Analoge elektronica

ANALOGE
ELEKTRONICA
1 kW
390 W
1N 4007
390 W
BD 135
1000 mF
LED rood
1 kW
LED groen
100 mF
10 kW
1N 4007
12 V
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.
• 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.
Voor op- of aanmerkingen betreffende de inhoud en/of gebruik
kan contact opgenomen worden met NIUtec-support.
Heeft u waardering voor deze uitgave en wilt u bijdragen aan het
instandhouden van de website? Dan kunt u een donatie doen!
E-mail
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
minstens 1 kW.
3
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
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+
4,5 V
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.
X
La
1 kW
LDR
R
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?
B+
R4
2,2 kW
1 kW
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.
R3
390 W
R2
390 W
R1
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).
CQW 13
BPW 41
4,7 kW
R5
T1
T2
BC 547 B
4,7 kW
R6
6
6
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
4,5 V
7- Maak de opstelling hiernaast
eens.
1 kW
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
C
100 mF
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!
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
470 W
8
a
100 mF
33 kW
S
C
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
+
B
4,5 V
B
1 MW
S
1 kW
-
470 W
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 mF
8b
8
C
LED
T1
BC 547 B
-
B
Analoge elektronica
Oscillator
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+
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.
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!
B+
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.
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.
4k7 W
1 kW
100 kW
R1
R2
C2
S1
R3
S2
10
C1
Z1
22 mF
9
4,5 V
Z2
22 mF
BC 547 B
R4
P1
1 kW
100 mF
4k7 W
R1
1 kW
10 kW
4,5 V
S
BC 547 B
-
B
Analoge elektronica
Alarm
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!
BC 557 B
X
100 kW
C
R2
T1
A
B
11
T2
Y
100 kW
33 kW
4,5 V
R1
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