De basis van elektronica (Extract) by Elektor

De basis van elektronica

Het begint allemaal met analoge elektronica. Je zult de eenvoudigste componenten en circuits ontdekken om te begrijpen hoe ze werken, hoe ze op elkaar inwerken en de mogelijke problemen. De beste manier om vooruitgang te boeken is door echte experimenten uit te voeren, want theorie is niet genoeg. Dit boek begeleid je in een groot aantal praktische projecten voor beginners. Door ze te maken, doe je veel ervaring en kennis op.

De basis van elektronica

ISBN 978-90-5381-305-8

Elektronica is spannend. Het is een hobby die zowel leuk als leerzaam is. Het stelt je in staat om thuis of op het werk nieuwe en nuttige vaardigheden te leren. Een ervaren elektronicus ontwerpt zijn eigen schakelingen, en brengt zijn projecten tot leven. Maar voordat je zover bent, moet je eerst de basis onder de knie krijgen. Daarom brengt dit boek een groot aantal inleidende artikelen samen die in het elektronicatijdschrift Elektor zijn gepubliceerd. Het is je metgezel bij het leerproces in de wereld van de elektronica.

Analoge schakelingen, sensors en microcontrollers

●

Burkhard Kainka is geboren in 1953 en radioamateur met de roepnaam DK7JD. Hij was vele jaren actief als natuurkundeleraar en vanaf 1996 zelfstandig elektronicaontwerper en auteur van elektronica- en microcontrollerboeken. Burkhard beheert de websites www. elektroniklabor.de en www.b-kainka.de met talrijke DIY-projecten.

Burkhard Kainka

Analoge schakelingen, sensors en microcontrollers

Het tweede deel van het boek neemt je mee in de wereld van de digitale elektronica. De auteur bespreekt het gebruik van microcontrollers. Taken die voorheen werden uitgevoerd door discrete componenten of conventionele geïntegreerde schakelingen worden nu uitgevoerd door microcontrollers. De programmeertaal BASCOM, maar ook platforms als Arduino, BBC micro:bit en andere, maken dit leerproces veel gemakkelijker. Dit boek beschrijft in detail vele toepassingen van microcontrollers, die betaalbaar zijn voor de beginner. Hier gaan programmeren en solderen hand in hand!

Elektor International Media

Burkhard Kainka

www.elektor.com

LEARN DESIGN SHARE

LEARN ● DESIGN ● SHARE ● LEARN ● DESIGN ● SHARE ● LEARN ● DESIGN ● SHARE ● LEARN ● DESIGN ● SHARE ● LEARN ● DESIGN ● SHARE ● LEARN ● DESIGN ● SHARE ● LEARN ● DESIGN ● SHARE ● LEARN ● DESIGN ● SHARE ● LEARN ● DESIGN ● SHARE ● LEARN ● DESIGN ● SHARE ● LEARN ● DESIGN ● SHAR RN ● DESIGN ● SHARE ● LEARN ● DESIGN ● SHARE ● LEARN ● DESIGN ● SHARE ● LEARN ● DESIGN ● SHARE ● LEARN ● DESIGN ● SHARE ● LEARN ● DESIGN ● SHARE ● LEARN ● DESIGN ● SHARE ● LEARN ● DESIGN ● SHARE ● LEARN ● DESIGN ● SHARE ● LEARN ● DESIGN ● SHARE ● LEARN ● DESIGN ● SHARE ● SIGN ● SHARE ● LEARN ● DESIGN ● SHARE ● LEARN ● DESIGN ● SHARE ● LEARN ● DESIGN ● SHARE ● LEARN ● DESIGN ● SHARE ● LEARN ● DESIGN ● SHARE ● LEARN ● DESIGN ● SHARE ● LEARN ● DESIGN ● SHARE ● LEARN ● DESIGN ● SHARE ● LEARN ● DESIGN ● SHARE ● LEARN ● DESIGN ● SHARE ● LEARN ● DESIGN ● SHARE ● LEARN ● DESIGN ● SHARE ● LEARN ● DESIGN ● SHARE ● LEARN ● DESIGN ● SHARE ● LEARN ● DESIGN ● SHARE ● LEARN ● DESIGN ● SHARE ● LEARN ● DESIGN ● SHARE ● LEARN ● DESIGN ● SHARE ● LEARN ● DESIGN ● SHARE ● LEARN ● DESIGN ● SHARE ● LEARN ● DESIGN ● SHA RN ● DESIGN ● SHARE ● LEARN ● DESIGN ● SHARE ● LEARN ● DESIGN ● SHARE ● LEARN ● DESIGN ● SHARE ● LEARN ● DESIGN ● SHARE ● LEARN ● DESIGN ● SHARE ● LEARN ● DESIGN ● SHARE ● LEARN ● DESIGN ● SHARE ● LEARN ● DESIGN ● SHARE ● LEARN ● DESIGN ● SHARE ● LEARN ● DESIGN ● SHARE ●

Cover Elektronica voor beginners NL 200710.indd Alle pagina's

14-07-20 16:43

De basis van elektronica Analoge schakelingen, sensors en microcontrollers

â&#x2014;? met Burkhard Kainka

LEARN DESIGN SHARE

Elektronica voor beginners NL 200317.indd 3

14-07-20 16:38

●

Niets uit deze uitgave mag worden verveelvoudigd, opgeslagen in een geautomatiseerd

gegevensbestand, of openbaar gemaakt, in enige vorm of op enige wijze, hetzij elektronisch, mechanisch, door middel van druk, fotokopie, microfilm of op welke andere wijze dan ook, zonder voorafgaande schriftelijke toestemming van de uitgever. Alle rechten voorbehouden.

●

Ondanks alle aan de samenstelling van dit boek bestede zorg kunnen noch de auteur, noch de redactie,

noch de uitgever aansprakelijkheid aanvaarden voor eventuele schade die zou kunnen voortvloeien uit enige fout die in deze uitgave zou kunnen voorkomen.

●

Voor zover het maken van reprografische verveelvoudiging uit deze uitgave is toegestaan op grond van

artikel 16h Auteurswet 1912 dient men de daarvoor wettelijk verschuldigde vergoedingen te voldoen aan de Stichting Reprorecht (Postbus 3051, 2130 KB Hoofddorp, www.reprorecht.nl).

●

Voor het overnemen van gedeelte(n) uit deze uitgave in bloemlezingen, readers en andere

compilatiewerken (artikel 16 Auteurswet 1912) kan men zich wenden tot de Stichting PRO (Stichting Publicatie- en Reproductierechten Organisatie, Postbus 3060, 2130 KB Hoofddorp, www.stichting-pro.nl).

●

ISBN 978-90-5381-305-8

Elektor is part of EIM, the world's leading source of essential technical information and electronics products for pro engineers, electronics designers, and the companies seeking to engage them. Each day, our international team develops and delivers high-quality content - via a variety of media channels (including magazines, video, digital media, and social media) in several languages - relating to electronics design and DIY electronics. www.elektormagazine.com

LEARN DESIGN SHARE

Elektronica voor beginners NL 200317.indd 4

14-07-20 16:38

Inhoud DEEL 1 ANALOGE ELEKTRONICA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 Hoofdstuk 1 • Terug naar de basis (1) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 Diodes en LED’s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 LED + voorschakelweerstand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 Dimensioneren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 Serieschakeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 Halfgeleiders en sperlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 LED-knipperlicht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 Hoofdstuk 2 • Terug naar de basis (2) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 De transistor in actie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 Eerste experimenten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 Schakeling ontwerpen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 Inverter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 Uitschakelvertraging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 Schemerschakelaar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 Darlington-schakeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 LED als fotodiode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 TUP/TUN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 Timer met microcontroller . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 Hoofdstuk 3 • Terug naar de basis (3) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 Metingen aan transistoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 Praktijktips . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 Tegenkoppeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 Metingen met de ohmmeter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 Transistoren testen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 Basisprincipe van de transistor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 Transistortester . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 Hoofdstuk 4 • Terug naar de basis (4) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 Stroomstabilisatie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 Een constante-stroombron . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 ... met JFET BF245 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 ... of bipolair . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

●5

Elektronica voor beginners NL 200317.indd 5

14-07-20 16:38

De basis van elektronica Vloeiend LED-knipperlicht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 Veldeffecttransistoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 Hoofdstuk 5 • Terug naar de basis (5) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 Stabiele spanning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 Diode-stabilisatie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 Snelle oplossing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 Rendement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 Serieregelaar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 Geïntegreerde spanningsregelaars . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 Stroomspiegel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 Spanningsbewaking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 Hoofdstuk 6 • Terug naar de basis (6) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 De flipflop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 RS-flipflop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 Triggeren en weer uitschakelen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 Monoflops . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 Schmitt-trigger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 Vereenvoudigde Schmitt-trigger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 De thyristor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 Schemerschakelaar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 Hoofdstuk 7 • Terug naar de basis (7) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 Knipperschakelingen en oscillatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 Vereenvoudigde multivibrator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 Spanningsconverter voor de LED . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 Toongeneratoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 Spanning/frequentie-omzetter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 NPN/PNP-multivibrator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 Zuinig LED-flitslicht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 Zaagtandgolven . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 NPN-zaagtandgolven . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 U/F-converter met de ATtiny13 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 Hoofdstuk 8 • Terug naar de basis (8) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74

●6

Elektronica voor beginners NL 200317.indd 6

14-07-20 16:38

LF-voorversterkers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 Tegenkoppeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 Twee trappen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 Trappen met gelijkstroomkoppeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 Drie trappen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 De emittervolger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 Een LF-millivoltmeter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 Hoofdstuk 9 • Terug naar de basis (9) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 Sinusoscillatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 RC-oscillatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 Ringoscillatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 Driefase-knipperlicht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 Het Miller-effect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 Driefase-knipperlicht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 Hoofdstuk 10 • Terug naar de basis (10) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 Hoogfrequent . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 Opwekken van HF-signalen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 LC-oscillatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 Kristaloscillatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 Kortegolf-audion met terugkoppeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 Resonantiekringen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 AM-generator met ATtiny13 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 Hoofdstuk 11 • Opamps in de praktijk (1) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 Principes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 Opamp-basisschakelingen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 Spanningsvolger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 Niet-inverterende versterker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 Inverterende versterker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 Opteller . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 Generator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 Opamps van binnen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 Hoofdstuk 12 • Opamps in de praktijk (2) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105

●7

Elektronica voor beginners NL 200317.indd 7

14-07-20 16:38

De basis van elektronica FET-opamps en breedbandtoepassingen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 Zaagtandspanning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 Breedbandtoepassingen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 Hoofdstuk 13 • Opamps in de praktijk (3) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112 Opamps met PNP-ingangen; vermogens-opamps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112 De comparator LM339 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114 Klapschakelaar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116 Vermogensversterker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117 Hoofdstuk 14 • EMC-grenswaarden en CE-markering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 Vereenvoudigde metingen voor particulieren en kleine bedrijven . . . . . . . . . . . . . . . 121 Wettelijke regels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 Markeren of niet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122 Contacten met overheidsinstanties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 EMC-grenswaarden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124 EMC inschatten met eenvoudige middelen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125 Conclusie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127 Hoofdstuk 15 • Ringoscillator met LED en LDR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128 Hoofdstuk 16 • Pico-ampèremeter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129 Hoofdstuk 17 • LC-oscillator afregelen met potmeter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131 Hoofdstuk 18 • FET als stralingsmeter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133 Hoofdstuk 19 • Groene solar-lamp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134 Hoofdstuk 20 • Accu-opfrisser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135 Hoofdstuk 21 • Spanningsconverter met 1 transistor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136 Hoofdstuk 22 • Analoog LED-looplicht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138 Hoofdstuk 23 • Experimentele Hall-sensor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140 Hoofdstuk 24 • Minimalistische dipmeter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142 Hoofdstuk 25 • Breedbandige vonkendetector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143 Hoofdstuk 26 • Ringoscillator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144 Hoofdstuk 27 • LED-multiflits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146 Hoofdstuk 28 • Audion met emittervolger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148 Hoofdstuk 29 • NPN-relaxatie-oscillator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149 Hoofdstuk 30 • Fotodiode meet gammastraling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151

●8

Elektronica voor beginners NL 200317.indd 8

14-07-20 16:38

Stralingsdetector met BPW34 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151 Straling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151 Diode als detector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151 Versterker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152 Opbouw . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153 Experimenten en resultaten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154 Toekomstmogelijkheden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157 Radium-verf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157 Straling hoorbaar maken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158 Radon-vervalproducten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158 Hoofdstuk 31 • Directe conversieontvanger voor DRM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160 Hoofdstuk 32 • DRM-dubbelsuper met EF95/6AK5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162 Hoofdstuk 33 • Transistor dipmeter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164 Hoofdstuk 34 • DRM-directmixer met EF95/6AK5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166 Hoofdstuk 35 • Middengolfmodulator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167 Hoofdstuk 36 • Het eeuwige knipperlicht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169 Hoofdstuk 37 • Kortegolf-superreg . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171 Hoofdstuk 38 • Kortegolfconverter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173 DEEL 2 MICROCONTROLLERS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175 Hoofdstuk 39 • Microcontrollers voor beginners (1) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176 Met Arduino en Bascom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176 Ter vergelijking: De 555-timer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176 Tijdbesparend ontwikkelen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177 Arduino en Bascom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178 Een eerste programma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180 Software: De compiler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183 De gemakkelijkste manier: De bootloader . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184 Hoofdstuk 40 • Microcontrollers voor beginners (2) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187 Digitale ingangen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187 Een digitale ingang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187 Beschermingsdiodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188 Inlezen van een ingangstoestand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189

●9

Elektronica voor beginners NL 200317.indd 9

14-07-20 16:38

De basis van elektronica Wanneer is iets ‘aan’ of ‘uit’? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190 Heen en weer schakelen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191 Voorwaardelijke spronginstructies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193 Inlezen van de stand van schakelaars en pullup-weerstanden . . . . . . . . . . . . . . . . . 194 Bits en bytes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196 Het latchup-effect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198 Hoofdstuk 41 • Microcontrollers voor beginners (3) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200 Seriële interface en A/D-converters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200 Print-uitvoer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200 Toewijzingen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202 De A/D-converter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203 Rekenkunst . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205 De eigen voedingsspanning meten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208 Temperatuur meten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208 Ingangshysterese meten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211 Externe programmers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213 Hoofdstuk 42 • Microcontrollers voor beginners (4) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216 Mens-machine-interfaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216 Aansluiting van het LCD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217 Tweekanaals voltmeter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218 Lichtsterkte meten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221 PWM-uitvoer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222 Afvragen van toetsen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224 Displays met vloeibare kristallen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225 De MCS-bootloader . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227 Hoofdstuk 43 • Microcontrollers voor beginners (5) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229 Toepassingen met timers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229 Microseconden meten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229 Meten van periodetijden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231 Blokgolfgenerator voor 125 Hz tot 4 MHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233 Timer-interrupts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235 Gemiddelde analoge waarden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237

● 10

Elektronica voor beginners NL 200317.indd 10

14-07-20 16:38

Frequentiemeting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 240 Extern display . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242 Hoofstuk 44 • Microcontrollers voor beginners (6) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245 De SPI-poort . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245 Poortuitbreiding met een schuifregister . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245 Handmatige data-overdracht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248 Van controller naar controller . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251 De SPI-EEPROM 25LC512 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255 Een datalogger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 258 Subroutines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261 Tips voor Arduino-programmeurs in Bascom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262 Hoofdstuk 45 • Microcontrollers voor beginners (7) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263 De I²C-bus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263 Data-overdracht en adressering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264 Poort-expander PCF8574 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 267 16-bits I/O-poort PCA9555 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 269 Analoge in- en uitvoer met de PCF8591 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272 Kleine vooruitblik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 274 Andere interessante chips voor de I²C-bus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 274 Hoofdstuk 46 • Sensoren (1) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 276 Voor Arduino en Co. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 276 Overzicht sensoren en actuatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 276 Spanningsweergave in Bascom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279 Spanningsmetingen met de Arduino . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282 Temperatuurmeting met de NTC-sensor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284 RGB-led aan de joystick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 286 Laserbesturing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 288 Hoofdstuk 47 • Sensoren (2) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291 Voor Arduino en Co. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291 Sensoren met comparators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291 Software-Schmitt-trigger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293 Aanraaksensor inlezen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295

● 11

Elektronica voor beginners NL 200317.indd 11

14-07-20 16:38

De basis van elektronica Genereren van een schakelsignaal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 297 Schoksensor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 299 De buzzer en andere actuatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301 Ontkoppelcondensatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302 Oscillatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303 Hoofdstuk 48 • Sensoren (3) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 305 Voor Arduino en Co. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 305 Arduino-software voor de 18B20 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 305 18B20 in Bascom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 307 Temperatuur en luchtvochtigheid met de DHT11 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 308 DHT11 en Bascom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 310 Infrarode afstandsbediening . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 311 Arduino en IR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313 Het 1-Wire protocol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 315 Het RC5-protocol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 316 Hoofdstuk 49 • Sensoren (4) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 317 Voor Arduino en Co. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 317 De tracking-sensor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 317 De vorklichtsluis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 318 De polsslagsensor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 318 Polsslagmeting met Bascom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323 De draai-encoder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 324 Encoders in Bascom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 327 Hoofdstuk 50 • Microcontroller-kits voor dummies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 329 Alle begin is makkelijk! . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 329 JOY-iT Nano V3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 329 Eerste experimenten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 330 Zoemer aan de PWM-uitgang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 332 Analoge signalen plotten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 333 ISP-programmeren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 335 In de store . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 336 NodeMCU (Auteur: Fabian Kainka) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 336

● 12

Elektronica voor beginners NL 200317.indd 12

14-07-20 16:38

De eerste stappen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 337 Nieuwe firmware . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 337 Hello World – Lua-test . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 339 Hoofdstuk 51 • BBC micro:bit voor elektronici . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 344 Beginnen met mbed . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 344 Aansluitingen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 344 De eerste programma’s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 346 Spanning meten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 348 Alle sensoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 349 Statisch numeriek display . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 350 Chapter 52 • Een Arduino als HF-detector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 354 Geprogrammeerd met Bascom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 354 Een LED als detectie-diode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 355 Een integrerende detector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 357 Hoofdstuk 53 • Weerstandsmeting met Arduino . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 360 Vochtigheidssensor uitlezen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 360 Weerstandsmeting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 361 Optimaliseren van de schakeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 362 Logaritmische meting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 363 Hoofdstuk 54 • AM-zender met Arduino . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 366 Inductief op de middengolf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 366 Microcontroller als HF-bron . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 366 Schema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 367 Software . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 367 Bediening . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 370 Hoofdstuk 55 • Antidiefstal-labels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 372 Toegangscontrole met Bascom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 372 Op scherp gezet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 373 Software . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 374 Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 378

● 13

Elektronica voor beginners NL 200317.indd 13

14-07-20 16:38

De basis van elektronica

â&#x2014;? 14

Elektronica voor beginners NL 200317.indd 14

14-07-20 16:38

Deel 1 Analoge Elektronica

DEEL 1 ANALOGE ELEKTRONICA

â&#x2014;? 15

Elektronica voor beginners NL 200317.indd 15

14-07-20 16:38

De basis van elektronica

Hoofdstuk 1 • Terug naar de basis (1) Diodes en LED’s Elektronica wordt steeds complexer, een losse stroomkring of transistor kom je nauwelijks nog tegen. Dit maakt het voor beginners steeds moeilijker om op gang te komen met elektronica. Daarom gaan we met deze artikelenreeks terug naar de basisbegrippen. En die zijn in de elektronica analoog. Maar omdat veel beginners ook geïnteresseerd zijn in digitale techniek, passen we het geleerde tevens toe in een microcontrollerschakeling.

Twee LED's met een voorschakelweerstand. Bij een basiscursus kun je natuurlijk helemaal van voren af aan beginnen met stroom, spanning en vermogen, de Wet van Ohm, parallel- en serieschakelingen, met andere woorden alle onderwerpen uit de natuurkundeles die we al lang kennen of zouden moeten kennen. Maar het is veel leuker om direct aan de slag te gaan met kleine praktische experimenten. Misschien vraagt u zich af voor wie deze cursus eigenlijk is bedoeld. In het ideale geval brengt de cursus nieuwe lezers naar het niveau dat in Elektor gebruikelijk is. Ook kan het een kans zijn voor kinderen van trouwe Elektor-lezers. Daarbij helpt het als ervaren elektronici en beginners de cursus samen volgen. Ook hebben we een aantal artikelen op Elektor-Labs website (www.elektor-labs.nl) gezet, en het zou prettig zijn als de ‘oude rotten’ daar hun kennis en ervaring willen delen. Ook zullen er misschien wel een paar Elektor-lezers zijn die al veel projecten in elkaar hebben gezet, maar het principe van de werking nooit helemaal hebben begrepen. Natuurlijk, deze cursus is geen wondermiddel, maar zal zeker bijdragen aan een beter inzicht. De basisbegrippen behoren voor een groot deel tot de ‘oude’ analoge elektronica. Maar ook voor de huidige digitale elektronica zijn deze ‘basics’ van belang. Ook wie zich voor microcontrollertechniek interesseert krijgt te maken met analoge techniek. We laten dit zien aan de hand van eenvoudige voorbeelden uit de ‘embedded wereld’ waarbij controllers onder

● 16

Elektronica voor beginners NL 200317.indd 16

14-07-20 16:38

Hoofdstuk 1 • Terug naar de basis (1)

470R

andere worden ingezet bij het meten van analoge grootheden. Daarmee is de cursus ook geschikt voor beginners op het gebied van deze kleine rekenwondertjes.

9V LED

Figuur 1. Schakeling van de LED-lamp. LED + voorschakelweerstand We beginnen met het bouwen van de schakeling uit figuur 1 met een LED, een weerstand (470 Ω) en een batterij. De uitvoering maakt niet uit, los op tafel aan elkaar gesoldeerd, met krokodilklemmen of op een experimenteerprint (een speciaal hiervoor ontworpen print loont waarschijnlijk niet de moeite). Hoe dan ook, u krijgt de LED ongetwijfeld aan. Bij LED’s moet altijd op de polariteit worden gelet. De plus-aansluiting is de anode. De min-aansluiting heet kathode en is verbonden met de kortste aansluitdraad. Bovendien is de behuizing aan de kant van de kathode vlak gemaakt. Binnen in de LED ziet u een bekervormige houder voor het LED-kristal die vaak (maar niet altijd) met de kathode is verbonden. De anode-aansluiting is via een heel dun draadje verbonden met een contact aan de bovenkant van het kristal. Als u de LED ompoolt, dan geeft deze geen licht meer. Zo gaat dat bij elke diode, stroom vloeit er maar in één richting doorheen, daarom wordt deze ook wel een elektrisch ventiel genoemd.

LED

+ Anode - Cathode

Figuur 2. Een LED. Een LED mag nooit direct op een batterij worden aangesloten. Als de stroom die door de LED vloeit tegen de spanning wordt uitgezet, wordt duidelijk waarom dat zo is. Figuur 3 laat deze karakteristiek zien voor verschillende LED-typen. De overeenkomst tussen deze karakteristieken is de exponentieel stijgende stroom. Zolang de spanning onder de zogenaamde doorlaatspanning ligt, loopt er zo goed als geen stroom. Komt de spanning hier echter maar een klein beetje boven, dan wordt de stroom meteen veel te groot en kan de LED worden overbelast. Het is bijna onmogelijk om de spanning op de juiste waarde in te stellen. Ook al niet omdat de karakteristiek bij toenemende temperatuur met ongeveer 2 mV/K een stukje naar links verschuift. Maar het instellen van een bepaalde stroom gaat

● 17

Elektronica voor beginners NL 200317.indd 17

14-07-20 16:38

De basis van elektronica

wel heel eenvoudig met een voorschakelweerstand. U hoeft alleen maar de waarde te bepalen en de juiste spanning wordt automatisch ingesteld. 25

I [mA]

20 15

10 5 0

U [V]

Figuur 3. Karakteristieken van een Si-diode (1) en rode (2), groene (3) en witte (4) LED’s. Voor een stroom van 20 mA vinden we ongeveer de volgende doorlaatspanningen: Si-diode (bijv. 1N4148) Rode LED Groene LED Blauwe/witte LED

0,7 V 1,8 V 2,1 V 3,5 V A 470R

15 mA

9V LED

V 1,8 V

Figuur 4. Metingen aan de schakeling. U kunt dit zelf nameten (zie figuur 4). De exacte spanningen kunnen iets afwijken. De nieuwe superheldere rode LED’s hebben bijvoorbeeld een iets hogere doorlaatspanning dan oudere rode LED’s. Dimensioneren Als u de diodespanning hebt gemeten en weet wat de batterijspanning is, hoeft u de stroom niet meer te meten, want die kunt u uitrekenen. Over de weerstand staat in dit geval namelijk een spanning van 9 V – 1,8 V = 7,2 V. Met de Wet van Ohm kan nu de stroom worden berekend.

● 18

Elektronica voor beginners NL 200317.indd 18

14-07-20 16:38

Hoofdstuk 1 • Terug naar de basis (1)

I = U / R I = 7,2 V / 470 Ω I = 0,0153 A = 15,3 mA Om in het omgekeerde geval een voorschakelweerstand te berekenen moet de gewenste stroom worden bepaald en moet u de voedingsspanning en de spanning over de LED weten. We willen bijvoorbeeld een stroom van 20 mA door een groene LED laten lopen. Voor de spanning over de LED kan met voldoende nauwkeurigheid 2,1 V worden aangenomen. Bij een batterijspanning van 9 V blijft er dan over de weerstand een spanning van 9 V – 2,1 V = 6,9 V over. Uit de berekening volgt een weerstand van 345 Ω. Die is helaas niet te koop. Maar in uw onderdelenkist kunt u waarschijnlijk wel een weerstand van 330 Ω of eentje van 390 Ω vinden. U kunt het beste de grotere van de twee nemen, dan blijft u met de stroom aan de veilige kant. R=U/I R = 6,9 V / 0,02 A R = 345 Ω Probeer het ook eens met voorschakelweerstanden die veel groter zijn. Meet telkens de LED-spanning en bepaal vervolgens de stroom. In het algemeen geldt: of u nu 1 mA, 5 mA of 10 mA door de LED stuurt, de spanning zal weinig veranderen. Dat komt door het exponentiële verloop van de karakteristiek. 470R 470R 4V

9V 1,8 V

Figuur 5. Serieschakeling van LED’s. Serieschakeling Vaak heeft het voordelen om twee of meer LED’s met een gemeenschappelijke voorschakelweerstand in serie te schakelen (figuur 5). Omdat nu beide diodespanningen bij elkaar worden opgeteld, wordt de spanning over de weerstand lager. Om toch de gewenste stroom van 20 mA te laten lopen moet de voorschakelweerstand worden verkleind. Stel, u hebt een rode LED met 1,8 V en een groene LED met 2,2 V. Dan is er voor beide LED’s samen precies 4 V nodig. Over de voorschakelweerstand blijft nog een spanning van 5 V over. Met een voorschakelweerstand van 470 Ω komt u dan uit op ongeveer 10 mA. Schakelt u twee van deze weerstanden parallel, dan verdubbelt de stroom. Als u het narekent, zult u

● 19

Elektronica voor beginners NL 200317.indd 19

14-07-20 16:38

De basis van elektronica

zien dat er dan een stroom van 21 mA loopt. Halfgeleiders en sperlagen De geleidbaarheid van een halfgeleider zoals silicium neemt in het algemeen toe bij verwarming, maar is bij kamertemperatuur nog erg laag. Dat komt doordat alle vier de buitenste elektronen in het kristalrooster gebonden zijn (figuur 6). Ze laten zich echter al door een kleine hoeveelheid toegevoerde energie losmaken.

frei, N

Figuur 6. Kristalrooster van silicium.

Loch, P

Figuur 7. Met fosfor gedoteerd n-silicium.

Figuur 8. Met aluminium gedoteerd p-silicium.

Met ‘halfgeleider’ worden ook componenten aangeduid die uit halfgeleidermateriaal zijn gemaakt, zoals diodes en transistors. Om een bepaalde geleidbaarheid te bereiken wordt bijvoorbeeld silicium gebruikt dat met opzet verontreinigd (gedoteerd) is. Worden hiervoor vijfwaardige stoffen zoals fosfor gebruikt, dan ontstaan er vrije elektronen en daarmee een negatieve (n-)geleidbaarheid (figuur 7). Met driewaardige stoffen zoals aluminium ontstaan er plaatsen waar elektronen ontbreken (gaten), die een positieve (p-)geleidbaarheid tot gevolg hebben. Daarbij verplaatsen de gaten zich als een soort positieve ladingsdrager door het kristal, doordat een ernaast gelegen elektron een gat vult en daarbij een nieuw gat achterlaat (figuur 8). Diodes zijn halfgeleiderbouwstenen die de stroom maar in één richting doorlaten. Ze worden meestal opgebouwd uit een laag n-gedoteerd silicium met daarop een laag p-gedoteerd silicium. Op het grensvlak van deze twee lagen vormt zich een dunne niet-geleidende sperlaag. In dit gebied vullen vrije elektronen de gaten op (recombinatie), zodat er net als in zuiver silicium praktisch geen vrije ladingsdragers aanwezig zijn. De diode is daardoor in de eerste plaats een niet-geleider (figuur 9).

● 20

Elektronica voor beginners NL 200317.indd 20

14-07-20 16:38

Hoofdstuk 1 • Terug naar de basis (1)

Figuur 9. Lagenstructuur van een diode.

Figuur 10. Diode in doorlaatrichting.

Figuur 11. Vergroting van de sperlaag in sperrichting.

Wordt er op de buitenste contacten van de diode een kleine spanning aangelegd, dan wordt de sperlaag dunner of dikker. Eerst verbinden we de n-aansluiting met de minpool en de p-aansluiting met de pluspool. De ladingen op de aansluitingen duwen dan hun bijbehorende ladingsdragers in de richting van de sperlaag. Vanaf een spanning van ongeveer 0,5 V beginnen de n- en de p-laag elkaar te raken en gaat er ook stroom lopen (figuur 10). Bij ongeveer 0,7 V is een goede geleiding bereikt. De diode wordt nu in de doorlaatrichting gebruikt. Wordt de spanning omgepoold, dan treedt het tegenovergestelde effect op: ladingsdragers worden naar de buitenste aansluitingen toe getrokken, zodat de sperlaag dikker wordt. De isolerende werking van de sperlaag neemt dus toe (figuur 11). Op een gangbare diode van het type 1N4148 kan een sperspanning tot 75 V worden aangesloten. De diode kan als een elektrisch ventiel worden beschouwd omdat deze de stroom maar in één richting doorlaat en kan hierdoor als gelijkrichter worden gebruikt. De sperspanning mag niet groter worden dan wat door de fabrikant wordt opgegeven. Wordt er een te hoge spanning aangelegd, dan loopt er een sperstroom. Men spreekt dan van doorslag (van de isolatie). Bij speciale diodes, zoals de zenerdiode, is dit effect juist gewenst. De zenerdiode heeft een nauwkeurig bepaalde doorslagspanning en wordt gebruikt voor spanningsstabilisatie. Als we een te hoge sperspanning op een Si-diode zoals de 1N4148 zetten, dan ontstaat de zogenaamde tweede doorslag en die is definitief. De veel te hoge sperstroom verhit de sperlaag zodanig dat deze wordt vernield. Er ontstaat dan een permanente en niet meer te herstellen kortsluiting. LED’s zijn ook diodes, ze hebben ook een pn-overgang. Het halfgeleidermateriaal is bijvoorbeeld galliumarsenide. In de doorlaatrichting hebben ze een hogere spanning dan Si-diodes. En bij de recombinatie van elektronen en gaten ontstaat zichtbaar licht. Dit effect treedt weliswaar ook op bij siliciumdiodes, maar daar wordt slechts zeer weinig (infrarood) licht uitgestraald.

● 21

Elektronica voor beginners NL 200317.indd 21

14-07-20 16:38

De basis van elektronica +5V

VCC

PB2

PB1

PB0

ATtiny13 PB3

PB4

470R

RES

470R

100n GND

Figuur 12. Microcontroller met twee LED’s. LED-knipperlicht LED’s worden vaak door microcontrollers aangestuurd. Ook in dat geval moeten voorschakelweerstanden worden gebruikt. De schakeling in figuur 12 laat twee LED’s zien die via weerstanden van 470 Ω met twee poorten van een ATtiny13 zijn verbonden. Het bijbehorende BASCOM-miniprogramma zet PB3 permanent aan en PB4 afwisselend aan en uit, zodat een LED-knipperlicht ontstaat. Als u de spanning op PB3 meet, zult u zien dat deze iets lager is dan 5 V (bijvoorbeeld 4,9 V) omdat de schakeltransistor in de controller ook nog een kleine weerstand heeft. Uit de spanningsval kunt u de inwendige weerstand van de poort berekenen. Nu kunt u eenvoudig uitrekenen welke stroom er door de LED loopt. Kijk eens in de datasheet van de ATtiny13 (www.atmel.com/dyn/resources/prod_documents/ doc2535.pdf) welke stroom een poort mag leveren... ‚ATtiny13 driving LEDs $regfile = "attiny13.dat" $crystal = 1200000 Config Portb = Output Do Portb.3 = 1 Toggle Portb.4 Waitms 500 Loop End

Listing 1.

● 22

Elektronica voor beginners NL 200317.indd 22

14-07-20 16:38

De basis van elektronica

Index Symbolen 1-Wire protocol 315 8-bits schuifregister 245 555-timer 176 8051-familie 183 A Aanraaksensor 295 Accu-opfrisser 135 actuatoren 276 A/D-converters 200 adressering 264 AM-zender 366 Arduino 176 ATmega328 179 ATtiny13 72 Audion 148 Avalanche-effect 50 AVR Studio 213 B Bascom 176 BC547 87 Beschermingsdiodes 188 bipolaire transistoren 99 Bits en bytes 196 Blokgolfgenerator 233 bootloader 184 BPW34 151 Breedbandtoepassingen 109 BS170 59 C CE-markering 121 CMOS 107 CMOS-transistoren 99 collector-emitter-spanning 79 collectorweerstand 34 compiler 183 Config-commando 190 controller 251 D Darlington-schakeling 27

datalogger 258 Data-overdracht 264 dempingsweerstand 199 detectie-diode 355 DHT11 310 Dimensioneren 18 Diode 16 Diode-stabilisatie 49 dipmeter 164 draai-encoder 324 Drievoudige Darlington-schakeling 28 DRM 160 E EEPROM 257 EL95 160 EMC 125 emittervolger 79 emitterweerstand 43 Encoders 327 ESP8266 336 F faseverschuiver 84 FCC 122 ferrietstaaf 91 FET-opamps 105 FET Radiation Meter 133 firmware 337 flipflop 57 fotodiode 29 fotostroom 29 frequentiebereik 87 Frequentiemeting 240 G gammastraling 151 Geiger-teller 151 gelijkstroomkoppeling 77 Gelijkstroommotoren 303 GoldCap-condensator 134 H Halfgeleiders 20

â&#x2014;? 378

Elektronica voor beginners NL 200317.indd 378

14-07-20 16:39

Index

Hall-sensor 140 HD44780 226 Hello World 339 HF-signalen 91 Hoogfrequent 89 I I²C-bus 263 IDE 179 impulszender 91 Infrarode afstandsbediening 311 Ingangshysterese 211 Inverter 25 Inverterende versterker 100 ISP-programmeren 335 K klokfrequentie 125 Kristaloscillatoren 94, 163 L laagdoorlaatfilter 235 Laserbesturing 288 latchup-effect 198 LCD 217 LC-display 225 LC-oscillatoren 91 LDR 128 LED 16, 56 LED-flitslicht 69 LED-knipperlicht 22 LF-millivoltmeter 80 LF-voorversterkers 74 Lichtsterkte 221 LM339 114 LTspice 111 luchtvochtigheid 308 M massavlak 125 MAX232 200 MCS-bootloader 227 Mens-machine-interfaces 216 Microcontroller-kits 329 Microcontrollers 176 Middengolfmodulator 167

Miller-effect 87 Monoflops 60 MOSFET 59 multivibrator 65, 69 N Neodymium-magneet 141 Niet-inverterende versterker 100 NodeMCU 336 NPN/PNP-multivibrator 69 NTC-sensor 281, 284 O ohmmeter 35 Ontkoppelcondensatoren 302 Opamp-basisschakelingen 99 Opamps 105 open-lus-versterking 103 Opteller 101 P Pico-ampèremeter 129 PIN-fotodiodes 152 polsslagsensor 318 Poort-expander PCF8574 267 PORTC 194 potmeter 131 Print-uitvoer 200 pullup-weerstanden 194 pulsbreedtemodulatie 45 PWM-uitgang 332 PWM-uitvoer 222 R Radium 157 RC5-protocol 312, 316 RC-oscillatoren 83 REACH 121 Rendement 51 resonantiefrequentie 96 Resonantiekringen 96, 164 Ringoscillatoren 84 RoHS-conformiteit 121 RS232 200 RS-flipflop 58

● 379

Elektronica voor beginners NL 200317.indd 379

14-07-20 16:39

De basis van elektronica

S Schmitt-trigger 60 Schoksensor 299 Schottkydioden 116 schuifregister 245 SCL 264 SDA 264 SDR-shield 110 Sensoren 276 SeriĂŤle interface 200 Serieregelaar 51 Serieschakeling 19 Sine-wave oscillators 83 SMD 208 Spanningsbewaking 55 Spanningsconverter 66 spanningsregelaars 53 Spanningsvolger 99 sperlaag 47 SPI-EEPROM 25LC512 255 SPI-poort 245 spronginstructies 193 Statutory requirements 121 Straling 151 stroombegrenzing 53 Stroomspiegel 55 Stroomstabilisatie 41 Subroutines 261

V Veldeffecttransistoren 46 Vermogensversterker 117 versterkingsgrens 33 Vochtigheidssensor 360 voedingsspanning 208 voorschakelweerstand 17 vorklichtsluis 318 W WEEE 121 Weerstandsmeting 361 Wettelijke regels 121 Z Zaagtandgolven 70 zenerdiode 49

T Tegenkoppeling 35 thyristor 62 Timer-interrupts 235 Toongeneratoren 67 tracking-sensor 317 transistor 23 Transistor measurements 32 Transistortester 39 TUP/TUN 29 tweetrapsversterker 78 Twilight switch 27 U UART 338 Uitschakelvertraging 26

â&#x2014;? 380

Elektronica voor beginners NL 200317.indd 380

14-07-20 16:39

De basis van elektronica

ISBN 978-90-5381-305-8

Analoge schakelingen, sensors en microcontrollers

●

Burkhard Kainka

Analoge schakelingen, sensors en microcontrollers

Elektor International Media

Burkhard Kainka

www.elektor.com

LEARN DESIGN SHARE

Cover Elektronica voor beginners NL 200710.indd Alle pagina's

14-07-20 16:43