Basis elektronica B… · gebruiken is het dus nodig om een aantal basisprincipes van de...
20
Schooljaar 2015-2016 SUBMODULE BASIS ELEKTRONICA
Transcript of Basis elektronica B… · gebruiken is het dus nodig om een aantal basisprincipes van de...
Schooljaar 2015-2016
SUBMODULE BASIS ELEKTRONICA
Submodule: Basis elektronica 1
Inhoudstafel
1 Inleiding ..................................................................................................................... 2
2 Elektrische schakeling ................................................................................................. 2
2.1 Schakelschema ................................................................................................................ 3
2.2 Elektrische ladingen......................................................................................................... 3
2.3 Elektrische energie .......................................................................................................... 4
3 Spanning .................................................................................................................... 5
3.1 Voltmeter ....................................................................................................................... 5
3.2 Parallelschakeling ............................................................................................................ 5
3.3 Welke spanning wordt meestal gebruikt? ........................................................................ 5
3.4 Oefeningen ..................................................................................................................... 6
3.5 Ground............................................................................................................................ 8
3.6 Rode en zwarte aansluitpen op de voltmeter ................................................................... 9
4 Stroomsterkte ........................................................................................................... 10
4.1 Ampèremeter ................................................................................................................ 10
4.2 Serieschakeling.............................................................................................................. 10
4.3 Stellingen ...................................................................................................................... 11
4.4 Oefeningen ................................................................................................................... 11
4.5 Rode en zwarte aansluitpen op de ampèremeter ........................................................... 12
5 Weerstand ................................................................................................................ 12
6 Toepassingen ............................................................................................................ 12
7 Aansturen van actuatoren ......................................................................................... 17
7.1 Grote verbruikers aan en uit schakelen .......................................................................... 17
7.2 Actuatoren analoog aansturen ....................................................................................... 18
Submodule: Basis elektronica 2
1 Inleiding
Bij een aantal opdrachten in het kader van de STEM-lessen maken jullie gebruik
van microcontrollers om jullie zelfgebouwde toestellen aan te sturen. Een
microcontroller is een toestel dat op basis van een bepaalde input een bepaalde
output genereert. De input is informatie uit de omgeving naar de controller. Die
informatie kan bijvoorbeeld komen van sensoren of een toetsenbord. De output
zijn signalen die de controller geeft aan zijn omgeving. Deze signalen sturen
actuatoren zoals lampjes, motoren, luidsprekers… aan of bieden informatie aan op
een monitor of een beeldscherm. Het verband tussen de input en de output wordt
bepaald door het programma dat door de microcontroller uitgevoerd wordt.
De interactie van de controller met zijn omgeving (input en output) gebeurt vaak
op elektrische /elektronische wijze. Om de controller in een systeem of toestel te
gebruiken is het dus nodig om een aantal basisprincipes van de elektriciteit te
beheersen. In deze module gaan we hier dieper op in.
2 Elektrische schakeling
Een elektrische schakeling bestaat ten minste uit een spanningsbron, geleiders en
één of meerdere componenten waardoor elektrisch geladen deeltjes bewegen. Als
je thuis een elektrisch toestel in het stopcontact steekt, dan plaats je dit toestel
bij in de elektrische schakeling. De elektriciteitscentrales, de
hoogspanningskabels, de stopcontacten en toestellen in je huis, … maken deel uit
van deze schakeling.
Plaatsensor
lichtsensor
Temperartuur
sensor
Toetsenbord
Motor
Beeldscherm
LED’s
Luidspreker
Micro
controller
Input Output
Submodule: Basis elektronica 3
2.1 Schakelschema
Om het overzicht te bewaren, worden elektrische schakelingen meestal
schematisch in beeld gebracht in een schakelschema. Een voorbeeld van zo een
schakelschema, met enkele vaak voorkomende componenten, zie je hieronder.
Schakelschema
Componenten
Spanningsbron:
Geleider:
Lampje:
Weerstand:
Voltmeter (zie verder):
Ampèremeter(zie verder):
knooppunt
Nog enkele begrippen:
Knooppunt: is een punt in de schakeling waar drie of meer geleiders samen
komen.
Tak: is een deel van de schakeling tussen twee opeenvolgende knooppunten.
2.2 Elektrische ladingen
Elektrische ladingen stromen rond in de elektrische schakeling. In het
schakelschema hieronder zie je een spanningsbron waarop 3 verbruikers zijn
aangesloten. De stroomzin van de ladingen is aangeduid met pijlen. Ze lopen altijd
van + naar -.
A
V
R1
R2 L1
V
A
Submodule: Basis elektronica 4
2.3 Elektrische energie
De elektrische ladingen die rondstromen in de schakeling nemen in sommige
componenten elektrische energie op en geven die in andere componenten weer af.
Een voorbeeld van een component waar ladingen energie opnemen is een
spanningsbron. Aan de pluspool van de spanningsbron hebben elektrische ladingen
meer energie dan aan de minpool. Als ladingen via de geleiders en de
componenten van de pluspool naar de minpool stromen, zullen ze deze energie
afgeven in de verschillende componenten van de schakeling. Als ze aan de minpool
toekomen, brengt de bron de ladingen naar de pluspool. Van daar kunnen ze
opnieuw door de schakeling stromen. Om een elektrische lading van de minpool
naar de pluspool te brengen, moet de spanningsbron elektrische energie
toevoegen aan de ladingen. Bij een batterij wordt chemische energie omgezet in
elektrische energie, bij een kerncentrale is dit kernenergie die omgezet wordt naar
elektrische energie die dan in de verschillende elektrische toestellen verbruikt
wordt.
Elektrische
energie
opnemen
Elektrische
energie
afgeven
Submodule: Basis elektronica 5
3 Spanning
De spanning tussen twee punten A en B geeft aan hoeveel elektrische
energie een lading opneemt of afgeeft als ze van punt A naar punt B
beweegt. Het symbool voor spanning is 𝑼𝑨𝑩. Spanning wordt uitgedrukt in
volt (V).
In de spanningsbron winnen de ladingen elektrische energie. In de andere
componenten geven de ladingen hun elektrische energie terug af.
3.1 Voltmeter
In de schakeling hieronder is op alle componenten een voltmeter aangebracht. De
waarde die de voltmeter aanduidt, staat ernaast.
3.2 Parallelschakeling
Tussen knoop A en knoop B lopen twee takken. Omdat beide takken op dezelfde
knooppunten zijn aangesloten krijgen ze dezelfde spanning. We zeggen dat deze
takken parallel geschakeld zijn.
3.3 Welke spanning wordt meestal gebruikt?
De spanningsbron in microcontrollers is meestal 5,0 V. Steeds vaker worden ook
controllers gebouwd die werken op 3,3 V. Deze controllers verbruiken over het
algemeen minder energie. De Arduino kan beide spanning leveren.
A
B
Submodule: Basis elektronica 6
De netspanning in een woning of in het klaslokaal is 230 V. Bij de netspanning
wisselen de pluspool en minpool 50 maal per seconde. Dit biedt een aantal
voordelen die we later zullen toelichten.
3.4 Oefeningen
Teken bij alle componenten een voltmeter en geef aan welke spanning je
afleest.
Submodule: Basis elektronica 7
Submodule: Basis elektronica 8
3.6 Ground
De spanning wordt altijd gedefiniëerd tussen twee punten.
Voorbeeld
Stel dat in de bovenstaande schakeling de bronspanning 5,0 V bedraagt. Dan
geldende volgende uitspraken:
𝑈𝐵𝐴 = 5,00 V
Een lading in punt B bezit meer energie dan in punt A.
𝑈𝐴𝐵 = −5,00 V
Een lading in punt A bezit minder energie dan in punt B.
𝑈𝐵𝐶 = 0,00 V
Een lading in punt B bezit evenveel energie in punt B als in punt C.
𝑈𝐶𝐸 = 5,00 V of 𝑈𝑅1 = 5,00 V
De spanning over R1 is gelijk aan de bronspanning.
𝑈𝐶𝐷 + 𝑈𝐷𝐸 = 5,00 V = 𝑈𝐶𝐸 of 𝑈𝑅2 + 𝑈𝑅3 = 5,00 V = 𝑈𝐶𝐸
De spanning over de bron is gelijk aan som van de spanning over weerstand
R2 en de spanning over weerstand R3.
Bij elke spanning staat aangeduid tussen welke twee punten de spanning gemeten
wordt. Om in een complexe schakeling een goed beeld te krijgen over hoeveel
energie een lading op een bepaald punt bezit, wordt de spanning vaak gemeten
ten opzichte van een referentiepunt. Men noemt dit punt vaak de aarding of de
massa of, in het Engels, “ground” (symbool: , afgekort GND).
A
B
C
D
E
Submodule: Basis elektronica 9
Indien men spreekt over de spanning in “een bepaald punt”, bedoelt men de
spanning tussen dat bepaalde punt en de massa, aarding of ground.
We kunnen dit toepassen op de vorige schakeling. Nu moeten we niet meer over
twee punten spreken bij de spanning, maar is één punt voldoende. Het “tweede
punt” is de grond, maar dit punt vernoemen we dus niet expliciet.
Voorbeeld
De volgende uitspraken gelden:
De spanning over de bron is gelijk aan som van de spanning over
weerstand R2 en de spanning over weerstand R3.
3.7 Rode en zwarte aansluitpen op de voltmeter
Je kan de spanning tussen twee punten meten met een voltmeter. Een voltmeter
heeft een rode en een zwarte meetpen. Indien je de rode pen plaatst in het punt
waar de lading veel energie heeft en de zwarte pen in het punt waar de lading
weinig energie heeft, dan duidt de voltmeter een positief getal aan. In het andere
geval is het getal even groot maar negatief.
0, 0A
U V
5, 0B
U V
5, 0C
U V
3 25, 0 5, 0
D R C D RU U V U V U
A
B
C
D
E
Submodule: Basis elektronica 10
4 Stroomsterkte
De stroomsterkte in één punt van de schakeling geeft aan hoeveel lading
er per seconde door dat punt stroomt. De stroomsterkte heeft als symbool
𝑰 en de eenheid is ampère (𝑨).
Elektrische ladingen verdwijnen niet, worden niet bijgemaakt en kunnen niet
samengedrukt worden. Dit betekent dat de uitspraak “een toestel verbruikt
stroom” niet helemaal juist is. Ladingen stromen het toestel binnen en geven in
het toestel hun energie af. Vervolgens stromen ze weer uit het toestel naar de
spanningsbron (of de elektriciteitscentrale) en nemen daar weer energie op om
vervolgens weer hun weg door de schakeling te beginnen. De uitspraak “een
toestel verbruikt elektrische energie” is wel juist.
4.1 Ampèremeter
De stroomsterkte kan gemeten worden met een ampèremeter. In onderstaande
schakeling is op verschillende plaatsen een ampèremeter aangebracht en de
afgelezen waarde staat naast het meettoestel.
4.2 Serieschakeling
Omdat tussen R2 en R3 geen knooppunten of aftakkingen zijn, loopt alle stroom
die door R2 gaat ook door R3. We zeggen dat R2 en R3 in serie geschakeld
zijn.
Submodule: Basis elektronica 11
4.3 Stellingen
Voor een schakeling gelden de volgende stellingen:
In een tak van de schakeling is de stroomsterkte overal even groot.
Dit is een gevolg van het behoud van lading en het feit dat ladingen niet
kunnen samengedrukt worden.
In ieder knooppunt is de som van de stromen die toekomen gelijk
aan de som van de stromen die weg gaan.
Zelfde argumentatie.
4.4 Oefeningen
Vul bij alle ampèremeters de stroomsterkte aan.
Submodule: Basis elektronica 12
4.5 Rode en zwarte aansluitpen op de ampèremeter
Je kan de stroomsterkte meten met een ampèremeter. Om de stroomsterkte in
een punt te meten, schakel je de ampèremeter zo dat de stroom in dat punt door
de ampèremeter moet stromen. De stroom loopt uit de schakeling via de zwarte
pen door het meettoestel. Via de rode pen loopt hij terug naar de schakeling.
5 Weerstand
De elektrische weerstand geeft aan hoe moeilijk ladingen doorheen een geleider
bewegen. Hoe groter de weerstand…
..hoe meer energie de ladingen nodig hebben om door de weerstand te
stromen bij een bepaalde stroomsterkte en dus hoe hoger de spanning over
de weerstand.
…hoe minder ladingen er door stromen bij een bepaalde spanning en dus
hoe lager de stroomsterkte.
We definiëren de elektrische weerstand (R) van een component als de
spanning over de component gedeeld door de stroom door de component:
𝑹 =𝑼𝑹
𝑰𝑹
De weerstand wordt uitgedrukt in Ohm (𝜴).
Een component waarvan de waarde van weerstand constant is en onafhankelijk
van de spanning of de stroom die er vloeit noemt men een weerstand. Vaak wordt
een kleurcode gebruikt om de waarde van de weerstand aan te geven. Bezoek
hiervoor de volgende website: http://www.weerstandcalculator.nl/
De formule 𝑹 =𝑼𝑹
𝑰𝑹 legt het verband tussen stroomsterkte, spanning en weerstand.
6 Toepassingen
Bij de volgende toepassingen gaan jullie elektrische schakelingen bouwen en
meten jullie de stroom door en de spanning over de verschillende componenten.
Vervolgens berekenen jullie stroomsterkte en spanning en vergelijken de gemeten
waarden en de berekende waarden met elkaar.
Jullie maken hierbij gebruik van de spanningsbronnen op het Arduino-bordje. De
positieve pool van de spanningsbron wordt aangeduid met het label 5V of het label
3,3V, de negatieve met het label GND.
Submodule: Basis elektronica 13
Om de schakelingen overzichtelijk weer te geven wordt v aak de spanningsbron
van het Arduino bordje niet getekend. Het wordt vervangen door het label op
pinnen zoals hieronder geschetst:
Je maakt de verbindingen op het “breadboard”. “Breadboard”
betekent letterlijk “broodplank”. Toen elektronica nog uit
grotere componenten bestond, gebruikte jonge ijverige
experimenteerders wel eens moeders broodplank om hun
schakel op te bouwen. Het huidige “breadboard” heeft
dezelfde functie alleen is het heel wat comfortabeler. Het is
een bord met een rooster van gaatjes. Aan de linker en de
rechter zijde zijn er twee rijen van gaatjes die met elkaar
verbonden zijn volgens de lange pijl. In het middengedeelte
zijn de gaatjes verbonden zoals aangegeven door korte
pijltjes. In de gaatjes kan je verbindingsdraden of
elektronische componenten pluggen.
Voorbeeld 1
Bouw de volgende schakeling:
5,0 V R1
5,0 V
R1
wordt
GND
3,3V
R1
R2
GND
Submodule: Basis elektronica 14
R1 is 220 Ω en R2 is 680 Ω. Bereken de stroom door beide weerstanden en de
spanning over beide weerstanden.
Oplossing:
We weten dat de stroomsterkte
door beide weerstanden gelijk is want ze bevinden zich in dezelfde tak. We weten
ook dat de som van de spanning over R1 en R2 gelijk is aan de bronspanning:
Meet de stroom en de spanning in en over elke weerstand en vergelijk je meting
met de berekende waarde. Schets hieronder eerst de schakeling met de
meetapparaten op een correcte manier geschakeld.
Opdracht 1
Een LED (of Light-Emitting Diode) is een component die elektrische energie omzet
in lichtenergie.
De LED wordt schematisch voorgesteld door een soort pijl. Die pijl geeft aan hoe
de stroom erdoor zal geleiden. In de omgekeerde zin geleidt de LED geen
elektrische stroom. De pin die met de hoogste potentiaal moet worden verbonden,
heet de anode, de pin die met de laagste potentiaal moet worden verbonden, heet
de kathode. Het is wel degelijk belangrijk een LED op de juiste manier te
schakelen, anders gaat hij kapot! De anode is het lange been en de kathode het
korte been.
1 2 1 1 1 2 1 2
1 1 2 2 1 2
1 2 1 2
1 2
3, 3 e n e n
3, 3 e n
3, 3 (R )
3, 33, 7
2 2 0 6 8 0
3, 7
R R R R R R
R R R R b
b b b
b
R R
V U U U R I U R I
V R I R I I I I
V R I R I R I
VI m A
I I m A
1 1 1
1 2 2
2 2 0 3, 7 0, 8 1
6 8 0 3, 7 2, 2 5
R R
R R
U R I m A V
U R I m A V
Submodule: Basis elektronica 15
De doorlaatspanning UF,DL over een LED is afhankelijk van LED tot LED. De
optimale waarde voor de voorwaartse spanning UF is hieronder voor enkele LEDs
gegeven:
kleur optimale spanning VF
(bij IF = 20 mA)
Infrarood 1,2 Volt
Rood 2,0 Volt
Oranje 2,0 Volt
Geel 2,1 Volt
Groen 2,2 Volt
Wanneer je nu een externe LED op het Arduinobordje wil aansluiten, moet je op
verschillende dingen letten:
Verbind de anode steeds met de hoogste potentiaal en de kathode steeds met de
laagste.
Je mag een LED nooit rechtstreeks aansluiten op een batterij omdat :
- de stroom door de LED beperkt moet worden (opzoeken in datasheets)
- de spanning over de LED in doorlaat afhankelijk is van de kleur LED.
Daarom moet er ALTIJD een elektrische weerstand voor geschakeld de LED
geschakeld worden. Deze noemt men de voorschakelweerstand.
Oefening: een externe LED aansluiten
Je wenst een rood SMD LED van het type 3528 aan te sluiten op een bron van 5,0
V. Dit is het type LED dat we in onze projecten zullen gebruiken. Om de juiste
spanning over de LED te bekomen wordt ze geschakeld zoals hieronder geschetst.
Bereken de grootte van de weerstand. Zoek zelf de juiste stroom en spanning op
een LED type 3528.
Bouw vervolgens de schakeling en meet de stroom door en de spanning over elke
component en vergelijk dit resultaat met de berekening. Als je juist rekent, zal je
voor R 140 Ω uitkomen.
Submodule: Basis elektronica 16
Opdracht 2
Een LDR is een lichtgevoelige weerstand die vaak gebuikt wordt als sensor om
lichtintensiteit te meten. Hij wordt bijvoorbeeld gebuikt in een wagen om de lichten
bij valavond automatisch te ontsteken.
Bij een bepaalde lichtintensiteit heeft een LDR een waarde van 575 Ω. Bereken
in onderstaande schakeling de voorschakelweerstand R zodat het signaal naar de
microcontroller een waarde van 0,75 V heeft. Je mag de stroom die naar de
microcontroller stroomt verwaarlozen.
Opdracht 3
Doe het zelfde voor deze schakeling:
5,0V
R
LED
3,3V
R
LDR
Naar
microcontroller
Submodule: Basis elektronica 17
Opdracht 4
Je schikt over twee LIPO batterijen van 3,7 V. voor een bepaald toestel heb
je een spanning van 3,7 V en 7,4 V nodig. Schets een schakeling waarmee je dit
kan realiseren. Zoek even op waar LIPO voor staat.
7 Aansturen van actuatoren
7.1 Grote verbruikers aan en uit schakelen Naargelang het type heeft het Arduino-bord tussen de 13 en 53 uitgangsignalen.
Deze signalen zijn digitaal. Dat betekent dat het programma van de controller een
spanning van 5,0 V (high) of van 0,0 V (low) kan aanleggen op de uitgangspin.
Een andere spanning is niet mogelijk. Daarbij komt dat de stroom die de controller
via een uitgangspin kan leveren beperkt is tot 40 mA. Dat volstaat om een LED te
laten branden, maar een elektrische motor, een luidspreker of een gloeilamp heeft
vaak een hogere stroomsterkte nodig. Sluit je actuatoren die meer verbruiken dan
40 mA rechtstreeks aan op de controller dan beschadig je de controller. Let daar
dus mee op…
In ons project maken we gebruik van een MOSFET om actuatoren die meer dan
40 mA verbruiken, aan te sturen vanuit de controller. MOSFET staat voor “Metal-
Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor”. Op het internet vind je heel wat
informatie over deze elektronisch component. Voor onze toepassing wordt hij
gebruikt als een snelle schakelaar die elektrisch aangestuurd kan worden. Een
MOSFET heeft drie
aansluitpinnen: de gate, de source
en de drain. De MOSFET van het
type IRF520 is van het N-channel
type en staat hiernaast afgebeeld.
Je kan hem herkennen aan het
feit dat de zin van het pijltje naar
3,3V
LDR
R
Naar
microcontroller
Submodule: Basis elektronica 18
de gate is gericht. Bij het P-channel wijst het pijltje van de gate weg.
Bij het N-channel type is de source verbonden met de negatieve pool en de drain
met de positieve pool. De stroom loopt dus van drain naar source. De gate werkt
als een soort schakelaar die bepaalt of er stroom kan lopen tussen drain en source
of niet. De “schakelaar” staat open als de spanning op de gate op 0,0 V is en
gesloten als de spanning op de gate op 3,0 V of is.
Het grote voordeel van de MOSFET is de stroom door de gate enkele nano ampères
bedraagt. Hierdoor kan de microcontroller een actuator die veel stroom verbruikt
aan- en uitschakelen zonder zelf stroom te moeten leveren. De schakeling ziet er
als volgt uit:
7.2 Actuatoren analoog aansturen De uitgangssignalen van de Arduino zijn digitaal. Dat betekent dat ze 5 V (high)
of 0 V (low) kunnen zijn. Met een digitaal signaal kan je een actuator zoals
bijvoorbeeld een motor of een LED aan of uit schakelen. Wil je met een digitaal
signaal een motor op bijvoorbeeld halve kracht laten draaien, dan zal je "trukje"
moeten toepassen. De microcontroller van arduino kan dit bereiken door het
uitgangssignalen snel tussen high en low te schakelen zodat de stroom door de
motor gedurende korte tijdsintervallen nul wordt. Hierdoor gaat er gemiddeld
genomen minder stroom door de motor lopen waardoor hij minder snel gaat
draaien. Deze methode wordt vaak gebruikt en noemt men "PulseWidth
Modulation" of, afgekort, PWM. Het uitgangssignaal ziet er dan als volgt uit:
gate
drain
source
Submodule: Basis elektronica 19
Als je bij Arduino een bepaald uitgangssignaal instelt als PWM dan wordt het 500
maal per seconde aan- en uitgeschakeld. Je kan door het commando:
analogWrite(pinNummer, getal);
in het programma een getal tussen 0 en 255 aan de uitgang aanbieden. De tijd
dat de uitgang high is, is evenredig met de waarde van het getal:
Bij code 0 is de uitgang altijd "low".
Bij code 128 is de uitgang voor de helft van de tijd "high".
Bij code 191 is de uitgang voor 75% van de tijd high.
…
