Knutselen voor volwassenen: elektronische schakelingen op papier
Elektronische schakelingen maak je doorgaans op een breadboard of soldeer je op een printplaatje. Maar ook op papier kun je aan elektronica doen. Het enige wat je nodig hebt, is wat zelfklevende kopertape of geleidende inkt om elektronische componenten op elkaar aan te sluiten met papier als ondergrond.
In dit artikel bekijken we de mogelijkheden van werken met elektronica op papier en knutselen we wat met eenvoudige schakelingen:
- Daarmee maken we een nachtlampje
- En een verjaardagskaart met brandende kaars
Ook interessant om te lezen: Niet kopen maar kijken: zo simuleer je een microcontrollerbordje
Een elektronische schakeling bestaat uit verschillende componenten, zoals een led, weerstand, drukknop, sensor en nog veel meer. Die componenten zijn verbonden door geleidend materiaal en krijgen stroom via bijvoorbeeld een batterij of voedingsadapter. Dit alles moet ook ergens op worden bevestigd. In afgewerkte producten gebeurt dat op een printplaatje, voor experimenten volstaat een breadboard. Beide zijn uit kunststof gemaakt en geleiden niet.
Op een printplaatje zijn de geleidende sporen in de vorm van dunne koperen lijntjes geëtst tussen de componenten die op het kunststof worden geplaatst. Als je een breadboard gebruikt, prik je zogenoemde jumper wires in gaatjes, die onderliggend contact met elkaar maken op dezelfde lijn. Componenten als weerstanden en leds hebben metalen pootjes die je in de gaatjes prikt, en microcontrollerbordjes of sensorbordjes hebben een pinheader die je op dezelfde manier in het breadboard steekt.
1 Papieren ondergrond
Kunststof is niet de enige mogelijke ondergrond voor een elektronische schakeling. In principe kun je er elk niet-geleidend materiaal voor gebruiken. Papier of karton zijn ook mogelijk en bieden talloze creatieve mogelijkheden om elektronica in knutselwerkjes op te nemen. Je moet je componenten dan natuurlijk wel stevig kunnen bevestigen op het papier, bijvoorbeeld met lijm.
Uiteraard moeten er elektrische verbindingen tussen die componenten mogelijk zijn. Daarvoor bestaan verschillende oplossingen. Zo is er geleidende verf, die je met een borstel tussen de componenten op het papier aanbrengt. Dit vraagt wel geduld, want de verf geleidt alleen wanneer het helemaal droog is. Bovendien is dit niet zo eenvoudig aan te brengen en kunnen er na een tijdje barsten in de geverfde verbindingen komen. Twee andere oplossingen, waar we in dit artikel dieper op ingaan, zijn geleidende inkt en zelfklevende kopertape.
2 Geleidende inkt
Geleidende inkt komt in de vorm van een pen. Een bekend merk is Circuit Scribe, waarvan je de pen voor een tientje koopt. Je tekent ermee op elk oppervlak waarmee je met een gewone balpen ook zou kunnen schrijven, zoals papier, karton en zelfs servetten. Op meer absorberende materialen, zoals servetten, kun je met één vulling van de pen zo’n 60 meter tekenen; op minder absorberende materialen, zoals fotopapier, maar liefst 200 meter.
Een voordeel van geleidende inkt is dat het snel droogt en dat je er heel precies sporen mee kunt tekenen, maar het verbinden van componenten is wat lastig. Componenten op de inkt solderen gaat moeilijk, en daarom kun je dat beter anders aanpakken. Plak met tape, geleidende lijm (duur en met lange droogtijd) of stickers de componenten vast op de inktsporen. Op de plaatsen waar je componenten dan met de sporen wilt verbinden, kun je het best met de geleidende inkt een grotere cirkel tekenen voor een betere verbinding.
3 Experimenteren met Circuit Scribe
Omdat het verbinden van componenten met geleidende inkt wat lastig is, heeft Circuit Scribe een oplossing gemaakt in de vorm van kleine printplaatjes met magnetische contacten onderop. Je legt dan het papier op een stalen plaat en tekent je verbindingen op het papier. Vervolgens plaats je op de verbindingspunten je Circuit Scribe-modules. Die blijven via hun magnetische contacten op de juiste plaats, waardoor je een betrouwbare verbinding hebt.
Het spreekt voor zich dat dit geen oplossing is voor een definitieve elektronische schakeling. Je hoeft immers maar lichtjes tegen een module te duwen om ’m te verschuiven. Bovendien zijn de modules nogal log. Maar voor het experimenteren met papieren elektronica is dit een laagdrempelige aanpak. Je kunt zo ook een papieren schakeling op je koelkast of magnetron hangen, of er interactieve kunst van maken die je aan je muur hangt. Je kunt je schakeling ook altijd nog eenvoudig afbreken en met de modules een nieuwe schakeling maken. Eigenlijk is de aanpak van Circuit Scribe te vergelijken met een breadboard-schakeling, die gebruik je ook alleen maar voor experimentele, tijdelijke schakelingen.
Elektronische stickers Sinds kort heeft Circuit Scribe een nieuw product, Circuit Stickers. Dit zijn stevige stickers met componenten als een led, knop, schakelaar enzovoort, die je op papier plakt nadat je er met geleidende inkt verbindingen op hebt getekend. Dit is geschikter voor definitieve schakelingen, omdat je geen metalen oppervlak meer nodig hebt om modules met magnetische contacten op te plaatsen.
Chibitronics heeft al gelijkaardige stickers, waarvoor het overigens kopertape aanraadt voor de verbindingen. Beide oplossingen zijn wel vrij duur. Voor definitieve schakelingen is het solderen van klassieke through-hole-componenten of smd-componenten een goedkopere optie.
4 Handigheidjes met geleidende inkt
De modules van Circuit Scribe komen in twee vormen: langwerpig of driehoekig. De batterijhouder (voor een meegeleverde 9V-batterij, met ingebouwde converter naar 3,3 V), dimmer, schuifschakelaar, led en piëzo-elektrische zoemer komen op een langwerpig printplaatje. De transistor, lichtsensor, rgb-led en potentiometer komen op een driehoekig printplaatje, omdat ze meer dan twee contactpunten hebben.
Als je een starterkit van Circuit Scribe aanschaft, komt die met enkele handigheidjes. Degene die je het meest zult gebruiken, is het sjabloon van de verschillende vormen van modules, dat gaten bevat op de plaatsen van de contactpunten. Door met je pen deze gaten volledig te vullen met geleidende inkt, weet je zeker dat de modules op het papier voldoende contact maken en de verschillende contactpunten op de juiste afstand van elkaar staan.
Een tweede handigheidje zijn de kleine stickers die je over een spoor plakt, zodat je er daarna een overlappend spoor over kunt tekenen. Dit heb je nodig voor de complexere schakelingen waarbij je echt niet kunt vermijden dat sporen elkaar kruisen. Overigens levert de starterkit naast deze modules, de pen, het sjabloon en de stickers ook een metalen plaatje mee om het papier op te plaatsen en een boekje met uitleg over basisschakelingen.
5 Nachtlampje
Laten we de werking van Circuit Scribe eens illustreren met een eenvoudige schakeling van een batterij, lichtsensor en led. De lichtsensor is een fototransistor die stroom geleidt wanneer de sensor voldoende wordt belicht. Het printplaatje heeft drie contacten: VCC sluit je aan op de pluspool van de batterij en GND op de minpool. OUTPUT krijgt een spanning die evenredig is met het gedetecteerde licht. Als er nu geen licht op de sensor valt, is er tussen GND en OUTPUT geen spanning. Als we dan de led tussen VCC en OUTPUT aansluiten, vloeit er tussen die twee contacten een stroom wanneer het donker is en gaat de led aan.
Teken dus met het sjabloon de contactpunten voor de drie modules. Houd de pen daarbij zo verticaal mogelijk en vul de volledige cirkels. Als er geen inkt uit komt, schud dan even flink met de pen. Teken de verbindingen tussen de contactpunten, en zorg ervoor dat de lijnen dik genoeg zijn en ononderbroken. Als je schakeling niet lijkt te werken, meet dan met een multimeter de spanning tussen twee contactpunten van een module, of zelfs tussen twee met geleidende inkt getekende lijnen. Zo kun je ontdekken waar een lijn onderbroken is of niet dik genoeg is voor een betrouwbaar contact.
6 Zelfklevende kopertape
Voor definitieve schakelingen kun je beter gebruikmaken van zelfklevende kopertape, die je per rol kunt kopen, bijvoorbeeld van 5 mm breed. Hier kun je heel eenvoudig mee werken, omdat je simpelweg alleen het stukje afknipt dat je nodig hebt. Pel het papierlaagje eraf en druk de klevende kant op het papier, zodat je een koperspoor krijgt.
Zorg er wel voor dat je voldoende plaats tussen de verschillende kopersporen laat, zodat je de uiteindes van de componenten daarop kunt solderen. Voor through-hole-componenten zul je meer ruimte moeten houden dan voor de kleinere smd-componenten. Bij een throug-hole-led met lange pootjes kun je de pootjes buigen of oprollen voor meer contact met de oppervlakte als je ze op het koperspoor soldeert, zodat de verbinding zo sterk mogelijk is.
Te donker in de kamer?
Een nachtlamp geeft voldoende licht om nog wat te zien
7 Batterijhouder
Om een batterij aan te sluiten, is er wat creativiteit nodig. Soldeer nooit een batterij rechtstreeks aan de kopertape, want daarmee kun je de batterij beschadigen. Gebruik liever een batterijhouder voor CR2032 of een dunnere knoopcel. Die bevat contactpunten die je op de kopertape kunt solderen.
Een andere variant is dat je zelf een batterijhouder vouwt van papier of karton. Of je gebruikt helemaal geen batterijhouder. Dan moet je in een papieren creatie de batterij zo plaatsen dat die contact maakt met een koperspoor wanneer je erop duwt. De schakeling staat dan onder spanning zolang je op de batterij duwt.
8 Brandende kaars
Laten we dit eens in de praktijk brengen met een eenvoudig voorbeeld. We maken een verjaardagskaart en tekenen er een taart met een kaars op. Aan de binnenkant plaatsen we met zelfklevende kopertape een gele led (het lange pootje aan de pluspool van de batterij) en een dunne CR2016-knoopcel in een elektronische schakeling. Als je op de juiste plaats duwt, maakt de batterij contact met de rest van de schakeling en gaat de led aan, waardoor het lijkt of de kaars brandt.
Zorg dat je de batterij met de juiste kant naar beneden op het papier duwt. De bovenkant (waar het typenummer en andere informatie staat) is de pluspool. Geef eventueel op het papier met pen aan welke kant van het spoor met de plus-kant is verbonden. De onderkant van de batterij is de minpool. Geef bij het spoor dat daarmee in contact staat ook de min-kant aan, zodat je altijd weet hoe je de batterij in je creatie moet zetten.
Als bij het uitrollen de kopertape per ongeluk scheurt, is dat overigens geen ramp. Je kunt gewoon het afgescheurde stuk ertegenaan plakken en daarna de twee strookjes aan elkaar solderen met een dun laagje soldeertin.
9 LilyPad
Als je niet zo vertrouwd bent met smd-componenten en de through-hole-leds, en andere componenten je wat te groot zijn, is de productlijn LilyPad van Sparkfun Electronics interessant. LilyPad is eigenlijk ontwikkeld om elektronische componenten in stoffen te naaien, zoals kleding. Dat gebeurt met geleidend naaigaren. Maar door hun kleine afmetingen en lichte gewicht zijn de componenten ook ideaal om in papieren creaties te gebruiken.
De kleinste modules van LilyPad zijn mini-printplaatjes, niet veel groter dan de component die erop zit, met twee contactpunten met gaten erin om geleidende draad aan te bevestigen. Deze gaatjes kun je ook eenvoudig op kopertape op papier plaatsen en er zo aan vast solderen. Een kleine led, drukknop of schuifschakelaar is zo eenvoudig toegevoegd.
In de LilyPad-serie bestaat er ook een CR2032-batterijhouder (met handige aan-uitknop) en zelfs een microcontrollerbordje dat compatibel is met Arduino. Met dat bordje kun je je papieren elektronicaschakelingen zelf programmeren zodat ze complex gedrag vertonen en reageren op knoppen of sensoren. Het LilyPad-gamma bevat onder meer een temperatuur- en een lichtsensor.
10 Verjaardagskaart met kaarsen
Laten we eens dezelfde schakeling van onze verjaardagskaart uit stap 8 uitvoeren, maar nu met LilyPad-componenten. Plak weer een schakeling met kopertape en laat een uitsparing voor een led en een batterij. De led is nu geen through-hole-led met pootjes, maar een klein printplaatje met twee gaatjes. Deze soldeer je elk aan een kant van de kopertape. Let op de plus-zijde aan de ene kant van het printplaatje: soldeer deze aan de kant waar je de pluspool van de batterij mee verbindt.
Voor de verbinding met de batterij maken we gebruik van de CR2032-batterijhouder van LilyPad. Hierop staan plus en min aangeduid. Wees voorzichtig: steek de batterij er niet in wanneer je de houder eraan soldeert, want koper geleidt warmte heel goed en kan ervoor zorgen dat de batterij opwarmt. Deze batterijhouder heeft ook een schuifschakelaar, zodat je de truc met de omgevouwen hoek van de verjaardagskaart niet meer nodig hebt. Je zet de schakelaar simpelweg op ON om de led aan te zetten en OFF om de led weer uit te doen. Let op: de batterijhouder van LilyPad is vrij gevoelig voor plaatsing van de batterij. Als er geen stroom uit lijkt te komen, duw de batterij dan wat minder ver in de houder, tot je de led ziet branden.
Je hebt nu een verjaardagskaart die je kunt laten branden met een schakelaar. Meer kaarsjes voeg je eenvoudig toe door leds in parallel te schakelen.
11 Schakeling in origami
Voor nog wat creatievere uitspattingen kun je iets van origami vouwen en daarin een schakeling met LilyPad-componenten maken. Wat te denken van een hartje van origami waarin je ledjes laat knipperen? Dat vereist wel wat planning, want na het vouwen moet je het papier deels weer uit elkaar vouwen, de schakeling plakken en solderen, en dan het geheel weer opnieuw dichtvouwen. Dat lukt niet met alle origamimodellen. Zoek dus een model dat gemakkelijk weer uit elkaar te vouwen is én groot genoeg is om je componenten in te verbergen.
Wij deden dit met de Simple Paper Origami Heart A4Tutorial van het YouTube-kanaal Origamite. Hiermee maak je van een A4’tje een hart dat groot genoeg is om een CR2032-batterijhouder, een LilyTwinkle van LilyPad en vier rode leds erin te bevestigen.
12 Twinkelend hart
De LilyTwinkle is een klein microcontrollerbordje met zes contacten: + en - sluit je op respectievelijk de plus- en minpool van de batterijhouder aan, en de vier genummerde contacten sluit je elk op de plus-kant van een led aan. De min-kant van elke led sluit je weer op de min van de LilyTwinkle aan. Zodra de microcontroller stroom krijgt, laat die de aangesloten leds in een patroon twinkelen. Als je de leds verspreid in het hart aansluit, kun je een mooi effect krijgen.
Let op dat als je de vlakken vouwt, er niet onbedoeld contact wordt gemaakt tussen een koperspoor op beide vlakken. Indien nodig plaats je isolerende elektrische tape rond de vlakken om contact te vermijden. Zorg er ook voor dat je alles nog goed in elkaar gevouwen krijgt na het solderen. En, raak met de soldeerbout het papier niet aan, want dan brand je er onmiddellijk een gat in.
Microcontroller op papier De LilyTwinkle is eigenlijk een ATtiny-microcontroller die zo is geprogrammeerd dat hij de spanning over zijn vier uitgangen in een specifiek patroon laat variëren. Er bestaan ook LilyPad-bordjes met een ATtiny85-microcontroller met usb-aansluiting, zodat je die gemakkelijk kunt programmeren. En heb je een krachtigere processor nodig, dan kun je gebruikmaken van de LilyPad met ATmega328P, de microcontroller in de Arduino Uno. Deze kun je met een meegeleverde usb-naar-serieel-omzetter via een pinheader programmeren. Zo kun je elektronica op papier heel complexe taken laten uitvoeren.
Pieplein microcontrollerbordje
Voor complexe elektronische schakelingen
Als je een browser dagelijks gebruikt, plaats je hiervan een snelkoppeling op het bureaublad.
