I tillegg vil arbeidet med denne oppgaven friske opp det de fra tidligere har lært om elektrisitet.

Transkript

1 Lærerveildedning Elektronisk løgndetektor Innledning Dette skoleprogrammet er et verkstedsopplegg hvor elevene skal lære å lodde transistorkoblinger på et kretskort. Vi bruker de fleste sentrale komponentene i elektronikken i kretsen. Målet er at elevene skal få en opplevelse av hvordan elektronikk bygges i den profesjonelle verden, at de får med seg et fungerende produkt som er spennende og at de skal lære seg å lodde. Forankring i kunnskapsløftet ut fra kravspesifikasjoner utvikle produkter som gjør bruk av elektronikk, evaluere designprosessen og vurdere produktenes funksjonalitet og brukervennlighet I tillegg vil arbeidet med denne oppgaven friske opp det de fra tidligere har lært om elektrisitet. Svingekretser En svingekrets er en slags elektronisk pendel. Akkurat som lengden på pendelen avgjør hvor fort den svinger, kan vi endre svingetiden til elektroniske svingekretser ved å endre en motstand. Svingekretsen vår inneholder to deler. Den ene er en krets som sender strøm til høyttaleren, den andre bruker strømmen som gikk til høyttaleren til å skru av strømmen igjen. Deretter vil strømmen skrues på igjen fordi det tilføres strøm gjennom en motstand og det hele begynner forfra igjen. Desto bedre motstanden leder strøm, desto raskere kan dette repeteres. I det daglige liv har vi svingekretser i for eksempel klokkene våre, og hvis vi har mikrofonen for nær høyttaleren får vi en ulelyd, såkalt feedback. Den skyldes at lyden som kommer ut av høyttaleren blir fanget opp av mikrofonen og kommer forsterket ut av høyttaleren igjen, noe som gjør at mikrofonen fanger opp lyden enda sterkere, og høyttaleren følger opp med desto sterkere lyd. Slik vil et lydsignal gå i loop rundt og rundt, og vi hører det som en ulelyd som blir sterkere og sterkere. Desto nærmere mikrofonen kommer høyttaleren, desto mer høyfrekvent blir tonen, mens stor avstand lager en dyp tone. Antall runder signalet gjør hvert sekund bestemmer frekvensen til lyden. Signalet beveger seg raskt gjennom ledningene og tregt i luften, så derfor er det avstanden mellom høyttaler og mikrofon som bestemmer hvor mange looper signalet rekker på et sekund, og derved tonen som dannes. I vår krets har vi en kondensator som skal tappes ned og lades opp igjen som utgjør forsinkelsen tilsvarende avstanden gjennom luften som ble omtalt i sted. Desto raskere vi tilfører strøm til kondensatoren, desto kortere tid tar det å lade den opp. Vi bruker motstanden som er i kroppen vår til å variere motstanden. Når vi blir svett på fingrene, vil tonen som dannes av svingekretsen endre seg. Dette gjør at vi kan bruke innretningen som en løgndetektor. Ideen bak løgndetektoren Når vi blir stresset eller forlegne, noe som lett skjer når vi lyver, begynner vi å svette på hendene. Når vi svetter leder huden strøm langt bedre. Den elektroniske innretningen dere lager, viser oss med et lydsignal med varierende tonehøyde hvor godt huden leder strøm. Vi har en høyttaler koblet til svingekretsen, og denne piper med en tone bestemt av frekvensen til svingekretsen. Hvis kretsen begynner å svinge raskere fordi fingrene våre blir svette, vil tonen stige, når vi roer oss ned og porene lukker seg, synker tonen igjen og blir lavere. Slik vil den som forhører kunne høre om personen blir stresset eller forlegen ved spørsmålene eller hva han eller hun svarer. Side 1

2 Historien til løyndetektoren At kroppen reagerer på psykisk stress er det liten tvil om. I West-Afrika lot man et egg passere mellom de ulike mistenkte. Man regnet med at den skyldige vil avsløre seg ved å knuse egget som en følge av det press vedkommende ble satt under. Italieneren Cesare Lombroso fra Verona gikk i 1895 mer vitenskapelig til verks. Han målte puls og blodtrykk hos mistenkte i kriminalsaker. Han hevdet at han kunne registrere små endringer i pulsfrekvens og blodtrykk som reaksjon på at de mistenkte løy. Fram mot 2. verdenskrig ble løgndetektoren videreutviklet ved at en målte en rekke kroppsfunksjoner. Deriblant pust, puls, blodtrykk og hudens elektriske ledningsevne. Ved å studere hvordan disse endret seg under avhør, fikk man støtte for om vedkommende løy eller talte sant. Siden man registrerte flere kroppsfunksjoner samtidig, fikk instrumentet navnet Polygraf. Det ble også utviklet strategier for utspørring som skulle redusere risikoen for feil. Ved å la kandidaten innledningsvis svare på spørsmål som man visste var sanne eller løgnaktige, kunne man danne seg et bilde av personens reaksjonsmønster. Slik kunne man så og si kalibrere instrumentet til den aktuelle kandidaten. Bruken av løgndetektorer som hjelpemiddel i forbindelse med rettssaker er imidlertid sterkt omdiskutert og blir sjelden brukt i Norge. (Nils Kristian Rossing) Forarbeid Forarbeidet skal lære elevene nyttige analogier til elektroniske komponenter og kretser. Noe egner seg best til å demonstrere, men det meste er tenkt at elevene selv skal få prøve. Det er en PowerPointpresentasjon som følger med lærerveiledningen med bilder og noen oppgaver. Dioden D Kan sammenlignes med en ventil. Det holder for en del av elevene å høre det, men den er også lett å konkretisere ved sykkelventil, hageslangekobling med vannstopp osv. Den slipper strømmen kun en vei gjennom. Dioden kan også brukes til å lage lys. Dette lyset lages uten at en går veien om å varme opp noe til det gløder, og det er derfor en energieffektiv måte å lage lys på. Sykkellykter bruker dioder, og batteriene varer lenge. Dioder må kobles riktig vei, for ellers går ikke strømmen gjennom dem og det kommer ikke lys. Det er et spenningsfall over en diode, men spenningsfallet er nesten konstant om det går mye eller lite strøm gjennom. Så snart spenningen overstiger en terskel, vil all spenning som økes mer enn dette få det til å gå mye strøm gjennom dioden. Lysdioder settes derfor i serie med en motstand for å beskytte den. Se neste kapittel for å lære mer om dioden og Silisium den er laget av. Fasit til regneoppgaven i PowerPoint presentasjonen: R = U / I = (3-2) / 0,02 = 50 Ohm Motstanden R Kan sammenlignes med vannkranen. Ved å se hvordan en stor motstand får det til å renne lite vann ned i vasken, mens en liten motstand får det til virkelig å fosse. Hvis vannverket doblet trykket ville det også renne dobbelt så mye vann ned i vasken. Dette forstår de fleste intuitivt, men det er en ekstra side ved motstanden som må vies oppmerksomhet. Hvis det renner en tynn stripe vann fra kranen og en med tommelen eller noe annet dekker for åpningen så vannet ikke slipper forbi, vil det likevel bygge seg opp trykk bak fingen. En tynn stråle spruter ut i luften med stor kraft. Dette gjør at elevene får forståelse for at spenningen på hver side av motstanden er lik hvis det ikke går strøm gjennom den, akkurat som trykket bak fingeren ble like stort som vanntrykket fra vannverket så lenge det ikke slapp vann forbi den, til tross for at det er en nesten tilskrudd vannkran mellom fingeren og vanntilførselen. Side 2

3 Fargeringene på motstanden forteller hvor stor motstanden er. Motstanden på bildet har fire ringer som står tett sammen og en som står mer for seg selv. Den som står for seg selv sier hvor nøyaktig motstanden er, de som står tett sammen sier hvilken verdi den har. Fra venstre mot høyre oppgis siffer etter siffer på motstandsverdien målt i Ohm, men den siste av disse ringene angir hvor mange nuller det er etter, i dette tilfellet, det tredje sifferet. Fargene går fra 0 til 9 i denne rekkefølgen: sort, brun, rød, oransje, gul, grønn, blå, lilla, grå hvit. Koden følger derved i stor grad fargesirkelen hvor en går fra sort i midten og ut i retning rød (sort og rød gir brun) og slutter med grå og hvit. Motstanden på bildet er slik jeg tolker fargene brun, brun, grønn, oransje, noe som gir tallet Ohm. Den brune ringen for seg selv sier at denne motstanden har en nøyaktighet på 1 (%). Denne trekanten oppsummerer Ohms lov. U = R*I, og R = U/I og I = U/R Fasit til regneoppgaven: R = U / I = 12 / 0,5 = 24 Ohm Transistoren C B E Transistoren fungerer som bryter eller som forsterker. Bryteren kan sammenlignes med en lysbryter. Med en liten bevegelse med en finger kan du styre lyset i taket på flere kilowatt. I transistoren kan et svakt signal inn på basen styre en stor strøm mellom collekter og emitter. Forsterkerfunksjonen kan sammenlignes med det svake signalet fra CD-spilleren og det sterke signalet til høyttaleren. Alternativt kan en gjøre følgende: Bruk et sugerør til å blåse opp en hvit bosspose. Hold posen tett rundt sugerøret. Hvor mange pust trenger du? Prøv igjen, men denne gangen skal du ikke tette posen rundt sugerøret, men blåse mot den åpne posen med sugerøret... Denne gangen vil posen fylles mye raskere. Dette skyldes at luften ut fra sugerøret drar med seg store mengder av den omkringliggende luften inn i posen. Strømmen inn i basen (B) på transistoren drar på samme måte med seg mye strøm fra Collectoren (C) ut gjennomi Emitteren (E). For å vite hvilket bein som har hvilken funksjon, så må du sjekke databladet til transistoren. Hvis jeg skal bruke en ny type transistor, skriver jeg inn bokstav og tallkombinasjonen som står på transistoren i Google og ser hva jeg finner. Det finnes utallige transistorer i varierende størrelser til ulike formål, men bipolare med transistorer vi jobber med her, kan deles i to. Den ene typen åpner seg hvis vi sender strøm inn gjennom basen, den andre åpner seg hvis vi trekker strøm ut av basen. Så lenge det ikke går strøm gjennom basen vil transistoren være stengt og det går ingen strøm mellom collector og emitter. For å få strøm gjennom basen må den ha en spenning på minimum 0,6 V i forhold til emitter. Da går det ingen strøm, men strømmen blir større og større ettersom spenningen øker. Ved 0,8 V går det så mye strøm i transistoren som den er laget for. Hvis det er for lite motstand i kretsen kan det gå for mye strøm og den ødelegges. Se neste kapittel for å se mer om transistoren og Silisium den lages av. Kondensatoren Kondensatoren kan sammenlignes med en elastisk ballong på et vannrør. Hvis det er en pumpe som støtvis sender vann inn i røret, vil kondensatoren ta opp variasjonene og levere videre en jevn strøm av vann, og tilsvarende om det er et varierende forbruk som i korte perioder overskrider tilstrømningen, vil ballongen løse også dette problemet. Elektronisk kan Kondensatoren sammenlignes med et lite Side 3

4 oppladbart batteri. Den kan lades opp og tappes ned utallige ganger, og brukes på to måter. Den kan jevne ut spenningen i kretsen ved varierende strømmer slik som med vanneksempelet over, og den kan brukes til å lage forsinkelser i en krets ved at den først må lades opp før spenningen blir høy nok til at noe skjer eller at den først må lades ut før spenningen blir lav nok til at noe skjer. Det er den siste effekten vi benytter oss av i kretsen dere bygger på VilVite. Høyttaler Når det går strøm i en elektromagnet, blir den magnetisert og tiltrekkes eller frastøtes av en fast magnet. Høyttaleren vi bruker i kretsen vår får strøm tilført i korte pulser. Hver gang det kommer strøm gjennom høyttaleren, gjør den et byks utover eller innover, alt ettersom hvilken vei ledningene er koblet. Når det ikke kommer strøm lenger, faller membranen tilbake til utgangspunktet. Avhengig av hvor tett pulsene kommer, vil vi oppfatte det som lyd med ulike toner. Fra en ordentlig forsterker vil derimot spenningen variere slik at strømmen trekkes gjennom høyttaleren frem og tilbake i takt med hvordan mikrofonmembranen beveget seg da opptaket ble gjort. Slik gjenskapes lyden som ble spilt inn. Fingerprober Batteri Prober innen elektronikk er en fellesbenevnelse på ledninger som brukes til å undersøke ett eller annet. I dette tilfellet er det egenskaper ved fingrene som skal undersøke, derav navnet fingerprobe. Prober kan være laget veldig spesielle for å unngå at annet enn det som skal undersøkes påvirker resultatet, men hos oss er det kun noen avisolerte ledninger som surres rundt fingeren. Batteriet kan sammenlignes med en vannpumpe som trykker frem vannet i et rørsystem. Røret er ledningene og komponentene i kretsen er som ventiler, kraner, vannhjul og annet som kan drives av vann i rør. Batteriet vi benytter er på ni volt. Det betyr at det ville gått ni Ampere hvis vi bare hadde en ohm motstand i kretsen. Vi har mange ohm i kretsen vår, så et batteri varer ganske lenge. Batteriet kalles også for spenningskilde, og er energikilden i kretsen vår. Strøm Spenning Strøm kan sammenlignes med vann som strømmer gjennom et rør. Antall liter pr sekund som renner i røret forteller strømstyrken. Elektrisk strøm er ladning (elektroner) i bevegelse. Hvor stor ladning som passerer gjennom ledningen pr sekund avgjør strømstyrken. Strøm måles i Ampere. Siden elektroner er negativt ladd, er positiv strømretning motsatt av retningen elektronene beveger seg. Spenning kan sammenlignes med trykket i vannrøret. Hvis vi åpner en kran og slipper vannet inn i et område med mindre trykk, vil vannet begynne å strømme i røret. Da går det strøm. Hvis vi senker trykket vil det gå mindre strøm, og hvis vi senker trykket tilstrekkelig vil strømmen stoppe helt opp eller til og med gå motsatt retning. Side 4

5 Silisium - det "magiske" grunnstoffet Silisium er et grunnstoff som har mange ulike bruksområder. Det finnes blant annet i glass, betong, som tilsetningsstoff i stål, elektronikk (transistorer og databrikker) og solceller. Omtrent en fjerdedel av alt stoff på jordkloden er silisium. En av grunnene til at silisium har så mange interessante egenskaper er at dette grunnstoffet befinner seg i gruppe 4 i periodesystemet (rett under karbon, som også er i gruppe 4). Det betyr at hvert atom har fire "armer", eller mangler fire elektroner for å få oppfylt oktettregelen 1. Diamanter er karbonatomer som binder seg med enkeltbindinger til naboatomene i en krystallstruktur. På samme måte kan silisiumatomene lage krystaller og disse kan brukes til å skape spesielle effekter som kan utnyttes i elektronikkindustrien. Silisium er et halvmetall (eller halvleder). Det betyr at stoffet i noen situasjoner kan lede strøm, mens det i andre situasjoner fungerer som en isolator. Når silisium opptrer i en ren krystall er alle elektronene bundet fast i elektronparbindingen til naboatomet. Ingen av elektronene kan bevege seg og dermed kan det ikke gå elektrisk strøm gjennom stoffet. Når stoffet har denne tilstanden fungerer det som en isolator (dette representerer tallet 0 på dataspråket). Man kan imidlertid skape en situasjon der et elektron rives ut av en slik binding. Da oppstår det et hull (der hvor elektronet tidligere var). Silisium med huller kalles "P-type" silisium (fordi hullet er en Positiv ladningsbærer). Tilsvarende kan man skape en situasjon der et ekstra elektron ligger løst mellom de andre bindingene. Silisium med ekstra elektroner kalles "N-type" silisium (fordi elektronet er en Negativ ladningsbærer). Siden både hullene og de løse elektronene kan bevege seg vil silisium i denne tilstanden fungere som en elektrisk leder (dette representerer tallet 1 på dataspråket). Det er hovedsaklig to måter disse hullene og ekstra elektronene kan oppstå på. Doping: Man kan erstatte noen få av silisiumatomene med et grunnstoff fra gruppe 3 som bare har 3 elektroner i ytterste skall (f.eks. bor). Da får vi huller i strukturen og dermed P-type silisium. Tilsvarende kan man erstatte noen få av silisiumatomene med et grunnstoff fra gruppe 5 som har 5 elektroner i ytterste skall (f.eks. fosfor). Dermed får man et ekstra elektron i strukturen og har dermed laget et N-type silisium. P-type N-type 1 Atomene prøver å få 8 elektroner i ytterste skall for å bli mest mulig stabile. Side 5

6 Elektronhopp: Lyspartikler (fotoner) slår løs et elektron slik at det hopper opp i et høyere elektronskall. Dermed får du et elektron-hull-par (et hull i nederste "etasje" og et ekstra elektron i øverste "etasje"). Denne effekten benyttes blant annet i en fotocelle. Desto mer lys som treffer cellen, desto flere elektron-hull-par dannes og desto mer strøm leder silisiumet. Denne strømmen kan representere et signal som for eksempel får gatelysene til å slå seg av. Solceller Mellom P-dopet og N-dopet silisium vil det danne seg et elektrisk felt fordi noen av de løse elektronene vil fylle de ledige hullene på grunn av oktettregelen 1. Det blir altså en uballanse fordi ladningene ligger litt skjevt. Dersom lys treffer silisium i dette feltet (mellom P og N- typene) dannes det elektron-hull-par. Da vil elektronene bevege seg mot N-siden og hullene mot P-siden. Vi får dermed en kontinuerlig strøm av elektroner som kan brukes til å drive en elektrisk krets. På denne måten kan man utnytte energien i sollyset direkte ved å gjøre det om til elektrisk energi. Transistoren En transistor er den viktigste komponenten i all elektronikk. Den består av tre tilkoplingspunkter som kalles Collector, Base og Emitter. Den kan hovedsaklig brukes til to ting: Bryter: Skru av og på strømmen mellom collector og emitter. Denne egenskapen brukes i datamaskiner og andre digitale apparater. Når bryteren er skrudd på går det en strøm og det tilsvarer tallet 1 på dataspråket. Tilsvarende går det ingen strøm når bryteren er skrudd av og det tilsvarer tallet 0 på dataspråket. Forsterker: Transistoren kan også være i mellomposisjoner og regulere om strømmen mellom collektor og emitter skal være liten, middels eller stor. Det er strømmen men gjennom basen som bestemmer dette. En liten strøm gjennom base-emitter emitter kan åpne for en større strøm gjennom collektor-emitter. emitter. Denne effekten benyttes i forsterkere. Den lille strømmen fra for eksempel en mikrofon kan forsterkes opp med en transistor til å bli en større strøm som kan drive en høyttaler. Bildene kan hjelpe oss til å forstå hvordan dette skjer ved å sammenlikne den elektriske strømmen med en vannstrøm. Bildene representerer bare modeller. I virkeligheten består en transistor av tre lag ved siden av hverandre: NPN. I utgangspunktet er det ingen ladningsbærere i silisiumets P-lag, men når man setter i gang en liten strøm mellom basis (P-laget) og emitter, tvinger man elektroner (ladningsbærere) inn i dette laget. Når det nå blir mange ladningsbærere i dette området begynner silisiumet å lede strøm mellom collector og emitter. Jo flere ladningsbærere, jo bedre leder den strøm. Dermed kan en liten strøm regulere (og dermed forsterke) en stor strøm. Side 6

7 Skoleprogrammet på VILVITE Det følgende er forklaringer på det elevene skal gjøre når de kommer til VilVite. Det er ment som bakgrunnskunnskap for læreren. Kretsene inneholder to typer transistorer. Den ene typen er beskrevet over, og kalles NPN transistor (T1) fordi det midterste beinet, basen skal ha en positiv (P) ladning. Den andre typen transistor skal ha negativ (N) ladning på basen og kalles derfor PNP transistor (T2). Ellers oppfører de seg veldig likt. Koblingsskjemaet vi følger ser slik ut: + 9V e T2 c A Fingerprobe C R2 c T1 b b R1 C1 B Høyttaler 0V e Fingerprobe Elevene lærer å lodde, lærer å koble, og får brukt transistoren som de lærte om i forarbeidet. De tester kretsene og ser om de fungerer etter hensikten. Det forventes ikke at elevene skal klare å forstå løgndetektoren elektronisk, men for at du skal kunne svare om de spør, legger jeg ved forklaringen her. Hvis fingerprobene ikke er koblet til, vil kretsen låse seg i en stilling hvor T1 er stengt fordi punktet B har for lav spenning. Hvis Det ikke går strøm gjennom T1, vil det heller ikke kunne gå strøm gjennom basen til T2, noe som gjør at også T2 er stengt. Situasjonen er fastlåst. Hvis vi nå leder strøm mellom fingerprobene fra C til B, vil vi få en ny situasjon. Fordi T1 er stengt, er det høy spenning i C, og det går strøm fra C til B. Kondensatoren lades opp av strømmen. Når kondensatoren er oppladet slik at punktet B kommer over en terskelspenning, vil T1 åpne seg. Fordi T1 åpner seg vil også T2 åpne seg og lede strøm. Høyttaleren får da strøm gjennom seg og høyttalermembranen beveges utover. Nå som T1 er åpen, lages forbindelse til minuspolen på batteriet og spenningen blir lav i punktet C. Side 7

8 Når T2 leder strøm, vil det bli høy spenning i A. Dette gjør at det også blir høy spenning i punktet B. Med høy spenning i B, vil strøm trekkes ut av kondensatoren både gjennom fingerprobene og R1, og spenningen i B blir til slutt så lav at T1 stenges. Da vil også T2 stenge, og høyttaleren får ikke lenger strøm. Høyttalermembranen faller da tilbake til utgangspunktet. Nå er vi tilbake der vi begynte, og det hele begynner forfra igjen. For hver syklus gjør høyttalermembranen en bevegelse. Desto lengre tid denne syklusen tar, desto langsommere vibrerer høyttaleren, og derved hører vi en lav tone. Når fingrene leder strømmen godt, vil det bli en hurtig syklus, og vi får en høy tone. Etterarbeidet Når elevene kommer tilbake til skolen skal de arbeide videre med kretsene, teste dem, men det er viktig at hver klasse setter opp regler for hva det er lov å spørre om. Dette kan ellers utarte seg. Under er en beskrivelse av forhørsmetode som er utviklet av noen lærere med god suksess. Forhørsmetode: Del klassen i to. La det stå om en pose Twist, melkerull eller annet som er attraktivt og som lett kan deles blant dem som vinner. Halve klassen får se et tall mellom 1 og 5. En av de som kjenner tallet hentes til løgndetektorstolen. Kobl til ledningene og vent til lyden stabiliserer seg. Still et kontrollspørsmål, som for eksempel. Anne, jeg lurer på en ting. Har du noen gang fusket på en prøve? Dette spørsmålet stresser elevene ganske mye, så en får vanligvis godt utslag på detektoren. Jeg tror hun er klar til å bli forhørt Elevene som ikke kjenner tallet begynner å spørre ut, men gi dem tid til å høre reaksjon på hvert tall. Endringen i lyd kommer vanligvis litt etter at spørsmålet er stilt. Minn flittig på at det står om en pose Twist. Spør igjen og igjen på de ulike tallene. Etter en stund har de fleste elevene bestemt seg for hvilket tall de tror det er. La dem gjøre en avstemning og diskutere seg imellom til de er blitt enige om et tall. Hvis det er riktig har de vunnet, hvis ikke har de andre vunnet. Detektoren fungerer best i starten. Etter en stund blir eleven vant til å si nei som svar på alle spørsmål. Hvis eleven får anledning til å flykte inn i en tankeverden uten å høre etter på spørsmålene, vil ikke detektoren virke. Krev at hun ser i øynene på de som spør og svare med hele setninger. Koblingsskjema: Be elevene studere den elektroniske kretsen og prøve å tegne den opp på et ark. Du har fasiten, så kan dere snakke om hvordan de ulike komponentene tegnes. Når alle komponentene er ført opp og ledningene mellom dem er tegnet opp, kan en begynne å flytte dem rundt til det er blitt mest mulig oversiktelig. Side 8