Practicum Systeembord en digitale schakelingen

Een bèta-excellente uitdaging voor leerlingen van 2 gymnasium

R.F.G. Meulenbroeks, jan 2012

1. Inleiding

In deze serie practica gaan jullie kennismaken en werken met de digitale basisonderdelen van computers, mobiele telefoons, automatische schakelingen, enz, enz. Bijna alle apparaten om ons heen maken op de een of andere manier gebruik van de elektronische componenten die je in deze practica gaat tegenkomen. Voordat je aan dit practicum begint heb je aan je docent duidelijk gemaakt, dat je geen moeite hebt met de eenvoudige "analoge" schakelingen die in het boek NOVA, hoofdstuk 5, worden behandeld. Je moet wel elke week het huiswerk van deze reguliere stof aan je docent laten zien.

Dit practicum is heel anders van opbouw dan de practica die in je werkboek staan. In dit practicum gaat het namelijk om je eigen inzet, nieuwsgierigheid en initiatief. Het zijn dus geen "recepten" met vaste stapjes die je moet zetten. Het zijn echte onderzoeken, waarbij je ook regelmatig op internet zult moeten zoeken naar de betekenis van begrippen of apparaten en waarbij de uitkomst niet altijd van tevoren bekend is!

Dit practicum is vrijwillig, maar niet vrijblijvend. Het wordt afgesloten met een verplicht verslag, dat je in tweetallen mag maken en waarvoor je een punt krijgt dat meetelt voor je rapport. Bespreek met je docent wanneer dit verslag ingeleverd moet worden. Let er bij het doen van de metingen en experimenten, maar ook bij het zoeken op internet dus op, dat je overal aantekeningen van maakt die je in je verslag kunt gebruiken!

2. Digitale schakelingen

Digitale schakelingen zijn gebaseerd op het zogenaamde binaire systeem. Dat betekent, dat je uitgaat van twee waarden: een 0 en een 1. Zoek er eens naar op internet. Kun je er bijvoorbeeld achter komen hoe je binair van 0 tot 10 telt? En hoe je een getal als 25 in het binaire stelsel uitdrukt? En 153?

Waarom werken we eigenlijk met dat binaire systeem? Dat doen we omdat er heel veel apparaten zijn, die in twee heel verschillende toestanden kunnen verkeren. Het meest bekende voorbeeld is de schakelaar, die staat namelijk óf aan, óf uit. Er zit niets tussenin. Dat maakt het dus in een bepaald opzicht heel overzichtelijk. En toch kun je er ongelooflijk complexe dingen mee doen, die je elke dag tegenkomt, bijvoorbeeld wanneer je op je mobiel op buienradar zoekt of het gaat regenen.

In het systeembord waarmee je gaat werken, wordt de 0 of de 1 bepaald door de grootte van een elektrische spanning. Een spanning van + 5 Volt is namelijk een 1 en een spanning van 0 Volt een 0. Meer spanningen zijn er meestal niet in het systeembord. Er is wel een uitzondering (de AD-

omzetter), maar die komt je later tegen. Je kunt zo'n 1 of 0 dus op verschillende manieren "zichtbaar" maken: door er een led-lampje mee te laten branden of juist uit te laten gaan, een zoemer mee te laten afgaan of een relais (weet je wat dat is? Zoek het anders op!) laten opengaan of sluiten.

Zorg ervoor, dat je in je verslag aandacht besteedt aan de theorie achter binair tellen. Je hebt het ook hard nodig bij het systeembord zelf.

3. Het systeembord

Het systeembord is speciaal ontwikkeld om proeven te doen met digitale schakelingen. Het ziet er als volgt uit:

Zoals je ziet heeft het bord een heleboel aparte functies, kleine apparaatjes die je misschien nog niet kent. Je ziet drukschakelaars, led-lampjes, een relais, een zoemer, een analoog-digitaal (AD) omzetter en een aantal "poorten". Alle apparaatjes kun je aansluiten met banaanstekertjes en dit ga je de komende weken heel veel doen.

Laten we een eenvoudig voorbeeld nemen: Als je het systeembord op de netspanning hebt aangesloten (met de voeding) en je drukt op een drukknop, dan komt er op de uitgang (de gele steker naast de drukknop) een spanning van + 5 Volt te staan. Een digitale "1" dus. We noemen dit

ook wel "hoog". Als je de drukknop loslaat, wordt de spanning weer 0: een digitale 0, ofwel "laag". Als je de uitgang aansluit op een led-lampje dan zal dat dus gaan branden.

(Opmerking: vraag je je niet af waarom er maar een contact is ipv twee? Een batterij of een schakelaar heeft toch twee aansluitingen? Dat komt omdat in dit systeembord alle min-polen van alle componenten al met elkaar zijn verbonden.)

4. Kennismaking met het systeembord

4.1 Drukschakelaar

De drukschakelaar zet dingen aan of uit: maakt dus een 0 of een 1. Zie de onderstaande figuur.

Zorg ervoor, dat de drukschakelaar:

1. een led aanschakelt

2. een zoemer laat zoemen

3. een relais laat schakelen (je hoort dit).

4.2 De pulsgenerator

De pulsgenerator geeft een aantal pulsen van +5 Volt op de uitgang. Meteen na de puls wordt de spanning weer 0. Hoe vaak zo'n puls per seconde komt, wordt geregeld met de frequentie (in Hertz, Hz). Zorg ervoor dat de pulsgenerator:

1. een led laat knipperen

2. een zoemer laat aan- en uitgaan

3. het relais laat aan- en uitgaan

Wat gebeurt er als je aan de knop draait?

4.3 De variabele spanningsbron

Dit is een spanningsbron (een soort voedingskastje) waarmee je de spanning kunt variëren. Onderzoek bij welke spanning:

1.een led brandt

2. een led maximaal brandt

3. de zoemer net zoemt

4. de zoemer maximaal zoemt

5. het relais net contact maakt

6. het relais het contact weer verbreekt

4.4 De lichtsensor

Bij het systeembord zitten ook twee sensoren: een lichtsensor en een temperatuursensor. Die geven een signaal af afhankelijk van de hoeveelheid licht of de temperatuur. Je sluit de sensoren aan volgens de kleurcodes. Onderzoek eens of je door variatie in de lichtsterkte:

1. de led kunt laten branden

2. een zoemer kunt laten zoemen

3. het relais kunt laten schakelen

(Nogmaals: als je een woord niet kent: ga zoeken op het internet en schrijf het op voor je verslag.)

4.5. De temperatuursensor

Vraag om een bakje heet water en ga bovenstaande zaken na met de temperatuursensor.

4.6. De analoog-digitaal (AD) omzetter

Dit apparaat zet een analoog signaal (een spanning) om in een binair getal, een digitaal signaal. Met dit soort omzetters werkt bijvoorbeeld een digitale opname van een cd.

Bij dit onderdeel heb je een digitale voltmeter nodig. Vraag die aan de toa of je docent.

Verbind de variabele spanningsbron met de ingang van de AD omzetter. Verbind de uitgangen van de omzetter elk met een led, uitgang 8 is de bovenste led. Zie je hoe je met deze leds binair kunt tellen? Daar gaat het allemaal om. Sluit tenslotte de voltmeter aan op de spanningsbron.

Je draait nu aan de knop van de spanningsbron en je noteert precies (1) de spanning en (2) de binaire code van de led-lampjes. Maak hier een grafiek van. Langs de x-as de gemeten spanning, langs de y-as het binaire getal dat de AD-omzetter aangeeft met de leds.

In hoeveel stappen is de spanning van 5 volt nu verdeeld? Hoe groot is de stapgrootte in volts (dit heet de resolutie van de omzetter)? Let op: de binaire waarde 0000 is gelijk aan 0 volt, dus 1111 is niet het getal 16, maar getal 15. Wat is het getal 16? Waarom kun je dat hier niet gebruiken?

4.7 De verwerkingselementen

Nu komen we bij de echte digitale onderdelen. Nogmaals: bij gebrek aan gegevens ga je op zoek op het internet.

a. De invertor. Dit is letterlijk een omkeerder. Als er een 1 binnenkomt, wordt de uitgang 0 en andersom. Laat dit zien met een led-lampje en een drukschakelaar.

b. De EN-poort. Onderzoek met de onderstaande schakeling hoe deze poort werkt. Maak dus een schema van de inputsignalen (enen en nullen uit de schakelaars) en de uitputsignalen (bijvoorbeeld een led). Waarom heet het een EN-poort?

c. De OF-poort. Doe nu hetzelfde met de OF-poort. Waarom heet dit ding zo?

d. Het geheugenelement. Hoe werkt dit element? Onderzoek het met de onderstaande schakeling. Maakt het uit of je lang of kort op de drukschakelaar drukt? Omschrijf de werking van dit element.

e. De comparator. Dit is een vergelijker: het ingangssignaal wordt vergeleken met een vaste waarde op de andere ingang en op basis daarvan wordt de uitgang hoog (+5 volt, dus een 1) of laag (0 volt, dus een 0). De spanning waarmee je vergelijkt kun je instellen met de knop.

Onderzoek nu hoe je dit met een temperatuur- of lichtsensor kunt gebruiken. Je kunt ook de variabele spanningsbron eens aansluiten op de comparatoringang.

Omschrijf nu de werking van de comparator.

f. De pulsenteller

Dit apparaat doet precies wat het zegt: het telt, hoeveel pulsen er komen op de ingang. Het doet dit binair (via de uitgangen 1,2,4,8, je snapt nu waar die namen vandaan komen) en in "gewone" cijfers, op het led-schermpje. Maak eerst een teller met het onderstaande schema. Je moet de teller ook kunnen resetten. Controleer ook of de binaire waarden met de waarden van het display kloppen!

5. Complexe opdrachten

Nu heb je bijna alle componenten van het systeembord gezien. Maar nu begint het echt. Daarvoor hebben we een aantal opdrachten voor je. Die zijn niet makkelijk, maar wel erg leuk. Bij iedere opdracht is aangegeven welke onderdelen je nodig hebt, maar misschien bedenk je wel een andere mogelijkheid! Zorg wel steeds dat je goed bijhoudt wat je gedaan hebt, want je vergeet het heel snel weer!

Tenslotte: er zijn behoorlijk veel opdrachten. Dat wil niet zeggen dat je die allemaal moet maken. Als je zin hebt om meteen een moeilijke te proberen, zoek dan zelf een mooie uit. Als je iets helemaal nieuws wilt ontwerpen: ga je gang! Maar het is natuurlijk altijd handig om eerst een beetje te oefenen.

Zorg wel dat je alles steeds goed bijhoudt voor je verslag! Succes!

5.1 Automatisch tellen

Zorg ervoor dat de pulsteller het aantal pulsen telt dat de pulsgenerator afgeeft. Verander ook het teltempo. Onderzoek verder hoe de teller reageert op een signaal bij de ingang tellen aan/uit. Is de ingang tellen aan/uit hoog of laag als er niets mee verbonden is?

5.2 Tellen tot en met 7

Nu ga je met dezelfde teller tellen, maar nu maar steeds tot en met 7. De leds moeten hierbij binair meetellen. Let op: omdat je bij 0 begint en tot en met 7 telt, tel je dus 8 stapjes. Je telt dus eigenlijk tot 8 omdat je de 0 ook meetelt.

Kun je nu de werking van de pulsenteller omschrijven?

5.3 Licht op het toilet.

Ontwerp een automatische schakelaar voor een toilet. Als je de deur opendoet (drukschakelaar gaat in) moet het licht (led of relais) aangaan. Als de deur weer opengaat (drukschakelaar) dan gaat het licht weer uit. Bovendien moet je aan de buitenkant van het toilet met een led kunnen zien of het toilet bezet is of niet.

5.4 Temperatuurgestuurde ventilator

In deze schakeling laat je een ventilator aan- en uitgaan (met een relais!!) wanneer de temperatuur te hoog wordt. Als de temperatuur daalt, gaat de ventilator weer uit. Je moet de temperatuur kunnen instellen. Tip: bij het ontwerp kun je ipv de temperatuursensor even de variabele spanningsbron gebruiken. Snap je waarom?

5.5 Een alarm

Het alarm moet afgaan als er iemand via de achter- of voordeur naar binnen komt. Onder de deurmatten ligt een drukschakelaar. Als het alarm eenmaal afgegaan is (zoemer of led) dan moet het natuurlijk blijven afgaan! Met een spanning van + 5 volt (hoog) moet jij het alarm weer kunnen uitzetten.

5.6 Meten van reactietijden

Twee leerlingen meten elkaars reactietijd. Ze houden allebei een knop ingedrukt. De teller staat dan op 0. Als de een de knop loslaat, gaat de teller lopen. Als de ander de knop ook loslaat, stopt de teller en geeft dan het aantal tienden seconden aan. Hoe hoog moet de pulsgenerator staan?

5.7 Hoe vaak wordt het toilet doorgespoeld?

Je plaatst een drukknop onder de doorspoelknop. Iedere keer dat die ingedrukt wordt, gaat de teller een stap verder. Op het einde van de dag kun je met een andere schakeling de teller kunnen stoppen en resetten.

5.8 Brandalarm met testknop

Bij een te hoge temperatuur moet het brandalarm een zoemer laten klinken. Je moet het alarm kunnen testen met een drukknop.

Extra: in dit schema staat een OF-poort. Als je de uitgang van de comparator en de drukknop ook samen aansluiten op de zoemer. Ga na dat het alarm dan niet goed werkt. Je moet dus nooit een led, zoemer of relais aansturen met meer dan één signaal! Je moet meerdere signalen altijd via een EN- of OF-poort herleiden tot één signaal voor je verder kunt.

5.9 Reguleren van het aantal mensen dat door een deur kan gaan

Bij een ziekenhuis moet je eerst door een schuifdeur. Dan kom je in een luchtsluis. Daar wacht je tot de eerste deur weer dichtgaat voordat de tweede deur opent.

Bij de eerste deur zit een lichtsensor en een lichtbron (je onderbreekt het lichtsignaal door ertussendoor te lopen). Op de tweede deur zit een slot dat op dat moment dicht gaat (relais of led). Acht seconden daarna gaat deur twee open. Je mag deur twee dus simuleren met een relais of led.

5.10 Stil alarm

Je hebt een stil alarm dat reageert op geluid. Als de geluidssensor een signaal afgeeft, begint er ergens een led te knipperen. Dat licht knippert met een frequentie van 4 seconden uit, 4 seconden aan.

Je moet dit alarm kunnen afzetten. Je moet dan het geheugen resetten. Hoe doe je dat?

Als je op het verkeerde moment het geheugen reset, dan blijft de lamp branden en dat wil je niet. Hoe los je dat op? Je hebt dan nog een EN-poort nodig.

5.10 Broedmachine

In een broedmachine mag het niet te lang koud worden, want dan komen de eieren niet uit. Daarom gebruik je een temperatuursensor. Als de temperatuur 8 tellen onder een waarde daalt, dan moet er een relais gesloten worden met een verwarmingselement. Als de temperatuur tot boven de waarde stijgt gaat de verwarming meteen weer uit. Het systeem moet dan weer op een nieuwe daling kunnen reageren. Tip: ook hier kun je bij het ontwerpen de spanningsbron gebruiken ipv de temperatuursensor.

Vraag: is het erg als de deur van de broedmachine even opengaat zodat de temperatuur enkele seconden onder de ingestelde waarde daalt? Wordt er dan bijgestookt?

5.11 Energiezuinige roltrap

Om energie te besparen mag een roltrap alleen draaien als er iemand op loopt. Je hebt dit vast wel eens gezien. Er zit dan een lichtpoort bij het begin van de roltrap. Die bestaat weer uit een lichtsensor en een lampje. Het signaal wordt onderbroken als er iemand doorheen loopt. Vervolgens gaat de trap (met het relais) 8 seconden lopen, want dan is die persoon wel op de volgende verdieping. Daarna schakelt de trap zichzelf uit.

5.12 temperatuurregeling in een aquarium

Dit lijkt een beetje op de schakeling met de broedmachine. Het water in een aquarium moet tussen de 20 en 300C blijven. Boven de 300 gaat de verwarming uit en onder de 200 gaat die weer aan. De verwarming zit weer aan een relais.

De temperatuursensor geeft bij 200C 0,4 volt (binair 0001) en bij 300C 1,6 volt (binair 0100). Ga dit na.

Ontwerp de schakeling. Hoe kun je het interval tussen de twee temperaturen veranderen?

6. Verslaglegging

Je verslag is tussen ongeveer 4 kantjes A4 en je maakt dit met je groepje.Dit verslag heeft een andere opbouw dan het standaardverslag.

Opbouw:

1. Een inleiding waarin je beschrijft wat een systeembord inhoudt.

2. Een korte omschrijving van de werking van alle digitale componenten die je in onderdeel 4 hebt leren kennen (comparator, invertor, etc). Laat zien dat je echt begrepen hebt wat je gedaan hebt. Doe dit netjes:één component per paragraaf.

3. Een uitleg (met plaatje) van EEN van de ingewikkelde schakelingen die je gemaakt hebt in onderdeel 5. Hier verwacht ik een uitgebreide uitleg van de manier waarop deze schakeling werkt. Gebruik dus zorgvuldig de termen, bijvoorbeeld: "hoog"en "laag", "spanning", "stroom", 1 en 0.

4. Een conclusie waarin je beschrijft wat je in dit practicum hebt geleerd (misschien ook dingen als zelfstandig werken en samenwerken?)