Bestnr. 19 22 96 Conrad leerpakket elektronica basic Alle rechten, ook vertalingen, voorbehouden. Niets uit deze uitgave mag worden verveelvoudigd, opgeslagen in een automatische gegevensbestand, of openbaar gemaakt, in enige vorm of op enige wijze, hetzij elektronisch, mechanisch, door fotokopieën, of op enige andere manier, zonder voorafgaande schriftelijke toestemming van CONRAD ELECTRONIC BENELUX B.V. Nadruk, ook als uittreksel is niet toegestaan. Druk- en vertaalfouten voorbehouden.
© 2010 Franzis Verlag GmbH, D-85586 Poing www.franzis.de Auteur: Burkhard Kainka Art & Design, Satz: www.ideehoch2.de ISBN 978-3-7723-10031-1 Geproduceerd in opdracht van de firma Conrad Electronic SE, Klaus-Conrad-Str. 1 , D-92240 Hirschau Alle rechten voorbehouden, ook die van de fotomechanische weergave en het bewaren in elektronische geheugens.
Leerpakket elektronica begrijpen en toepassen 1 Introductie 1.1 Experimenteerbord 1.2 Batterij 1.3 Lichtdiodes 1.4 Weerstanden 1.5 NPN- transistors 1.5 PNP- transistors 1.7 MOSFET 1.8 Condensatoren 1.
1 Introductie Sinds de uitvinding van de transistor liep de elektronica stijl bergop. Tegenwoordig zijn wij omringd door apparaten waarvan de geïntegreerde schakelingen met vele transistors uitgerust zijn. Echter weten steeds minder mensen nog precies hoe een (enkele!) transistor werkelijk functioneert. De afstand tussen toepassen en begrijpen van de elektronica wordt steeds groter.
1.1 Experimenteerbord Alle proeven worden opgebouwd op een laboratorium- experimenteerbord. Het bord met in het totaal 270 contacten in een raster van 2,54 mm zorgt voor zekere verbindingen van de componenten. Afb. 1: Het experimenteerveld Het experimenteerbord heeft in het midden 230 contacten, die telkens door verticale stroken met 5 contacten geleidend onderling verbonden zijn.
Het insteken van de onderdelen vergt relatief veel kracht. De aansluitdraden knikken daardoor gemakkelijk om. Belangrijk is, dat de draden exact van boven af ingebracht worden. Een pincet of een kleine tang kan daarbij nuttig zijn. Een draad wordt zo kort mogelijk boven het bord vastgehouden en dan verticaal naar beneden gedrukt. Op die manier kunt u ook gevoelige aansluitdraden zoals de vertinde uiteinden van de batterijclips inzetten.
De meegeleverde batterijclip heeft een aansluitkabel met soepele uiteinden. De kabeleinden zijn gestript en vertind. Op die manier zijn ze stijf genoeg, om ze in de contacten van het experimenteerbord te steken. Toch kan het gebeuren dat ze door veel gebruik hun vorm verliezen. Er wordt aanbevolen, de batterij aangesloten te laten en alleen de clip van de batterij af te trekken. Een enkele zink-kool- of alkaline-cel heeft een elektrische spanning van 1,5 V.
1.4 Weerstanden De weerstanden in het leerpakket zijn koolfilmweerstanden met een tolerantie van ± 5 %. Het weerstandsmateriaal is op een keramisch staafje opgebracht en voorzien van een beschermingslaag. De weerstandswaarden zijn door de opgedrukte gekleurde ringen gecodeerd. Naast de weerstandswaarde is ook de nauwkeurigheid aangegeven. Afb.
Tabel 2: De kleurcode bij weerstanden Een weerstand met de gekleurde ringen geel, paars, bruin en goud heeft de waarde 470 bij een tolerantie van 5 %. In het leerpakket bevinden zich telkens twee weerstanden van de volgende waarden: 470 1k 22 k 470 k geel, violet, bruin bruin, zwart, rood rood, rood, oranje geel, violet, geel 1.5 NPN- transistors Transistors zijn componenten voor het versterken van kleine stromen. In dit leerpakket zijn er twee silicium- NPN- transistors BC547B.
Afb. 7: De NPN- transistor BC547 1.6 PNP- transistoren De PNP- transistor BC557B heeft dezelfde aansluitvolgorde en is alleen in de polariteit verschillend tegenover de NPN- transistor. In het schemasymbool wijst de emitterpijl naar binnen. Afb. 8: De PNP- transistor BC557 1.7 MOSFET Ook de veldeffecttransistor (MOSFET) BS170 lijkt aan de buitenkant niet anders dan de bipolaire transistor. Hij is alleen aan de opdruk te herkennen.
Afb. 9: De MOSFET- transistor BS170 1.8 Condensatoren Een belangrijk onderdeel in de elektronica is de condensator. Een condensator bestaat uit twee metalen platen en een isolatielaag. Als hier een elektrische spanning op wordt aangesloten, vormt zich tussen de condensatorplaten een elektrisch krachtveld, waarin energie is opgeslagen. Een condensator met grote platen en een kleine afstand tussen de platen heeft een grote capaciteit en kan dus bij een gegeven spanning veel lading opslaan.
1.9 Elektrolytcondensatoren Grote capaciteiten worden bereikt met elektrolytische condensatoren (elco’s). De isolatie bestaat hier uit een zeer dunne laag aluminiumoxide. De elco bevat een vloeibaar elektrolyt en een gewikkelde aluminiumfolie met grote oppervlakte. De spanning mag slechts in één richting aangesloten worden. In de verkeerde richting loopt er een lekstroom die de isolatielaag geleidelijk afbreekt, waardoor het onderdeel stuk gaat.
Schakel een tweede weerstand van 470 k parallel tot de reeds geplaatste basisweerstand. De basisstroom zal stijgen en ook de collectorstroom wordt groter. De transistor is nu volledig doorgeschakeld, d.w.z. ook een nog grotere basisstroom kan de collectorstroom niet verhogen. Als u een 22-k -weerstand parallel schakelt, zal de rode LED niet helderder worden. De transistor werkt nu als een schakelaar. Tussen collector en emitter is er slechts nog een heel klein spanningsverschil van ongeveer 0,1 V.
3 Plus en minus omkeren Een PNP- transistor heeft exact dezelfde functie dan een NPN- transistor maar met een omgekeerde polariteit. De emitter is nu aan de pluspool van de batterij. Afb. 14: Een PNP- transistor in emitterschakeling Bouw de schakeling op met de PNP- transistor BC557 en onderzoek ook hier weer de stroomversterking met verschillende basisweerstanden. De BC557B geeft eveneens een 300- voudige stroomversterking. Afb.
De stroomversterking van een transistor kan gebruikt worden, om de ontlaadtijd van een condensator te verlengen. De schakeling van afb. 16 maakt gebruik van een elco met 100 F als laadcondensator. Na een korte druk op de druktoets is hij geladen en levert nu gedurende langere tijd de basisstroom voor de emitterschakeling. Afb. 16: Vertraagde uitschakeling De ontlaadtijd wordt door de grote basisweerstand aanzienlijk verlengd. Na circa twee seconden is de elco bijna helemaal ontladen.
Zolang u de toets ingedrukt houdt, licht de LED fel op.Echter volstaat een korte druk op de toets voor het inschakelen van de LED. Daarna blijft deze ongeveer twee seconden vol ingeschakeld en licht dan steeds zwakker op. Na ongeveer een minuut is nog steeds een zwak oplichten merkbaar. In werkelijkheid gaat de LED ook na lange tijd niet volledig uit. De stroom neemt echter af tot een zo kleine waarde, dat hij geen merkbare invloed meer heeft.
Afb. 19: De aanraaksensor 6 Bewegingsdetector Deze schakeling bezit een sensordraad op de ingang van de eerste transistor. Als er iemand in de buurt van de draad beweegt gaat de LED oplichten. Door beweging op een geïsoleerde ondergrond wordt elke mens ongemerkt opgeladen. Als men zich dan in de buurt van een geleidende voorwerp beweegt, leiden de elektrostatische krachten tot een verschuiving van de elektrische opladingen, dus tot een kleine stroom welke hoog versterkt wordt.
Afb. 20: Sensorversterker voor elektrische velden Voor de eerste proef van de schakeling is een korte sensordraad van 10 cm heel geschikt. Na een beetje beweging op een geïsoleerde bodem heeft u meestal voldoende elektrische oplading. Beweeg dan uw hand in de buurt van de sensordraad. De helderheid van de LED verandert. Om de gevoeligheid van de schakeling nog iets op te schroeven, kunt u een langere sensordraad aansluiten. Dit kan een gestripte draad of een geïsoleerde kabel zijn.
Afb. 22: Versterking van de LED-sperstroom Bij de praktische proef is de rechter LED bij een normale omgevingslicht al duidelijk ingeschakeld. Het beschaduwen van de sensor-LED met de hand is te zien aan de helderheid van de indicatie-LED. Afb. 23: De LED-lichtsensor 8 Constante helderheid Soms is er een constante stroom nodig, die zo onafhankelijk mogelijk is van spanningsschommelingen. Een LED zou op die manier met eenzelfde helderheid oplichten, ook als de batterij al een kleinere spanning heeft.
De LED's in de collectorkring behoeven geen voorschakelweerstand, omdat de LED-stroom geregeld wordt door de transistor. De constante stroombron functioneert ook met verschillende belastingen. Het maakt niet uit of u beide LED's in de collectorkring gebruikt of een van de beide kortsluit – de collectorstroom blijft hetzelfde. Afb. 24: Een gestabiliseerde stroombron Afb. 24: Stabilisering van de LED-helderheid Controleer de resultaten met een nieuwe en met een bijna lege batterij.
9 Temperatuursensor Deze schakeling laat via de LED-helderheid de temperatuurverschillen zien. Er is al voldoende om de temperatuursensor met de vinger aan te raken.De schakeling van afb. 26 toont een zogenaamde stroomspiegel. De stroom door de weerstand van 1-k spiegelt zich in de beide transistors en verschijnt in haast dezelfde grootte opnieuw als collectorstroom van de rechter transistor.
De schakeling is geschikt voor een gevoelige temperatuursensor. Raak een van de transistors aan met uw vinger. De daarbij optredende opwarming verandert de uitgangsstroom en wordt zichtbaar als een helderheidsverandering van de LED. Naargelang welke van de beide transistors u aanraakt, kunt u de helderheid iets verhogen of verlagen. Met de vinger kan, afhankelijk van de omgevingstemperatuur, een opwarming van ca. 10 °C geproduceerd worden, die dan goed zichtbaar is.
spanning en schakelt daarmee de basisstroom van de andere transistor uit. Daarom is een eenmaal ingenomen schakelstand stabiel, tot deze met een druktoets wordt veranderd. Afb. 29: De kipschakeling Schakel de voedingsspanning in. U zal merken, dat één van de beide LED’s oplicht. Er kan niet worden voorspeld, welke kant ingeschakeld wordt. Vaak beslist de verschillende stroomversterking van de transistors naar welke kant de schakeling kantelt.
Na een korte verbinding van S1 wordt de schakeling gestart en de LED gaat oplichten. Met S2 daarentegen kan de geleidende toestand onderbroken worden. S3 schakelt weliswaar de LED in, verbreekt echter tegelijkertijd de geleidende toestand van de transistoren. Na het openen van S3 zal de LED daarom niet oplichten. Afb.
Afb. 33: Een langzame knipperlicht 13 Eenvoudige LED- knipperlicht Een knipperlicht bij een auto bestuurt meestal alleen een lamp. Hier wordt een verdere flip-flop opgebouwd, die zelfstandig heen een weer schakelt. De schakeling heeft alleen één condensator nodig. Twee transistors in emitterschakeling vormen een versterker. De terugkoppeling van de uitgang naar de ingang loopt over een condensator, die zich steeds weer oplaadt en ontlaadt. Afb. 34: Eenvoudige multivibrator Afb.
14 LED- flitser Deze schakeling produceert regelmatige korte flitsen. Zo lang de condensator nog geladen wordt blijven alle drie transistoren gesperd. De spanning aan de basis van de middelste transistor loopt langzaam omhoog. Bij circa +0,6 V gaat deze dan geleiden en levert de basisstroom voor de PNP- transistor. Zijn collectorspanning stijgt en schakelt de LED in. Gelijktijdig levert de elco een krachtige en korte basispulststroom.
15 MOSFET- touch- sensor De schakeling met de MOSFET BS170 (metaal- oxide- halfgeleider- veldeffecttransistor, in het Engels metal oxide semiconductor field-effect transistor) stuurt een LED door twee contactparen die direct verbonden of met de vinger aangeraakt kunnen worden. Na een korte verbinding van de contacten blijft de desbetreffende toestand voor langere tijd behouden. De NPN- transistor werd bij de eerste proef met een eenvoudige basisschakeling reeds voorgesteld.
Extra gevaar bestaat voor de transistor wanneer twee personen dezelfde schakeling aanraken. Omdat beide verschillend opgeladen kunnen zijn , kan de ontlading via de transistor gaan, die deze vernield. Afb. 39: Laden en ontladen van de gate 16 Sensordimmer Met een extra condensator tussen gate en drain blijven ook tussenstanden tussen "helemaal aan" en "helemaal uit" behouden.
Afb. 41: Verstelbare helderheid 17 Elektrometer Met een elektrometer kunnen kleine elektrische ladingen aangetoond worden. Elektrisch geladen voorwerpen of personen dragen een elektrisch veld met zich mee, dat geïsoleerde voorwerpen in de nabijheid door influentie kan opladen. Dit is ook van toepassing bij de geïsoleerde gate van de BS170. Een geïsoleerde draad wordt op de ingang van de schakeling aangesloten. Elektrische ladingen in de omgeving beïnvloeden dan de LEDhelderheid. U kunt bijv.
Afb. 43: Aantonen van elektrische ladingen 18 LED's als foto-elementen Deze proef is een verdere mogelijkheid om een eenvoudige lichtsensor te bouwen. We maken gebruik van een BS170. Twee LED's dienen als lichtsensoren. Met twee NPNtransistors in Darlington- schakeling kon in hoofdstuk 7 een LED gebruikt worden als lichtsensor. Hetzelfde doel bereikt een enkele MOSFET door de bijna oneindig grote ingangsweerstand. Echter zijn nu twee LED's nodig als lichtsensoren.
Afb. 45: De Lichtsensor 19 Condensator- temperatuursensor Een keramische condensator met 100 nF kan als temperatuursensor ingezet worden. Deze condensator heeft een grote temperatuurcoëfficiënt. De capaciteit wordt minder bij opwarming. Bij deze proef moet eerst de schakelaar gesloten en daarna weer geopend worden. De gate spanning wordt daarbij automatisch op de drempelspanning van ongeveer 2 V ingesteld, de LED gaat oplichten. Aan de condensator van 100 nF ligt een spanning van ca. 7 V.
Afb. 46: Resultaat condensatorspanning Afb. 47: De temperatuursensor 20 Minutenlicht Het licht wordt ingeschakeld met een druk op de toets en blijft dan ongeveer 1 minuut ingeschakeld. De overgang tussen licht en donker is heel zacht, gaat wel relatief snel. Met de druk op de toets wordt de elco opgeladen op 9 V. Hij ontlaadt zich via de 470-k weerstand. Zo lang de gatespanning boven ca. 2,6 V ligt, geleidt de FET en levert de basisstroom voor de NPN- transistor welke de LED inschakelt.
Afb. 48: Langzame condensatorontlading Afb. 49: Het minutenlicht 21 Zachte knipperlicht Een LED-knipperlicht met een zachte op- en aflopende helderheid kan bij een geschikte frequentie ontspannend zijn voor de kijker. De helderheid volgt een sinusloop. Deze schakeling stuurt twee LED's precies in tegenfase. Het licht wisselt dus voortdurend met zachte overgangen tussen rood en groen. Afb.
Bij de start van de schakeling zijn de elco's nog ontladen. De BS170 spert en de NPNtransistor geleidt. Er brandt dus eerst alleen de rode LED. Vervolgens probeert de schakeling op een gemiddelde stroom te stabiliseren maar slingert steeds en produceert een sinusvormige signaal, waarbij eenmaal de ene en dan de andere transistor geleidt. Afb.
