Page 1


havo

Newt A n Natuurkunde voor de bovenbouw


Auteurs Jan Flokstra, Aart Groenewold, Kees Hooyman, Carolien Kootwijk, Koos Kortland. Mark Bosman, Nicole ten Broeke, Torsten van Goolen, René Hazejager, Michel Philippens, Mariska van Rijsbergen, Hein Vink. Eindredactie digitaal Evert-Jan Nijhof Bureauredactie Easy Writer, Maurik Opmaak Crius Group Ontwerp en beeldresearch Michelangela, Utrecht Tekeningen Jaap Wolters, Amersfoort, DDCom, Veldhoven

Over ThiemeMeulenhoff ThiemeMeulenhoff ontwikkelt zich van educatieve uitgeverij tot een learning design company. We brengen content, leerontwerp en technologie samen. Met onze groeiende expertise, ervaring en leeroplossingen zijn we een partner voor scholen bij het vernieuwen en verbeteren van onderwijs. Zo kunnen we samen beter recht doen aan de verschillen tussen lerenden en scholen en ervoor zorgen dat leren steeds persoonlijker, effectiever en efficiënter wordt. Samen leren vernieuwen. www.thiememeulenhoff.nl ISBN 978 90 06 98791 1 Vijfde druk, eerste oplage © ThiemeMeulenhoff, Amersfoort, 2021 Alle rechten voorbehouden. 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 fotokopieën, opnamen, of enig andere manier, zonder voorafgaande schriftelijke toestemming van de uitgever. Voor zover het maken van kopieën uit deze uitgave is toegestaan op grond van artikel 16B Auteurswet 1912 j° het ­Besluit van 23 augustus 1985, Stbl. 471 en artikel 17 Auteurswet 1912, dient men de daarvoor wettelijk verschuldigde vergoedingen te voldoen aan Stichting Publicatie- en Reproductierechten Organisatie (PRO), Postbus 3060, 2130 KB Hoofddorp (www.stichting-pro.nl). Voor het overnemen van gedeelte(n) uit deze uitgave in bloemlezingen, readers en andere compilatiewerken (artikel 16 Auteurswet) dient men zich tot de uitgever te wenden. Voor meer informatie over het gebruik van muziek, film en het maken van kopieën in het onderwijs zie www.auteursrechtenonderwijs.nl. De uitgever heeft ernaar gestreefd de auteursrechten te regelen volgens de wettelijke bepalingen. Degenen die desondanks menen zekere rechten te kunnen doen gelden, kunnen zich alsnog tot de uitgever wenden.

Deze uitgave is volledig CO2-neutraal geproduceerd. Het voor deze uitgave gebruikte papier is voorzien van het FSC®-keurmerk. Dit betekent dat de bosbouw op een verantwoorde wijze heeft plaatsgevonden.


Inhoud

4

K2 Technische automatisering

6

Werken met Newton

Meten en regelen

7

1 Introductie 2 Sensoren en signalen 3 Automaten bouwen 4 Verdieping 5 Afsluiting

Antwoorden op rekenvragen Register

10 17 27 29

36 37




Werken met Newton 

A

4

WERKEN MET NEWTON VOOR DE LEERLING Op jouw school werk je met de methode Newton. Met je klasgenoten ga je ontdekken en onderzoeken hoe de natuurkunde in theorie en in de praktijk werkt, zodat je je goed kunt voorbereiden op het eindexamen. Op deze pagina vind je uitleg over de onderdelen die je tegenkomt bij het werken met Newton. Er zijn werkbladen en experimenten beschikbaar. Je docent maakt een keuze hieruit en zal deze verspreiden.

Keuzekatern en digitaal materiaal Alle leerstof die je nodig hebt voor het keuzeonderwerp Technische automatisering vind je in dit keuzekatern. Ook vind je verwijzingen naar onderdelen die de docent verspreidt. Introductie

H O O F D S T U K V R A AG

INLEIDING

Het keuzekatern begint met een introductieparagraaf. Je maakt kennis met het onderwerp vanuit de praktijk. Dan zie je de hoofdstukvraag, zodat je weet wat je gaat leren. In overleg met je docent ga je aan de slag met de opgaven en werkbladen. Paragraaf

PA R AG R A A F V R A AG

Als je een T bij een opgave ziet staan, kun je aan de slag met een tekenblad. Tekenbladen vind je in je eigen digitale omgeving. E In

de gele kaders zie je samengevatte leerstof.

In de paarse kaders zie je formules en rekenvoorbeelden.

Elke paragraaf heeft dezelfde opbouw: E Ontdekken: Met de experimenten, opgaven en de ontdekactiviteiten op werkbladen ontdek je hoe de natuurkunde werkt. Je docent bepaalt met welke experimenten en andere ontdekactiviteiten je aan de slag gaat. Bij Ontdekken wordt de paragraafvraag geïntroduceerd, zodat je een beeld hebt waarover het in deze paragraaf zal gaan. E Begrijpen: Alle belangrijke leerstof wordt in begrijpelijke taal aan je uitgelegd. ­Belangrijke begrippen zijn weergegeven als paarse woorden. Deze vind je ook in het register achter in dit keuzekatern. Samenvattingen van de uitleg vind je in aparte gele kaders direct onder de leerstof. De opgaven zijn erop gericht om je de leerstof goed te laten begrijpen. Bij sommige opgaven heb je een tekenblad nodig om iets te tekenen. E Beheersen: De leerstof van Begrijpen wordt uitgebreid, zodat je ermee kunt gaan redeneren en rekenen. Formules zie je in aparte paarse kaders. Naast een formule vind je in de marge soms een of meer rekenvoorbeelden. In de opgaven leer je zowel redeneren als rekenen. De uitkomsten van de rekenopgaven vind je achter in dit keuzekatern. Verdieping Aan het einde van dit keuzekatern kun je je extra verdiepen in het onderwerp met extra leerstof en opgaven.

Van elk hoofdstuk is er een uitgebreide samenvatting.

Afsluiting Je blikt terug op de hoofdstukvraag. Kun je deze nu beantwoorden? Je maakt aan de hand van vragen zelf een samenvatting. Dit kun je doen op basis van de korte ­samenvattingen in de paragrafen. In de keuzeopdrachten leer je hoe de natuurkunde van het hoofdstuk werkt in andere praktijksituaties. Je docent bepaalt of je ermee aan de slag gaat. Met de eindopgaven test je jezelf op examenniveau: ben je klaar voor het echte werk? Leerdoelen Bij elke paragraaf horen leerdoelen. De leerdoelen staan hier overzichtelijk bij elkaar. Daarmee kun je voor jezelf nagaan welke leerdoelen je wel of nog niet beheerst.


5

A

Werken met Newton

WERKEN MET NEWTON VOOR DE DOCENT Newton is een contextgerichte methode met veel aandacht voor begripsontwikkeling, experimenten en differentiatie. Alles voor het centrale examen en schoolexamen Per leerjaar is er voor havo en voor vwo een leerwerkboek met de verplichte leerstof voor CE en SE. Elk subdomein is ondergebracht in een hoofdstuk. Daarnaast zijn er zowel voor havo als voor vwo vier keuzekaternen met aparte hoofdstukken voor de SE-keuzedomeinen. Digitaal materiaal voor leerling en docent Via je licentie krijg je als docent toegang tot de digiboeken van de leerwerkboeken en de SE-keuzehoofdstukken. Ook heb je de beschikking over werkbladen, experimenten, keuzeopdrachten, toetsen en vele extra’s. Je kunt zelf kiezen wat je je leerling aanbiedt. Herkenbare didactische opbouw Elke paragraaf heeft een didactische opbouw die flexibel kan worden ingezet: 1 Het onderdeel Ontdekken is bedoeld voor activerend leren in de vorm van experimenten en ontdekactiviteiten. Deze vind je op de docentenpagina als werkbladen en experimenten. Je kunt zelf een selectie maken en onder de leerlingen verspreiden. 2 De kern van de leerstof van elke paragraaf bestaat uit de onderdelen Begrijpen en Beheersen. Bij Begrijpen is er sprake van kwalitatieve begripsvorming. Opgaven zijn voornamelijk gericht op begripsontwikkeling. 3 In het onderdeel Beheersen wordt de stap gezet naar kwantitatieve beheersing. De benodigde formules worden hier aangeboden. In de nieuwe examens wordt namelijk steeds meer een beroep gedaan op het kunnen beredeneren van de oplossing van een vraagstuk. Verdieping en Afsluiting De paragraaf Verdieping biedt bij elk hoofdstuk de mogelijkheid voor differentiatie. De leerstof is een aanvulling voor de gemotiveerde leerling, maar valt buiten het ­CE-examenprogramma. De leerstof van Verdieping kan naar eigen ­inzicht ­worden getoetst. Hetzelfde geldt voor de keuzeopdrachten, waarnaar in de ­Afsluiting ­verwezen wordt. Context leidt tot inzicht in concept Elk hoofdstuk en elk keuzekatern van Newton begint met een contextuele vraag waarmee de theorie en de opgaven toepassingsgericht worden aangeboden. De contextkaders op een paarse achtergrond (geen examenstof ) bieden toepassing in concrete praktijkvoorbeelden. Er wordt extra gevarieerd met contexten in de opgaven, keuze­ opdrachten en eindopgaven. Zo oefent de leerling met het oplossen van vraagstukken in bestaande en nieuwe contexten. Extra aandacht voor vaardigheden Hoofdstuk 15 van het leerwerkboek richt zich op de voorbereiding voor het ­examen. Hoofdstuk 11 omvatte rekenvaardigheden en wiskundige vaardig­heden. In ­hoofdstuk 6 zijn aan bod geweest: rekenen, onderzoeken, modelleren en ­ontwerpen.

ONTDEKKEN Centrale vraag voor de leerling: “Waar gaat dit over?”

BEGRIJPEN Centrale vraag voor de leerling: “Wat is hier aan de hand?”

BEHEERSEN Centrale vraag voor de leerling: “Wat moet ik hiermee kunnen?”

VERDIEPEN


K2 1

Introductie

2

Sensoren en signalen

10

3

Automaten bouwen

17

4

Verdieping

27

5

Afsluiting

29

7

Technische automatisering Meten en regelen


7

A

1

Technische automatisering

Introductie

In ons dagelijks leven gaan veel dingen ‘automatisch’. Bijvoorbeeld schuifdeuren die vanzelf open gaan als je dichterbij komt. Of de verwarming die automatisch aan en uit gaat. Maar hoe werken automatische systemen eigenlijk?

W1 Automatische systemen om je heen

H O O F D S T U K V R A AG Hoe werken automatische systemen en hoe bouw je zelf een automatisch systeem? In dit hoofdstuk wordt uitgelegd uit welke bouwstenen een automatisch systeem bestaat. Hoe werken al die bouwstenen? Hoe krijgt een automatisch systeem signalen van buiten? Wat doet het systeem er dan mee? En hoe krijg je de uitkomst die je wilt hebben? Daarbij staan de volgende vragen centraal: E Hoe ontvangt een systeem een signaal van buiten en wat gebeurt er dan mee? (paragraaf 2) E Uit welke bouwstenen kan een systeem bestaan en hoe bouw je daarmee een automatisch systeem dat voldoet aan jouw eisen? (paragraaf 3) Bij dit hoofdstuk hoort een werkblad met alle practicumopdrachten die je met het ­systeembord kunt uitvoeren. Het werkblad bestaat uit de volgende onderdelen: 1 Invoer op het systeembord (paragraaf 1) 2 Sensoren en signalen (paragraaf 2) 3 Automaten bouwen (paragraaf 3) 4 Ontwerpopdrachten

Opbouw van een systeem Een automatisch systeem reageert op signalen van buiten. Die signalen worden de invoer (input) genoemd, en daarvoor worden meestal sensoren gebruikt. Maar het inputsignaal kan ook komen van een drukknop of van een ingebouwde klok. Een s­ ensor is een apparaatje dat een meting verricht en de meetwaarde als elektrisch signaal afgeeft. Bij de centrale verwarming bestaat de imput uit het signaal van de temperatuursensor in de huiskamer. Bij een frisdrankautomaat wordt het inputsignaal ­veroorzaakt doordat je er een munt in gooit. In het apparaat zit ergens een sensor die de munt herkent. Op grond van de input moet er in het systeem iets gebeuren waardoor de gewenste handelingen verricht worden. De verwarming moet aangaan als de ­temperatuur in de kamer te laag is geworden en het juiste blikje moet uit de ­frisdrankautomaat ­rollen. Het systeem moet dus op basis van de invoer de juiste handelingen ­verrichten. De twee onderdelen van het systeem die zorgen voor de juiste handelingen, heten ­verwerking en uitvoer (output). De uitvoer bestaat vaak uit een apparaat, een ­actuator, die aan of uit wordt geschakeld. Bij de verwarming is een gaskraan in de ketel de actuator. In de frisdrankautomaat is de actuator een motortje. Het verwerkings­deel in een automaat bestaat uit elektronische onderdelen. Een auto­matisch ­systeem bestaat dus uit drie delen (zie figuur 2). invoerblok

verwerkingsblok

sensor(en)

elektronische schakeling(en)

uitvoerblok

actuator(en)

Figuur 2  Een automatisch systeem bestaat uit de delen: invoer, verwerking en uitvoer.

Figuur 1  Een spaceshuttle wordt door automatische systemen bestuurd. De mens moet wel kunnen ingrijpen als automaten falen.

W2 Practicumopdrachten




 1 Introductie Technische automatisering

A

8

Het systeembord In dit katern werk je met een systeembord, dat is opgebouwd uit een i­nvoerdeel, een verwerkingsdeel en een uitvoerdeel (zie figuur 3). Op het invoerdeel kun je losse ­sensoren aansluiten die niet in het systeembord zitten. Het invoerdeel bevat ook een geluidssensor, een drukschakelaar, een variabele spanningsbron en een ­pulsgenerator. In het ­verwerkingsdeel wordt op basis van de signalen uit het invoerdeel een ‘beslissing’ ­genomen om ­bijvoorbeeld een apparaat aan of uit te schakelen. Voor het nemen van die ­beslissing zijn in het bord verschillende onderdelen geplaatst, waarmee je een ­schakeling kunt opbouwen. Het uitvoergedeelte van het systeembord bestaat uit lampjes, een ­zoemer en een relais. Het relais wordt gebruikt om een extern apparaat aan en uit te ­schakelen.

Figuur 3  Systeembord

Het verwerkingsdeel is het hart van het systeembord. Hier kunnen verschillende ­soorten ‘voorwaardelijke beslissingen’ genomen worden. Met behulp van de ­componenten in dit verwerkingsdeel maak je een schakeling die ervoor zorgt dat de gewenste uitvoer plaatsvindt. Bijvoorbeeld als er voldaan moet worden aan bepaalde voorwaarden bij de invoer. Een apparaat kan ­bijvoorbeeld aan- of uitgeschakeld ­worden: E bij een bepaalde waarde van een sensorsignaal; E bij een bepaalde combinatie van twee of meer sensorsignalen; E als er een bepaald aantal gebeurtenissen is geweest; E na een bepaalde tijd. Voorbeeld: een alarminstallatie moet een sirene laten klinken als één van de bewegings­ sensoren een signaal geeft, maar niet als binnen een halve minuut een bepaalde code wordt ingetoetst. Het systeem bestaat dan uit enkele sensoren, een klok, een schakeling in het verwerkingsdeel en een zoemer.

S N E L L E C A M E R A’ S VO LG E N D E B A L

Figuur 4  Wel of niet op de lijn?

In veel voetbalstadions kunnen hulpscheidsrechters (VAR) meekijken naar een wedstrijd en van elk gewenst spelmoment de beelden van elke camera terugkijken. Of de bal de doellijn helemaal is gepasseerd, laat het systeem aan de scheidrechter weten via trillen en piepen van zijn/haar horloge. Ook bij grote tennistoernooien kunnen de menselijke ogen hulp krijgen om vast te stellen of een bal in of uit was. Dat systeem (Hawk eye) bestaat uit een set van minstens zes zeer snelle camera’s die input leveren aan een computer. Daaruit wordt voortdurend de positie van de bal berekend en opgeslagen in het geheugen. Is een speler het niet eens met de beslissing van een lijnrechter, dan kan hij/zij een ‘challenge’ aanvragen. Op de schermen wordt dan een animatie getoond van het dalen en opstuiten van de bal. Daarmee wordt vastgesteld of de bal IN of OUT was.


9

A

Technische automatisering 1 Introductie 

1  Waar of niet waar? Verbeter de onjuiste uitspraken. a b c d e

Sensoren zijn de zintuigen van een automatisch systeem. De invoer van een automatisch systeem wordt geregeld door actuatoren. Het verwerkingsdeel van een automatisch systeem is opgebouwd uit elektronische componenten. In het verwerkingsdeel wordt op basis van de uitvoer een ‘beslissing’ ­genomen over de invoer. Bij de temperatuurregeling van een koelkast is een elektronische ­thermometer de sensor en de (koel)motor de actuator.

2  In het verwerkingsdeel van een automatisch systeem worden ‘beslissingen’ genomen. a Noem twee soorten beslissingen waarbij een sensor betrokken is. b Noem een andere soort beslissing. c Wat is meestal het resultaat van een beslissing van het verwerkingsdeel?

3  Bij een frisdrankautomaat valt een blikje of flesje in een open bak als je het juiste bedrag in de automaat gooit. a Wat zijn in dit systeem input, verwerking en output? De zonneschermen op school moeten alleen uitgevouwen worden als de zon schijnt en het niet te hard waait. b Leg uit dat dit systeem twee sensoren nodig heeft. c Beschrijf in welke situaties het scherm opgerold wordt, nadat het eerst uitgevouwen was. d Noem een ander systeem met twee of meer sensoren en geef aan welke sensoren daarin gebruikt worden. e Beschrijf bij dit systeem ook een beslissing die op basis van de signalen van die sensoren genomen wordt.

Figuur 5  Frisdrankautomaat

4  Een smartphone is, net als vrijwel alle elektronische apparatuur, een auto­ matisch systeem. a Noem twee sensoren die in een smartphone zitten. b Leg uit dat de antenne zowel een sensor als een actuator is. c Noem een andere actuator in een smartphone.

5  Op het systeembord komen twee onderdelen voor met een naam die duidelijk uit de Engelse taal komt: comparator (to compare) en invertor (to invert). a Wat betekent het werkwoord ‘to compare’? b Probeer een Nederlandse vertaling te geven voor het woord invertor.

Figuur 6  Waterfontein

6  In figuur 6 zie je een waterfontein. Bij de fontein zijn lampjes en sensoren geplaatst. Als iemand tussen een lampje en een sensor doorloopt, gaat de ­fontein voor enkele seconden uit, zodat de toeschouwer kan passeren. a Wat voor soort sensor zit er in dit systeem? b Leg uit dat er ook een tijdklok in het systeem ingebouwd zit.

7  In figuur 7 zie je een robotstofzuiger die op bepaalde, vooraf ingestelde tijden automatisch een kamer kan zuigen zonder dat er iemand bij nodig is. Wat voor soort sensor zit er in dit systeem?

Figuur 7  Robotstofzuiger




Technische automatisering

2

A

10

Sensoren en signalen

ONTDEKKEN In vrijwel elk automatisch systeem worden sensoren gebruikt. Sensoren zijn de ogen en oren van een automatisch systeem. Een sensor meet een bepaalde grootheid, zoals de temperatuur in de huiskamer of het gewicht en de grootte van een munt. Die meetwaarde wordt door de sensor omgezet in een elektrisch signaal. Hoe werkt dat en wat voor soort signaal is dat?

PA R AG R A A F V R A AG Hoe werken sensoren en wat voor signaal geven ze af?

BEGRIJPEN Sensorsignaal Een sensor meet de waarde van een grootheid, bijvoorbeeld een temperatuur, een afstand, een lichtsterkte of een versnelling. De sensor geeft deze waarde weer in de vorm van een elektrisch signaal. Het signaal is vrijwel altijd een elektrische spanning, waarbij de grootte van de spanning afhangt van de waarde van de gemeten grootheid. De sensoren bij het systeembord geven een spanning af tussen 0 en maximaal 5 V. Bij andere systemen kan de maximale uitgangsspanning ook een hogere of lagere ­spanning zijn.

Figuur 8  Een weerstation kan meerdere grootheden meten.

De eigenschappen van een sensor worden weergegeven in een ijkdiagram. In een ijkdiagram staat het sensorsignaal langs de verticale as en de grootheid die door de sensor gemeten wordt langs de horizontale as. In figuur 9 zie je als voorbeeld het ijkdiagram van een temperatuursensor. De grafiek in dit diagram geeft het verband tussen de sensorspanning U (V) en de temperatuur T (°C).

sensorspanning U (V)

Voor het ontwerpen van een systeem moeten de sensoreigenschappen bekend zijn. De twee belangrijkste eigenschappen zijn meetbereik en gevoeligheid. Meetbereik – Het meetbereik geeft aan binnen welk gebied de sensor bruikbaar is. De sensor van figuur 9 heeft bijvoorbeeld een meetbereik van 10 °C tot 50 °C.

1,0

Gevoeligheid – De gevoeligheid geeft aan hoeveel de sensorspanning verandert bij een verandering van de te meten grootheid. De sensor van figuur 9 heeft een gevoeligheid van 0,40 V per 40 °C, dat is dus 0,010 V/°C. De gevoeligheid wordt dus gegeven door het hellingsgetal of de steilheid van de lijn in het ijkdiagram. Bij een sensor met een grotere gevoeligheid loopt de lijn in het ijkdiagram steiler. Als het ijkdiagram geen rechte lijn is, wordt de gevoeligheid gegeven door het hellingsgetal of de steilheid van de raaklijn in een punt van de grafiek.

0,8

0,6

0,4

0

0

10

20

30

40 50 60 temperatuur T (°C)

Figuur 9  IJkdiagram van een temperatuursensor

Een koortsthermometer is een gevoelig instrument. Een kleine wijziging van de temperatuur geeft een grote uitslag op de thermometer. Een koortsthermometer heeft dus een grote gevoeligheid. Het meetbereik is echter klein: van circa 35 °C tot 42 °C. Een buitenthermometer heeft een veel kleinere gevoeligheid, maar een veel groter meetbereik: vaak van −30 °C tot +50 °C.


11

A

Technische automatisering 2 Sensoren en signalen begrijpen

B Een

sensor zet de waarde van een gemeten grootheid om in een elektrische spanning (signaal). B Het ijkdiagram geeft het verband weer tussen de sensorspanning en de gemeten grootheid. B Twee belangrijke eigenschappen van een sensor zijn het meetbereik en de gevoeligheid.

Continu en binair Een sensor bij het systeembord geeft een signaal af tussen 0 en 5 V. Zo’n signaal is een continu signaal omdat het alle mogelijke waarden tussen 0 en 5 V kan hebben. De grafiek in het ijkdiagram is dan ook een doorlopende lijn zonder onderbrekingen of sprongen. De variabele spanningsbron in het invoergedeelte van het systeembord geeft een instelbaar continu signaal af tussen 0 en 5 V. Hiermee kun je ook een ­sensor ­nabootsen. Een drukknop kan slechts twee verschillende signaalwaarden ­afgeven. Een ‘hoog’ signaal als de knop ingedrukt is en een ‘laag’ signaal als de knop niet ­ingedrukt is. Een dergelijk signaal wordt een binair signaal genoemd, of ook wel een hoog/laag-signaal. Binair betekent dat er maar twee mogelijkheden zijn. De onderdelen van het verwerkingsdeel geven ook binaire signaalwaarden af. De spanning op de uitgang van zo’n onderdeel is hoog of laag, nooit ertussenin. De ­pulsgenerator geeft afwisselend een hoog en een laag signaal, dus een binair signaal. De frequentie van de pulsgenerator kan ingesteld worden tussen 1 en 10 Hz. Deze ­signalen worden vaak weergegeven met een 0 en een 1.

b c d e

Een sensor zet de waarde van een grootheid om in een elektrisch signaal. Het meetbereik van een sensor is de maximale spanning op de uitgang van de sensor. In een ijkdiagram staat de grootheid die de sensor meet langs de horizontale as. Een continu signaal is niet constant, het verandert continu. Een binair signaal kan slechts twee waarden hebben.

9  In figuur 10 zie je vier verschillende signalen. Geef aan welk van de signalen A t/m C continu is en welk signaal binair is. Hoe noemen we signaal D?

A

B

tijd t (s)

tijd t (s) signaal S (V)

a

signaal S (V)

8  Waar of niet waar? Verbeter de onjuiste uitspraken.

signaal S (V)

sensor geeft een continu signaal af. B Een binair signaal kan hoog of laag zijn. B Een pulsgenerator geeft afwisselend een hoog en een laag signaal.

signaal S (V)

B Een

C

D

tijd t (s)

Figuur 10  Vier verschillende signalen

tijd t (s)




begrijpen 2 Sensoren en signalen Technische automatisering

A

10  Vrijwel elk automatisch systeem heeft sensoren. a b c

Noem vijf automaten die elk één of meer sensoren hebben. Geef bij elke automaat ten minste één grootheid aan die met een sensor gemeten wordt. Noem één sensor met grote gevoeligheid en één sensor met een groot meetbereik.

11  Er zijn auto’s die, zonder ingrijpen van de bestuurder, achteruit kunnen ­inparkeren. a Welke sensoren zijn hiervoor nodig en waar zullen deze sensoren zijn aangebracht? Er zijn lampen die gaan branden als iemand in het donker nadert. b Welke twee sensoren bevat zo’n nachtlamp? Er bestaat kennelijk een sensor die de nadering van een mens signaleert. c Welke eigenschap van mensen wordt daarvoor gebruikt en hoe kun je dat onderzoeken?

12  In een auto zitten diverse sensoren die aangeven als er iets niet in orde is. Elke sensor meet een bepaalde grootheid, zoals kracht, snelheid, versnelling, afstand, spanning, stroomsterkte. a Welke sensor verwacht je bij de volgende signaallampjes? Welke grootheid meet die sensor? 1 voldoende benzine in de tank 2 oliedruk 3 accu laadt niet op Bij een autobotsing moet een airbag opgeblazen worden. b Welk soort sensor zou hiervoor kunnen zorgen? Welke grootheid meet die sensor?

13  Het signaal van een sensor is vaak een continu signaal. a b c

Leg in je eigen woorden uit wat het verschil is tussen een continu en een binair signaal. Waarom is het (meestal) niet handig als een sensor een binair signaal afgeeft? Noem twee onderdelen van de invoer van het systeembord die een binair signaal geven.

14  De eigenschappen van een sensor worden weergegeven in een ijkdiagram. a b c

Leg uit hoe je aan een ijkdiagram kunt zien of de sensor een hoge gevoeligheid heeft. Langs welke as kun je het meetbereik van de sensor aflezen? Maak een schets van het ijkdiagram van een koortsthermometer en van een buitenthermometer.

12


A

Technische automatisering 2 Sensoren en signalen Beheersen

BEHEERSEN Gevoeligheid Bij een sensor met een grote gevoeligheid is de verandering van het signaal groot bij een kleine verandering van de gemeten grootheid. De grafiek in het ijkdiagram loopt dan steiler dan bij een minder gevoelige sensor. Bij de gevoeligheid van een sensor hoort een eenheid. De lichtsensor van figuur 11 4,7 - 1,0 heeft een gevoeligheid van ______ ​​   ​   = 0,0053  V/lux​. Bij elke toename van de 700 - 0 ­verlichtingssterkte met 1 lux wordt het sensorsignaal dus 0,0053 V hoger. B De

gevoeligheid van een sensor is gelijk aan het hellingsgetal van de grafiek in het ijkdiagram. De gevoeligheid wordt uitgedrukt in volt per eenheid van de gemeten grootheid.

Sensorschakeling Een sensor zet de waarde van de gemeten grootheid om in een elektrisch signaal. Dat gebeurt vaak met een elektrische schakeling waarin een weerstand is opgenomen die verandert als de te meten grootheid verandert. Bijvoorbeeld een weerstand die van waarde verandert als de temperatuur verandert. Of een weerstand die van waarde verandert door meer of minder licht, zoals een LDR of een fotodiode. Ook kan het een weerstand zijn die van waarde verandert als er meer of minder kracht op wordt ­uitgeoefend, een zogenaamd rekstrookje. In een dergelijke sensorschakeling wordt de afhankelijke weerstand in serie met een vaste weerstand aangesloten op een vaste spanning. Als de weerstandswaarde van de afhankelijke weerstand verandert, verandert de stroomsterkte in de kring en dus ook de spanning over elke weerstand. Het sensorsignaal is meestal de spanning over de vaste weerstand. In figuur 12A zie je de sensorschakeling van een temperatuursensor, in figuur 12B van een lichtsensor en in figuur 12C van een krachtsensor. Alle drie de schakelingen bevatten dus een vaste weerstand en een afhankelijke weerstand. De waarde van de NTC-weerstand neemt af als de temperatuur stijgt. De weerstand van de LDR neemt af als er meer licht op valt. Daardoor wordt in beide gevallen de stroomsterkte groter en dus wordt ook de spanning over de vaste weerstand groter. Bij de krachtsensor van figuur 12C gaat het net andersom: als de kracht groter wordt, neemt de weerstand van het rekstrookje toe. De stroomsterkte wordt daardoor kleiner en dus ook de spanning over de vaste weerstand. Het ijkdiagram is dus een dalende grafiek.

NTCweerstand

LDR

sensorsignaal

sensorsignaal

sensorsignaal

A

rekstrookje

B

C

Figuur 12  De elektrische schakeling in drie verschillende sensoren

sensorspanning U (V)

13

5 4 3 2 1 0

0

100

200

300 400 500 600 700 verlichtingssterkte l (lux)

Figuur 11  IJkdiagram van een lichtsensor




Beheersen 2 Sensoren en signalen Technische automatisering

R E K E N VO O R B E E L D In de schakeling van figuur 12A is de batterijspanning 5,0 V. Bij een bepaalde temperatuur is de NTC-weerstand 300 Ω. De vaste weerstand is 100 Ω. Vraag: Bereken de waarde van het sensor­ signaal. Antwoord met de stroomsterkte:

Rtot= 100 + 300 = 400 Ω Uit U = I · R volgt: 5,0 ​I= ​ _  ​   = 0,0125  A​

400 Het sensorsignaal is de spanning over de vaste weerstand, dus:

U = I · R = 100 × 0,0125 = 1,25 V Antwoord met een verhoudingstabel: Noteer de twee weerstanden en de totale weerstand in de bovenste rij, de bijbehorende spanning in de onderste rij.

R1 = 100 Ω

R2 = 300 Ω

Rtot =

U1 =

U2 =

Utot= 5,0 V

Noteer vervolgens R​  ​​ tot​​​ = 400 Ω en bereken de spanning(en) over de twee weerstanden met

de verhoudingstabel: U1 = ___ ​​  100  ​​× 5,0 = 1,25 V en

U2 = ___ ​​  300  ​​× 5,0 = 3,75 V. 400

400

Het sensorsignaal is de spanning over de vaste weerstand, dus 1,25 V.

Bij spanningsdeling gebruik je dat bij een serieschakeling de spanning verdeeld wordt over de twee weerstanden. De grootste weerstand krijgt ook de grootste spanning. De verdeling van de spanning gaat naar verhouding van de twee weerstanden. Als de ene weerstand vijf keer zo groot is als de andere weerstand, is de spanning over die ene weerstand ook vijf keer zo groot. De ene weerstand krijgt dan __ ​​  5 ​ ​van de spanning, 6 de andere weerstand __ ​​ 1 ​ ​. Rekenen met verhoudingen gaat eenvoudig met behulp van 6 een verhoudingstabel.

Complete sensoren Er wordt niet altijd een afhankelijke weerstand gebruikt in een sensor. Een dynamische microfoon bijvoorbeeld, geeft zelf een spanning af als er geluid gedetecteerd wordt. Het is een actieve component die geen spanningsbron nodig heeft. De meeste sensoren bevatten behalve een sensorschakeling of een actieve component ook een versterkerschakeling die ervoor zorgt dat het uitgangssignaal van de sensor een bruikbaar bereik aan de uitgang krijgt. Soms kun je bijvoorbeeld bij een lichtsensor met een schakelaar kiezen tussen verschillende meetbereiken, zoals 0 - 600 lux of 0 - 6000 lux.

15  De paragraafvraag was: Hoe werken sensoren en wat voor signaal geven ze af? Wat is het antwoord op deze vraag?

16  Waar of niet waar? Verbeter de onjuiste uitspraken.

sensorspanning U (V)

b 5 c 4 d e f 2

0

Figuur 13

De gevoeligheid van een versnellingssensor wordt uitgedrukt in volt per m/s. In een krachtsensor zit een weerstand die verandert als eraan getrokken wordt. Een snelheidsmeter bevat een weerstand die verandert als de snelheid verandert. Een ijkdiagram is niet altijd een rechte lijn. In een lichtsensor wordt een led als gevoelige weerstand opgenomen. In een tablet zitten positiesensoren om het beeld op het scherm te draaien als je de tablet draait.

17  Van een temperatuursensor is het verband tussen sensorspanning en

1

0

50

100

150

200 250 300 temperatuur T (°C)

14

Rekenen aan een sensorschakeling kan op twee manieren: met behulp van de stroomsterkte of met behulp van spanningsdeling. Bij het rekenen met de stroomsterkte wordt de formule van Ohm (U = I · R) gebruikt voor de gehele schakeling én voor de afzonderlijke weerstanden. Als de afhankelijke weerstand verandert, wijzigt ook de totale weerstand van de schakeling. Met de totale weerstand kan de stroomsterkte berekend worden en daarmee ook de spanning over elke weerstand apart.

a

3

A

temperatuur gegeven in figuur 13. a Wat is het meetbereik van deze sensor? b Leg uit hoe je de gevoeligheid bij 150 °C bepaalt. c Noem een apparaat waarvoor deze sensor gemaakt zou kunnen zijn.


A

Technische automatisering 2 Sensoren en signalen Beheersen

sensorspanning U (V)

15

18  Een krachtsensor is aangesloten op een spanningsbron van 5,0 V. De gevoeligheid in het gehele gebied is 0,33 V/N. Bij een kracht van 0,0 N geeft de sensor een signaal af van 2,2 V. a Hoe groot is het meetbereik van de sensor? b Teken het verloop van de sensorspanning tegen de kracht in een diagram.

a

20  Poststukken die zwaarder zijn dan 20,0 kg moeten apart gehouden worden. In een automatisch systeem moet een krachtsensor opgenomen worden om de zwaartekracht (in N) te meten. Er zijn drie soorten krachtsensoren beschikbaar. In figuur 15 staan de gevoeligheid en het meetbereik van de drie sensoren. Leg uit welke sensor het best gebruikt kan worden.

21  Het menselijk lichaam bevat sensoren die ervoor zorgen dat we in sommige situaties ‘automatisch’ kunnen handelen. a Noem drie soorten sensoren in het menselijk lichaam. b Geef bij één type sensor aan hoe de gevoeligheid en het meetbereik per individu verschillend kunnen zijn.

4 3 2

19  In figuur 14 zie je het ijkdiagram van een windsensor. Bepaal het gebied waarbinnen de sensor lineair, dus een rechte lijn, is. b Bepaal de gevoeligheid van de sensor in het lineaire gebied. De windsensor bestaat uit een klein molentje dat ronddraait in de wind en een kleine dynamo. c Leg uit waardoor er in deze windsensor geen sensorschakeling met een vaste weerstand en een windgevoelige weerstand nodig is.

5

1 0

0

2

4

6

8

10 12 14 16 windsnelheid v (m/s)

Figuur 14  IJkdiagram van een windsensor

sensorsoort

gevoeligheid (V/N)

bereik (N)

A

0,0050

0 – 1000

B

0,020

0 – 200

C

0,90

0–5

Figuur 15

22  Van een geluidsensor is het sensorsignaal als functie van de geluidssterkte gemeten. Bij een geluidssterkte van 40 dB is de sensorspanning 1,20 V; bij 80 dB is dat 3,20 V. Men kan maximaal een signaal van 5,00 V meten. a Teken het ijkdiagram van deze sensor. Je mag daarbij aannemen dat de ijkgrafiek lineair is. b Bepaal uit het ijkdiagram het bereik van deze sensor. c Bereken de gevoeligheid van deze sensor.

23  De schakeling van een lichtsensor bestaat uit een spanningsbron van 12,0 V, een vaste weerstand van 1,5 kΩ en een LDR (zie figuur 16). Het sensorsignaal is de spanning over de vaste weerstand. a Hoe verandert de weerstand van de LDR als er meer licht op valt? b Wordt de stroomsterkte in de schakeling daardoor groter of kleiner? c Leg uit dat het sensorsignaal toeneemt als de lichtsterkte toeneemt. d Bij een bepaalde lichtsterkte is de weerstand van de LDR 700 Ω. Bereken het sensorsignaal. e Bij een andere lichtsterkte is het sensorsignaal 1,8 V. Bereken de weerstand van de LDR. Men zou ook hebben kunnen kiezen om de spanning over de LDR te gebruiken als sensorsignaal. f Hoe zou dan het sensorsignaal veranderen als de lichtsterkte toeneemt? Leg uit.

LDR

sensorsignaal

Figuur 16  Schakeling met een LDR




Beheersen 2 Sensoren en signalen Technische automatisering

A

24  Een krachtsensor is opgebouwd uit een spanningsbron van 10,0 V, een vaste LDR

12,0 V R = 680 Ω

sensorsignaal

weerstand R (kΩ)

Figuur 17  Schakeling met LDR en weerstand

3,0

25  In figuur 17 is het schema van een lichtsensor met een LDR getekend. Het uit-

2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0

weerstand van 12 kΩ en een afhankelijke weerstand die reageert op kracht. De waarde van deze weerstand neemt lineair toe van 12 kΩ als er geen kracht op wordt uitgeoefend tot 36 kΩ bij een kracht van 50 N. a Leg uit waarom in deze sensor als sensorsignaal de spanning over de ­afhankelijke weerstand gebruikt wordt. b Bereken de waarde van de afhankelijke weerstand bij een kracht van 25 N. c Bereken het sensorsignaal bij een kracht van 25 N. d Hoe groot is de maximale waarde van het sensorsignaal? Leg uit of geef een berekening.

0

50

100

150 200 250 300 verlichtingssterkte l (lux)

Figuur 18  Karakteristiek van de LDR

­ iagram gangssignaal is de spanning over de vaste weerstand van 680 Ω. Het d in figuur 18 geeft het verband tussen de verlichtingssterkte (in lux) en de weerstand van de LDR (in kΩ). a Leg uit of het sensorsignaal toe- of afneemt als er meer licht op de sensor valt. b Bereken het sensorsignaal als de weerstand van de LDR 340 Ω is. In een andere situatie is het sensorsignaal 3,5 V. c Bepaal in deze situatie de lichtsterkte die de sensor waarneemt. Gebruik eventueel een verhoudingstabel.

16


17

A

3

Technische automatisering

Automaten bouwen

ONTDEKKEN Een automatisch systeem werkt met één of meer inputsignalen. Op basis van die signalen wordt in het verwerkingsgedeelte een ‘beslissing’ genomen, waarna één of meer apparaten worden aan- of uitgeschakeld. Het verwerkingsgedeelte bestaat uit een combinatie van onderdelen (verwerkers) die samen moeten zorgen dat het systeem goed functioneert. Hoe doen die verwerkers dat? Wat gebeurt er precies met het signaal of de signalen? Hoe zet je zelf zo’n systeem op?

PA R AG R A A F V R A AG Hoe bouw je een automatisch systeem?

BEGRIJPEN + –

sensor

De werking van een automatisch systeem kan vaak opgesplitst worden in een aantal verschillende taken. Bij elk van die taken hoort een bepaald onderdeel van de schakeling.

Schakelen bij een bepaalde waarde van een grootheid

Uref = 2,5V

Figuur 19  Comparator

Als het in de huiskamer te warm is geworden, moet de verwarming uitgeschakeld worden. In de koelkast moet de motor juist aan gaan als het te warm is. In veel gevallen wordt een apparaat in- of uitgeschakeld als het sensorsignaal boven of onder een bepaalde waarde komt.

1

Figuur 20  Invertor

Het sensorsignaal is meestal een continu signaal, maar het verwerkingsdeel werkt met binaire signalen (0 of 1, hoog of laag). Daarom wordt een sensor vrijwel altijd aan­ gesloten op een comparator (zie figuur 19). Een comparator vergelijkt de spanning op de ingang met een ingestelde waarde, de referentiespanning. In figuur 19 is de ­referentiespanning ingesteld op 2,5 V. Als het signaal van de sensor hoger is dan 2,5 V, is de uitgang van de comparator hoog en als het signaal van de sensor lager is dan 2,5 V, is de uitgang laag. Het uitgangssignaal van een comparator is dus altijd binair. Een invertor (zie figuur 20) keert het (digitale) signaal om. Een hoog ingangssignaal wordt aan de uitgang van de invertor laag en een laag ingangssignaal wordt hoog. B Een

sensor wordt meestal aangesloten op een comparator. Daarmee wordt een continu signaal omgezet in een binair signaal. B Een comparator geeft een hoog uitgangssignaal als de ingangsspanning groter is dan de ingestelde referentiespanning en anders een laag signaal. B Een invertor keert een binair signaal om, een laag signaal wordt hoog en andersom.

H U I S K A M E RV E RWA R M I N G Als de temperatuursensor in figuur 21 een spanning afgeeft van meer dan 2,5 V, doordat de temperatuur hoger is dan de ingestelde waarde, is het uitgangssignaal van de comparator hoog. De invertor maakt het hoge signaal laag, zodat de verwarming uitgeschakeld is. temperatuursensor

comparator + –

invertor 

naar verwarming

Uref = ,V

Figuur 21  Schakeling bij een huiskamerverwarming




Begrijpen 3 Automaten bouwen Technische automatisering

A

18

Twee signalen combineren Bij sommige systemen worden twee of meer sensoren gebruikt. Een buitenlamp gaat bijvoorbeeld aan bij twee voorwaarden: het moet donker zijn én de bewegings­sensor moet iemand detecteren. Omdat een lichtsensor een continu signaal geeft, wordt dat eerst via een comparator in een binair signaal omgezet. (Zo kun je ook instellen of het helemaal pikdonker moet zijn.) De lamp moet dus aangaan als het signaal van de licht­sensor laag is én het signaal van de bewegingssensor hoog. Een alarm combineert sensorsignalen anders: het moet afgaan als een deur wordt opengebroken óf als een raam wordt ingeslagen.

ingang 1 ingang 2

&

uitgang

≥1

uitgang

Het systeembord heeft twee soorten verwerkers om signalen te combineren, een EN-poort en een OF-poort (zie figuur 22 en 23). Bij een EN-poort is de uitgang hoog als beide ingangssignalen hoog zijn. Bij een OF-poort is de uitgang hoog als één van de twee ingangssignalen hoog is of als beide ingangssignalen hoog zijn. Een OF-poort is dus alleen laag als beide signalen laag zijn. De werking van beide poorten wordt in een waarheidstabel weergegeven (zie figuur 24).

Figuur 22  EN-poort ingang 1 ingang 2

EN-poort Figuur 23  OF-poort

OF-poort

ingang 1

ingang 2

uitgang

ingang 1

ingang 2

uitgang

0

0

0

0

0

0

0

1

0

0

1

1

1

0

0

1

0

1

1

1

1

1

1

1

Figuur 24  De waarheidstabel van een EN-poort en een OF-poort

ZO N W E R I N G Een school laat de zonwering zakken als de zon schijnt en het niet te hard waait. De signalen van de lichtsensor en de windsnelheidssensor worden gecombineerd met een ENpoort (zie figuur 25). Maar omdat het niet te hard mag waaien, zit er voor die EN-poort nog een invertor die het signaal van de windsnelheidssensor omkeert. Als de windsnelheid laag genoeg is, is dit signaal dus hoog. Wanneer dan ook nog de zon schijnt, mag de zonwering zakken. comparator lichtsensor

+ –

EN-poort &

Uref

windsensor

zonwering

Op het systeembord mogen twee verschillende signalen niet rechtstreeks met elkaar verbonden worden aan één ingang. Als het ene signaal namelijk hoog is en het andere laag, wordt de combinatie een onbekende spanning tussen 0 en 5 V. Het is dan niet meer duidelijk of het een hoog of een laag signaal is. Wanneer twee signalen gecombineerd worden, moet er daarom eerst een EN-poort of een OF-poort gebruikt worden, soms in combinatie met een invertor. De keuze tussen deze twee poorten hangt af van de voorwaarden. De buitenlamp mag alleen aangaan als aan alle twee de voorwaarden is voldaan. Hiervoor gebruik je dus een EN-poort. Een alarminstallatie moet waarschuwen als één van de sensoren een signaal geeft of als beide sensoren een signaal geven. Dan wordt een OF-poort gebruikt. Het is wel mogelijk om één uitgang van een component te verbinden met de i­ngangen van twee andere componenten. Die beide componenten krijgen dan hetzelfde ingangssignaal. B Twee

comparator

invertor

+ –

1

Uref

Figuur 25  Schema voor een zonwering

signalen kunnen gecombineerd worden met een EN-poort of een ­OF-poort. B Een EN-poort geeft alleen een hoog uitgangssignaal als beide ingangssignalen hoog zijn. B Een OF-poort geeft een hoog uitgangssignaal als één van beide ingangssignalen hoog is of als beide ingangssignalen hoog zijn.


19

A

Technische automatisering 3 Automaten bouwen Begrijpen

Een signaal onthouden Als bij een voetgangersoversteekplaats de knop wordt ingedrukt, springt het licht niet direct op groen maar pas even later. Het systeem onthoudt dat de knop is ingedrukt. Op het systeembord wordt daarvoor een geheugencel gebruikt (zie figuur 26). Een geheugencel heeft twee ingangen, set en reset. Een hoog signaal op de set maakt de uitgang van de geheugencel hoog en die blijft hoog, ook als de set weer laag wordt. Pas als de reset een hoog signaal krijgt, wordt de uitgang van de ­geheugencel weer laag. Zijn de set én de reset tegelijk hoog, dan is de uitgang ook hoog. De set ‘wint’ het dus van de reset. B Een

geheugencel blijft na een hoog signaal op de set een hoog uitgangssignaal houden, totdat de reset een hoog signaal krijgt. Dan wordt het uitgangssignaal weer laag.

set

M

reset

Figuur 26  Geheugencel

Tellen of tijd gebruiken Het systeembord heeft ook een pulsenteller die telt hoe vaak een bepaald signaal hoog is geweest (zie figuur 27). Elke keer als het signaal op de ingang tel pulsen ­verspringt van laag naar hoog, springt de teller naar het volgende cijfer. Daarmee kan bijvoorbeeld het aantal auto’s voor een stoplicht geteld worden of het aantal klanten dat een winkel binnenkomt. Een teller kan ook gebruikt worden als klok. Dan wordt op de ingang tel pulsen het signaal van de pulsgenerator aangesloten. De teller blijft dan doorgaan met tellen. Het tempo wordt bepaald door de frequentie van de pulsgenerator. De teller heeft vier uitgangen, genummerd 8, 4, 2 en 1. Deze vier uitgangen geven de waarde van de teller aan. Als de teller bijvoorbeeld op 9 staat, zijn de uitgangen 8 en 1 hoog en de uitgangen 2 en 4 laag. De uitgang van de teller is een binaire code van nullen en/of enen. De code voor 9 is 1001. De teller gaat niet verder dan 9, daarna springt hij weer op 0.

pulsgenerator

teller telpulsen 8

1 10 Hz aan/uit

4 2 1

reset

Figuur 27  Pulsgenerator en pulsenteller

De teller heeft nog twee andere ingangen. Met de ingang tellen aan/uit kan het tellen aan en uit gezet worden. Als er niets op deze ingang is aangesloten, telt de teller normaal. Is er wel een signaal aangesloten op de aan/uit-ingang, dan telt de teller alleen als dit signaal hoog is.

KNIPPERLICHT Met een geheugencel, pulsgenerator en pulsenteller kun je een knipperlicht bouwen waarvan de frequentie kan variëren van 1 tot 10 Hz (zie figuur 28). Het knipperlicht kun je handmatig in en uit schakelen. Als je de bovenste drukschakelaar even indrukt, wordt de uitgang van de geheugencel hoog en daarmee wordt de ingang aan/uit van de teller hoog (of 1). De teller gaat nu tellen en uitgang 1 van de teller wordt afwisselend hoog (1) en laag (0). De led knippert. Druk je de onderste drukschakelaar even in, dan wordt de uitgang van de geheugencel laag en dus ook de ingang aan/uit van de teller. De teller stopt nu met tellen en de uitgang 1 van de teller blijft op de 1 of 0 staan. De led stopt met knipperen.

drukschakelaars

geheugencel set

M

reset

pulsgenerator

teller telpulsen 8

1 10 Hz aan/uit reset

4 2 1

Figuur 28  Schema voor een knipperlicht

led




Begrijpen 3 Automaten bouwen Technische automatisering

A

20

Met de ingang reset kan de teller op nul gezet worden door een hoog signaal. Dat betekent ook dat zolang het signaal op de reset hoog is, de teller op nul blijft staan. Dat is een handige manier om het tellen op nul te laten starten. Het tellen begint pas zodra het signaal op de reset laag wordt. B Een

pulsenteller kan tijdpulsen of een aantal gebeurtenissen tellen.

26  Waar of niet waar? Verbeter de onjuiste uitspraken. a b c d e f g h i j k

Een sensor wordt vrijwel altijd aangesloten op een comparator. Een comparator zet een binair signaal om in een continu signaal. Een invertor zet een binair signaal om in een continu signaal. De uitgang van een EN-poort is alleen laag als beide ingangen laag zijn. De uitgang van een OF-poort is alleen hoog als beide ingangen hoog zijn. De uitgang van een geheugencel springt van hoog naar laag als de set laag is en de reset hoog wordt. De uitgang van een geheugencel springt van laag naar hoog op het moment dat de set van hoog naar laag gaat. Als de ingang aan/uit van de teller laag is, staat de teller stil. Als de ingang reset van de teller hoog is, blijft de teller op nul staan. Met een pulsgenerator en een teller kun je een klok bouwen. Een invertor na een EN-poort verandert deze in een OF-poort.

27  Een systeem heeft vaak twee of meer sensoren. Elke sensor wordt via een comparator aangesloten op het verwerkingsdeel van het systeem. a Leg uit waarom elke sensor een eigen comparator moet hebben. b Met welke componenten van het systeembord kunnen twee signalen gecombineerd worden? c Leg uit waarom twee signalen niet rechtstreeks met elkaar gecombineerd mogen worden op één ingang, terwijl het wel mogelijk is om één signaal op twee ingangen aan te sluiten.

28  Een systeem gebruikt drie (sensor)signalen. Alleen als alle drie de signalen hoog zijn, moet de uitgang van het verwerkingsdeel hoog worden. a Teken een schakeling met twee poorten waarmee aan die eis voldaan wordt. b Hoe zou je dit systeem kunnen aanpassen, zodat de uitgang alleen hoog wordt als sensor 1 hoog is én de sensoren 2 en 3 allebei laag? Gebruik alleen invertors voor de aanpassing. c Hoe zou je het systeem kunnen aanpassen, zodat de uitgang alleen laag is als alle drie de signalen laag zijn? Gebruik alleen invertors.

pulsgenerator

29  In figuur 29 zie je een schakeling met een teller en een pulsgenerator.

teller telpulsen 8

1 10 Hz aan/uit reset

4 2 1

Figuur 29  Schakeling met teller en pulsgenerator

De pulsgenerator is ingesteld op 1 Hz. a Wat gebeurt er zodra de teller op 8 springt? b Gaat de teller daarna verder met tellen of niet? Leg uit. c Leg uit dat deze teller acht verschillende waarden laat zien. Welke zijn dat? d Op welke uitgang moet je een led aansluiten, zodat de led afwisselend 4 s aan en 4 s uit is? e Op welke tijden gaat de led branden als je hem aansluit op uitgang 2?


21

A

Technische automatisering 3 Automaten bouwen Beheersen

30  Een roltrap moet stoppen als er 8 s lang geen persoon een lichtsensor passeert. Bedenk welke verwerkers je daarbij nodig hebt. Je hoeft geen schema of schakeling te maken!

BEHEERSEN Schakelingen bouwen Bij het bouwen van een automatisch systeem wordt meestal een lijst van taken opgesteld. Een dergelijke lijst is een gedetailleerde beschrijving van wat het systeem in allerlei verschillende omstandigheden moet doen. De systemen in dit hoofdstuk zijn tamelijk eenvoudig, maar toch is het ook daarbij handig te noteren welke taken het systeem moet uitvoeren. Bij elke taak horen componenten uit het verwerkingsdeel. In het schema van figuur 30 taan enkele veelgebruikte taken en de bijbehorende componenten. Taak

Verwerker(s)

Een apparaat aan of uit schakelen bij een bepaalde waarde van een grootheid.

sensor + comparator

Een signaal geven als aan een combinatie van twee of meer voorwaarden is voldaan.

EN-poorten en/of OF-poorten

Onthouden of een signaal hoog is geweest.

geheugencel

Onthouden of een signaal laag is geweest.

invertor en geheugencel

Een signaal geven na een bepaalde tijd of op bepaalde tijdstippen.

een schakelklok, dus teller + pulsgenerator

Tellen hoe vaak iets gebeurd is.

teller

Figuur 30

Schakelingen controleren Een ontwerp van een schakeling moet gecontroleerd worden. Dat kan door het systeem te bouwen met het systeembord, of met een schakeling op papier. Bij een schakeling op papier kun je signalen weergeven met een 0 of een 1 bij de desbetreffende verbinding. Op die manier kun je nagaan wat het systeem doet bij verschillende combinaties van signalen. In figuur 32 is een voorbeeld gegeven van de situatie waarbij de bestuurder wel in de auto zit, maar de gordel nog niet om heeft. De snelheid is nog lager dan 30 km/h. Het controlelampje brandt, maar het alarm gaat nog niet af. Dit klopt dus met de gewenste werking. De schakeling van figuur 32 kun je niet met elk systeembord ­controleren, omdat er in sommige systeemborden van elke soort verwerker maar één exemplaar zit. Je kunt dan twee systeemborden parallel schakelen door met een enkel snoer een zwarte stekkerbus van het ene systeembord te verbinden met een zwarte stekkerbus van het andere bord (zie ook figuur 3).




Beheersen 3 Automaten bouwen Technische automatisering

stoelschakelaar

Uref

gordelschakelaar

& controlelampje

snelheidssensor

alarm

&

Figuur 31  Onderdelen van een beveiligingssysteem voor de autogordel

1

1

stoelschakelaar

1 0

controlelampje

1

1

gordelschakelaar

1

&

1 snelheidssensor

0

+ –

0

0

&

22

V E I L I G I N D E AU TO G O R D E L S

+ –

1

A

alarm

Uref

Figuur 32  Voorbeeld van het controleren van de werking van een schakeling

In een auto is een systeem ingebouwd dat waarschuwt als de bestuurder zijn gordel niet om heeft. Het systeem heeft drie sensoren: een sensor die een hoog signaal geeft als de bestuurder in de stoel zit, een sensor die een hoog signaal geeft als de gordel in de houder zit en een sensor die een hoog signaal geeft als de snelheid boven 30 km/h komt. Verder heeft het systeem als uitvoer een waarschuwingslampje en een geluidssignaal. Het lampje gaat branden, zodra de bestuurder in de stoel zit en de gordel niet om heeft. Het geluidssignaal gaat klinken als bovendien de snelheid groter is dan 30 km/h. De lijst van taken ziet er dan als volgt uit: E De lamp gaat alleen branden als: – het signaal van de stoel hoog is; – het signaal van de gordelhouder laag is. Hiervoor zijn een EN-poort en een invertor nodig. E Het geluidssignaal gaat klinken als: – het signaal van de stoel hoog is; – het signaal van de gordelhouder laag is; – de snelheid hoger is dan 30 km/h. Het signaal van het eerste deel van de schakeling (voor de lamp) moet gecombineerd worden (via een EN-poort) met het signaal van de snelheidssensor via een comparator die op de juiste waarde is ingesteld. In figuur 32 zie je de onderdelen samengevoegd tot een schakeling.

De teller gebruiken als schakelklok set

M

reset

rood licht auto’s 1 groen licht voetgangers pulsgenerator

teller telpulsen 8

1 10 Hz aan/uit reset

4 2

&

1

Figuur 33  Met een teller kun je een schakelklok bouwen.

Een schakelklok is een schakeling waarbij in vaste tijdsintervallen bepaalde handelingen worden uitgevoerd. Bijvoorbeeld: op tijdstip t = 0 druk je op de knop bij een oversteekplaats. Op t = 4 s springt het verkeerslicht voor de auto’s op rood, op t = 6 s springt het voetgangerslicht op groen. En op t = 8 s gaan beide lichten weer uit. Dit systeem kun je splitsen in twee delen: E Het eerste deel zorgt ervoor dat de klok start (vanaf nul), zodra je de knop indrukt. In figuur 33 is dat gerealiseerd met een geheugencel en een invertor. Als je de knop nog niet hebt ingedrukt, is de uitgang van het geheugen laag. Dat signaal wordt door de invertor hoog en dus is het signaal op de reset van de teller hoog. De teller wordt daardoor op nul gehouden. Zodra je de knop indrukt, gaat de teller lopen totdat de geheugencel gereset wordt. E Het tweede deel van de schakeling wordt gestuurd door de uitgangen van de teller. Op t = 4 s is uitgang 4 voor het eerst hoog, waardoor het rode licht voor de auto’s gaat branden. Op t = 6 s zijn de uitgangen 2 en 4 voor het eerst allebei hoog. De uitgang van de EN-poort wordt dan ook hoog en het groene licht voor de voetgangers gaat branden. Op t = 8 s wordt de geheugencel gereset, en daardoor wordt ook de teller op nul gezet. De lichten gaan dan allebei weer uit.


23

A

Technische automatisering 3 Automaten bouwen Beheersen

31  De paragraafvraagvraag was: Hoe bouw je een automatisch systeem? Wat is het antwoord op deze vraag?

32  Een alarmsysteem bestaat uit een sensor en een alarm, dat moet afgaan 4 s nadat het sensorsignaal (even) hoog genoeg is geweest. Binnen 4 s kan het alarm door een gebruiker worden uitgezet. a Welke taken uit het eerder vermelde takenschema horen bij deze situatie? b Noem drie componenten die in deze schakeling zitten. c Maak een tekening van de schakeling.

33  Het verwarmingselement van een warmwaterboiler moet ervoor zorgen dat het water op een temperatuur blijft van minstens 40 °C maar maximaal 50 °C. Dat kan gerealiseerd worden met de schakeling van figuur 34. a Welke taken uit het takenschema horen bij deze situatie? Voor de componenten X en Y moet een invertor en/of een geheugencel gebruikt worden. b Leg uit welke verwerkers op de plaatsen X en Y zijn gebruikt en op welke watertemperatuur de temperatuursensoren 1 en 2 ingesteld moeten worden.

34  T In figuur 35 zie je een schakeling met drie drukschakelaars S1, S2 en S3, twee EN-poorten en een led. a Neem de figuur over of gebruik het tekenblad. Controleer de schakeling door enen en nullen te tekenen bij de volgende situatie: S​  ​​ 1​​​ = 1, S2 = 0 en S3 = 1. Kijk eerst goed naar het voorbeeld van figuur 32. b Hoe werkt deze schakeling? Geef een omschrijving in de vorm: alleen als ...... zal ...... c Teken nu een schakeling met drie schakelaars en een led, waarbij de led alleen brandt als alle schakelaars op 0 staan.

35  T In figuur 36 zie je een schakeling met twee drukschakelaars, vier verwerkers en een led. a Neem de figuur over of gebruik het tekenblad. Controleer de schakeling door enen en nullen te tekenen bij de volgende situatie: S1= 0 en S2 = 0. Kijk eerst goed naar het voorbeeld van figuur 32. b Wat verandert er als S1 = 1? c Maak een waarheidstabel die een complete beschrijving geeft van het systeem. d Geef een omschrijving van deze schakeling in de vorm: alleen als ...... zal ......

temperatuursensor  + –

X

Y

warmwaterboiler

Uref temperatuursensor  + –

Uref

Figuur 34  Zonwering S1 S2

&

S3

&

Figuur 35 S1 S2

≥1

& &

Figuur 36

1




Beheersen 3 Automaten bouwen Technische automatisering

A

36  In een toilet hangt een handendroger, die als volgt moet werken: Als je je handen eronder houdt, begint hij na 2 s warme lucht te blazen. Na 6 s blazen stopt hij vanzelf. B 4 s later begint de droger weer te blazen, hij blaast weer 6 s, enzovoort. B Als je je handen wegtrekt, stopt de droger direct met blazen. B Als hij niet blaast terwijl je je handen wegtrekt, begint hij niet eerder te blazen dan dat er weer iemand zijn handen eronder steekt. Aan de onderzijde van de droger zit een infrarood lichtsensor. Wanneer die handen detecteert, zakt de spanning van de sensor tot onder de 2,5 V. Geef voor elk van de plaatsen A, B en C in figuur 37 aan welke van de volgende onderdelen op die plaats gekozen moet worden om de droger zoals beschreven te laten werken. Kies uit: 1 doorverbinding (draadje) 2 EN-poort 3 OF-poort 4 invertor 5 open laten, niet doorverbinden B B

pulsgenerator teller 1 10 Hz

lichtsensor + –

Uref

telpulsen 8

A

aan/uit

B

reset

Figuur 37  Handendroger

4 2 1

blazer voor warme lucht C

37  T Bij een oversteekplaats is een verkeerslicht voor voetgangers, dat ­normaal gesproken op rood staat. Met een drukschakelaar kan een ­voetganger ervoor zorgen dat voor het overige verkeer een rood licht gaat branden en hij/zij na enige tijd groen licht krijgt. In figuur 38 is het schakelschema getekend zonder het (rode) licht voor het overige verkeer. set reset

teller

pulsgenerator 1 set reset

M2

10Hz

M1

reset

rood

groen

telpulsen 8 aan/uit

1

4 2 1

&

1

Figuur 38  Verkeerslicht a

b c d e f g

Neem figuur 38 over of gebruik het tekenblad. Geef met enen en nullen de volgende situatie aan: de schakelaar is kort ingedrukt geweest, de teller staat op 2. Leg uit of de teller in deze situatie loopt. Wat verandert er aan de lampjes als de teller op 3 springt? Hoe lang blijft het licht op groen staan? Welke waarde krijgt de teller als geheugencel M1 gereset wordt? Leg uit waarom dat nodig is. Leg uit dat de verbindingslijn tussen de uitgang van M1 en de ingang A/U (aan/uit) van de teller ook weggelaten kan worden. Wat gebeurt er als de voetganger de schakelaar ingedrukt blijft houden? Blijft het licht dan op groen staan? Hoe lang duren dan ‘rood’ en ‘groen’?

24


25

A

Technische automatisering 3 Automaten bouwen Beheersen

Het overige verkeer krijgt rood licht op het moment dat de schakelaar ingedrukt wordt. Dat licht gaat weer uit als het voetgangerslicht op rood springt. h Vul het schema in figuur 38 aan met het rode licht voor het overige verkeer en de benodigde verwerkers. Teken ook de benodigde verbindingen. i Leg uit wat er bij deze oversteekplaats nog aan mankeert om de voetgangers veilig over te kunnen laten steken. (Je hoeft dat niet te realiseren in figuur 38.)

38  T Een bepaalde luchtverfrisser bestaat uit een houder die je in het stopcon-

temperatuursensor

+ –

Uref = …V

luchtverfrisser

Figuur 39  Elektrische luchtverfrisser sensorspanning U (V)

tact kunt steken. In deze houder zit een flesje met geurvloeistof (zie figuur 39). Met een verwarmingselement kan het bovenste deel van het flesje verwarmd worden, waardoor de geurvloeistof snel verdampt. Een automatisch systeem regelt dat het verwarmingselement alleen aan of uit gaat onder de volgende voorwaarden: 1  De luchtverfrisser wordt uitgeschakeld als de kamertemperatuur lager is dan 16 °C en weer ingeschakeld als de temperatuur hoger is dan 20 °C. 2  De luchtverfrisser moet uitgeschakeld zijn, als het raam in de kamer open staat. Een drukschakelaar in het venster geeft dan een laag signaal. De ijkgrafiek van deze temperatuursensor staat in figuur 40. Als er een hoog signaal naar de luchtverfrisser gaat, staat het verwarmingselement aan. Een deel van de schakeling is getekend in figuur 41.

6

4

2 + – drukschakelaar

Figuur 41  Luchtverfrisser a b c d e

0

Uref = …V

Bepaal de gevoeligheid van de temperatuursensor. Lees in de ijkgrafiek de twee waarden voor de referentiespanning af. Leg uit dat er een invertor én een geheugencel nodig zijn. Neem de figuur over of gebruik het tekenblad. Teken een schakeling waarmee aan voorwaarde 1 voldaan wordt. Maak de schakeling compleet.

10

20

30 40 50 temperatuur T (°C)

Figuur 40  IJkgrafiek van de temperatuursensor

1 invoer X

0

1 invoer Y

0

39  Met behulp van een EN-poort of OF-poort en een invertor kun je van twee ingangssignalen X en Y één uitgangssignaal Z maken. De signalen zijn in figuur 42 getekend. Teken de schakeling met de juiste poort en de invertor. Je kunt als hulpmiddel eerst een waarheidstabel maken.

0

1 uitvoer Z

0

Figuur 42  Welke poort?




Beheersen 3 Automaten bouwen Technische automatisering

A

40  T Tijdens een vergadering is er een microfoon op de tafel van de voorzitter en

led spreker spreker &

led voorzitter voorzitter

1

Figuur 43  De voorzitter gaat voor.

zijn er enkele microfoons in de zaal als interruptiemicrofoon. Om bij dreigende chaos of ruzie in te kunnen grijpen heeft de voorzitter een microfoon die altijd voorrang heeft. Wanneer hij zijn knop indrukt, worden alle andere microfoons uitgeschakeld. Via een led moet een spreker of de voorzitter kunnen zien welke microfoon ingeschakeld is. Als er geen knop is ingedrukt, mag er ook geen led branden. a Teken de complete schakeling en gebruik daarbij de componenten uit figuur 43. Je kunt ook gebruikmaken van het tekenblad. b Probeer de schakeling uit op een systeembord.

41  T Sommige roltrappen draaien continu, maar dat is vaak niet nodig. Om iemand naar de volgende verdieping te brengen is 6 s nodig. Als er niemand omhoog wil, kan de roltrap stilstaan. Je moet een schakeling ontwerpen die ervoor zorgt dat de roltrap: B 8 s draait nadat iemand een lichtsluis aan het begin van de trap passeert; B door blijft draaien (en opnieuw begint met tellen) als er binnen die 8 s een tweede persoon de lichtsluis passeert; B voor een tweede, derde of … persoon weer 8 s draait. Teken een schakeling die aan deze eisen voldoet en gebruik daarbij de componenten uit figuur 44. Je kunt ook gebruikmaken van het tekenblad. De led brandt als de motor draait. lichtsensor

set

+ –

Uref

1

M

reset

teller telpulsen 8

pulsgenerator 1 10 Hz

aan/uit reset

4 2 1

Figuur 44  Energiezuinige roltrap

42  Bij een speciale tentoonstelling mogen niet meer dan 8 bezoekers in een ruimte zijn. Als er 8 geteld zijn, gaat er een lamp branden (en de deur dicht). Via een drukknop kan een nieuwe groep van 8 binnenkomen. a Ontwerp een schakeling die aan deze eisen voldoet. b Hoe kun je de schakeling van de vorige vraag aanpassen als er niet 8 maar 9 bezoekers naar binnen mogen?

26


27

4

A

Technische automatisering

Verdieping

Binair tellen Een binair signaal kent slechts twee waarden: 0 of 1. Met een combinatie van binaire signalen kan een code gemaakt worden die veel meer waarden kent. Het ­systeembord heeft een teller die als uitgang vier binaire signalen heeft. Met vier binaire signalen krijgt elk getal van 0 t/m 15 een eigen binaire code (zie figuur 45). De code wordt weergegeven door nullen en/of enen die elk een eigen waarde voorstellen: 8, 4, 2 of 1. De code 0111 staat voor het getal 7, omdat er een 1 staat bij de waarden 4, 2 en 1.

Decimale en binaire code Het weergeven van getallen in het binaire (tweetallige) stelsel is vergelijkbaar met de manier waarop we getallen weergeven in het decimale (tientallige) stelsel. In het decimale stelsel bepaalt de positie van een cijfer in het getal met welke macht van 10 ­vermenigvuldigd moet worden. Een voorbeeld: het decimale getal 2305 is 2 ∙ 1000 + 3 ∙ 100 + 0 ∙ 10 + 5 ∙ 1. Dat is hetzelfde als 2 ∙ 103 + 3 ∙ 102 + 0 ∙ 101 + 5 ∙ 100. Een decimaal getal is dus ook een soort ’code’, maar met machten van 10. Van rechts naar links in het decimale getal wordt het cijfer met een steeds hogere macht van 10 vermenigvuldigd, te beginnen (rechts) met 100. In het binaire stelsel wordt vermenigvuldigd met machten van 2. De binaire code van het decimale getal 7 is 0111 = 0 ∙ 23 + 1 ∙ 22 + 1 ∙ 21 + 1 ∙ 20. De waarden bij de teller op het systeembord zijn 8, 4, 2 en 1 (zie figuur 46). Dat zijn precies de machten van 2. In de tabel van figuur 45 staat de binaire weergave van de decimale getallen 0 t/m 15. Een binaire code met vier posities heet een 4-bits code. Een binair getal kan bijvoorbeeld ook 8 bits, 16 bits of 32 bits zijn. Bij 8 bits is de codering als volgt: 27 – 26 – 25 – 24 – 23 – 22 – 21 – 20, ofwel 128 – 64 – 32 – 16 – 8 – 4 – 2 – 1. Het grootste getal dat met 8 bits geschreven kan worden is 255, het kleinste is uiteraard 0. In totaal zijn dat 256 verschillende getallen, precies 28. In het algemeen kan een binair getal met n posities 2n verschillende waarden aangeven. 8 2³ decimaal binair 0 0 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 1 8 1 9 1 10 1 11 1 12 1 13 1 14 15 1

4 2²

2 2¹

1 2⁰

0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1

0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1

0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1

Figuur 45  Van decimaal naar binair


 4 Verdieping Technische automatisering

A

28

Binaire teller tel pulsen

Hz

8 4

A/U

2 1

Reset

De teller op het systeembord geeft het telresultaat ook binair weer op de vier uitgangen. De code wordt zichtbaar door het aansluiten van een led op elk van de vier ­uitgangen. Een oplichtende led betekent een binaire 1, een niet-oplichtende led een binaire 0. In figuur 46 zie je de binaire weergave van een telresultaat. De leds op de 4-, 2- en 1-­uitgang lichten op, de led op de 8-uitgang licht niet op. De binaire weergave van het telresultaat is dan 0111. Het decimale telresultaat kun je nu berekenen: 0 ∙ 23 + 1 ∙ 22 + 1 ∙ 21 + 1 ∙ 20 = 0 + 4 + 2 + 1 = 7 (decimaal).

Figuur 46  Binaire teller

43  Geef de decimale waarde van de volgende twee binaire getallen. a b c

11101 10111101 Bepaal de maximale decimale waarde die een 10-bitsteller kan weergeven.

44  Een decimaal getal kan omgerekend worden naar een binair getal. a b c

Waarom kan 102 geen binair getal zijn? Geef het binaire getal voor het getal 102. Hoeveel bits zijn nodig om het decimale getal 500 binair te schrijven?


29

5

A

Technische automatisering 5 Afsluiting

Afsluiting HOOFDSTUKVRAAG EN SAMENVATTING

45  De hoofdstukvraag was: Hoe werken automatische systemen en hoe bouw je zelf een automatisch systeem? Geef een uitgebreid en compleet antwoord op deze vraag.

Begrippenkaart Ga na of je van elk begrip goed weet wat het betekent. Samenvatting Bestudeer de samenvatting.

46  Maak een samenvatting van dit hoofdstuk door antwoord te geven op de volDiagnostische toets Test je kennis over dit katern.

gende vragen. a Hoe is een automatisch systeem opgebouwd? b Wat verstaan we onder het meetbereik van een sensor? c Wat verstaan we onder de gevoeligheid van een sensor? d Wat is het verschil tussen een continu en een binair signaal? e Wat is de functie van een comparator? f Hoe combineren een EN- en een OF-poort twee signalen? g Hoe kan een signaal worden onthouden? h Wat is de functie van een invertor? i Welke twee functies kan een pulsenteller hebben?

EINDOPGAVEN verhit, een ventilator voor het verspreiden van de hete lucht. In de oven zit een temperatuursensor. In figuur 47 staat het ijkdiagram van de sensor. In figuur 48 zie je het deel van de schakeling waarmee het in en uit ­schakelen van het ­verwarmingselement geregeld wordt. De oven is koud. Door de druk­schakelaar ‘aan’ even in te drukken wordt het verwarmingselement in­geschakeld. Het gaat weer uit als de oven de ingestelde temperatuur bereikt heeft. Met de drukschakelaar ‘uit’ kun je het verwarmingselement op elk gewenst moment uitzetten. In figuur 48 zijn de punten A, B, C, D, E en F aangegeven. In de tabel van figuur 49 moet drie keer worden ingevuld of het signaal in de punten A tot en met F laag (0) of hoog (1) is. a Vul bij A tot en met F de juiste waarden in. Tijdstip direct vóór het indrukken tijdens het ­indrukken direct ná het indrukken Figuur 49

A

B

C

D

E

sensorspanning U (V)

47  T In een heteluchtoven zit behalve een verwarmingselement dat de lucht

5 4 3 2 1 0

0

50

100

150

200 250 300 temperatuur T (°C)

Figuur 47  Ijkdiagram

F temperatuursensor + –

D

1

E &

Uref = 3,0V aan drukschakelaars verw.element uit

Figuur 48

A

B

set reset

M

C

F naar verwarmingselement




5 Afsluiting Technische automatisering

aan drukschakelaars grill naar grill uit

temperatuursensor + –

1

&

Uref = 3,0V

naar verwarmingselement

aan set

drukschakelaars verw.element

M

reset

uit

Figuur 50  Schakelen van de grill

A

Wanneer de temperatuur in de oven de ingestelde temperatuur heeft bereikt, zorgt de schakeling ervoor dat die temperatuur gehandhaafd wordt. b Hoe hoog is de ingestelde temperatuur? c Leg uit hoe de schakeling ervoor zorgt dat die temperatuur gehandhaafd wordt. Vaak zit er in een oven nog een aparte grill. Die kan ook ingeschakeld worden om het opwarmen te versnellen. In figuur 50 is de (nog onvolledige) schakeling getekend waarmee ook het in en uit schakelen van de grill tijdens het opwarmen wordt geregeld. De schakeling moet aan de volgende eisen voldoen: B De grill wordt ingeschakeld door de drukschakelaar ‘aan’ van de grill even in te drukken. B Wanneer de temperatuur in de oven de ingestelde waarde heeft bereikt, zorgt de schakeling ervoor dat de grill blijvend wordt uitgeschakeld. In tegenstelling tot het verwarmingselement gaat de grill dus niet meer aan, als de temperatuur beneden de ingestelde waarde komt. B Door de drukschakelaar ‘uit’ van de grill even in te drukken kan de grill tussentijds uitgeschakeld worden. d Maak in de figuur op het tekenblad de schakeling compleet, zodat aan de hiervoor genoemde eisen is voldaan.

48  T Veel huishoudens gebruiken het koffiezetapparaat van figuur 51. Bij dit apparaat wordt heet water door een koffiepad (een zakje fijngemalen koffie) geperst. In het apparaat zit een temperatuursensor. In figuur 52 staat het ijkdiagram van deze sensor. a Bepaal de gevoeligheid van de sensor bij een temperatuur van 90 °C. Iemand wil een kop koffie zetten en zet het apparaat aan. Het verwarmings­ element begint dan het water in het reservoir te verhitten. Tegelijkertijd knippert er een rode led. Als het water een temperatuur van 95 °C heeft bereikt, wordt het verwarmingselement uitgeschakeld en gaat de led continu branden in plaats van knipperen. In figuur 53 staat de schakeling die dit regelt.

sensorspanning U (V)

Figuur 51

3,0 2,5

temperatuursensor

comparator

invertor

2,0

+ –

1,5

Uref = 2,0V

1

1,0

3 2 1

0,5 0,0

50

60

Figuur 52  IJkdiagram

70

80

90 100 110 120 temperatuur T (°C)

Figuur 53

OF-poort naar rode led

4 5 Hz

pulsgenerator

40

naar verwarmingselement

≥1

30


31

A

Technische automatisering 5 Afsluiting

Leg uit hoe de schakeling ervoor zorgt dat de led knippert zolang de temperatuur van het water lager is dan 95 °C. c Leg uit hoe de schakeling ervoor zorgt dat het verwarmingselement wordt uitgeschakeld als het water een temperatuur van 95 °C bereikt. d Leg uit hoe de schakeling ervoor zorgt dat de led continu gaat branden als het water een temperatuur van 95 °C bereikt. Je schakelt het pompje in door even op een drukschakelaar te drukken. Hierdoor perst het pompje gedurende 20 s heet water door de koffiepad. In figuur 54 staat een deel van de schakeling die hiervoor zorgt. e Gebruik de figuur op het tekenblad. Completeer de schakeling die het pompje op de juiste manier in en uit schakelt. Zorg ervoor dat de schakeling klaar staat voor het volgende kopje koffie, wanneer het pompje is uitgeschakeld. b

drukschakelaar

5V

pulsgenerator 3 2 1

4

naar pompje teller telpulsen 16

5 Hz

8 aan/uit

4 2

reset

1

Figuur 54  Schakeling van de pomp

49  T In een autowasstraat worden auto’s volautomatisch gewassen. De auto’s moeten hiervoor op de juiste plaats in de wasstraat staan. Een automatisch systeem zorgt voor de bediening van drie lampen met tekst, zodat de chauffeur de auto op de juiste plek kan zetten. B Als een auto de wasstraat binnenrijdt, brandt de lamp ‘vooruit’. B Als de auto op de juiste plaats staat, brandt de lamp ‘stop’. B Als de auto te ver doorrijdt, brandt de lamp ‘achteruit’. In figuur 56 is een deel van het automatische systeem getekend. Bij A en B staan sensoren waar licht opvalt. Deze lichtsensoren geven een hoog signaal als er veel licht opvalt en een laag signaal bij weinig licht. Als de auto de wasstraat binnenrijdt, is sensor A nog niet afgedekt en brandt de lamp ‘vooruit’. Als de auto sensor A afdekt, moet deze lamp uitgaan. a Leg uit dat de schakeling van figuur 56 aan deze eis voldoet. Als de auto de sensor bij B afdekt, moet de lamp ‘achteruit’ gaan branden. De sensor bij A blijft afgedekt. b Leg uit dat de schakeling in figuur 56 ook aan deze eis voldoet. Als de auto op de juiste plaats staat, moet alleen de lamp ‘stop’ branden. De sensor bij A is dan afgedekt, maar de sensor bij B niet. Als de auto te ver door zou rijden, moet de lamp ‘stop’ weer uitgaan. c Maak de schakeling van figuur 56 op het tekenblad compleet, zodat ook aan deze eisen is voldaan.

Figuur 55  Autowasstraat

1 licht

achteruit

B + –

licht

A

Uref

stop

+ –

Uref

Figuur 56

vooruit




A

5 Afsluiting Technische automatisering

50  T Boven veel snelwegen hangen matrixborden, zie figuur 57. Wanneer het druk wordt op de weg, zorgt een automatisch systeem ervoor dat op de ­borden de maximumsnelheid verschijnt waar de weggebruikers zich dan aan moeten houden. Het systeem maakt gebruik van sensoren in de weg. Als een auto over zo’n sensor rijdt, geeft deze even een hoog signaal af. Het ontwerp van een deel van het automatische systeem staat in figuur 58.

Figuur 57 Matrixborden

1384 Hz teller sensor 1

geheugencel set

M

reset

sensor 2

128 telpulsen 64 32 16 aan/uit 8 4 2 reset 1

P

Figuur 58

De sensoren in de weg liggen op een afstand van 1,0 m van elkaar. Op de teller is een pulsgenerator aangesloten die staat ingesteld op 1384 Hz. Als een auto met een bepaalde snelheid vk (de kritische snelheid) of met een lagere snelheid dan vk de twee sensoren passeert, wordt punt P eventjes hoog. a Leg dat uit. De schakeling wordt uitgebreid met nog een geheugencel en een teller. Op deze teller is een pulsgenerator aangesloten die staat ingesteld op 1,0 Hz. Zie de (onvolledige) schakeling in figuur 59.

1384 Hz teller sensor 1

geheugencel set

M

reset

sensor 2

128 telpulsen 64 32 16 aan/uit 8 4 2 reset 1

P

geheugencel set reset

teller

1,0 Hz

telpulsen 16 8 aan/uit reset

Figuur 59

4 2 1

M

naar borden

32


33

A

Technische automatisering 5 Afsluiting

Door enkele verbindingsdraden aan te leggen, moet de schakeling voldoen aan de volgende eisen: B Als een auto de twee sensoren met een snelheid vk of lager passeert, wordt de uitgang van de tweede geheugencel hoog (op de borden verschijnt dan het getal 70). B Deze situatie blijft gehandhaafd zolang er auto’s passeren met snelheid vk of lager. B Als er gedurende 4,0 s geen auto’s passeren of als er in die 4,0 s alleen auto’s passeren die sneller rijden dan vk, wordt de uitgang van de tweede geheugencel laag (en verdwijnt het getal 70). b Breng in de schakeling op het tekenblad verbindingsdraden aan, zodat aan deze eisen wordt voldaan.


Leerdoelen Technische automatisering

A

Leerdoelen Ga voor jezelf na of je de leerdoelen al hebt bereikt. Vink de leerdoelen die je hebt bereikt af en geef aan wat je gaat doen met de uitleg en opdrachten waarmee je nog moeite hebt.

PA R AG R A A F 1 I N T RO D U C T I E Ik kan de volgende begrippen beschrijven en ­toepassen: invoer, verwerking, uitvoer, sensor, verwerker, ­actuator.

Acties ™

uitleggen dat een automatisch systeem is ­opgebouwd uit drie onderdelen: invoer, verwerking ™ en uitvoer.

PA R AG R A A F 2 S E N S O R E N E N S I G N A L E N Ik kan

Acties

de volgende begrippen beschrijven en ­toepassen: sensor, ijkdiagram, meetbereik, gevoeligheid, ­continu signaal, binair signaal, sensorschakeling, NTC-weerstand, LDR, rekstrookje.

™

uitleggen dat een sensor de waarde van een ­grootheid omzet in een elektrische spanning.

™

in een ijkdiagram het meetbereik van een sensor aflezen.

™

uit een ijkdiagram de gevoeligheid van een sensor bepalen.

™

een sensorschakeling tekenen voor een sensor waarvan de weerstand afhangt van de gemeten grootheid.

™

uitleggen hoe het sensorsignaal van een sensorschakeling verandert als de gemeten grootheid ­verandert.

™

het sensorsignaal van een sensorschakeling ­berekenen.

™


A

Technische automatisering Leerdoelen

PA R AG R A A F 3 AU TO M AT E N B O U W E N Ik kan

Acties

de volgende begrippen beschrijven en toepassen: comparator, referentiespanning, invertor, EN-poort, ™ OF-poort, geheugencel, pulsenteller, pulsgenerator, schakelklok. de tekensymbolen van een comparator, ­invertor, EN-poort, OF-poort, geheugencel, ­pulsenteller en pulsgenerator in de schakeling van een ­automatisch systeem herkennen.

™

een waarheidstabel gebruiken om de werking van de schakeling van een automatisch systeem (of onderdelen van zo’n schakeling) te controleren.

™

een gegeven schakeling van een automatisch ­systeem controleren op de uitvoering van de ­gegeven taak.

™

een gedeeltelijk gegeven schakeling van een automatisch systeem aanvullen met de geschikte component(en).

™

bij een gegeven taak de schakeling van een ­automatisch systeem ontwerpen en controleren.

™

een gegeven of zelf ontworpen schakeling van een automatisch systeem bouwen op het systeembord (of in een computersimulatie) en de uitvoering van de taak controleren.

™


Profile for ThiemeMeulenhoff

Newton havo keuzekatern 2 (Technische automatisering)  

Newton keuzekatern 2 (Technische automatisering)

Newton havo keuzekatern 2 (Technische automatisering)  

Newton keuzekatern 2 (Technische automatisering)

Recommendations could not be loaded

Recommendations could not be loaded

Recommendations could not be loaded

Recommendations could not be loaded