Leer elektronica vanaf de basis

Gratis tutorials en handleidingen over digitale logica, analoge circuits en praktische elektronica. Bouw echte circuits terwijl je leert.

Aan de slag met Open Circuits

Nieuw met circuitsimulatie? Zo begin je in minder dan een minuut:

Maak een gratis account aan

Registreer met je e-mail of Google-account. Geen creditcard nodig. Je circuits worden automatisch opgeslagen in de cloud.

Open de circuiteditor

Klik op "Editor" in de navigatiebalk. Je ziet een leeg canvas met een componentenpalet aan de linkerkant. Componenten zijn georganiseerd in categorieën: Logische poorten, I/O, Analoog en meer.

Plaats componenten en teken draden

Klik op een component in het palet om het te selecteren en klik vervolgens op het canvas om het te plaatsen. Klik en sleep tussen componentpinnen om draden te tekenen. De simulatie draait automatisch — schakel schakelaars om en bekijk hoe uitvoeren in realtime veranderen.

Grondbeginselen van digitale logica

Digitale circuits werken met twee spanningsniveaus die binair 1 (HOOG) en 0 (LAAG) vertegenwoordigen. Door logische poorten te combineren kun je circuits bouwen die elke berekening uitvoeren die een computer kan.

Logische poorten: de bouwstenen

Elk digitaal circuit is opgebouwd uit een kleine set fundamentele poorten. De AND-poort geeft alleen HOOG uit als alle ingangen HOOG zijn. De OR-poort geeft HOOG uit als een van de ingangen HOOG is. De NOT-poort (inverter) keert een signaal om: HOOG wordt LAAG en vice versa.

Uit deze drie basispoorten kun je alle andere poorten afleiden: NAND (NOT + AND), NOR (NOT + OR), XOR (exclusieve OR — HOOG wanneer ingangen verschillen) en XNOR (exclusieve NOR — HOOG wanneer ingangen overeenkomen). Sterker nog, NAND-poorten alleen zijn voldoende om elk digitaal circuit te bouwen, daarom worden ze "universele poorten" genoemd.

Combinatorische circuits

Combinatorische circuits produceren uitvoeren die alleen afhankelijk zijn van de huidige ingangen (geen geheugen). Veelvoorkomende voorbeelden zijn:

Halve opteller — telt twee enkele bits op en produceert een som- en carry-uitvoer. Gebouwd met een XOR-poort en een AND-poort.
Volledige opteller — telt drie bits op (twee ingangen plus carry-in). Schakel meerdere volledige optellers aaneen om een ripple-carry-opteller te bouwen voor meerbitsoptelling.
Multiplexer (MUX) — selecteert een van meerdere ingangen op basis van selectorlijnen. Een 4-naar-1 MUX gebruikt 2 selectorbits om te kiezen uit 4 data-ingangen.
Decoder — zet een binaire code om naar een-van-vele uitvoeren. Een 3-naar-8-decoder activeert precies een van de 8 uitvoerlijnen op basis van een 3-bits invoer.

Sequentiële circuits en geheugen

Sequentiële circuits hebben geheugen — hun uitvoeren hangen af van zowel de huidige ingangen als eerdere toestanden. Het basisbouwblok is de flipflop:

SR-latch — het eenvoudigste geheugenelement. Set (S) slaat een 1 op, Reset (R) slaat een 0 op.
D-flipflop — vangt de invoerwaarde (D) op bij de klokflank. Gebruikt in registers en tellers.
JK-flipflop — veelzijdige flipflop die kan instellen, resetten, wisselen of zijn toestand vasthouden.
T-flipflop — wisselt zijn uitvoer bij elke klokpuls wanneer T=1. Gebruikt om binaire tellers te bouwen.

Door flipflops met elkaar te verbinden kun je tellers, schuifregisters en eindige-toestandsmachines bouwen — de basis van alle computerprocessoren.

Grondbeginselen van analoge circuits

Analoge circuits werken met continue spannings- en stroomwaarden. Het begrijpen van analoge elektronica is essentieel voor voedingsontwerp, signaalverwerking, sensorinterfaces en audiosystemen.

De wet van Ohm en weerstandscircuits

De wet van Ohm (V = I x R) is de basis van alle circuitanalyse. Spanning (V) is gelijk aan stroom (I) maal weerstand (R). In Open Circuits kun je een weerstand plaatsen tussen een spanningsbron en massa, en vervolgens de spannings-/stroomsondes gebruiken om de wet van Ohm direct te verifiëren.

De spanningswet van Kirchhoff (KVL) stelt dat de som van alle spanningen rond een gesloten lus nul is. De stroomwet van Kirchhoff (KCL) stelt dat de som van de stromen die een knooppunt binnenstromen gelijk is aan de som die het verlaat. Deze wetten vormen de basis voor het Modified Nodal Analysis (MNA)-algoritme dat de analoge simulator van Open Circuits aandrijft.

Spanningsdelers

Een spanningsdeler gebruikt twee weerstanden in serie om een uitgangsspanning te produceren die een fractie is van de ingangsspanning. De uitgangsspanning is: Vuit = Vin x R2 / (R1 + R2). Spanningsdelers worden overal gebruikt: referentiespanningen instellen, sensoren uitlezen, transistorcircuits instellen en ADC-ingangsbereiken creëren.

Diodes en LED's

Een diode laat stroom slechts in een richting stromen. Er is een minimale voorwaartse spanning nodig (ongeveer 0,7 V voor silicium, 1,8-3,3 V voor LED's) om te geleiden. LED's (Light Emitting Diodes) zijn diodes die licht uitzenden wanneer ze in voorwaartse richting worden aangestuurd. Gebruik altijd een stroombegrenzende weerstand bij LED's om doorbranden te voorkomen.

In Open Circuits lichten LED's visueel op wanneer er voldoende stroom doorheen stroomt, waardoor het gemakkelijk te zien is welke delen van je circuit actief zijn.

Transistoren als schakelaars

Een bipolaire junctietransistor (BJT) kan als elektronische schakelaar werken. Een NPN-transistor schakelt AAN wanneer een kleine stroom in de basis stroomt, waardoor een grotere stroom van collector naar emitter kan stromen. Een PNP-transistor werkt omgekeerd — hij schakelt AAN wanneer de basis LAAG wordt getrokken ten opzichte van de emitter.

Transistorschakelaars worden gebruikt om LED's, motoren, relais en andere belastingen aan te sturen vanuit laagvermogen-logicasignalen. Open Circuits simuleert zowel NPN- als PNP-transistoren met realistische versterking (beta) en verzadigingsgedrag.

Operationele versterkers

Een op-amp is een differentiaalversterker met hoge versterking. In Open Circuits kun je klassieke op-amp-circuits bouwen:

Inverterende versterker — versterking = -Rf/Rin
Niet-inverterende versterker — versterking = 1 + Rf/Rin
Spanningsvolger (buffer) — eenheidsversterking, hoge ingangsimpedantie
Sommerende versterker — telt meerdere ingangsspanningen op
Comparator — geeft HOOG of LAAG uit op basis van welke ingang groter is

Tips voor circuitbouw

Voeg altijd een massa toe. Elk analoog circuit heeft een massareferentie nodig. Zonder massa kan de simulator geen absolute spanningsniveaus bepalen.
Gebruik kleurgecodeerde draden. Open Circuits ondersteunt meerdere draadkleuren. Gebruik rood voor voeding, zwart voor massa en andere kleuren voor signalen om je circuits leesbaar te houden.
Controleer de stroomanimatie. De geanimeerde stippen op draden tonen de stroomrichting en -grootte. Als de stippen niet bewegen, controleer dan je verbindingen.
Sla versies op. Voordat je grote wijzigingen aanbrengt, sla een versie op. Je kunt altijd terugkeren naar een eerdere versie als er iets misgaat.
Fork vanuit de bibliotheek. Begin niet vanaf nul — blader door de circuitbibliotheek voor referentieontwerpen en fork ze naar je werkruimte.

Begin met het bouwen van je eerste circuit

Pas toe wat je hebt geleerd. Open de editor en begin met experimenteren.