ANALOGE ELEKTRONICA
390 W
1N 4007
1 kW
390 W
BD 135
1000 m F
100 m F
1N 4007
12 V
LED groen
1 kW
10 kW
LED rood
1 kW
3.9 W - 5W
6 Volt
LDR
R
L
T
10 kW
0 Volt
Analoge elektronica
Inhoudsopgave
Inleiding Eenheden Wet van Ohm
Blz. 6
Versterking
Blz. 7
Condensator
Blz. 2
Symbolen
Blz. 8
Tijdsafhankelijke schakelingen
Blz. 3
Transistor Blz. 9
Oscillator
Blz. 10
Alarm
Blz. 1
Blz. 4 Blz. 5
Opdrachten Lichtgevoelige schakelingen
Aanwijzingen bij het gebruik van dit bestand. In dit bestand wordt veel met knoppen gewerkt die aangeklikt kunnen worden. • • • •
Gele knoppen openen een extern web-adres. Blauwe onderstreepte tekst opent een andere bladzij in dit bestand of op het web. Sommige afbeeldingen zijn animaties die gaan lopen als ze aangeklikt worden. Andere afbeeldingen bevatten een hyperlink naar het bronbestand, tenzij het eigen materiaal is. • Het NIUtec-logo verwijst naar de startpagina van de website. Voor dit bestand en alle daarbij behorende afbeeldingen geldt een Creative Commons licentie. Voor gebruik op scholen en educatieve instellingen wordt vriendelijk verzocht contact op te nemen voor een vergoeding. Deze versie is gepubliceerd in april 2012. Voor op- of aanmerkingen betreffende de inhoud en/of gebruik kan contact opgenomen worden met NIUtec-support.
CONTACT
Analoge elektronica
Kennismaken met elektronica
Inleiding Elektronica is te vergelijken met het regelen van het verkeer. Een stroom is een gecoördineerde beweging van een massa deeltjes. Die deeltjes zijn in het verkeer de verkeersdeelnemers. Ze vormen een verkeersstroom als ze zich gaan verplaatsen. Zonder verplaatsing is er geen verkeersstroom. Misschien staan ze te wachten tot de trein gepasseerd is of wordt er gewerkt aan de weg en kunnen ze alleen stapvoets rijden. De versperring remt de beweging en vormt een weerstand voor de stroom. Er ontstaat een verstopping en de spanning onder de automobilisten groeit. Als de overweg weer vrij is, of als er een tweede rijstrook beschikbaar komt, dan is er minder weerstand voor het verkeer, er komt weer beweging in de file, de spanning neemt af en de stroom komt weer op gang.
Eenheden Stroom is de mate van verplaatsing. Eenheid: Ampère (A) Symbool: I Spanning is de verkeersdruk. Eenheid: Volt (V) Symbool: U Weerstand is de invloed van de weg. ) Eenheid: Ohm (W Symbool: R
Wet van Ohm:
Je zou kunnen zeggen dat naarmate er meer weerstand is onderweg, de spanning onder de verkeersdeelnemers groeit. Spanning is recht evenredig aan weerstand. Ook kan je zeggen dat het maar weinig opschiet met veel opstoppingen onderweg. Stroom is omgekeerd evenredig met weerstand.
U
Ook kan je zeggen dat hoe hoger de druk is om thuis te komen, hoe harder iedereen rijdt. Dus Spanning is recht evenredig aan stroom.
I
Als we stroom als symbool de letter I geven, spanning de letter U en weerstand de letter R, dan kan je de onderlinge relatie tussen de drie weergeven als R=U/I. Of als I=U/R. Of als U=IR. Dit verband tussen stroom, spanning en weerstand is de wet van Ohm.
R
U=IxR I =U/R R=V/ I
De verkeersdeelnemers in dit verhaal zijn die ongrijpbare, onzichtbare en onvoorstelbaar kleine elektronen.
1
Analoge elektronica
Symbolen: gloeilamp
drukschakelaar
weerstand
verbreekschakelaar
wisselschakelaar monostabiel
regelbare weerstand (potentiometer)
lichtgevoelige weerstand (LDR)
condensator
elektrolytische condensator
diode
lichtgevende diode (LED)
NPN transistor
PNP transistor
2
Analoge elektronica
Transistor
Versterking
De NPN-transistor:
Met een graafmachine kan je met een joystickje tonnen zand optillen. Per kilometer kost fietsen véél meer spierkracht dan het intrappen van het gaspedaal in een auto. En als we met een dynamo onze eigen elektriciteit zouden moeten opwekken, dan kwamen we niet veel verder dan een lampje van 100 Watt. Om te versterken schakelen we een extra energiebron in in plaats van alleen met eigen lichaamskracht te werken. Voor dat inschakelen hebben we een schakelaar nodig. Dat zijn het lichtknopje, het gaspedaal en het joystickje in de voorbeelden.
57 4
B
+
BC
collector =
Overal om ons heen maken we gebruik van versterking.
emitter =
basis =
+
of
_
_
De elektronische versterker bij uitstek is de transistor. Het is een voorwerpje met drie pootjes. Twee daarvan vormen de hoofddoorgang, de derde is het draadje waarmee de hoofdstroom wordt geactiveerd. Ze heten de collector (+), de basis (sterk afgeremd +) en de emitter (--).
AANVOER (plus)
Transistor animatie schakelaar
Ook elektrische stroom kan je versterken. Door bijvoorbeeld de volumeknop van je versterker open te draaien. Maar in de elektronica bestaan onderdelen die stroom met stroom zelf versterken. Dat is zoiets als de waterkraan openzetten door hem nat te maken! Je hebt natuurlijk wel een aansluiting op het waterleidingnet nodig, als dat geen water levert, heeft het ook geen zin om de kraan wijd open te zetten!
weerstand
gloeilamp
COLLECTOR
transistor BASIS
EMITTER
AFVOER (min) AANVOER (plus)
schakelaar
gloeilamp
weerstand
De basis is het draadje dat toegang geeft tot de ontkoppeling van de ‘deur’ in de doorgang van collector naar emitter. Deze deur schiet al open bij een héél klein beetje stroom door de basisdraad. Bij teveel brandt hij door! Altijd een weerstand gebruiken van
COLLECTOR
transistor BASIS
minstens 1 kW .
3
EMITTER
AFVOER (min)
Analoge elektronica
Opdrachten
390 W
BD 135
1N 4007
1 kW
1- Om de lamp te laten branden is het voldoende om je (vochtige) vingers op de punten X en Y te houden.
Alleen op deze bladzij worden voorbeelden van het demoplankje weergegeven.
390 W
Test de opstellingen van deze en volgende bladzijden. Spelregels: ? Zet met het demo-set het schema in elkaar. ? Laat de werkende opstelling zien en aftekenen. ? Ga niet in het wilde weg experimenteren.
1000 mF
LED rood
1 kW
LED groen
100 mF
1N 4007
10 kW
Zelf voel je niks, maar de transistor reageert al op dat kleine beetje stroom dat je vingers doorgeven!
12 V
1 kW
3.9 W - 5W
B+
6 Volt
4,5 V
X
L
Y
X
gloeilampje
1 kW
Lukt het ook met een kring mense?
bruin/zwart/rood
Y
C transistor B E
T1 R 1 kW
0 Volt
1
B-
2- Als je tussen de punten X en Y een potmeter plaatst (100 kW), dan kan je de basisstroom zelf instellen. 1 kW
390 W 1000 mF
LED rood
1 kW
LED groen
100 mF
1N 4007
12 V
10 kW
Kan je het lampje uit krijgen? Als de gloeilamp het niet meer redt, gaat het dan nog wel met een LED?
390 W
BD 135
1N 4007
1 kW
3.9 W - 5W
+
B 4,5 V
6 Volt
LED
P
100 kW
100 kW
LED
C
10 kW
T1
transistor
B E
R 10 kW
2
0 Volt
B-
4
Analoge elektronica
Lichtgevoelige schakelingen B+
3- Een lichtgevoelige schakeling maak je door een LDR te gebruiken. Een LDR is een lichtafhankelijke weerstand. Hij heeft in het donker een weerstand van 10 kW. In het volle (zon)licht daalt de weerstand naar ± 1 kW. (schema 2a)
4,5 V
L LDR
Om de schakeling goed te kunnen afstellen is verder nog een regelbare weerstand nodig. (schema 2b)
T1 R 10 kW
De lamp gaat nu branden bij voldoende licht en dooft in het donker.
3a
Je ziet dat nu alle drie de aansluitingen van de potmeter gebruikt worden. De loper, dat is de regelbare aansluiting, moet aan de basis van de transistor. Je kunt op deze manier de spanning tussen de LDR en de 0 Volt-lijn precies zó afregelen, dat de transistor op het licht reageert.
-
B
B+ 4,5 V
LDR
L
P T1 10 kW
3b
+
B
B-
4,5 V
L P 100 kW
LDR
4
4- Maar nu hebben we een schakeling die aanfloept in het licht en uitgaat in het donker. Niet handig! De werking kan omgekeerd worden door de LDR en de potmeter van plaats te laten wisselen.
T1
Let er op dat de potmeter nu een andere weerstandswaarde heeft.
-
B
5
Analoge elektronica
Versterking B+
LDR
4,5 V
1 kW
5- Een tweede puntje van kritiek is dat de schakeling wel een beetje sloom reageert. Voor een beetje pittiger aan-uit gedrag gaan we een tweede transistor gebruiken. Deze transistor doet wat de LDR in schema 4 deed, hij laat de spanning op de basis van de eerste transistor weglopen, zodat die gaat sperren.
R
X
La
Z
Y T1 P T2 10 kW
Maak eerst het schema zonder de LDR en kijk of de lamp uitgaat als je punten X en Y verbindt (dat kan al met vochtige vingers). Als op deze manier de schakeling volgens verwachting werkt, kan je een LDR tussen punten X en Y zetten.
5
-
B
Weerstand R is nodig om de basis van T1 niet te overbelasten. (Minimaal 1 kW) De basis van T2 is door de potmeter al genoeg beveiligd.
Vraagje: Wat gebeurt er met de spanning op punt Z als je X en Y verbindt? Wordt het + of wordt het 0 V?
R2
R3
2,2 kW
R1
390 W
6- Er zijn ook elektronische onderdelen (componenten) die niet op zichtbaar licht reageren, maar op infrarood. Dit licht wordt veel gebruikt, o.a. in afstandsbedieningen.
1 kW
390 W
B+ R4
LED Signaal
Zo’n infrarood-LED en -sensor zijn gebruikt in het standaardsetje < lichtpoortje>. Bovendien zit hier naast het ‘lampje’ tevens een aansluiting die als signaaluitgang kan dienen voor een volgend stukje elektronica (Cpunt Z in schema 5).
4,7 kW
4,7 kW
CQW 13
6
6
BPW 41
R5
T1
T2
BC 547 B
R6
B --
Analoge elektronica
De condensator Elke centrale verwarming heeft een expansievat. Het is een grote rode ketel die uit twee helften bestaat met een rand in het midden. Binnenin bestaat hij uit twee ruimtes die van elkaar gescheiden zijn door een rubberen plaat. De ene helft is aangesloten op de leidingen van de verwarming, de andere helft staat in verbinding met de buitenlucht. Als er teveel water in het verwarmingssysteem zit omdat het bij het opwarmen is gaan uitzetten, dan wordt dat in de éne helft van het expansievat geperst. Doordat de rubberen plaat meegeeft, kan er een redelijke hoeveelheid water in worden opgevangen. Maar zodra het water in de verwarming weer afkoelt en krimpt, drukt het rubber het water weer terug in de leidingen. Het vat werkt zo als een tijdelijk opvangreservoir. De luchthelft van het vat moet verbinding hebben met de buitenlucht, anders kan de rubberen plaat niet bewegen. Water erin = lucht eruit en omgekeerd.
Voor elektronica bestaat er ook zo’n soort expansievat. Het heet condensator en kan elektriciteit opslaan. Het is een soort kleine accu of oplaadbare batterij. Een condensator heeft twee aansluitingen, één voor elke opslagkant. Als er geen verschil is in de spanning over beide aansluitingen, gebeurt er niets. Maar zodra aan de ene kant de elektronen wat harder duwen om naar binnen te kunnen dan aan de andere kant, loopt die kant vol en de andere kant leeg. Zodra de spanning weer afneemt (of de spanning aan de andere kant oploopt!), stelt zich een nieuw evenwicht in. Een soort touwtrekken zou je kunnen zeggen!
7
Analoge elektronica
Tijdsafhankelijke schakelingen
+
B
7- Maak de opstelling hiernaast eens.
1 kW
4,5 V
S
Als je héél even wat stroom ophaalt door de schakelaar kort in te drukken, dan zit de condensator vol. Dat kun je zien door de schakelaar weer los te laten. De condensator ontlaadt zich dan via de LED.
LED 100 m F
C
7
-
B
Is dat alles? Dat héle kleine flitsje?? Helaas. Maar er is wel wat aan te doen. Om de LED langer te laten branden kan je de weerstand van 1 kW vervangen door een grotere, bijvoorbeeld 33 kW . De stroom wordt dan afgeremd, waardoor de LED langer brandt, maar óók zwakker. Om hem zowel lang als fel te laten branden, moeten we dat zwakke stroompje wat oppeppen. Met een transistor!
S
100 m F
C
470 W
33 kW
8
a
B+
8a- De LED (met een weerstand van 470 W tegen teveel stroom) staat nu in serie met een transistor. De basis van de transistor is beveiligd met een weerstand van 33 kW .
4,5 V
LED
Als je de condensator oplaadt (schakelaar S kort indrukken) en vervolgens ontlaadt (schakelaar weer los), blijft de LED een hele poos branden, én fel!
T1 +
S
470 W
B
1 kW
-
1 MW
BC 547 B
T2
8b- De tijd dat de LED brandt kan nog verder opgerekt worden door de 33 kW -weerstand te vergroten. Uiteindelijk zal de transistor toch te weinig stroom krijgen om de LED nog te laten branden. Geen nood, zet dan nog een tweede transistor vóór de eerste om dat hele zwakke stroompje dubbel te versterken!
100 m F
8b
8
C
B
4,5 V
LED
T1
BC 547 B -
B
Analoge elektronica
9- De opstelling hiernaast laat een interessante eigenschap zien van een condensator. Via pull-up weerstand R1 wordt T1 open gestuurd, waardoor de LED brandt.
B+ 4,5 V R2
Als de condensator kort met plus verbonden wordt (schakelaar S even indrukken), verschuift de lading in de condensator naar rechts en wordt via punt Z afgevoerd. Dit punt was echter al plus, dus er veranderd weinig.
Z S
9
Als met C vervolgens de 0 V wordt aangeraakt, verschuift de lading weer naar links, waardoor de spanning op punt Z even wegvalt. Nu spert T1 even, totdat het tekort via R1 weer aangevuld is. De LED gaat dus even uit. Niet spectaculair, maar . . .
BC 547 B
B-
. . . laten we even naar punt S kijken. Op het moment dat de LED brandt (transistor geleidt), is er op dit punt praktisch geen spanning, die loopt immers weg via de transistor. Maar als de LED uit is (transistor spert), dan loopt de spanning bij S op tot 4,5 V. Samenvattend: Als C nul is, is S plus. Als C plus is, is S nul.
Een schakeling als die van opdracht 10 neemt geen vaste toestand in, maar blijft zonder stoppen heen-en-weer knipperen. Daarom wordt zo’n schakeling onstabiel of astabiel genoemd. Het is een astabiele multivibrator of oscillator.
Je kunt de knippertijd zelfs zó snel maken, dat het niet meer met het blote oog te volgen is. Als je dan een LED vervangt door een luidsprekertje , zal je het geknipper als geluid horen.
R1
4k7 W
Door potmeter P1 te verstellen of door R2 en/of R3 door kleinere of grotere weerstanden te vervangen kan de knippersnelheid veranderd worden. Ook de condensators C1 en C2 mogen een andere waarde krijgen.
100 kW
1 kW
Bekijk en maak nu schema 10. Hier is 2x schema 9 gemaakt, waarbij punt C2 met S1 en C1 met S2 verbonden is De LED’s knipperen nu om beurten!
P1
R2
C2 S1
BC 547 B
R4
4,5 V
R3
S2
10
C1 22 m F
9
B+
Z2 22 m F
Z1
1 kW
100 m F
4k7 W
R1
1 kW
S
10 kW
Oscillator
BC 547 B
-
B
Analoge elektronica
Werking
B+
Als punt A plus (punt X) wordt gemaakt, gaat T2 geleiden. De LED gaat aan, maar de spanning kan niet zo gemakkelijk wegvloeien naar 0 Volt omdat er een stevige wegversperring van 100 kW (R2) tussen zit. Voorbij die weerstand kan het elektronenverkeer echter goed opschieten, dus de basis van T1 is praktisch 0 Volt. Dus ook T1 geleidt, en punt A krijgt nu óók de elektronenstroom vanuit C via T1 Maar daar is nu een opstopping, want ook hier wordt het verkeer ernstig gehinderd, in de vorm van weerstand R3. Dat betekent dus dat, ook nadat A weer los is van X, punt A plus blijft en de LED blijft branden. Een stabiele toestand!
4,5 V
BC 557 B
X
100 kW
R1
C R2
T1
A
B
11
T2
Y
100 kW
33 kW
Alarm
R1
BC 547 B
-
B
Maar als A even 0 Volt gemaakt wordt (punt Y), spert T2 Het verkeer bij B staat meteen vast, waardoor ook T1 dichtgaat. Dus A krijgt ook niet meer het verkeer van C en de LED gaat uit. A heeft geen verkeer meer, is 0 Volt, waardoor T2 dicht blijft, óók nadat A weer los is van Y. Weer een stabiele toestand!
11- Het lichtknopje in je kamer is niet a-stabiel, maar bi-stabiel. Als je het licht aandoet, blijft het aan tótdat je de schakelaar omzet. En dan blíjft het licht ook uit . . . Zo’n schakelaar kent dus twee stabiele toestanden, vandaar bistabiel.
De werking van deze schakeling is bijna hetzelfde als die van de digitale flipflop. Het verschil zit in het feit dat in deze schakeling de ingang ‘zwevend’ is, terwijl die bij de digitale flipflop juist niet zwevend, maar plus (hoog) of nul (laag) moet zijn. Deze schakeling is dus niet zomaar te combineren met een sensor zoals bijv. het lichtpoortje.
In schema 11 wordt gebruik gemaakt van een tweede soort transistor. Het is een PNP in plaats van een NPN transistor, en hij vormt in alles het spiegelbeeld. Hij schakelt dóór als de basis met 0 Volt verbonden wordt, en spert als de basis aan plus ligt. Symbool: pijltje wijst naar binnen (pijl naar pinnen=PNP)
De LED kan knipperend worden gemaakt met de oscillator van proef 10. Nog een stapje verder en je zet er een luidsprekertje of een buzzer op in plaats van een LED . . .
Verder zit de emitter (pijltje) aan de plus in plaats van aan 0 zoals bij de NPN. Verwarrend!
Alarmerend veel mogelijkheden!
10
