Huisstijlsjablonen VVKSO - VVKSO - ICT

BEGELEIDINGSDOCUMENT
IMPLEMENTATIE LEERPLAN
ELEKTRICITEIT - ELEKTRONICA
3de graad
September 2009
Inhoud
1
Stappenplan implementatie.................................................................................. 6
2
Studierichtingprofiel ............................................................................................. 7
2.1
2.2
2.3
Situering ............................................................................................................................................. 7
Instroom en beginsituatie derde graad Elektriciteit-elektronica .................................................. 7
Sancties van de studies en uitstroom ............................................................................................. 7
3
Leerlijnen ............................................................................................................... 9
4
Didactische wenken ............................................................................................ 10
4.1
4.2
Begrippenkader ...............................................................................................................................10
Clustering van doelstellingen ........................................................................................................11
5
Implementatie leerplan ....................................................................................... 51
5.1
5.2
5.3
Competentieprofiel leerkrachtenteam specifiek gedeelte ..........................................................51
Didactische leermiddelen ...............................................................................................................51
Normen .............................................................................................................................................51
6
Evaluatie .............................................................................................................. 53
6.1
De relatie tussen doelen, werkvormen, evaluatie en rapportering () ..........................................53
7
Naslagwerken ...................................................................................................... 56
8
Websites .............................................................................................................. 57
Insteek

Dit document staat in directe relatie met het leerplan Elektriciteit - Elektronica (1)

Deze leidraad dient ter ondersteuning bij de implementatie van het leerplan Elektriciteit - Elektronica.

Dit begeleidingsdocument is een instrument voor leerkrachten
De bedoeling van dit document is:
•
concreet uitgeschreven didactische wenken aanwenden;
•
de didactische geïntegreerde aanpak stimuleren door voorbeelden;
•
de uitwerking van logische verticale geïntegreerde leerlijnen over de graden heen;
•
een overzicht van de competenties die de leerling in de loop van zijn studiën dient te verwerven;
•
een belangrijk hulpmiddel bij het oriënteren van leerlingen;
•
…
1
Vvkso – publicatie – leerplannen – derde graad Elektriciteit-Elektronica D/2009/7841/033
Begeleidingsdocument EE tso 3de graad
Implementatie leerplan D/2009/7841/033
5
1
Stappenplan implementatie
De implementatie van het leerplan vraagt van het lerarenteam (vakwerkgroep) een grondige voorbereiding die in
verschillende fases dient te verlopen.
1. Leerplanstudie door het beleid leerkrachten van het algemeen
gedeelte.
2. Studie door vakwerkgroep van het
leerplan (specifiek gedeelte)
•
Algemeen gedeelte.
•
Bijkomende toelichting?
•
Specifieke doelstellingen.
•
Welke doelstellingen vragen om meer toelichting?
3. Opstellen van een
gemeenschappelijk graadsplan (wat
in 1ste en 2de jaar?)
•
Eenvoudig spreadsheet- document.
•
Bundeling – vergelijking van de jaarplannen.
4. Opstellen van het jaarplan per
leerkracht.
•
Welke doelstellingen worden nodeloos herhaald?
•
Welke doelstellingen zijn niet besproken of behandeld?
•
Welke doelstelling kunnen we nog niet bereiken;
onvoldoende kennis leerling (bvb wiskunde), infrastructureel
tekort, nascholing leerkracht nodig, …?
•
Welke timing van bepaalde doelstellingen moet gewijzigd
worden?
•
Kan men beroep doen op leerinhouden van andere vakken
(bv. wiskunde)
5. Vakwerkgroep overstijgend overleg.
•
•
Welke leerplandoelstellingen kunnen we bundelen tot een
project, thema, … ?
•
Welke bestaande projecten – thema’s zijn bruikbaar?
•
Uitwerken van het kader van een project – thema.
•
Afstemmen cursusmateriaal.
•
Opstellen gemeenschappelijk jaarplan.
7. Uitwerken nieuwe projecten
•
Overleg – uitwisseling
8. Evaluatie
•
Welke doelstellingen vragen een nascholing intern – extern?
•
Welke investeringen zijn er nodig?
•
Invulling van de V.O.E.T.
6. Optimaliseren van het jaarplan,
bevorderen van projectmatig werken.
(vakwerkgroep)
9. Optimalisatie en uitbreiding van het
jaarplan.
•
•
Noodzakelijke nascholingen moeten prioritair gebeuren. Dus zo snel mogelijk.
•
De uitwerking van dit stappenplan kan over twee schooljaren gespreid worden.
•
Project: “Technologisch - wetenschappelijke fenomenen bestuderen, de resultaten wiskundig verwerken,
besluiten formuleren en de conceptstudie van een realisatie.”
•
Thema: “Technologisch - wetenschappelijke fenomenen theoretisch bestuderen, de resultaten wiskundig
verwerken en besluiten formuleren.”
Elektriciteit - Elektronica tso 3de graad
Begeleidingsdocument implementatie leerplan
6
2
Studierichtingprofiel
In de derde graad Elektriciteit – Elektronica wordt door een algemene vorming de totale persoonlijkheid breed en
algemeen gevormd, de specifieke vorming gebeurt via een theoretisch - technische vorming die sterk
wetenschappelijk is onderbouwd. (2)
2.1
Situering
Elektriciteit-elektronica is een doorstromingsrichting. De nadruk ligt in deze studierichting op de vormende
waarde van de aangeboden leerplandoelstellingen en leerinhouden van zowel de algemene als de theoretisch–
technische vakken. Aan de talenkennis en de taalvorming wordt er veel aandacht besteed, aan de algemene
doelstellingen als in functie van analyse en rapportering. Het theoretisch-technisch deel wordt wiskundig en
wetenschappelijk onderbouwd. De studierichting streeft er vooral naar de leerlingen in staat te stellen om
succesvol de opleiding op het niveau professionele bachelor binnen het domein Elektriciteit-elektronica aan te
vatten.
Het gestructureerd inzichtelijk en creatief denken en handelen, in het kader van het technologische proces, staat
centraal in deze vorming. Er is voldoende aandacht voor de uitvoeringstechnische aspecten in functie van
concrete realisaties met zin voor kwaliteit, veiligheid, gezondheid en milieu.
De studie van technologische en wetenschappelijke fenomenen
•
Communiceren om het concept van technologisch-wetenschappelijke fenomenen te analyseren;
•
Kenmerken van technologisch-wetenschappelijke fenomenen en hun gevolgen voor realisaties analyseren;
•
De impact van de kenmerken van technologisch-wetenschappelijke fenomenen op productrealisaties duiden;
•
De doelstellingen hebben een grote transfer- en abstraherende waarde, zij zijn gericht op het verwerven van
leercompetenties met een bijzondere aandacht voor vaardigheden.
2.2
Instroom en beginsituatie derde graad Elektriciteit-elektronica
De logische vooropleiding is de studierichting Elektriciteit-elektronica tso tweede graad. De leerlingen komen dan
ook meestal uit deze studierichting.
Het merendeel van de leerlingen kwam dus al in min of meerdere mate in contact met theoretische en praktische
kennis en vaardigheden. De studierichting bouwt vooral verder op inzichten, vaardigheden en attitudes
verworven in de tweede graad Elektriciteit-elektronica tso.
2.3
Sancties van de studies en uitstroom
Wegens het doorstroomkarakter van de studierichting is verder studeren eigenlijk het normale vervolg na de
derde graad. Indien de nodige motivatie en doorzetting aanwezig zijn, moeten alle technische en
wetenschappelijke studierichtingen aan een industriële hogeschool op het niveau van Bachelor binnen de
mogelijkheden liggen.
De studierichting Elektriciteit-elektronica beoogt geen rechtstreekse instap in het bedrijfsleven. Leerlingen
die niet kiezen voor een voortgezet onderwijs in het hoger technisch onderwijs – Bachelor-structuur – volgen
2
We verwijzen naar de studieprofielen van het Verbond
http://ond.vvkso-ict.com/vvksomain/srp//3T-Elektriciteit – elektronica.PDF
Begeleidingsdocument EE tso 3de graad
Implementatie leerplan D/2009/7841/033
7
best een vervolgopleiding in het secundair onderwijs (specialisatiejaren in de Sense structuur) of het
volwassenenonderwijs (CVO).
In de derde graad Elektriciteit - Elektronica wordt door een algemene vorming de totale persoonlijkheid breed en
algemeen gevormd, de specifieke vorming gebeurt via een theoretisch - technische vorming die sterk
wetenschappelijk is onderbouwd.
Elektriciteit - Elektronica tso 3de graad
Begeleidingsdocument implementatie leerplan
8
3
Leerlijnen
Om het lesgebeuren efficiënt te laten verlopen, is het aan te bevelen om de lesuren in blok te
organiseren.
Begeleidingsdocument EE tso 3de graad
Implementatie leerplan D/2009/7841/033
9
4
Didactische wenken
4.1
Begrippenkader
Het te behalen niveau van de leerinhoud volgt uit de doelstelling.
Analyseren
Een fenomeen, een technisch constructie, tekening, schema ontleden.
Bepalen
Door waarnemingen, wiskundige redeneringen of door opzoekingen in tabellen , waarden
vastleggen en deze in een specifieke toepassing aanwenden.
Berekenen
Aan de hand van een formule, al of niet zelf opgesteld, waardes berekenen.
Centraliseren
Samenvoegen en/of samenbrengen.
Data
operationeel
maken
Dataformaten kunnen interpreteren en omvormen naar andere bruikbare formaten.
Dimensioneren
Aan de hand van analyse en berekeningen de nodige component of componenten in een
industrieel proces bepalen.
Documenteren
Een oefening, project,… voorzien van de nodige uitleg.
Duiden
Met eigen woorden het effect, de implicatie, de oorzaak en de gevolgen van een fysisch
fenomeen bespreken. Het fysische fenomeen en de vaststelling herleiden tot algemene
wiskundige – fysisch toepasbare regels en eigenschappen. Op basis daarvan bij een
specifieke toepassing de verwachtingen formuleren.
Genereren
Maken.
Interpreteren
Vaststellingen, een meetresultaat toetsen aan de vooropgestelde verwachtingen en de
oorzaak en het gevolg bij een eventuele afwijking verklaren – duiden.
Onderbouwen
Door wetmatigheden en berekeningen beweringen/constructies verantwoorden.
Onderzoeken
Analyseren.
Ontwerpen
Een nieuwe of onbestaande constructie (-onderdeel) uitdenken – wijzigingen aan een
bestaande constructie bedenken, steunend op eerder opgedane kennis.
Realisatie
Het fysisch maken van een industrieel proces of een onderdeel ervan.
Reflecteren
Het terugkijken naar een geleverde prestatie.
Relatie bepalen
Fysische, wiskundige onderlinge verbanden onderzoeken en vastleggen.
Tekeninglezen
De opbouw, de aanduidingen op een tekening, schema toelichten, verklaren.
Toelichten
Met eigen woorden van een begrip, een effect en de implicaties van een fenomeen
omschrijven zonder het waarom in detail te bespreken.
Elektriciteit - Elektronica tso 3de graad
Begeleidingsdocument implementatie leerplan
10
Verantwoorden
Een besluit, een beslissing, een keuze op grond van wiskundige, fysische wetmatigheden,
fysische eigenschappen … motiveren.
Verklaren
Met eigen woorden een fysisch fenomeen, een begrip … omschrijven, met enige toelichting
van de fysische oorzaken en gevolgen bij implicatie.
4.2
Clustering van doelstellingen
Nummer
doelstelling
1
Didactische wenken
•
Wijs op de overeenkomsten tussen de in de school na te leven afspraken en deze die in het
bedrijfsleven gelden.
2-3
•
Besteed bijzondere aandacht aan de voorschriften in verband met preventie, persoonlijke en
collectieve beschermingsmiddelen, hygiëne en milieu. Let erop dat elke leerling alvorens
aan het werk te gaan aan een machine in een proefopstelling of laboefening voldoende
geïnstrueerd is over het werken ermee en de gevaren die ermee gepaard gaan. Zie toe op
het noteren ervan in de agenda. Heb oog voor eventuele afwezigen.
•
Stel een bundel samen van de verschillende veiligheidsinstructiekaarten van toepassing in
het lab, practicum, en bespreek deze in het begin van het schooljaar.
•
Waak erover dat de leerling de preventiemaatregels toepast – wijs hem op zijn mogelijke
eigen verantwoordelijkheid bij een calamiteit – rapporteer het niet naleven ervan en breng
het alvast in rekening bij de beoordeling van de veiligheidsattitudes.
•
Geef gevolg aan elke melding van gebrek of tekort in het beschermingssysteem of melding
van eventuele risico’s die een ernstig of onmiddellijk gevaar voor de veiligheid zouden
kunnen inhouden. Het daadwerkelijk verhelpen van dit tekort zorgt voor een belangrijk
signaal dat veiligheid belangrijk is.
•
Laat de leerling zijn melding motiveren – laat hem oplossingen voorstellen.
•
Tref onmiddellijk de passende maatregel, stel desnoods de oefening of labproef uit.
•
Betrek de preventieadviseur bij deze melding.
•
Maak afspraken met de preventieadviseur om de werking van de preventiedienst toe te
lichten.
•
Organiseer een discussiegroep die reflecteert over de veiligheid in het lab – practicumlokaal,
luister naar de geformuleerde voorstellen – houd rekening met de voorstellen.
8
•
Betrek hierbij de preventieadviseur en de vertrouwenspersoon.
9 - 10
•
Zie site VVKSO nijverheid.
•
Verwijs naar de impact op het milieu bij de winning, productie, verwerking, gebruik en
verwerking na gebruik van materialen.
•
Voldoende aandacht besteden aan de gevolgen voor milieu bij de ontwikkeling en uitwerking
van projecten en GIP.
•
Voldoende toelichten dat bij de aanvang van het project niet alle parameters in detail gekend
zijn, maar duidelijker worden naargelang de vorderingen van de werkzaamheden. Het is dus
belangrijk dat in de beginfase de parameters zo goed mogelijk worden omschreven en bij
opvolging zo goed mogelijk wordt geanticipeerd op onverwachte gebeurtenissen.
•
Stel gegevens ter beschikking van werkelijke uitvoeringstijden en laat leerlingen deze
noteren van de werkzaamheden (bv. bij de GIP-uitwerking) die ze zelf uitvoeren.
•
Maak bij de planning gebruik van beschikbare tools (software).
4 t/m 7
11 t/m 13
Begeleidingsdocument EE tso 3de graad
Implementatie leerplan D/2009/7841/033
11
14
•
Maak gebruik van standaard invulbladen.
15 - 16
•
Stel samen met de leerlingen een voorbeeld van studieplan op, wijs ze op mogelijke
valkuilen. Laat de leerling dit op zichzelf toepassen en bespreek het.
•
Bij het evalueren is het belangrijk dat individuele leerlingenevoluties kunnen worden
vastgesteld.
•
Leer de leerling zichzelf en hun werk te evalueren en becommentariëren.
•
Het moet een attitude worden voor de leerling om resultaten te vergelijken met opgegeven
criteria, laat dit dan consequent doen. Dit moet vermijden dat er niet-meetbare eisen
vooropgesteld worden.
•
Zorg ervoor dat evaluaties dicht aansluiten bij de werkzaamheden waarmee de leerlingen
echt bezig zijn. Enkel op die manier kan er aan remediëring worden gedaan.
17 t/m 23
In het leerplan EE zijn doelstellingen opgenomen waarbij op een experimentele wijze
vaststellingen gedaan worden of waarbij de leerling aan de hand van laboefeningen de
opgedane theoretische kennis toetst in een reële situatie.
Leerlingen kunnen alleen of in kleine groepjes, onder begeleiding proeven uitvoeren die
betrekking hebben op technologische fenomenen die tot het leerpakket behoren. Het laten
uitvoeren van die proeven heeft als doel het nastreven van een aantal transfereerbare
vaardigheden (leren waarnemen, instrumenten gebruiken, leren meten, verwerken van
meetresultaten…). Daarnaast speelt het practicum een rol in de noodzakelijke afwisseling van de
onderwijssituatie en verhoogt het de betrokkenheid van de leerling bij het leren door hem een
stuk eigen verantwoordelijkheid te geven (motiveren, belangstelling wekken, …).
De proeven worden uitgevoerd onder toezicht van de leerkracht volgens drie fasen: oriëntatie,
uitvoering en reflectie. Bij het practicum voor de derde graad werkt men hoofdzakelijk met
gesloten opdrachten. Deze bevatten precieze instructies waarin we doe-, denk- en
schrijfopdrachten onderscheiden, onder andere: tekenen van grafieken, besluiten formuleren…
De antwoorden op de denkvragen moeten meer inhouden dan het invullen van een woord op het
verslagblad. Het leerlingenpracticum wordt tijdens de bovengenoemde fasen klassikaal begeleid.
De begeleiding is bij de aanvang het best beperkt tot het formuleren van de doelstellingen van de
proef en de praktische problemen die leerlingen doen vastlopen. Verder zal er veel aandacht
worden gegeven aan algemene experimenteervaardigheden tijdens de uitvoering, de
taakverdeling binnen de groep en het goed noteren van resultaten. Wanneer de omstandigheden
gunstig zijn, kan men meer open opdrachten overwegen, gebruikmakend van een positieve
interesse, een vorm van creativiteit bij de leerlingen en vooral hun nieuwsgierigheid. In dit geval
is de voorbereiding, het nadenken over het doel van de proef nog essentiëler.
Van het practicum zal steeds een verslag gemaakt worden (hierbij zoveel mogelijk gebruikmaken
van informaticatechnologie), meestal onder de vorm van het invullen van instructiebladen. In een
goed verslag beschrijf je puntsgewijs hoe de proef is verlopen. Het verslag bevat dan meestal
volgende punten:
•
de formulering van de doelstellingen van de proef of de reden van het onderzoek
(onderzoeksvraag);
•
materiaal en (meet)opstelling; (eventueel een foto)
•
werkwijze of werkplan;
•
meetresultaten of onderzoekresultaten;
•
verwerking van de meetresultaten met aandacht voor de beduidende cijfers;
•
grafiek(en);
Elektriciteit - Elektronica tso 3de graad
Begeleidingsdocument implementatie leerplan
12
•
besluiten (verwoording, formule, wet);
•
kritische opmerkingen ten aanzien van de kwaliteit van de proef (eigen handelen en
methodiek, gemaakte fouten), gekoppeld aan suggesties en andere opmerkingen.
De leerlingenproeven die worden uitgevoerd, moeten vallen binnen het kader van de aan te leren
specifieke hogervermelde vaardigheden. De risico’s die proeven met zich mee kunnen brengen,
moeten door de leerkracht worden afgewogen tegen de aanwezige voorzieningen, de
geoefendheid van de leerlingen en de didactische waarde van de proef. Leerlingen moeten op
de hoogte zijn van de gevarenrisico’s van materialen en apparatuur waarmee ze werken, en zo
nodig uitleg krijgen over de wijze waarop men veilig kan werken en over de aanwezige
beschermings- en veiligheidsvoorzieningen en vluchtwegen in geval van brand.
Het is ook aangewezen om binnen het kader van de veiligheid een practicumreglement op te
stellen met als doel een handig en doelmatig overzicht te geven van afspraken en
aandachtspunten die van belang zijn om de leerlingenpractica ordelijk te laten verlopen en de
gevarenrisico’s tijdens het uitvoeren van leerlingenproeven te voorkomen of te vermijden.
Om teams te ondersteunen bij het realiseren van de deze doelstelling, zijn in bijlage een aantal
voorbeelden van principeopstellingen van proeven uitgewerkt. De voorbeelden in de bijlage
willen enkel een aanzet zijn om bijkomende en specifiek ingevulde proeven te ontwikkelen. Deze
proeven kunnen schooloverstijgend uitgewerkt worden.
Het is de bedoeling om proeven uit te voeren in een concreet kader van EE-toepassingen. Deze
manier van werken zorgt voor enkele bijkomende inzichten naast deze van de zuivere
theoretische benadering. Leerlingen moeten bij deze proeven zelf aan de slag gaan en moeten
betrokken worden bij het voorbereiden, uitvoeren en evalueren van de resultaten. Hier is er een
duidelijke relatie met de hoofddoelstelling: via de basisinzichten in de wetmatigheden van de
mechanica labopstellingen realiseren en experimenten uitvoeren.
De vernieuwde aanpak impliceert ook dat in het lokaal heel wat didactische panelen en
proefopstellingen moeten aanwezig zijn en dat bijkomende didactische opstellingen door de
leerlingen moeten kunnen worden gebouwd teneinde voldoende inzichten te verwerven in de
elektromechanische wetmatigheden. Ook hier is een schooloverstijgende samenwerking een
belangrijk pluspunt bij de uitwerking van de proefstanden. Mogelijk kan het bedenken en
uitwerken van proefopstellingen onderwerp zijn van een geïntegreerde proef.
Tips
•
Het ontwikkelen van een proefopstelling kan een onderwerp zijn van een GIP.
•
Analyseer een systeem op een grafische manier (vb.: flow-chart)
•
Pleeg overleg met de leerkracht wiskunde.
•
Laat de leerling de proef verschillende keren uitvoeren om tot een gemiddeld resultaat te
komen.
•
Maak gebruik van ICT voor de verwerking van de resultaten.
•
Laat leerlingen een duidelijke verslaggeving opmaken met een goed gemotiveerde
besluitvorming.
•
Overleg met de leerkracht taal.
•
Maak bijvoorbeeld de besluitvorming ook op in een andere taal.
De doelstellingen 17 t/m 23 kunnen van toepassing bij de uitwerking van onderstaande doelstellingen of komen
geïntegreerd aan bod zowel bij de uitwerking van de projecten of thema’s, als bij de GIP. De vakwerkgroep
bepaalt zelf welke doelstellingen hiervoor in aanmerking komen.
Begeleidingsdocument EE tso 3de graad
Implementatie leerplan D/2009/7841/033
13
Een mogelijke benadering voor het aanbrengen van verschillende leerplandoelstellingen is de KMO te
beschouwen als “concept” voor de elektrische installatie.
Voor sturing, automatie en aandrijving is vooral machinebouw en procesautomatisering het “concept”.
Nummer
doelstelli
ng
24
25,34
en 35
Didactische wenken
•
De leerlingen moeten enkelvoudige AC-kringen goed onder de knie hebben (zie leerplan 2de
graad EE), vooraleer aan dit deel van de leerstof te beginnen. Controleer dit en onderneem,
indien nodig, de vereiste acties.
•
Deze algemene doelstelling omtrent de RLC-kringen omvat zowel deze met 2 componenten
als deze met de 3 componenten. Deze met 2 componenten kunnen zowel serie als parallel
beschouwd worden. Voor deze met de 3 componenten kunnen ze serie, parallel of gemengd
behandeld worden. Tracht evenwel deze gemengde kringen beperkt te houden.
•
Maak duidelijke afspraken tussen de leerkrachten elektriciteit en elektronica wie deze RLCkringen ten gronde behandelt:
•
Vanuit elektriciteit kunnen linken met RLC gelegd worden vanuit volgende contexten:

Invloed van de frequentie op stromen en spanningen;

Compensatie van de arbeidsfactor of cos φ (link met doel 34,35);

Nut van een goede cos φ ten aanzien van milieu;

Nodeloos hoge productie en joule-verliezen in de leidingen (link met doel 40)
Gecompenseerde TL-armaturen, voorschakelimpedanties (link met doel 32);

Netstoringen (link met doel 39,72);

Driefasen-vermogens (link met doel 25).
•
Vanuit elektronica zullen o.m. resonantie, bandbreedte, selectiviteit, Q-factor … verder
uitgediept worden (zowel als 2-pool en als 4-pool).
•
Door eerst metingen uit te voeren op een eenvoudige RC-seriekring, merken de leerlingen dat
de som van de deelspanningen niet gelijk is aan de totale spanning. Door dit gegeven worden
de leerlingen gestimuleerd om in het theoretische gedeelte van de les op zoek te gaan naar
formules die het verband geven tussen de verschillende spanningen. Wijs op de
overeenkomsten tussen de in de school na te leven afspraken en deze die in het bedrijfsleven
gelden.
•
Onderzoek en bereken RLC-kringen vectorieel (grafisch) én complex. Abstracte begrippen
zoals complex voorgestelde spanningen en stromen worden zo voor de leerlingen
aanvaardbaar.
•
Maak gebruik van een (grafisch) rekentoestel om bewerkingen met complexe getallen uit te
voeren (overleg met de leerkracht wiskunde).
•
Meten, berekenen en simuleren:

Spanning en deelspanningen;

Stroom en deelstromen;

Totale impedantie;

Faseverschuiving tussen bronspanning en bronstroom.
•
Het is aan te raden doelstelling 25, 34 en 35 samen te behandelen.
•
De definitie van een driefasige spanning laten afleiden uit de gegeven sinusoïdale
Elektriciteit - Elektronica tso 3de graad
Begeleidingsdocument implementatie leerplan
14
voorstelling.
•
Er kan gebruikgemaakt worden van softwarepakketten (bv Multisim, Excel, geogebra, …) om
de voorstelling van de driefasige sinusoïdale voorstelling te visualiseren.
•
De hoofdeigenschap van een 3f spanning benadrukken en deze zowel vectorieel als
wiskundig laten bewijzen!
•
Duidelijk maken adhv. een vectorvoorstelling dat er zowel een links- als rechtsdraaiende 3f
spanning bestaat.
•
Sterschakeling en driehoekschakeling: stel de formules op die het verband geven tussen de
lijn- en spanningsgrootheden.
•
Als voorbeeld van een evenwichtige 3f belasting kan hier de driefasige (a)synchrone motor
aangehaald worden.
•
Illustreer het nut van de nulleider met behulp van vectoren.
•
Als onze leerlingen in doelstelling 24 leren werken hebben met complexe voorstellingen van
spanningen, stromen en impedanties is het een enorme meerwaarde (en een kleine
inspanning) dat ze ook nulleiderstromen kunnen berekenen. Ze hebben dan ineens het bewijs
dat bij evenwichtige belasting de nulleider niet nodig is. Bij onevenwichtige belasting zien de
leerlingen dan door eigen berekeningen het nut van de nulleider in! Ook in het labo kunnen ze
dit makkelijk zelf nameten.
•
3f verbruikers schakelen in 3f netten!
•
Door de leerlingen verbruikers te laten aansluiten, krijgen ze een beter inzicht in de
schakelingen en formules.
•
Definitie van 1f en 3f vermogens (actief, reactief, schijnbaar).
•
De vermogendriehoek is een handig instrument voor de leerlingen.
•
Nut en berekening van cosφ compensatie in 1f en 3f netten.
•
Meten en berekenen (bij voorkeur complex of via poolcoördinaten)

Lijn- en fasespanningen in ster en driehoek;

Lijn- en fasestromen in ster en driehoek;

Nulleiderstroom bij symmetrische en asymmetrische belasting;

1f en 3f vermogens in 1f en 3f netten (actief, reactief, schijnbaar);

Cosφ voor verschillende verbruikers.
•
Laat de leerlingen de stromen, spanningen, vermogens en de cosφ compensatie zowel
vectorieel als complex berekenen.
•
Het is belangrijk vooral bij deze doelstelling de leerlingen goed voor te houden dat alle
formules en berekeningen slechts gelden in geval van sinusoïdale signalen. Bij vervormde
stroomsignalen (spaarlamp, pc, ….) gelden aangepaste formules voor de vermogens en de
power factor (cosφ).
•
Bij 3f systemen niet bang zijn om zowel bij symmetrische als asymmetrische belasting de
vermogens te laten berekenen (meten).
•
Leg duidelijk de link naar praktische voorbeelden waar 3f verbruikers en 3f spanningen en
bijbehorende compensatie aan bod komen.
•
Netsystemen in de distributie van elektriciteit:

Actieve geleiders, massa, rechtstreekse en onrechtstreekse aanraking, foutstroom,
differentieelstroom en differentieelinrichting;

Het gevaar en de gevolgen van stroomdoorgang door het menselijk lichaam toelichten;

Van de verschillende netten de systemen van aardverbinding toelichten, foutstromen
Begeleidingsdocument EE tso 3de graad
Implementatie leerplan D/2009/7841/033
15
inschatten en het toepassingsgebied hieruit afleiden:
26
-
TT-netten
-
TN-netten
-
IT-netten
•
Het is de bedoeling de te bestuderen motoren te beperken tot de AC-motoren.
•
Samenstelling en werking van de DC-motor met permanente magneten verklaren (zie
Lorenzkracht uit 2e graad). Nadien overgaan naar de DC-seriemotor en de leerlingen laten
aantonen dat deze motor eveneens werkt op AC (de universele motor).
•
Ontstaan van een draaiveld onder invloed van een 3f wikkeling aantonen.
•
Samenstelling en werking van eerst de 3f synchrone en nadien de asynchrone motor
verklaren aan de hand van de bijbehorende formules en wetmatigheden.
•
Kortsluitanker vs. sleepringanker.
•
Invloed van het aantal poolparen (experimenteel) onderzoeken en de formule die het verband
met het toerental en de frequentie geeft, hieruit afleiden.
•
Het is interessant om eerst de 3f motor te behandelen en dan pas over te gaan naar de 1f AC
motor. Op die manier is de overgang heel logisch en het nut van de hulppoolwikkeling
duidelijk.
•
Verschillende aanloopfases voor de 1f AC-motor behandelen, met de nadruk op de
capacitieve aanloopfase. Ook aan de hand van (het tekenen) van de flux-vector het ontstaan
van een draaiveld bij de 1f motor aantonen.
•
Behandel het omkeren van draaizin van de verschillende motoren en verklaar dit adhv. de
draaizin van het draaiveld.
•
Metingen resp. berekeningen voor zowel de 1f als de 3f AC motor

Slip – rotatiefrequentie in functie van de belasting;

Motorkoppel, frequentie, statorspanning;

Vermogen en rendement;

Cos φ;

Aanloopstroom.
•
De (n,T) karakteristiek van een asynchrone motor opmeten en toelichten.
•
Breng de grootte van de rotorslip in verband met de grootte van de belasting adhv. de (n,T)
karakteristiek.
•
Enkele belastingskarakteristieken (pomp, transportband) projecteren op de (n,T)-kromme van
de motor en de leerlingen hieruit laten afleiden of de motor geschikt is voor de belasting.
•
De arbeidsfactor en het vermogen meten bij een net dat evenwichtig belast is door een
driefasenmotor. De meting uitvoeren bij verschillende belastingsniveaus.
•
De voor- en nadelen van de 1f asynchrone motor,de 1f synchrone motor en de universele
motor vergelijken en hun toepassingsgebieden opsommen en adhv. deze voor- en nadelen
verklaren.
•
Door de leerlingen de rotatiefrequentie van het draaiveld te laten afleiden uit de
kenplaatgegevens van een motor, zullen ze deze gegevens beter kunnen interpreteren en
een beter inzicht verkrijgen over de rotatiefrequentie van de rotor en het draaiveld.
•
De verschillende bestudeerde motoren onderscheiden door, uitgaande van hun specifieke
Elektriciteit - Elektronica tso 3de graad
Begeleidingsdocument implementatie leerplan
16
eigenschappen, hun toepassingsgebied te situeren.
27 en 30
28
•
Het is aan te raden om doelstelling 27 en doelstelling 30 samen te nemen.
•
Bekijk, vanuit enkele bestaande machines op school of in een industriële omgeving, de
verschillende toegepaste motorschakelingen.
•
Motiveer van daaruit het “waarom” en bespreek de werking van de verschillende soorten
startschakelingen, waaronder:

start-stop

ster-driehoek

soft-starter
•
Bouw via schetsen de elektrische schema’s op en leid hieruit de werking af.
•
Hanteer een CAE-pakket om de elektrische schema’s van een project rond machinebouw
conform AREI en machinerichtlijn tot een dossier en/of handleiding te maken.
•
Maak zoveel mogelijk gebruik van bestaande macro’s bij het tekenen in een CAE-pakket.
•
Bespreek de werking, het nut, symbolen en de toepassing van motorbeveiligingen en neem
ze op in je elektrische schema’s :

thermische beveiliging;

beveiliging met thermistoren;

elektronische motorbeveiligingen.
•
De link met doel 25, 26 en 28 mag hier zeker niet ontbreken.
•
Breng deze leerplandoelstelling in verband met deze van 85 en 87.
•
Bestudeer het blokschema en behandel elk onderdeel gedetailleerd.


volgestuurde 3f gelijkrichter en/of 1f bruggelijkrichter:
-
schema met diodes;
-
werking adhv. golfvormen;
-
berekening Ug .
afvlakcircuit (condensator):
-

•
•
•
berekening C
3f invertor:
-
Schakelaar (IGBT);
-
schema met schakelaars;
-
werking adhv. golfvormen;
-
PWM.
Bekijk ook het inwendige van een frequentieregelaar:

Stuurgedeelte;

in- en uitgangen.
Elektrisch remmen:

weerstandsremmen met remchopper;

remmen met terugname van energie.
Toon aan met behulp van formules dat het noodzakelijk is een zekere stuurmethode aan te
houden: constante U/f-verhouding, fluxregeling,…
Begeleidingsdocument EE tso 3de graad
Implementatie leerplan D/2009/7841/033
17
29
•
Stuur het best ook een motor aan met deze frequentieregelaar en stel hiervoor de nodige
parameters in.
•
Breng deze leerplandoelstelling in verband met deze van 85 en 87 .
•
Illustreer het nut van positiebepaling in onze (industriële) leefwereld (transportband / CNC /
printfreesmachine) / …). Leg van hieruit het verband met de verschillende
positioneringssystemen: stappenmotor en servosysteem.
•
Schets de verschillende toepassingsgebieden voor het servosysteem en de stappenmotor en
laat de leerlingen het ene systeem tov. het andere afwegen.
•
Bestudeer de stappenmotor:
•
31 - 33

soorten (PM, hybride);

bipolair / unipolair;

half step, full step, wave fasen …;

ontwerp een stuursignaal om je motor te regelen en ga na hoe je dit praktisch kan
realiseren.
Som de functie op van de stappenmotorsturing:

Genereer een pulssignaal voor positionering;

Stroombegrenzing (lineair, bilevel, PWM,…);

Flanksteilheid.
•
Realiseer een stappenmotorsysteem (sturing + motor) mbv. een driver (ic of pcb)
•
Bestudeer een servosysteem:

Servomotor (eigenschappen);

Positiebepaling (encoder, resolver, …);

Servodrive (verwerking signalen, sturing, vermogenversterker);

Servorem (elektrisch, mechanisch).
•
Stuur een (bestaand) servosysteem aan.
•
De BLDC-motor wint aan belang in de industrie, zorg ervoor dat deze motor in de juiste
context behandeld wordt, het is meestal een synchrone wisselstroommotor met permanente
magneten en met “voorgebouwde” invertor.
•
Behandel het begrip servosysteem met zijn feedback signalen en de rol die de BLDC hierin
speelt.
•
Benadruk de benaming “Brushless DC”, (is de gangbare benaming in de industrie) maar leg
duidelijk uit dat het in feite gaat om een wisselstroommotor.
•
Als “decor” voor het gedeelte “concept en technologie” kan een KMO de rode draad zijn. Het
concept, de keuze en motivatie van de apparatuur is gebaseerd op kennis van de technologie.
•
Om documentatie van lichtbronnen te kunnen interpreteren, is een basiskennis nodig van
enkele veel voorkomende fotometrische grootheden zoals lichtstroom, lichtsterkte,
verlichtingssterkte, rendement, kleurtemperatuur, kleurweergave-index, enz …
•
Leg geen accent op al te theoretische beschouwingen. Benader het vooral praktisch bij enkele
eenvoudige toepassingen.
•
Vanuit het milieubewustzijn is het belangrijk om duurzaam en energiebewust te verlichten.
•
Gloeilampen, halogeenlampen, gasontladingslampen, led-verlichting, …
•
Wand-, plafond-, inbouw-, uplight, downlight, noodverlichting, …
Elektriciteit - Elektronica tso 3de graad
Begeleidingsdocument implementatie leerplan
18
36
37
•
Reflectoren, diffusoren, convergeren, divergeren, afscherminghoek, lichtverstrooiing, ...
•
Licht kort de punt-, rendementsmethode of lumenmethode toe als achtergrond van een
softwarepakket zoals Dialux.
•
Verwijs naar het ARAB en Codex voor de minimum verlichtingssterkten.
•
Het principe van het opwekken van een wisselspanning toelichten.
•
Een praktische 3f AC-generator beschouwen en de constructie en samenstelling toelichten.
Leg de link met de 3f synchrone motor.
•
Leid de invloedsfactoren (vorm, frequentie, flux) op de opgewekte spanning experimenteel af
en verklaar hieruit de formule voor de emk.
•
Leid uit metingen ook de nullastkarakteristiek af.
•
Beschouw de synchrone generator bij verschillende belastingsniveaus en belastingstypes
(Ohms, inductief, capacitief) en evalueer het resultaat in een grafiek (= uitwendige
karakteristiek).
•
Bereken het rendement van de 3f synchrone generator. Vertrek hiervoor van de verliezen.
•
Licht het verband toe tussen het schijnbaar en het actief vermogen bij de synchrone
generator.
•
Het nut van de transformatoren kan aan bod komen:

in de distributie van elektriciteit;

in de ‘elektronicawereld’;

in het kader van veiligheidsaspecten;

als meetinstrument.
•
Samenstelling en werkingsprincipe van de 1f en nadien van de 3f trafo praktisch en aan de
hand van de bijbehorende formules en wetmatigheden bepalen en verklaren.
•
Metingen op de 1f trafo

Transformatieverhouding;

rendement – verliezen;

kortsluit- en nullastproef;

trafoverhouding bij nullast / belasting.
•
1f trafo: uitwendige karakteristiek en de invloedsfactoren hierop onderzoeken en verklaren.
•
Berekeningen van lijn- en fasespanningen aan de primaire en secundaire bij 3f
transformatoren.
•
De voor- en nadelen, de samenstelling en de werking van bijzondere transformatoren
behandelen:
•

stroomtang als flexibel meetinstrument;

stroomtrafo, spanningstrafo als vast meettoestel;

isolatietrafo voor de beveiliging van toestellen;

veiligheidstrafo voor de beveiliging van mensen;

lastransformator;

spaartransfo.
Een bezoek aan de hoogspanningscabine van de school (bespreek vooraf met
preventieadviseur) kan leerrijk zijn.
Begeleidingsdocument EE tso 3de graad
Implementatie leerplan D/2009/7841/033
19
39
•
•
40
42
43

het veroorzaken van storingen (EMI);

het immuun zijn tegen storingen (EMS).
Hoogfrequente en laagfrequente storingen ontrafelen:

ontstaan;

voortplantingswijzen (door geleiding, door straling);

gevolgen;

meettoestellen;

oplossingen (filters, speciaal ontwerp,…).
•
Het is niet de bedoeling de leerlingen te overstelpen met (veel te moeilijke) wiskunde
(Fourier,..) maar veeleer om hen voeling te geven met het probleem.
•
Meet eens de stroom die een pc (ook laptop), spaarlamp, dimmer, … aan het net onttrekt.
•
Bestudeer de traditionele elektrische energiecentrale:
•
41
Het begrip EMC uitleggen en erop duiden dat dit zowel duidt op:

Standaardopbouw ( warmte, turbines, generator);

Rendement;

Analogieën tussen de verschillende centrales;

Belasting versus stabiliteit;

Grondstoffen, milieu en toekomst.
Besteed ook aandacht aan duurzame energie - opwekking: Zonnepanelen, windenergie,
warmtekrachtkoppeling.

Standaardopbouw ( warmte, turbines, generator);

Rendement;

Belasting versus stabiliteit;

Grondstoffen, milieu en toekomst.
•
Schets vanaf productie tot aan klant het spanningsverloop van het regionale distributienet.
•
Stel een principeschema ter beschikking van een Midden-Spanning-klantcabine en bespreek
de opbouw.
•
Een studiebezoek aan een hoogspanningspost en centrale of een fabrikant van aggregaten is
aanbevolen.
•
In het kader van BA5 en in relatie met de MS-kabine is het belangrijk de juiste en meest
veilige manier van schakelen te duiden.
•
De vitale vijf : vrijschakelen, vergrendelen, meten, aarden, afbakenen.
•
Verklaar de volgende begrippen:

Ib: bedrijfsstroom;

Iz: toegelaten stroom geleider;

In: nominale stroomwaarde van de beveiliging;

Inf: conventionele niet-aanspreekstroom van de beveiliging;

If : conventionele aanspreekstroom van de beveiliging.
Elektriciteit - Elektronica tso 3de graad
Begeleidingsdocument implementatie leerplan
20
44
45
•
Werk aan de hand van een concreet voorbeeld de dimensionering uit van een kabel op basis
van zijn belasting en de gekozen beveiliging. Hou ook rekening met de correctiefactoren
volgens montagewijze, aantal kabels en omgevingstemperatuur en toegelaten spanningsval.
•
Behandel het begrip kortsluitvermogen en daaraan gekoppeld het begrip filiatie en
selectiviteit.
•
Geïntegreerd met doel 43 bespreekt men:
•
•
46
47

Het onderscheid tussen een lastscheider, scheider en vermogenschakelaar;

De uitschakelkarakteristiek van een thermisch-magnetische beveiliging;

De uitschakelkarakteristiek van een smeltzekering;

En enkele soorten industriële onderbrekingstoestellen + toepassingsgebieden.
Hier is het nuttig eerst de beveiligingsmaatregelen tegen rechtstreekse aanraking te duiden:

De spanningsdomeinen: HS-LSA-LSB-ZLS-ZLVS-ZLBS-ZLFS;

De absolute conventionele grensspanning volgens BB1, BB2 en BB3;

Het gebruik van hindernissen;

Gebruik van differentieelinrichting;

Beveiligingscurve.
Onrechtstreekse aanraking:

Verloop van foutstromen bij verschillende netsystemen TT, IT, TNS, TNC;

De voor en nadelen van de verschillende netsystemen;

Het begrip spreidingsweerstand duiden;

Isolatieweerstand;

Dubbel isoleren.
•
Vanuit het KMO-concept kan worden nagegaan welke uitwendige invloeden er van toepassing
zijn op de elektrische installatie.
•
Zie art.19, 84, 227,255 AREI (hieronder enkele voorbeelden):
•
De eigenschappen van kabel-isolatiematerialen linken aan de uitwendige invloeden om
keuzes te bepalen (bron: bv. CEBEO DATA&KABEL).
•
Factuur van een MS-klant bespreken en stilstaan bij de kwartuur-piek.
•
Het kan nuttig zijn om met de leerlingen een reële domotica-installatie te bestuderen. RTC-
Begeleidingsdocument EE tso 3de graad
Implementatie leerplan D/2009/7841/033
21
projecten bieden hier soms een uitweg.
51
52
•
Hou deze leerplandoelstelling beperkt.
•
Bedoeling van deze doelstelling is leerlingen op een praktische manier te leren omgaan met
vereenvoudigingstechnieken voor logische schakelingen: Booleaanse algebra en KV-kaarten.
Leerlingen dienen inzichten te verwerven in deze werkmethodes zonder dat de theoretische
achtergrond de bovenhand haalt. “Deze technieken zijn een middel en geen doel op zich”. Na
het verwerven van de inzichten kan je de leerlingen leren kennismaken met tools zoals
“Karnaugh minimizer”.
•
Men kan hiervoor de leerplandoelstelling 142 “Zelfstandig een eenvoudig digitaal systeem
ontwerpen” uit het leerplan van de 2e graad aangrijpen waarbij leerlingen een zelf ontworpen
digitaal systeem trachten te vereenvoudigen met behulp van KV – diagrammen, Booleaanse
algebra of gebruikmakend van tools zoals Karnaugh minimizer. Het is vooral belangrijk dat
leerlingen het inzicht krijgen dat de functionele werking van de schakeling voor en na de
vereenvoudiging gelijk blijft. Tracht dit te bewijzen door de schakeling voor en na de
vereenvoudiging praktisch te realiseren en de leerling de werking te laten controleren. Laat de
leerlingen eens een kostprijsberekening maken van beide systemen (in Euro’s als het over
klassieke logische componenten gaat, of in aantal “Gates” als het over een opbouw in CPLD
gaat).
•
Handig is bij deze topic het begrip “propagation delay” toe te lichten. Een vereenvoudigde
schakeling zal normaal gezien ook performanter worden.
•
Internet koppelingen: http://karnaugh.shuriksoft.com/
•
Hoewel we in verdere doelstellingen de programmeerbare bouwstenen zullen benaderen
vanuit een “black box strategie” is een basiskennis over de werking van de programmeerbare
component onontbeerlijk voor een totaal begrip. Het is aangewezen de structuur van een PAL
en PLA uit te leggen en dit als basis te nemen voor een verdere analyse van een
hedendaagse programmeerbare component. Leg aan de hand van een intern blokschema de
structuur uit van de in de les gebruikte programmeerbare component. Bespreek de functie van
de IO blocks, de interne macrocellen en de programmeerbare routing. Verwijs hierbij kort naar
het verschil tussen CPLD en FPGA.
http://www.xilinx.com/univ
http://www.altera.com/education/univ/unv-index.html
53 – 54
•
Deze leerplandoelstelling zal regelmatig aan bod komen en dit naargelang de leerlingen meer
ervaring opdoen met het praktisch realiseren van schakelingen met behulp van digitale
bouwstenen.
•
Tracht bij de verklaring van de werking van de I/O blocks ook aandacht te schenken aan de
begrippen zoals in- en uitgangsspanningen en stromen, compatibiliteit met andere families en
standaarden. Bespreek ook de mogelijke uitgangsstructuren (actieve uitgang, open drain, tri –
state).
•
Vergelijk de snelheden van deze componenten met de klassieke families.
•
Leg ook de link naar leerplandoelstelling 57 “IC’s met de I/O-periferie koppelen”, vertrekkend
vanuit de beperkte in- en uitgangstroom van een programmeerbare bouwsteen. Hierbij kan
ook het begrip ESD en de daarbijbehorende voorzorgsmaatregelen gekaderd worden.
•
Internet koppelingen: www.xilinx.com en www.altera.com
•
Het is hier de bedoeling om, gebruikmakend van grafische tools zoals Quartus van Altera of
ISE webpack van Xilinx, zowel de werking van combinatorische als sequentiële logica te
verduidelijken. Dit vereist echter wel aangepaste hardware.
•
Het industrieel gebruik van programmeerbare logische bouwstenen is sinds het begin van de
jaren 90 exponentieel toegenomen. Vandaag de dag worden quasi alle logische schakelingen
Elektriciteit - Elektronica tso 3de graad
Begeleidingsdocument implementatie leerplan
22
in (her)programmeerbare logica uitgevoerd. Het gebruik van de 74xx en de 40xx reeks is tot
een minimum herleid.
55
56
•
Er is dus een dringende noodzaak onze cursus digitale techniek hieraan aan te passen.
•
Om het gebruik van programmeerbare bouwstenen in het onderwijs te stimuleren, hebben de
2 grootste fabrikanten van digitale bouwstenen, Xilinx en Altera, elk een gratis
ontwikkelomgeving (Quartus II voor Altera en de Xilinx ISE Design suite) ter beschikking
gesteld via hun website. Bovendien hebben zij voor de nodige ondersteunende hardware
gezorgd die voor zeer democratische prijzen door studenten en scholen kan worden
aangeschaft. Bijkomend vind je op hun websites de nodige tutorials en support.
•
Gebruikmaken van deze tools heeft het enorme voordeel een complexer systeem te kunnen
opbouwen in een korter tijdsbestek. Een tweede groot voordeel is dat in deze tools ook een
simulator zit. Dankzij de simulator kunnen de leerlingen eerst de werking van hun ontwerp
controleren, voordat hun ontwerp gedownload wordt in de programmeerbare component. In
de simulator kunnen de leerlingen ook duidelijk de invloed van vertragingen en propagation
delay van de poorten bestuderen en begrijpen. Het is de bedoeling dat de in
leerplandoelstelling beschreven topics worden verduidelijkt aan de hand van enkele concrete
toepassingen, waaronder:

Ontwerpen van een scorebord : hierin kan quasi het hele gedeelte van combinatorische
logica worden opgehangen;

Een stopwatch of een frequentieteller; deze leent er zich dan weer toe om de
sequentiële logica te verduidelijken;

Een stappenmotorsturing;

Een elementaire functiegenerator opbouwen legt dan weer eerder een link naar
doelstelling 56. “Principe van AD-/DA-conversie verklaren”.
•
Internet koppelingen: www.xilinx.com en www.altera.com
•
Vanuit de toepassingen die hierboven beschreven staan of vanuit bestaande voorbeelden op
zoek gaan naar de opbouw van (V)HDL taal. Het is de bedoeling eenvoudige
codevoorbeelden van losse logische bouwstenen te besturen en deze eventueel aan te
passen naar wens (bijvoorbeeld een 8 bit teller aanpassen naar 64 bit). Het gebruik van
(V)HDL code is eerder ter kennismaking met de taal en het is zeker niet de bedoeling een
heel systeem inclusief framework te gaan beschrijven.
•
De losse (V)HDL componenten kunnen uiteraard deel uitmaken van een groter systeem door
deze op schematische wijze met elkaar te verbinden.
•
Tip: laat de leerlingen een teller grafisch opstellen en laat hen deze dan in (V)HDL opstellen.
Wanneer de teller nu aangepast moet worden, moet het grafisch helemaal opnieuw opgesteld
worden, waar het in (V)HDL met slechts enkele aanpassingen snel gedaan is. Hierbij leren ze
het verschil kennen in ontwerpsnelheid tussen grafisch ontwerpen en (V)HDL.
•
Internet koppelingen: www.xilinx.com en www.altera.com
•
VVKSO website: voorbeeldoefeningen
•
Deze leerplandoelstelling kan toegepast worden bij verschillende technologieën, zoals
microcontrollers, PLC, OPAMP’s, …
•
In deze leerplandoelstelling wordt de grens tussen analoog/digitaal en hardware/software
steeds vager. Ga het daarom ook niet uit de weg. Dat is vast wel enkele experimentjes waard.
De leerlingen hebben er heel wat aan als je ook digitale bouwstenen in de lessen analoge
elektronica introduceert. AD- en DA-conversie heeft een ware DSP-revolutie (Digital Signal
Processing) ontketend.
•
Een heel toegankelijke gids omtrent de prille analoge- en digitale beginselen (Basic Analog
and Digital/ Student Guide for Experiments) is te downloaden bij www.parallax.com.
•
Situeer duidelijk de plaats (input, verwerking, output) van een A/D- en D/A-module in een
proces.
Begeleidingsdocument EE tso 3de graad
Implementatie leerplan D/2009/7841/033
23
•
Maak gebruik van een bestaande A/D-module (of D/A-module) om de verschillende
specificaties zoals resolution, over all accuracy, samplingfrequency, conversion speed, gain &
offset settings toe te lichten.
•
Vergelijk de meest gebruikte (S.A.R., R2R-laddernetwerk, Flash A/D-omzetter) D/A- en A/Dtechnieken met elkaar. Suggestie: met een microcontroller genereren we een 4-bits (of 8-bits)
trage binaire teller, sturen deze binaire code naar een zelfgebouwd R2R-laddernetwerk met
OPAMP en halen deze analoge waarde terug binnen in de µC. Bij iedere binaire stap noteren
we zowel de ‘digital y-value’ als de ‘analog x-value’. We tekenen de grafiek voor zowel de 4bits mode als de 8-bits mode. Dit experimentje bespaart pakken nodeloze theorie.
•
Sta ook eens stil bij vaak gebruikte compressietechnieken (JPEG, MPEG, MP3). Dit staat heel
dicht bij hun belevingswereld. We kunnen ons niet ontdoen van de realiteit dat in de A/D- en
D/A-conversie een ware aardverschuiving naar ‘Digital Signal Processing (DSP)’ plaats
gevonden heeft. Het zou wereldvreemd zijn om hierover de stilte te bewaren. Het verwerken
van een analoog ingangssignaal komende vanuit een sensor is bijzaak geworden in de A/Den D/A-materie. De hoofdtoepassingen van digitale signaalverwerking zijn
audiosignaalverwerking, audiocompressie, digitale beeldverwerking, videocompressie,
spraakverwerking- en herkenning, digitale communicatie, RADAR, SONAR, seismologie en
biomedische toepassingen. Meer specifieke voorbeelden zijn MP3-compressie, HIFI
crossoverfilters en het gebruik van audio-effecten in elektrische gitaarversterkers.
•
Maak gebruik van specifieke SPI-bouwstenen (MAX512, ADC0834) om een eenvoudige
toepassing te realiseren. Met de datasheets erbij is dit een gedroomd studieobject. De
combinatie met de microcontroller maakt het allemaal zo levensecht. Experiments with
Renewable Energy/Student Guide is een 300 bladzijden tellende gids, gratis te downloaden
bij www.parallax.com , waar met de SPI-bouwsteen ADC0834 een hele reeks duurzame
energie- toepassingen uitvoerig beschreven worden. De vier analoge ingangen van dit IC
kunnen zowel ‘single ended’ (spanningen t.o.v. massa) als ‘differential’ (verschilspanningen,
dus zonder massa) geconfigureerd worden. Het meten op een 420mA stroomlus als in een
brug van Wheatstone vormt dus geen enkel probleem.
•
Schenk de nodige aandacht aan het veilig aansluiten van analoge in– en uitgangen.
Bescherming tegen overspanning en het waarom van isolatieversterkers hebben recht op
duiding.
•
Internet koppelingen: www.parallax.com
57
•
We verwijzen hiervoor naar o.m. leerplandoelstelling 64, waar in verschillende schakelingen
verscheidene periferie-componenten aangesloten worden.
58 - 66
•
Leerlingen hebben reeds in de 2de graad kennisgemaakt met het (grafisch) programmeren.
Het is belangrijk dat men binnen de vakgroep afspreekt om hierop verder te bouwen!
•
In de leerplandoelstellingen 60 t.e.m. 66 wordt de hardware van een microcontroller
bestudeerd samen met een aantal toepassingen. Voor die toepassingen moeten er
programma’s geschreven worden die werken op de microcontroller.
In de leerplandoelstelling 58 kan de ontwikkelomgeving (IDE: Integrated Development
Environment) voor het ontwikkelen van programma’s voor de microcontroller aangeleerd
worden. De klemtoon kan nooit liggen op het aanleren van een nieuwe programmeertaal.
Steeds staat software ten dienste van een concrete hardware-schakeling. Het heeft geen zin
om deze ontwikkelomgeving los van een aantal oefeningen en toepassingen te bestuderen.
Bij het toepassen van de leerplandoelstellingen 60 t.e.m. 66 worden de leerplandoelstellingen
58 en 59 impliciet toegepast.
•
Waar elektronica voorheen zuiver hardware was, is het nu een combinatie van hardware en
software. Dat maakt foutzoeken in een schakeling veel complexer – zeker voor onze
leerlingen.
TIP: start in het begin steeds van ofwel geteste en werkende software of van geteste en
werkende hardware. Als er dan iets niet werkt, dan weet je al in welk gedeelte de fout zal
Elektriciteit - Elektronica tso 3de graad
Begeleidingsdocument implementatie leerplan
24
zitten.
•
Als ontwikkelomgeving voor microcontrollers zijn er meerdere mogelijkheden. Veel
voorkomende microcontroller families zijn: de PIC-familie van Microchip, de AVR-familie van
Atmel, de Basic Stamp familie van Parallax, de ARM familie en …
•
Bij de keuze voor een microcontroller kan je volgende criteria in acht nemen:

Is er reeds een controller aanwezig in de school?

Wat is de prijs van de software – is deze gratis voor leerlingen?

Wat is de prijs van een ontwikkelsysteem?

Is de hardware compatibel met toekomstige controllers (een modulair systeem is duurder
in eerste aankoop, maar is wel meestal ‘upwards compatible’)?

Wordt de controller in hogeschool en/of industrie veel toegepast? (AVR, PIC en ARM
voldoen hieraan)

Is er voldoende cursusmateriaal op niveau van onze leerlingen beschikbaar? (OK voor
PIC en AVR).

Kan je met deze controller meteen alle leerplandoelstellingen behalen? (OK voor PIC,
AVR, ARM – minder voor bv Basic Stamp vermits dit een microcontroller is met een
ingebouwde basic interpreter in de ROM die het moeilijk maakt om de hardware correct
aan te sturen).
•
Het is een elementaire beslissing om voor één van deze families te kiezen. Meerdere
microcontroller-families bestuderen heeft niet veel zin. Als men één familie kent, kan men later
redelijk gemakkelijk overstappen naar een andere familie.
•
Naast het kiezen voor een microcontroller-familie moet er ook een keuze voor de
programmeertaal gemaakt worden. De meest voor de hand liggende keuze is Basic of C (in
de tweede graad hebben ze reeds leren programmeren in een grafische omgeving, zoals bv.
Flowcode van Matrix Multimedia, die volledig op C gebaseerd is …).
•
Mogelijke voorbeelden van programmeertalen zijn op het Internet te vinden:

Basic: Bascom van MCS Electronics voor de AVR, PICBasic van Microchip voor de PIC,
PBasic van Parallax voor de Basic Stamp, …

C: MPLAB van Microchip voor de PIC, AVR GCC (vrije GNU compiler) voor de AVR, …
•
Indien er nog een keuze gemaakt moet worden voor een bepaald programmeerplatform, volgt
hieronder een algemene opmerking.
•
C is moeilijker, maar is haalbaar, vermits de leerplandoelstelling over twee leerjaren gespreid
kan worden. De motivatie om voor C te kiezen tov. voor Basic om een microcontroller te
programmeren, kan gevoed worden door het gegeven dat in hogeschool en industrie C de
standaardtaal is om microcontrollers te programmeren. Basic is een alternatief waarvoor op
Internet veel voorbeelden en toepassingen beschikbaar zijn.
•
Voor de eenvoudigste programma’s geniet het de voorkeur om eenzelfde programma één
keer te schrijven in assembly, het vervolgens eens te schrijven in Basic of C en dit ook te
schrijven in de grafische programmeertaal die de leerlingen hebben aangeleerd in de 2de
graad. Leerlingen leren zo heel goed de hardware van de microcontroller kennen en leren
gelijktijdig de voordelen en nadelen van hogere programmeertalen. Ook kan je op deze
manier een naadloze overgang maken tussen de 2de en de 3de graad.
•
Het verdient de aanbeveling om de leerlingen de verschillende niveaus van programmeertalen
te leren onderscheiden: Assembler, C / Basic, grafisch (Flowcode).
•
Voor de meer complexe programma’s – zeker als je internet-koppeling en andere
communicatie wil verwezenlijken – is het gebruik van bibliotheken, voorgeschreven instructies
en hogere programmeertalen (zoals Flowcode) aan te raden. Blijf niet proberen om elk stukje
code zelf terug uit te vinden.
•
Naast de programmeertaal voor het programmeren van microcontrollers, is het eveneens
Begeleidingsdocument EE tso 3de graad
Implementatie leerplan D/2009/7841/033
25
mogelijk om binnen deze leerplandoelstelling een hogere programmeertaal die draait op een
PC, aan te leren. Dit is niet verplicht, het hangt af van de interpretatie van deze
leerplandoelstelling door de leerkracht zelf.
•
Een mogelijke hogere programmeertaal die draait op een PC, is Visual Basic.NET (VB.NET).
Het mag niet de bedoeling zijn om zo’n hogere programmeertaal op zich aan te leren, maar
om deze te koppelen aan concrete toepassingen. Een voordeel van Visual Basic.NET is dat
het een programmeertaal is met een sterke grafische interface. Zo is het mogelijk om een PC
te verbinden met een microcontroller- of PLC-toepassing. De gebruiker kan dan vanuit een
grafische omgeving (in VB.NET) de nodige bevelen (via muis, knoppen e.d.) doorgeven aan
de microcontroller of PLC. Vanuit VB.NET kan ook via kleine projecten een koppeling
gemaakt worden met de inhoud van andere leerplandoelstellingen rond netwerken, Internet
en PC (bv. LPD 69, 70, 71 en 73).
Een leuke toepassing voor de leerlingen is de ontwikkeling van een “chat”-programma in
VB.NET. Hierbij chatten de leerlingen tussen 2 PC’s. De PC’s worden via de COM-poort
verbonden, zodat er meteen een koppeling gemaakt kan worden met andere
leerplandoelstellingen rond communicatie (bv. LPD 75).
•
Hou er bij de keuze van een ontwikkelomgeving rekening mee dat het voor de leerlingen zeer
handig als ze een gratis versie of studentenversie van de ontwikkelomgeving mee naar huis
kunnen nemen en het daar op hun eigen PC kunnen installeren.
•
Het is zeker een meerwaarde als de leerlingen niet alleen leren programmeren binnen een
ontwikkelomgeving, maar ook leren om programma’s gestructureerd te ontwerpen. Voordat de
leerlingen hun programma beginnen in te geven (in de editor van de programmeeromgeving)
zouden ze eerst het ontwerp uitgewerkt moeten hebben m.b.v. stroomdiagramma’s
(flowdiagramma, Nassi-Schneidermandiagramma …). De boodschap is dat ze eerst
nadenken en dan uitvoeren. De structuur van hun programma moet eerst “op papier” staan.
Zo behouden ze het overzicht over hun programma en maken ze minder fouten bij het
programmeren zelf.
•
Het werken met subroutines (functies …) die zelf geschreven worden of via de bibliotheek
beschikbaar zijn, wordt aangeraden. Voordeel is dat subroutines apart foutvrij gemaakt
kunnen worden, herbruikbaar zijn en de structuur van een programma bevorderen.
•
Na het ingeven (typen) en compileren van het programma zouden de leerlingen eerst een
simulatie van het programma moeten uitvoeren. In sommige ontwikkelomgevingen (bv.
Bascom, WInAVR…) kan een simulatie uitgevoerd worden op gesimuleerde hardware (LED’s,
LCD, interrupt pinnen …).
Pas wanneer de simulatie werkt, kan het programma gedownload worden in de
microcontroller. Leerlingen leren zo ook dat een correcte simulatie niet noodzakelijk moet
betekenen dat de hardware ook zal werken.
•
Het simuleren is bijzonder handig maar mag u er nooit toe verleiden om te verzaken aan de
realiteit van de echte hardware!
•
Naast het aanschaffen van een ontwikkelomgeving moet ook de nodige hardware
(ontwikkelbordje met microcontroller) aangeschaft worden. Hou hierbij rekening met het feit
dat het programmeren van de hardware liefst via USB of seriële poort gebeurt. Het voordeel
van USB is dat elke PC of portable uitgerust is met USB. Het voordeel van een seriële poort is
dat de leerlingen heel eenvoudig zelf een seriële bus kunnen ontwerpen (solderen).
•
Wanneer de leerlingen een programma geschreven hebben en het willen uittesten, zouden ze
het eerst moeten simuleren. In elke degelijke simulator is het mogelijk om stap voor stap
doorheen het programma te lopen. Hierbij kunnen de inhouden van variabelen (registers e.d.)
bekeken worden in de simulator. Zo kunnen de leerlingen overlopen waar hun programma
fout loopt. Ook kunnen er breakpoints gezet worden op plaatsen waar mogelijk het
programma “de mist in gaat”.
•
Het is belangrijk dat leerlingen vanaf hun eerste programma leren om dit heel ‘netjes’ te doen:
Elektriciteit - Elektronica tso 3de graad
Begeleidingsdocument implementatie leerplan
26

Documenteer elke regel met uitleg – wat gebeurt er hier – zodat je later makkelijk je
programma terug kan lezen;

Gebruik tabs en open regels om verschillende delen aan te duiden;

Gebruik functies waar mogelijk om je programma te verkorten;

Breng een duidelijke structuur in je programma;

Kies voor loops ipv. jump instructies waar mogelijk (jump instructies worden in goede
programma’s zo weinig mogelijk gebruikt vermits dit van een programma een rommeltje
kan maken).
•
AVR, PIC en ARM hebben elk zeer knappe en volledige datasheets, maar de grootte en
volledigheid zijn voor onze leerlingen nogal bedreigend. Vertrek bij voorkeur van
vereenvoudigde blokschema’s en bouw hier blokje voor blokje bij aan.
•
De volledige interne werking van de ALU is geen doelstelling, wel de samenhang tussen de
verschillende hoofdblokken zoals ALU, Program counter, stack, Eeprom, Ram, Flash,
configuratie-registers. Een mogelijkheid is om de werking van deze blokken te bespreken aan
de hand van eenvoudige programma’s in assembly en stap voor stap te overlopen wat er
intern in de controller gebeurt bij elke stap.
•
Leerlingen leren adhv. praktische programma’s de I/O-poorten/pinnen configureren om
logische outputs uit te sturen en inputs in te lezen. Leds, schakelaars, dipswitch,
drukknoppen, mosfet-trappen e.d. kunnen hier worden aangesloten.
•
Deze doelstelling is heel nauw gelinkt met de doelstelling over gestructureerd leren
programmeren. Loops, keuzes, timing, input, output, case e.d. zijn programmeerstructuren die
mee onder dit punt dienen aangeleerd te worden.
•
Mogelijke projectjes voor het eerste leerjaar van de derde graad zijn:

Veel leerlingen die uit de 2de graad komen hebben kennisgemaakt met de formula
flowcode buggy. (“robotje”.)
Op deze buggy staan er vele kleine interfaceschakelingen die via kleine projecten
uitgediept kunnen worden;

Eenvoudige combinatorische problemen sturen vanuit de microcontroller: concreet,
maak een schakeling die, als de input temperatuur of niveau te laag is, een groene led
doet branden en een rode led als de input temperatuur of niveau te hoog is (kan
uitgebreid worden). De leerlingen zouden de schakeling moeten ontwerpen
(vereenvoudigen) en realiseren (input en output, keuze IC´s..), eerst simuleren...
Bemerking: de leerlingen zouden eenzelfde probleem ook kunnen oplossen met een
programmeerbare IC.
•
De meeste microcontrollers werken met verschillende soorten interrupts. De eenvoudigste is
de externe interrupt, waarbij een flank aan een pin meteen het lopende programma
onderbreekt. Een zeer belangrijke, maar ook complexere is de Timer/counter interrupt. Deze
wordt gebruikt om real time operaties uit te voeren, maar ook om te tellen, signalen te
genereren en soms ook om PWM-signalen te genereren. Daarnaast zijn er nog tal van andere
interruptbronnen, afhankelijk van welke periferie in de µ-controller aanwezig is (bijvoorbeeld
een interrupt als de ontvangen data via RS232 is binnengekomen …).
•
De werking van interrupts kan in sommige programmeeromgevingen ook in de simulator
aangetoond worden (de leerlingen zien in dat er vanuit eender welke plaats in het programma
naar de interrupt service routine gesprongen wordt bij een interrupt).
•
Hoe een interrupt moet geconfigureerd worden, hangt af van de controller en van de gebruikte
compiler. Zodra je weet hoe dit moet, is dit voor alle interrupts gelijkaardig.
•
Een microcontroller kan vandaag heel wat meer dan enkel maar pinnen hoog en laag maken.
Een U(S)ART, I2C module, soms USB of CANbus, Timers, AD omzetters, … zijn de
geïntegreerde bouwstenen die vandaag mee in een microcontroller zitten en die een hoop van
de complexe taken voor zich nemen (bijvoorbeeld een I2C communicatie die we voorheen
Begeleidingsdocument EE tso 3de graad
Implementatie leerplan D/2009/7841/033
27
volledig via ‘bitbanging’ zouden moeten programmeren, wordt nu volledig geregeld door een
kleine module die mee in de controller zit. We moeten deze module enkel laten weten welke
data moeten worden verstuurd. Dat zorgt voor veel minder belasting van het programma).
Natuurlijk moeten deze modules eerst worden geconfigureerd door op de juiste plaatsen in de
juiste registers 1-tjes en 0-tjes te plaatsen. Hoe dit moet gedaan worden, staat uitgebreid
gedocumenteerd in de datasheets van de controller.
•
Hieronder zijn verschillende projectjes opgesomd die rond een microcontroller opgezet
kunnen worden. Het is de bedoeling dat concrete informatie hiervan ter beschikking gesteld
wordt. Bijbehorende periferie-componenten zijn in de tabel weergegeven. Hier wordt
eveneens de link gemaakt met andere leerplandoelstellingen rond de microcontroller en
interfacing (LPD 57 – 69).
Praktische applicaties en technofun voor de µC:
1 Robot met snorharen
2 I2C-RT-Clock met LC-Display
PCF8583
3 Universele I/O voor microcontroller
PCF8574
4 µC-bestuurde universele stappenmotor module
5 µC-bestuurde universele servomotor module
6 Datalogger
LM75/ 24LC256/
PCF8583
7 Lineaire temperatuurmeter met kleuren LED's
DS1620
8 Muzikale robot (robot reageert op toontjes van een blokfluit)
LM567
9 HF-bestuurde robot met DC-motoren
HF/TxRx-modules
10 Robotslaafje (robot volgt voertuig)
11 Draadloze kamerthermostaat voor C.V.
IS471F
Holtec + HF/TxRxmodules
12 Sony-code bestuurde robot
13 GSM-bestuurde robot met DTMF-toontjes
CM8870
14 Zonnevolger met antennemotor
15 IR-bestuurde robot
Holtec
HT12E/HT12D
16 Een mini-PLC met I²C-input/output
PCF8574
17 detecteren en ontwijken van obstakel robot
18 RGB-rainbouw LED-technologie
19 Ultrasone afstandsdetectie met DC-motor rupsvoertuig
20 Slimme sturing voor zonneboiler
ADC0834
21 Temperatuur en RV-meter met LC-display + alarm
SHT11
22 AT-keyboard op LC-display
23 Schrijvende robot met Inkjet Printerkit
24 Draadloze (IR) input/output voor de µC
TSOP4836
25 Heliostaat met stappenmotor
26 Robot met snelheidsmeter
27 Schrijvende robot met stappenmotor bestuurde stift
28 Lijnvolger met DC-motoren
Elektriciteit - Elektronica tso 3de graad
Begeleidingsdocument implementatie leerplan
L298HN +
28
DS1804-50k
29 Lijnvolger met DC-motoren + D/A-convertor
MAX512
30 Lijnvolger met super fast servomotoren
31 Lijnvolger met stappenmotoren
32 Hart beat: draadloze (IR) Hartslagmonitor met dotmatrix
MAX7219 + TC1211HWA
33 Singing in the rain robot (de µC in concert)
34 Digitale zandloper
35 Power rainbow: temperatuur met kleur
TCA785P +
DS1804
36 Rising Sun digitale wekker: ontwaken met licht
37 Sprekende robot
ISD1400
38 Stilte aanmaner (Sstt, quiet please!) met LS + LC-display
ISD1400
39 Stappenmotor bestuurde inkjet patroon (mini printer)
•
Met de MAX7219 (serial 8 digit LED display driver) kunnen we ook een 7x5 dotmatrix
aansturen. Op de 7 rijen plaatsen we de dot codes i.p.v. de 7-segment codes en de 5
kolommen worden gescand door de common digit drivers. De helderheid van de LED’s wordt
geregeld d.m.v een PWM-regeling. Met Saint Amour in het achterhoofd flitsen de hartjes aan
en uit, op en neer, links en rechts, … kortom digitale begeerte alom.
Wanneer we de hardware van dit IC aandachtig analyseren, passeren al heel wat ‘digital
basics’ de revue. Er zijn nog tal van andere voorbeelden waar men een hele digitale winkel in
één SPI-chip gepropt heeft. Vooral niet te veel tijd spenderen aan de theorie van losse digitale
bouwstenen. De losse hardwarebouwstenen (74xx en de 4000 reeks ) vliegen er sowieso al
uit. Zou het dan ook niet wenselijk zijn meteen moderne IC’s te analyseren i.p.v. de tijd te
doden met de werking van losse tellers, decoders, multiplexers... Na een grondige analyse
van deze chip boordevol digitale fun ligt het algoritme voor de software zomaar voor het
grijpen. In welke softwaretaal we dit nu wensen te vertalen, is zelfs ondergeschikt. Zo staat
bruikbare hardware volledig in functie van de software die later volgt. De motivatie bij de
leerlingen om bruikbare hardware iets grondiger te analyseren zal er wel bij varen. Het
wakkert hun digitale begeerte aan, ze staan op scherp om ook hun digitaal hartje nog wat
onstuimiger te laten kloppen.
•
‘Projectmatig werken is zilver maar een product ontwikkelen is goud.’
•
PDCA – cyclus: Plan / Do / Check / Act
•

Omschrijf een project;

Ontwerp de hardware (schema + PCB);

Schrijf testcodes om de hardware te controleren;

Stel de flowchart op;

Schrijf de software;

Test de software aan de gestelde vereisten;

Doe de veldtest;

Verfijn de software en test opnieuw;

Zorg voor een aangepaste ‘users interface’;

Ontwerp een vormgeving voor het product;

Bepaal de kostprijs van het product.
De soldeerminnende elektronicus heeft vooral nood aan een nauwe verwevenheid tussen
hard- en software. Hij leert op een creatieve manier omgaan met de uitwisselbaarheid van
Begeleidingsdocument EE tso 3de graad
Implementatie leerplan D/2009/7841/033
29
hard- en software om de gewenste intelligente functionaliteit te realiseren die aan de basis ligt
van de innovatieve producten van de toekomst. De klemtoon kan nooit liggen op het zich
afpeigeren om een nieuwe programmeertaal onder de knie te krijgen. Steeds staat software
ten dienste van een hardware eindproduct. De informatieverwerkende capaciteit is geen
basisfunctionaliteit op zich maar werkt eerder ondersteunend aan het hardware-product.
•
Seriële communicatie (LPD 65) kan geschieden tussen een computer en een microcontroller,
tussen twee microcontrollers of tussen een microcontroller en andere periferie. Dit kan zowel
asynchroon als synchroon zijn. RS232 is hier een mooi voorbeeld van.
Als mogelijke opdracht of uitbreiding zou je kunnen vragen dat leerlingen zowel een keer de
communicatie moeten opzetten via de interne periferie (als die aanwezig is) en ook een keer
via bitbanging (dus elk bitje volledig in de software genereren). De link met de problematiek
i.v.m. transmissielijnen (LPD 74) en het programmeren van computers is hier aan de orde.
Een mogelijk leuke toepassing van seriële communicatie is het koppelen van een PC via
RS232 met een microcontroller. Deze microcontroller kan een systeem (bv. LED’s, een DCmotor, een servo-motor, …) aansturen. De nodige bevelen worden door de gebruiker via de
PC ingegeven (rechtstreeks in bv. HyperTerminal of onrechtstreeks in een Visual Basic
programma). Via de COM-poort van de PC worden dan de bevelen aan de µ-controller
doorgegeven … zodat het aangestuurde systeem zijn werk doet.
•
Synchrone seriële datacommunicatie tussen microcontroller en periferie wordt steeds
populairder. Aan de hand van enkele sublieme chips kan de synchrone seriële
datacommunicatie op een heel leerrijke manier geserveerd worden. Via deze inspirerende
toepassingen leren we meer over de verschillende communicatieprotocollen. Samen met de
oscilloscoop analyseren we het gekke seriële dataverkeer.
Een greep uit het SPI – gamma:
•
•

Serieel bestuurbaar D/A-convertor (bijv. MAX512);

Serieel bestuurbaar A/D-convertor (bijv. ADC 0834): het belang van Range (Gain) en
Offset;

Serieel bestuurbare driver voor een LED-matrixdisplay (bijv. MAX7219);

Serieel bestuurbare thermometer met thermostaat (DS1620);

I²C-toepassingen (LCD aansturen met bijv. PCF8574);

PC – Keyboard (MF2 – keyboard).
Asynchrone seriële datacommunicatie:

IR zenden en ontvangen (bijv. Holtec HT-12E & HT-12D);

RS232 com-poort
TTL/RS232-convertor (bv. MAX232)
Demo via hyperterminal of debugterminal;

...
Bussystemen die zeer mooi te behandelen zijn met microcontrollers zijn (LPD 66):

I2C bus

SPI bus

CAN bus

LIN bus

DMX512

RS485

Profibus
Elektriciteit - Elektronica tso 3de graad
Begeleidingsdocument implementatie leerplan
30
67

USB

TCP/IP

…
•
En er zijn er nog vele andere. Ook hier zou zowel bitbanging als periferie kunnen gebruikt
worden om de communicatie op te zetten. Voor verschillende van deze protocollen zal geen
inwendige periferie aanwezig zijn. Er dient dan externe periferie aangesloten te worden.
•
MatrixMultimedia heeft het E-blocks systeem ontworpen, specifiek met voor elk van deze
protocollen een afzonderlijke module. Deze modules zijn uitgebreid gedocumenteerd – alle
schema’s zijn open-source en staan vrij beschikbaar op hun website.
•
Internet koppelingen: www.matrixmultimedia.com
•
Dit is een doelstelling waarover er meer meningen dan exacte waarheden bestaan. Deze
technologie evolueert ook zo snel dat het moeilijk is om in elke situatie de volledig correcte
keuze te maken. Algemeen kan (momenteel) gesteld worden dat:

Programmeerbare logica (CPLD- FPGA) – wordt gebruikt waar de snelheid en parallelle
gegevensverwerking niet toelaten om een microcontroller te gebruiken (bij een CPLD
ben je zeker van de propagation delay). Het programmeren van complexere
toepassingen is niet voor TSO niveau. Dit verbruikt relatief veel energie. Dit wordt
meestal volledig beschouwd als zuivere hardware – niettegenstaande dat deze toch
geprogrammeerd wordt om een bepaalde taak uit te voeren en kan hergeprogrammeerd
worden (programmeren moet eigenlijk configureren genoemd worden hier).
Programmeerbare logica wordt vaak gebruikt wanneer er heel veel signalen zijn (het
aantal pinnen van programmeerbare logica is veel groter dan bij een µ-controller).

Microcontroller – Snelheden tot 10MIPS en hoger. Kan slechts één gegeven tegelijk
verwerken. Kan hergeprogrammeerd worden. Is vrij eenvoudig te programmeren – ook
op TSO niveau. Kan heel zuinig omspringen met energie. Wordt vandaag in onnoemelijk
veel apparaten gebruikt. µ-controllers worden vaak gebruikt wanneer er niet te veel
signalen zijn en wanneer er heel veel programmastappen zijn.

Discrete logica – (74xx – 40xx) . Technologie die zeer lang heeft standgehouden maar
die sinds eind jaren ‘90 bij voorkeur niet meer gebruikt wordt voor nieuwe ontwerpen.
Deze technologie is vervangen door de veel flexibelere microcontrollers en
programmeerbare logica. Enkel de prijs en de immuniteit voor radioactieve storing
motiveren in sommige gevallen nog de keuze voor deze technologie.
Discrete logica zal eerder nog gebruikt worden waar een heel beperkt aantal poorten
nodig is (zodat programmeerbare logica te groot of te duur is). Dit wordt “glue logic”
genoemd. Bijvoorbeeld wanneer een signaal geïnverteerd moet worden (typische fout bij
de connectie van twee apart ontworpen printplaten) of wanneer een signaal onder
bepaalde omstandigheden doorgelaten moet worden, afhankelijk van een ander signaal
…
Voetnoot: Alle doelstellingen rond poorten – logische schakelingen – sequentieel – registers e.d.
kunnen perfect gehaald worden met programmeerbare logica en microcontrollers. Behandel bij
voorkeur de discrete logica in de marge van uw lessen en maak zo tijd vrij om de leerlingen
uitgebreid ervaring te laten opdoen met moderne technologieën.
68
•
Lijst EEprom geheugens (via SPI interface)
No.
Device
Type
Features
AK93C85A
Low power consumption
AK93C95A
0.8µA standby
1 AK93C10A
EEPROM
AT25010
17 AT25020
Begeleidingsdocument EE tso 3de graad
Implementatie leerplan D/2009/7841/033
Manufact
urer
AKM
Low voltage operation
EEPROM
1.8V/2.7V/5.0V
ATMEL
31
AT25040
block write protection
100 years data retention
AT25080
Low voltage operation
AT25160
1.8V/2.7V/5.0V
AT25320
block write protection
18 AT25640
EEPROM
ATMEL
Low voltage operation
1.8V/2.7V/5.0V
19 AT25P1024
EEPROM
block write protection
ATMEL
Low voltage operation
1.8V/2.7V/5.0V
20 AT25HP256
EEPROM
block write protection
ATMEL
5V
1MBit
21 AT45D011
FLASH
15MHz clock rate
ATMEL
5V
2MBit
22 AT45D021
FLASH
10MHz
ATMEL
2.7V
2MBit
23 AT45DB021
FLASH
5MHz clock rate
ATMEL
5V
4MBit
24 AT45DB041
FLASH
10MHz
ATMEL
5V
8MBit
25 AT45D081
FLASH
10MHz
ATMEL
2.7V
16MBit
26 AT45DB161
NM25C020
NM25C040
NM25C041
NM25C160
47 NM25C640
NM93C06
NM93C56
48 NM93C66
NM93C46
49 NM93C56
NM93C46A
50 NM93C46A
NM93S46
NM93S56
51
Elektriciteit - Elektronica tso 3de graad
Begeleidingsdocument implementatie leerplan
FLASH
13MHz
data retention >40 years
hard- and software write protection
EEPROM
ATMEL
Fairchild
data retention >40 years
hard- and software write protection
EEPROM
EEPROM
EEPROM
EEPROM
Fairchild
1k/2k
1k/2k
selectable organization
1K/2K
data protect
sequential read
Fairchild
Fairchild
Fairchild
32
25AA040
4k
25LC040
133 25C040
max. 3MHz clock
EEPROM
data retention >200 years
25AA080
8k, max 3MHz clock
25LC080
data retention >200 years
134 25C080
EEPROM
Microchip
25AA160
16k, max 3MHz clock
25LC160
data retention >200 years
135 25C160
EEPROM
25LC320
136 25C320
Microchip
32k, max 3MHz clock
EEPROM
25AA640
137 25LC640
Microchip
data retention >200 years
Microchip
64k, max 3MHz clock
EEPROM
data retention >200 years
Microchip
8KBit
5MHz clock rate
161 M35080
EEPROM
data retention >40 years
M93C86
Word or byte organization
M93C76
16K/8K/4K
M93C66
/2K/1K/256
M93C56
data retention: 40 years
M93C46
162 M93C06
SGSThomson
EEPROM
M93S46
Block protection
M93S56
1k/2K/4kx16Bit
163 M93S66
SGSThomson
EEPROM
SGSThomson
M95010
M95020
164 M95040
EEPROM
5MHz clock rate
M95080
8/16/32/64KBit
M95160
5MHz clock rate
M95320
165 M95640
SGSThomson
EEPROM
M95128
166 M95256
128/256KBit
EEPROM
5MHz
ST95010
1K,2K,4K
ST95020
2MHz
167 ST95040
SGSThomson
EEPROM
SGSThomson
SGSThomson
2K
256x8Bit
186 X25020
EEPROM
clock 1MHz
XICOR
4K
512x8Bit
187 X25040
EEPROM
clock 1MHz
XICOR
16k
2048x8Bit
188 X25160
Begeleidingsdocument EE tso 3de graad
Implementatie leerplan D/2009/7841/033
EEPROM
clock 2MHz
XICOR
33
•
69 (U)
•
X25F008
1.8V to 3.6V
X25F016
data retention 100 years
X25F032
clock 1MHz
189 X25F064
FLASH
190 X25F128
FLASH
XICOR
Block Lock Protection
XICOR
Lijst geheugens via I2C

PCF85B2A: EEPROM (256xB)

PCF8572:

PCF857OC:

PCF8570:
EEPROM (12BxB)
statische RAM
statische RAM
Met een microcontroller kan tegenwoordig op relatief eenvoudige wijze een netwerkapplicatie
opgezet worden. Hiervoor kan een client-server omgeving opgezet worden. De server
ontvangt vragen en bevelen van één of meerdere clients. De server voert de bevelen uit of
beantwoordt de vragen van de client(s).
Er zijn meerdere mogelijkheden:

een ontwikkelbord met microcontroller kan bv. als client dienstdoen en een PC als
server;

de PC kan client zijn en het ontwikkelbord met microcontroller kan server zijn;

een ontwikkelbord met microcontroller kan client zijn en een ander ontwikkelbord server.
•
De bedoeling is om de applicatie eenvoudig te houden. Naargelang de omstandigheden en de
interesse/kennis van de leerlingen kan eventueel wat meer diepgang geboden worden in de
netwerkapplicatie.
•
In de handel zijn meerdere “kant-en-klare” oplossingen te koop:

In 2001 konden we in het juni- en het juli/augustus-nummer van elektuur voor het eerst
kennismaken met een mini-webserver. In de elektor halfgeleidergids van 2004 werden
we verrast met een micro-webserver.

De Basic-Stamp volgelingen kunnen voortaan op het internet aan de slag met de PINKwebserver (Parallax Internet Netburner Kit).

Bij E-blocks kunnen we terecht voor een knappe webserver-module – uitgebreid
gedocumenteerd, en mooi te koppelen aan AVR, PIC of ARM microcontrollers. Deze
module bestaat uit een Stack-chip en een Fysische laag chip. Via I2C worden de nodige
commando’s verstuurd en met de gratis handleiding en voorbeeldprogramma’s hang je
vrij snel je microcontroller mee in een netwerk (MAC, TCP, IP, HTML, http, TELNET en
andere protocollen en begrippen worden met deze module op een hele praktische wijze
aangebracht aan de leerlingen).

Een heel betaalbare webserver is beschikbaar bij CONRAD (myEthernet Embedded
Webserver + MicroSD). Deze module met SD-geheugenkaart is een extreem compacte
netwerkoplossing, waarmee u een embedded webserver kunt realiseren. Deze module
omvat een ATmega 644P 16Mhz processor met voorgeïnstalleerde Webserver, 64K
Flash, 4kByte SRAM, 2kByte EEPROM, een MicroSD-kaarthouder, een Ethernetconnector, een ISP-aansluiting en een TWI/UART/SPI-Interface. Deze module beschikt
over een eigen Mac-adres, evenals een eigen IP-Stack (IP-Adres, Poort, Website
configureerbaar) en kan met de geïntegreerde Microcontroller zelf meet- en
stuuropdrachten uitvoeren en daarbij via het netwerk communiceren, commando's
ontvangen of data versturen. Voor slechts 60 € ontvangt u naast de module een
microSD-Kaart, een CD met driver, documenten en demosoftware. Wat houdt ons nog
Elektriciteit - Elektronica tso 3de graad
Begeleidingsdocument implementatie leerplan
34
tegen te proeven van deze technologie?

70 (U)
71
Wie in Bascom wil programmeren, kan bij de firma MCS Electronics terecht voor het
mini-webserver ontwikkelbord “Easy TCP/IP” (grootte-orde 60 Euro). In de
ontwikkelomgeving van Bascom (versie 1.11.9.0 en hoger) is in het menu “Tools” een
programmaatje “Easy TCP/IP” beschikbaar. Dat programma kan als server of als client
op de PC werken. Via een gekruiste Ethernetkabel kun je de mini-webserver verbinden
met de PC. De mini-webserver kan dan communiceren met het “Easy TCP/IP”
programma. Het programma kan server zijn en de webserver kan client zijn, of
omgekeerd. Of meerdere webserver-bordjes kunnen met elkaar in een client-server
netwerk met elkaar communiceren.
Op de MCS Electronics website zijn voorbeeldprogramma’s beschikbaar.
De programma’s werken met intuïtieve bibliotheekfuncties zoals “Config TcpIp,
GetSocket, SocketConnect, TcpWritestr, TcpReadstr”.
Het is wel nodig dat de leerlingen het concept van IP-adressen kennen en een notie
hebben van hoe een Ethernet netwerk werkt.
•
Over het algemeen kan men zeggen dat deze internet applicaties steeds voorzien zijn van
(gratis) uitgewerkte voorbeelden. We beseffen bijzonder goed dat de achterliggende techniek
behoorlijk complex is. De controller van de mini-webserver moet een heleboel verschillende
protocollen ondersteunen. We hoeven ons gelukkig niet suf te peigeren omtrent deze
communicatieprotocollen. Het volstaat de settings in te vullen om aan de slag te kunnen. Het
hoofdaccent ligt echter niet op de secrets behind maar op het gebruik van deze technologie.
Op het internet zijn goede TCP/IP tutorials te vinden. Het kan nooit de bedoeling zijn om het
TCP/IP-protocol volledig uit te spitten. Toch moeten de leerlingen weten wat IP-Address,
Subnet Mask, Standaard Gateway en DNS-server betekenen. Dit zijn nu eenmaal Internet–
Basics. Beperk je als leerkracht tot het strikt noodzakelijke om een eenvoudige
internetapplicatie te begrijpen.
•
Computernetwerken en het Internet zijn technologieën die tegenwoordig niet meer weg te
denken zijn. In deze leerplandoelstelling kan eerst de geschiedenis van het OSI-model
toegelicht worden.
Vervolgens kunnen de 7 lagen van het model meer in detail bestudeerd worden. Het is
belangrijk dat de leerlingen inzien dat elke laag slechts rechtstreeks met de laag boven en
onder zich communiceert (verticaal) en uiteindelijk gegevens uitwisselt met dezelfde laag aan
de andere kant van de communicatie (horizontaal). Voor de verticale communicatie maakt
elke laag gebruik van een gestandaardiseerde interface. In feite werken alle software
applicaties op die manier (API: application programming interface).
Ook het huidige belang en de vergelijking met het TCP/IP model kan bestudeerd worden. De
leerkracht kan kiezen in hoeverre hij in detail gaat. Toch kan men aandacht geven aan hoe
pakketjes (segmenten/pakketjes/frames) van de ene laag naar de andere laag doorgegeven
en ingepakt worden en hoe adressen uiteindelijk opgebouwd worden (poortnummer, logische
naam, IP-adres, MAC-adres). Vooral de logische opbouw hiervan is belangrijker dan de
details.
•
Wanneer de verschillende lagen besproken zijn, kan het (relatieve) belang van het OSI-model
t.o.v. het huidige TCP/IP model toegelicht worden.
•
Een PC kan op verschillende manieren in een netwerk gekoppeld worden:
•

Peer-to-peer netwerk;

(Client-server) netwerk;

…
Een PC kan zelf ook een busnetwerk controleren:

USB netwerk;

RS232 en/of RS485 netwerk;

BlueTooth netwerk;

IEEE1394 (FireWire);
Begeleidingsdocument EE tso 3de graad
Implementatie leerplan D/2009/7841/033
35

…
•
Alhoewel deze leerplandoelstelling handelt over een PC in een netwerk, kunnen de
busnetwerken hier zijdelings besproken worden.
•
Om een PC in een peer-to-peer netwerk te koppelen, gaan we ervan uit dat hier een Ethernet
netwerk wordt opgebouwd. Een draadloos netwerk kan ofwel hier ofwel in leerplandoelstelling
73 bestudeerd worden.
•
Eerst kunnen verschillende soorten netwerktopologieën vergeleken worden met elkaar:
busnetwerk, sternetwerk, ringnetwerk, combinaties …
Daarna kunnen netwerkcomponenten bestudeerd worden: HUB, switch, router, (bridge,
gateway) …
Vervolgens kan deze top-down benadering vervolgen met de protocollen. De bedoeling of
werking van de protocollen kan eventueel kort besproken worden: ARP, OSPF, TCP, IP,
UDP, … Het is niet de bedoeling om de protocollen in detail te bespreken. Daarna kunnen de
basisonderdelen van de protocollen bestudeerd worden: de pakketjes, de adressen, …
Van de adressen kan het volgende bestudeerd worden: domeinnamen, URL’s, IP-adressen,
klassen IP-adressen, subnetmasks, MAC-adressen, IPv4 vs. IPv6…
•
Let er vooral op om het niet alleen bij de theorie te houden.
•
Laat de leerlingen een PC configureren in bv. een Microsoft netwerk: netwerkkaart ev.
Installeren, IP-adres/subnetmask/gateway-adres/DNS-adressen configureren, Windows
werkgroep, mappen delen …
•
De leerling zou eigenlijk in staat moeten zijn om thuis zijn eigen netwerkje op te zetten en een
PC op het Internet softwarematig aan te sluiten.
•
De link kan hier ook gemaakt worden met een webserver die rond de microcontroller kan
worden opgebouwd (zie LPD 69). Laat PC en microcontroller bijvoorbeeld communiceren met
elkaar via het TCP/IP protocol.
•
Aansluitend worden hieronder enkele begrippen en nuttige programma’s nog aangehaald, die
de leerlingen snel zullen begrijpen en kunnen toepassen in een labo:

Bij Xp-computer:
Start/ Uitvoeren en cmd intypen
We krijgen een DOS-venster. Tik na de DOS-promp (C:\>) het volgende in: ipconfig
of ipconfig /all
Je krijgt er meteen de volgende gegevens:
Het IP-address, het Subnetmasker en de Standaard gateway.
Probeer nu ook het volgende:
C:\> tracert www.google.be
Met dit commando kunnen we de route traceren die de pakketjes volgen tot aan de
bestemmeling (www.google.be). Tik eens een andere website in totdat je merkt dat je
op een firewall botst.
C:\> arp –a
Je krijgt de volledige ARP tabel te zien van welke IP adressen aan welke MAC
adressen gekoppeld zijn.
C:\> ping www.google.be (is een soort echo)
Bevestiging van aanwezigheid van een deelnemer op het netwerk
Het is een request waarop een reply komt.
Elektriciteit - Elektronica tso 3de graad
Begeleidingsdocument implementatie leerplan
36
TTL: Time To Live: per gepasseerde router wordt deze teller met eentje verminderd
zodat berichten niet blijvend kunnen circuleren.
72
•
In deze leerplandoelstelling wordt theorie behandeld over de samenstelling van signalen. Met
Fourieranalyse kan de opbouw van een signaal verklaard worden.
Het is echter de bedoeling dat de leerlingen aanvoelen hoe de Fourieranalyse gekoppeld is
aan het signaal. Een eenvoudig programma om dit visueel voor te stellen is: Fourier-synthese
van Brain Soft Shareware (http://www.freeware-tipp.de/freeware-download/13008.shtml).
•
Beschikbaar:

Internet koppelingen:
-

Voorbeelden:
-
73
www.thole.org/manfred/fourier/ (applet met geluid)
Fourier-synthese van Brain Soft Shareware:
http://www.freeware-tipp.de/freeware-download/13008.shtml
http://download.softwareload.de/Fouriersynthese/2035
•
In deze leerplandoelstelling kunnen – maar moeten niet – heel veel draadloze systemen
bestudeerd en toegepast worden: AM/FM, satelliet-ontvangst, BlueTooth, draadloze RS232,
Zigbee, WiFi, RFID …
•
Vooreerst kunnen een aantal theoretische basisonderwerpen behandeld worden:

verband golflengte – frequentie;

transmissie van radiogolven;

richtkarakteristiek van een antenne duiden;

basis modulatie soorten bespreken: am / fm;

heterodyne principe uitleggen en meting laten uitvoeren.
•
Hier moet ook de link gelegd worden met LPD 72 (opbouw van signalen).
•
Vervolgens moeten de leerlingen opgeleid worden met een praktisch draadloos
communicatiesysteem. Ze moeten het concept van het systeem begrijpen, begrijpen waarvoor
de eventuele protocollen dienen, de voor- en nadelen t.o.v. andere systemen kennen en het
systeem kunnen gebruiken en liefst in staat zijn om het op te bouwen (hardware/software).
•
Technieken zoals AM en FM kunnen eventueel summier behandeld worden. Modernere
technieken zoals RFID, Bluetooth, Zigbee (waarvan het werkingsprincipe verklaard wordt)
kunnen meer aandacht krijgen.
•
Het is echter niet de bedoeling om EE in de richting van telecommunicatie te sturen.
•
Er zijn verschillende mogelijke draadloze communicatiesystemen:

AM zender en ontvanger: op Internet zijn verschillende schema’s te vinden om een
eenvoudige AM ontvanger op te bouwen. Dit zal de leerlingen zeker interesseren om zelf
zo’n ontvanger te bouwen (antenne berekenen …).
Een voorbeeld is de AM-550K ontvanger.
(www.techedu.com/Elenco_AM-550K.asp)

BlueTooth communicatie opzetten tussen PC en GSM (zal voor de meeste leerlingen
geen probleem zijn).

Draadloze RS232: een voorbeeld hiervan is te vinden in Elektuur
(www.elektor.nl/artikelen-als-pdf/2003/december/draadloze-rs232verbinding.52309.lynkx) met een zender/ontvanger van Low Power Radio Solutions
(www.lprs.co.uk).
Begeleidingsdocument EE tso 3de graad
Implementatie leerplan D/2009/7841/033
37
Een voordeel is dat hier een koppeling gemaakt kan worden tussen bv. een PC en een
µ-controller. RS232 is nog gemakkelijk op te bouwen tussen verschillende
netwerkcomponenten (zie ook LPD 69).

•
•
•
WiFi netwerk: gekoppeld aan LPD 71 (koppelen van een PC in een netwerk) kan ook
een draadloos PC-netwerk opgebouwd worden. Met een gewone draadloze router (die
tevens een netwerkswitch functie heeft) kunnen de leerlingen een PC netwerk in de klas
opbouwen. Bijvoorbeeld: een aantal PC’s zijn in het bedrade Ethernetwerk opgenomen
en een aantal draagbare PC’s zijn in hetzelfde netwerk, maar nu draadloos, opgenomen.
Weer moeten de leerlingen in staat zijn om de netwerkkaart te configureren, IP-adressen
te configureren, een werkgroep te installeren en mappen te delen over de verschillende
PC’s.
Beschikbaar: Internet koppelingen:

http://manuals.elenco.com/manuals/am-550k.pdf

http://www.electronickits.com/kit/complete/radi/amfm-108k.pdf

http://manuals.elenco.com/manuals/amfm-108TK.pdf
Beschikbaar: voorbeelden:

AM-550K ontvanger;

Andere voorbeelden van draadloze communicatie: Schema’s met 433 MHz
radiomodules en Holtec HT12D en E IC’s.
Bv. Elektuur jan 2005 geeft daarvan een toepassingsvoorbeeld.
Beschikbaar: cursussen/bibliografie:

Elektronica kunst en kunde.

Deel 1 : analoge technieken Paul Horowitz en W.Hill uitgeverij Segment ISBN 90-5381064-1

Deel 2: digitale technieken : Paul Horowitz en W.Hill Segment ISBN 90-5381-065-X

Deel 3 : analoge technieken : praktijkboek
ISBN 90-5381-078-1

Deel 4 : digitale technieken : praktijkboek TC Hayes en P.Horowitz uitg Segment ISBN
90-5381-079-X

Telecommunicatie Tony Vandenborn Die Keure ISBN 90 6200 834 8

Van straling tot verlichting Ing. J.H.Bogaert Coaster publications bvba 8400 Oostende
D/2000/675/01

XYZ of Oscilloscopes; XYZ of Signal Sources; ABCs of probes: allen uitgegeven door
Tektronix en op aanvraag via de website te downloaden.

http://www.matrixmultimedia.com/LearningCentre/index.php:
TC Hayes en P.Horowitz uitg Segment
-
Manual Zigbee
-
Manual RFID
-
Manual Mobile phones
-
Manual Bluetooth
-
Allemaal uitgewerkt met praktische opstellingen en programma’s.
Elektriciteit - Elektronica tso 3de graad
Begeleidingsdocument implementatie leerplan
38
74
•
•
Transmissielijnen:
Het onderwerp transmissielijnen kan heel breed en diep behandeld worden. Het is nuttig dat
de leerlingen een aantal basisbegrippen beheersen en daarnaast de problematieken
begrijpen en kunnen verklaren. Mogelijke onderwerpen hierin zijn:

Verschil tussen een lopende en staande golf: met animaties (applets) kunnen de
leerlingen in één oogslag het verschil zien en begrijpen (een handige animatie is o.m. te
vinden op http://www.walter-fendt.de:80/ph11nl/);

Karakteristieke impedantie van een transmissielijn: waarom moet een lijn afgesloten
worden met zijn karakteristieke impedantie, invloed van reflecties, maximale
vermogensoverdracht, …;

Overdracht van HF signalen in transmissielijnen en in lucht.
De verschillende soorten transmissiemedia kunnen behandeld worden, waarbij niet alleen hun
eigenschappen aangehaald en verklaard kunnen worden, maar waarbij de leerlingen ook
moeten begrijpen in welke toepassingen de verschillende media toegepast worden (of juist
niet):

Twisted pair;

Coax;

Glasvezel;

…
•
Datatransport:
Voor datatransport kan een onderscheid gemaakt worden tussen overdracht van digitale
overdracht van data en analoge overdracht van data.
•
Digitale overdracht van data kan handelen over de volgende onderwerpen:

Seriële transmissie:
-
Simplex en duplex verbindingen;
-
Synchrone en asynchrone transmissie;
-
Begrippen zoals bitrate, karaktersnelheid, baudrate;
-
Berichtsynchronisatie, karaktersynchronisatie;
-
Berichtbeveiliging, karakterbeveiliging, foutcorrectie (bv. CD, DVD, …);
Het verdient aanbeveling dat minstens één praktisch voorbeeld uitgewerkt wordt:
RS232 (eventueel met uitleg over de UART), RS485, USB, BlueTooth, SATA, I2C…
De koppeling met andere leerplandoelstellingen is hier snel gemaakt (LPD 65, 66, 69,71,
73) en de leerlingen kunnen beter begrijpen wat de problemen bij de gekozen
transmissie inhouden.

•
•
Parallelle transmissie:
-
Voor- en nadelen t.o.v. seriële transmissie;
-
Enkele voorbeelden: parallelle poort van PC, ATA, …
Analoge overdracht van data steunt op modulatietechnieken:

Vergelijking tussen de verschillende soorten modulatietechnieken: amplitude, frequentie,
fase, combinaties;

Korte aanhaling van het begrip modem (toegepast in ADSL-modem, Telenet-modem).
Internet koppelingen:
Begeleidingsdocument EE tso 3de graad
Implementatie leerplan D/2009/7841/033
39

75
•
Onder deze leerplandoelstelling kan de leerkracht heel wat creativiteit kwijt. Eventueel kan hij
wat toepassingen niet alleen toelichten maar ook demonstreren of laten opbouwen door de
leerlingen, in combinatie met andere leerplandoelstellingen (rond PC, microcontroller, PLC
en/of programmeerbare logica).
•
We sommen hier enkele voorbeelden op. De uitwerking ervan meer in detail behandelen, zou
ons hier wellicht te ver leiden.
•

GSM technologie;
Met bv. een µ-controller kan een communicatie met een GSM modem opgezet worden
(bv.
http://www.mcselec.com/index.php?option=com_content&task=view&id=21&Itemid=41)
http://www.matrixmultimedia.com/LearningCentre/index.php - cursus mobile phones

GPS technologie;

Netwerkcommunicatie:
Lokaal netwerk en uitbreiding naar Internet (router);
Draadloos netwerk in huis;
Streaming audio en video in huis;

VOIP: voice over IP (bv. Telefonie bij Telenet gaat over VOIP);

HDTV, BluRay, HDMI;

Optische transmissietechnieken.
Internet koppelingen:

76
77
http://www.walter-fendt.de:80/ph11nl/ (animatie lopende/staande golven)
http://www.mcselec.com/index.php?option=com_content&task=view&id=21&Itemid=41
•
De PLC is een besturingselement dat, gezien zijn belang bij de automatisering van
besturingen, binnen de afdeling elektriciteit-elektronica zeker aan bod moet komen.
•
Bij de studie van dit toestel is het aangewezen om de leerlingen uit te dagen bij het oplossen
van praktische problemen.
•
Wat is een geautomatiseerde besturing? Geschiedenis (Kort).
•
Bij welke besturingen gebruikt men een P.L.C., P.L.D., microcontroller, ASIC, …
•
Types PLC’s kort bespreken: monoblock, modulair, logic controllers, …
•
Het blokschema programmeerbare logische besturing bestuderen.
•
Wat is CVE? Dual CVE (failsafe PLC).
•
In de PLC techniek gebruikte geheugens en hun toepassing (Flash EPROM, EEPROM, RAM,
geheugenkaarten…).
•
Principe cyclische programmaverwerking - begrip cyclustijd.
•
Proces Image Input Table en Proces Image Output Table.
•
Watchdogtimer.
•
Vertrek vanuit een schema! Geef aandacht aan de bedrading.
•
Digitale ingangen:
(Best bestuderen aan de hand van de gebruikte PLC).
Gebruikelijke spanningen – Storingsmarge - Maximum spanning - Galvanische scheiding Opgenomen stroom Snelle telleringangen.
•
Digitale uitgangen:
(Best bestuderen aan de hand van de gebruikte PLC).
Elektriciteit - Elektronica tso 3de graad
Begeleidingsdocument implementatie leerplan
40
Soorten Toepasbaar voor AC en/of DC – Spanningen – Stromen - Snelheid
•
78
79
Veilig aansluiten van digitale in- en uitgangen:
De regels van de machinerichtlijn en andere normeringen dienen in acht genomen te worden.
Geleider kleurcodering volgen.
Veilig aansluiten ingangseenheden:

de aard van de te gebruiken contacten of signalen (actief laag of actief hoog) i.v.m..
draadbreukzekerheid of wegvallen stuurspanning duiden;

de noodzaak van een geaarde voedingsstuurspanning i.v.m. isolatiefouten duiden.
•
Veilig aansluiten uitgangseenheden:
De noodzaak van een geaarde voedingsstuurspanning i.v.m. isolatiefouten duiden.
Waarom schakelen naar de voeding en niet naar de massa?
•
Nut en principe van terugmelding (Evt. later aan de hand van een oefening).
•
Analoge in- en uitgangen:

Soorten (stroom, spanning, thermokoppel,…);

Calibratie. Hoe programmeren ? Snelheid. Resolutie van de analoog naar digitaal en
digitaal naar analoog conversie. Geaarde en differentiële ingangen.
•
Soorten programmeertalen (Ladder – Instructielijst - Logische functiebouwstenen Functiediagram).
•
Programmastructuur: Hoofdprogramma – Subroutines - Interuptroutines.
•
De leerlingen dienen diverse programma’s uit te werken of bestaande programma’s toe te
lichten.
•
Er kan ook gekozen worden om programma’s aan te reiken waarin de leerlingen een wijziging
moeten uitvoeren.
•
Daar het onmogelijk is om de verschillende programmeertalen naast elkaar te behandelen, zal
er een keuze moeten gemaakt worden (een grafische programmeertaal geniet hier de
voorkeur).
•
Symbolische adressering gebruiken.
•
Programmeersoftware – Basis:
•
•

Hulpmiddelen voor foutopsporing (Debug, first scan, forced bits,..);

Gebruik van de helpmogelijkheden in de software en op internet;

Basisfuncties toepassen in oefeningen; OR, AND, NOT, EXOR…;

Gebruik van geheugenbits (merkers);

Speciale geheugenbitsSet en reset functie. Flankgevoeligheid;

Gebruik van de stack.
Programmeersoftware – Telfuncties:

Verschillende telfuncties behandelen aan de hand van oefeningen;

Maximale en minimale telwaarde opzoeken. (Opteller, afteller, op/af teller.) - Resetten
van een teller - Teller laden met verschillende telwaarden;

Comparatorfunctie op het telregister gebruiken.
Programmeersoftware – Tijdfuncties:

Aantonen dat dit eigenlijk een telfunctie is;

Tijdbasis – Impulsfuncties – Pulsgenerator;

Verschillende tijdfuncties behandelen aan de hand van opdrachten (Inschakelvertraagd
Begeleidingsdocument EE tso 3de graad
Implementatie leerplan D/2009/7841/033
41
en uitschakelvertraagd met en zonder geheugen);

•
Real time clock: zeker met oefeningen.
•
Korte tijdsfuncties met interrupt.
•
Gebruik van analoge in- en uitgangen – Berekeningen:
•
•

Hier komen ook de berekeningen in de PLC aan bod.

Berekeningen met gehele getallen (Integer math) - Basisberekeningen met oefeningen
(optellen, aftrekken, delen, vermenigvuldigen, increment, decrement) - Verplaatsen van
variabelen (move) - Soorten gehele getallen en hun bereik - Omzetting (convert).

Berekeningen met (real math) (floating point math) - Basisberekeningen met oefeningen
(optellen, aftrekken, delen, vermenigvuldigen, worteltrekking, sinus (U), cosinus (U),
tangens(U)) - Soorten komma getallen en hun bereik – Precisie - Omzetting (convert).
Subroutines en interruptroutines:

Programma met subroutines;

Programma met interruptroutine (bv. Snelle telleringang - Communicatie,…).
Pulsbreedtemodulatie:

80
Timers gebruiken met comparatorfunctie op het timerregister.
Voorbeeld van gebruik van pulsbreedtemodulatie (bv. sturen verwarming).
•
Programmeersoftware: Tekst en grafische displays - Koppeling en in gebruik nemen van een
tekstdisplay of een grafisch display (geniet de voorkeur).
•
Communicatie: - Naar keuze: tussen PLC's - Meester/slaaf - Koppelen meerder PLC's Decentrale in- en uitgangen - Koppeling naar PC (U) - Communicatie via modem - GSM
modem - RS485 - ethernet - internet.
•
Interfacing: Naar keuze: gebruik van een busstructuur (ASI, CAN, profibus) - Koppeling en
aansturen van een frequentieregelaar via busstructuur.
•
Functiediagram – Inleiding:

Inleiding aan de hand van een eenvoudig voorbeeld;

Principe en elementen van een functiediagram zonder vertakkingen (Initiële stap,
overgangsvoorwaarde, actie.);

Voordelen van een functiediagram: voor het gestructureerd programmeren, om de
werking van een installatie te doorgronden en technologieonafhankelijk te beschrijven.
•
Soorten acties (Monostabiele-, voorwaardelijke-, gememoriseerde- of bistabiele acties).
•
Functiediagram programmeren. Hoe een functiediagram programmeren ?
•
Functiediagram – Vertakkingen
•

OF-divergentie en OF-convergentie – Oefeningen;

EN-divergentie en EN-convergentie – Oefeningen;

Koppelen van functiediagramma's (Voorbeeld: automatische werking, handbediende
werking, stopwerking, noodstopwerking);

Werken met deelfunctiediagramma's. Voorbeeldoefening. Oefeningen.
Het is niet de bedoeling om deze leerplandoelstelling uitgebreid theoretisch te behandelen.
Met een elektronische regelaar kan een praktische realisatie uitgevoerd worden. Het meest
voor de hand liggend is een temperatuurregeling.
Elektriciteit - Elektronica tso 3de graad
Begeleidingsdocument implementatie leerplan
42
•
Als proces kunnen we gebruikmaken van een elektrische waterkoker. Als storing gieten we er
een geut koud water bij. In het deksel wordt een dompelvoeler Pt100 gemonteerd. Het grote
voordeel van dit waterkan-proces is dat we, om het even wanneer, de waterkan opnieuw
kunnen vullen met koud water. Zo kan het proces meerdere keren tijdens dezelfde les
herhaald worden.
Ook het regelen van de temperatuur van bijvoorbeeld een soldeerbout kan op een relatief
eenvoudige wijze opgesteld worden.
Mogelijke regelaars zijn: OMRON – E5CK-reeks en de PID JUMO dTRON 316.
•
Ook met LabView zijn verschillende
leerplandoelstelling passen.
•
Aanvulling:


•
•
81
•
toepassingen
mogelijk
die
binnen
deze
Een project als fragment uit de wereld van de machinebouw of proces-automatisatie
waar een PID-regelaar wordt toegepast, is de kapstok om enkele belangrijke begrippen
uit regeltechniek aan vast te hangen. Om de begrippen te duiden, zijn ook simulatiepakketten te gebruiken.
-
Verschil regelen en sturen;
-
Blokschema van een eenvoudig regelproces;
-
Regeltechnische termen (w,x,y);
-
Meetorganen, corrigerende organen, regelaar + standaardsignalen;
-
Soorten processen en procesrespons;
-
Regelaars (P, PI, PID, fuzzy-logic).
Een bibliotheek met P&ID (Piping and Instrumentation Diagram)symbolen ter
beschikking stellen om een schema van een regelproces te tekenen.
Internet koppelingen:

http://www.acta-vzw.be
(gratis opleiding voor scholen en leerkrachten)

Opvolger voor Actasim: gratis te downloaden van website
http://www.rtc-antwerpen.be

LabView:
www.ni.com

Link naar www.leraarelektronica.be – er staat een grote update gepland , maar voorlopig
is hier al heel veel cursusmateriaal te downloaden i.v.m elektronica.
Cursus / simulator-software:

De meeste RTC’s bieden ook materiaal/cursussen aan voor deze leerplandoelstelling.

Er is gratis PID en proces simulator software ter beschikking via RTC-Antwerpen (voor
heel Vlaanderen) – stuur een mailtje naar [email protected] met uw naam en
school en u ontvangt per kerende mail de software. Deze software is Open source – alle
broncode is meegeleverd en mag naar eigen wens worden aangepast.
Filters lijken op het eerste gezicht het meest strenge OPAMP- gedeelte. Maar samen met de
vele filter-applets op het internet kan alles bijzonder aanschouwelijk gemaakt worden. Even
halt te houden bij ‘Digital Signal Processing (DSP)’, zonder de hoogdravende theorieën erbij
te sleuren, zal de leerling zeker boeien. Het verschil duiden tussen een analoog en digitaal
Begeleidingsdocument EE tso 3de graad
Implementatie leerplan D/2009/7841/033
43
filter legt meteen de brug naar A/D en D/A-conversie.
82
83
•
Het volstaat om ‘filter+applet’ in te tikken in de zoekrobot om op uw wenken bediend te
worden:
•
Websites zoals

http://www.digitalfilter.com/products/enjava.html,

http://www.spmlab.science.ru.nl/ned/experiment/analyse/fftfilterhelp/

http://www.educypedia.be/electronics/javaaudio.htm maken het filter- en wavegebeuren
bijzonder charmant en levendig.
•
Tijdens het eerste deel werd reeds opgemerkt dat, hoewel ongewild, de versterking van een
versterker frequentieafhankelijk is. In dit deel wordt die frequentieafhankelijkheid verder
uitgediept en uitgebuit.
•
Dit is het uitgelezen moment om de werking van de gecompenseerde verzwakker van een
oscilloscoopprobe toe te lichten.
•
Bouw filters op met zowel condensatoren als met spoelen.
•
Vervolgens wordt het gedrag van filters bij pulserende gelijkspanningen onderzocht. Breng dit
zeker in relatie met het sturen van motoren, eventueel kan je een kleine DC motor sturen met
een pulsbreedte gemoduleerde spanning. Laat de leerlingen daarbij de stroom door de motor
opmeten in functie van de frequentie van de gemoduleerde spanning.
•
Indien je dat wenst, kan je de leerlingen met behulp van de differentiaalvergelijkingen
verduidelijken dat er fundamenteel geen onderscheid gemaakt wordt tussen gelijkstroom en
wisselstroom. Verwacht echter niet dat de leerlingen dit kunnen reproduceren!
•
Een haalbare toepassing voor filtertechniek is een 3-kanaals lichtorgel (laagdoorlaat,
bandpass, hoogdoorlaat). Ook een DTMF-decoder met de NE567 en een baxandall
toonregeling kunnen als praktische filtertoepassing dit gedeelte wat luchtiger maken.
•
Simulatiesoftware is hier zeker aan te raden.
•
Internet koppelingen:

http://www.digitalfilter.com/products/enjava.html,

http://www.spmlab.science.ru.nl/ned/experiment/analyse/fftfilterhelp/

http://www.educypedia.be/electronics/javaaudio.htm
•
De elex 1983 – 1993 (DVD-ROM) bevat een schat aan eenvoudige schakelingen voor
zelfbouw.
•
Gebruik de vereenvoudigde formules voor de integrator en differentiator. We staan niet stil bij
de inschakelverschijnselen op AC.
•
De opbouw en werking van een eenvoudige LF-funktiegenerator is een ode aan de OPAMPbasisschakelingen. Met slechts een comparator en een integrator beschikken we meteen over
een driehoek en een blokgolf . Een sinusvormer zet de driehoekspanning om in een spanning
die een sinus ‘behoorlijk’ benadert. De hogere harmonischen worden met een extra
laagdoorlaatfilter gefilterd. Ook een eenvoudige hartslagmonitor of een PWM-regeling voor
een DC-motortje onthullen zoveel meer dan steriele theorieën.
•
Deze LPD heeft een sterke link met LPD 84 en 85.
•
Om in de vermogenelektronica het elektrisch vermogen met maximaal rendement te
controleren, maken we gebruik van elektronische schakelaars.
•
Met een praktisch rekenvoorbeeld aantonen dat een vermogen moet geschakeld worden in
plaats van lineair te sturen. Je kan uitgaan van een weerstandsoven. Bereken in beide
gevallen het rendement.
Elektriciteit - Elektronica tso 3de graad
Begeleidingsdocument implementatie leerplan
44
84
85
86
•
Bespreek de begrippen PWM, PFM, duty cycle.
•
Om gelijkspanningen te stabiliseren, wordt vaak gebruikgemaakt van lineaire serieregelaars.
Het rendement van lineaire spanningsregelaars ligt gewoonlijk tussen 30 en 50%.
Met geschakelde regelaars zijn in dezelfde omstandigheden rendementen tot meer dan 90%
te bereiken.
•
Schakelende voedingen hebben veel voordelen ten opzichte van de lineaire stabilisatoren. Ze
zijn veel efficiënter en kleiner in afmetingen dan de klassieke lineaire voedingen. Ze zijn
echter moeilijker te ontwerpen en stralen veel meer EMI (electromagnetic interference) uit.
Tegenwoordig zijn er twee manieren om het ontwerp van schakelende voedingen te
benaderen. Ofwel gebruiken we een on-board dc/dc (gelijkspanning in en gelijkspanning uit)
schakelende voeding. Het ontwerp hiervan kan je rechtstreeks kopiëren uit de datasheets en
application notes van de verschillende halfgeleiderfabrikanten. Wanneer de vereiste
eigenschappen van de voeding echter buiten de standaarden vallen, is een ontwerp op maat
noodzakelijk en dit is veel complexer.
•
Internet koppelingen:

http://www.national.com/cat/index.cgi?i=i//206
(Boost-converters, Buck-converters, Buck-Boost inverter)

tik ook eens in Google: “dc/dc convertor IC” in.
•
Het is de bedoeling dat de bipolaire junctietransistor (BJT) enkel nog als schakelaar
bestudeerd wordt (bij voorkeur de NPN). Geen ellenlange halfgeleidertheorie moet hieraan
voorafgaan!
•
Afhankelijk van de bestuurbaarheid de halfgeleiderschakelaars onderverdelen in drie groepen:

Niet bestuurbaar (o.a. diode)

Aan-bestuurbaar (o.a. thyristor, triac, SSR)

Aan/uit-bestuurbaar (o.a. BJT, MOSFET, IGBT, GTO)
•
Zowel bij de aan–bestuurbare, als bij de aan/uit-bestuurbare schakelaars is het aangewezen
om overzicht te geven van de belangrijkste eigenschappen (max. blokkeerspanning, max.
stroom, schakeltijden, max. schakelfrequentie, poortvermogen) met hun toepassingsgebied.
•
De thermische wet van ohm verklaren.
•
De verschillende thermische weerstanden verklaren en toelichten hoe we ze kunnen
beïnvloeden. Gebruik daarvoor datasheets.
•
Uitgaande van een praktisch voorbeeld een koellichaam dimensioneren voor een
vermogentransistor.
•
Neem even de tijd voor de verschillende soorten geforceerde koeling (processor PC).
•
Voorbeeld:

87
•
Powerpoint met oefeningen beschikbaar op
www.leraarelektronica.be
(transistor gekoeld.ppt en transistor ongekoeld.ppt)
Het is de bedoeling dat we in deze doelstelling (samen met doelstelling 28 en 29) volgende
“omzetters” behandelen.
Begeleidingsdocument EE tso 3de graad
Implementatie leerplan D/2009/7841/033
45
•
Bron: Elektronische vermogencontrole van Jean Pollefliet
•
•
AC-controllers (AC-AC):

Fase-aansnijding:
Een vermogenregeling door fasesturing experimenteel aantonen.
Vermogen. Berekenen. Wanneer je een gloeilamp als belasting .ahet vermogen i.f.v. e
stuurhoek gebruikt, krijg je al een visuele indruk van de vermogenregeling.
Het belang van de TRMS meter aantonen als de te meten vorm geen Sinusvormig
signaal is. Voer de meting uit en controleer ze met de berekende waarde.

Periodesturing:
Een vermogenregeling door periodesturing experimenteel aantonen.
Aantonen dat periodesturing niet bruikbaar is voor lichtsterkteregeling (knipperen) maar
wel veel gebruik wordt bij een temperatuursregeling (elektrische verwarming).
De tijdsconstante van het proces bepaalt mede de instelling van de periodeduur.
Uitgaande van de duty-cycle het vermogen berekenen.
Hakker of choppers (DC-DC)

•
Gelijkstroommotor sturen met PWM signaal. Het belang aanhalen van de vrijloopdiode.
Aantonen dat de frequentie niet te laag mag zijn.
Verwijzen naar het gebruik van choppers in trein en tram.
Invertoren (DC-AC)

De signalen van een frequentieomvormer meten en een relatie leggen tussen de
snelheid van de motor en de vorm van het signaal.
Het doel van een invertor in een installatie met PV-zonnepanelen verklaren.
•
In het boek “State of the Art Power Electronics: Principles of Control in Power Electronics.
Workbook with Practical Exercises“, worden alle principes van vermogencontrole praktisch
benaderd. (ISBN 3-924544-40-9).
•
Link: http://www.epv-verlag.de/epv/englishpublications/powerelectronics.php
Dit boek is geschreven door S. Grohmann en J. Ziemann in samenwerking met Lucas Nülle.
Om de werking van bovenstaande omzetters te verklaren, hebben zij enkele modules
ontworpen waarmee je de basiswerking experimenteel kan vastellen.
Elektriciteit - Elektronica tso 3de graad
Begeleidingsdocument implementatie leerplan
46
Zonder het UNI-TRAIN® systeem van Lucas Nülle is het echter ook mogelijk om, aan de hand
van de gegeven schema’s, zelf deze modules uit te werken.
De principiële werking van volgende applicaties worden behandeld:
88

Haardroger (diode);

Dimmen van gloeilampen (triac);

Elektrische boormachine (triac);

Soldeerstation (SSR);

Elektrische Flow-trough water verwarmer (triac);

Elektrische schroevendraaier (Mosfet);

Dimmen van fluorescentie lampen met een EVSA (Mosfet);

Halogeenlamp dimmer (BOS-FET);

Batterijlader (diode);

Gecontroleerde batterijlader (Thyristor).
•
Alle halfgeleiderschakelaars (op de GTO na) van LPD 85 komen hier aan bod.
•
Bij wijze van project kan je eventueel (enkele van) deze modules ontwerpen.
•
Cursus:

State of the art power Electronics - Principles of control in power Electronics (uitgeverij
EPV)
ISBN 3-924544-40-9

Elektronische vermogencontrole
van Jean Pollefliet
•
Waar tot in de jaren ’80 de transistor het hart van een elektronische schakeling vormde; is dit
niet meer zo. Zowel de OPAMP als de microcontroller namen deze taak over. De klassieke
bipolaire transistor zal nog hoofdzakelijk gebruikt worden als elektronische schakelaar. De
FET zal een belangrijke rol spelen bij de vermogen-eindtrappen. Hun functie als
signaalversterker heeft zijn beste tijden nu wel gehad. Het einde van het discrete
componententijdperk is nabij.
•
Maak enkele eenvoudige berekeningen met logaritmes en pas dit toe op versterkertrappen die
je in serie schakelt om de totale versterking te kennen.
•
Bij de introductie van deze basisbegrippen start je best door de leerlingen enkele technische
gegevens te laten opzoeken van audioversterkers. Dit wekt interesse die toelaat dit eerder
theoretische gedeelte aan te pakken.
•
Een eerste versterkermodule kan opgebouwd worden met een OpAmp (zie ook bijvoorbeeld
Velleman – K1803) (link met LPD 89).
Nadien kan men een eindversterkermodule bijvoegen (bijvoorbeeld Velleman K4001 of een IC
uit de TDA-xxxx of LM-xxx reeksen). Hierop kunnen dan allerlei metingen uitgevoerd worden.
Zie hiervoor ook LPD 90.
•
Voorbeelden van geluidsdruktabel laten opzoeken op internet.
•
Laat de leerlingen eventueel de technische gegevens van een high-end en consumer toestel
met elkaar vergelijken.
•
Vermeld dat de belasting van een versterker niet steeds een luidspreker is, actuatoren zoals
motoren, meetinstrumenten, LED’s en antennes… komen vaker voor dan luidsprekers.
•
Wijs de leerlingen op de misleidende reclameboodschappen met niet universeel gedefinieerde
begrippen zoals piekvermogen: bv. 100 W. piekvermogen is soms maar enkele Watt’s RMS.
•
Laat hen eens exact 1 Watt RMS afregelen en horen. Herhaal deze proef, als het enigszins
Begeleidingsdocument EE tso 3de graad
Implementatie leerplan D/2009/7841/033
47
kan op verschillende weergevers (open luidspreker, gesloten systeem)!
•
In het Handboek PA techniek door Michael Ebner uitg. Elektuur – ISBN 90-5381-168-0 vind je
meer informatie omtrent dit gedeelte.
•
Internet koppelingen:

•
Cursussen/bibliografie:

89
•
•
http://www.digilentinc.com/Products/Detail.cfm?Prod=PMODSD&Nav1=Products&Nav2=Peripheral
Handboek PA techniek door Michael Ebner uitg. Elektuur – ISBN 90-5381-168-0
Zorg ervoor dat de leerlingen rekenvaardig zijn! Laat de leerling zelf enkele
voorbeeldschema’s uitrekenen. Maak daarbij gebruik van de ideale eigenschappen van een
OPAMP (ingangsstroom = 0, ingangsspanning tussen + en – klem is verwaarloosbaar klein en
Ro = 0 Ohm). Op onderstaande links vind je enkele andere voorbeelden:

http://people.clarkson.edu/~svoboda/eta/dcWorkout/OAcktsNeqn.html

http://people.clarkson.edu/~svoboda/eta/ecsa.html
Het memoriseren van formules is af te raden. Leer hen de OPAMP herkennen en gebruiken in
een praktische toepassing. Een simulatie/animatie applet zoals te vinden op

http://www.chem.uoa.gr/Applets/AppletOpAmps/Appl_OpAmps2.html

http://www.falstad.com/mathphysics.com (doorklikken naar Electrodynamics/Analog
Circuit Simulator Applet) kan bijzonder nuttig zijn als herhalingsles. Simuleren is zilver,
maar experimenteren is goud.

De OPAMP en zijn beperkingen. De ‘output range’ van een LM358 is gelijk aan Vcc 1,5V als bovengrens en VGND + 20 mV. Bij een voedingsspanning van +5V kan dit
tellen. Neem een spanningsvolger en stuur een driehoekssignaal van 0  +5V op zijn
ingang. Controleer nu het uitgangsignaal! Verwijs naar de rail-to-rail OPAMP. Terwijl we
de spanningsvolger nu toch beet hebben, kunnen we ook even de slew-rate nagaan van
een OPAMP. Als ingangssignaal nemen we een symmetrische blokgolf met een zo groot
(= Vcc) mogelijke amplitude en een frequentie van ongeveer 3 kHz. Met de scoop meten
we het uitgangsignaal en leiden daaruit de slewrate af in mV/µS. Doe deze proef ook bij
10 kHz en 30 kHz.

Met een niet inverterende versterker versterken we het signaal afkomstig van een LM35
temperatuurssensor van (0 tot 1V) naar (0 tot 5V).

We belasten een spanningsdeler (2 x 10 k) met 10k. Dit met en zonder een
spanningsvolger ertussen. Feel the difference!

Met een sommeerversterker kunnen we de verschillende externe offset-compensaties
vermelden. Met een sommeerversterker kunnen we o.a. het nulpunt van het gemeten
signaal verleggen.

De aandacht vestigen op het verschil symmetrisch/ asymmetrische voeding
ontkoppelcondensatoren + offset =½ voedingsspanning.

Met een instrumentatieversterker (spanningsvolger + verschilversterker) kunnen we
meten zonder massapotentiaal. Via de verschilspanning meten we de stroom door een
weerstand van 500 ohm (0 tot 20 mA) en zetten die om naar een spanning van 0 tot
10V.

Met een spanning naar stroom omvormer en een vermogentransistor kunnen we een
powerLED aansturen.

Met een electreet microfoontje, een OPAMP als gelijkrichter en een LM3915 (Dot/Bar
Display Driver) maken we een flitsend optisch sieraad dat reageert op de geluidsdruk
Elektriciteit - Elektronica tso 3de graad
Begeleidingsdocument implementatie leerplan
48
van disco-music of ander omgevingslawaai.
•
•
•
90
Internet koppelingen:

http://people.clarkson.edu/~svoboda/eta/dcWorkout/OAcktsNeqn.html

http://people.clarkson.edu/~svoboda/eta/ecsa.html

http://www.chem.uoa.gr/Applets/AppletOpAmps/Appl_OpAmps2.html

http://www.falstad.com/mathphysics.com
Praktische omkadering:

In een school wordt op dit ogenblik, net zoals bij E-blocks©, heel eenvoudige A-blocks©
ontwikkeld voor de lessen analoge technieken. Het solderen op experimenteerprinten is
niet meer van deze tijd en het gebruik van breadbordjes is nogal tijdrovend. Enkele
universele input- en outputmodules met daarnaast een centrale universele OPAMPbasisprint maken van elke les een uitdagend analoog gebeuren. Als PCB-opdracht zijn
deze modules ook uitermate geschikt.

Neem een voorbeeld aan de compacte digitale Pmod-modules van digilent:
http://www.digilentinc.com/Products/Detail.cfm?Prod=PMODSD&Nav1=Products&Nav2=Peripheral
Deze A-blocks© zijn momenteel in ontwikkeling en zullen later beschikbaar worden. Dus
samenwerken maar!
Hieronder volgen enkele voorbeelden om duidelijk te maken dat het ook met analoge
technieken aanbevolen is om modulair te werken: de A-blocks©.
Het hart van de schakeling bestaat uit een universele basisprint. Door het solderen van
slechts enkele componenten op deze basisprint kunnen de meeste basis OPAMPconfiguraties gebouwd worden. Alle modules pluggen met een 8-polige connector zonder
extra bedrading gewoon in elkaar:

Voedingsmodule-1: +5VDC  symmetrisch +10/ -10VDC (schakelende voeding)

Voedingsmodule-2: +12VDC/2A externe output voeding

Universele basisprint-1: Het hart van de schakeling

Universele input-1: 4 x potmetermodule

Universele input-2: blokgolf/driehoekmodule

Universele input-3: driehoek  sinusomvormer

Universele input-4: digitale potmetermodule

Universele input-5: electret microfoonmodule met actieve filter

Universele input-6: temperatuur sensor module

Universele output-1: speaker/headphone eindversterker module

Universele output-2: Dot/Bar Display Driver

Universele A/D-1: R2R-laddernetwerk + OPAMP

…
•
Gebruik de datasheets van bestaande versterkermodules (TDAxxxx of LMxxx- reeksen).
Zie hiervoor ook 88.
•
Metingen in functie van de belastbaarheid.
•
Bereken de nodige DC-voedingsspanning om een bepaald uitgangsvermogen te bereiken in
een gegeven belasting (weerstand). Hou eventueel rekening met het spanningsverlies over de
uitgangstransistoren.
Begeleidingsdocument EE tso 3de graad
Implementatie leerplan D/2009/7841/033
49
91
92
93
•
Een differentiaalcomparator is een praktische schakeling waarin een comparator met
hysteresis verwerkt is. Deze schakeling is opgebouwd uit een brug van wheatstone met 2
NTC’s + een comparator + transistoruitgangstrap + relais output. Als temp1 > temp2,dan
schakelt het relais aan! Deze schakeling kan gebruikt worden als pompsturing voor een
zonneboiler.
•
Een bijzondere toepassing van de comparator is de nuldoorgangsdetector.
•
Met het timer-IC NE555 zijn ook leuke schakelingen te bouwen om vertrouwd te geraken met
de praktische kantjes van de OPAMP. Let er echter op dat er geen ellenlange theoretische
beschouwingen komen rond deze IC.
•
Wat is een oscillator?
•
Criterium van Barckhausen
•
Voorbeelden : Wienbrug oscillator, LC oscillator, X-tal oscillator
•
Spanningsgestuurde oscillator
•
…
•
Deze doelstelling zal een rode draad zijn doorheen het hele leerproces
Elektriciteit - Elektronica tso 3de graad
Begeleidingsdocument implementatie leerplan
50
5
Implementatie leerplan
De implementatie van een nieuw leerplan brengt ongetwijfeld tal van problemen met zich mee, niet alleen op
didactisch vlak maar evenzeer op organisatorisch vlak. In de eerste plaats komt het didactische aan bod en pas
nadien het organisatorische. (3)
5.1
Competentieprofiel leerkrachtenteam specifiek gedeelte
Naast de algemene competenties inherent aan het beroep van leerkracht zal het lerarenteam over de hierna
opgesomde bijkomende competenties beschikken:
•
het in team werken aan de realisatie van het leerplan in de concrete school;
•
het werken met hedendaagse technologieën en leermiddelen;
•
het eng vakdenkend werken kunnen doorbreken door permanent de aangebrachte lesonderwerpen te linken
aan de lesonderwerpen van andere vakgebieden. Dit veronderstelt dat het lerarenteam in onderling overleg,
thematische projecten uitwerkt waarin diverse facetten van een elektromechanisch proces aan bod komen;
•
een grote interesse tonen voor de aangebrachte leerinhouden door collega’s en zich ook in die materie
verdiepen; vandaar dat alle leden van het team:
5.2
-
diverse tekenpakketten kunnen gebruiken;
-
in de automatisering zich regelmatig (pedagogisch, technologisch) bijscholen en de opgedane kennis
delen met hun collega’s …
Didactische leermiddelen
•
Proefbank Lucas Nülle;
•
Motorproefbanken voor elektrische motoren;
•
Blended learning systeem Unitrain-I;
•
Mechatronica: IMS Conveyor Belt System;
•
Festo: MecLab-systeem;
•
Holleen: meetsysteem voor tijd, krachten, spanningen en stromen.
5.3
Normen
•
Algemeen Reglement van Elektrische Installaties (AREI);
•
IEC 364-3: veiligheidsmaatregelen tegen indirect aanraken met afschakeling of melding;
•
IEC 364-4-1: veiligheidsinrichting en afschakelvoorwaarden;
•
IEC 364-4-41: beveiliging tegen elektrische schokken, maximaal toelaatbare invloeden afhankelijk van de
aanrakingsspanning;
•
EN 1050: analyseren van het risico;
3
Dit laatste werd uitvoerig behandeld in een afzonderlijke syllabus “Leidraad bij het geïntegreerd werken en het
implementeren van de nieuwe leerplannen van de studiegebieden auto; mechanica-elektriciteit; koeling en warmte”
(VVKSO juni 2005).
Begeleidingsdocument EE tso 3de graad
Implementatie leerplan D/2009/7841/033
51
•
EN 50262: metrische kabelwartels;
•
EN 50274: beveiliging tegen directe aanraking;
•
IEC/EN 60073 & IEC/EN 60204: markeringskleuren voor drukknoppen en hun betekenis, markeringskleuren
voor signaallampen en hun betekenis;
•
IEC/EN 60204-1: elektrische uitrusting van machines;
•
IEC/EN 60529: beschermingsgraad van elektrische bedrijfsmiddelen door kasten en afdekkingen;
•
EN 60617-2 t.e.m. EN 60617-12: symbolen van elektrische componenten;
•
IEC/EN 60947: laagspanningsschakelaars (lastschakelaar, lastscheider, softstarters…);
•
EN 61346-2: normtekens of identificatiecodes.
Elektriciteit - Elektronica tso 3de graad
Begeleidingsdocument implementatie leerplan
52
6
Evaluatie
6.1
De relatie tussen doelen, werkvormen, evaluatie en rapportering (4)
Bij het leren benadrukt men hoe langer hoe meer de integratie tussen doelen, werkvormen en evaluatie. Hier
primeert het behalen van een beter leerresultaat. Het introduceren van nieuwe en afwisselende werk- en
leervormen in functie van de te behalen doelstelling, draagt ongetwijfeld bij om een ideale leeromgeving op maat
van de leerling te creëren.
•
De uitwerking van een lespakket laat leerlingen die later in de studierichting EM instromen (bv. in de derde
graad), toe om deels onder begeleiding, zich de leerstof zelfstandig eigen te maken.
•
Via hoekenwerking – teamwerk bestaat de mogelijkheid om gedifferentieerde taken zelfstandig uit te voeren
in functie van het kennen en kunnen van de instromende leerlingen.
Een belangrijk gegeven in het leerproces is een objectieve en transparante evaluatie. De evaluatie heeft zowel
de functie van beoordeling (sanctionerend) als van begeleiding (oriënterend) en remediërend.
De leerling is een actieve participant die:
•
de verantwoordelijkheid draagt voor zijn eigen leerproces;
•
zichzelf evalueert;
•
reflecteert en met zijn leerkracht samenwerkt;
•
juiste conclusies uit de resultaten trekt (validiteit);
•
door herhaald gebruik onder gelijke condities levert dezelfde resultaten op (betrouwbaarheid);
•
dezelfde kansen krijgt (objectiviteit).
De leerkracht is een actieve participant die:
•
zich niet laat beïnvloeden (objectiviteit);
•
verstrekt de nodige informatie (transparantie);
•
rechtvaardigt de beoordeling is te (normering);
•
becommentarieert de beoordeling (remediërend);
•
de leerling laat participeren in de evaluatie (leerlingbetrokkenheid);
•
de beoordeling laat aansluiten bij het beroepsleven (authenticiteit).
Bij de evaluatie zal zowel het product als het proces geëvalueerd worden. Het rapporteren kan variëren van één
allesomvattend cijfer (summatief) tot een uitvoerige omschrijving (formatief).
•
Summatieve evaluatie:
-
4
Het doel is hier om aan de hand van cijfermateriaal een oordeel uit te spreken over een prestatie.
Typische voorbeelden zijn toetsen, examens, opmeten van een werkstuk … en nabespreking.
Dit l werd uitvoerig behandeld in een afzonderlijke syllabus “Leidraad bij het geïntegreerd werken en het implementeren
van de nieuwe leerplannen van de studiegebieden auto; mechanica-elektriciteit; koeling en warmte” (VVKSO juni
2005).
Begeleidingsdocument EE tso 3de graad
Implementatie leerplan D/2009/7841/033
53
•
Formatieve evaluatie:
-
Het doel is hier de feedback. Een kwaliteitsvolle feedback is pas zinvol als de terugkoppeling van
gegevens tot doel heeft dat de leerling er lerend mee vooruit kan. De verkregen informatie vormt de
basis voor de optimalisatie van het leerproces op het vlak van:
- de sturing door/van de leraar;
- de sturing door/van de leerling.
De wijze waarop geëvalueerd wordt, staat steeds in relatie tot de beoogde doelstelling.
•
Vaardigheidsopdrachten
Vaardigheidsopdrachten gaan hier niet in de richting van reproductie van kennis maar richten zich op het
aanwenden van reeds aangeleerde vaardigheden en verworven attitudes. Het vertrekpunt is dus
kennisconstructie in plaats van kennisreproductie, waarbij leerlingen zelf oplossingen en antwoorden
construeren waardoor er een veelheid van evaluatiegegevens wordt verzameld. De leerlingen wenden
zelfstandige reeds eerder geleerde concepten en vaardigheden in nieuwe situaties aan. Het gaat er dus om,
om zelfstandig problemen op te lossen en kritisch na te denken. Deze werkvorm motiveert leerlingen doordat
ze uitgedaagd worden en zich aangesproken weten door wat ze leren.
•
Demonstratieve opdrachten:
- Presenteer het resultaat van een bevinding bij een proef;
- Laat zien hoe je een toestel, opstelling, proces instelt,afregelt;
- Toon hoe je een opmeting doet in functie van de opgelegde nauwkeurigheidsgraad.
•
Creatieve opdrachten, bv.:
- Formuleer een antwoord met eigen woorden;
- Bouw aan de hand van een schema een installatie.
Voorbeeld van een uitgewerkt evaluatiemodel i.v.m. attitudes.
5
Studierichtingsgebonden attitudes
Verantwoordelijkhei
dszin
Het belang van eigen
handelen
onderkennen en
plichtsbewust
handelen.
Teamgeest
Met tegenstrijdige
belangen tussen
medeleerlingen
kunnen omgaan.
Overtuigingskracht
5
1.
Gaat zelf na en bepaalt wat hij moet doen en tegen wanneer.

2.
Vraagt opdrachten: wat / tegen wanneer.

3.
Aanvaardt opdrachten: wat / tegen wanneer.

4.
Aanvaardt zelden opdrachten, is koppig en opstandig.

1.
Heeft een goed contact met zijn medeleerlingen en meerdere leraars.

2.
Heeft contact met de meeste medeleerlingen en eventueel met enkele
leraars.
Heeft alleen contact met vriendengroepje. Heeft geen goed contact met
leraars.

4.
Is een eenzaat. Heeft weinig contact met de anderen.

1.
Overtuigen gebeurt spontaan op basis van weldoordachte argumenten.

3.

Document ter beschikking gesteld door “Scholengemeenschap St.-Pieter Beringen – Lummen”
Elektriciteit - Elektronica tso 3de graad
Begeleidingsdocument implementatie leerplan
54
2.
Durft actie te ondernemen om mensen te overtuigen.

3.
Heeft het moeilijk om anderen te overtuigen. Lukt enkel indien ze al
enthousiast zijn.

4.
Kan de anderen niet overtuigen. Wordt keer op keer zelf overtuigd.

Analytisch denken
1.

Een probleem in zijn
verschillende
elementen bekijken.
2.
Maakt een duidelijk onderscheid tussen hoofd- en bijzaken. Zoekt eerst de
grote lijnen.
Analyseert een proces, een taak, een project, een opdracht, een
doelstelling.
3.
Brengt in zijn analyse slechts matig structuur aan, gaat te veel op in details.

4.
Kan bij analyse geen onderscheid maken tussen hoofd- en bijzaken.

1.
Is gepassioneerd door het werk. Wil allerlei dingen weten, zoekt
achtergronden.

2.
Is geïnteresseerd in het werk. Stelt regelmatig vragen.

3.
Het werk interesseert hem matig. Stelt af en toe een vraag.

4.
Heeft absoluut geen interesse voor het werk dat hij doet. Stelt nooit vragen.

1.
Verzamelt spontaan bij elkaar horende informatie in en neemt hierover
standpunten in.
Verzamelt bij elkaar horende informatie en neemt hierover een algemeen
standpunt in.
Kan met hulp een algemeen standpunt innemen op basis van de gegeven
informatie.
Kan moeilijk bij elkaar horende informatie interpreteren en een standpunt
innemen.

1.
Is zeer veeleisend inzake het behalen van kwaliteitsvolle resultaten.

2.
Zoekt, na zelfevaluatie, verder indien zijn handelen niet voldoet aan de
gestelde criteria.
Legt de lat zodanig dat ze haalbaar blijkt, behaalt af en toe het nodige
resultaat.
Is snel tevreden met wat hij doet. Evalueert zichzelf niet. Is onverschillig
naar kwaliteit.
Gebruikt spontaan agenda om taken te plannen. Maakt zelf werkschema’s
en planning.
Maakt goed gebruik van checklists. Werkt af en toe een stappenplan uit via
agenda.
Gebruikt agenda en werkschema’s niet om te plannen. Gebruikt af en toe
checklists.

4.
Heeft zelden agenda, werkschema’s of werkplanning bij.

1.
Managet en plant zijn tijd i.f.v. prioriteiten, hoofdzaken, deadlines en
resultaten.

2.
Voert planning uit en houdt de timing goed in het oog en stuurt zo nodig bij.

3.
Werkt planmatig, maar verliest de timing uit het oog.

4.
Heeft totaal geen planning.

Een eigen mening
onderbouwen en
argumenteren.
Leergierigheid
Actief zoeken naar
situaties om zijn
competentie te
verbreden en te
verdiepen.
Synthetisch
denken
2.
Verschillende
elementen die tot een
oplossing leiden,
samenbrengen
Kwaliteitsbewustzijn
In staat zijn om in te
schatten aan welke
vereisten de
studieresultaten
moeten voldoen.
3.
4.
3.
4.
Organiseren
1.
Het eigen leerproces
organiseren en
sturen.
2.
Planmatig werken
Structuur aanbrengen
in tijd en ruimte.
Prioriteiten leren
leggen bij de aanpak
en het verloop van de
studie.
3.
1. = Uitstekende (9 –10) 2. = Goed (7 - 8)
Begeleidingsdocument EE tso 3de graad
Implementatie leerplan D/2009/7841/033









3. = Voldoende (5 – 6) 4. = Onvoldoende(0 – 4)
55
7
Naslagwerken
Momenteel zijn er nog geen handboeken, cursusmateriaal uitgewerkt in overeenstemming met de zienswijze van
het huidige leerplan waarbij de verschillende doelstellingen geïntegreerd en in een elektromechanisch proces
aan bod komen, Bij de uitwerking van EE-projecten of thema’s kunnen we toch gebruikmaken van het bestaande
cursusmateriaal mits de nodige bijsturing.
•
Elektronica: Kunst en Kunde – Paul Horowitz uitgeverij Elektuur ISBN 90-5381-064-1
•
Elektronica 3A door Brederveld, van de Graaf, Ditmar, Stegeman uitgeverij Nijgh & Van Ditmar Educatief.
ISBN 90 236 0274 9
•
Digitale technieken, combinatorische en sequentiële logica 1A, J. Cuppens - H. Saeys - H. Vandenheede,
uitgeverij Die Keure, Koninklijke Bibliotheek D/0147/1985/23
•
Digitale technieken, combinatorische en sequentiële logica 1B, J. Cuppens - H. Saeys - H. Vandenheede,
uitgeverij Die Keure, Koninklijke Bibliotheek D/0147/1985/24
•
Analoge techniek, versterkerschakelingen met bipolaire en unipolaire transistoren, J. Cuppens - H. Saeys,
uitgeverij Die Keure,
•
Analoge techniek, Operationele versterkers, J. Cuppens - H. Saeys, uitgeverij Die Keure, ISBN
•
Vermogenselektronica, Jean Pollefliet, uitgeverij Die Keure, ISBN 90-6200-600-0
•
Elektronische vermogenscontrole, Jean Pollefliet, uitgeverij Nevelland, ISBN 9073626-02-1
•
Elektrische Energie deel 1 van prof. dr.ir.R.Belmans KUL , ISBN 9789033456849
•
Power Electronics–Converters, applications and design, Mohan–Undeland–Robbins, John Wiley & sons inc.
•
Foundations of electric power , JR Cogdell, ISBN 0-13-907767-7
•
Elektrische machines deel 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 en 9 van H. Vandenheede en L. Verschaeve, die Keure; ISBN
90-6200-956-5, ISBN 90-5751-0243, ISBN 90-5751-0642
•
Elektriciteit 3, Wolters Plantyn, L. Claerhout, V. Dekelver, F. de Schepper, J.Libbrecht, I.Maesen, ISBN 90
301 6123 X
•
Elektriciteit 2, L. Claerhout, Wolters Plantyn, ISBN : 90 301 6473 5
•
Moeller handboek – schakelschemaboek : automatiseren en energie verdelen
•
Demystificatie van de operationele versterker, Alex Vandebril, ISBN 90-71640-01-9
•
Automatisatie, Digitale techniek/ Programmeerbare sturing, Ivan Maesen en Ludwig Theunis, Wolters
Plantyn, ISBN 90-301-8149-4
•
Simulatiesoftware Multisim
Elektriciteit - Elektronica tso 3de graad
Begeleidingsdocument implementatie leerplan
56
8
Websites
Zie didactische wenken.
Begeleidingsdocument EE tso 3de graad
Implementatie leerplan D/2009/7841/033
57