Dit is een uitgebreide uitwerking van de genoemde examensom, voorzien van achtergrondinformatie en een stukje verdieping in de stof. Ben je alleen geïnteresseerd in de antwoorden klik dan hier voor de basisuitwerking. Je kunt ook links in de kantlijn op de juiste opgave klikken.
Waarom deze examenbijlessen?
Voor deze bijles is een examensom als uitgangspunt gekozen. Wanneer je wilt nagaan of je een bepaald onderwerp goed begrepen hebt, kun je oefenen met het maken van zo'n examenvraagstuk. Je kunt naar aanleiding van zo'n vraagstuk weer nieuwe vragen oproepen. In deze bijles proberen we aanvullende uitleg te geven bij een examenvraagstuk. Het niveau van het vraagstuk is dat wat je nodig hebt om je examen te kunnen maken. Extra achtergrondinformatie, een stukje extra uitleg aan de hand van een animatie, een vraagstuk ook eens op een andere manier uitgelegd: je vindt het hier allemaal.
Opgave
Om lampen niet onnodig te laten branden wil men in het natuurkundelokaal een automatische lichtschakelaar aanbrengen. Nu nog worden de lampen vaak aan het begin van de eerste les met de hand aangedaan en pas aan het eind van de dag uitgeschakeld.
Annalies en Chris willen onderzoeken hoeveel energie er bespaard wordt door het gebruik van deze automatische lichtschakelaar.
a) Welke gegevens hebben zij nodig om de energiebesparing per dag te kunnen uitrekenen?
Chris en Annalies ontwerpen een automatisch systeem om een lamp aan en uit te schakelen. Het systeem moet aan de volgende voorwaarden voldoen:
- Als er weinig licht en bovendien beweging in het lokaal is, of in de laatste 8 minuten beweging is geweest, dan zijn de lampen aan.
- Als er voldoende licht is of als er 8 minuten of langer geen beweging is, dan zijn de lampen uit. Het automatische systeem is in figuur 1 gedeeltelijk weergegeven.
De pulsgenerator geeft een puls per minuut. De bewegingssensor geeft een hoog signaal als er iemand beweegt in het lokaal. Het signaal van de lichtsensor stijgt als er meer licht op valt. De LED stelt de verlichting in het lokaal voor. De aan/uit-ingang van de teller is voortdurend hoog en hoeft niet te worden aangesloten.
b) Teken in figuur 1 de overige componenten en verbindingen van het systeem.
Figuur 2 toont de ijkgrafiek van de lichtsensor.
In plaats van de comparator kan ook gekozen worden voor de schakeling van figuur 3.
De gebruikte 4 bits AD-omzetter is geschikt voor spanningen tussen 0 en 5 Volt.
c) Bepaal bij welke waarden van de lichtintensiteit het signaal in Q hoog is.
Aanwijzingen
Open de aanwijzing bij de vraag van jouw keuze.
Aanwijzing vraag (a)
Voor de lampen geldt als ze branden een energieverbruik volgens E = P * t
Zij moeten weten
- hoe groot het totale vermogen Pvan de lampen in het lokaal is,
- hoeveel tijd t ze in de nieuwe situatie per dag minder branden dan in de oude situatie.
Aanwijzing vraag (b)
De 1e voorwaarde – als er weinig licht is – betekent een invertor na de comparator om een hoog signaal te krijgen.
De 2e voorwaarde – als er beweging is –> dan lampen aan – betekent dat de geheugencel hoog wordt als er beweging is.
Omdat aan beide voorwaarden moet zijn voldaan, sluit je deze samen op een EN-poort aan en vandaar gaat de uitgang naar de LED.
De 3e voorwaarde is dat als er 8 minuten geen beweging is geconstateerd, de LED uit gaat. De uitgang 8 moet dus met de reset van de geheugencel verbonden worden.
Blijft er nog één probleem op te lossen: als er na 4 minuten beweging is gemeten moet de tijdmeting van de 8 minuten zonder beweging herstarten. Daarom moet een beweging de teller resetten.
Aanwijzing vraag (c)
De ADC verdeelt de spanning van 5 V in 16 gelijke stappen. Als de uitgangen 4 en 8 hoog zijn, is de spanning groter dan 12/16 van 5,0 V = 3,75 V. Uit figuur 10 volgt dan dat de lichtintensiteit kleiner is dan 2,0*102 lux.
Uitwerkingen
Open de uitwerking van jouw keuze.
Uitwerking vraag (a)
- Ze moeten weten hoe lang de lichten nu meer branden dan met de automatische schakelaar.
- En wat het totale vermogen van de verlichting in het lokaal is.
Uitwerking vraag (b)
- Zodra de beweginssensor iets ziet bewegen, moet de teller gereset worden.
- Wanneer de teller op 8 staat, moet de geheugencel gereset worden.
- Als de lichtsensor laag is en geheugencel hoog, moet de LED branden, dus:
Uitwerking vraag (c)
- Als het signaal in Q hoog is, is het in de &-poort laag.
- Dat betekent dat de 8- en 4-uitgang niet allebei aan staan, dus het digitale signaal onder de 12.
- De AD-omzetter kan 0-5 V aan, en kan 0-15 als uitgangssignaal geven. Een enkele stap in de uitgang betekent dus 1/3 V verschil.
- De ingangsspanning waar Q hoog is, is dus 0 V t/m 11/3 = 3,67 V.
