Een omgebouwde boterhammendoos

Met deze lawaai- en reflexmeter kun je de mate van lawaai meten alsook testen hoe snel je reageert op het starten van een tijdregistratie.

Deze meter, verwerkt in een boterhammendoos, heeft niet echt een praktische toepassing maar het ontwerpen en bouwen van de schakeling heeft me heel veel geleerd over de componenten.

De schakeling/schema’s zijn per onderdeel van de schakeling toegelicht met daarbij de belangrijkste bevindingen of leermomenten.

afbeelding van een lawaai- en reflexmeter boterhammendoos als verpakking

De lawaai- en reflexmeter verpakt in een boterhammendoos

Leermomenten
  • Ontladen en laden van een condensator
    • zoals de stroom erin gaat om het veld te laden, zo moet de stroom er ook weer uit. Dit in tegenstelling tot een spoel.
    • het spanningsverschil loopt op naarmate de condensator zich laadt. In het prille begin geeft de condensator de spanning aan de ene plaat ogenblikkelijk door aan de andere plaat. Dus als ik een puls (hoog of laag) aan de klokingang van een IC aanbied, dan kan ik dit zekerheidshalve het beste doen door een condensator met een lage capaciteit (bv 1 of 10nF) voor de kolkingang te zetten. Alleen snelle pulsen komen er zo goed doorheen. Ruis niet.
  • Opto-coupler:
    • Emitter bestaat uit een diode die het signaal afgeeft aan een fotodetector, een fototransistor, die met of zonder extra versterking, de stroom overbrengt.
    • Een optocoupler zonder versterking kan niet veel meer stroom in de detector doorlaten dan de stroom die door de diode heenloopt. Zorg dus voor darlington-transistor configuratie in de detector om zeker te zijn dat er voldoende stroom in het circuit van de detector kan lopen.
    • Naast transistor gebaseerde detectors, zijn er ook opto-couplers op basis van een triac in de detector. Dit werkt voor wisselspanning prima, maar voor gelijkspanning niet. Immers, de triac gaat niet uit zodra de diode stopt met het emitteren van licht. Voor wisselspanning dus handig, maar voor gelijkspanning niet. Dit type triac-optocoupler was niet handig in de lawaai & reflex meter.
  • Soldeertin. Maak gebruik van soldeertin dat niet te snel vloeit. Aangezien de IC’s veel pinnetjes hebben, die dicht tegen elkaar aan zitten, kan het tin snel overvloeien van het ‘ene rijtje naar het andere rijtje’. Dit is mij dus gebeurd. Helaas ging het van kwaad tot erger wat uiteindelijk ertoe leidde dat ik een IC heb moeten laten zitten en een nieuw IC heb moeten aanbrengen. Dit levert gedoe op en maakt de schakeling minder overzichtelijk.
Aan- en uit schakelaar
afbeelding aan uit schakelaar

Aan en uitschakelaar

  • De schakeling heeft een aparte aan- en uitknop. Automatisch schakelt de meter zich na cirva 4 minuten uit. De condensator van 47uF staat parallel aan de aan-schakelaar. Deze condensator laadt heel langzaam op als gevolg van de hoge weerstand (3,3 MOhm) die in serie met de condensator is aangebracht. Zodra de condensator veel spanning heeft opgelopen, zakt de uitgang van de condensator (die verbonden is met de hoge weerstand en de gate van de mosfet transistor) onder de trigger-spanning van de mosfet. Op dat moment loopt er geen stroom meer door de mosfet transistor en bijgevolg ook niet door de optocoupler. Het hiermee verbonden circuit staat uit. Om de schakeling weer aan te zetten, druk je op de startknop waardoor de condensator zich razendsnel kan ontladen via de lage weerstand van 100 Ohm. De stopknop werkt omgekeerd. De condensator kan zich heel snel opladen via de lage weerstand; daardoor wordt de mosfet transistor uitgezet.
  • Een spanningsregelaar kun je ook inzetten om de spanning te regelen verderop in de schakeling. In deze schakeling is een regelaar aangebracht na de optocoupler waarmee vrijwel de gehele schakeling een spanning van 8V heeft. Uiteraard moet de ingangsspanning ongeveer 2V hoger zijn. In deze meter kun je kiezen voor een gelijkspanning via een voedingsadapter van het stroomnet of een batterijset van 2x9V of bijvoorbeeld 7×1,5V.
  • Ik heb gekozen voor een mosfet transistor omdat deze volledig uit staat wanneer de gate-spanning lager is dan de trigger spanning. Wanneer de spanning hoger is dan de triggerspanning, staat er geen spanningsverschil tussen drain en sources. Daarmee is de mosfet iets energiezuiniger dan een bipolaire transistor die prima voor hetzelfde doel zou kunnen worden toegepast.
Versterker en spanning-frequentie omzetter
afbeelding spanning frequentie omzetter

spanning frequentie omzetter

  • LED’s: aangeraden wordt om een LED te verbinden met een voorschakelweerstand van 470 Ohm, soms 1 kOhm. Omdat in deze schakeling de LED’s worden ingezet als controlelampjes, heb ik weinig lichtopbrengst nodig. Uit oogpunt van energiegebruik, staan er weerstandjes van 12 kOhm voor. Zelfs met een stroom van 1mA kunnen de LED’s nog prima licht geven.
  • NAND IC’s vormen een handig middel om te bepalen of een signaal/puls kan worden doorgegeven of niet. In de schakeling zijn diverse NAND’s opgenomen die aan de hand van een hoog- of laag-spanning bepalen of de output van waarde verandert. Op deze manier kun je bepalen wanneer de lawaaimeter – de LED lampjes – het wel of niet doen.
  • De lawaaimeter heeft alleen tot doel om de hoeveelheid lawaai te meten, niet om nauwkeurig het geluid te reproduceren. Daarom is een opamp schakeling met 1 keer voorversterking en 1 keer buffer voldoende om de lawaaimeter uit te slaan bij een normaal gespreksniveau. Zonder buffer is de functionaliteit van de opamp echter onvoldoende. Er is dan interferentie met andere signalen uit de schakeling.
  • De electret microfoon bestaat uit een JFET transistor en een microfoon. De transistor versterkt het signaal voor. Daarvoor dient de electret microfoon te beschikken over een voeding via een voorschakelweerstand van circa 10 kOhm.
  • De lawaaimeter zet het aangeboden versterkte signaal om in een frequentie. Hoe meer lawaai, hoe sneller de LED lampjes gaan flikkeren. De spanningsfrequentie omzetting vindt plaats via een 555 timer die in astable modus is ingesteld. De mate waarin de lading van de (timing)condensator zich kan ontladen via het discharge pad van de 555 timer, wordt gestuurd door de transistor. Aan de basis wordt via een hoge schakelweerstand (1 MOhm) het lawaai-signaal aangeboden. Hoe meer lawaai, hoe hoger de spanning op de basis en des te hoger de basisstroom wordt. Deze bepaalt de collectorstroom en zodoende de tijdsduur waarin de condensator zich ontlaadt. De frequentie varieert tussen 0 en 40Hz. De condensator wordt opgeladen bij een hoog-signaal op de uitgang van de timer, via een diode en een weerstand.
Lawaaimeter
afbeelding schakeling teller lawaai

schakeling teller lawaai

  • Het CD4017 IC is een decade counter; deze telt tot tien en begint dan weer bij 0. Er is ook een carry-out uitgang om eventueel het tiental aan te bieden aan een volgende decade counter, maar dat is voor deze lawaaimeter niet nodig. De uitgangen Q0-Q9 zijn via diodes zo geschakeld dat het licht van de LED meter, bestaande uit zes LED’s, heen en weer gaan. Hoe meer lawaai, hoe sneller de lampjes bewegen van links naar rechts en weer terug.
Klokteller
afbeelding klokteller

klokteller

  • Voor de reflexteller is een klok nodig die in honderdsten van seconden aftelt. Op het moment dat de klok gaat lopen doordat iemand op de start knop drukt, dan gaat de teller lopen. Zodra de stop knop wordt ingedrukt, houdt de klok op met tellen maar moet de tijdsduur blijven staan op het display.
  • Een 555 timer die in astable modus is geconfigureerd, produceert een frequentie van 100Hz. Met een potentiemeter en een frequentie-meter op de uitgang van de 555 timer, kan de klokfrequentie precies op 100Hz worden afgeregeld.
Aansturing van het LED-display segment
afbeelding aansturing LED display

aansturing LED display

  • Het 100Hz signaal gaat naar de klokingang van het CD4026 IC die deze omzet in het benodigde cijfer op het LED display. De display enable pin staat altijd aan (hoog). De reset pin en de clock-disable pin wordt door een klein stukje logica aangestuurd (zie hierna).
Logica
afbeelding schakelschema logica lawaai & reflexmeter

schakelschema logica lawaai & reflexmeter

Na het indrukken van de startknop gaat de teller niet meteen lopen. Er moet namelijk een element van verrassing zijn. Hiervoor komt de vertrager timer (555) in het spel. In monostable modus geeft de timer een hoog signaal zodra een laag signaal aan de trigger ingang wordt aangeboden. Na verloop van enige seconden wordt de uitgang laag. De tijd dat het signaal van de timer hoog is, bepaalt de vertragingstijd.

De logica van de stopreflex-, reset- en vertragingstriggers zijn in onderstaande tabel weergegeven. Met hulp van de boolean functies uit excel heb ik het schema opgezet dat de logica moet volgen zoals verwacht op de onderste regel. De logica is bestaat uit twee hoofdonderdelen:

  1. de output van de stop-reflex timer en
  2. de output van de NOR module (die op zijn beurt de outputs van de 555 vertrager en de 555 reset combineert).
afbeelding logica schema van de logische modules

Logica schema van de logische modules