1
Inhoudsopgave 1
Introductie
3
2
Onderdelen 2.1 Batterij 2.2 Experimenteerbord 2.3 Weerstand 2.4 Elektrolytcondensator 2.5 Toets 2.6 Lichtdiode 2.7 Transistor 2.8 Geïntegreerde schakelcircuits (IC's)
4 4 5 5 9 10 11 12 13
3
Voorbeelden 3.1 Hete draad 3.2 Hete draad met geheugen 3.3 Liefdetester 3.4 Tijdbom 3.5 Ritmetrainer 3.6 Geluksspel 3.7 Binaire dobbelsteen. 3.8 Flessen draaien 3.9 Reactietester 3.10 Kop of munt 3.11 Raadspel 3.12 Gokautomaat
16 17 20 24 26 28 31 33 37 39 42 44 47
2
1
Introductie
Elektronische componenten zijn de basis voor alle elektronische apparaten, die in verschillende uitvoeringen bestaan. Meestal zijn het dan digitale componenten die de logische operaties en berekeningen uitvoeren. Iedereen kent computerspelletjes die gebruik maken van de hardware van de computer. Echter weten slechts weinig mensen hoe de hardware daadwerkelijk functioneert. Dit leerpakket verklaart met behulp van kleine elektronische spelletjes hoe de componenten functioneren en tot een schakeling verbonden kunnen worden die steeds een andere functie realiseren. Wij laten zien hoe met een handje vol eenvoudige componenten verschillende spelletjes opgebouwd kunnen worden. In het eerste gedeelte leert u kort de componenten kennen en hun functie en in het tweede gedeelte worden met behulp van elektronische spelletjes verschillende toepassingsmogelijkheden van de componenten gedemonstreerd. Hier wordt verklaart hoe een eenvoudige pulsgenerator opgebouwd wordt en waarvoor de geïntegreerde schakelcircuits (IC's) gebruikt kunnen worden. Er wordt getoond hoe transistors functioneren en hoe zij samen met weerstanden en condensatoren de werking van de schakeling kunnen beïnvloeden. Tijdens het experimenteren met de elektronische componenten zal men vaststellen dat het zich niet om toverij handelt maar om eenvoudige logische samenwerkingen. Op het experimenteerbord kunt u de voorbeelden eenvoudig veranderen en eigen schakelingen bedenken en opbouwen.
Michael Hofmann
3
2
Onderdelen
Om de voorbeelden in dit leerpakket succesvol te gebruiken, moet men eerst deze leren kennen, zodat bij het in elkaar steken fouten vermeden worden. In de navolgende hoofdstukken worden de eigenschappen, de werkingswijze en de bezetting van de aansluitingen nader uitgelegd.
2.1
Batterij
Elke elektronische schakeling heeft een spanningsbron voor de stroomverzorging nodig. In dit leerpakket worden alle voorbeelden met een gangbare 9-V-blokbatterij gevoed (wordt niet meegeleverd). De batterij bezit twee aansluitingen, een pluspool (kleinere contact) en een minpool (grotere contact). Om de batterij met het experimenteerbord te verbinden wordt een batterijclip meegeleverd. Deze clip wordt op de batterij geklemd en via de twee draden met het experimenteerbord verbonden. De rode kabel is de pluspool en de zwarte kabel de minpool.
Afb. 1: 9-V-blokbatterij met clip
4
2.2 Experimenteerbord Met behulp van het experimenteerbord kunnen verschillende voorbeelden opgebouwd worden. De componenten kunnen zonder solderen direct ingestoken worden. Om een verbinding tussen te componenten te maken, zijn de bussen intern gedeeltelijk met elkaar vervonden. In afbeelding 2 kunt u zien welke bussen met elkaar verbonden zijn.
Afb. 2: Experimenteerbord met interne verbindingen
2.3
Weerstand
Weerstanden zijn stroombegrenzende componenten. Zij zorgen er voor, dat men de stromen en spanningen in een schakeling overeenkomstig kan instellen. Ze worden bijv. toegepast om de stoom door een led te begrenzen. Als men een lichtdiode (LED = Light Emitting Diode) zonder voorweerstand zou gebruiken, zal deze snel overbelast raken en doorbranden. In afbeelding 3 is een weerstand met zijn bijbehorende schakelschemasymbool weergegeven .
5
Afb. 3: Weerstand met schakelschema- symbool
Weerstanden zijn er in vele verschillenden waarden, meestal tussen 1 en 10 M . De tussenwaarden zijn, afhankelijk van de tolerantie, grover of fijner. Om de waarden van elkaar te onderscheiden, bezitten de weerstanden met draad een opgedrukte kleurcode.
Tabel 1: Kleurcode van weerstanden Kleur Zwart Bruin Rood Oranje
1e ring 0 1 2 3
2e ring 0 1 2 3
Multiplicator x 100 x 101 x 10² x 10³
Tolerantie – +/–1 % +/–2 % –
6
Kleur
1e ring
Geel Groen Blauw Paars Grijs Wit Goud Zilver
4 5 6 7 8 9 – –
2e ring 4 5 6 7 8 9 – –
Multiplicator x 104 x 105 x 106 x 107 x 108 x 109 x 10-1 x 10-2
Tolerantie – +/–0,5 % +/–0,25 % +/–0,1 % – – +/–5 % +/–10 %
In dit leerpakket worden weerstanden met een tolerantie van +/–5% toegepast. Deze hebben in totaal vier ringen. Weerstanden met nauwkeurigere tolerantie kunnen ook meer dan vier ringen bezitten. De eerste twee ringen staan voor de eerste twee cijfers van de waarde. De derde ring geeft de vermenigvuldiging aan met welke de twee cijfers vermenigvuldigd moeten worden, om de weerstandswaarde te berekenen. De vierde ring geeft de tolerantie van de waarde aan. In afbeelding 4 wordt een voorbeeld voor een 1,5-k -weerstand met een tolerantie van 5 % getoond. Dit betekent, dat de daadwerkelijke weerstandswaarde tussen 1,425 k en 1,575 k kan liggen.
7
Afb.4: Voorbeeld voor een kleurcode
Standaardreeks Wanneer men weerstanden wil kopen zal men opmerken dat er geen weerstanden met een waarde van bijv. 1,412 k bestaan. Maar vaak is het resultaat van de berekening een ongelijke waarde. Hier moet een waarde uit de standaardreeks gekozen worden. Er zijn verschillende standaardreeksen (E6, E12, E24, E48, E96) waarmee de weerstandswaarden ingedeeld zijn. Als men voor een weerstand uit de E24-serie kiest zijn de volgende waarden beschikbaar: Tabel 2: Weerstandswaarden van de standaardreeks E24 1,0 1,8 3,3 5,6
1,1 2,0 3,6 6,2
1,2 2,2 3,9 6,8
1,3 2,4 4,3 7,5
1,5 2,7 4,7 8,2
1,6 3,0 5,1 9,1
8
De standaardreeks E24 bezit 24 staffels voor de waarden. De waarden moeten nog met de exponent (machtsverheffing) vermenigvuldigd worden In de catalogus vindt men dan ook weerstanden met de waarde 36 , 360 , 3,6 k , 36 k enz. In plaats van de weerstand 1,412 k moet nu gekozen worden voor een weerstand met 1,3 k of 1,5 k .
2.4 Elektrolytische condensator Bij een elektrolytische condensator kunnen relatief hoge capaciteitswaarden bereikt worden (in vergelijking tot keramische of foliecondensatoren). De condensator bestaat uit een elektrolyt in welke een dunne opgerolde aluminiumfolie steekt. Deze aluminiumfolie wordt opgeruwd en krijgt daardoor een groot oppervlak. Vanwege het grote oppervlak en de geringe afstand tussen de afzonderlijke lagen verkrijgt men een hoge capaciteitswaarde. Zoals bij een batterij moet er op gelet worden, dat de condensator juist aangesloten wordt, omdat anders componenten vernield kunnen worden. Op de behuizing is de minpool met een witte streep en het minteken gekenmerkt.
Afb. 5: Elektrolytische condensator
9
2.5
Druktoets
Via de druktoets is het de gebruiker mogelijk gemaakt op eenvoudige manier met de schakeling te communiceren. Een druktoets heeft minimaal twee aansluitingen, die bij bediening van de druktoets met elkaar verbonden worden en daardoor een stroom doorlaten. De druktoets in dit leerpakket (afbeelding 6) beschikt zo te zien over vier aansluitingen, echter zijn telkens twee van deze aansluitingen met elkaar verbonden en het schakelcontact ligt tussen de overbrugde aansluitingen. De vier aansluitingen bieten het voordeel dat de druktoets beter op een printplaat kan gesoldeerd en bediend worden. Een druktoets met twee aansluitingen is mechanisch niet zo stabiel en kan bij de bediening wiebelen. Een groot nadeel is bij vele druktoetsen dat ze terugveren. Dit betekent, dat het contact door de bediening vanwege de verende werkwijze meermaals gesloten en geopend wordt, totdat een stabiele toestand bereikt is. Dit effect kan meerdere milliseconden duren. Omdat IC's ook heel snelle signaalwisseling herkennen, kan dit leiden tot een foutieve interpretatie. Als bijvoorbeeld het aantal drukken op de toets geteld worden, kan het gebeuren dat door het terugveren van de druktoets een toetsdruk meermaals geteld wordt. Dit effect van het terugveren kan bijv. met behulp van RC-ketens gereduceerd worden.
Afb. 6: Toets
10
2.6 Lichtdiode Lichtdiodes zijn halfgeleider- componenten die licht geven als er stroom vloeit. De afkorting LED staat voor Light Emitting Diode. De aansturing van de led's is heel eenvoudig en vanwege het geringe verbruik ook mogelijk direct boven de uitgang van het CMOS- IC. Afbeelding 7 toont een led met het overeenkomstige schemasymbool.
Afb. 7: Lichtdiode
Omdat het een halfgeleider betreft, moet bij het inbouwen op de juiste polariteit gelet worden. De twee aansluitingen zijn gekenmerkt met A (anode) en K (kathode). Om de aansluitingen van de led duidelijk te kunnen onderscheiden zijn er meerdere kenmerken. Als u de led in de hand houdt ziet u dat de aansluitdraad voor de kathode iets korter is dan die van de anode (K zoals kathode of kort). Als de aansluitingen op dezelfde lengte worden ingekort valt dit kenmerk weg. Een verder kenmerk is aan de behuizing te vinden, de led heeft één afgevlakte kant en de andere kant is rond. Als ezelbrug kan men zich merken K staat voor kant en kenmerkt de kathode. De laatste mogelijkheid voor een verschil is te zien als men de led tegen het licht houd. Binnen in de led bevinden zich twee verschillende aansluitingen.. De grotere aansluiting kenmerkt ook hier de kathode.
11
led's mogen alleen met een voorweerstand gebruikt worden om de stroom door de led te begrenzen. Hoe de juiste weerstandswaarde berekend wordt is in het voorbeeld "Hete draad" beschreven.
2.7
Transistor
Transistors zijn er in heel veel verschillende variaties, die zich onderscheiden in stroombelastbaarheid, bouwvorm en schakelfrequentie. In dit leerpakket wordt gebruik gemaakt van een bipolaire NPN- transistor van het type BC547. Dit is een laagsignaaltransistor waarmee niet al te grote stromen geschakeld kunnen worden. De aansluitingen zijn gekenmerkt met basis (B), emitter (E) en collector (C).
Afb. 8: Transistor Met een transistor is het mogelijk, door een kleine basisstroom (IB) een grotere collectorstroom (IC) te laten vloeien. Bij een BC547 ligt de stroomversterking tussen 200 en 450. Dit betekent, dat een basisstroom van 1 mA een collectorstroom van 200450 mA kan laten vloeien. De maximale stroom mag echter niet hoger zijn dan 100 mA, anders zal de transistor vernield worden. Daarom moet de stroom door de transistor via weerstanden of een verbruiker begrensd worden.
12
2.8
Geïntegreerde schakelcircuits (IC's)
Bij dit leerpakket bevinden zich twee schakelcircuits in CMOS- techniek, die van de 40xxfamilie afstammen. In deze familie zijn er alle logische poorten en verschillende tellers alsook vele IC's met speciale functies. Met deze componenten kunnen verschillende digitale schakelingen opgebouwd worden. Een groot voordeel van deze familie is het toegestane bereik voor de voedingsspanning van 3–15 V, anders als bij de TTL- IC's (74xx-familie), die meestal slechts met +5 V gebruikt mogen worden. Om die reden kunnen de IC's van dit leerpakket ook direct met een 6-Vbatterij gevoed worden zonder een extra spanningsregelaar vooraf te schakelen. Bij levering zijn de IC- pootjes vaak iets naar buiten gebogen. De IC past daarom niet goed in het raster van het experimenteerbord. Daarom wordt aanbevolen om bij gebruik de pootjes voorzichtig naar binnen te buigen tot ze precies in het raster passen. Nu kunnen de IC's zonder probleem in het experimenteerbord gestoken worden. Voor het weer uithalen kan men het beste met een kleine schroevendraaier vanaf de zijkant de IC omhoog heffen, zodat de voetjes tijdens uittrekken niet omgebogen worden. NAND- poort (4093) De digitale IC's bezitten meerdere aansluitingen die correct met elkaar verbonden moeten worden. Bij de verbinding moet men vooral op letten, dat er geen uitgangen aaneengeschakeld worden, omdat het anders tot kortsluiting kan komen. Heeft een uitgang een lowniveau (0 V) en de andere een high- niveau (9 V) dan zou een hoge stroom tussen de uitgangen vloeien en daarmee de component vernielen.
13
Het aaneenschakelen van ingangen is geen probleem, omdat deze hoogohmig zijn. Het tellen van de pinnen begint bij pin 1, deze is vaak met een punt gekenmerkt, en verloopt tegen de klok in tot aan de laatste pin. Bij de bouwvorm, welke in dit leerpakket toegepast wordt, bevindt zich een inkerving tussen de eerste en de laatste pin. Als deze inkerving naar links gericht wordt, bevindt zich pin 1 linksonder en dan is ook de opdruk op de juiste manier leesbaar. Omdat het een geïntegreerde schakeling betreft moet deze met stroom verzorgd worden. De aansluitingen van de voedingsspanning bevindt zich bij de 40xx- familie meestal op twee diagonaal tegenoverliggende pinnen. Op pin rechtsonder wordt massa (GND of 0V) aangesloten en op pin linksboven een positieve voedingsspanning V+ (9 V). Bij de 4093 (NAND- poort) ligt op pin 7 massa en op pin 14 V+.
Afb. 9: Aansluitbezetting van de NAND-poort
De NAND- poort is een EN-poort, zijn uitgang is geïnverteerd, waardoor de uitgang steeds een high- niveau krijgt. De uitgang gaat alleen op Low, wanneer op beide ingangen gelijktijdig een high-niveau ligt. De logische functie wordt in de navolgende waarheidstabel weergegeven.
14
Ingang 1
Ingang 2
Uitgang
0
0
1
0
1
1
1
0
1
1
1
0
Binaire teller (40193) De binaire teller telt bij elke puls de intern opgeslagen tellerstand met 1 omhoog of omlaag. Dit is afhankelijk hoe de puls op pin CPU (omhoog tellen) of CPD (omlaag tellen) aangesloten wordt. Via de ingangen D0, D1, D2 en D3 kan vastgelegd worden bij welke tellerstand het tellen zal beginnen. Deze beginwaarde wordt overgenomen zodra op pin PL van high naar low gewisseld wordt. Ligt aan D0=1, D1=0, D2=1 en D3=0 wordt de tellerstand op 5 gezet. Via pin MR wordt een reset uitgevoerd, waarna de tellerstand steeds op 0 gezet wordt, het is dan niet van belang wat aan de pinnen D0 tot D3 aanligt. De tellerstand wordt via de uitgangen Q0 tot Q3 naar buiten gegeven. Daarbij staat Q0 voor de waarde 1, Q1 voor 2, Q2 voor 4 en Q3 voor 8. Bij het getal 10 zijn de uitgangen Q1 en Q3 high (2+8=10). Q0 en Q2 liggen in dat geval op een low-niveau.
15
Afb. 10: Aansluitbezetting van de binaire teller Anders dan bij de NAND-poort (4093) beschikt deze IC over 16 pinnen. Daarom moet de voedingsspanning V+ aangesloten worden op pin 16 en massa op pin 8. Principieel geldt bij geïntegreerde schakelingen, dat niet gebruikte ingangen op een gedefinieerde niveau (low of high) aangelegd moeten worden. Als ingangen open blijven kunnen deze door storingen gemakkelijk een verkeerd ingangsniveau interpreteren en dit leidt tot een foutieve functie. Het complete datablad van het IC kan bij verschillende fabrikanten via het internet gedownload worden.
3
Voorbeelden
Bij de opbouw of bij het wijzigen van de voorbeelden moet u altijd eerst de batterij afklemmen, zodat een kortsluiting bij het plaatsen of uithalen van componenten uitgesloten kan worden. Sluit de batterij eerst weer aan nadat u de gehele schakeling gecontroleerd heeft. Let altijd er op, dat zich de weerstandspootjes niet aanraken – de ruimte voor het opbouwen is soms heel krap.
16
Bij alle voorbeelden wordt eerst de opbouw van het experimenteerbord getoond en vervolgens de schakeling verklaart. De waarden voor de weerstanden en condensatoren alsook de kleuren van de led's haalt u uit het schakelschema. Daar staat bijvoorbeeld, dat R1 een waarde heeft van 820 k . Voorbereiding Voordat u de voorbeelden gaat opbouwen, moet u eerst nog wat voorbereidingen treffen. U kunt al vooraf de draden op de juiste lengte afknippen en strippen. Voor de voorbeelden heeft u de volgende lengtes nodig: 11x 30 mm 7x 50 mm 5x 70 mm De afgeknipte leidingen moeten nog op een uiteinde ca. 7-8 mm gestript worden. Gebruik voor het strippen het beste een striptang voor een draaddoorsnede van 0,6 mm. Als u geen striptang bij de hand heeft, kunt u de draden ook met een scherp mesje voorzichtig rondom insnijden en daarna de isolatie aftrekken.
3.1
Hete draad
De hete draad is een geliefd en eenvoudig spel. Er is hiertoe alleen een stuk draad, een batterij en een lamp of een zoemer nodig. In ons voorbeeld wordt een lichtdiode (led) met voorweerstand gebruikt. Bij het spel moet men proberen met een draadlus een willekeurig gebogen draad te volgen zonder deze aan te raken. Als de gebogen draad aangeraakt wordt gaat de led oplichten en men moet van vooraf aan beginnen De speler die de draad zonder aan te raken het snelste doorloopt heeft gewonnen.
17
In afb. 11 is de opbouw van het spel op het experimenteerbord weergegeven. Voordat het spel opgebouwd kan worden, zijn er nog een paar voorbereidingen nodig. Bij het leerpakket wordt een geïsoleerde draad meegeleverd, deze moet gestript worden om contact te maken. Knip van de geïsoleerde draad ongeveer 20 cm af en strip op een uiteinde ca. 5 cm. Houdt dan de draad aan het gestripte uiteinde vast en trek met de vingernagels de resterende isolatie van de draad. De complete blanke draad kan nu naar wens gebogen worden en in de overeenkomstige gaten in het experimenteerbord gestoken worden. Nu moet nog een draadlus gemaakt worden welke de speler in de hand houd. Hiertoe knipt u een 25 cm lange draad van de geïsoleerde draad af en stript u op een uiteinde ca. 7 mm de isolatie af. Dit uiteinde wordt later in het experimenteerbord gestoken. Het andere uiteinde moet ca. 4 cm afgestript worden om een draadlus met 1 cm doorsnede te maken. Om de draad tot een lus te buigen, draait u de nog geïsoleerde draad om een pen om zo een ronde vorm te krijgen. Nu kunnen de overeenkomstige posities op het experimenteerbord gestoken worden. De batterij mag principieel pas aangesloten worden nadat alle onderdelen ingestoken zijn en u de schakeling nogmaals gecontroleerd heeft.
18
Afb. 11: Opbouw experimenteerbord "hete draad"
Beschrijving van de schakeling In principe dient de draadlus met de omgebogen draad als schakelcontact, welke de stroomkring sluit zodra zich beide draden aanraken. Daardoor zal stroom vloeien en de led gaat branden. Een led moet altijd met een voorweerstand gebruikt worden om zo de stroom door de led te begrenzen, anders zal deze vernield worden.
19
Afb. 12: Schakelschema "hete draad"
Hoe hoog de stroom mag zij die door een led vloeit, is afhankelijk van het toegepaste type en moet bij twijfel in het datablad van de fabrikant nagekeken worden. De gebruikte lichtdiodes in dit leerpakket zijn standaardcomponenten die al bij een stroom van 1–2 mA oplichten. De voorwaartsspanning bedraagt 2,0 V bij een gele led, 2,1 V bij een rode en 2,4 V bij een groene. De led zal met een stroom van ca.2 mA werken. Met deze gegevens kan men nu de voorweerstand voor de led berekenen.
Omdat bij de weerstand- standaardreeks geen weerstand met een waarde 3450 is, neemt men een waarde die dicht in de buurt ligt. In dit geval is dit een weerstand met 3,3 k .
3.2
te vinden
Hete draad met geheugen
Bij dit voorbeeld handelt het zich om een uitbreiding van het voorgaande voorbeeld. De spelregels zijn hetzelfde. Als de led alleen oplicht zolang de draad aangeraakt wordt, zal er gauw ruzie onder de spelers ontstaan. De ene heeft gezien dat de led wel ging branden en de andere niet. Om dit probleem op te lossen, wordt de schakeling met een geheugen uitgebreid. Nu gaat de led na het aanraken van de draad niet meer uit. De led kan alleen nog met de toets uitgeschakeld worden.
20
Afb. 13: Hete draad met geheugen
De schakeling werd nog uitgebreid met een groene led, die aangeeft dat de schakeling functioneert en nog geen aanraking plaatsgevonden heeft. Als na het aansluiten van de voedingsspanning de rode led in plaats van de groene led oplicht, moet kort op de toets gedrukt worden om de schakeling naar de starttoestand te resetten.
21
Beschrijving van de schakeling Via de twee NAND-poorten (IC1A en IC1B) wordt een NAND-flip-flop gerealiseerd. Het NAND-flip-flop functioneert net zoals een RS-flip-flop met geïnverteerde ingangen. Daarom kan de toestand van de uitgang met een low-niveau op de ingang verandert worden. De weerstanden R1 en R2 zijn Pull-up- weerstanden en leggen de ingangen op een highniveau. Als de draad contact maakt met de lus, ligt een massapotentiaal op pin 1 van IC1A en komt overeen met een low- niveau. Om de flip-flop-schakeling te begrijpen moet een stabiele toestand voorliggen. Stel, de groene led licht op en pin 4 heeft daardoor en highniveau, dan ligt op pin 1 eveneens een high- niveau. Als pin 1 door aanraking op low getrokken wordt, gaat pin 3 overeenkomstig de NAND- functie op high. Dit niveau ligt ook op pin 5. Zolang de toets niet bediend wordt liggen beide ingangen van IC1B op een highniveau en de uitgang wordt op low gezet. Daardoor gaat de groene led (V2) uit en de rode led (V1) licht op. Als op de toets gedrukt wordt en de draad geen contact maakt, gaat na hetzelfde functieprincipe de groene led aan en de rode uit. Als de draad contact maakt en gelijktijdig de toets ingedrukt wordt, ontstaat een ondefinieerbare toestand, deze moet vermeden worden omdat dit geen eenduidig resultaat oplevert.
22
Afb. 14: Schakelschema hete draad met geheugen
23
3.3
Liefdetester
De liefdetester is een klein voorbeeld waarmee twee mensen kunnen testen of ze hetzelfde voelen. Hiertoe moeten twee personen telkens twee contacten in de hand nemen en aan elkaar denken. Als alleen de groene led oplicht, denken beide kandidaten aan hun partner. Als er een persoon net aan iets anders denkt, krijgt hij vanwege een slecht geweten vochtige handen en de rode of gele led gaat oplichten.
Afb. 15: Opbouw experimenteerbord "liefdetester"
Beschrijving van de schakeling De twee transistors worden via de huidweerstand aangestuurd. Hoe minder deze is, bijv. door vochtige handen, des te sterker wordt de transistor doorgestuurd en des te minder is de weerstand in het collector -emitter- traject. Wordt de weerstand van de transistor minder, dan kan meer stroom vloeien, waardoor de leds helderder kunnen oplichten. De maximale
24
stroom door de lichtdiodes wordt door de voorweerstanden R1 en R2 begrensd. Als de huidweerstanden gelijk groot zijn, dan worden de transistors gelijk sterk aangestuurd en de spanningsval via het collector -emitter- traject is even hoog. Daardoor komt geen spanning naar de lichtdiodes V1 en V2 en ze blijven donker. Omdat de groene led tussen emitter en massa geschakeld is, gaat deze steeds oplichten zodra de transistors geleidend worden.
Afb. 16: Schakelschema "Liefde tester"
25
3.4
Tijdbom
Dit spel is een spel voor twee of meer spelers. Bij het spel "Tijdbom" moet de druktoets kort ingedrukt worden. Daardoor wordt de bom "op scherp geschakeld". Deze schakeling wordt nu van speler tot speler doorgegeven. Op een bepaald moment zal de aangesloten lichtdiode gaan oplichten en simuleert op die manier het exploderen van de bom. De speler die op dit moment de schakeling in de hand houdt heeft verloren en valt uit. Vervolgens wordt de schakeling weer doorgegeven aan de overgebleven spelers – tot op het laatst alleen één speler overblijft en het spel gewonnen heeft.
Afb. 17: Opbouw experimenteerbord "Tijdbom"
26
Beschrijving van de schakeling Via de RC-kring uit R1 en C1 wordt een relatief grote tijdconstante gerealiseerd. Het duurt ca. 100–130 seconden totdat de schakeldrempel van IC1A bereikt is.
Afb. 18: Schakelschema "tijdbom" Als aan het begin van het spel de toets ingedrukt wordt, ontlaadt zich condensator C1 heel vlug en de spanning op de twee ingangen van de NAND-poort is 0V. De twee poorten functioneren, door het aaneenschakelen van de ingangen, als inverter. Na het loslaten van de toets wordt via weerstand R1 de condensator C1 langzaam opgeladen en de spanning stijgt. Op een gegeven moment is de schakeldrempel van de NAND-poort (IC1A) bereikt en het uitgangsniveau van poort A gaat op low. De opvolgende inverter (IC1B) schakelt een high-niveau op R2. Daardoor wordt transistor T1 doorgestuurd en led V1 gaat oplichten. Om de schakeling te testen, kan de condensator C1 kort uitgetrokken worden. Zodra de condensator verwijdert is, gaat de led branden en de wachttijd wordt bespaard.
27
3.5
Ritmetrainer
Met het volgende voorbeeld kan geoefend worden om het getoonde ritme met een toets na te bootsen. Bij de ritmetrainer moet de toets steeds dan ingedrukt worden, als de gele led oplicht. Als de toets op het juiste moment ingedrukt wordt, licht de groene led op. Als de gele led niet opgelicht heeft bij het indrukken van de toets gaat de rode led branden. Dit laat zien dat de toets op het verkeerde moment ingedrukt werd.
Afb. 19: Opbouw experimenteerbord "ritmetrainer"
28
Beschrijving van de schakeling Met behulp van IC1A (NAND-poort als inverter), R1 en C1 wordt een heel eenvoudige pulsgenerator opgebouwd. Deze bepaald het ritme die door op te toets te drukken aangehouden moet worden. Na het verbinden van de voedingsspanning is de condensator nog ontladen en op beide ingangspinnen (1 en 2) is daardoor een low-niveau. Door de geïnverteerde functie van de poort wordt op de uitgang een high-niveau verkregen (pin 3). Door het high-niveau wordt via weerstand R1 de condensator C1 opgeladen waardoor de spanning op de twee ingangen stijgt. Als de drempel bereikt wordt, op welke de inverter een high-niveau herkent, schakelt hij de uitgang op low. Nu wordt condensator C1 via R1 opnieuw ontladen, totdat de ingangen een low-niveau herkennen en de inverter weer omschakelt. Door dit constante omschakelen van de condensator ontstaat een ritme welke met behulp van led V1 zichtbaar gemaakt wordt.
29
Afb. 20: Schakelschema "ritmetrainer" De puls wordt via een voorweerstand R4 op de basis van transistor T2 geleid. De transistor T1 wordt met de geïnverteerde puls door poort IC1C aangestuurd. Als de toets niet ingedrukt wordt, is er geen spanning op de leds en geen led gaat branden. Als de toets ingedrukt wordt zodra de gele led oplicht, is transistor T2 doorgeschakeld en de groene led gaat oplichten. Wordt echter de toets ingedrukt als de gele led (V1) uit is, zal via de inverter (IC1C) de transistor T1 doorgestuurd worden en de rode led kan oplichten. Transistor T2 is op dat moment geblokkeerd en de groene led kan daarom niet oplichten. Houdt men de toets ingedrukt zal de rode en de groene led afwisselend knipperen.
30
3.6
Geluksspel
De regels voor het geluksspel zijn snel verklaard. Het doel is hierbij om de toets op het juiste moment in te drukken. Het is zelden mogelijk om de led door het indrukken van de toets te laten oplichten. Na het indrukken van de toets wordt de schakeling doorgegeven aan de volgende speler en deze mag zijn geluk proberen. De speler die de led laat oplichten is de gelukkige en heeft gewonnen.
Afb. 21: Opbouw experimenteerbord "geluksspel"
31
Beschrijving van de schakeling Op de achtergrond loopt een langzame puls welke alle 7-8 seconden kort op high-niveau gaat. Wordt op dit moment de toets ingedrukt zal dit de led doen oplichten.
Afb. 22: Schakelschema "geluksspel" Via weerstand R1 en condensator C1 wordt een relatief lange tijdconstante geproduceerd. Als de schakeldrempel van IC1A bereikt wordt gaat uitgang (pin 3) op low-niveau en wordt via de poort IC1B geïnverteerd.
32
Door het high-niveau op pin 4 wordt transistor T1 doorgeschakeld en condensator C1 via R2 sneller ontladen omdat de weerstandswaarde slechts 10 k bedraagt. Als nu de toets ingedrukt wordt, zodra pin 9 van IC1C op high-niveau is, zal op uitgang (pin 10) een lowniveau zijn, welke via IC1D geïnverteerd wordt en zodoende de led inschakelt.
3.7
Binaire dobbelsteen
De binaire dobbelsteen is een eenvoudige dobbelsteen en functioneert alleen met 3 leds. Met drie leds kunnen niet, zoals bij andere elektronische dobbelstenen, ogen weergegeven worden, maar de "geworpen" ogen worden als binair getal aangeduid. Led V3 (geel) heeft waarde 1, led V2 (groen) heeft waarde 2 en led V1 (rood) heeft waarde 4. In de onderstaande tabel wordt weergegeven bij welk cijfer de overeenkomstige leds oplichten. In de eerste kolom staan de "geworpen" ogen en X kenmerkt in de desbetreffende kolom steeds de led die daarvoor gaat oplichten.
Tabel 3: Overzicht van de leds die oplichten bij de "geworpen" ogen
33
Voor het cijfer 5 moeten de leds V1 en V3 oplichten. Telt men hun waarde bij elkaar op verkrijgt men: 4+1=5. Zolang de toets ingedrukt wordt, wisselen de leds snel hun toestand en er is geen cijfer herkenbaar. Na het loslaten van de toets blijven de leds in een stabiele toestand stilstaan en het "geworpen" cijfer kan afgelezen worden. De schakeling is zo gemaakt dat het wisselen van de afzonderlijke toestanden nog te herkennen is. Als er medespelers zijn, die daardoor de cijfers nog herkennen kunnen en het steeds weer voor elkaar krijgen op het juiste moment de toets los te laten, kan de snelheid voor het wisselen verhoogd worden. Hiertoe hoeft alleen de waarde van weerstand R1 verlaagd worden. Bijvoorbeeld kan de weerstand van 100 k vervangen worden door een weerstand met 10 k . Het wisselen wordt daardoor 10x sneller.
34
Afb. 23: Opbouw experimenteerbord "binaire dobbelsteen" Beschrijving van de schakeling De puls voor het doorschakelen van de toestanden wordt bereikt met de NAND-poort IC1A. Via weerstand R1 en condensator C1 wordt de snelheid van de puls vastgelegd. De puls ligt alleen aan de binaire teller (IC2) wanneer de toets ingedrukt wordt. Als de toets niet ingedrukt wordt ligt de pulsingang (CPU) via de pull-down- weerstand R2 op massa. Als men de binaire teller zonder verdere schakeling zou gebruiken, waren getallen tussen 0 en 15 mogelijk, eigenlijk alleen tussen 0 en 7, omdat op de uitgang Q3 geen led aangesloten is. Bij een echte dobbelsteen zijn er alleen de cijfers 1 tot 6 toegestaan. Via de ingangen D0 tot D3 wordt vastgelegd dat de tellerstand bij 1 moet beginnen. Hiertoe wordt alleen ingang D0 (pin 15) op high gelegd. De ingangen D1 tot D3 worden op massa gelegd (low-niveau). De tellerstand wordt steeds op 1 gereset zodra pin PL (11) op low-niveau getrokken wordt. Dit moet na het cijfer 6 gebeuren omdat 7 ook niet is toegestaan. Het resetten op 1 gebeurt met
35
het cijfer 7, dan zijn alle uitgangen (Q0 tot Q3) op een high-niveau. De drie NAND-poorten zijn zo verbonden, dat een NAND-poort drie ingangen heeft. Bij drie high-niveaus op de ingangen ontstaat een low-niveau op de uitgang van IC1D (pin 11). Het low-niveau zet de tellerstand terug op 1. Het resetten gebeurt zo vlug, dat men een tellerstand 7 (alle op highniveau) niet kan herkennen.
Afb. 24: Schakelschema binaire dobbelsteen
36
3.8
Flessen draaien
Bij het spel flessendraaien is het dezelfde bedoeling, zoals bij het draaien van een echte fles, dat daardoor een medespeler gekozen wordt. De toevallig gekozen persoon moet dan een vooraf vastgelegde taak vervullen. In dit elektronische flessendraaien wordt een speler via de leds gekozen. Iedere medespeler zoekt zich een kleur van een led uit en vervolgens wordt de toets ongeveer 1 – 5 seconden ingedrukt. Na het loslaten van de toets blijft een led permanent oplichten. De speler die de kleur van deze led heeft gekozen moet nu de vooraf bepaalde taak uitvoeren.
Afb. 25: Opbouw experimenteerbord flessen draaien De hier opgebouwde schakeling is bedoeld voor 3 spelers. Bij twee spelers kan men ook het voorbeeld "kop of munt" toepassen. Bij meerdere spelers
37
zou men een binaire teller kunnen opbouwen welke volgens een binair getal de speler kiest.
Afb. 26: Schakelschema flessendraaien
Beschrijving van de schakeling Zoals bij het vorige voorbeeld functioneert ook hier het IC1A met weerstand R1 en condensator C1 als pulsgenerator, welke de teller aanstuurt. Echter ligt de puls alleen dan aan de teller als de toets ingedrukt wordt. Er moet steeds tenminste één led oplichten,
38
daarom wordt de tellerstand via de ingangspinnen D0 tot D3 op 1 gezet zodra een lowniveau op pin PL (11) is.. Een 0 als tellerstand is niet toegestaan en na het cijfer 3 moet de teller weer gereset worden. Omdat het best moeilijk is met weinig componenten uit een binaire teller een looplicht te bouwen, moeten er toch een paar trucs aan de pas komen. Een alternatief was een decimale teller of een extra binair –naar- decimaal- decoder. Zodra het cijfer 4 bereikt wordt gaat Q2 op high en zet via de inverter IC1D de tellerstand direct terug op 1. Nu moeten met 2 uitgangen (Q0 en Q1) drie leds aangestuurd worden. Als beide uitgangen op high-niveau zijn handelt het zich om het cijfer 3. De led V3 gaat via IC1B oplichten omdat de uitgang op low gaat en een stroom van V+ via V3 en R5 gaat vloeien. Door het low-niveau op pin 4 van IC1B ligt achter de inverter (IC1C) een high-niveau op de twee leds V1 en V2. Omdat ook de uitgangen Q0 en Q1 een high-niveau hebben, kan geen stroom door de leds vloeien. De leds V1 en V2 gaan alleen oplichten als alleen één van de twee uitgangen Q0 of Q1 op high gaat. Alleen dan ligt boven IC1B en IC1C een low-niveau op pin 10 en daardoor kan door een van de leds een stroom vloeien. 3.9
Reactietester
Bij de reactietester is het de bedoeling om op een bepaalde tijdstip zo snel als mogelijk op de toets te drukken. De leds tonen de verstreken tijd en geven daardoor de reactietijd aan. De reactietester functioneert met twee fases. De eerste fase is de wachtfase. In de wachtfase worden de leds relatief langzaam aangestuurd De tellerstand wordt in binaire vorm via de leds aangeduid (V3 = 1, V2 = 2 en V1 = 4). Bij de overgang van het cijfer 7 (alle leds lichten op) begint de tweede fase. Nu loopt de tellerstand heel snel omhoog en worden de leds overeenkomstig sneller aangestuurd. Door op de toets te drukken kan de teller gestopt worden. Hoe lager het aangeduide getal is, des te beter is de reactietijd.
39
Afb. 27: Opbouw experimenteerbord "Reactietester"
Beschrijving van de schakeling Om de schakeling stabiel te laten functioneren moet men eerst een complete doorloop afwachten. Zolang nog niet op de toets gedrukt wordt, ligt de gemaakte puls van IC1A, via de weerstand R2, op de binaire teller IC2 en de tellerstanden lopen omhoog. Na het cijfer 7 (Q0, Q1 en Q2 = high) komt het cijfer 8, bij deze heeft alleen Q3 een high-niveau. Daardoor wordt transistor T1 doorgeschakeld en verbind condensator C2 met massa. Nu zijn beide condensatoren parallel geschakeld en men verkrijgt een duidelijk langere tijdconstante,
40
waardoor de teller nu relatief langzaam omhoog gaat lopen. Intern telt de teller eigenlijk van 0 tot 15, maar er zijn op de uitgangen alleen 3 leds aangesloten, daarom lijkt het volgens de lichtdiodes alsof de teller tweemaal van 0 – 7 telt. De bit met de hoogste waarde (Q3) gaat nu de transistor aansturen en verandert zo de tijdsconstante. Vanaf cijfer 8 loopt de wachtfase en de teller loopt langzaam tot 15. Na 15 begint het IC opnieuw bij 0 omhoog te tellen. Bij deze toestand zijn alle uitgangen (Q0 tot Q3) op een low-niveau en transistor T1 is geblokkeerd. Daardoor is voor de tijdconstante alleen nog condensator C1 relevant. Nu gaat de teller heel snel omhoog tellen en de speler kan de tellerstand met een druk op de toets S1 stoppen. Na het indrukken van de toets is steeds een low-niveau op de pulsingang (CPU) en de teller telt niet meer. Na het indrukken van de toets kan de reactietijd via de leds afgelezen worden.
Afb. 28: Schakelschema "reactietester"
41
3.10
Kop of munt
Het spel kop of munt kent bijna iedereen. Waarschijnlijk heeft het overal een andere naam maar het gaat steeds om hetzelfde: er moet een keuze gemaakt worden. Uiteraard kan men ook gewoon een munt opgooien en kijken als deze neerkomt of zij de kop of het muntgetal laat zien. Deze variatie is voor een elektronicus te saai en daarom laat dit voorbeeld zien hoe een beslissing met behulp van een kleine schakeling genomen kan worden. De twee leds knipperen afwisselend heel snel, zolang de toets nog niet ingedrukt is. Na het indrukken van de toets gaat de rode of de groene led oplichten. De speler die voordat de toets werd ingedrukt de juiste kleur gekozen heeft is de winnaar.
Afb. 29: Opbouw experimenteerbord "kop of munt"
42
Beschrijving van de schakeling De pulsgenerator uit IC1A, R1 en C1 is al uit de vorige voorbeelden bekend. Door de weerstandswaarde van 3,3 k en de capaciteit van 10 F is de puls snel genoeg om het wisselen van de leds niet te herkennen. Als de toets niet ingedrukt wordt, ligt de puls aan de teller – IC op pin 5 (CPU) en schakelt de tellertoestanden. Omdat steeds tenminste één led moet branden, is een tellerstand van 0 niet toegestaan, omdat dan alle uitgangen op low zijn. Een tellerstand van 3 mag eveneens niet, omdat dan beide leds zouden oplichten.
Afb. 30: Schakelschema "kop of munt"
43
Bij een tellerstand van 3 ligt op de uitgangen Q0 en Q1 een high-niveau. Daardoor gaat via de NAND-poort IC1C de ingangspin PL (11) op low. Dit leidt er toe, dat de interne tellerstand met de waarde van de ingangen D0 tot D3 overschreven wordt. Omdat D0 high is en D1 tot D3 low, wordt de teller op 1 gezet. Het resetten van de teller functioneert zo snel, dat het niet eens opgemerkt wordt. Bij een 1 zal led V2 (groen) oplichten en bij 2 led V1 (rood). Zolang de toets ingedrukt is, ligt de pulsingang op massa en de IC kan daardoor niet verder tellen. 3.11
Raadspel
In dit spel moet een cijfer geraden worden. De speler kiest een cijfer tussen 0 en 7 en deelt dit mede aan de andere spelers. Vervolgens drukt hij 1 seconde op de toets. Na het loslaten van de toets duurt het nog even tot de leds niet meer de toestand wisselen en het cijfer wordt aangeduid. Heeft de speler het cijfer juist geraden krijgt hij een punt. Nu is de volgende speler aan de beurt en probeert zijn geluk. De speler die na 10 rondes de meeste punten bezit heeft gewonnen.
44
Afb. 31: Opbouw experimenteerbord "Raadspel" Beschrijving van de schakeling Het interessante aan deze schakeling is het nalopen van de tellerstand nadat de toets werd losgelaten. Hoe snel zich de tellerstand verandert wordt via de pulsgenerator uit IC1A, R1 en C1 vastgelegd. De pulsgenerator wordt via de serieweerstand R2 met de binaire teller verbonden. Op de pulsingang is bijkomend nog transistor T1 aangesloten, welke doorgeschakeld is als de toets niet ingedrukt wordt. Via de weerstanden R3 en R4 vloeit een stroom in de basis van de transistor, waardoor het collector-emitter-traject laagohmig wordt en een low-niveau op de pulsingang (CPU) genereert. Daardoor herkent de binaire teller niet meer de flank van de puls en telt ook niet verder.
45
Afb. 32: Schakelschema "raadspel" Als nu de toets ingedrukt wordt leidt dit tot een heel snelle ontlading van condensator C2 en de transistorbasis ligt boven de weerstand R4 aan massa. De transistor is geblokkeerd en daardoor het collector-emitter-traject hoogohmig. De puls kan de tellertoestand doorschakelen omdat de pulsingang niet meer low is. Na het loslaten van de toets wordt condensator C2 langzaam via weerstand R3 opgeladen. Op een bepaald moment zal de spanning van de condensator hoog genoeg zijn zodat de transistor doorgeschakeld kan worden. De laagohmige transistor zorgt weer voor een low-niveau aan de pulsingang en stopt daarmee de teller. De tellerstand wordt via de drie lichtdiodes (V1 tot V3) aangeduid. Daarbij staat led V3 voor de waarde 1, V2 voor 2 en led V1 voor 4. Bij het cijfer 6 gaan derhalve de leds V1 en V2 oplichten.
46
3.12
Gokautomaat
Een gokautomaat vindt men in vele kroegen en natuurlijk in Las Vegas. Bij deze automaten moet men een toets drukken en wachten tot de symbolen van de draaischijven gestopt zijn. Bij een bepaalde combinatie krijgt men de winst uitbetaald. Er is ook een modus waarmee deze winst vermenigvuldigt kan worden. Hiertoe knipperen afwisselend een toets en een aanduiding voor de vermenigvuldiging. Als de toets op het juiste moment wordt ingedrukt komt men naar de volgende stap voor een verdere vermenigvuldiging. Drukt men de toets echter op het verkeerde moment, heeft men de winst verloren. De navolgende schakeling demonstreert precies deze modus. De led V1 knippert langzaam en de toets moet steeds dan ingedrukt worden als de led oplicht. Alleen dan gaat de teller verder. Als de toets ingedrukt wordt zolang de led niet oplicht, gaat deze de teller resetten en de winst is verloren.
Afb. 33: Opbouw experimenteerbord "Gokautomaat"
47
Beschrijving van de schakeling De puls wordt met het IC1A via de weerstand R1 en C1 geproduceerd. Heeft de puls een high-niveau, vloeit stroom via R2 door de lichtdiode V1 waardoor deze gaat oplichten. Tegelijkertijd wordt ook transistor T2 via weerstand R4 doorgeschakeld en zorgt voor een low-niveau aan reset- Pin (MR). Via de inverter IC1B ligt een low-niveau op pin 4 en transistor T1 is hoogohmig. De pulsingang (CPU) ligt via de weerstanden R5 en R7 aan massa. Dit verandert zich zodra de toets ingedrukt wordt. Dan ligt de pulsingang via R5 aan de voedingsspanning en er ontstaat een stijgende flank die de tellerstand omhoog laat lopen.
Afb. 34: Schakelschema gokautomaat
48
Als de toets nog ingedrukt is wanneer led V1 uitgaat, wordt daardoor transistor T2 geblokkeerd en via de weerstand R6 ligt een high-niveau op reset- ingang (MR). Dit leidt tot een directe reset van de tellerstand. De tellerstand wordt via de twee leds V2 en V3 weergegeven. Met beide leds kan slechts één tellerstand tot 3 getoond worden. Door extra leds , die op dezelfde manier op de uitgangspinnen Q2 en Q3 aangesloten worden, kan de weergegeven tellerstand tot 15 uitgebreid worden. Bij onze voorbeeld wordt men bovendien met een klein probleem geconfronteerd. De toets veert bij het indrukken. De contacten van de toets zijn gemaakt van verend materiaal en komen bij het indrukken meermaals in contact totdat een stabiele toestand ontstaat. Dit gebeurt weliswaar heel vlug (< 1 ms), maar het is voldoende dat daardoor de teller meerdere flanken herkent en de tellerstand, bij eenmaal indrukken van de toets, zich om 2 of 3 verhoogd. Omdat dit vaak ongewenst is moet de toets gedempt worden. Normaal gebeurt dit via een eenvoudige RCkring. Daarbij wordt een kleine tijdsvertraging bereikt in welke de condensator langzaam opgeladen wordt. De condensator wordt hiertoe parallel tot de toets geschakeld en bezit meestal een waarde tussen 100 nF en 1 F.
49
Impressum © 2012 Franzis Verlag GmbH, 85540 Haar www.elo-web.de Autor: Michael Hofmann ISBN 978-3-645-10107-3 Geproduceerd in opdracht van Conrad Electronic SE, Klaus-Conrad-Str. 1, 92240 Hirschau Alle rechten voorbehouden, inclusief fotomechanische reproductie en opslag in elektronische media. Het maken en verspreiden van kopieën op papier, op gegevensdragers of internet, in het bijzonder in de vorm van een PDF, is uitsluitend toegestaan met uitdrukkelijke toestemming van de uitgever en wordt bij schending strafrechtelijk vervolgt. De meeste productaanduidingen van hard- en software, bedrijfsnamen en -logo's die in dit werk worden genoemd, zijn in de regel ook geregistreerde handelsmerken en moeten als zodanig worden beschouwd. De uitgever houdt zich bij de productaanduidingen in principe aan de schrijfwijze van de fabrikanten. Alle in dit boek beschreven schakelingen en programma's zijn met de grootst mogelijke zorgvuldigheid ontwikkeld, gecontroleerd en getest. Desondanks kunnen fouten in het boek en de software niet volledig worden uitgesloten. Uitgever en auteur zijn bij opzet of grove nalatigheid aansprakelijk volgens de wettelijke bepalingen. Daarnaast zijn uitgever en auteur alleen aansprakelijk op grond van wetgeving op het gebied van productaansprakelijkheid bij schending van leven, lichaam of gezondheid of wegens verwijtbare schending van wezenlijke contractuele verplichtingen. De toewijzing van schadeloosstelling voor de schending van wezenlijke contractuele verplichting is beperkt tot typische, voorspelbare schade voor zover er geen sprake is van dwingende aansprakelijkheid volgens de wetgeving op het gebied van productaansprakelijkheid.
Elektrische en elektronische apparaten mogen niet als huishoudelijk afval verwijdert worden. Als het apparaat aan het einde van zijn levensduur is, dient u het te verwijderen volgens de geldende wettelijke voorschriften. Breng het naar een plaats waar elektrische en elektronische apparatuur gerecycled worden. Informeer bij uw gemeente over het voor u geldende afvalbrengpunt.
Dit product is overeenkomstig de geldende CE-richtlijnen, indien het volgens de bijgeleverde handleiding gebruikt wordt. Deze handleiding hoort bij dit product en moet meegegeven worden wanneer u het product doorgeeft aan derden.
50
