Conrad 4019631150066 Operation Manual [nl]

Voorwoord

Velen hebben al met verlangen op de adventstijd gewacht, want dan start er weer een elektronica-kalender met 24 experimenten. Dit jaar is het thema
„Operationele versterkers (OPV) en omzetters“. De focus ligt op de viervoudige OPV LM324, die veel interessante experimenten mogelijk maakt met de piëzo­omzetter. Er kunnen verschillende geluiden worden geproduceerd en met een beetje vaardigheid kan je zelfs een simpel muziekinstrument bouwen. De piëzo­omzetter kan echter ook gebruikt worden als een microfoon- of trillingssensor als men zijn zwakke signalen versterkt met de OPV.

Alle experimenten kunnen geheel zonder voorafgaande kennis met succes worden opgebouwd en getest. De afbeeldingen van de opbouw helpen u daarbij. Wie
het schakelschema echter nader bekijkt, kan het experiment vaak ook iets anders opbouwen en misschien hier en daar een draadje besparen. In de tekst
worden altijd eerst de pure opbouw en de verwachte functie beschreven. Daarnaast is er meestal een korte uitleg. Natuurlijk kunnen hier niet alle beginselen
van elektronica worden overgedragen, maar deze of gene wordt misschien nieuwsgierig en onderzoekt zelfstandig verder.

In sommige experimenten zijn er extra taken waarvoor oplossingspunten worden toegewezen. Of een opdracht helemaal is opgelost, bepaalt u zelf, of u zoekt
een scheidsrechter, misschien een familielid of een vriend. Aan het eind worden alle punten opgeteld en komt u erachter of u al een meester in de elektronica
bent.

Wij wensen u veel plezier en een vrolijke kersttijd!

1 Elektrische geluiden

Achter het eerste deurtje vindt u een centraal bouwdeel van deze elektronicakalender: een piëzo-schakelomzetter met aansluitdraden. Bovendien bevindt zich
wat draad in het eerste vak. Er moet in een aanvullende 9V-batterij worden voorzien. Indien er geen nieuwe batterij beschikbaar is, is een sterk gebruikte
batterij die voor andere apparaten reeds te zwak is voldoende voor de eerste experimenten. Houd de beide kabels van de piëzo-schakelomzetter aan de batterij.
Bij de eerste aansluiting hoort men een knappen. Bij de tweede maal blijft het stil, omdat de schakel omzetter reeds is opgeladen. U kunt echter de beide
draden van de piëzo-schijf bij elkaar houden of met een stuk draad verbinden, om ze te ontladen. Ook daarbij hoort men een knappen en opnieuw bij het
nogmaals opladen. De voorwaarde is echter dat u de kale uiteinden van de kabels niet rechtstreeks aanraakt, omdat er ook via de huidweerstand een ontlading
kan plaatsvinden.

Informatie: De keramische piëzo-schijf is tegelijkertijd een kleine condensator met twee metalen platen en
daartussenin een isolator. De elektrische krachten tussen de ladingen zorgen voor een vervorming van de
isolator en dus voor de geluidsopwekking. Als de condensator al tot 9V (volt) is opgeladen, zal een nieuwe
verbinding met de batterij geen verschil meer maken, zodat men niets hoort.

Opdracht: Door herhaaldelijk ompolen van de batterij kunt u krakende geluiden met nog hogere geluidssterkte
produceren. Als u het kunt demonstreren: 2 punten.

2 Contact vinden

Het tweede deurtje verbergt een printplaat en een batterijclip voor de 9V-batterij. De zachte kabels van de batterijclips zijn aan de uiteinden gestript en vertind,
zodat men ze in de contactgaten van de insteekprintplaten kan steken. Ze moeten echter slechts eenmaal worden aangesloten en dan altijd in dezelfde positie
blijven. Indien alles wordt uitgeschakeld, kan men het beste de batterij van clip halen, maar laat de kabels aangesloten. Op de plaat wordt een draadje
ingebouwd als trekontlasting, zodat de batterijkabel niet te veel wordt bewogen.

Ook de aansluitkabels van de piëzo-schakelomzetters moeten indien mogelijk slechts één keer worden aangesloten en daarna op hun plek blijven. Het is
betrouwbaar gebleken kleine gaatjes door het folie te prikken aan de achterzijde van de insteekprintplaat en de kabel erdoorheen te voeren. De aansluitingen
van de piëzo-schijf kunnen dus ook altijd op hun plek blijven, zelfs als dit component niet wordt gebruikt in sommige experimenten. Overigens maakt het niet
uit welke draad van de omzetter het bovenste of het onderste contact is, terwijl het bij de batterij essentieel is, dat de pluspool (rood) aan de bovenzijde wordt
aangesloten.

Bouw de proef met een omschakelaar met blote draad. De bovenaansluiting van de omzetter moet afwisselend worden aangesloten op de pluspool en de
minpool van de batterij. Trek de isolatie van de draad en strip met een draadsnijder passende stukken van de overige draad af, waarmee dan de
schakelcontacten worden gebouwd. Alle overige verbindingsdraden en de draad voor de trekontlasting van de batterijkabel behouden hun isolatie in het
middengebied en worden alleen aan de einden over een lengte van ongeveer 5 mm gestript. De plastic isolatie is zacht genoeg, om ze met de vingernagels af te
trekken. Als alternatief kan men ze met een scherp mes rondom insnijden, maar zonder de draad te knikken, die anders gemakkelijk zou kunnen breken.
Wanneer alles correct is opgebouwd, kan het experiment beginnen. Met de zelfgebouwde omschakelaar kunt u de piëzo-schijf zoveel keer laden en ontladen als

u wilt, waarbij telkens een geluid ontstaat.

Maar het gaat ook zonder batterij! Sluit de schakelomzetter kort met de schakelaar en druk licht met een scherp voorwerp op het membraan. Open het contact
en verwijder dan pas de mechanische druk van de schijf, die zich daarbij elektrisch oplaadt. Wanneer het contact dan weer wordt gesloten, hoort men een
duidelijk knappen. Echter de piëzo-schijf kan niet alleen worden opgeladen door mechanische druk, maar ook door een temperatuurverandering. Verwarm de
schijf met open contact door aan te raken. Ze laadt zich daarbij op en produceert bij het ontladen een geluid. Na enige tijd afkoelen kan er weer een knappen
worden gehoord.

Opdracht: Zet het hele
experiment enige tijd in de kou
buiten. Haal het dan weer terug
in de warmte en produceer
minstens vijf duidelijk hoorbare
klikgeluiden na elkaar: 3 punten.

3 Laden en ontladen

Achter het derde deurtje vindt u een weerstand van 2,2 k (2,2 kilo-ohm). Het is gemarkeerd met drie gekleurde ringen (rood, rood, rood). Een vierde, gouden,
ring geeft de nauwkeurigheidsklasse van 5% aan. Zet deze weerstand parallel met de schakelomzetter. Hij zorgt dan altijd voor een snelle ontlading. Daarom is
dit keer een eenvoudig contact voldoende. Er ontstaat telkens een geluid bij het sluiten en openen van het contact. Laat de schakelaar niet voor lang gesloten,
want de weerstand verbruikt energie. De batterij moet indien mogelijk echter voldoende zijn tot het eind van de experimenten.

Informatie: Men kan gemakkelijk inschatten wanneer de batterij leeg zal zijn. De stroomsterkte bedraagt 9 V
gedeeld door 2,2 k, dus ongeveer 4 mA. Bij een capaciteit van een alkalinebatterij van 500 mAh, zou het 125
uren, of ongeveer
vijf dagen duren tot de batterij leeg is.

Opdracht: Bouw twee aanraakcontacten en schakel uw huidweerstand in serie met de aanwezige weerstand van
2,2 k. De huidweerstand bedraagt enkele 100 k, zodat de ontlading bij geringe stroom zeer veel langzamer en
stiller wordt. De weerstand tot nu toe heeft slechts nog een beschermende functie en beperkt de stroom bij
onopzettelijk direct contact met de sensorcontacten. Door meer of minder sterke aanraking kunt u de weerstand
veranderen. Het doel is, dat alleen nog bij het sluiten van de schakelaar een krakend geluid te horen is, maar
niet bij het openen: 4 punten.

4 Licht en geluid

Open deurtje nummer 4, hier vindt u een rode lichtdiode (LED). Bouw de LED in de positieve leiding van uw opbouw in. Daarmee ziet u wanneer de schakelaar
gesloten is en er stroom aanwezig is. Bij de inbouw van een LED moet men op de polariteit letten

De LED heeft twee verschillende aansluitingen. De korte draad is de minpool (kathode), de langere draad is de pluspool (anode). Wanneer de LED eenmaal is
ingebouwd, dan kan men nog maar moeilijk zien welke de korte draad is. Er is echter nog een tweede herkenningsteken. De bredere onderste rand is aan de
zijde van de kathode afgevlakt. Bovendien is bij alle LEDs in deze kalende de grotere houder binnenin de LED met de kathode verbonden.

Informatie: In een serieschakeling wordt de batterijspanning van 9 V verdeeld over de individuele verbruikers.
Op de LED staat nu een spanning van ongeveer 2 V, op de weerstand van 7 V. Omdat de spanning op de piëzo­luidspreker daarmee ook slechts nog 7 V is, is het kraken bij het bedienen van de schakelaar een beetje stiller.
Omdat onze oren echter gewend zijn aan veel grotere bereiken van verschillende geluidsvolumes, blijft dit kleine
verschil praktisch onhoorbaar.

Opdracht: Bedien het schakelcontact zo, dat de beide draden elkaar alleen heel licht aanraken of zwak
over elkaar strijken. Daarmee ontstaat een krassend geluid in de luidspreker, zoals dit vaak in oudere
telefoons wordt gehoord. Het contact is noch betrouwbaar gesloten noch volledig geopend. De LED toont
dan een knipperend licht. Dit effect is echter alleen met veel vaardigheid te bereiken: 4 punten.

5 Geïntegreerd circuit goed geland?

Open het vijfde deurtje. Daarachter vindt u de belangrijkste component van deze kalender, de viervoudige operationele versterker LM324. Dit IC (Integrated
Circuit, geïntegreerd circuit) met 14 aansluitpennen bevat vier zelfstandige versterkers met elk twee ingangen en een uitgang. De individuele versterkers zijn
uitwisselbaar, maar de twee aansluitingen voor de bedrijfsspanning mogen nooit worden verwisseld, omdat het IC daardoor verwoest kan worden. De positieve
aansluiting bevindt zich op pen 4, de negatieve aansluiting op pen 11. Op een insteekplaat voor experimenten vindt men echter meestal de pluspool boven en de
minpool onder. Het IC moet dus zo worden gebruikt, dat het etiket op de kop staat.

Stelt u zich voor, dat de viervoudige-OPV een ruimteschip is, dat moet landen op Mars. Iedereen wacht met spanning op een eerste teken van leven, dat bewijst
dat het ruimtevaartuig correct is geland. In dit geval toont het oplichten van het rode LED aan dat alles goed is. En de weerstand voorkomt schade, indien er
toch een fout is opgetreden. In tegenstelling tot op Mars kan men nu alles eenvoudig verhelpen en het geheel opnieuw proberen.

Informatie: Een operationele versterker versterkt het spanningsverschil tussen de twee
ingangen. Bij grotere verschillen is de uitgang ofwel volledig ingeschakeld of volledig
uitgeschakeld. In dit geval is de spanning aan de +- ingang hoger dan aan de - –ingang,
daarom is de LED aan. Normaliter ligt de IC aan de volledige bedrijfsspanning, maar nu ligt
nog de beschermende weerstand in de plusleiding.

Opdracht: Bouw het circuit zo om, dat een andere van de vier mogelijke versterkers wordt
gebruikt (1 punt). Of probeer het gelijk met alle drie de andere versterkers (3 punten).

6 Aanraaksensor

Het deurtje nummer 6 brengt een weerstand met 330 k (oranje, oranje, geel) tevoorschijn. Bouw een circuit met open OPV-ingang. Twee draden met blote
uiteinden voeren naar buiten. In de normale toestand is de LED aan. Wanneer men de beide ingangsdraden verbindt, dan gaat deze uit. Het is ook genoeg om
de twee draden met de vingers aan te raken, omdat de geleiding van de huid voldoende is om de toestand te veranderen. Als men alleen de draad aan de +­ingang aanraakt, kan de LED aan of uit zijn en vaak ook knipperen. Wanneer er elektrische leidingen in de buurt zijn, kan een brommen of zoemen uit de
luidspreker te horen zijn.

Informatie: De spanning tussen de twee ingangen wordt ongeveer 100.000 keer
versterkt. In dit geval wordt echter de inverterende ingang (-) rechtstreeks met de
uitgang verbonden. De aldus opgewekte tegenkoppeling vermindert de
spanningsversterking op één. Op de uitgang staat dus altijd bijna precies dezelfde
spanning als op de niet-inverterende ingang (+). De spanningsversterking is
weliswaar nog slechts één richting, maar de OPV levert een zeer grote
stroomversterking. Daarom reageert de versterker gevoelig op zwakke ruissignalen.

Opdracht: Raak de LED-anode en de ingang zwak aan. De LED moet daarbij niet
geheel uit gaan, maar alleen zwakker branden: 4 punten.

7 Nagloeien bij aanraking

Het zevende deurtje verbergt een geheel nieuw component, namelijk een condensator met 100 nF (nanofarad). Het gaat om een keramische schijfcondensator,
die gemarkeerd is met de opdruk 104 (100.000 pF, picofarad). Bouw het in uw circuit in. De LED is deze keer tegen plus aangesloten, zodat de ruststand wordt
omgekeerd. In de normale toestand is de LED uit. Wanneer u echter de draad kortsluit of met de vinger aanraakt, gaat de LED aan. Ze brandt dan lang en gaat
alleen langzaam weer uit. Men kan hiermee een nachtlicht bouwen, dat bij een eenvoudige aanraking inschakelt en vanzelf weer uitschakelt.

Informatie: Dit circuit werkt niet met elke gewenste OPV, maar is aangewezen op
een speciale eigenschap van exact dit type aangewezen. De LM324 bevat bipolaire
operationele versterkers met PNP-ingangstrappen, die tot beneden tot negatieve
spanning en zelfs nog een beetje daaronder werken. De basisstroom van de
ingangstransistoren bedraagt ongeveer 30 nA, dus 0,03 μA. Deze zeer kleine
stroom laadt de condensator aan de ingang slechts langzaam op. De
ingangsspanning neemt met ongeveer 0,3 V/s toe. Het duurt daarom iets langer
dan 20 s, tot de spanning boven 7 V is gestegen en de LED uitgaat.

Opdracht: Raak de ingangen zo zwak aan, dat de LED nog niet uitschakelt, maar
slechts zwak gelijkmatig oplicht. U moet zelf uitvinden hoe u met uw vingers
precies de juiste weerstand bouwt: 3 punten.

8 Lichtregeling

Er komt nog een LED tevoorschijn vanachter het achtste deurtje. Ze is groen en moet nu in de plaats van de rode LED op de uitgang van OPV worden
aangebracht. De rode LED daarentegen krijgt een nieuwe taak: deze wordt tot fotodiode getransformeerd en is daarmee een effectieve lichtsensor. Let op de
inbouwrichting met de kathode aan de ingang van de OPV. Wanneer u de rode LED met een felle zaklamp beschijnt, gaat de groene LED aan.

Informatie: Een fotodiode is geconstrueerd als elke andere diode of lichtdiode.
In de tegengestelde richting vormt zich een isolerende barrièrelaag, die elke
stroomgeleiding voorkomt. Wanneer er echter licht binnendringt in de