Natuurkunde basisschool en onderbouw · Grades 1–9
30Serie- en parallelschakelingen
Toen één lampje het begaf, ging de hele feestsliert donker — de vloek van de enkele lus. En toch schijnt de rest van het huis vrolijk door als er in je keuken een lampje doorbrandt. Iemand heeft je huis op een slimmere manier bedraad. Vandaag leren we die manier: de weg van de takken.
30.1 Twee manieren om te bedraden
De eerste manier ken je: in serie, alle spelers aan één lus geregen, kralen aan één ketting. Hier is de tweede.
Definitie 30.1 (Parallel)
Spelers staan parallel wanneer de kring zich splitst in afzonderlijke takken — één speler per tak — die uit elkaar gaan en weer samenkomen. De punten waar wegen splitsen of weer samenkomen heten knooppunten. Elke tak is een complete weg van de ene pool van de batterij naar de andere.
Methode 30.2 (De schakeling bouwen)
Met één batterij, twee lampjes en draadjes:
- verbind het eerste lampje in zijn eentje met de batterij, als een gewone lus — tak één;
- verbind nu het tweede lampje rechtstreeks over het eerste heen: één draadje van elke kant van lampje 1 naar de bijbehorende kant van lampje 2 — tak twee;
- volg elke tak met je vinger: vanaf moet elke weg precies één lampje passeren voordat hij bij aankomt.
Beide lampjes branden — en allebei schijnen ze net zo fel als één lampje in zijn eentje zou doen.
30.2 De regels van de takken
Propositie 30.3 (Regels van de parallelschakeling)
Met elke speler op zijn eigen tak:
- onafhankelijkheid: een onderbreking in de ene tak legt alleen die tak stil — draai één lampje los, en het andere brandt door;
- volle felheid: elk lampje schijnt alsof het alleen was — de duw van de batterij wordt niet tussen de takken verdeeld;
- commandoposten: een schakelaar binnen een tak commandeert alleen die tak; een schakelaar op de gemeenschappelijke weg, vóór de splitsing, commandeert iedereen. (De prijs: de batterij voedt alle takken tegelijk, en raakt dus sneller leeg.)
Voorbeeld 30.4 (De losdraaiproef, opnieuw gespeeld)
Doe met het parallelle paar precies wat het seriepaar ooit fataal werd: draai lampje 2 los. Lampje 1 flikkert niet eens — zijn eigen tak, zijn eigen complete weg, blijft onaangeroerd. Draai het terug en draai in plaats daarvan lampje 1 los: lampje 2 brandt rustig door. De vloek van de enkele lus is opgeheven: parallel bemoeit elke speler zich met zijn eigen tak.
Voorbeeld 30.5 (Je huis is een parallelschakeling)
Elke lamp, elk stopcontact en elk apparaat in je huis rijdt op zijn eigen tak van één grote parallelschakeling. Daarom kan het keukenlampje doorbranden terwijl er in de woonkamer ongestoord doorgelezen wordt; daarom commandeert de schakelaar van elke kamer alleen zijn eigen licht; en daarom kan één hoofdschakelaar — in de meterkast — het hele huis in één keer afsluiten voor reparaties. Moderne feestverlichting is lid van de club geworden: haar lampjes zijn zo bedraad dat één kapot lampje de sliert niet meer verduistert.
Opmerking 30.6 (Serie en parallel naast elkaar)
Eén onderbreking: serie — alles donker; parallel — één tak donker. Meer lampjes: serie — allemaal zwakker; parallel — allemaal op volle felheid, maar de batterij raakt sneller leeg. Eén schakelaar voor alles: serie — waar dan ook; parallel — alleen vóór de splitsing. Geen van beide manieren is “beter”: de zaklamp is tevreden in serie (één lampje, één schakelaar), het huis is noodzakelijk parallel. De eerste vraag van een elektricien over elke kring is eenvoudig: waar splitst de weg zich?
30.3 Schakelingen lezen
Methode 30.7 (De wegen volgen)
Om het lot van elk lampje in een schemategening te voorspellen:
- zet je vinger op de van de batterij en loop elke mogelijke weg naar , en noteer de spelers die elke weg passeert;
- een lampje brandt als er minstens één ononderbroken weg doorheen loopt;
- spelers die op elke weg voorkomen staan in serie met elkaar; spelers op verschillende vertakkingen staan parallel.
Loop de wegen af voordat je voorspelt — gokken op de vorm van de tekening alleen is hoe schakelingen mensen om de tuin leiden.
30.4 Oefeningen
Oefening 30.1 ★
Wat is een tak? En een knooppunt? Hoeveel takken dragen in een parallelschakeling met twee lampjes een lampje?
Oefening 30.2 ★
Noem de drie regels van de parallelschakeling.
Oplossing
Oplossing van Oefening 30.2.
Onafhankelijkheid (een onderbreking legt alleen haar eigen tak stil); volle felheid (elk lampje schijnt alsof het alleen was, waarvoor de batterij in ruil sneller leegraakt); commandoposten (een takschakelaar heerst over zijn tak, een schakelaar vóór de splitsing over alles).
Oefening 30.3 ★
Twee lampjes parallel: lampje 1 wordt losgedraaid. Wat doet lampje 2? En in het seriepaar — wat deed het daar, en waar komt het verschil vandaan?
Oefening 30.4 ★
Twee gelijke lampjes: paar A staat in serie, paar B parallel, met dezelfde batterijen. Welk paar schijnt per lampje feller? Welk paar maakt zijn batterij sneller leeg?
Oefening 30.5 ★
Wat doet elk lampje in de figuur met de twee schakelaars als: beide schakelaars dicht zijn? de hoofdschakelaar open is? de hoofdschakelaar dicht is en de takschakelaar open?
Oefening 30.6 ★
Waarom wordt een huis parallel bedraad en niet in serie? Noem twee alledaagse gemakken die daarvan afhangen.
Oplossing
Oplossing van Oefening 30.6.
In serie zou één kapot lampje (of één uitgeschakelde lamp!) het hele huis verduisteren, en zou alles zwakker worden naarmate er meer lampen bijkwamen. Gemakken van parallelle bedrading: de schakelaar van elke kamer heerst alleen over die kamer; een doorgebrand keukenlampje laat de rest van het huis verlicht; elke lamp brandt op volle felheid.
Oefening 30.7 ★
Waar in de kring van een huis commandeert een schakelaar alles in één keer? Hoe heet die schakelaar in het dagelijks leven en waarvoor dient hij?
Oplossing
Oplossing van Oefening 30.7.
Vóór de splitsing — op de gemeenschappelijke weg waar de stroom het huis binnenkomt: de hoofdschakelaar in de meterkast. Hij sluit het hele huis in één keer af, voor reparaties en noodgevallen.
Oefening 30.8 ★
Een bedlampje en zijn stopcontact: staan die in serie of parallel met de plafondlamp? Hoe weet je dat uit het dagelijks leven?
Oefening 30.9 ★★
Teken (met symbolen) een kring voor een gang: één batterij, één lampje, en dit gemak — het lampje moet aan en uit kunnen met een schakelaar aan elk van beide uiteinden van de gang… Probeer het eerlijk; blijven je ontwerpen koppig mislukken, leg dan uit wat er lastig is. (Echt hotelschakelen heeft een slimmere schakelaar nodig dan de onze — de poging leert meer dan het antwoord.)
Oplossing
Oplossing van Oefening 30.9.
Met onze gewone schakelaars blijven de ontwerpen mislukken: een schakelaar in serie met het lampje kun je maar vanaf één kant openen; twee gewone schakelaars in serie eisen dat ze allebei dicht zijn (elk uiteinde kan het licht wel uitdoen maar niet altijd aan); twee parallel eisen dat ze allebei open zijn voor duisternis. Het gemak in de gang heeft een schakelaar nodig die tussen twee wegen kiest in plaats van er één te verbreken — de wisselschakelaar, die echte gangen in gelijke paren gebruiken.
Oefening 30.10 ★★
Een sliert moderne feestlichtjes blijft schijnen als er één lampje sneuvelt — maar op de doos staat de waarschuwing: “Gebruik de sliert niet met meer dan drie lampjes verwijderd.” Verklaar met de regels van de takken zowel het gemak als, moeilijker, een zinnige reden voor de waarschuwing. (Denk aan wat elke overgebleven tak van de batterij krijgt, en aan de inspanning van de batterij zelf.)
Oplossing
Oplossing van Oefening 30.10.
Het gemak: de lampjes rijden op parallelle takken, dus verduistert een kapot lampje alleen zichzelf. De waarschuwing: elk ontbrekend lampje haalt een tak weg, en de batterij (of de kleine voeding van de sliert) duwt haar volle inspanning door de takken die overblijven — met te veel weg krijgen de overlevenden elk meer dan waarvoor ze gebouwd zijn, worden ze heter en gaan ze jong kapot.
Oefening 30.11 ★★
Een elektricien wil in de figuur met twee schakelaars nog één lampje toevoegen dat alleen brandt als de takschakelaar dicht is, en anders donker blijft — ook met de hoofdschakelaar dicht. Op welk stuk weg moet het nieuwe lampje worden aangesloten, en staat het dan in serie of parallel met lampje 2?