een goede voeding kan 24 tot 30 ampère leveren op de 12 Volt aansluitingen. Sommige game systemen hebben wel 65 ampère nodig op de videokaart.

Een belangrijk gedeelte van de geleverde stroom gaan van de voeding naar het moederbord. Het moederbord ontvangt verschillende spanningen waaronder 3.3, 5 en 12 Volt. Het moederbord verwerkt deze voltages weer in het “Voltage Regulatie Circuit”. Dit circuit is te herkennen aan de chokes (een soort spoel van ijzer of ferriet welke beter is). Meestal is er een choke te vinden bij elke “fase” (ofwel kanaal). Zie hieronder een aantal verschillende chokes.

Dit “Voltage Regulatie Circuit” bevindt zich meestal in de buurt van de CPU socket. Het kan ook voorkomen dat andere chokes te vinden zijn bij specifieke onderdelen. Deze reguleren dan de spanning voor deze componenten.

Het “Voltage Regulatie Circuit” bestaat nog uit meer componenten waaronder transistors (2 of 3 per fase / kanaal) en elektrolytische condensatoren (of solide condensatoren van massief aluminium, die beter zijn). De transistors die gebruikt worden binnen het Voltage Regulatie Circuit zijn vervaardigd middels een technologie genaamd MOSFET (Metal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor). Andere moederborden zoals de “DrMos” moederborden van MSI gebruiken geïntegreerde schakelingen in plaats van transistors). Soms zijn de transistoren voorzien van extra koelribben om ze extra te koelen, wat natuurlijk nog beter is. Daarnaast is er altijd nog een geïntegreerde schakeling aanwezig, genaamd “PWM-controller”. Het moederbord heeft voor elk spanningsniveau een PWM-controller. Dus bij b.v. de chipset, CPU, geheugen enz. De meeste PWM regelaars kunnen twee onafhankelijke spanningsniveaus controleren. In een goed ontworpen moederbord bevind zich nog een kleine schakeling per fase / kanaal, namelijk de “MOSFET driver.” Bij elke fase hoort dus een “choke”, 1 of meer condensatoren en een MOSFET driver. De componenten kunnen variëren per fase en type moederbord maar doorgaans kunnen we dus het aantal fase achterhalen door de “chokes” te tellen. Elke fase heeft er meestal slechts 1.

De stroom wordt in het moederbord dus verdeeld in “voltage regulator circuits”. Hier zorgt de PWM controller voor een “blok” signaal die door de verschillende fases gestuurd wordt. De MOSFET driver reguleert de stroom omdat er nooit genoeg stroom geleverd wordt om elke fase te voorzien. Elk voltage regulator circuit bestaan uit 2 of meer fases/ kanalen. Hoe meer kanalen des te lager de bijbehorende transistors belast zijn en dus minder warmte genereren en een langere levensduur hebben. De fases worden namelijk beurtelings belast. Bij 2 fases werkt iedere fase 50% van de tijd en bij 4 fases wordt iedere fase slechts 25% van de tijd belast.

Zo heeft elk onderdeel op het moederbord dus een speciaal circuit van onderdelen die de belasting exact regelen. Op deze manier kunnen componenten zoals een videokaart ook “vragen” om meer stroom wanneer deze vereist is. Dure moederborden zijn voorzien van kwalitatievere onderdelen en meerdere fases. Ook kun je bepaalde sensors beïnvloeden zoals PWM controller of de stroom sensor om meer stroom te genereren welke de snelheid ten goede komt maar nadelig is voor het stroomverbruik en de belasting op de componenten.

Conclusie

Ben je na het lezen van deze post elektricien… nee. Zeker niet. Maar ik hoop dat het concept “elektriciteit” en een aantal belangrijke (vakjargon) termen wel een stuk duidelijker zijn. Wat is elektriciteit, hoe ontstaat het en hoe werkt het in een stroomkring. Wil je zelf eens visueel spelen met stroom dan kan ik je van harte de gratis “Circuit Construction Kit” van “Phet” aanbevelen. Deze Java applet is hier te downloaden: https://phet.colorado.edu/en/simulation/legacy/circuit-construction-kit-ac.

Veel plezier!