Een digitale schakeling is de klassieke fischertechnik 'Silberlingen', of de zelfbouw elektronica-module varianten daarvan, snel opgebouwd. Maar uiteindelijk zal er vanuit de digitale uitgang toch een of andere verbruiker, zoals een motor, moeten worden aangestuurd. In de jaren zeventig werden hiervoor traditioneel relais gebruikt, maar tegenwoordig zijn 'solid state' drivers met transistoren of FETs meer gebruikelijk.
Ik vond het daarom tijd eens te kijken naar een algemene oplossing hiervoor. Het zou immers prettig zijn als we een universele PCB hadden die onderin de behuizing van de elektronica module kan worden geplaatst en waarmee, indien nodig, elke digitale uitgang kan worden uitgebreid met tot vier kortsluitvaste, stroombegrensde, uitgangen.
Iedereen die mijn geknutsel hier en op YouTube volgt, heeft gemerkt dat ik het leuk vind om zelfbouwmodules te maken die volledig compatibel zijn met de traditionele fischertechnik elektronicamodules, die soms wel 'Silberlingen' genoemd worden. Door de behuizing 3D te printen lijnen ze aan qua vorm, maar een uitgangspunt was tevens dat modern en klassiek qua signaalniveaus (rond de 11 volt) compatible zijn. Deze klassieke modules uit de jaren 70 maakten het mogelijk om te experimenteren met en prototypes te maken van allerlei circuits en elektronische principes. Er waren flip-flops, mono-flops, een module met een signaalversterker voor kleine sensorsignalen en verschillende logische poorten zoals AND/NAND en OR/NOR.
Omdat deze klassieke elektronische modules volledig opgebouwd waren uit discrete elektronische componenten die slechts een kleine stroom kunnen leveren, kon het uitgangssignaal in principe alleen worden gebruikt als een digitaal signaal. Dus als er uiteindelijk een motor of een lamp moest worden aangestuurd werd vaak een relaismodule met ingebouwde versterker gebruikt.
Maar later, in de 'Electronics' en zogenaamde 'Praktikum' kits, ging fischertechnik meer richting solid state drivers met halfgeleiders. Bijvoorbeeld bij de 'IC Baustein Leistungsstufe' LST 5-10V (fischertechnik nr. 36296) uit de 'Elektronik' kit (nr. 30253) uit 1981 zat bijvoorbeeld een module met twee TIP110 darlington transistors. De schakeldrempel was regelbaar met een potentiometer.
Zelfs al eerder, in 1977, werd in de experimenten van het 'Elektronik-Praktikum' het principe van stroomversterking al uitgelegd met BD135 NPN-transistoren. Deze experimenten lieten zien hoe lampen en motoren van voldoende stroom konden worden voorzien door te versterken met een transistor zonder dat hiervoor een relais hoefde te worden gebruikt.
De werking van zo'n driver met een NPN-transistor is eenvoudig. De belasting, een motor of lamp, enz., is aangesloten tussen de positieve voedingsspanning en de collector van de transistor. Zonder enige schakelingangsspanning, of zolang de basisspanning onder ongeveer 0,7 volt blijft, is de BD135 'gesloten' en loopt er geen stroom. Maar zodra de spanning aan de basis van de transistor hoog genoeg is, oftewel zodra we hier een 'actief' of 'hoog' signaal aansluiten, gaat het collector naar emitter pad van de transistor 'open' en gaat de motor draaien of de lamp gaat branden.
Deze manier van aansturen van actoren en belastingen zoals beschreven in het 'Elektronik-Praktikum' is tegenwoordig nog steeds erg handig om lampen, motoren of pneumatische schakelaars aan te sturen vanaf de digitale uitgangen van bijvoorbeeld een Arduino of Raspberry microcontroller.
Voor het Mr. Lemniscate-model wilde ik twee elektromagneten van een flip-flop wisselen. Dus bouwde ik toen mijn eigen flip-flop met driver-uitgangen, gewoon omdat ik de besturing niet met relais wilde doen. Het leek mij volkomen onnodig om ruis, vertraging en contact-slijtage toe te voegen door een relais, dat in wezen een elektromagnetische schakelaar is, te gebruiken om andere magneten te schakelen. Daarom heb ik het originele fischertechnik-schema van de flip-flop gekopieerd en samen met twee IRF520 MOSFET's in een fischertechnik-cassette gebouwd.
Dit was natuurlijk een behoorlijk snelle proof-of-concept, maar het idee om gewoon een uitgang op al deze modules te hebben, die net wat meer stuurstroom zouden kunnen leveren, hield me toen al bezig. Want, laten we eerlijk zijn, hoe mooi zou het zijn om dit soort stroomuitgangen op elke flip-flop, monoflop of bijvoorbeeld een DIY (N)AND/(N)OR-poort te hebben, als je het nodig hebt? Zou het niet mogelijk zijn om een soort universele printplaat te ontwerpen om elke zelfbouw module eenvoudig te voorzien van driveruitgangen? Bijvoorbeeld een generieke print die vervolgens op de bodem van de 3D-geprinte behuizing kan worden geplaatst. Zo'n PCB zou dan ook de connectoren kunnen faciliteren die nodig zijn voor het aansluiten en doorlussen van de externe 12 volt voeding die de aangedreven motoren en lampen enz. voedt.
Het allermooist zou het zijn als zo'n drivermodule zou zijn uitgerust met een stroombegrenzing en een kortsluitbeveiliging. Op Wikipedia vond ik een interessant artikel over stroombegrenzing dat de basis vormde voor mijn eigen vervolgexperimenten.
Om een stroombegrenzing te creëren, kunnen we de afgenomen stroom meten met een weerstand R in serie met de belasting. Zodra de sturende vermogenstransistor opengaat en de lamp of motor wordt ingeschakeld, zal er een spanning over deze weerstand vallen die afhankelijk is van de stroom die er vloeit. Met een extra transistor kunnen we deze stroom begrenzen. Zodra deze spanning tussen basis en emitter van de vermogenstransistor 0,7 volt bereikt, gaat deze toegevoegde transistor open en sluit de vermogenstransistor weer waardoor de stroom afneemt. Zo'n evenwicht ontstaat precies als er 0,7 volt over de shuntweerstand staat.
Omdat de meetweerstand een vaste weerstandswaarde heeft, kunnen we met de wet van Ohm uitrekenen bij welke stroom dat is. Willen we bijvoorbeeld maximaal zo'n 250 mA stroom toestaan, dan geldt: [R = U/I = 0,7/0,260 = 2,7Ω] Voor een begrenzing op 255 mA zou dat betekent dat we een weerstand van 2,7Ω moeten opnemen.
Bedenk echter dat de vermogenstransistor tijdens het stroombegrenzen met een hoge frequentie aan en uit wordt geschakeld. Hierdoor wordt evengoed warmte ontwikkeld waardoor de transistor kapot kan gaan. Doordat deze situatie vanzelfsprekend in de praktijk nooit zo lang zal duren, is de driverschakeling hiermee prima beveiligd en de vermogenstransistor beter beschermd dan zonder een dergelijke voorziening.
De motor of lamp dient dus te worden aangesloten tussen de plus en de collector van de drivertransistor. Nog bruikbaarder zou het zijn als de verbruiker gewoon tussen de uitgang en massa kan worden aangesloten. Dan zou de uitgang immers ook als gewone digitale uitgang kunnen worden gebruikt en op (digitale) ingangen van andere modules kunnen worden aangesloten.
Dit is mogelijk door in plaats van NPN transistoren te kiezen voor PNP transistoren en de BD135 bijvoorbeeld te vervangen door een BD132. De schakeling ‘draait om’ en we kunnen de aangesloten gebruikers een gemeenschappelijke massa-aansluiting geven. We krijgen dan het schema hiernaast.
De beschikbare printruimte op een printplaat in een Silberling-behuizing is met 4 bij 7 centimeter niet erg groot, maar vier van deze schakelingen moeten er zeker wel op passen. Ik ontwikkelde er een universele printplaat voor waarmee ik naar wens twee, of indien volledig met onderdelen bestukt, vier driveruitgangen kan toevoegen aan mijn toekomstige elektronica modules.
Als de behuizing een ‘venster’ voor twee, of vier, transistoren met z.g. TO-126 behuizing heeft, kunnen deze altijd later indien nodig van een klein koelelement achterop de module worden voorzien. De vermogenstransistoren worden eenvoudigweg met een lijmpistool op de plek gelijmd en later vastgesoldeerd als de printplaat onderin de behuizing wordt gemonteerd.
Het uiteindelijk ontwikkelde printje, onderin de 3D-geprinte 'Silberling'-behuizing, kan vanaf nu aan al mijn toekomstige zelfbouwprojecten snel en eenvoudig de eventuele gewenste driver-outputs toevoegen. Het kan direct gebruikt worden bij het nabouwen van de diverse klassieke fischertechnik 'Silberling'-modules, zoals de AND/NAND en OR/NOR logic gates.... Maar dat is een volgend project 😉
