Bestnr Zonne-energie leerpakket

Transcriptie

1 Bestnr Zonne-energie leerpakket 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. Deze gebruiksaanwijzing voldoet aan de technische eisen bij het in druk gaan. Wijzigingen in de techniek en uitvoering voorbehouden. Copyright 2010 by CONRAD ELECTRONIC BENELUX B.V. Internet: of

2 Leerpakket zonne-energie begrijpen en toepassen 1 Voorbereiding Het experimenteerbord Zonnemodule Zonnemotor Diode Lichtdiodes Weerstanden Elektrolytcondensators Schakeldraad 7 2 Aansluiting en functie van de zonne-energie-module Zonnemodule aansluiten op het experimenteerbord De functie van de zonnemodule en geschikte lichtbronnen 9 3 Polariteit van de zonnestroom bepalen 10 4 Zonnestroom direct met LED's gebruiken 11 5 Serie- en parallelschakeling 12 6 Zonnestroom met tussenopslag 14 7 Zonnestroom, hoge energie? 16 8 De zonneaandrijving voorbereiden 17 9 Zonne-energie omzetten in beweging Zonnebewegingsenergie met starthulp Schaduw op de zonnemodule oorzaken en effecten Het richten van de module naar een lichtbron Invloed van de temperatuur op de zonnemodule Meer zonne-energie door spiegeltechniek Zonne-energie opslaan Opgeslagen zonne-energie en mechanische energie Zonne-energie, laadbewaking en tankindicatie Zonne-energie en terugstroomblokkering Accu's met zonne-energie opladen Chemische processen met zonne-energie 35 2

3 2010 Franzis Verlag GmbH, D Poing Auteur: Ulrich Stempel Art & Design, Satz: ISBN Geproduceerd in opdracht van de firma Conrad Electronic SE, Klaus-Conrad-Str. 1, D Hirschau Alle rechten voorbehouden, ook die van de fotomechanische weergave en het bewaren in elektronische geheugens. Het maken en verspreiden van kopieën op papier, datadragers of op internet, in het bijzonder als PDF, is uitsluitend met toestemming van de uitgeverij toegestaan en kan anders strafrechtelijke gevolgen hebben. De meeste productbenamingen van hard- en software en de bedrijfslogo's, die in dit boek genoemd worden, zijn in de regel geregistreerde handelsmerken en moeten zodanig in acht worden genomen. De uitgeverij handhaaft voor de productbenamingen hoofdzakelijk de schrijfwijze van de fabrikant. Alle in dit boek gepresenteerde schakelingen en programma's zijn met de grootste zorgvuldigheid ontwikkelt, gecontroleerd en getest. Niettemin kunnen fouten in het boek en in de software niet helemaal uitgesloten worden. De uitgeverij en de auteur zijn niet aansprakelijk voor fouten en de eventuele gevolgen hiervan. 3

4 1 Voorbereidingen 1.1 Het experimenteerbord Met het experimenteerbord kunnen experimenten zonder soldeerbout opgebouwd worden. Ook wordt deze laborsteekbord, of eenvoudiger alleen steekbord genoemd, het bord bezit binnenin contactveren die als reeksen met elkaar verbonden zijn. De elektronische bouwcomponenten en verbindingsdraden kunnen meermaals in de contacten gestoken worden en maken het mogelijk om schakelingen op te bouwen zonder solderen of schroeven. Schuin met een zijkniptang afgeknipte aansluitdraden zijn makkelijker in te steken. Het bij dit leerpakket meegeleverde experimenteerbord heeft in totaal 270 contacten in een raster van 2,54 mm.de 230 contacten in het midden zijn telkens door verticale stroken in 5- voudige reeksen verbonden. Aan de rand van de langere zijden bevindt zich elk een rij met 20 contactpunten die horizontaal met een rails verbonden zijn. Deze "bovenste" en "onderste" rij is geschikt als stroomvoedingsrail. Afb. 1: Interne principe van het experimenteerbord 1.2 Zonnemodule De meegeleverde zonnemodule bestaat uit meerdere polykristallijne zonnecellen. Het siliciummateriaal is samengesteld uit meerdere kristallen en wordt door doteren opzettelijk zo verontreinigd dat er een negatieve en een positieve laag ontstaat. De bovenste is de N-laag (negatief gedoteerd) die voorzien is van een donkerblauwe laag voor een betere absorptie van het licht. De onderste is de P-laag. Door lichtinval komen de elektronen in beweging en er ontstaat een spanning tussen de twee genoemde lagen. Deze spanning en de vloeiende stroom kunnen we dan gebruiken. Een enkele kristallijne siliciumzonnecel komt op ca. 0,5 V per cel. De stroom is afhankelijk van de celgrootte. Zonnemodule Afb. 2: schakelsymbool zonnemodule 4

5 1.3 Zonnemotor Bij het leerpakket vind u een zonnemotor, die alleen een minimale aanloopstroom en een minimale aanloopspanning benodigd. Deze zonnemotor is een laagspanning- gelijkstroommotor. M = motor Afb. 3: Schakelsymbool motor 1.4 Diode Een diode laat de stroom alleen in één richting door. Daarom worden diodes onder meer gebruikt voor het gelijkrichten van wisselspanningen of voor het blokkeren van ongewenste polariteit bij gelijkspanningen. De functie van een diode bij normale werking, kunt u het eenvoudigste vergelijken met een terugslagventiel (waterinstallatie). Afb. 4: Siliciumdiode type 1N De kathode van de diode is te herkennen aan de opgedrukte streep, de andere aansluitdraad is de anode. De technische stroomrichting gaat van de anode naar de kathode. In de doorlaatrichting (schakelsymbool pijl) begint bij de siliciumdiode, zoals bij de 1N 4148 pas vanaf een spanning van ca. 0,6 tot 0,7 V noemenswaardige stroom te vloeien. Afb. 5: Schakelsymbool diode In fotovoltaïsche installaties worden diodes normaalgesproken op twee manieren gebruikt: als blokkeringdiode en als bypassdiode. Blokkeringdiodes voorkomen dat de fotovoltaïsche module de accu ontlaad als er geen zonlicht is. De bypassdiodes beschermen zonnecellen en het paneel voor eventuele schade die door partiële schaduw kan optreden. 5

6 1.5 Lichtdiodes De LED (light emitting diode = lichtuitstralende diode) heeft nog een verdere eigenschap: ze licht op als er een spanning aangelegd wordt. LED's moeten normaalgesproken altijd met een voorschakelweerstand als stroombegrenzer toegepast worden. Rode LED's werken met minimale spanning (1,8 V). Daarna volgen de gele, groene, blauwe en als laatste de witte LED's met de hoogste spanning (tot max. 3,6 V). Afb. 6: Aansluiting van lichtdiodes: de anode (+) met de langere aansluitdraad en de kathode (-), extra markering door een afvlakking (6b) aan de behuizing. Afb. 7: Schakelsymbool LED Naast de "normale" LED's zijn er nog speciale uitvoeringen zoals bijv. knipperende LED's. De knipper- LED heeft ter herkenning een kleine zwarte punt binnen de rode behuizing. Deze punt bevat een hele kleine elektronica in de vorm van een geïntegreerde schakelcircuit welke de LED zodra de juiste spanning aangelegd wordt laat knipperen. 1.6 Weerstanden Een weerstand is een passief bouwelement in elektrische en elektronische schakelingen. Zijn hoofdtaak is het reduceren van de vloeiende stroom naar "zinvolle" waarden. De weerstandswaarden zijn door de opgedrukte gekleurde ringen gecodeerd. De eerste vier kleuren van de ringen tonen de weerstandswaarde overeenkomstig de navolgende tabel. De vijfde (smallere) gekleurde ring staat voor de tolerantie van de weerstandswaarde. Een hint voor het eenvoudig onderscheiden van de weerstanden in dit leerpakket: de 10--type is dikker dan de anderen. Van de 100--type zijn er twee. In het leerpakket bevinden zich metaallaag- weerstanden met de volgenden waarden: Weerstandswaarde 1 e ring 2 e ring 3 e ring 4 e ring 6 e ring 10 bruin zwart zwart goud bruin 100 bruin zwart zwart zwart bruin 1 k bruin zwart zwart bruin bruin 2,2 k rood rood zwart bruin bruin R = weerstand Afb. 8: Schakelsymbool weerstand 6

7 1.7 Elektrolytcondensatoren (elco's) Elektrolytcondensatoren bezitten tegenover de normale condensatoren een hoge capaciteit. Vanwege het elektrolyt is een elco afhankelijk van de polariteit en de aansluitingen bezitten daarom een plus- en een minpool. Als deze component voor langere tijd "verkeerd om" aangesloten is, zal dit het elektrolyt van de condensator vernielen. De opgedrukte maximale spanning mag niet overschreden worden omdat anders de isolatielaag onherstelbaar beschadigd kan worden. F betekent "Microfarad"; de eenheid is het miljoenste deel van de basiseenheid. Afb. 9: Elektrolytcondensatoren (elco's) met aansluitingen, de pluspool is de langere draad. Bijkomend is de minpool aan de behuizing met een lichte streep gemarkeerd. C = Elektrolytcondensator Afb. 10: Schakelsymbool elco 1.8 Schakeldraad Draadbruggen kunnen met de meegeleverde schakeldraad gemaakt worden. De lengte van de draadbrug kunt u schatten of afmeten (inclusief de lengte voor de draadeinden, die in de contacten ingestoken worden). De draadeinden worden ca. 8 mm afgestript. Met een zijkniptang schuin afgeknipte draden passen makkelijker in de gaten van het experimenteerbord. De op die manier gemaakte draadbruggen kunnen steeds weer gebruikt worden. 2 Aansluiting en functie van de zonnemodule De eigenschappen en functies van een zonnemodule leert u kennen in de navolgende hoofdstukken door praktische experimenten. Hier wordt uitgelegd hoe zonnemodules toegepast kunnen worden en waarop gelet moet worden om optimale energieopbrengsten te bereiken. 7

8 2.1 De zonnemodule op het experimenteerbord aansluiten Proefopbouw: 1 zonnemodule, experimenteerbord, strip Op de achterzijde van de module bevinden zich soldeeraansluitingen met hieraan gesoldeerde kabels. De stroomsoort die door de module geleverd wordt is gelijkstroom. Zodoende zijn er net als bij een accu een plus- en minpool. Sluit de zwarte en de rode kabel aan op het experimenteerbord. Wij bevelen aan om in de onderste rail de zwarte kabel in te steken en de rode in de bovenste rail. Voor haast alle navolgende experimenten kan de zonnemodule aangesloten blijven. Afb. 11: De aansluitdraden van de zonnemodule kunnen direct in het experimenteerbord ingestoken worden, hoewel insteekstiften de aansluiting kunnen stabiliseren. Plaats de zonnemodule op een manier zodat deze voldoende instraling krijgt door een heldere lichtbron. Om de vermogenswaarden rond de zonnemodule te berekenen zijn er verschillende meetmethodes: - aanduiding met LED's -. metingen via een verbruiker, bijv. een motor - metingen met een multimeter (extra nodig) - metingen en evaluatie via een PC (is niet gepland) Met lichtdiodes kunnen eenvoudige meettaken, zoals de polariteitaanduiding of principiële functieaanduidingen, goed uitgevoerd worden. Als er gedetailleerde meetresultaten gewenst zijn is een multimeter een goede hulp. Hier in het leerpakket worden eenvoudige metingen en functieaanduidingen met LED's en met de motor uitgevoerd. 8

9 2.2 De functie van de zonnemodule en geschikte lichtbron Proefopbouw: zonnemodule, experimenteerbord, weerstand 100, rode LED Deze proef functioneert ook met weinig licht (bewolkte hemel), bij veel licht (volle zon) zijn de zichtbare effecten duidelijker. Steek de aansluitingen van een rode LED (lichtdiode) en de voorschakelweerstand 100 in het experimenteerbord. De langere aansluiting van de lichtdiode wordt met de rode "zijde" (+) verbonden. Afhankelijk van de intensiteit van de instraling zal de LED meer of minder helder branden. Als de LED niet gaat branden, is of te weinig "lichtenergie" aanwezig of de polariteiten zijn verwisselt bij het aansluiten. Knippert de LED, dan heeft u de rode knipperende LED gebruikt. zonnemodule Afb. 12: Eenvoudige functietest met een rode lichtdiode Afb. 13: Opbouw experimenteerbord Deze proef kunt u met verschillende lichtbronnen uitvoeren, bijv. met direct zonlicht, een halogeenlamp, een gloeilamp, een zaklamp, een energiespaarlamp, een neonlamp, een LED- zaklamp enz.. Als de LED helder oplicht is het een geschikte lichtbron. 9

10 3 Polariteit van de zonnestroom bepalen Proefopbouw: zonnemodule, experimenteerbord, weerstand 100, rode LED, oranje LED of groene LED. Voor de volgende proef heeft u een heldere lichtbron nodig. Vervolgens bouwen we nu een polariteitstester op, waarmee u de polariteit (plus- en minpool) van de zonnemodule en andere spanningsbronnen gemakkelijk kunt vaststellen, zonder iets om te steken. Vanaf de bovenste voedingrail wordt een verbinding gemaakt naar een 5-voudige contactreeks met een voorschakelweerstand van 100 en vanaf daar schuin naar een verdere 5-voudige contactreeks. Vanaf de onderste voedingrail worden twee LED's met de 5-voudige contactreeksen verbonden. De LED's tonen de polariteit. Als voorbeeld kunnen de LED's zo ingestoken worden zodat de rode LED bij verkeerde polariteit en de oranjekleurige bij een juiste polariteit oplicht. In plaats van de oranjekleurige LED kan ook een groene LED toegepast worden, hoewel dan de functie bij daglicht minder herkenbaar is. De aansluitdraden van de zonnemodule kunnen nu zonder op de polariteit te letten op het experimenteerbord aangesloten worden. De LED's signaleren de polariteit. Afb. 14: Experimenteerbord met polariteitstester d.m.v. LED's 10

11 Afb. 15: Gedetailleerde bedrading Als de polariteitstester voor hogere batterijspanningen (bijv. 9 V) gebruikt zal worden moet de voorschakelweerstand omgeruild worden tegen een met 1 K, anders kan de LED vernielt worden. 4 Zonnestroom direct met LED's gebruiken Proefopbouw: zonnemodule, experimenteerbord, voorschakelweerstand 100, rode, groene, oranje LED, knipper- LED. Deze proef functioneert ook met weinig licht (bewolkte hemel) Afb. 16: Steek achter elkaar de groene, rode, oranje en de knipper-led in het experimenteerbord. De langere aansluitdraad van de LED's is de pluspool. 11

12 Afb. 17: Het bijhorende schakelschema; steek eerst de groene, de rode en dan de knipper-led in het experimenteerbord om het stroomcircuit te sluiten. Verwijder één aansluiting van de zonnemodule. Wat gebeurt er? De LED's lichten niet meer op. Plaats de aansluiting weer terug de LED's branden weer. 5 Serie- en parallelschakeling Proefopbouw: zonnemodule, experimenteerbord, LED rood, groen, oranje, 2 weerstanden 100. Deze proef functioneert ook met weinig licht (bewolkte hemel) Afb. 18: a) Principe van een serieschakeling van enkele zonnecellen; b) String van kristallijne cellen met verbindingen van de afzonderlijke zonnecellen door platte verbinder. Aan de hand van de LED's kan het principe van serie- en parallelschakeling bestudeert worden. 12

13 Wat betekent serieschakeling bij zonnecellen zoals gemaakt bij de module in dit leerpakket? De spanningen vermeerderen zich als de zonnecellen in serie met elkaar verbonden worden. De kortsluitstroom komt overeen met die van een enkele zonnecel en wel de zwakste (het zwakste lid in de keten). Als op een zonnecel schaduw valt, daalt het vermogen van de complete zonnemodule om dat deel met schaduw. Bij gedeeltelijke schaduw op een cel voorzien de bestraalde zonnecellen de beschaduwde zonnecel met hun stroom, waardoor deze opgewarmd wordt en in extreme gevallen onherstelbaar beschadigd kan worden. Wat betekent serieschakeling? Om dit in de praktijk na te bootsen voert u het volgende experiment met de LED's door.: Afb. 19: Steek de rode en de oranje (of groene) LED in het experimenteerbord zodat beide LED's achter elkaar geschakeld zijn. De langere aansluitdraad van de LED's is de pluspool. Afb. 20: Het bijhorende schakelschema Bij deze opbouw is geen voorschakelweerstand nodig. Hoe helder gaan de LED's branden? Afzonderlijke zonnecellen (of zonnemodules) kunnen ook elektrisch parallel geschakeld worden. Hiertoe worden telkens alle min- en alle pluspool- aansluitingen van de zonnecellen met elkaar verbonden. Het resultaat: De spanning van parallel geschakelde zonnecellen komt overeen met die van een enkele cel. De kortsluitstroom verhoogd zich met de totaalstroom van de enkele cellen. Als de zonnecellen even sterk zijn, verhoogd zich de kortsluitstroom met het aantal van cellen. Er is mogelijk om cellen met verschillend vermogen (kortsluitstroom) samen te schakelen. 13

14 Bij gedeeltelijke schaduw op een cel voorzien de bestraalde zonnecellen de uitgeschakelde cel met de verhoogde stroom. De cel wordt daardoor opgewarmd en kan in extreme gevallen onherstelbaar beschadigd worden. Afb. 21a: Parallelschakeling van meerdere zonnecellen Afb. 21b: Parallelschakeling met twee LED's 6 Zonnestroom met tussenopslag Proefopbouw: zonnemodule, experimenteerbord, voorschakelweerstand 100, knipper- LED, elco µf Deze proef functioneert ook met weinig licht (bewolkte hemel) Steek de knipper- LED en de voorschakelweerstand in het experimenteerbord Afb. 22: Schakelschema: voorschakelweerstand en knipper- LED 14

15 Afb. 23: Opbouw experimenteerbord Afhankelijk van de lichtinval op de zonnemodule zal de LED helder of minder helder opblinken. Bij weinig licht is het knipperen haast niet te zien. Steek nu bijkomend de elco in het bord. Eerst zal de LED niet gaan knipperen, maar ook bij weinig licht helderder. Extra proef: steek nu nog een LED, bijv. de rode, in plaats van de voorschakelweerstand in serie tot de knipper- LED. U heeft nu ineens twee knipperende LED's. Afb. 24a: Schakelschema knipper- LED en rode LED in serie Afb. 24b: Opbouw experimenteerbord: knipper- LED in serieschakeling 15

16 7 Zonnestroom, hoge energie? Proefopbouw: zonnemodule, experimenteerbord, oranje, heldere LED, elco 100 µf, µf Deze proef functioneert ook met weinig licht (bewolkte hemel), de laadtijden worden vermindert bij een sterke lichtbron. Een LED- flitslicht op zonne-energie kunt u met eenvoudige middelen opbouwen. Afhankelijk van het lichtaanbod laat de LED na een laadtijd van een paar seconden een heldere lichtflits zien wanneer op de toets gedrukt wordt. Afb. 25: Opbouw LED- lichtflits De toets kunt u gemakkelijk zelf maken met de meegeleverde draad. Afb. 26: Draadschakelaar of toets d.m.v. de schakeldraad in het leerpakket 16

17 Afb. 27: Schakelschema flitslicht op zonne-energie, alternatief met de kleine en de grote elco Experimenteer eerst met de kleine elco van 100 µf en vervang deze in de tweede proef door de µf- elco. Vanwege de minimale spanning bedraagt de flitsenergie slechts 2 mws. Er wordt een relatief kleine laadstroom benodigd welke de zonnemodule gemakkelijk kan leveren. Afhankelijk van de lichtbron is de elco al naar een paar seconden voldoende opgeladen. Dek nu de zonnemodule af en druk vervolgens kort op de toets. De LED's laten kort een flits zien. Slechts een minimale resthelderheid blijft behouden, wanneer verder minimale stroom door de zonnemodule wordt geleverd. 8 De zonne-energie- aandrijving voorbereiden Proefopbouw: 1 zonnemotor, experimenteerbord, stiftstrip, schijf De aansluitkabels van de motor bestaan uit flexibele draden, net als bij de zonnemodule. Sluit de zwarte en de rode kabel aan op het experimenteerbord. Aanbevolen wordt om de zwarte draad in de onderste rail te steken en de rode draad (+) in een contact van een 5- voudige contactreeks. Afb. 28: De aansluitkabels van de zonnemotor (draadeinden) kunnen wel direct in het experimenteerbord gestoken worden, hoewel stiftjes de aansluiting steviger maken. Voor het zien of zich de motoras tijdens de proeven draait, is het zinvol de meegeleverde schijf op de motoras te monteren. Boor hiertoe met een naald in het midden een gaatje. Steek de kartonnen schijf op de as van de motor. 17

18 Afb. 29: Kartonnen schijf voorbereiden voor het opsteken Afb. 30: Kartonnen schijf op de motoras monteren a) van boven, b) vanaf de zijkant 18

19 9 Zonne-energie omzetten in beweging Proefopbouw: zonnemodule, experimenteerbord, motor met schijf Voor de volgende proef heeft u een heldere lichtbron nodig of een volle directe zonnestraling op de zonnemodule. Afb. 31: Proefopstelling met de zonnemodule, experimenteerbord en motor zonnemodule motor Afb. 32: Schakelschema zonnemodule en motor De motor kan ook met een stuk dubbelzijdig plakband op een stuk karton bevestigd worden. 19

20 Afb. 33: De schijf draait Als er voldoende licht op de zonnemodule valt, begint de motoras automatisch te draaien. Bij te weinig licht heeft de motor misschien een lichte aanloop met de vinger nodig om in beweging te komen. Dit kan gebeuren omdat de aanloopstroom van een motor meer dan het dubbele hoger kan zijn dan de werkingsstroom voor continue werking. Afb. 34 Bij te weinig licht, de motor met de wijsvinger "starten"; reden: de aanloopstroom is hoger dan de continue werkingsstroom. Deze proef toont ook de verschillende werkingswijzen van zonnestroom en stroom welke uit accu's en batterijen komt. De stroombehoefte bij het aanlopen van de motor wordt bij volle accu's of batterijen zonder problemen geleverd. De zonnemodule in de directe werking kan alleen de stroom leveren die door de momentele lichtinstraling (en het rendement van de zonnecellen) omgevormd worden. Heeft u een 1,5 V- batterij of accu bij de hand, probeer het dan maar uit deze aan de motor aan te sluiten. 20

21 10 Zonnebewegingsenergie met starthulp Proefopbouw: zonnemodule, experimenteerbord, motor, elco µf, knipper- LED Voor de volgende proef heeft u een heldere lichtbron nodig of een volle directe zonnestraling op de zonnemodule. In deze schakeling wordt de elco door de zonnemodule opgeladen. De knipper- LED en de zonnemotor zijn in serie met de condensatoropslag verbonden. Met toenemende lading in de elco gaat de LED knipperen. Bij voldoende licht en energievloed, krijgt de zonnemotor stroomimpulsen, dit kan een pulserende draaiing veroorzaken. Afb. 35: Opbouw experimenteerbord met draadschakelaar. Afb. 36: Schakelschema Met een draadschakelaar kunt u nu de motor direct met de elco verbinden. Als de elco geladen is, draait de schijf met een hoog toerental. 21

22 Extra proeven: experimenteer met of zonder draadschakelaar en telkens een 10, 100 en 1 k- weerstand. Wat verandert zich bij het motortoerental en de functie? Afb. 37: Extra proeven met weerstanden De extra proeven, zoals getoond in afbeelding 37, laten zien dat de stroomvloed naar de motor door de weerstanden verandert kan worden en zodoende het toerental beïnvloeden. 11 Schaduw op de zonnemodule oorzaken en effect Proefopbouw: zonnemodule, experimenteerbord, motor of LED's met voorschakelweerstand Voor de volgende proeven heeft u een heldere lichtbron nodig of een volle directe zonnestraling op de zonnemodule. De rangschikking van de proef toont afbeelding 38. De LED's (alternatief de motor) worden op de module aangesloten, de module wordt naar de lichtbron gericht en de motoras draait. Voer de experimenten buiten uit bij heldere zonneschijn, de motor is hierbij geschikter dan de LED's omdat het oplichten van de LED's in een helder omgevingslicht nauwelijks te zien is. In de kamer kunt u de LED's ook afschermen met een stuk karton. Afb. 38: Schaduw met a) karton en b) folie 22

23 Ga nu met de hand langzaam schaduw op een deel van de module brengen. Het toerental van de motor wordt langzamer of de motor stopt helemaal met draaien. Afb. 39: Op de zonnemodule kunnen alternatief de motor of de LED's met een 100 voorschakelweerstand aangesloten worden. U kunt nu verdere proeven op deze manier uitvoeren: Een lichte schaduw door een extra ruit of een matte folie produceren, deze houdt u tussen de lichtbron en de zonnemodule. Een sterke schaduw door een stuk karton of hout produceren, deze houdt u direct boven de zonnemodule. Enkele zonnecellen van de zonnemodule beschaduwen door een stuk karton direct op een of meerdere zonnecellen te leggen. Afb. 40: Enkele zonnecellen beschaduwen 23

24 Bij grote PV-installaties, die met kristallijne zonnemodules uitgerust zijn, is het schaduwthema steeds weer actueel. Zodat bij het gedeeltelijke beschaduwen bijv. door bladeren, niet de gehele zonnegenerator uitvalt, worden Schottky- diodes voor de "stroomomleiding" rond de beschaduwde zonnecellen toegepast. Bij verkeerde diodes kan het in extreme gevallen tot een Hot Spot komen, waarbij enkele zonnecellen vernielt worden. 12 De uitlijning van de module op een lichtbron Proefopbouw: zonnemodule, experimenteerbord, motor Voor de volgende proeven heeft u een heldere lichtbron nodig of een volle directe zonnestraling op de zonnemodule. Afb. 41: Proef met uitlijning van het moduul naar de lichtbron 24

25 Afb. 42: Twee principiële uitlijningen Neem de zonnemodule tussen duim en wijsvinger (zonder het oppervlak te beschaduwen) en richt het oppervlak van de module in een rechte hoek naar de lichtbron. Hoe snel draait de motoras? Varieer nu de uitlijning, door de zonnemodule heen- en weer te bewegen in de richting naar de lichtbron en let daarbij op de motor. Hoe verticaler de lichtstralen op de zonnemodule vallen des te meer lichtenergie kunnen de zonnecellen in elektrische stroom omzetten en daarmee de motor voeden. Afb. 43: Schematische voorstelling van de hellingshoek naar de lichtbron. Het aantal pijlen die op de zonnemodule gericht zijn staan voor de lichtintensiteit. Richt de zonnemodule, met behulp van karton, houtblokken of derg. precies op de zon of een andere lichtbron. Let op de motor. Zoals hierboven beschreven, draait de motoras. Nu heeft u een pauze verdient. Wacht ongeveer 1 uur (of meerdere uren) en kijk dan weer naar uw proefopstelling. De zon staat niet meer precies verticaal tot de zonnemodule, de motor draait langzamer of is zelfs blijven staan. Omdat de zon aan de hemel van Oost naar West beweegt (uiteraard alleen schijnbaar), zou de zonnemodule optimaal in de uitlijning naar de zon geleid moeten worden. 25

26 13 Invloed van temperatuur op de zonnemodule Proefopbouw: zonnemodule, experimenteerbord, motor of LED's, weerstand 100, zwarte folie of karton, thermometer Voor de volgende proeven heeft u een heldere lichtbron nodig of een volle directe zonnestraling op de zonnemodule. Bij deze proeven kunt u bekijken wat de invloed is van de omgevingstemperatuur op het afgegeven vermogen van de zonnemodule. De zonnemodule direct naar de zon uitrichten, gebruik de motor of een LED voor de aanduiding van het vermogen. Zwart papier of karton die tijdelijk op de zonnemodule gelegd worden, warmen deze sterker op. Als u geen thermometer bij de hand heeft, kan de temperatuur ook met de vingers gevoeld worden. Afb. 44: Proefopbouw welke invloed heeft de temperatuur op de zonnemodule? Voor het meten van de temperatuur, gebruikt u een oppervlaktethermometer die met een stuk plakband achter op de module bevestigd wordt. Als u deze proef op een warme, zonnige zomerdag uitvoert (gunstiger) hoeft u uiteraard geen zwart karton gebruiken. Daardoor zou het opwarmeffect versterkt worden. Een zwart oppervlak neemt sneller de warmte op. Bouw de proef in de directe zon op en kijk na het vermogen van de motor of de ingestoken LED. Voel met de hand de oppervlaktetemperatuur van de zonnemodule. 26

27 De blauwe laag op de zonnemodule zorgt er voor dat het licht zo veel mogelijk geabsorbeerd en zo min mogelijk gereflecteerd wordt. Nadeel: het oppervlak wordt sterk opgewarmd. Bij directe instraling van de zon is een opwarming van het oppervlak van boven de 60 C niet zeldzaam. Met dit experiment kunt u herkennen: de op de zonnemodule aangesloten verbruiker loopt bij toenemende opwarming iets langzamer. Leg de module een half uur in de koelkast en herhaal het experiment met de zonnemodule met dezelfde zonnesterkte en aangesloten motor. 14 Meer zonne-energie door spiegeltechniek Proefopbouw: zonnemodule, experimenteerbord, motor, spiegel (bijv. spiegelend metaal, spiegeltegel, cosmeticaspiegel, spiegelfolie enz., de spiegel moet ten minste de afmeting van de zonnemodule hebben). Voor de volgende proeven heeft u een heldere lichtbron nodig of een volle directe zonnestraling op de zonnemodule. De proefopbouw met de zonnemodule en de motor is identiek met de voorgaande proeven. Bij het positioneren van de spiegels kunt u het gespiegelde licht, afhankelijk van de plaatsing van de spiegel, op de tafel, op de muur of op de zonnemodule zien. Er mag door de spiegel geen schaduw op de zonnemodule vallen. Als het spiegellicht bijkomend met het directe licht op de zonnemodule valt, moet u op de motor letten. a) Spiegelpositie voor, onderaan de zonnemodule. Door verandering van de hellingshoek van de spiegel naar de module kan de dubbele lichthoeveelheid op de module gebracht worden. Afb. 45: Bij deze proef werd een spiegeltegel onder de zonnemodule gelegd. b) Door twee spiegels aan de zijkanten rechts en links, bij de juiste uitlijning van de spiegels naar de module, kan er tot een drievoudige lichthoeveelheid op de module gebracht worden. 27

28 Afb. 46: Het spiegelprincipe: de door de spiegel op de zonnemodule reflecterende lichtstralen zorgen voor extra energie. Opgelet moet worden dat de invalshoek op de spiegels overeenkomt met de uitvalshoek naar de zonnemodule. 15 Zonne-energie opslaan Proefopbouw: zonnemodule, experimenteerbord, voorschakelweerstand 100, LED rood, groen, oranje, knipper- LED, elco 100 µf en elco µf Deze proef functioneert ook met weinig licht (schaduw, bewolkte hemel). Klopt de bewering dat het geringe afgegeven vermogen van uw zonnemodule door doelmatige opslag van de stroom over een langere periode een hoge energiehoeveelheid kan opleveren? Het voor ons onzichtbare principe van de elektrische stroom kan vergeleken worden met het principe welke wij kunnen zien bij water, vergelijken en verklaren: een waterkraan (uw zonnemodule) druppelt meerdere uren en vult met de tijd een 10-l-emmer met water. Afb. 47: Het principe van de energieopslag verklaart aan de hand van een druppelende waterkraan; kleine hoeveelheden over een hele dag vullen een groot bassin 28

29 Een zonnemodule met weinig vermogen laat overdag bij zonneschijn milliampères voor milliampères per uur (mah) de uit de zon omgezette stroom in de energieopslag "druppelen". De eenheid mah kwantificeert de stroom per uur, in tegenstelling tot ma, waarmee de momentele stroomvloed bedoeld is. Bij dit leerpakket worden elco's meegeleverd die stroom kunnen opslaan. Het voordeel bij de condensatoropslag is dat deze een lange levensduur heeft. Bij vergelijking met een accu is echter de opslagcapaciteit heel laag, Voor deze proeven heeft dit dan weer het voordeel dat het principe van opslag in een overzienbare korte tijdsperiode geobserveerd kan worden. De aansluitdraden van de elco's moeten voor de proef even verbonden (kortgesloten) worden, zodat het laden ook opgemerkt kan worden. Deze proef functioneert ook met weinig licht (schaduw, bewolkte hemel). Afb. 48: Proefopbouw gebruik de knipper- LED. a) Steek eerst de kleine elco met 100 µf in het bord (de langere aansluitdraad is de positieve pool. b) Vervolgens ruilt u deze om tegen de elco met µf. Wat gebeurt er na het omruilen? De LED licht niet meer op, na het plaatsen van de elco's duurt het even tot de LED weer oplicht en knippert. Na het afdekken van de zonnemodule blijft de LED knipperen. 29

30 zonnemodule Afb. 49: De elco's C1 en C2 alsook de LED's kunnen voor de proeven omgeruild worden. Denk bij het aansluiten aan de voorschakelweerstand R1. Experimenten: a) De elco 100 µf insteken, let op de polariteit! Wat gebeurt nu? De knipper- LED stopt even, daarna knippert deze weer. b) De elco µf insteken. Wat gebeurt nu? De knipper- LED stopt langer, daarna knippert deze weer. c) Proefopbouw zoals in b) gebruiken, tot de LED knippert, vervolgens de elco µf uit het experimenteerbord uittrekken. Vervolgens de zonnemodule beschaduwen. De LED stopt onmiddellijk met knipperen. Nu de elco opnieuw in de vorige contactreeks steken en de zonnemodule verder beschaduwen. De LED knippert oftewel er geen stroom uit de zonnemodule komt. Conclusie: de lading in de "energieopslag"- elco blijft langere tijd behouden. Afb. 50: Proefopbouw, de elco wordt omgeruild. d) Als de elco opgeladen is, knippert de LED. Klem dan de zonnemodule er af. Let op hoe lang de LED blijft knipperen en haar stroom alleen uit de opslag- elco haalt. Hoe groter de condensatoropslag is, des te langer blijft de LED knipperen, ook zonder de zonnemodule. Met een Gold Cap zou de ontbrekende stroomvoeding van de zonnemodule (bijv. bij duisternis) voor langere tijd overbrugt worden. e) Laat nu de eerst opgeladen elco op de zonnemodule een nacht aangesloten (zonder LED) en zonder dat er licht op de zonnemodule kan vallen. Op de volgende dag controleert u met een knipper- LED, hoeveel lading noch in de condensator aanwezig is. De knipper- LED laat weinig of geen reactie zien. Wat is gebeurt? De elco heeft zich via de zonnemodule "terug" ontladen. 30

31 16 Opgeslagen zonne-energie en mechanische energie Proefopbouw: zonnemodule, experimenteerbord, elco 100 µf en µf, motor, knipper- LED Deze proef functioneert ook met weinig licht (schaduw, bewolkte hemel). Wanneer u de motor direct met de zonnemodule verbind kan het gebeuren dat de energiehoeveelheid van de zonnemodule niet voldoende is voor de aanloop van de motor. Afb. 51: Schakelschema gebruik de knipper- LED als indicatie voor de werking. Steek eerst de 100 µf elco en vervolgens de µf elco parallel tot de aansluitingen van de zonnemodule. Als de motor met de condensator verbonden wordt, maakt de motoras meerdere omdraaiingen. Eventueel is de aanloophulp van de elco voldoende om de motor met de geringe stroom van de zonnemodule te laten lopen. Afb. 52: De motor wordt eerst op dezelfde contactreeks aangeklemd dan de elco. De motor maakt een paar omdraaiingen, de LED knippert niet meer, het duurt een paar seconden tot de LED weer gaat knipperen na het afklemmen van de motor. De motor heeft de elco volledig ontladen. 31

32 17 Zonne-energie, laadbewaking en tankaanduiding Proefopbouw: zonnemodule, experimenteerbord, knipper- LED, rode LED, diode 1N4148, groene LED, elco µf, weerstand 1 K, weerstand 2,2 K, draadschakelaar; voor de extra proef accu Voor de volgende proeven heeft u een heldere lichtbron nodig of een volle directe zonnestraling op de zonnemodule. Is de energieopslag nu leeg, halfvol of vol? Hiertoe wordt een indicatie benodigd, zo iets als de tankindicatie bij een auto. Echter is de tankindicatie van een accu veel gecompliceerder. Om aan alle factoren te voldoen bestaat er geraffineerde bewakingselektronica met microprocessoren en uitgebreide software In afbeelding 53 ziet u de proefopbouw van een eenvoudige laadindicatie, die u met de meegeleverde onderdelen van uw leerpakket kunt opbouwen. De bovenste rode LED toont de laadstroom naar de energieopslag en deze licht op zolang de elco wordt opgeladen. De knipper- LED in het midden in verbinding met de diode gaat oplichten (geeft aan) wanneer de elco (of een accu) opgeladen is. Afb. 53: Proefopbouw op het experimenteerbord Afb. 54: Schakelschema van de laadindicatie De eenvoudige accu- indicatie wordt via de spanningsmeting van de accu gerealiseerd. Beter zou zijn om de spanningsmeting onder belasting door te voeren. De belasting moet dan wel een stroomverbruik van 10% van de accucapaciteit hebben en zou op het moment van de meting met een toets geactiveerd kunnen worden. 32

33 Afb. 55: Extra "belasting" door oranje LED of motor (voorbeeldschakeling) 18 Zonne-energie en terugstroomblokkering Proefopbouw: zonnemodule, experimenteerbord, elco, toets, siliciumdiode, voorschakelweerstand, rode LED Deze proef moet met gelijkmatige heldere zonneschijn (of bureaulamp) uitgevoerd worden. Afb. 56: Principe van de schakeling met blokkeerdiode De door zonne-energie opgeladen elco's, Gold Caps of accu's worden s' nachts weer via de zonnemodule ontladen. Om die reden moet een terugstroomblokkering in de vorm van een diode ingevoegd worden. De diode functioneert als een ventiel welke de stroom alleen in een richting doorlaat en in de andere richting blokkeert. 33

34 Draai een keer de diode in het experimenteerbord andersom. De LED knippert niet meer omdat de stroom uit de zonnemodule nu geblokkeerd is. Blokkeerdiodes voorkomen het ontladen van de opslagaccu via de onbelichte zonnecel. Afb. 57: Opbouw experimenteerbord, de blokkeerdiode is onder links te herkennen. 19 Accu's met zonne-energie opladen Om even bij de watervergelijking te blijven: voor het opvangreservoir en daarmee de energieopslag experimenteren we nu met een accu. Een accu kan niet oplaadbare batterijen vervangen en in bijna alle draagbare elektronische apparatuur toegepast worden. Afb. 58: Voor vele draagbare elektronische apparaten zijn accu's van het type potlood, AAA en penlite, AA goed te gebruiken. Proefopbouw: zonnemodule, experimenteerbord, weerstand, LED, bijkomend een accu Voor de volgende proeven heeft u een heldere lichtbron nodig of een volle directe zonnestraling op de zonnemodule. De eenvoudigste manier van de laadtechniek is die van de constante stroomlading. De accu wordt over een bepaalde periode met een gedefinieerde stroom opgeladen. Bij de eenvoudige constante stroomlading van een accu wordt meestal met 1/10 van de stroom van de capaciteitaanduiding 14 uur lang opgeladen. 34

35 De laadstroombegrenzing wordt bij eenvoudige netopladers door een weerstand gerealiseerd, welke tussen netvoeding en accu ingevoegd is. Bij zonneopladers zou dit een onzinnige manier zijn. Hier kan de laadstroom zonder verlies door de dimensie (grootte) van de zonnecellen of de zonnemodule bereikt worden. Zodoende is bij overeenkomstige dimensie van de zonnemodule niet eens een voorweerstand nodig. De zonnemodule uit het leerpakket, welke bij volle zonneschijn 35 ma stroom levert, kan zonder gevaar een accucel opladen. Deze verhouding verandert zich bij "grotere" (vermogenssterke) zonnemodules, die meer stroom kunnen leveren. Hier is dan een laadstroombegrenzing of een laadelektronica beslist noodzakelijk, anders wordt de accu onherstelbaar beschadigd. Afb. 59: Schakelschema en proefopbouw eenvoudige zonne-energie- lader, de diode werd ingevoegd zodat zich de accu bij nacht niet via de zonnemodule ontlaadt. Afb. 60: Opbouw experimenteerbord: laadstroomindicatie via een LED (tevens dient deze voor de ontlaadbescherming) 20 Chemische processen met zonne-energie Proefopbouw: zonnemodule, experimenteerbord, kom, water, natroon of keukenzout, rode LED, elco µf Deze proef functioneert ook met weinig licht (schaduw, bewolkte hemel), de zichtbare reactie in het water is echter bij volle zon of een sterke lichtbron duidelijker. 35

36 Afb. 61: Proefopbouw watersplitsing zonnemodule Afb. 62: Het principeschema voor de watersplitsing toont een zonnemodule en de elektroden Proefopbouw: een kom met water en iets natroon of keukenzout. Bij puur water leidt de stroom heel slecht. Bij de toevoeging van natroon ontstaan bij de elektrische splitsing zuurstof en waterstof. Bij de toevoeging van keukenzout ontstaat zuurstof en chloorgas. Als elektroden kunt u twee draden, ca. 5 cm lang, gebruiken, waarbij de uiteinden ongeveer 2 cm gestript worden. a) Plaats de draden met de afgestripte einden verticaal onder het wateroppervlak in de kom en zo ver mogelijk uit elkaar, maak deze met wasknijpers vast aan de kom. Door de twee draden als elektroden wordt de zonne-energie-gelijkstroom in het water geleid. (Aan de elektroden ontstaan door elektrolyse reactieproducten uit de in het water aanwezige stoffen.) b) Sluit de draadelektronen aan op de zonnemodule. Als er zonnestralen op de zonnemodule vallen, kunt u zien dat er aan beide draadeinden in het water blaasjes opstijgen aan de minpool ongeveer het dubbele dan aan de pluspool. c) Een extra LED in serie laat de stroomvloed zien. Omdat de stroom minimaal is, kunt u het zwakke licht van de LED meer of minder zien. zonnemodule Afb. 63: Om bijkomend de stroomvloed te tonen wordt een LED in de stroomkring ingevoegd. De extra elco C1 is voor het werken van de schakeling niet echt nodig, maar hij stabiliseert de functie. 36

37 37

38 Bestnr 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. Deze gebruiksaanwijzing voldoet aan de technische eisen bij het in druk gaan. Wijzigingen in de techniek en uitvoering voorbehouden. Copyright 2010 by CONRAD ELECTRONIC BENELUX B.V. Internet: of

39 2010 Franzis Verlag GmbH, D Poing Auteur: Burkhard Kainka Art & Design, Satz: ISBN Geproduceerd in opdracht van de firma Conrad Electronic SE, Klaus-Conrad-Str. 1, D Hirschau Alle rechten voorbehouden, ook die van de fotomechanische weergave en het bewaren in elektronische geheugens. Het maken en verspreiden van kopieën op papier, datadragers of op internet, in het bijzonder als PDF, is uitsluitend met toestemming van de uitgeverij toegestaan en kan anders strafrechtelijke gevolgen hebben. De meeste productbenamingen van hard- en software en de bedrijfslogo's, die in dit boek genoemd worden, zijn in de regel geregistreerde handelsmerken en moeten zodanig in acht worden genomen. De uitgeverij handhaaft voor de productbenamingen hoofdzakelijk de schrijfwijze van de fabrikant. Alle in dit boek gepresenteerde schakelingen en programma's zijn met de grootste zorgvuldigheid ontwikkelt, gecontroleerd en getest. Niettemin kunnen fouten in het boek en in de software niet helemaal uitgesloten worden. De uitgeverij en de auteur zijn niet aansprakelijk voor fouten en de eventuele gevolgen hiervan. Elektrische en elektronische apparaten mogen niet als huishoudafval verwijdert worden. Als het apparaat aan het eind van zijn levensduur is, dient u het te verwijderen volgens de geldende wettelijke voorschriften. Neem contact op met uw handelaar bij wie u het product gekocht heeft of met de verantwoordelijke autoriteiten, om te vernemen hoe u het apparaat op milieuvriendelijke wijze kunt recyclen. Dit product is overeenkomstig de geldende CE-richtlijnen, indien het volgens de bijgeleverde handleiding gebruikt wordt. Deze handleiding hoort bij dit product en moet meegegeven worden wanneer u het product doorgeeft aan derden. 2

40 Leerpakket elektronica begrijpen en toepassen 1 Introductie Experimenteerbord Batterij Lichtdiodes Weerstanden NPN- transistors PNP- transistors MOSFET Condensatoren Elektrolytcondensatoren 12 2 Stroomversterking 12 3 Plus en min omgeruild 14 4 Naloopbesturing 14 5 Aanraaksensor 16 6 Bewegingsdetector 17 7 LED als lichtsensor 18 8 Constante helderheid 19 9 Temperatuursensor Aan en uit Inschakelen en onderbreken Elektronisch knipperlicht Eenvoudige LED-knipperlicht LED-flitser MOSFET-touch-sensor Sensor- dimmer Elektrometer LED's als foto-elementen Condensator- temperatuursensor Minutenlicht Zachte knipperlicht 33 3

41 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. Oftewel het heel eenvoudig is: neem een paar transistors en voer slechts een paar experimenten uit en er worden ontelbare mogelijkheden geboden. Vele opgaven kunnen met eenvoudige transistorschakelingen opgelost worden. Wordt dus creatief! Een transistor is een onderdeel met drie aansluitingen en dient voor het besturen van de elektrische stroom. Hoeveel stroom gaat vloeien, wordt via de stuuraansluiting beïnvloedt. Er bestaan eigenlijk alleen twee soorten transistors. De bipolaire (tweepolig) transistors zijn opgebouwd in lagen met N- en P- halfgeleidermateriaal. Afhankelijk van de laagopbouw zijn er NPN- transistors (bijv. BC547) en PNP- transistors (bijv. BC557). Unipolaire (enkelpolig) transistors daarentegen bestaan uit enkel een halfgeleiderkanaal, wiens geleidbaarheid door een elektrisch veld verandert wordt. Daarom worden ze ook veldeffect- transistors (FET) genoemd. Een typische vertegenwoordiger is N- kanaal- MOSFET BS170. Dit leerpakket vergemakkelijkt u de start in de elektronica. Hier zullen we eerst de onderdelen voorstellen. De aparte experimenten worden op een experimenteerbord uitgevoerd. Voor elk experiment is er een schakelschema en een opbouwfoto. De foto is telkens alleen als voorstel bedoeld. De onderdelen kunnen ook anders geplaatst worden. De aansluitdraden van de enkele onderdelen zijn voor een beter overzicht voor de foto's soms ingekort. U moet de aansluitdraden echter niet inkorten, zodat ze ook voor andere proeven gebruikt kunnen worden. 4

42 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. Bovendien zijn er aan de rand 40 contacten voor de voeding, die uit twee horizontale stroken met contactveren en elk 20 contacten bestaan. Het experimenteerbord beschikt daarmee over twee onafhankelijke voedingsrails. Afbeelding 2 toont alle interne verbindingen. U ziet duidelijk de korte contactstroken in het midden en de lange voedingsrails op de zijkanten. Afb. 2: De interne contactreeksen 5

43 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. Voor de proeven heeft u kortere en langere stukjes draad nodig, die u op lengte moet afknippen van de meegeleverde schakeldraad. Om de isolatie te verwijderen van de draaduiteinden, bleek het praktisch, de isolatie met een scherp mesje rondom in te snijden. 1.2 Batterij Het volgende overzicht toont de onderdelen zoals ze er in werkelijkheid uitzien en als schemasymbolen zoals ze in de schakelschema s gebruikt worden. In plaats van een batterij kan bijv. ook een stekkernetvoeding gebruikt worden. Afb. 3: De batterij en de bijhorende schemasymbolen Gebruik geen alkalinebatterijen en geen accu's, maar alleen eenvoudige zink-koolbatterijen. Weliswaar heeft een alkalinebatterij een langere levensduur, maar ze levert in geval van een fout, bijv. bij een kortsluiting, net als een accu een zeer hoge stroom van meer dan 5 A. Dit kan dunne draden of zelfs de batterij sterk opwarmen. De kortsluitstroom van een zinkkoolbatterij daarentegen is meestal kleiner dan 1 A. Hiermede kunnen wel gevoelige onderdelen reeds vernield worden, maar er bestaat geen gevaar op verbranden. 6

44 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. In een batterij staan er meerdere cellen in serie geschakeld. Overeenkomstig geeft het schemasymbool het aantal cellen in een batterij. Bij hogere spanningen is het gebruikelijk de middelste cellen door een stippellijn aan te duiden. Afb. 4: Schemasymbolen voor verschillende batterijen 1.3 Lichtdiodes Het leerpakket bevat twee rode LED s alsook een groene en een gele LED. Bij alle lichtdiodes principieel op de polariteit gelet worden. De minaansluiting noemt men de kathode en is de kortere aansluitdraad. De plusaansluiting is de anode. Binnen in de LED ziet u een kelkvormige houder voor het LED- kristal, die op de kathode is aangesloten. De anode- aansluiting is met een extreem dun draadje verbonden met een contact op de bovenkant van het kristal. Afb. 5: De lichtdiode 7

45 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. 6: Een weerstand Weerstanden met een tolerantie van ±5 % zijn er in waarden van de E24-reeks, waarbij elke decade 24 waarden bevat met elk een ongeveer gelijkmatige afstand tot de volgende waarde. Tabel 1: De weerstandswaarden volgens de normreeks E24 De kleurcode wordt gelezen, uitgaande van de ring die het dichtst bij de rand van de weerstand ligt. De eersten twee ringen staan voor twee cijfers, de derde ring voor de vermenigvuldigingsfactor van de weerstandswaarde in ohm. Een vierde ring geeft de tolerantie aan. 8

46 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 geel, violet, bruin 1 k bruin, zwart, rood 22 k rood, rood, oranje 470 k 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. De aansluitingen van de transistor worden emitter (E), basis (B) en collector (C) genoemd. De basisaansluiting bevind zich in het midden. De emitter ligt rechts, als u naar de opdruk kijkt en de aansluitingen naar beneden wijzen. 9

47 Afb. 7: De NPN- transistor BC 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 BC MOSFET Ook de veldeffecttransistor (MOSFET) BS170 lijkt aan de buitenkant niet anders dan de bipolaire transistor. Hij is alleen aan de opdruk te herkennen. De aansluitingen van de transistor noemt men Source (S), Gate (G) en Drain (D). De source- aansluiting bevindt zich rechts, wanneer u naar de opdruk kijkt en de aansluitingen naar beneden wijzen. 10

48 Afb. 9: De MOSFET- transistor BS 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. De capaciteit van een condensator wordt gemeten in Farad (F). Het isolatiemateriaal (diëlektricum) vergroot de capaciteit tegenover luchtisolatie. De keramische condensator is van speciaal keramisch materiaal, waarmee een grote capaciteit, bij een kleine afmeting, bereikt kan worden. Het leerpakket bevat een keramische condensator met 10 nf (opdruk 103, pf) en twee met 100 nf (opdruk 104, pf). Afb. 10: Een keramische condensator 11

49 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. De minpool is aangegeven met een witte lijn, en heeft een kortere aansluitdraad. Bij het leerpakket behoren een elco met 10µF en twee elco's met 100µF. Afb. 11: Een elektrolytische condensator 2 Stroomversterking De schakeling van afb. 12 toont de basiswerking van een NPN- transistor. Er zijn twee stroomkringen. In het stuurstroomcircuit loopt een kleine basisstroom, in het laststroomcircuit een grotere collectorstroom. Beide stromen lopen gemeenschappelijk door de emitter. Omdat de emitter hier op een gemeenschappelijk contactpunt van de schakeling ligt, wordt deze schakeling ook emitterschakeling genoemd. Zodra de basisstroomkring geopend wordt, loopt er ook geen laststroom meer. De basisstroom is veel kleiner dan de collectorstroom. De kleine basisstroom wordt dus versterkt tot een grotere collectorstroom. De basisweerstand is 470-maal groter dan de voorschakelweerstand in het laststroomcircuit. De kleine basisstroom is aan de minimale helderheid van de groene LED herkenbaar. De transistor BC547B versterkt de basisstroom ongeveer 300- maal zodat de rode LED veel lichter is dan de groene LED. Afb. 12: Een NPN- transistor in emitterschakeling 12

50 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. De collectorstroom is al door de verbruiker begrensd en kan niet verder toenemen. Tussen basis en emitter is een spanning van ongeveer 0,6 V, die ook bij een verandering van de stroom slechts minimaal verandert. Afb. 13: Stroomversterking De LED s dienen voor het aangeven van de stromen. De rode LED licht helder op, de groene nauwelijks. Alleen in een volledig donkere kamer is de basisstroom zichtbaar aan de hand van het zwak oplichten van de groene LED. Het verschil wijst op de grote stroomversterking. 13

51 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. 15: Stroomversterking van de BC557 onderzoeken 4 Naloopsturing Het doel van deze schakeling is een LED-zaklamp met vertraagde uitschakeling. De binnenverlichting van auto's functioneert vaak volgens dit principe: nadat u het voertuig heeft verlaten, brandt het lampje nog een bepaalde tijd en gaat daarna uit. Als u een elco met de juiste polariteit aan een batterij houdt neemt hij een elektrische lading op. Na het scheiden van de batterij blijft deze oplading lang behouden. De elco kan dan met een LED verbonden worden. Dit geeft een korte lichtflits. De elco is onmiddellijk ontladen. 14

52 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. Maar daarna is de basisstroom nog steeds voldoende voor een kleine modulatie van de transistor. De collectorstroom neemt heel langzaam af. Afb. 17: De zaklamp met vertraagde uitschakeling 15

53 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. 5 Aanraaksensor Een lamp kan met een eenvoudige schakelaar geschakeld worden. Met een geschikte transistorschakeling kan ook een aanraaksensor opgebouwd worden. Twee draden of metalen contacten raken zich daarbij niet direct aan, maar moeten met een vinger aangeraakt worden. De stroomversterkingsfactoren van twee transistors kunnen vermenigvuldigd worden als de versterkte stroom van de eerste transistor als basisstroom van de tweede transistor nogmaals versterkt. De schakeling volgens afb. 18 is de zogenaamde Darlingtonschakeling. Afb. 18: De Darlington- schakeling Als u uitgaat van een versterkingsfactor van 300 voor elke transistor, dan heeft de Darlington- schakeling een versterking van Nu geleid een basisweerstand van 10 M al genoeg, om de LED in te schakelen. Bij een echte test kunt u in de plaats van de extreem hoogohmige weerstand een aanraakcontact gebruiken. Vanwege de grote versterking is al het licht aanraken met een droge vinger voldoende. De extra veiligheidsweerstand in de toevoer naar de batterij beschermt de transistors in het geval dat de aanraakcontacten per ongeluk direct worden verbonden. 16

54 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. De Darlington- schakeling stuurt een PNP- transistor aan, zodat de stroomversterking nog eens 300 maal groter wordt. Nu zijn reeds minimale picoampere nodig om de LED te laten oplichten. Afb. 20: Versterking met drie transistoren 17

55 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. Nog meer effect krijgt de sensor als u bijkomend de minusaansluiting van de batterij gaat aarden. Hiertoe is het voldoende als een tweede persoon de schakeling aanraakt. Nu wordt het effect al gezien wanneer iemand in een afstand van een halve meter aan de sensor voorbijgaat. Het knipperen van de LED toont de enkele stappen. Bij een directe aanraking van het gestripte draadeinde gaat de LED permanent oplichten. Dit komt door de onvermijdelijke 50- Hz-wisselvelden in de kamer. Daadwerkelijk gaat de LED niet constant oplichten maar knippert met een frequentie van 50 Hz. 7 De LED als lichtsensor Deze lichtsensor stuurt de helderheid van de LED. Als er licht op de sensor valt, gaat de LED oplichten, bij duisternis is de LED uit. Eigenlijk loopt er door een diode zo goed als geen stroom, als ze in sperrichting op een spanning wordt aangesloten. In werkelijkheid is er echter een zeer kleine sperstroom bijv. in de buurt van enkele nano-ampère, die in normale gevallen kan worden verwaarloosd. De hoge versterking van de Darlington-schakeling laat echter experimenten toe met extreem kleine stromen. Zo is bijv. de sperstroom van een lichtdiode zelf afhankelijk van de belichting. Een LED is daarmee tegelijkertijd ook een fotodiode. De uiterst kleine fotostroom van de rode LED wordt met twee transistoren zo ver versterkt, dat de groene LED oplicht. 18

56 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 schakeling van afb. 24 toont een eenvoudige stabilisatieschakeling. Een rode LED op de ingang stabiliseert de basisspanning op ongeveer 1,8 V. Omdat de basis-emitterspanning steeds ongeveer 0,6 V bedraagt, ligt er aan de emitterweerstand een spanning van ongeveer 1,2 V. De weerstand bepaalt dus de emitterstroom en zodoende ook de collectorstroom van ongeveer 2,5 ma. 19

57 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. Zo lang er een zekere restspanning voorhanden is, blijft de helderheid van de LED haast hetzelfde. Bij slechts een LED mag de batterijspanning lager liggen dan bij twee LED's, hier moet ten minste nog 6V aanwezig zijn. 20

58 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. Omdat bij de linker transistor basis en emitter zijn samengeschakeld zijn, ontstaat er automatisch een basis-emitterspanning van ongeveer 0,6V, die leidt tot de aangegeven collectorstroom. Theoretisch moet nu eigenlijk de tweede transistor met exact dezelfde gegevens en bij eenzelfde basis-emitterspanning dezelfde collectorstroom vertonen. In de praktijk zijn er meestal echter geringe verschillen. De stroomspiegel is gelijktijdig een constante stroombron. De helderheid van de gele LED verandert zich daarom niet als u de groene LED overbrugd. Afb. 26: De stroomspiegel Afb. 27: Transistor als temperatuursensor 21

59 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. Nog duidelijker word het helderheidsverschil, wanneer u een van de transistors voorzichtig met een soldeerbout opwarmt. 10 Aan en uit Nu wordt het digitaal: terwijl in een analoge schakeling meer of minder stroom loopt, is een digitale schakeling steeds helemaal aan of uit. De schakeling Aan en Uit noemt men ook 1 en 0. De hier gepresenteerde schakeling kan als basismodule voor de computertechniek gezien worden. Een schakeling met twee stabiele standen noemt men een tuimelschakeling of flip-flop. Een LED is of "aan" of "uit", maar nooit "half aan". Afbeelding 28 toont de typische schakeling van een eenvoudige flip-flop. In principe bestaat de schakeling uit twee gekoppelde versterkertrappen met gesloten terugkoppeling. Afb. 28: Een bistabiele flip-flop De schakeling kantelt in een van de twee mogelijke standen: als de rechter transistor geleidt, is de linker gesperd en andersom. De telkens geleidende transistor heeft een lage collector- 22

60 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. Gebruikt nu een draadbrug, waarmee u telkens een van de beide transistors spert. De ingenomen stand blijft na het verwijderen van de brug bestaan. De beide toestanden worden ook aangegeven als gezet (Set, S) en teruggezet (Reset, R), vandaar de naam RS-flip-flop. 11 Inschakelen en onderbreken Een bistabiele schakeling kan ook met een NPN- en een PNP- transistor opgebouwd worden. De collectorstroom van een transistor wordt gelijktijdig de basistroom van de andere transistor. Daarom zijn of beide transistors gezamenlijk gesperd of geleidend. Na het inschakelen is de schakeling eerst in de sperstand. Na kort S1 te verbinden wordt in de geleidende stand geschakeld. Deze toestand blijft zo totdat de voeding onderbroken wordt. Alleen door het uitschakelen van de voeding gaan de transistors terug in de gesperde stand. Afb. 30: Geleiden en sperren 23

61 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. 31: Aan of uit 12 Elektronisch knipperlicht Dit elektronisch knipperlicht werkt in de wisselwerking: twee LED's moeten automatisch omgeschakeld worden, zodat steeds alleen één van de beide oplicht. De symmetrische knipperschakeling van afbeelding 32 noemt men ook een multivibrator. De terugkoppeling gebeurt via twee condensatoren. Bij de elco's moet u op de polariteit letten, opdat de spanning aan de collector gemiddeld hoger is dan aan de tegenoverliggende basis. De toestand van de schakeling blijft steeds zo lang stabiel, zolang de condensatoren nog omgeladen worden. Daarna kantelt de schakeling in de desbetreffende andere toestand. Met twee elco's van 100 µf bereikt men alleen een minimale knipperfrequentie en wel minder dan 5 keer wisselen in één minuut. Afb. 32: De multivibrator 24

62 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. 35: De LED-knipperlicht 25

63 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. De linker transistor in de schakeling zorgt voor het juiste werkpunt van de schakeling. Er ontstaat een lichtflits van ongeveer eens per seconde. Afb. 36: De flitsschakeling Verwijder de parallel tot de LED liggende 1-k-weerstand uit de schakeling: de pauze tussen de lichtflitsen wordt aanzienlijk langer. De linker transistor spert pas als de elco volledig ontladen is. Pas dan stijgt langzaam zijn collectorspanning om een nieuwe impuls mogelijk te maken. Afb. 37: LED-flitser 26

64 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. Er moet een basisstroom lopen zodat een collectorstroom mogelijk is. Een hierop lijkende proef met de MOSFET BS170 laat een heel andere werking zien. De MOSFET heeft drie aansluitingen Gate (G), Source (S) en Drain (D): De gestuurde stroom is dit keer niet afhankelijk van de ingangsstroom, maar van de binnenkomende spanning tussen G en S. Wanneer aan de gate een positieve spanning van ongeveer 2 V of meer aanwezig is, geleid de transistor. De gate- aansluiting is volledig geïsoleerd en vormt een kleine condensator met ca. 60 pf. Is de gate opgeladen, dan blijft de gate spanning daarom lang behouden. Afb. 38: Basisschakeling van de MOSFET Verbind een keer kort de aansluitingen A en B om de gate op te laden. De LED gaat branden en blijft aan. Verbind de contacten C en D om de gate te ontladen en de LED uit te schakelen. Alle beide toestanden blijven relatief lang behouden. De proef demonstreert daarmee de principiële werkwijze van een dynamisch geheugen, welke eveneens een elektrische lading bewaard om een één- en nultoestand te tonen. Tegelijkertijd is de schakeling een eenvoudige aanraakschakelaar, het aanraken van de contacten A en B resp. C en D geeft hetzelfde effect dan een direct contact. Echter opletten! Een gate spanning van meer dan 20 V is niet toegestaan en kan de transistor vernielen! Daarom moet men voorzichtig zijn met elektrostatische oplading. Dus altijd eerst een aansluiting van de voeding aanraken om eventuele opladingen af te leiden. 27

65 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. Zakt de spanning aan de gate, wordt de drain stroom kleiner en daarmee ook het spanningsverlies aan de LED en haar voorschakelweerstand. De drain spanning stijgt dus. Dit is alleen mogelijk wanneer de condensator opgeladen wordt. Elke verandering van de drain spanning veroorzaakt een verandering van de gate spanning. Bij een kleine ingangsstroom verandert de LED- helderheid daarom alleen langzaam. Door het aanraken van de contacten A en B word de LED lichter. Om deze donkerder te sturen moeten daarentegen C en D aangeraakt worden. Deze reactie op een aanraking is kan in snelheid variëren. Het lichter maken gebeurd vanwege de grotere laadspanning sneller dan het donkerder maken. Afb. 40: De touch- dimmer 28

66 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. een kunststof liniaal aan een doek wrijven en in de buurt van de schakeling houden. Houdt hierbij een veilige afstand van 10 cm aan zodat de MOSFET niet kan beschadigen. De begintoestand na het inschakelen kan niet bepaald worden, de transistor kan dus helemaal gesperd of helemaal geleidend zijn. In beide gevallen zijn kleine verschillen van de gate spanning zonder effect. Om die reden is er een startschakelaar, waarmee de gate en drain kort verbonden worden. Daarbij wordt de gate spanning ingesteld op het gemiddelde van ongeveer 2 V. Afb. 42: De elektrometer 29

67 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. De LED's worden ingezet als foto-elementen die een spanning kunnen leveren. De BS170 geleidt vanaf een gate spanning van 2 V. Twee LED's kunnen gemeenschappelijk, bij voldoende verlichting, de noodzakelijke spanning produceren. Er is zelfs al bij een mindere helderheid de reactie te herkennen. Experimenteer ook met verschillende LED's. Een groene LED levert iets meer spanning dan een rode. Afb. 44: LED's als foto-elementen 30

68 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. Raak nu de condensator licht met uw vinger aan waardoor hij opgewarmd wordt. De in de condensator opgeslagen lading blijft constant. Maar doordat zich de capaciteit vermindert, loopt de condensatorspanning op. Dit leidt tot een kleinere gatespanning en daarmee tot een geringere drainstroom. Al een lichte aanraking is voldoende om de LED- helderheid duidelijk te verlagen. De schakeling reageert op kleine temperatuurschommelingen gevoeliger dan de transistorschakeling volgens hoofdstuk 9. Zodra zich een sensorcondensator afgekoeld heeft, zal de LED weer helder branden. 31

69 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-kweerstand. 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. Als de ingangsspanning daalt, geleidt de FET zwakker. Zodra de basisspanning van de NPN- transistor onder ca. 0,6 V daalt vloeit er geen merkbare collectorstroom meer, de LED gaat dus uit. 32

70 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. 50: Een faseverschuifing oscillator 33

71 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. 51: Het soft- knipperlicht 34

72 35