|
Met het in een ander artikel beschreven LED-display kunt u een reactietijd tester opbouwen. Met zo'n schakeling kunt u de menselijke reactietijd meten, een bezigheid die naast speelse toepassingen (wie is het snelst?) ook wel meer ernstige toepassingen kan hebben. |
Het principe van de schakeling
Analoog of digitaal?
Er zijn digitale en analoge reactietijd testers te verzinnen. Het zal duidelijk zijn dat de eerstgenoemde vrij ingewikkeld zijn. Omdat de LED-indicator van 'Nabouw: zestien LED bar/dot-display' een analoge meetschakeling is, ligt het voor de hand de tester ook analoog op te bouwen. Als u bovendien enige concessies wilt doen, die niet de fundamentele werking van de schakeling aantasten maar eerder onder het begrip schoonheidsfoutjes te vangen zijn, kunt u met een handvol onderdelen en de beschreven LED-print een zeer eenvoudige reactietijd tester samenstellen.
De werking van de schakeling
De LED-print is in wezen een gelijkspanningsmeter. Een van de zestien LED's zal oplichten als de spanning op de ingang van de schakeling varieert tussen 0 V en ongeveer 5 V. Als u aan de ingang van de schakeling een zeer langzaam stijgende spanning aanlegt, dan zullen alle LED's één na één oplichten. Onderbreekt u deze langzame spanningsstijging op een bepaald moment, dan zal de constante ingangsspanning die dan op de ingang blijft staan de laatste oplichtende LED continu laten branden. Met deze gegevens in het achterhoofd kunt u het principe van een reactietijd meter met de LED-print doorgronden. Onderstaande figuur geeft een voorstelling van de gang van zaken. In deze grafiek is de ingangsspanning van de LED-meter in functie van de tijd getekend. Tot en met tijdstip t1 is de ingangsspanning gelijk aan nul. De onderste LED zal dus branden. Op het genoemde tijdstip, de start van een meetcyclus, zal de ingangsspanning langzaam gaan stijgen. Dat heeft tot gevolg dat de LED's één na één zullen oplichten. Het komt er nu op aan zo snel mogelijk op een stop-drukknop te drukken. Dat gebeurt op tijdstip t2. De reactietijd is dan gelijk aan t2 - t1. Na t2 blijft de ingangsspanning constant, zodat één LED uit het rijtje continu blijft branden.
 |
| De werking van de schakeling grafisch toegelicht. (© 2018 Jos Verstraten) |
Op tijdstip t3 wordt de schakeling gereset door het indrukken van een tweede drukknop, de reset-toets. De ingangsspanning wordt dan onmiddellijk nul, zodat de eerste LED uit het rijtje weer gaat branden. Door het bedienen van deze schakelaar wordt de tweede meetcyclus gestart.
Na een bepaalde tijd, namelijk op moment t4, start de schakeling voor de tweede keer. De ingangsspanning gaat weer stijgen. LED 1 dooft, LED 2 gaat branden en de hersenen sturen een impuls naar de vinger, die natuurlijk al drukbereid op de toets van de stop-schakelaar rustte.
Helaas is de reactietijd van de tweede proefpersoon aanzienlijk slechter, zodat de spanning aan de ingang van de LED-print nu veel groter wordt. Het gevolg is dat de lichtstip een groter deel van de LED-kolom doorloopt en eerst bij een van de laatste LED's blijft stilstaan. Op moment t6 wordt gereset, zodat de derde meetcyclus ingaat.
Het blokschema
De grafiek biedt voldoende informatie voor het opstellen van een elektronisch blokschema. De gedachtengang is als volgt. De te ontwerpen schakeling moet een lineair stijgende spanning opwekken. De ervaren elektronicus denkt dan dadelijk aan een condensator, die door middel van een constante stroombron wordt opgeladen. Stuurt u een constante stroom door een condensator, dan zal de spanning over dit onderdeel inderdaad lineair met de tijd toenemen. Dat wil zeggen dat de spanningstoename per tijdseenheid (microseconde, milliseconde of seconde) constant is. Zoals uit onderstaande figuur blijkt, vormt de constante stroombron, voorgesteld door twee in elkaar grijpende cirkeltjes en de laadcondensator C1 inderdaad het hart van de schakeling.
Uit de grafieken volgt bovendien dat op een bepaald moment, namelijk na het indrukken van de stop-schakelaar, de spanning over de condensator niet verder mag stijgen. Dat wil zeggen dat u de constante stroombron moet besturen. Op dat bepaalde moment moet de stroom ophouden te vloeien, zodat de spanning over de condensator niet verder toeneemt.
 |
| Het blokschema van de schakeling. (© 2018 Jos Verstraten) |
Bij het resetten van de schakeling moet de spanning over de condensator opeens naar nul gaan. Vertaald naar een blokschema wil dat zeggen, dat u over de condensator een onderdeel moet schakelen, waarmee u de condensator kunt kortsluiten. Wat ligt meer voor de hand dan het inschakelen van een transistor, gestuurd uit de reset-schakelaar? De schakeling start met de tweede meetcyclus na een bepaalde tijd t4 - t3. De reset-schakelaar moet dus niet alleen de ontlaadtransistor sturen, maar ook een tijdvertragende schakeling, die het genoemde tijdinterval bepaalt.
Twee mogelijke systemen
Bij het invullen van het blokschema kunt u twee gedachten volgen. Gedachte 1: het geheugen kan na dat tijdinterval worden gereset, zodat de constante stroom na tijdstip t4 de condensator weer gaat opladen. Gedachte 2: u kunt de tijdvertrager schakelen tussen de reset-drukknop en de ontlaadtransistor. Het geheugen wordt dan gereset bij het indrukken van de reset-toets. De constante stroom gaat dan op tijdstip t3 vloeien, maar daar de ontlaadtransistor nu blijft geleiden tussen t3 en t4 zal deze stroom dadelijk naar de massa afvloeien en de condensatorspanning blijft nul. Eerst na t4, als de tijdvertrager geen stroom in de basis van de transistor stuurt, vloeit er stroom door de condensator en gaat de spanning over dit onderdeel lineair stijgen.
Beide alternatieven zijn even goed, het feit dat bij dit ontwerp gekozen is voor de laatst genoemde oplossing heeft alleen te maken met de keuze van de geheugenschakeling. Waaruit duidelijk blijkt dat het bij het opstellen van een blokschema toch wel handig is de keuze van de praktische invulling van de verschillende blokken reeds in het achterhoofd te hebben!
Grafische toelichting op het blokschema
Onderstaande figuur geeft voor de duidelijkheid een grafisch overzichtje van de werking van de schakeling. Voor de start van een meetcyclus is de uitgangsspanning van de tijdvertrager positief, waardoor de ontlaadtransistor in geleiding wordt gestuurd. Het geheugen levert eveneens een positieve spanning aan de stroombron. Deze levert stroom, maar die vloeit af naar massa via de geleidende transistor. De condensatorspanning U1 is gelijk aan nul. De meetcyclus start als de uitgangsspanning van de tijdvertrager nul wordt. De transistor spert, zodat de stroom de condensator lineair oplaadt. Het bedienen van de stop-knop heeft tot gevolg dat het geheugen omschakelt. U3 wordt nul, waardoor de constante stroom wegvalt en de condensatorspanning stabiel blijft. U kunt nu het resultaat van de meting aflezen op de LED's van de LED-meter. Door het drukken van de reset-toets worden zowel het geheugen als de tijdvertrager geactiveerd. De eerste schakeling stuurt de stroombron open, maar de positieve uitgangsspanning van de tijdvertrager stuurt de transistor in verzadiging. De condensator ontlaadt en de reeds vloeiende stroom wordt afgeleid naar de massa. Na een bepaalde tijd klapt de tijdvertrager om, zijn uitgangsspanning wordt nul en een nieuwe meetcyclus vangt aan.
 |
| De spanningen in het blokschema, uitgezet in functie van de tijd. (© 2018 Jos Verstraten) |
De uitwerking van het blokschema
De constante stroombron
De constante stroombron is traditioneel van opbouw. Het schema is getekend in onderstaande figuur. De werking berust op het gegeven dat de spanning tussen basis en emitter van een geleidende transistor zo goed als constant is. De basis wordt door middel van de zenerdiode D1 ingesteld op een vaste spanning ten opzichte van de positieve voedingslijn. Het spanningsverschil Ub - Ue is gelijk aan ongeveer 0,7 V. Het gevolg is dat ook de emitterspanning constant is, namelijk gelijk aan de zenerspanning plus 0,7 V. Over de weerstand R2 valt bijgevolg een constante spanning en uit de wet van Ohm volgt dat dit alleen waar kan zijn als ook de stroom door deze weerstand constant is. De collectorstroom Ic voldoet aan de gestelde eis: hij is onafhankelijk van de collectorspanning of de belasting van de trap. De condensator C1 wordt opgeladen door een constante stroom en zal dit waarderen met het opbouwen van een lineair stijgende spanning over zijn platen.
 |
| Het praktisch schema van de constante stroombron. (© 2018 Jos Verstraten) |
Bij het woord 'geheugen' denkt u waarschijnlijk aan een flip-flop schakeling. Het gebruik van zo'n op zich zeer eenvoudig geïntegreerd onderdeel zou echter de schakeling nodeloos gecompliceerd maken. Er bestaat immers een ander als geheugen te gebruiken onderdeel: de thyristor. Onderstaande figuur geeft het zeer eenvoudige basisschema van de stroombron met aangebouwd geheugen. Over de zenerdiode wordt een laagvermogen thyristor geschakeld. De gate van dit onderdeel is via een weerstand verbonden met de positieve voedingsspanning.
De werking is als volgt. Bij het inschakelen van de voedingsspanning zal de thyristor sperren, zodat de stroombron normaal functioneert. Er vloeit een constante stroom door de condensator C1. Bij het indrukken van de stop-knop zal er stroom in de gate vloeien, waardoor de thyristor in geleiding komt. De zenerdiode D2 is overbrugd en de instelling van de basis valt weg. Transistor T1 gaat sperren, de stroom valt weg. De twee dioden D3 en D4 zorgen ervoor dat de beschreven situatie ook werkelijk ontstaat. Over een geleidende thyristor blijft een bepaalde restspanning staan. De basis van T1 wordt bijgevolg niet helemaal met het voedingspotentiaal verbonden, hij zal ongeveer 0,5 V negatiever zijn dan de voeding. Om nu te verhinderen dat door deze kleine spanning op de basis er toch een kleine stroom door de transistor blijft vloeien, is de diode D3 ingehuurd. Zou er stroom door de transistor willen vloeien, dan ontstaat over deze diode een spanning van ongeveer 0,7 V, zodat de emitter op een lager potentiaal komt dan de basis. Van geleiden kan dan geen sprake zijn. De tweede diode in de kring, namelijk D4, zorgt ervoor dat de spanning over C1 na het uitschakelen van de stroombron niet kan afvloeien.
 |
| De stroombron wordt uitgebreid met een geheugen. (© 2018 Jos Verstraten) |
De tijdvertrager
De tijdvertrager moet het even indrukken van een schakelaar omzetten in een langer durende actie. De eenvoudigste schakeling is getekend in onderstaande figuur en bestaat uit een operationele versterker, geschakeld als comparator. De positieve ingang van de op-amp is verbonden met een vaste spanning, waarvan de grootte bepaald wordt door de spanningsdeler R1-R2. De negatieve ingang gaat naar een RC-netwerkje, waarvan de condensator overbrugd is met een drukschakelaar. In rust (de drukknop wordt niet bediend) is de condensator opgeladen tot de voedingsspanning. De negatieve ingang is bijgevolg positiever dan de positieve ingang, de uitgang van de schakeling is gelijk aan nul. Op tijdstip t1 wordt de drukknop S1 even gestreeld. De condensator wordt kortgesloten, zijn spanning valt onmiddellijk terug naar nul. De inverterende ingang is dan negatiever dan de niet-inverterende ingang, de uitgang van de op-amp zoekt het voedingspotentiaal op. Na het loslaten van S1 zal de condensator zich gaan opladen. Na enige tijd, afhankelijk van de waarde van R3 en C1, zal de condensator zich opgeladen hebben tot de spanning op het knooppunt van R1 en R2. De spanningen op de beide ingangen van de comparator worden gelijk, de schakeling klapt om. De uitgang wordt gelijk aan nul.
Conclusie: het even indrukken van S1 heeft tot gevolg dat de uitgang van de op-amp gedurende een bepaalde tijd positief wordt.
 |
| De praktische schakeling van de tijdvertrager. (© 2018 Jos Verstraten) |
In onderstaande figuur is het volledig praktisch schema van de reactietijd tester getekend. Het enige tot nu toe nog niet opgeloste probleem is het combineren van de twee functies van de reset-schakelaar, het gelijktijdig inschakelen van de stroombron en de tijdvertrager. De ene functie vereist het naar aarde kortsluiten van een condensator, de andere het onderbreken van de voedingsspanning van de schakeling.
Door het toevoegen van één transistor en één weerstand volgt het ene logisch uit het andere. Transistor T3 is normaliter verzadigd. De basis is immers door middel van een kleine weerstand verbonden met de collector. Op de emitter staat de voedingsspanning, minus de 0,7 V basis/emitter-spanning. Zowel de basis van deze transistor als de condensator van de tijdvertrager zijn via de reset-knop verbonden met de massa. Bedient u deze drukknop, dan zal de condensator via de diode D5 ontladen worden en de transistor T3 sperren. De voedingsspanning valt weg, de thyristor van het geheugen wordt stroomloos en gaat sperren. Twee vliegen in één klap!
 |
| Het volledig schema van de reactietijd tester. (© 2018 Jos Verstraten) |
De bouw van de schakeling
De print en de componentenopstelling
De twee volgende figuren geven het printontwerpje en de componentenopstelling. Deze tekening spreekt voor zichzelf. Alleen een opmerking over de gebruikte thyristor: iedere laagvermogen thyristor komt in aanmerking. Bekende typen zijn 2N5060 tot en met 2N5062 van Motorola of TIC44 tot en met TIC47 van Texas Instruments. Ook thyristoren in TO-5 behuizing komen in aanmerking, de print is voor deze laatste soort ontworpen.
 |
| De print voor de reactietijd tester. (© 2018 Jos Verstraten) |
 |
| De componentenopstelling van de print. (© 2018 Jos Verstraten) |
Na het bestukken van deze print en een basisprint van 'Nabouw: zestien LED bar/dot-display' kunt u beide printjes op de bekende sandwich-manier samenbouwen. De drie aansluitcontacten van beide printen worden door middel van draadjes verbonden en klaar is kees. De voedingsspanning voor de schakeling bedraagt +12 V.
Het afregelen van de beide printen
De instelpotentiometer R1 op de LED-print, waarmee de onderste drempel van het meetbereik wordt ingesteld, wordt volledig dichtgedraaid (0 V). Nadien schakelt u de voedingsspanning in. De LED D16 gaat branden. Na ongeveer 20 seconden start de meetcyclus. U drukt nu echter niet op de stop-schakelaar, maar laat de condensator volledig opladen. De maximale laadspanning wordt bepaald door de onderdelen rond de constante stroombron en bedraagt ongeveer 5 V. U verdraait de instelpotentiometer R2 op de LED-print, tot LED D1 gaat oplichten. Door middel van de instelpotentiometer R4 op de reactietijd print kunt u een poging wagen de schaal te ijken in bijvoorbeeld 50 milliseconde per LED. Alleen als u de beschikking hebt over een elektronische chronometer met extern te besturen start- en stopfuncties zal dat écht lukken! In alle andere gevallen moet u de instelpotentiometer verdraaien tot de volledige schaal wordt doorlopen in ongeveer 15 x 50 ms = 750 ms.
70 stuks spanningsstabilisatoren, 5 x 14 waarden
