natuurkunde samenvatting hoofdstuk 8 (klas 5) - Isis

Samenvatting natuurkunde hoofdstuk 8

Blokschema is de manier waarop een apparaat een algemene taak uitvoert:
●invoerblok – het heeft als taak het waarnemen. Een sensor meet een grootheid en zet het meetresultaat om in een elektrische spanning.
●verwerkingsblok – het heeft als taak het verwerken van de gegevens uit het invoerblok. De standaardbouwstenen in dit blok zijn elektrische schakelingen. Het geeft instructies voor het uitvoerblok. Dit is ook gegeven in een spanning. Er zijn schakelingen voor verschillende verwerkingstaken zoals vergelijken, tellen en onthouden.
●uitvoerblok – het heeft als taak het handelen op basis van de instructies uit het verwerkingsblok. De standaardbakstenen zijn de actuators, zoals een motor, alarmbel, lamp. Het reageert (door uit of aan) op de instructies.

Het invoerblok en het verwerkingsblok van een automaat zijn aan elkaar gekoppeld. De verbinding hiertussen geeft het sensorsignaal weer. De sensor meet een grootheid en zet het meetresultaat om in een elektrische spanning: de sensorspanning. Het verband tussen de waarde en de sensorspanning is meestal weergeven in een ijkdiagram (zoals I en U).
De waarde van de gemeten grootheid veranderd meestal in de loop van de tijd. Een voorbeeld is de lichtintensiteit; overdag is het hoog en ’s nachts laag. Dan verandert dus de sensorspanning van de lichtsensor in de loop van de tijd; overdag is die hoog en ’s nachts laag.  Dit is een voorbeeld van een elektrisch signaal. 

Stuursignaal
Het verwerkingsblok en uitvoerblok zitten ook aan elkaar vast. De verbinding tussen hen geeft het stuursignaal door. De sensor stuurt een sensorsignaal Ss naar het verwerkingsblok van de automaat(/apparaat). Een elektronische schakeling zorgt daar voor verwerking van het sensorsignaal. Het resultaat is een steeds veranderende spanning. Dit signaal gaat naar het uitvoerblok voor het in- of uitschakelen van de actuator; de lampen van de straatverlichting. Dat signaal noemen we het stuursignaal Sa.
Een stuursignaal zet meestal een actuator aan of uit. De spanning verandert dan stapsgewijs. Die spanning heeft dan maar twee waarden: wel en geen spanning. Zo’n stuursignaal noemen we een binair (‘tweewaardig’) signaal. De twee waarden noemen we hoog en laag of 1 en 10.

Automaten
Er zijn drie soorten automaten: meetsystemen, stuursystemen en regelsystemen. Deze drie zijn ruwweg op dezelfde manier opgebouwd uit een invoerblok met een sensor, een verwerkingsblok en een uitvoerblok met actuators. Het verschil zit in de taak die ze uitvoeren.
 Meetsystemen: taak is het meten van een grootheid, zoals de temp of lichtintensiteit. De sensor in het invoerblok meet een grootheid en zet het meetresultaat om in een sensorsignaal. Het verwerkingsblok vergelijkt het sensorsignaal met de in het geheugen opgeslagen ijktabel; het verband tussen het sensorsignaal en de grootheid; een soort elektronisch ijkdiagram van de sensor. De ijktabel moet vooraf in het systeem worden ingevoerd. Het stuursignaal naar het uitvoerblok is bedoeld voor het weergeven van het meetresultaat. Het meetresultaat kan analoog of digitaal worden weergeven. 

Stuursysteem: taak is het uitvoeren van een handeling zoals het openen van een deur of het laten rinkelen van een deurbel. Het sensorsignaal van een lichtsensor wordt vergeleken met een ingestelde drempelwaarde. Als het sensorsignaal lager is dan die drempelwaarde, wordt de verlichting ingeschakeld. Andere voorbeelden: rookmelder, inbraakalarm.
Bij een stuursysteem hangt het wel of niet handelen af van één of meer sensorsignalen. De verwerking van die signalen kan bestaan uit het vergelijken met een drempelwaarde, het combineren van twee sensorsignalen. Het stuursignaal naar het uitvoerblok is nu niet bedoeld voor het weergeven van de meetresultaten, maar voor het in- en uitschakelen van een actuator zoals een motor, bel of lamp.

Regelsysteem: taak is het op een bepaalde waarde houden van een grootheid, zoals de temperatuur in de woonkamer. Het sensorsignaal van een temperatuursensor wordt voortdurend vergeleken met een ingestelde drempelwaarde. Die drempelwaarde komt overeen met een ingestelde, gewenste temperatuur. T < drempelwaarde gaat de verwarming aan totdat T > drempelwaarde. Door het voortdurend in- en uitschakelen schommelt de temperatuur rond de ingestelde waarde.
In het verwerkingsblok wordt het sensorsignaal voortdurend vergeleken met een ingestelde drempelwaarde, en wordt het verschil bepaald. Het stuursignaal naar het uitvoerblok zoorgt voor het verkleinen van dat verschil door het in- of uitschakelen van de actuator.  De sensor neemt het resultaat van die actie waar, waarna de cyclus zich herhaalt: vergelijken, verschil bepalen en actie ondernemen. Dit is terugkoppeling.

De overeenkomst tussen een stuursysteem en een regelsysteem is dat het stuursignaal naar het uitvoerblok bedoeld is voor het in- en uitschakelen van een actuator. Bij een stuursysteem is het daarmee afgelopen: het resultaat wordt niet waargenomen.  Bij een regelsysteem is dat anders: het resultaat wordt voortdurend door de sensor in het invoerblok waargenomen, en zo nodig wordt er opnieuw actie ondernomen.
Veel automaten werken met elektrische signalen. Er bestaan een groot aantal standaardbouwstenen voor het invoer-, verwerkings- en uitvoerblok van een automaat.

Invoerblok: De standaardbouwstenen zijn de sensors. De keuze van de sensor berust op de grootheid waarop het automaat moet reageren, zoals temp, druk, kracht. Voor het ontwerpen moeten de sensoreigenschappen bekend zijn. De eigenschappen zijn af te lezen uit het ijkdiagram. Het ijkdiagram geeft informatie over de gevoeligheid, meetbereik en nauwkeurigheid:

·         Gevoeligheid: geeft aan hoe sterk de sensorspanning verandert bij een verandering van de grootheid. Bij een sensor met een grotere gevoeligheid zal de lijn in het ijkdiagram steiler lopen. Het is dus de richtingscoëfficiënt.

·         Meetbereik: geeft aan binnen welke twee grenzen de te meten grootheid moet liggen om met betrouwbare gegevens te komen. Buiten dit gebied is de sensor niet bruikbaar.

·         Nauwkeurigheid: geeft aan hoe groot de afwijking van het ijkdiagram kan zijn bij een willekeurige sensor van dit type. Het is namelijk een gemiddelde van een groot aantal sensors van hetzelfde type. Een nauwkeurigheid van 5% betekent dat de gevoeligheid en het meetbereik van een willekeurige sensor 5% groter of kleiner kunnen zijn dan het meegeleverde ijkdiagram weergeeft.

Uitvoerblok: Standaardbouwstenen zijn de actuators, zoals een signaallampje of een zoemer. Ze hebben een klein elektrisch vermogen, zodat het stuursignaal ze rechtstreeks kan in- en uitschakelen. Hier is een andere standaardbouwsteen voor nodig: het relais. Dit is een schakelaar die door het stuursignaal kan worden geopend of gesloten. Een hoog stuursignaal Sa (spanning) op de ingang van het relais veroorzaakt een stroom in de spoel. De spoel werkt dan als een elektromagneet: het ijzeren plaatje wordt aangetrokken, de schakelaar wordt gesloten en de motor gaat draaien. Als de spanning laag wordt (het stuursignaal Sa) trekt de veer het ijzeren plaatje terug en wordt de schakelaar geopend. De stroom is uit.
Het stuursignaal bevat alleen maar instructies voor het uitvoerenblok: wel of niet schakelen. Een hoog stuursignaal op de ingang van de relais zorgt voor een kleine stroom door de spoel. Zo’n kleine stroom is voldoende om de schakelaar te sluiten. Door het sluiten van de schakelaar kan er een grote stroom door de motor of de lamp lopen. Het elektrisch vermogen van het stuursignaal is te klein om het apparaat te laten draaien.

Verwerkingsblok: Standaardbakstenen zijn elektronische schakelingen zoals de comparator, EN-poort, OF-poort,invertor, geheugencel en teller.

●Comparator: Het maakt van een continue ingangssignaal (sensorsignaal) een binair uitgangssignaal. Het heeft twee ingangen en één uitgang en ziet eruit als een driehoek. Op de plus ingang (boven) wordt het continue sensorsignaal S1 aangesloten. Op de minuitgang staat het referentiesignaal Sref: een regelbare spanning. Hiermee stel je met een draaiknop in bij welke waarde van de sensorspanning de uitgang van de comparator hoog moet worden: hoe groot de drempelwaarde is. Als sensorspanning < refentiespanning, dan is het uitgangssignaal van de comparator laag. Als sensorspanning > referentiespanning, dan is het uitgangssignaal hoog. Bijvoorbeeld als een inbreker in de buurt van de infraroodsensor van een inbraakalarm komt.

●EN-poort: Heeft twee ingangen en één uitgang. Het uitgangssignaal S3 van de EN-poort is alleen hoog als beide ingangssignalen S1 en S2 tegelijk hoog zijn, hoger dan de drempelwaarde.
Deze bouwsteen is bruikbaar om bijvoorbeeld een actuator alleen in werking te stellen als aan twee voorwaarden tegelijk is voldaan.

●OF-poort: Heeft twee ingangen en één uitgang. Als voorbeeld het inbraakalarm. De taak; als het systeem wordt getest met een drukknop of er wordt een inbreker waargenomen, dan moet de alarmbel rinkelen. Een van de twee ingangen moet dus een hogere spanning geven dan de drempelwaarde. Als beide signalen laag zijn, is het uitgangssignaal laag.

●Invertor: Het is soms nodig om een binair signaal om te keren. In de vorm van signaalwaarden ziet het er dan zo uit: als S1 = 1, dan S2 = 0.  De invertor heeft één ingang en één uitgang. Als het ingangssignaal S1 hoog is, dan is het uitgangssignaal S2 laag, en omgekeerd.

●Geheugencel: Het onthouden van een signaalwaarde, het kan een signaal dat heel even hoog is geweest ook hoog houden. Het heeft twee ingangen (set en reset) en één uitgang.
- een kortdurend hoog ingangssignaal S1 op de set-ingang S maakt het uitgangssignaal S3 blijvend hoog.
- een kortdurend hoog ingangssignaal S2 op de reset-ingang R maakt het uitgangssignaal S3 weer blijvend laag tot het moment dat S1 weer een signaal doorgeeft.
Deze bouwsteen is bruikbaar om bijvoorbeeld een actuator langer te laten werken dan het sensorsignaal aangeeft (zoals een schoolbel of een inbraakalarm).

●Teller: telt pulsen. Een puls is een blokvormig binair signaal. Het binaire signaal S1 gaat op t= t1 van laag naar hoog, en op t = t2 van hoog naar laag. Dergelijke pulsen worden gemaakt door een andere bouwsteen; de pulsgenerator. De pulsfrequentie (het aantal pulsen per seconde) van de pulsgenerator (geen ingang, één uitgang) is met een draaiknop instelbaar. De teller heeft drie ingangen: de tel-pluseningang, de aan/uit-ingang en de reset-ingang.

0	0000
1	0001
2	0010
5	0101
12	1100

Tel-pulsingang staat het ingangssignaal S1. Het bestaat uit een opeenvolging van pulsen. De teller telt de pulsen van S1.
aan/uit-ingang (A/U); als het hoog is (en hoog blijft), kan de tellerstand verhoogd worden: de teller staat aan. Als het ingangssignaal S2 op de aan/uit-ingang laag is (en laag blijft), dan blijft de tellerstand verder onveranderd: de teller staat uit. Als de A/U niet gebruikt wordt staat de teller aan.
reset-ingang (R); een hoog ingangssignaal S3 zet de teller op 0. Zolang het signaal hoog blijft, blijft de teller op 0. S3 moet dus verbonden zijn met een EN-poort.
Binaire weergave poorten: 1 2 4 8. Je moet gewoon de cijfers bij elkaar optellen, en de frequentie van dat cijfer áls cijfer gebruiken.

Blz 236