Leid de spanning van het bijbehorende sensorsignaal af.

Transcriptie

1 1 TEMPERATUURSENSOR We maken een temperatuursensor door een NTC op te nemen in de schakeling van bijgaande figuur samen met een andere weerstand. We willen dat met stijgende temperatuur ook het sensorsignaal stijgt. A Leid af welke van de twee weerstanden de NTC moet zijn. B Het sensorsignaal wordt als ingangsignaal gebruikt van een 8-bits AD-omzetter met een bereik van 0,0 tot 5,0 V. Bij een zekere temperatuur is de uitgang van de ADomzetter: Leid de spanning van het bijbehorende sensorsignaal af. Deze temperatuursensor wordt gebruikt in een omgeving waar de temperatuur sterk kan schommelen. Ik wil een blijvend geluidssignaal als de temperatuur voor de derde maal een ingestelde waarde overschrijdt. C Teken de beoogde schakeling in het systeembord. D Is de beoogde schakeling een meet-, regel- of stuursysteem? E De temperatuursensor heeft in het gebied rond de ingestelde waarde, 12 C 2,60 V, een gevoeligheid van 10 mv/ C. Teken een stuk ijkgrafiek rond de ingestelde waarde met die gevoeligheid.

2 Uitwerking: A De weerstanden R 1 en R 2 vormen een spanningsdeler. De NTC heeft een kleinere weerstand als hij in temperatuur stijgt. Hij krijgt dus ook een kleiner deel van de 5 V. Als hij onder zit daalt dus de signaalspanning bij stijgende temperatuur. Hij moet dus zitten op de plaats van R 1. Je kunt ook redeneren: Als de vaste weerstand onder zit en de temperatuur stijgt, dan daalt de weerstand van de NTC, de totale weerstand daalt, de stroom neemt toe en er ontstaat een grotere spanning over de vaste weerstand. Als de vaste weerstand onder zit, is het doel bereikt. Een getallenvoorbeeld met tekening helpt bij het redeneren. B = = = 53 8 bits betekent 2 8 = 256 waarden van elk 5,0 / 256 = 0,01953 V. 53 betekent dan 53 0,01953 = 1,035 V. Vanwege die 256 is de resolutie 1:256 of 4:1000. Het vierde cijfer geeft nog significant verschil. Dat is juist de reden om meer bits dan 4 te kiezen. Vanwege de gegeven 5,0 is als uitkomst 1,0 V juist. Bij 5,00 V is dat 1,04 V. C D E Eerst naar comparator vanwege ingestelde waarde. De teller staat aan als het middencontact niet in gebruik is. Bij 3 moet geheugen hoog worden. 3 = Het is een stuursysteem. Dit systeem reageert op temperatuurwisselingen, maar beïnvloedt die niet. Denk aan: Grootheden Eenheden geschikte getallen.

3 REEDCONTACT Een reedcontact is een schakelaar die reageert op de aanwezigheid of afwezigheid van een magneetveld. A B Is er een magneet dichtbij, dan is de schakelaar gesloten en is de weerstand tussen beide aansluitpunten A en B verwaarloosbaar. zie figuur 1. Het reedcontact is in figuur 1 en 2 getekend met het symbool van een weerstand. Bij afwezigheid van een magneet of een te zwak magneetveld staat de schakelaar open en is de weerstand tussen de contacten oneindig groot. Tussenstanden kent deze schakelaar niet. Deze eigenschap wordt gebruikt in een reedsensor met als uitgangen hoog en laag. Een reedsensor is opgebouwd uit een reedcontact en een weerstand R in serie. In figuur 2 is getekend hoe ze zijn aangesloten op de voeding van 5 V. Leid af welke van de twee getekende weerstanden het reedcontact is en welke de weerstand R is, als we eisen dat de uitgang van het contact hoog is als een magneet dichtbij is. Bereken de waarde die de weerstand R moet hebben, als de voeding maximaal 1 W kan leveren aan de sensor.

4 SNELHEIDSCONTROLE Het is de bedoeling dat er geflitst wordt als een auto te snel rijdt, meer niet. Met dat doel zijn in het wegdek twee sensoren ingebouwd. Als een auto over zo n sensor rijdt, geeft die even een hoog signaal af. Als een auto over sensor 1 rijdt, gaat er een signaal naar een systeembord, zoals hieronder in figuur 3 module wordt genoemd. Rijdt de auto te hard en passeert die binnen een bepaalde, in te stellen tijd sensor 2, dan moet er geflitst worden en kan de volgende auto weer gemeten worden. Rijdt de auto niet te hard, dan is na het passeren van sensor 2 de schakeling ook klaar om de volgende auto te detecteren. A B Wordt in de inleidende tekst van deze opgave een regel-, meet- of stuursysteem beschreven? Je mag er bij het ontwerpen van de geschikte schakeling van uit gaan, dat de auto s altijd eerst sensor 1 en dan pas sensor 2 passeren en bovendien dat je altijd met maar één auto te maken hebt. Ontwerp in figuur 3 een systeem dat aan de in de inleiding gestelde eis voldoet. Het is niet zeker dat je alle componenten van de module nodig hebt.

5 WARM WATER Om de temperatuur van water te meten, gebruiken we een temperatuursensor. Van deze sensor is eerst een ijkgrafiek gemaakt. Zie onderstaande figuur. A Bepaal de gevoeligheid van deze sensor. We gebruiken de temperatuursensor om de temperatuur van het water in een aquarium te meten. Deze temperatuur moet tussen 15 C en 25 C blijven. We willen een schakeling maken die ervoor zorgt dat er een lampje gaat branden als de temperatuur buiten dit gebied ligt. De verwerkers waarover we beschikken, zijn hieronder weergegeven. Het lampje brandt alleen bij een hoog signaal. B C Teken in bovenstaande figuur de verbindingslijnen die nodig zijn om aan de gestelde eisen te voldoen. Als je comparatoren gebruikt, moet je aangeven op welke referentiespanning deze moeten worden ingesteld. Leg uit of je dit systeem als een meet-, een regel- of een stuursysteem beschouwen moet.

6 A B V 4, 6 1, 6 0, 034 V / o C De gevoeligheid t 88. Uit de grafiek moet je afleiden dat bij 15 C een waarde 2,10 V hoort en bij 25 C de waarde 2,45 V. C Bij een meetsysteem wordt alleen de waarde gemeten. De sensor is het meetsysteem. Bij een stuursysteem wordt dat verwerkt en leidt tot een actie. Dat is hier het geval. De actie is het branden van de lamp als de temperatuur niet in het gewenste gebied zit. Het zou een regelsysteem zijn geweest, als het gevolg van die actie het beïnvloeden van die temperatuur was, maar dat is niet het geval. Een regelsysteem omvat een stuursysteem, dat op zijn beurt weer een meetsysteem omvat.

7 Fysische informatica Een buitenlamp moet gaan branden als er iemand in de buurt komt. De lamp mag echter niet gaan branden als het buiten nog licht is. Daartoe zijn twee sensoren aangebracht, een infraroodsensor, die op de warmtestraling van een lichaam reageert, en een lichtsensor. Zowel de infraroodsensor als de lichtsensor geven een hoger signaal af naarmate er meer straling op valt. In de volgende figuur staat een deel van de schakeling die wordt gebruikt. Als het uitgangssignaal van de geheugencel hoog is, brandt de lamp. A Teken in bovenstaande figuur in de met een streeplijn aangegeven rechthoek de benodigde verwerkers en hun aansluitingen. B De ontworpen schakeling heeft het nadeel dat de lamp, nadat hij is aangegaan, blijft branden. Dat wil men veranderen. Men stelt de volgende eis: als het signaal in punt P gedurende 8 seconden ononderbroken laag is, moet de lamp uitgaan en de schakeling weer gereed zijn om op dezelfde wijze te reageren op iemand die in de buurt komt.. Om dit te bereiken wordt de schakeling uitgebreid. Een deel van deze uitbreiding staat in nevenstaande figuur. De pulsgenerator is ingesteld op 2 Hz. Teken in nevenstaande figuur de twee verbindingen die nodig zijn om de schakeling aan de gestelde eisen te laten voldoen. Uitwerking:

8 U RIJDT TE HARD Rijd je over een lus, dan gaat er een signaal naar een systeembord. Met twee van dit soort lussen in het wegdek achter elkaar kun je een waarschuwingssignaal maken. Je ziet dan verschijnen: U rijdt te hard. Ontwerp zo n systeem en leg uit of je dat een meet-, regel- of stuursysteem zou noemen. Antw: stuur A B VERSNELLINGSSENSOR De versnelling wordt gemeten door een versnellingssensor met een ijkgrafiek zoals hiernaast is getekend. Bereken de gevoeligheid van de gebruikte sensor. Als de versnelling 2,5 ms -2 is of groter, moet er een zoemer gaan en anders moet er een LED branden. Ontwerp hieronder een schakeling die hieraan voldoet.

9 UITWERKING: A gevoeligheid V x 3,7 V 3,0 m/s Vs 1,2 m 2 B Er moet geschakeld worden bij 2,5 m/s². Dat betekent dat de comaparator op 4,1 V moet schakelen tussen hoog en laag. Is a>2,5, dan is de uitgang van de comparator hoog en moet de zoemer gaan, maar de LED niet branden. Als a<2,5 en de uitgang van de comparator dus laag, dan moet de LED wel branden. Er moet daarom tussen comparator en LED een invertor.

10 Lichtsluis Een deur heeft een breedte van 90 cm. Aan de ene kant bevindt zich het lichtgevoelige oppervlak, groot 2,0 mm², van de sensor en aan de andere kant een lens met een doorsnede van 12 cm². Achter de lens met een brandpuntsafstand van 3,50 cm, bevindt zich een puntvormige lichtbron, waarvan het beeld gevormd wordt op de sensor. Zie schets. a b c d a b d Bereken de afstand van de lichtbron tot de lens. Verschuif je de lichtbron in de richting van de lens, dan neemt de door de sensor waargenomen intensiteit eerst toe om daarna snel af te nemen. Leg uit waarom de waargenomen intensiteit toeneemt, ondanks het onscherp worden van de afbeelding op de sensor. De sensor wordt aangesloten op het systeembord. Als de lichtstraal even onderbroken wordt en de sensor daardoor een lager signaal afgeeft, moet na 4 s een zoemer gaan. Teken de schakeling die aan die eisen kan voldoen. Je hoeft je niet te bekommeren om het uitzetten van de zoemer. Op het systeembord zit een 4-bits AD-converter. Deze geeft bij een ingangssignaal van 0 V als uitgangssignaal 0000 en bij een ingangssignaal van 5 V als uitgang Leid af bij welk ingangssignaal de uitgang 1001 is. Uitwerking: lenzenformule levert: v = 3,64 cm We gaan ervan uit dat de sensor de totaal erop vallende hoeveelheid licht meet. Als er meer licht op valt, zal er ook meer licht op de lens moeten vallen die dan ook nog op de sensor valt. Nader je de lens met de lamp dan is de openingshoek van lamp naar lens groter en vangt de lens meer licht. Als dat licht maar op de sensor valt, de grensstand is getekend, geeft de sensor meer signaal dan eerst. Er zijn 2 4 = 16 mogelijke waarden voor het interval van 0,0 tot 5,0 V. Per stap betekent dit 5,0/16 = 0,31 V betekent = 9 stappen. En dus 9 0,31 = 2,8 V. Alleen de stapbreedte is ook 0,31 V en dat is dan ook de marge waar je rekening mee moet houden. Met name bij welke spanning de eerste stap gezet wordt is niet op voorhand duidelijk.

11 A LICHT BIJ DE VOORDEUR We willen een systeem ontwerpen dat bij schemer en donker een lamp bij de voordeur laat branden, als er een beweging wordt gedetecteerd. Deze lamp blijft 2 minuten branden na de laatst gedetecteerde beweging. Een led speelt in het ontwerp de rol van de lamp. We hebben de beschikking over systeembord, zoals afgebeeld, een lichtsensor en een bewegingssensor. De lichtsensor geeft een signaal af, waarvan de signaalsterkte afneemt met toenemende van de hoeveelheid licht. De bewegingssensor kent slechts twee waarden. Hij geeft een hoog signaal af als een beweging wordt gedetecteerd en een laag signaal als dat niet het geval is. We zijn begonnen met het ontwerp van de schakeling. Met één gemaakte verbinding ben ik in dit stadium ongelukkig. Geef aan met welke verbinding dat is en zeg ook waarom ik er ongelukkig mee ben. B C Voltooi de schakeling. De lamp(230 V; 60W) bij de voordeur moet op dit systeem worden aangesloten. Laat zien hoe de dat zou doen.

12 Uitwerking B: Uitwerking C:

13 Het systeembord Er wordt overwogen om het gebruik van lichten overdag verplicht te stellen in het verkeer. Zet je echter de motor uit, dan gebruiken de lampen energie van de accu, die daarmee ontladen wordt. Vergeet je de lampen uit te zetten, dan loop je het risico dat de accu 'leeg' is en de auto niet meer starten wil. Beschikbaar materiaal: systeembord volgens tekening. Beschikbare signalen: motor aan/uit, lamp aan/uit Bij deze signalen komt 'aan' overeen met een 'hoog' signaal. a. Ontwerp met behulp van het systeembord een schakeling die je alarmeert, als je het licht nog aan hebt en toch de motor uit zet. Het alarm gaat uit zodra je het licht uit maakt. Als alarm kun je de zoemer gebruiken. We presenteren een kant en klare schakeling, zie hieronder, ingebouwd in een auto. Over deze schakeling stellen we achtereenvolgens een paar vragen. Bij het antwoord daarop kun je gebruik maken van de letters A t/m J die bij punten in de schakeling horen. We starten eerst de motor. b. Leg uit dat het alarm zeker niet gaat, of de lampen aan zijn of niet, zolang de motor loopt.

14 De schakeling staat hieronder nog eenmaal. Uit de plaatsing van de '1' en '0' kun je afleiden dat de motor en de lampen aan zijn. We zetten de motor uit. c. Streep in de schakeling de '1' en '0' door als die veranderd zijn. l Motor en lampen zijn uit. d. Leid door het plaatsen van '1' en '0' af of het alarm klinkt, als dan in die situatie het licht wordt aangemaakt.

15 Uitwerking: a Het alarm moet gaan als aan twee eisen is voldaan: motor uit en lamp aan. Dus een EN-poort met als ingangen 'motor uit' en 'lamp aan'. b als de motor loopt is A hoog, F ook, H ook en dus J laag; ongeacht de andere waarden. Het alarm is dus uit. c d We leiden eerst de uitgangspositie af. Het alarm is uit. Nu kijken we wat er verandert als het licht aan gaat. Het blijkt dat het alarm nu niet afgaat.

16 DE THERMOMETER Een thermometer wordt geleverd met bijgaande ijkgrafiek en is bestemd om aangesloten te worden op een ADomzetter die een analoge ingang van 0-5 V omzet in een 8-bits binaire code. a. Bepaal de binaire code die behoort bij 16,3 C. b. Bepaal de gevoeligheid van de thermometer bij 16,3 C. Uitwerking: a De spanning die de temperatuursensor afgeeft ligt bij 16,3 C tussen de 4,3 en 4,4 V. Met een grotere nauwkeurigheid is dat uit deze grafiek niet af te lezen. Laten we voor de berekening uitgaan van 4,4 V. Een 8-bits code kent 2 8 = 256 stappen. Daarmee wordt 5 V doorlopen, zodat 4,4 V overeen komt met.4,4/5 256 = = = b De gevoeligheid is V/ t = (5,0-2,0)/(20-(-5)) =0,12 V/ C TELLER De ingangen A,B,C, en D zijn aldus aangesloten op de vier uitgangen van een teller: A -- 1, B -- 2, C -- 4 en D--8. Bepaal bij welke van de decimale getallen 0,1, de uitgang E laag is.

17 TEMPERATUURMETING Een temperatuursensor (0-5 V) heeft een lineaire ijkgrafiek. De sensor kan temperaturen meten tussen - 40 C en 210 C. a) Bereken de gevoeligheid van de sensor. b) De spanning die de sensor afgeeft bij 25 C. De sensor wordt aangesloten op een 8-bits AD-omzetter. c) Bereken de resolutie van de AD-omzetter. d) Bepaal het digitale getal dat correspondeert met 25 C. TEMPERATUURALARM Ontwerp met de gebruikelijke schemasymbolen een temperatuur-alarmsysteem. Er moet een bel gaan als de temperatuur tenminste 5 seconden boven een bepaalde waarde geweest is. Het alarm moet handmatig afgezet kunnen worden. DECIMAAL-BINAIR a) Schrijf het decimale 194 in het tweetallig stelsel. b) Reken het binaire om naar het decimale stelsel. SCHAKELEN Twee signalen A en B worden toegevoerd aan een EN-poort en een OF-poort in bijgaande schakeling. a. Geef op het antwoordblad aan, wanneer de LED aan is. b. Geef op het antwoordblad aan wanneer de zoemer gaat. Antwoordblad:

18 BUITENLAMP Een familielid dat gehoord heeft dat jij een specialist bent in het ontwerpen van elektronische schakelingen komt bij je met dit verzoek: Ik zou graag een buitenlamp hebben die ik binnen kan in- en uitschakelen, maar de lamp moet vanzelf aangaan en een tijdje aanblijven als er buiten beweging wordt geregistreerd. Ter beschikking staat een ontwerpbord, zoals op het antwoordblad is afgebeeld, en een bewegingssensor, waarvan de sterkte van het uitgangssignaal toeneemt bij meer waargenomen beweging. Ontworpen is al een schakeling op het ontwerpbord die bij 'voldoende beweging buiten' de Led laat oplichten gedurende een in te stellen tijd. Zie hiernaast. a. Waarom is de comparator in de schakeling opgenomen? b. Wat is de functie van draad B? Jouw familielid draait de knop van de pulsgenerator naar een hogere frequentie. c. Leg uit wat hiervan het gevolg is. De schakeling moet nog uitgebreid worden. Het familielid wil niet alleen dat de lamp bij voldoende beweging aangaat, maar wil bovendien ook dat hij de lamp aan en uit kan maken door op de daarvoor bestemde drukknoppen te drukken. c. Pas de schakeling aan, zodat aan die wens is voldaan. Een paar verbindingen zijn al gemaakt.

19 Antwoordblad:

20 LOGISCHE SCHAKELING Twee signalen A en B worden toegevoerd aan een schakeling, zoals hiernaast is getekend. De kabel waarlangs signaal B wordt getransporteerd is gestreept weergegeven. Tevens is als functie van de tijd de aard van de signalen A en B getekend op het antwoordblad. Teken de waarde van signaal C als functie van de tijd vanaf t = 0.

21 ANTIEKHANDELAAR Een antiekhandelaar wil bij zijn voordeur een alarminstallatie installeren. Hij ontwerpt dit in 3 stappen en heeft het systeembord, zoals afgebeeld op het antwoordblad, daarbij in gedachten. Als alarm gebruikt hij de zoemer. Stap 1. Hij wil dit alarmsysteem met behulp van drukknoppen 's avonds kunnen inschakelen en 's morgens weer uitschakelen. Het alarmsysteem moet een geluidssignaal afgeven. a. Teken een schakeling die aan de eis van de eerste stap voldoet op de daarvoor bestemde plaats van het antwoordblad. Stap 2. Hij heeft een IR-sensor. Hij wil dat als iemand binnen een straal van 2 meter van de voordeur nadert, het alarm klinkt. Het alarm mag niet afgaan als zijn poes binnen de straal van 2 meter komt. De ijkgrafiek van de IR-sensor staat hiernaast. b. Teken een schakeling die aan de eis van de tweede stap voldoet op de daarvoor bestemde plaats van het antwoordblad. Stap 3. Hij wil beide stappen combineren, zodat de zoemer alleen klinkt, als een mens na het inschakelen in de buurt van de voordeur komt. c. Ontwerp een geschikt schema en teken dit op het antwoordblad in het systeemboord. d. Verklaar of dit een meet-, stuur, dan wel regelsysteem is.

22 HOBBYWINKEL In een hobbywinkel kopen we twee temperatuursensoren. Het betreft een kwaliteitszaak. Dat merk je aan de ijkgrafieken die je bij beide sensoren ongevraagd erbij geleverd worden. Op de verpakking staat dat de benodigde batterijen niet bijgeleverd worden, maar die kun je in die winkel erbij kopen. Hiernaast staan de ijkgrafieken van de thermometers A en B. a. Bereken de gevoeligheid van thermometer A. b. Bepaal welke van de thermometers het gevoeligst is. Thermometer B wordt aangesloten op kanaal 3 van het meetpaneel van onze computer. Van dit kanaal is het volgende bekend: Het ingangssignaal moet liggen tussen 0 V en 1,00 V en wordt dan via een 8-bits ADconverter aan de computer doorgegeven ter verwerking. c. Bepaal het bereik van de aangesloten thermometer. d. Bepaal de resolutie van de aangesloten thermometer. e. Bepaal de binaire code bij een ingangsspanning van 0,60 V op kanaal 3. TEMPERATUURSIGNAAL We willen een systeem ontwerpen, waarbij een lamp gaat branden zodra de temperatuur boven een bepaalde waarde uit komt. We krijgen het volgende voorstel aangereikt. a. Leg uit dat deze schakeling werkt. b. Leg de functie uit van de drukschakelaar. c. We willen de schakeling veranderen, zodat de lamp juist uitgaat als de temperatuur boven die bepaalde waarde uit komt. Daartoe nemen we een invertor in de schakeling op. Leg uit of deze invertor wel of niet geplaatst kan worden in draad A, B, C of draad D.

23 METEN, REGELEN EN STUREN De noordvleugel van de Maurick hoogbouw wordt verwarmd door radiatoren die hun warm water van de ketel uit het Forum krijgen. We veronderstellen voor deze opgave dat de CV-ketel twee standen kent: AAN en UIT. In lokaal 206 hangt de temperatuursensor. Deze is zo aangesloten dat als de temperatuur onder de 20 C komt, de CV-ketel gedurende 8 minuten brandt en dan in de UIT-stand komt, tenzij de temperatuur nog steeds onder de 20 C is, want dan brandt hij daarna nog minstens 8 minuten. Ontwerp hieronder een systeem dat zich gedraagt, zoals zojuist beschreven is. Afbeelding van systeembord toevoegen! Er zijn docenten, die houden van frisse lucht. Een van deze docenten heeft de ramen van lokaal 206 opengezet, hoewel het buiten vriest. Leg uit, waarom het systeem met ramen dicht een regelsysteem is, maar met ramen open als stuursysteem werkt. AD-OMZETTER Een 8-bits AD-omzetter is ontworpen om spanningen van 0 5 volt om te zetten in een binaire code. Bereken de binaire code die door een spanning van 3,72 V veroorzaakt wordt. WAARSCHUWINGSBORD In het wegdek zijn twee inductielussen aangebracht die dienen om snelheidsovertreders te waarschuwen door het oplichten van een bord. Een inductielus geeft even een hoog signaal in de vorm van een puls, zodra een auto erover heen rijdt. Een basisschakeling die aan die eis voldoet zie je hiernaast, waarbij een LED de rol van het waarschuwingsbord voorstelt. Door de instelling van de pulsgenerator te veranderen kun je het apparaat geschikt maken voor andere snelheden. Beredeneer of een hogere frequentie van de pulsgenerator bestemd is voor het detecteren van hogere of lagere snelheden. We willen dat het waarschuwingsbord gedurende 2 seconde oplicht bij een snelheidsovertreding en als in die tijd een volgende auto eveneens te hard over de lussen rijdt, moet het licht voor deze automobilist ook tenminste 2 seconden aan zijn. Je hebt daarvoor een tweede eraan gekoppeld systeembord ter beschikking. Ontwerp de schakeling die aan de eis voldoet. Uitwerking:

24 of eenvoudiger: