Uitwerkeningen natuurkunde H8

1

Hoofdstuk 141 Inleiding 1-2 Voorkennis 1 Automaten a A Verwarmingsthermostaat taak: regelen van de temperatuur - zelf instellen met een bimetaal of een kwikschakelaar in/uitschakelen verwarming B Wc-stortbak taak: wegspoelen - zelf inschakelen met een vlotter b thuis: magnetron, afstandsbediening tv, programmering video school: schoolbel, snoepautomaat, schuifdeuren verkeer: verkeerslichten, mistsignalering, snelheidscontrole winkel: bel, diefstalcontrole, streepjescode fabriek: flessen-vulmachine, robot bij autofabriek, diktecontrole plaatmateriaal c maak zelf een keuze 2 Technische automatisering bespreek de voordelen en nadelen in de klas 3 Elektrische schakelingen A Temperatuur: NTC; hoe hoger de temperatuur, des te lager de weerstand. B Lichtsterkte: LDR; hoe groter de lichtsterkte, des te lager de weerstand. C Geluidssterkte: microfoon; hoe groter de geluidssterkte, des te groter de spanning die de microfoon afgeeft. 2 Meet-, stuur- en regelsystemen 2-1 Structuur 1 Bekijk het structuurschema. Figuur 1 2-2 Verwerking 2 A Invoerblok: temperatuursensor; uitvoerblok: verwarmingselement. B Invoerblok: lichtsensor; uitvoerblok: lamp. C Invoerblok: geluidsensor; uitvoerblok: motor van de garagedeur. 3 A Invoerblok: bewegingssensor; uitvoerblok: motor van de schuifdeuren; verwerkingsblok: schakeling die de mate van beweging vergelijkt met een ingestelde waarde (zodat de deur alleen bij mensen opengaat). Zie figuur 1 B Invoerblok: lichtsensor; uitvoerblok: motor van het Figuur 2 zonnescherm; verwerkingsblok: schakeling die de hoeveelheid zonlicht vergelijkt met een ingestelde waarde. Zie figuur 2 C Invoerblok: lichtsensor; uitvoerblok: lamp; verwerkingsblok: schakeling die de hoeveelheid licht vergelijkt met een ingestelde waarde zodat de lamp aangaat als het donker is. Zie figuur 3 D Invoerblok: (water)hoogtesensor; uitvoerblok: pomp; verwerkingblok: schakeling die de pomp aanzet als het waterniveau te laag is en uitzet als het waterniveau te Figuur 3 hoog wordt. Zie figuur 4

2

4 A Continu; B discreet / binair; C continu; digitaal.

D discreet /

5 Zie info-boek. Meetsysteem: figuur 10; stuursysteem: figuur 13; regelsysteem: figuur 15. Overeenkomsten: drie blokken met in invoerblok n of meer sensoren. Figuur 4 Verschillen tussen stuur- en meetsysteem: Bij stuursysteem wordt in verwerkingsblok met drempelwaarden gewerkt; bij meetsysteem met ijkgegevens. Bij stuursysteem bevat het uitvoer blok een actuator; bij een meetsysteem bijvoorbeeld een (beeld-) scherm. Verschillen tussen stuur- en regelsysteem: Bij stuursysteem wordt in verwerkingsblok met drempelwaarden gewerkt; bij regelsysteem met gewenste gegevens. Bij een stuursysteem is er geen sprake van terugkoppeling; bij een regelsysteem wel. 6 A digitaal; B analoog; C digitaal; D digitaal; E meestal analoog; F: meestal digitaal 7 a Stuursysteem: er is alleen een actie. Verwerkingsblok: er wordt vergeleken met een drempelwaarde en niet met een gewenste waarde. Uitvoerblok: de actuator heeft geen invloed op de sensor: er is geen sprake van terugkoppeling. b Zie figuur 5. 8 Stuursysteem: er is alleen een actie als er teveel mensen Figuur 5 zijn. Verwerkingsblok: er wordt vergeleken met een drempelwaarde en niet met een gewenste waarde. Uitvoerblok: de actuator heeft geen invloed op de sensor: er is geen sprake van terugkoppeling. b Zie figuur 6. 9 Tankpistool: stuursysteem; wasautomaat: regelsysteem; digitale weegschaal: meetsysteem. 2-4 Oefenvragen Figuur 6

11 Voetgangerslicht a Invoerblok: drukschakelaar; uitvoerblok: lampen en geluidsbron. Verwerkingsblok: als er op de drukschakelaar is gedrukt moet na enige tijd het licht van groen naar rood; de rode lamp moet uitgezet worden, de groene lamp aan. Bovendien moet het geluidssignaal van karakter veranderen. Er moet ook een klok gaan lopen. Na een bepaalde tijd moet het groene licht gaan Figuur 7 knipperen en ten slotte uitgaan. Het rode licht moet weer aangaan, zodat het systeem zich weer in de beginsituatie bevindt Zie figuur 7. b bespreek de antwoorden in de klas. 12 Wasdroger a Invoerblok: temperatuursensor, elektronische klok en eventueel een vochtigheidssensor; uitvoerblok: motor van de trommel en het verwarmingselement.

Newton - N1b - VWO - Antwoorden H14

3

Verwerkingsblok: zolang de klok een spanning geeft (tijd niet verstreken) draait de trommel. Het verwarmingselement is aan, zolang de temperatuur niet te hoog is. Het verwarmingselement mag ook alleen aan zolang de klok spanning geeft. Zie figuur 8. b Invoerblok: deurbeveiliging-schakelaar; uitvoerblok: "slot" op de deur Verwerkingsblok: als de temperatuur te hoog is, moet de deur op "slot" blijven. Figuur 8 13 Mens als automaat a Invoerblok: ogen (zien), oren (horen), huid (voelen), tong (proeven), neus (ruiken). Uitvoerblok: spieren. Verwerkingsblok: ruggenmerg en hersenen. b Met zenuwen die een (elektrisch) signaal naar de hersenen sturen. Die sturen (na verwerking) op hun beurt weer signalen naar de spieren. c regelsysteem: het vangen van een bal; het reageren van het oog op een grote hoeveelheid licht; het handhaven van de lichaamstemperatuur. stuursysteem: au! en loslaten, het reageren van het lichaam als de temperatuur van de huid te hoog wordt. meetsysteem: het tellen van voorwerpen. 14 Verwarmingsthermostaat a Cv aan als de temperatuur te laag is; cv uit als de temperatuur te hoog is. Meten en schakelen. b Zie onderschrift van figuur 6 in het vbk. Bij een te temperatuurdaling geschiedt het tegenovergestelde. c Sensor: bimetaal; actuator: elektromagneet; verwerkingsblok: kwikdruppel met bijbehorende schakeling. d Dit is een regelsysteem, er is terugkoppeling. Als de temperatuur laag / hoog genoeg is gaat de gasbrander aan / uit. 15 Waakvlambeveiliging a Het laten ontbranden van het gas als de warmwaterkraan wordt opengedraaid. Een opeenhoping van gas zorgt voor explosiegevaar. b De gas-toevoer afsluiten als de waakvlam uit gaat. c Als de waakvlam brandt, zorgt het thermokoppel ervoor dat de elektromagneet bekrachtigd is en de brander gas krijgt. Als de waakvlam uitgaat, werkt de elektromagneet niet meer en duwt het veertje de gasklep dicht. d Sensor: thermokoppel; verwerkingsblok: elektromagneet; actuator: veertje. e Het is een stuursysteem, als de waakvlam uit is gegaan wordt deze niet meer automatisch ontstoken en blijft de gasklep dicht. 3 Standaardbouwstenen 3-1 Structuur 1 Bespreek het structuurschema in de klas. 3-2 Verwerking 2 De symbolen van de standaardbouwstenen staan in het Binas in tabel 97B. De NOF en NEN horen niet tot de leerstof. In de uitwerkingen worden de symbolen weergegeven zoals ze op het systeembord staan getekend. Comparator: de comparator vergelijkt een sensorsignaal met een ingestelde drempelwaarde.

EN-poort: de EN-poort geeft alleen een hoog uitgangssignaal als beide ingangssignalen hoog zijn.


4

OF-poort: de OF-poort geeft een hoog uitgangssignaal als minstens n van de ingangssignalen hoog is. Invertor: de invertor verandert een laag ingangssignaal om in een hoog en omgekeerd. Geheugencel: de geheugencel geeft een blijvend hoog uitgangssignaal als de set een hoog signaal ontvangt. Het uitgangssignaal wordt pas weer laag als de set een laag signaal ontvangt en de reset een hoog signaal ontvangt. Teller: de teller telt bij positieve hellingen het passeren van een bepaalde waarde. De teller kan extern worden aan- en uitgeschakeld en gereset. 3 Tussen 4 en 12 m/s, daar is de grafiek een rechte. 4 a G = S / T (= r.c. lijn) = (4,5 - 2,0) / (40 - 10) = 0,083 V/C. Bereik: tussen 10 C en 46 C (bij 5,0 V). b De grafiek loop twee keer zo steil, want de gevoeligheid Figuur 9 is nu 2 0,083 = 0,166 V/C. Het bereik loopt van 10 C (hier geldt S = 2,0 V) tot 28 C. Dit laatste punt is op twee verschillende manieren te bepalen: 1e manier: Teken de nieuwe karakteristiek en lees af bij S = 5,0 V. Zie figuur 9. 2e manier: Het sensorsignaal moet toenemen van 2,0 V tot 5,0 V: S = 3,0 V; met G = 0,166 V/C vind je T = 18 C. De maximale temperatuur is dan 10 + 18 = 28 C. 5 Zie figuur 10. 6a S1 S2 S3 0 0 0 1 0 1 0 1 1 1 1 0 Een OF-poort geeft ook een 1 als S1 en S2 beide 1 zijn, een XOF doet dat niet. b Zie figuur 11. S1 S2 S3 S4 S5 S6 0 0 0 0 1 0 1 0 1 0 1 1 0 1 1 0 1 1 1 1 1 1 0 0 7 Zie figuur 12. 8 Zie figuur 13. Er vindt naar iedere volgende trap een tweedeling plaats.set

S1&

S2 S3

EN-poort

&EN-poort

S uit

S1 S 2

1

Figuur 10 S 3&EN-poort

OF-poort

S 6 S 5

&EN-poort

S4

1invertor

Figuur 11

Mreset geheugencel

1invertor

Opm: S wordt nu R, R wordt nu S

Figuur 12 seconden voor.

9 De pulsgenerator geeft nu 2 pulsen per sec. Elke halve seconde verspringt het display. De cijfers op het display stellen dus halve Figuur 13


5

10 ab vier minuten = 240 s. De tijd t = 240 s moet dus een stuursignaal opleveren. Veronderstellen we dat we een teller gebruiken met als uitgangen 1, 2, 4 en 8, dan komt het gewenste signaal bij uitgang 1 als f = 1/240 Hz = 0,00417 Hz; bij uitgang 2 als f = 2/240 Hz = 0,00833 Hz; bij hogere uitgang bij n/240 Hz, waarbij n de telwaarde van de uitgang is. 11 a 0000 1101 = 1.23 + 1.22 + 0.21 + 1.20 = 8+4+0+1 = 13 0011 1101 = 1.25 + 1.24 + 1.23 + 1.22 + 0.21 + 1.20 = 32+16+8+4+0+1 = 61 b 14 = 8 + 4 + 2 = 0000 1110; 171 = 128 + 32 + 8 + 2 + 1 = 1010 1011; 255 = 1111 1111 12 1111 1111 = 255 13 Zie figuur 14. 14 Zie figuur 15.+ 2 1 3 4 0 5V 1 inverto r

ref+ 1

windsensor

2

3 4 5V

led

comparator

0

Figuur 14

Stemperatuursensor

= 1,3 V

15 Zie figuur 16. 16 Zie figuur 17. Met een geheugencel blijft de bel rinkelen, een teller kan de bel eventueel later weer uitzetten. 3-3 Experimenten 17 Variabele spanningsbron De aangegeven waarden bij de knop van de variabele spanningsbron zijn slechts een indicatie. Voor een precieze waarde moet een voltmeter gebruikt worden. 18 Drukschakelaar Als de schakelaar ingedrukt is. 19 Ligt Emitting Diode a Bij een hoog signaal. b Binair signaal. 20 Zoemer a Hoog signaal. b Binair signaal. 21 Geluidsensor Hoe harder het geluid, des te groter het uitgangssignaal. 22 Temperatuursensor b De grafiek moet een rechte lijn (niet door O) zijn. c De gevoeligheid bepaal je door de r.c. van de lijn te bepalen (in V/C).

comparato

Sref = 2,4 V+ 2 1 3 4 0 5V

1OF-poort led

comparato

S = 3,3 ref V+ 2 1 3 4 0 5V

Figuur 15

se t

sensor

Mreset geheugencelzoemer

rook

comparator

bel

Figuur 16

+

12 3 4 0 5V

se ns or

invertorz oe m e r

licht

1

comparator

bel Figuur 17

23 Relais Het relais schakelt bij ca. 1,2 V; het relais functioneert het best bij een binair signaal. 24 Comparator a De LED gaat branden als Sin > Sref (hier dus 2,0 V); de LED brandt dan goed, d.w.z. dat de comparator dan een hoog signaal afgeeft. b zie figuur 18. c De LED brandt nu als Sin > 4,0 V. 25 Invertor De invertor maakt van een hoog signaal en laag signaal en omgekeerd.


6

26 EN-poort Pas als beide ingangen hoog zijn, is de uitgang hoog. In alle andere gevallen is de uitgang laag. 18 Figuur 27 OF-poort Als een van beide ingangen of beide ingangen hoog zijn, is de uitgang hoog. Pas op: het woord OF is dus misleidend. 28 Geheugencel Als het signaal op de Set-ingang verandert van laag naar hoog, wordt de uitgang hoog. Elke volgende verandering van het signaal op de Set-ingang heeft geen gevolgen. Pas als het signaal op de Reset-ingang van laag naar hoog verandert, wordt de uitgang weer laag. Pas op: bij een hoog signaal op zowel de Set- als de Reset-ingang werkt het geheugen niet goed. 29 Teller a Nee; de teller staat pas aan als op de Aan/Uit-ingang een hoog signaal staat (pas op: als deze ingang niet gebruikt wordt (als er niets op aangesloten is), staat de teller altijd aan). b De tellerstand wordt met n verhoogd als het signaal op de telpulsen-ingang van laag naar hoog verandert. c De teller staat uit en telt niet. d De teller blijft op nul staan; elke keer als hij met n verhoogd zou worden, wordt hij meteen weer op nul gezet (gereset). 30 Teller: binair tellen tellerstand 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 uitgang 8 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 uitgang 4 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 uitgang 2 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 uitgang 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1

b Voer de opdracht uit. c De reset werkt al voordat er een puls geteld wordt. 31 Teller: secondeklok Voer de opdracht uit. Voer de opdrachten 32 t/m 42 uit.aandrukscha kelaarset

aan Mle d

set

uitdr ukschakelaarreset

drukscha kelaar

geheugen cel

noodstopdrukscha kelaarreset

Mle d

geheugen cel

Figuur 20


7

43 Hotelschakeling Zie figuur 19. 44 Transportband Zie figuur 20.

2 1 0

3 4 5V

v a ab el ri e

s p n n i ng a

+ 2 1 3 4 5V

1inv ert or

set

Mreset geh eug encelzoe mer

45 Inbraakalarm 1 Zie figuur 21.drukschakelaar drukschakelaar

se t

comparator

0

Mre set ge he ug enc el

S =4Vrefdrukschakelaar

Figuur 21

46 Alarminstallatie Zie figuur 22.

&

I-R-sensorsensor+ 1 2 3 4 0 5V

E N-p oor t

z oem er

Figuur 22

comparator

lichtse n sor+ 2 1 3 4 5V

S1in ve rto r

ref

= 1,5 V

se t

Mre se t geheug en ce l

c om parat or

0

S

ref

=4 V

dru kschakela ar

$1OF-poort

sen sor

rookzoemerp ul s g ene rator 0 10 Hz te e a n t ll r a /ui te p l e l us n 8 4 2 1

+ 1

2

3 4

led

comparator

0

5V

1 Hz

re e s t

S

ref

=4 V

Figuur 24

Figuur 23

47 Winkelbel Zie figuur 23. 48 Rookmelder 1 Zie figuur 24.

rooksenso r + 2 1 3 4 0 5V

se t

1inv er tor

d ruk sch a ke la a rled

Mre se t g eh eu g en ce lzo e m e r

4V

com parat or

49 Rookmelder 2 Zie figuur 25.

set

Mreset geheugencel

&$1

dru ksch ake la arpul s gen erator 0 1 0H z tel l r aan /u it e tel p s e n ul

1 OF-p oort8 4 2 1pu ls-

Hzte l pu l s e n

EN-poort8 4 2 1

ge ne rat or 0 10 Hzte l l r a a n / u i e t

1 Hz

res et

re s e t

Figuur 25

Figuur 26


8 50 Schoolbel Zie figuur 26.

lichtse ns or + 2 1 3 4 5V

1in vertor

comp arator

0

deuren dicht

S =4Vref

vuurtorenset

led

drukschakelaar

M EN-poort geheuge ncelresette l pu l s e n

&

Figuur 26 51 Vuurtoren 1 Zie figuur 27. 52 Vuurtoren 2 Zie figuur 28. Figuur 33

led

&

EN-poort8 4 2 1

1 Hzp uls g en e ra to r 0 1 0H z

pu lsge ne ra tor 0 10 Hzte l pu l se n

te l l r a a n /u i e t

1 Hz2 1 0 5V 3 4

8re se t

4

2

1

te l e r a a /u i t n

va r iab e le

re set

sp a n nin g

+5V

Figuur 27

startdru ksch akel aar

set

Mreset geheugencel

lichtsensor

S = 2,5 Vref+ 1

dru ksch akel aar

12 3 4 0 5V

stop

inve rto r

&EN-poort

53 Reactietijdmeter Zie figuur 29. 54 Zwembad Zie figuur 30.

co m pa ra tor

set

M4 2 1

pu lsge ne ra tor 0 10 Hz

tel p ls e n u

8

resette l p u l e n s

geheugencel8 4 2 1

led

te ll r a an /u i t e

10 Hz

res et

tel l e a a n/u t r i

re s e t

Figuur 29lichtsensor

drukschakelaar

Figuur 30 Figuur Figuur 32 30

S =4Vref+ 2 1 3 4 0 5V

1invertor

co mp arator

set

55 Luchtsluis Zie figuur 31.elektromagneetled

S =3Vrefsensor + 2 3 4 0 5V 1

1inv ert or

Mreset geheugencel

temp-

comparator

pu lsge ne rat or 0 10 Hz

tel p u l e n s

8

4

2

1

56 Fhn Zie figuur 32.aanset

te l l r a a /u it e n

1 Hz

&EN-poort

res e t

fhn

zoemer

Figuur 31set

drukschakelaar

Mreset geheugencel

led

dr ukschakelaar

uit

drukschakelaar

Mreset geheugencel

Figuur 32

rood1inv ert or

led

led

pu lsge ne rat or 0 10 Hz

te l p u e n ls

8

4

2

1

groen

te l l r a a n /u i t e

1 Hz

re s e t


9

57 Lift Zie figuur 33. 58 Voetgangerslicht Zie figuur 34.

Figuur 34

sensor

+ -

2 1

3 4

temp-

S =4Vref

compar ator

0

5V

led set drukschakelaar

sensor

+ 2 1 3 4 5V

1invertor

licht- S =1,5V

Mreset geheugencel 1te l pu l s e n

59 Broodrooster Zie figuur 35.2 1

ref

com para tor

0

&18

1 Hzp uls g en e ra to r 0 1 0H zte ll r a a n /u i t e

EN -poortin vertor

le d

4

re s e t

60 Lichtautomaat Zie figuur 36.

invertor

1 Hzp ulsg en er at orte l p ul s e n

8

4

2

1

Figuur 35

0

1 0Hz

te ll r aa n/u t e i

re s e t

Figuur 36

led

setdruks chakelaar

$1OF-poort

druks chakelaar

reset

1inv ertor

&EN-poort

Figuur 38

61 Inbraakalarm 2 Zie figuur 37. 62 Geheugencel


10

Zie figuur 38.

4 Computersystemen 4-1 Structuur 1 Bespreek je structuurschema in de klas. 4-2 Verwerking 2 Een sensor meet een grootheid in de vorm van een elektrische spanning. De AD-omzetter zet een analoog signaal om in een digitaal. De computer is een systeem met een invoer-, verwerkings- en uitvoerblok. De verwerking gebeurt door een programma, geschreven in een computertaal. Het toetsenbord is een invoer voor de computer, men kan er letters, cijfers en tekens mee invoeren. De diskdrive is een invoer voor de computer. De drive stuurt de diskettes aan, daar kunnen digitale bestanden en programmas in opgeslagen zijn of opgeslagen worden. Het beeldscherm is een uitvoereenheid van de computer, waarop men resultaten kan aflezen. De printer is een uitvoereenheid van de computer waarmee men resultaten op papier kan zetten. 3 Een computer kan programmas uitvoeren om naar aanleiding van de gegevens verschillende handelingen te laten verrichten, of om gegevens te verwerken en op te slaan. 4 a b Ieder bit vertegenwoordigt een factor 2. Dus bij n bits zijn er 2n stappen. Des te meer stappen, des te kleiner de resolutie. Het aantal stappen is omgekeerd evenredig met de resolutie. Het ingangssignaal wordt verdeeld in 2n stappen bij n bits. Hoe groter het ingangsbereik is, des te groter de resolutie (recht evenredig), dus is het meetsysteem minder nauwkeurig.

5 Een meetwaarde moet door de AD-omzetter zijn omgezet voordat de volgende meetwaarde wordt aangeboden. 6 De resolutie is 5 / 216 = 7,63.10-5 V = 76 V. 7 We veronderstellen het ingangsbereik van 0 - 5 V, 8 bits betekent 28 = 256 stappen. De stapgrootte is dan 5 / 256 = 0,01953 V. 2,54 V is stap 2,54 / 0,01953 = 130. Het binaire getal is 1000.0010 8 De 5 V ingangsspanning is nauwkeuriger dan n cijfer, je mag dus nauwkeuriger werken. De resolutie is 5 / 16 = 0,3125 V. Binair 1010 is het getal 10. Het uitgangssignaal ligt tussen 10 en 11 x 0,3125 V. Dus 3,125 Sin 3,4375 V. 9 Tm > 50 s, fm,max = 1 / (50.10-6 ) => fm,max = 2,0.104 Hz = 20 kHz. 10 a fm = 500 Hz => Tm = 2,00 ms. bc De 4-bits AD-omzetter heeft een resolutie van 0,3125 V. (zie vraag 8) 2 ms 1,2 V binair 3 101


11

4 ms 6 ms 8 ms 10 ms 12 ms 14 ms

1,4 V 1,6 V 1,8 V 1,8 V 1,8 V 1,5 V

4 5 5 5 5 4 Figuur 39

4-3 Experimenten 11 AD-omzetter Voer het experiment uit 12 Temperatuursensor Voer het experiment uit.+ 2 1 3 4 0 5V

1invert or

sensor

13 Plantengieter Zie figuur 40.kraan

sensor

+ 2 1 3 4 0 5V

1inv ertor

lichtref

com para tor

lichtref

com para tor

S = 1,5 Vled

S =4Vled

&vochtigheidS =3Vref+ 2 1 3 4 0 5V

EN-poort

14 Buitenlamp Zie figuur 41.

&bewegingS = 4,0 Vref+ 2 1 3 4 0 5V

EN-poort

sensor

1in vertor

sensor

(I-R-sens or)

com parat or

Figuur 41

com parat or

s ensor

+ 2 3 4 5V 1

1in v e rto r

15 Slinger Zie figuur 42.+ -

lichtS reft el pul e n s

12 1 3 4 0 5V

com pa rat or

0

&8 4 2 1

t el er aan/ ui l t

EN-poort

r eset

16 Etalageverlichting 1 Zie figuur 43.1 Hz

inv er t o r

c om par a tor

licht-

S = 2,5 Vrefled

p ul sg en e rato r 0 1 0Hz

&s ens or2 1

+ 5V

set

t el pu l e n s

8

4

EN-poort+ 2 1 3 4 0 5V

Mreset geh euge ncel

t el er aan / i l u t

r ese t

Figuur 43

c om par at or

Figuur 42

Sref= 1,0 V

sensor

+ 2 3 4 0 5V 1

1inv ert or

windref

com para tor

S=2Vsensor

17 Fontein Zie figuur 44.fonteinled

sensor

+ 2 3 4 0 5V 1

lichtref

temp.+ 2 1 3 4 5V

&EN -poort

18 Onweer Zie figuur 45.sensor

c om para tor

se t

S =4V+ 2 1 3 4 0 5V

Mre se t g eh eu g en cel

Sref 1,5 V =

com parator

0

&+ 2 1 3 4 0 5V

geluidp u lsgen e ra to r

com parat or

sensor

EN-poort Sref= 1 V

Sref = 3 Vtel p u s e l n

8

4

2

1

licht-

0

1 0Hz te l e ra an / it u

c om parat or

rese t

drukschakelaar

Figuur 44

Figuur 45


12

set

d ruk sch ak el aa r

Mreset geheu gencel

$1OF -poort

1inv er tor

rood &EN-poort

sensorle d

+ 1

12 3 4 0 5V

invertor

$1OF-poort

oranjele d

le d

comparator

19 Verkeerslicht Zie figuur 46. 20 Water-reservoir Zie figuur 47.

S = 1,5 Vrefset

groen 1 Hzpul s gen ra tor e 0 1 0 Hz te l er aan i t /u te l pu lse n

M+ 2 1 3 4 5V

8

4

2

1

re set

geheugencel

led

re se t

comparator

0

1in v er tor

S =4Vref

Figuur 47

Figuur 46se nso r+ 2 3 4 0 5V 1

1invertor

sensor

+ 1

12 3 4 5V

licht-

c om parator

licht+ 2 1

invertorset

0 comparator

S = 1,5 Vref3 4 5V

&EN-poort

21 Plantenkas Zie figuur 48.1OF-poort

Md ru ksc ha kel aa r reset g ehe ugencel

&EN-poort

druksc ha kel aa r

comparator

0

&EN-poort

S = 0,5 Vref+ 1

22 Valse start Zie figuur 49.

startpistool

set

Mr eset gehe ug ence lzo em e r

12 3 4 5V invertor

led

sensor

temp.-

S = 1,1 V ref

comparator

0

Figuur 49+ 1

Figuur 4812 3 4 5V

sensor

invertor

23 Etalageverlichting 2 Zie figuur 50. 4-4 Oefenopgaven

lichtref

comparator

0

S =1Vset

M+ 1 0 2 3 4 5V

1in ve rtor

reset

geheugencel

comparator 24 Resolutie van een meetsysteem S = 2,5 V 8 ref a De resolutie is 5 / 2 = 0,01953 V. & b De gevoeligheid is 1 S / T = (2,7 - 1,4) / (80 - 40) = 0,033 V / C. EN-poort c Als het binaire getal 1 omhoog gaat, is de spanning Figuur 50 0,01953 V gestegen. Dat komt overeen met 0,01953 / 0,033 = 0,60 C. De resolutie van het meetsysteem is 0,60 C. d Alles wordt dan 216 / 28 = 256x zo nauwkeurig. De resolutie van het meetsysteem is dan 0,60 / 256 = 2,3.10-3 C. e Als de gevoeligheid van de sensor 2x zo groot wordt, wordt de resolutie van het systeem 2x zo klein: 0,30 C.in ve rtor

led

25 Windturbine a De karakteristiek is lineair tussen v = 5 m/s en v = 16 m/s.


13

G = S / v = (5,0 - 1,1) / (16 - 5) = 0,35 V/ (m/s) (= 0,35 V s/m). b S1, ref = 0,4 V; S2,ref = 4,6 V. Zie figuur 51. c De resolutie is 6,00 / 28 = 0,0234 V. Bij 3,0 m/s is S = 0,4 V; 0,4 / 0,0234 = 17. Het binaire getal is 0001.0001 Bij 15 m/s is S 4,6 V; 4,6 / 0,0234 = 196. Het binaire getal is 1100.0100 d De gevoeligheid op het lineaire deel is 0,35 V / (m/s). De resolutie is 0,0234 V. De resolutie van het meetsysteem is dan: 0,0234 / 0,35 = 0,067 m/s.

+ 2 1 3 4 0 5V

1inv ert or

c om para tor

S = 0,4 Vrefsensor

wind+ 2 1 3 4 0 5V

B $1OF-poort

Figuur 51

com parat or

S = 4,6 Vref

26 Slingertijdmeting a De teller wordt met n verhoogd als het signaal op de telpulseningang van laag naar hoog gaat. Het signaal van de comparator moet dan, door de invertor, van hoog naar laag gaan. De comparator geeft een hoog signaal af als de lichtsensor belicht wordt, dus als het blokje niet tussen het lampje en de sensor zit. De teller verspringt dus als het blokje de lichtbundel binnen komt. b Tijdens n slingering (heen en weer) passeert het blokje twee keer de sensor. De tellerstand wordt dan twee keer verhoogd. c De klok begint te lopen als de set van het geheugen een hoog signaal krijgt. D.i. als het blokje voor de eerste keer de lichtsensor passeert. We veronderstellen dat dit in de laagste stand is. De klok stopt als de reset van het geheugen een hoog signaal krijgt. Dit is als het blokje voor de achtste keer de lichtsensor passeert. In deze tijd zijn er (8 - 1)/2 = 3,5 slingertijden verlopen (zie antwoord b.). De gemeten tijd moet dus door 3,5 gedeeld worden om de slingertijd te vinden. d De klok moet dan stoppen als het blokje voor de vijfde keer voorbij de lichtsensor komt. Bij tellerstand zijn de uitgangen "4" en "1" beide hoog. Deze uitgangen moeten naar een EN-poort. De uitgang van de EN-poort gaat naar de reset van het geheugen. 27 Lichtautomaat a de lichtsensor geeft een analoog signaal af, er is een comparator nodig die bij een bepaalde lage waarde een laag signaal afgeeft, daarboven geeft de comparator een hoog signaal af. als het donker wordt, geeft de lichtsensor een lager signaal af. De comparator geeft dan juist een laag signaal af, terwijl een hoog signaal nodig is. De invertor maakt van dit lage signaal een hoog signaal. met de combinatie pulsgeneratorteller kan een klok gemaakt worden die na de gewenste tijd een signaal afgeeft waarmee de lamp uitgezet kan worden. de lamp werkt (vaak) op 230 V. D.i. een spanning dat het verwerkingsblok niet kan leveren. Daarom wordt een relais gebruikt dat in de schakeling van de lamp is opgenomen. F Het is ook mogelijk een laag-spanning-hallogeenlamp te G & gebruiken. EN- poo rt b de pulsgenerator geeft 0,020 pulsen per seconde. Beter is dus 2 T pulsen in 100 s ofwel 1 puls in 50 s. in 4,0 uur zitten 4,0 3600 = 14400 s. In deze tijd worden 14400 / 50 = 288 pulsen gegeven. een klok met 8 uitgangen kan maximaal 28 = 256 verschillende Figuur 52 waarden aannemen, d.w.z. van 0 t/m 255. Gezien 288 groter is dan 255 is er een teller met 9 uitgangen nodig (deze telt van 0 t/m 511). c Zie figuur 52. Toelichting: Als het donker is (F hoog) en de tijd niet verstreken is (T laag, dus uitgang invertor hoog) moet de lamp branden. De EN-poort zorgt dat G hoog is als aan deze beide voorwaarden is voldaan. d Zie figuur 53.1invert or

Figuur 53


14

Toelichting: Als de lamp uitgaat, is G laag. Met dit signaal wordt de teller uitgezet. Het resetten van de teller gebeurt als het signaal bij R van laag naar hoog gaat. Zo'n signaalverandering is beschikbaar als het 's morgens weer licht wordt. De uitgang van de comparator gaat dan van laag naar hoog. De uitgang van de comparator moet dus rechtstreeks met R verbonden worden (F via invertor naar R kan ook). 28 Auto's tellen a Zie figuur 54. S druk Toelichting: De druksensor geeft een continu signaal af dat toeneemt als de druk toeneemt. Als een auto(wiel) over de druksensor rijdt, neemt de druk (even) toe. De comparator geeft dan (even) een hoog signaal af. b Het referentiesignaal moet op een hogere waarde ingesteld worden. Omdat een auto zwaarder is dan een fietser zal waarschijnlijk het signaal tijd dat de druksensor afgeeft hoger zijn. Ligt Sref boven Sfietser maar onder Sauto S dan zal de comparator alleen een hoog signaal afgeven als de auto over comp 1 de druksensor rijdt. c Zie figuur 55. Toelichting: Als een auto over de druksensor rijdt, geeft de comparator twee keer een hoog signaal af (twee wielen!), terwijl n auto geteld moet tijd 0 worden. Met de schakeling van figuur 53 gebeurt dit laatste. d 222. Dit is het decimale getal behorend bij het binaire getal 11011110. Figuur 54 e Teller C wordt met n verhoogd als teller B op 100 staat. Teller C geeft dus aan hoeveel honderd auto's gepasseerd zijn. Omdat teller B op nul staat, zijn er dus 222 100 = 22200 auto's gepasseerd (en wordt het tijd dat de ringweg aangelegd wordt!). 6 Afsluiting 6-1 Samenvatting 1 Bespreek je schema in de klas. 2 Bespreek je antwoorden in de klas. 6-2 Oefenopgaven 3 Koelcel Bij 10,0 C is de spanning S = 0,50 V. Dus Sref = 0,50 V. Als de comparator rechtstreeks op het breekrelais wordt aangesloten, krijgt het breek-relais een hoog signaal als de temperatuursensor een signaal afgeeft dat groter is dan 0,50 V. De temperatuur ligt dan boven 21 C. Het relais gaat dan open en de motor van de koeling uit, terwijl deze juist aan moet gaan: er is een invertor nodig. Zie figuur 56.

Figuur 55sensor+ 2 1 3 4 5V

1invertor

compa rator

0

S = 0,50Vref

4 Digitale koortsthermometer Figuur 56 a De resolutie van de AD-omzetter is 5 / 28 = 0,0195 V. De gevoeligheid van de sensor is: S / T = (4,0 - 1,0) / 100 = 0,030 V / C. De resolutie van het meetsysteem is: 0,0195 / 0,030 = 0,65 C. b Het meten van de lichaamstemperatuur in stappen van 0,65 C is niet nauwkeurig genoeg. De resolutie moet toch wel in de orde van 0,10 of liever 0,05 C zijn. 5 Startpistool a Zie figuur 57. Toelichting:

relais


15

b

c

de lichtsensor geeft een continu signaal af en er moet een grens getrokken worden, terwijl een tweewaardig signaal nodig is: er is een comparator nodig. als de lichtstraal wordt onderbroken is een hoog signaal nodig (waarmee het geheugen geset wordt): er is een invertor nodig. Zie figuur 58. Toelichting: als de lichtbundel onderbroken wordt (U hoog) en het signaal dat het pistool afgeeft nog niet laag is (T hoog) moet het alarm afgaan: er is een EN-poort nodig. het alarm moet blijvend afgaan: er is een geheugencel nodig. Zie figuur 59.

sensor

+ 2 1 3 4 5V

1invertor

se t

Mre set g eh e ug e nce l

comparator

0

Figuur 57

U&set

T

EN-poortreset

Mgeheugencelzoem er

Figuur 58

6 Voetgangerslicht a Geheugencel M1 geeft een laag signaal af: de teller is uit en staat op nul omdat R via de invertor hoog is. M2 geeft dan ook een laag U signaal af en de rode LED brandt M & omdat er een invertor voor staat. M EN-p oort T b Toelichting: startpistool de set-ingang van geheugen 2 krijgt na de puls nummer 3 een Figuur 59 hoog signaal (uitgang "1" en "2" via EN-poort naar M2). De uitgang van M2 wordt dan hoog: de groene LED gaat aan en gelijktijdig gaat de rode LED uit. de tellerstand verandert als het signaal op de telpulseningang van hoog naar laag gaat. c Zie figuur 60. Toelichting: geheugen 1 en 2 worden gereset na de tellerstand 8 en door de lage uitgang van M1 via de invertor ook de teller; hierdoor wordt de beginsituaFiguur 60 tie volledig A +5V hersteld.se nso r +

1

se t

-

2

3

i nve r o r t

1

4

0 co m pa r at or

5V

re set

g eh eu ge n cel

s et

res et

geheugencel

zoe m er

7 Spelprogramma a Zie figuur 61. Toelichting:

B$1OF-poort1in ve rto r

&EN- poo rt

se t

Mres et ge he ug encel

lamp Aled

C blok 1+5V

blok 2 spelleider

blok 3

Figuur 61


16

b c 3-3

Als de lampen van B en C niet branden (B en C laag) moet de uitgang van I hoog zijn; in alle andere gevallen laag. Waarheidstabel: B C I 1 0 0 0 1 0 1 1 0 Dit is precies de tabel van een OF-poort gevolgd door een invertor. Zie figuur 61. Toelichting: Als A drukt (A hoog) en B en C drukken niet (I hoog) dan moet II hoog zijn. Zie figuur 61. Toelichting: Als II hoog is (alleen A heeft gedrukt) dan moet de lamp van A blijvend aan. Tips ontwerpopdrachten

43 Een hotelschakelaar Bedenk dat na het indrukken van schakelaar 1 de lamp moet blijven branden. 44 Transportband Bedenk dat de band loopt als de drukschakelaar niet is ingedrukt. 45 Inbraakalarm 1 Bedenk dat de lichtsensor een continu signaal afgeeft. Er moet gereageerd worden op het onderbreken van de lichtbundel. 46 Alarminstallatie Deelprobleem 1: Deelprobleem 2: bedenk hoe je de aanwezigheid van een mens kunt registreren bedenk hoe je het alarm blijvend in- of uitschakelt

47 Winkelbel Bedenk dat het onderbreken van de lichtbundel een korte gebeurtenis is die 2 s lang "onthouden" moet worden. 48 Rookmelder 1 Bedenk dat de rooksensor een continu signaal afgeeft. Het alarm moet afgaan als aan een van beide voorwaarden is voldaan. 49 Rookmelder 2 Bedenk hoe je de teller op nul kunt houden als er geen rook is. 50 Schoolbel Bedenk hoe je het "even op de knop drukken" 6 s kunt "onthouden" en hoe je 6 s (binair) uit de teller kunt halen. 51 Vuurtoren 1 Maak een tabel met daarin de binaire weergave van de getallen 0 t/m 9. Twee binaire uitgangen zijn bij twee opeenvolgende getallen hoog. 52 Vuurtoren 2 Bedenk dat de klok aan moet zijn als het niet overdag is of als de vuurtorenlamp brandt. 53 Reactietijdmeter Bedenk hoe de pulsgenerator ingesteld moet worden om de teller tienden van een seconde te laten weergeven. 54 Zwembad Bedenk hoe je met de pulsenteller pulsen kunt tellen. 55 Luchtsluis


17

Deelprobleem 1: Deelprobleem 2:

bedenk dat het (even) passeren van de lichtsensor tot gevolg moet hebben dat de elektromagneet bekrachtigd wordt en de klok aangezet wordt bedenk dat na 8 s de tweede deur geopend moet kunnen worden en de klok uitgezet en op nul gezet moet worden

56 Fhn Bedenk dat de fhn alleen aan mag als drukschakelaar 1 even is ingedrukt en de temperatuur lager dan 45 C is. 57 Lift Deelprobleem 1: Deelprobleem 2: 58 Voetgangerslicht Deelprobleem 1: Deelprobleem 2: Deelprobleem 3: 59 Broodrooster Deelprobleem 1: Deelprobleem 2: Deelprobleem 3: 60 Lichtautomaat Deelprobleem 1: Deelprobleem 2: Deelprobleem 3: 61 Inbraakalarm 2 Deelprobleem 1: Deelprobleem 2: bedenk hoe je na een korte druk op de knop de teller reset en aan laat gaan. Na 4 s moet de teller stoppen, maar mag hij niet op nul gezet worden. als er niemand in de lichtbundel staat en er zijn 4 s verlopen, mag de deur dicht. bedenk hoe je met het "even" indrukken van de drukschakelaar de klok blijvend aan kunt zetten bedenk dat als het groene licht aan is, het rode licht uit is (en andersom) bedenk welke uitgang van de klok 4 s laag is en daarna 4 s hoog is bedenk hoe je broodrooster met een korte druk op de knop aan kunt zetten bedenk dat de klok pas aan mag als de temperatuur voldoende hoog is bedenk hoe je de klok weer op nul kunt zetten bedenk hoe je met een lichtsensor "donker" kunt waarnemen bedenk dat de lamp aan moet zijn als het donker is en er nog geen 8 s verlopen zijn bedenk dat de klok na 8 s moet stoppen (maar niet op nul hoeft) bedenk dat de lamp al moet gaan knipperen als de inbreker "even" te veel geluid maakt ga met de tabel van binaire uitgangen van de teller (hoofdstuk 2, proef 14) na welke uitgang 4 s laag en 4 s hoog is

62 Geheugencel Gebruik de uitgang van de OF-poort als n van de ingangen van de EN-poort en de uitgang van de EN-poort als n van de ingangen van de OF-poort. 4-3 Tips ontwerpopdrachten

13 Plantengieter Bedenk aan hoeveel voorwaarden tegelijkertijd voldaan moet zijn als de planten water mogen krijgen. 14 Buitenverlichting Deelprobleem 1: Deelprobleem 2: 15 Slinger Deelprobleem 1: Deelprobleem 2: Deelprobleem 3: bedenk hoe er bij "donker" en op "beweging" een hoog signaal te verkrijgen is bedenk dat de lamp 8 s aan moet blijven (ook als er geen beweging meer wordt waargenomen) bedenk hoe je het onderbreken van de lichtbundel kunt tellen. bedenk hoe je bij de eerste onderbreking van de lichtbundel de secondenklok aan kunt zetten bedenk hoe je de negende onderbreking registreert en daarmee zowel de teller als de secondenklok uitzet.


18

16 Etalageverlichting 1 Bedenk dat bij schemer er meer licht is dan bij donker, maar minder dan bij daglicht. 17 Fontein Bedenk dat er aan drie voorwaarden voldaan moet zijn wil de fontein werken. 18 Onweer Bedenk dat "bliksem" en "donder" kortdurende verschijnselen zijn die "onthouden" moeten worden; bedenk ook hoe je de klok aan en uit kunt zetten. 20 Waterreservoir Bepaal boven welk signaal de klep open moet en onder welk signaal weer dicht. 22 Valse start Deelprobleem 1: Deelprobleem 2: bedenk hoe je het onderbreken van de lichtbundel kunt onthouden. bedenk aan welke tweede voorwaarde ook voldaan moet zijn om de zoemer (blijvend) te laten werken

Structuurschema 3-1, vraag 1:A utom aat invoer sensors verw erkingsblok standaard bouw stenen pulsgenerator druk kracht geluid tem peratuur licht w te/IR arm m agneetveld Ijking com parator transistor invertor E N O F geheugen teller gevoeligheid m eetbereik nauw keurigheid LE D relais zoem er uitvoer actuators

Documents

Uitwerkeningen natuurkunde H8