Het blokschema. out 1. Stroom versterker. oscillator. out 2. Stroom versterker. inverter. Figuur 1

Transcriptie

1

2 Inleiding Een zogenaamde knipperlicht centrale is vooral in modelbouwkringen een zeer begeerd object. Met zo'n schakeling kunnen immers een heleboel optisch nuttige en leuke effecten verkregen worden zoals de alarmindicatie bij overwegen, miniatuur reclamepanelen, etc. De op deze pagina beschreven schakeling is zeer eenvoudig na te bouwen met standaard onderdelen, maar kan toch zeer hoge eisen vervullen. Zo kan er in totaal niet minder dan 3 A stroom uit de centrale getrokken worden, stroom die verdeeld is over twee uitgangen. Deze twee uitgangen werken geïnverteerd ten opzichte van elkaar. Als de ene uitgang stroom levert, staat de andere op 0 V. Een voordeel van de schakeling is dat de twee uitgangen onafhankelijk van elkaar werken en dat het dus niet noodzakelijk is dat deze met even grote belastingen worden afgesloten. Bovendien is de werking van de schakeling, met name de frequentie, volledig onafhankelijk van de grootte van de belasting. Uiteraard kan men de frequentie van het knipperlicht continu instellen en wel binnen de grenzen 0,5 Hz en 5 Hz. De schakeling wordt gevoed uit een spanning van 5 à 6 V. 2

3 Het blokschema. Het blokschema van deze universele schakeling is getekend in figuur 1. Het hart van de schakeling is een oscillator, uitgevoerd onder de vorm van een astabiele multivibrator. Dit blok bepaalt de frequentie van het uitgangssignaal. Deze schakeling wordt afgesloten met een inverter. De uitgang van de oscillator en de uitgang van de inverter gaan vervolgens naar twee identieke stroomversterkers die de twee signalen geschikt maken voor het sturen van de belasting. Stroom versterker out 1 oscillator inverter Stroom versterker out 2 Figuur 1 3

4 Werking blokschema.! oscillator. De oscillator is, zoals gezegd, uitgevoerd onder de vorm van een astabiele multivibrator. Daarvoor wordt een beroep gedaan op de meest eenvoudige schakeling die denkbaar is: een geïntegreerde Schmitttrigger met RC-terugkoppeling. Het principeschema van de schakeling is getekend in figuur 2. De schakeling wordt toegelicht aan de hand van de grafieken in figuur 3. V A V 2 V 1 t V B t Figuur 2: De oscillator. oscillator. Figuur 3: Werking van de Hart van de schakeling is een poort ST1 uit een 4093 NAND met Schmitttrigger werking. Bij het inschakelen van de voedingsspanning is de condensator C volledig ontladen. De basis van de transistor staat dus op 0 V, het gevolg is dat ook de emitterspanning 0 V is. Deze spanning wordt aangelegd aan de ingangen van de Schmitt-trigger poort, met als gevolg dat de uitgangsspanning 'H' is. Deze hoge spanning gaat via de weerstand R1 de condensator C opladen. Het gevolg is dat de spanning over de condensator langzaam stijgt. 4

5 Omdat de transistor als emittervolger is geschakeld zal de spanning op de emitter deze spanningsstijging over de condensator volgen, zij het met een spanningsverschil van ongeveer 0,6 V. Dat is de geleidingsspanning van de basis-emitter overgang van de transistor. Op een bepaald moment is de condensator zover opgeladen dat de spanning op de emitter van de transistor gelijk wordt aan de bovenste drempel van de poort. De uitgang schakelt plotsklaps van 'H' naar 'L'. De condensatorspanning is nu dus groter dan de spanning op de uitgang van de poort. Het gevolg is dat de stroom door de condensator van richting verandert. De condensator wordt nu ontladen door een stroom die bepaald wordt door de waarde van de weerstand R1. De condensatorspanning gaat dus dalen en na enige tijd zal de spanning op de emitter gelijk worden aan de onderste spanningsdrempel van de Schmitt-trigger. De uitgang van de schakeling klapt om van 'L' naar 'H'. De condensator kan nu weer geladen worden tot de bovenste drempel. Men kan dus besluiten dat over de condensator een spanning ontstaat die op en neer gaat tussen de beide drempels van de poort. Op de uitgang van de schakeling ontstaat een blokvormige spanning. De frequentie van het uitgangssignaal wordt uiteraard bepaald door de waarde van de condensator C en de waarde van de weerstand R1. Hoe groter de condensator en de weerstand, hoe langer het duurt alvorens de spanning op de emitter gestegen of gedaald tot een van de drempels. De frequentie is dus omgekeerd evenredig met de waarde van de onderdelen. In principe kan men deze schakeling ook gebruiken zonder de emittervolger. Nadeel is echter dat de waarde van de terugkoppelweerstand R1 dan aan een maximale waarde van ongeveer 470 Ohm is gebonden. Dat wordt bepaald door de eigenschappen van de TTLtechnologie van de gebruikte poort. De ingangen van een dergelijke poort leveren stroom. Als de ingang wordt afgesloten met een te grote weerstand zal er over de weerstand zoveel spanning vallen, dat de spanning op de ingang nooit onder de laagste drempel van de schakeling kan komen. Een en ander heeft tot gevolg dat men voor de condensator een zeer grote elco zou moeten toepassen. Door gebruik te maken van de emittervolger wordt de ingang van de poort afgesloten met de weerstand R2. Deze kan klein zijn en heeft geen invloed op de frequentie van het signaal. De frequentiebepalende weerstand R1 kan nu veel groter zijn met als gevolg dat men een veel kleinere en dus goedkopere condensator kan toepassen. 5

6 ! De stroomversterker. Het principiële schema van een stroomversterker is getekend in figuur 4. De schakeling bestaat uit een tweetraps versterker. Als de ingangsspanning 'L' is spert transistor T1. De collector van deze halfgeleider staat bijgevolg op de voedingsspanning. Schema: Figuur 4: De stroomversterker. Hetzelfde geldt voor de basis van T2. Omdat de emitter van deze transistor aan de voeding ligt zal deze halfgeleider sperren. Er vloeit geen stroom naar de uitgang. Als de ingangsspanning 'H' wordt zal de eerste transistor in geleiding worden gestuurd. De collectorspanning gaat naar nul. Het gevolg is nu dat de basis van transistor T2 op een veel lagere spanning komt te staan dan de emitter. Er vloeit dus een forse basisstroom, waarvan de waarde wordt bepaald door de grootte van de weerstand R3. Het gevolg is dat transistor T2 volledig in verzadiging wordt gestuurd. De uitgang wordt verbonden met de voeding en kan stroom leveren aan de belasting. Tussen de uitgang en de massa is een indicatie-led D1 geschakeld, in serie met de stroombegrenzingsweerstand R4. Deze LED geeft aan dat de schakeling werkt en dat er spanning op de uitgang van de versterker ter beschikking staat. 6

7 Werking schema. Het volledig schema van de knipperlicht-centrale is getekend in schema EWB. Dit schema is in feite niets meer dan de combinatie van de twee reeds besproken deelschakelingen. De uitgang van de eerste Schmitt-trigger poort stuurt de ingangen van de tweede poort. Deze poort inverteert het uitgangssignaal van de eerste poort. Als dit signaal dus 'L' is zal op de uitgang van de tweede poort 'H' staan. De twee poortuitgangen sturen de ingangen van de twee identieke stroomversterkers. Op de uitgangen UIT1 en UIT2 staan twee complementaire signalen ter beschikking voor het voeden van 6 V gloeilampjes of LED's. Bij gebruik van LED's moeten deze uiteraard voorzien worden van een stroombegrenzende serieweerstand. Gebruik van de schakeling. Zoals reeds geschreven moet de schakeling gevoed worden uit een spanning tussen de 5 en de 6 V. Het is absoluut noodzakelijk een gestabiliseerde voeding te gebruiken die een uitgangsstroom van 1,5 A kan leveren. Verder is het verboden meer dan 6 V over de schakeling te zetten. Het TTL-IC kan namelijk niet meer dan deze spanning verdragen. Wil men zelf een voeding bouwen, dan kan men gebruik maken van een 8 V trafo, een gelijkrichtbrug, een afvlakcondensator van uf en een geïntegreerde spanningsstabilisator van het type 7805 die op een flinke koelplaat wordt gemonteerd. De frequentie van het uitgangssignaal is regelbaar met de instelpotentiometer R2. 7

8 Volledig schema. 8

9 De oscillator. 9

10 De stroomversterker. 10

11 Werking van de componenten. 1) Schmitt-triggers : Een Schmitt-trigger is een elektronische schakeling die behoort tot de familie van de bistabiele multivibratoren of flipflops ; hij kan bij gevolg twee verschillende stabiele toestanden aannemen. Het omkippen van een Schmitt-trigger wordt echter niet gerealiseerd door bepaalde trigger pulsen zoals bij een flipflop, maar door sturing met twee verschillende spanningsniveaus aan één ingang. Deze spanningsniveaus noemt men meestal TRIGGERNIVEAUS (threshold voltages) en worden aangegeven met U T+ en U T- Eigenschappen :! Voor een ingangsspanning die lager is dan het hoge triggerniveau U T+ (positive threshold voltages) is het uitgangsniveau hoog.! Zodra de ingangsspanning het niveau U T+ bereikt, kipt de Schmitttrigger om. De uitgang wordt laag. Een verdere stijging van de ingangsspanning heeft dan geen invloed meer op het uitgangsniveau.! Wordt de ingangsspanning verminderd tot beneden de drempel of triggerniveau U T-. (negative going threshold voltages), dan kipt het uitgangsniveau weer om naar de logische toestand 1. Het spanningsniveau tussen de twee triggerniveaus noemt men de HYSTERESISSPANNING 11

12 U in U T+ U T- t U uit t 2) Transistors :! Men kan een transistor gebruiken als versterker of als schakelaar. In dit geval word hij gebruikt als schakelaar.! Deze transistor heeft 3 klemmen : 1. Basis 2. Collector 3. Emitter! De transistor is ingedeeld in : 1. NPN 2. PNP! NPN Symbool PNP C I C V BE E I E I B B I B V CE V CE B V BE E I E C I C 12

13 Diode modellen C E B B E C! Gelijkstroom versterkingsfactor : β = I C / I B! Uitgangskarakteristiek : IC ( ma ) VCE ( V )! Ingangskarateristiek : IB ( ma ) VBE ( V )! Om de collector van de transistor te weten kijk dan in de datasheets. emitter basis 13

14 3) Condensator. Hoe werkt een condenstor? Je kan het vergelijken met een grote bak met water, vullen (=opladen) en leeggooien (=ontladen) kost enige tijd en is afhankelijk van de inhoud (=capaciteit) van de bak. De dynamo in de auto kan je zien als "kraan", hij vult de accu en condensator continu aan als er water (=stroom) verbruikt wordt. De laad- en ontlaadtijd van helemaal leeg naar helemaal vol is heel erg kort, slechts een paar milliseconden. Een hele grote condensator (1 Farad) zal nooit helemaal leeg worden getrokken vanwege z'n grote capaciteit en omdat 'ie continu wordt opgeladen door de accu en dynamo. Om te laten zien wat een condensator nou precies doet met gelijk- en wisselspanning, hier wat formules: Xc = 1 /(2 x π x f x C) = 0,159 / (f x C) Xc = reactantie of wisselstroom weerstand [ohm] f = frequentie wisselspanning [Hz] C = capaciteit [F] Wat voor condensator? Er zijn een aantal verschillende uitvoeringen te koop:! laadelectronica, kortsluitbeveiling! spanningsmeter! capaciteit in Farad 14

15 4) Weerstanden. Wat is een weerstand? Een weerstand is een component met een bepaalde elektrische weerstand. Doel. Het doel van een weerstand is het beperken van de stroomdoorgang. Toepassing. Een weerstand word gebruikt om de stroomsterkte in de elektrische schakeling in te stellen. Aanduiding. De weerstandswaarde waarmee een weerstand wordt aangeduid is ohm. Een paar soorten weerstanden : 15

16 16

17 17

18 Kleurcode. 18

19 Printontwerp. 1) Hoe print ontwerpen op Eagle? Eerst maakt men de schakeling in schematic (zie schema schematic). Daar ga je de componenten opzoeken in de zogehete library, de afmeting tussen de klemmen van de componenten speelt een belangrijke rol. Als alle componenten met elkaar verbonden zijn schakel je over naar board (zie schema board). In board worden de koperbanen tussen de verschillende componenten gelegd. Men zet de componenten op de juiste plaats zodat men zo weinig mogelijk kruisingen bekomt. Je zet er best een naam op, zodat men bij het belichten de juiste zijde belicht. Om de koperzijde op slide te zetten laat men de componenten weg. 2) Hoe een print maken? Belichten : Dit gebeurt in een belichtingsbak voorzien van UV lampen. Men legt de slide erop, met daarop de fotogevoelige print, de print moet groot genoeg zijn zodat alle banen erop kunnen. Zorg ervoor dat de tekst leesbaar op de print komt. Laat de print nu 3 minuten en een streepje belichten. Na het belichten word de print ondergedompeld in een vloeistof bestaande uit WC ontstopper (natriumhydroxide = NaOH), daarna met de print afgespoeld worden met water. Etsen : Dit gebeurt in een etsbak gevuld met ijzerperchloride = FeCl 3, een kopervretende vloeistof. Gebruik bij het etsen van de print rubberen handschoenen voor de veiligheid. Wacht nu tot de koperbanen goed zichtbaar zijn. Nadien afspoelen met water. Na het etsen, de print reinigen met methanol. Na het boren nog een keer reinigen, de print kan nu gesoldeerd werden. 19

20 Algemeen besluit. Belangrijke opmerking : De schakeling is niet kortsluitvast! Als men een voeding gebruikt die ook geen stroombegrenzing heeft betekent het kortsluiten van een van de uitgangen naar de massa onherroepelijk het einde van de betreffende eindtransistor. Als men echter een 7805 gebruikt in de voeding kan een kortstondige kortsluiting geen kwaad. Dit IC heeft namelijk een ingebouwde stroombegrenzing zodat bij kortsluiting de stroom door de stabilisator, maar dus ook door de eindtransistor van de schakeling op een veilige waarde begrensd wordt. Voor de rest bedank ik mijn collega s voor hun steun. Mijn vriendin heeft mij ook zéér veel geholpen met mijn werk, En daarvoor ben ik ze dankbaar. Ik bedank ook de leeraars voor de ervaaring die ze bij bezorgt hebben. 20