Een föhn gesloopt

Een kleine reis-föhn voldeed niet meer en werd afgedankt.
Ik vroeg me af hoe het ding werkte en haalde 'm stap voor stap uit elkaar.
Wat mij speciaal interesseerde was:
  • hoe de föhn in staat was om op twee standen (hard en zacht) te functioneren;
  • hoe het mogelijk was gemaakt dat de föhn op zowel 220 V als op 110 V kon draaien;
  • of hieruit nog een aardige opgave voor m'n (examen)leerlingen tevoorschijn kwam.

Een eerste blik binnen in

opengewerkte föhn Wat meteen opvalt, is de eenvoud en het gering aantal onderdelen. Logisch: Het ding is natuurlijk ontworpen om zo goedkoop mogelijk geproduceerd te kunnen worden.
Eerst maar eens het schema tekenen. Met een kladpapiertje ernaast draadjes volgen en uit die warboel een net schema tekenen is elke keer weer spannend, want dit proces ontsluiert de geheimen. schema van de föhn Uit het schema blijkt dat vier diodes (D2...D5) zijn gebruikt om een eenvoudig gelijkstroommotortje te voeden. Blijkbaar is dit uiteindelijk een goedkopere oplossing dan het inzetten van een wisselstroommotortje. De juiste spanning voor de motor komt van een spanningsdeler die opgebouwd is uit twee gedeeltes van één van de twee gloeispiralen. Dat is aanleiding voor opgave 1 (opent in kadertje).
Opgave 1 X 

In een föhn zitten twee gloeispiralen die in serie geschakeld zijn; een lange (65,0 Ω) en een korte (15,0 Ω). De gloeispiralen in de föhn wordt aangesloten op een spanning van 220 V.

a)   Bereken het vermogen dat de gloeispiralen samen dan omzetten.

b)   Bereken in deze situatie de spanning over de korte gloeispiraal.

Een motortje wordt parallel gezet aan de korte gloeispiraal. De spanning over de motor blijkt dan 20 V te bedragen.

c)   Bereken het vermogen dat de hele föhn dan omzet.

d)   Bereken het vermogen dat alleen de motor dan omzet.

Probeer eerst zelf! Bekijk pas daarna de uitwerking.

a)   Uit I = U/R en P = I•U volgt: P = U2/R. Dit invullen voor het totaal van de twee gloeispiralen levert: P = (220V)2/(65 Ω + 15 Ω), dus P = 605 W.

b)   Uit U = I•R en Ilang = Ilang volgt dat in de spanningsdeler de verhouding tussen U's gelijk is aan de verhouding tussen R's, of te wel: Ukort / (Ukort + Ulang) = Rkort / (Rkort + Rlang). Dit invullen levert: Ukort = 220V•15/80, dus Ukort = 41,3 V.

c)   De spanning over de lange gloeidraad is 200 V en zijn weerstand is 65,0 Ω. Dus: I = U/R = 200 V/65,0 Ω = 3,077 A. Dat is ook de stroomsterkte door de hele föhn, dus voor het vermogen geldt: P = U•I = 220 V • 3,077 A = 677 W.

d)   De stroomsterkte door de lange gloeispiraal is 3,077 A, de stroomsterkte door de korte gloeispiraal is: I = U/R = 20 V/15,0 Ω = 1,333 A. Het verschil daartussen loopt door de motor, dus: Imotor = 1,744 A. Nu is het vermogen te bereken: Pmotor = U•I = 20 V • 1,744 A = 35 W.

Verder is de diode (D1) bij de uit/half/vol-schakelaar (S1) een slimme zet: Door slechts een diode in de stroomkring op te nemen, halveer je de tijd en daarmee het vermogen dat de föhn elektrische energie omzet. Simpel: goedkoop & effectief.

De 110/220 V -schakelaar

animatie van 110/220V-schakelaar Hoe hebben ze het echter mogelijk gemaakt met één schakelaar de föhn te kunnen laten werken op beide spanningen? Door de schakelaar open te peuteren (zie hier rechts) kwam tevoorschijn hoe dit gaat. De schakelaar bevat vijf punten waarvan vier contactpunten. Twee metalen slee'tjes rusten steeds elk op twee van de vijf punten; hiermee zijn meerdere standen mogelijk, maar slechts twee worden gebruikt: 110 V en 220 V. schema van 110/220V-schakelaar Dit vertaald in de schakelaar S2 in het schema, ziet er uit zoals hier links. Briljant! Met de schakelaar worden de twee gloeispiralen parallel of in serie geschakeld, waarmee inderdaad op beide spanningen het vermogen dat de föhn levert gelijk is! Voor verdere uitleg, zie opgave 2 (opent in kadertje), die hieruit volgt.
Opgave 2 X 
schema van föhn met 220V/110V-schakelaar

In een föhn zitten twee gelijke gloeispiralen die met de schakelaar S2 in serie met elkaar of parallel aan elkaar geschakeld kunnen worden. Hoe de schakelaar in z'n twee standen contact maakt, is weergegeven in de twee figuurtjes links in het schema.

a)   Laat m.b.v. het schema zien dat de gloeispiralen parallel geschakeld zijn als de schakelaar S2 in de 110 V staat.

b)   Toon aan dat het vermogen dat de föhn omzet bij 110 V en bij 220 V gelijk is, indien de föhn correct gebruikt wordt.

Probeer eerst zelf! Bekijk pas daarna de uitwerking.

uitwerking van opgave 2

a)   In het schema hiernaast zijn twee stroomkringen met een andere kleur aangegeven. Elke gloeispiraal zit in een eigen stroomkring; dat is typisch voor een parallelschakeling.

b)   Bij gebruik van 220 V staan de twee gelijke gloeispiralen in serie, zodat over elk van de gloeispiralen de helft van de spanning staat. Bij gebruik van 110 V staan de twee gloeispiralen parallel, zodat over elk van de gloeispiralen dezelfde bronspanning staat. In beide gevallen staat er dus 110 V over elk van de gloeispiralen, waarmee dus ook het vermogen per gloeispiraal gelijk is, en daarmee ook het vermogen van de hele föhn.

De diode-bruggelijkrichter

de diode-bruggelijkrichter voor de motor De vier diodes D2...D5 zijn direct aan het motortje gesoldeerd en vormen een zo genaamde bruggelijkrichter. Een simpele maar vernuftige schakeling van diodes om de positieve halve golf van een wisselspanning gewoon door te laten en de negatieve halve golf om te keren. Zo worden beide golfhelften benut voor de beoogde gelijkspanning. Verdere uitleg is te vinden op bijvoorbeeld de wiki-pagina over de bruggelijkrichter. De spanning die uit de brug komt, is wel gelijkgericht maar nog niet afgevlakt. Dat is echter niet nodig voor het motortje in de föhn; dat draait toch wel. polariteit van een diode
De polariteit van een diode kun je aflezen aan de streep die op de behuizing; die streep komt overeen met de streep in het schakelsymbool van de diode. Maar dan valt op, zie foto links-boven, dat de +kant van de brug aangesloten is aan de 'verkeerde' kant van het motortje! Blijkbaar is het op een of andere manier gunstiger om het motortje de verkeerde kant op te laten lopen dan om de schoepjes van de daarop aangesloten ventillator andersom te maken. Reden? Heeft het te maken met beschikbare 'standaard' onderdelen?
Op een onderdeel staat vaak een of ander nummer. Met internet is het tegenwoordig eenvoudig nazoeken om wat voor een onderdeel het gaat en wat de eigenschappen ervan zijn. Zo staan de eigenschappen van de voor het motortje gebruikte diodes, de 1N4001, vermeld in de datasheet van de 1N4001.

De gloeidraad

Van wat voor materiaal is de gloeidraad gemaakt? Om dat te achterhalen, deed ik enkele metingen aan één van de twee gloeidraden. De foto links-boven is van de weerstandmeting van de gloeidraad (in Ω). De tweede foto laat de zo ver mogelijk uitgestrekte gloeidraad naast een rolmaat zien. De derde foto is van een schuifmaat met de gloeidraad ertussen en de vierde foto is een detail van die schuifmaat, namelijk de nonius waarop de 'dikte' van de metalen draad afgelezen kan worden (de getallen 0, 10, 20 zijn in millimeter).
Een duidelijke uitleg over hoe je de nonius moet aflezen is te vinden op de wiki-pagina over de nonius.
weerstand van één gloeidraadlengte van één gloeidraad
diameter van de gloeidraadaflezen van de nonius
Met deze meetgegevens is de soortelijke weerstand van het materiaal waarvan de gloeidraad gemaakt is te bepalen. Daarover gaat opgave 3 (opent in kadertje).
Opgave 3 X 

Van een stuk weerstandsdraad, afkomstig van de gloeispiraal in een föhn, wordt de soortelijke weerstand bepaald. Daartoe zijn bovenstaande drie metingen uitvoerd.

a)   Geef van elk van de drie metingen aan welke grootheid gemeten werd en wat het resultaat van die meting is.

b)   Bereken uit bovenstaande gegevens de soortelijke weerstand van het materiaal waarvan de gloeispiraal gemaakt is.

Probeer eerst zelf! Bekijk pas daarna de uitwerking.

a)   Weerstand van de draad:    R = 45,2 Ω
Lengte van de draad: l = 2,5 m
Diameter: d = 0,36 mm

b)   De oppervlakte-doorsnede: A = π•r² met r = d/2, dus A = π•(1,8•10-4m)² = 1,02•10-7m².
Daaruit volgt voor de soortelijke weerstand: ρ = RA / l = 45,2 Ω • 1,02•10-7 m² / 2,5 m = 1,8•10-6 Ωm

Hmm, een soortelijke weerstand van 1,8•10-6 Ωm is vrij veel voor 'gewone' metalen. In een tabel voor weerstandsdraad vond ik deze waarde niet, maar wel waardes die in grootte-orde in de buurt komen. Jammer. In elk geval is wel een speciaal weerstandsdraad gebruikt, maar daar zullen er best veel van zijn.

Beveiliging tegen oververhitting

bimetaal-schakelaar ter voorkoming van oververhitting De gloeispiraal is losjes gewikkeld om een langwerpig kruis gemaakt van hittebestendig materiaal. Binnenin zit een (open) schakelaar die zich opent als de föhn te warm wordt, bijvoorbeeld als op een of andere manier de luchtstroom afneemt, bijvoorbeeld door dichthouden van de achterkant van de föhn. De schakelaar bestaat uit twee contactpunten waarvan één op een veerkrachtige arm. Onder die arm zit een stukje bimetaal. Dat bestaat uit twee laagjes van verschillende metalen. Bij verwarming zetten beide metalen verschillend uit (stof voor een opgave!), waardoor het bimetaal krom trekt. Daardoor wordt de arm weggedrukt, de contactpunten uitelkaar getrokken en daarmee de stroomkring onderbroken. In het schema is dit dus schakelaar S3.

Het motortje

de elektromotor die de propeller aandrijft Ook het motortje moest eraan geloven en werd opengesloopt. Het bleek een uiterst gewoon motortje te zijn: Twee vaste magneten voor het veld in de motor, een rotor met drie spoelen en twee sleepcontacten. Simpeler wordt nauwelijks gemaakt.
Hier zouden nog wat opgaven uit te halen zijn, maar daar heb ik nu geen zin meer in.
 

Conclusie

De föhn is uiterst eenvoudig maar op sommige plekken wel vernuftig in elkaar gezet. Misschien mag het uitdenken van zo iets dan iets meer aandacht kosten, maar als je 'm dan eenmaal in de productie slingert, heb je een goedkoop apparaat.
De föhn biedt goede mogelijkheden om een paar aardige vraagstukken over te maken.