Infrarood meetkop

meethulpje en speelgoedje

Soms kan het nuttig of interessant zijn om het normale bereik van onze zintuigen uit te breiden met behulp van wat sensor-elektronica. De "infrarood-meetkop" is zo'n sensor: deze kan in kombinatie met een oscilloskooP gebruikt worden voor het testen van infrarood-verbindingen, bijvoorbeeld die van de TV-afstandsbediening. Als in Plaats van een oscilloskooP een audioversterker OP de meetkop aangesloten wordt. dan kunnen infrarode lichtbronnen "beluisterd" worden.

Tegenwoordig zijn de meeste audio- en video-apparaten van een draadloze afstandsbediening voorzien. Werd er zo'n tien jaar geleden in die dingen nog veelvuldig van ultrasoon geluid gebruik gemaakt, momenteel is dat niet meer het geval. De tegenwoordige afstandsbedieningen werken allemaal met infrarood licht. Bij de huidige systemen is de bundel infrarood licht niet kontinu ingeschakeld, maar wordt deze heel snel aan en uitgeschakeld met een frekwentie van enkele tientallen kilohertz. Het infrarode licht is dus in amplitude (sterkte) gemoduleerd met een hulpdraaggolf van enkele tientallen kilohertz. De hulpdraaggolf zelf is ook weer op een of andere manier gemoduleerd en wel met de "data" die moet worden overgezonden. Er kan hierbij bijvoorbeeld van amplitude-modulatie of frekwentie-modulatie gebruik gemaakt worden of kombinaties daarvan.

De "data" wordt (dit zal de computerfreaks wel bekend voorkomen) "serieel" overgezonden, ongeveer zoals dat bij de seriële kommunikatiepoort van een computer gebeurt. De seriële "data" bestaat uit nullen en enen die samen een of meerdere binaire getallen vertegenwoordigen. Een van de getallen vormt bijvoorbeeld het adres van de elektronische helderheidsregelaar van de TV en een tweede getal geeft de waarde aan waarop de helderheid moet worden ingesteld. Deze laatste instelling kan ook eenvoudiger, en wel met een "up"- en een "down"-kode die voor alle funkties (adressen) die op de TV voorkomen, hetzelfde is. Behalve data-bits is ieder datablok van de seriële kode ook nog van een start- en een stop-bit voorzien.

De nullen en enen van de seriële data vormen een blokspanning die de hulpdraaggolf van de infraroodafstandsbediening in amplitude of frekwentie moduleert.

Voor de hobbyist kan het handig (of interessant) zijn om de signalen die via de afstandsbediening verzonden worden, te bekijken. Nu willen we beslist niet beweren dat de hier beschreven "infrarood-meetkop" de enige manier is om bijvoorbeeld een haperende afstandsbediening op zijn goede werking te kontroleren. Veel TV's zijn namelijk van een indikatie-LED voorzien die aangeeft of de TV wel of geen infrarood licht binnenkrijgt. Brandt de LED niet dan is meestal alleen maar het batterijtje van de afstandsbediening leeg! Bij sommige fouten, die dan weer eens wel en dan weer niet optreden, kan het voorkomen dat de genoemde indikatie-LED wel netjes brandt, maar er toch allerlei "vreemde dingen" met de TV gebeuren als er op de knoppen van de afstandsbediening gedrukt wordt. In zo'n geval is het wenselijk om het skoop-plaatje van de "data" eens een tijdje in de gaten te houden: misschien verspringt een van de bitjes van het signaal wel af en toe plotseling, doordat een van de toetsen hapert of doordat er een IC slecht kontakt maakt. Voor dit soort tests is de "infrarood-meetkop" handig; deze is overigens beslist niet alleen voor serieuze metingen bedoeld, maar ook als speelse experimenteerschakeling.

Meetkop

Voor de "infrarood-meetkop" hebben we twee schema's afgebeeld, een in figuur 1 en een figuur 2. De schakeling uit figuur 1 (een ideetje van een van onze lezers) is eigenlijk alleen als meetkop bedoeld en moet dus op een oscilloskoop worden aangesloten; die uit figuur 2 is van wat extra versterking voorzien en kan daarom, samen met een audioversterker, ook heel goed gebruikt worden voor het beluisteren van infraroodbronnen. Indien u een heel gevoelige audioversterker tot uw beschikking hebt, bijvoorbeeld een met een ingang voor een mikrofoon of een magnetodynamische grammofoon, dan volstaat voor het luisteren naar infrarood licht ook de eenvoudige schakeling uit figuur 1. Als opnemer wordt in beide schakelingen een infrarooddiode gebruikt. Deze wekt bij licht-inval een elektrische spanning ("fotospanning") op, net zoals dat in een zonnecel gebeurt.

Fig 1
Figuur 1. Verbluffend simpel, maar wel handig: deze "infrarood-meetkop" kan op een oscilloskoop worden aangesloten voor het testen van een TV-afstandsbediening.

Indien de lichtbron een konstante sterkte heeft, dan produceert de infrarood-diode een gelijkspanning van een konstante grootte. Als de lichtsterkte heel snel in amplitude varieert, zoals dat met de infrarood-bundel uit een afstandsbediening het geval is, dan staat er een blokspanning op de aansluitingen van de diode. Deze kan een amplitude van enkele tientallen tot enkele honderden millivolts hebben, als men een afstandsbediening gebruikt en die op een paar decimeter afstand van de infrarood-diode houdt. Hieruit volgt dat de eenvoudige "meetkop" uit figuur 1 voor iedere oscilloskoop ruim voldoende signaal levert.

"Infrarood-oor"

De schakeling uit figuur 2 kan eveneens op een oscilloskoop worden aangesloten, maar is vooral bedoeld voor het beluisteren van laagfrekwente amplitudefluktuaties van infraroodlichtbronnen: het is dus meer een experimenteer-dan een test-schakeling. De infrarood-diode (D1) is hier, zoals te zien, met de inverterende (pen 2) en de niet-inverterende ingang (pen 3) van opamp (IC1) verbonden. Indien er infrarood licht op Dl valt, dan ontstaat er een fotospanning tussen de anode en de kathode van de fotodiode. Deze spanning komt ook tussen de beide ingangen van IC1 te staan.

Fig 2
Figuur 2. Bij deze schakeling is de fotodiode van een versterker voorzien. Met een audioversterker kunnen infrarood-lichtbronnen beluisterd worden.

Onderdelenlijst (schakeling van figuur 2)
R1	4,7 kΩ
C1	1 nF/35 V tantaal
C2	47 pF
C3	100 nF
D1	BP104
IC1	CA3140

Iedere met een weerstand tegengekoppelde opamp zal proberen om het spanningsverschil tussen zijn beide ingangen onder alle omstandigheden gelijk aan nul te maken. Zo ook IC1, die van tegenkoppelweerstand R1 voorzien is.

Als er fotospanning over D1 ontstaat, dan zal de anode van Dl daarbij de positieve pool van de fotospanning vormen en de kathode de negatieve. In de schakeling van figuur 2 ligt de anode van Dl aan massa, samen met de niet-inverterende ingang van IC1. In geval van fotospanning wordt dus de kathode van D1, samen met de inverterende ingang van IC1, negatief ten opzichte van massa.

Vanuit de uitgang van IC1 (pen 6) en via tegenkoppel- weerstand R1 wordt deze negatieve spanning onmiddellijk geneutraliseerd. Bij een negatiever worden van de inverterende ingang van IC1 wordt de uitgang namelijk positiever en heft zo via R1 de negatieve fotospanning op.

De veranderende uit-gangspanning van IC1 bij (infrarood) lichtinval kan met een voltmeter worden gemeten, met een oscilloskoop worden bekeken, of met een audioversterker worden beluisterd. Bij deze laatste toepassing kan men het beste een kondensator aan de uitgang van de opamp aanbrengen: dit voorkomt dat er gelijkspanning op de audioversterker terechtkomt en dat de uitgang van opamp IC1 kan worden kortgesloten. In de schakeling van figuur 2 is zo'n scheidings/koppelkondensator dan ook getekend (C3). Als er een voltmeter of een oscilloskoop op de schakeling wordt aangesloten, dan mag C3 ook worden weggelaten; deze apparaten zijn namelijk voldoende hoogohmig.

Afhankelijk van de lichtsterkte van de infrarode lichtbron en de gewenste gevoeligheid van de schakeling kan met R1 de versterking van IC1 worden ingesteld. Hoe groter de waarde van R1, hoe groter de versterking. Bedenk hierbij wel dat de uitgangsspanning van IC1 bij maximale belichting van Dl nog net niet tegen de plus van de voedingsspanning mag vastlopen. Gebeurt dat wel, dan geeft men R1 een wat kleinere waarde of verhoogt de voedingsspanning.

Om te voorkomen dat IC1 kan gaan oscilleren, is C2 toegevoegd. Doordat de kapacitieve reaktantie (wisselstroomweerstand) van C2 voor toenemende frekwenties steeds kleiner wordt, zal C2 hoge frekwenties sterker tegenkoppelen dan lage. Daardoor wordt bij toenemende frekwenties de versterking steeds gerir De nog niet genoemde kondensator C1 ontkoppelt de voedingslijnen van IC1. Deze kondensator werkt niet alleen 50 Hz brom afkomstig uit de voeding weg, maar zorgt ook dat de voedingsspanning niet kan gaan denderen, als u bijvoorbeeld een nogal leeg (hoogohmig) batterijtje als voeding gebruikt.

Konstruktie

Als u de "meetkop" heel eenvoudig en kompakt wilt houden, dan kunt u volstaan met de schakeling uit figuur 1, dus een infrarooddiode en een BNC-plug. De diode soldeert u aan de plug vast en de plug wordt in een oscilloskoop-ingang gestoken. Het spreekt vanzelf dat er wat isolatiemateriaal om de diode gewikkeld moet worden, om kortsluiting met de metalen plug te voorkomen. Ook is het - raadzaam om de diode met wat lijm in de plug vast te zetten.

In figuur 3 ziet u het prototype dat wij maakten en waarmee ook de skoopfoto uit dit artikel gemaakt is. Als u de schakeling uit figuur 2 wilt maken, dan kan dit het beste op gaatjesbord gebeuren. Hierbij moet uiteraard wel af en toe figuur 4 geraadpleegd worden, want daarin staan de aansluitingen van IC1 en D1. Ons prototype is in figuur 5 te zien.

Fig 3
Figuur 3. De "infrarood-meetkop" kan rechtstreeks in een oscilloskoop worden geplugd voor het testen van een infrarood-afstandsbediening.

Fig 4
Figuur 4. De aansluitingen van IC1 en D1 kunnen van pas komen bij het opbouwen van de experimenteerschakeling uit figuur 2

Fig 5
Figuur 5. De experimenteer-schakeling uit figuur 2 op gaatjesbord.

Gebruik

Voor de schakeling uit figuur 1 kan de oscilloskoop op een bereik van 0,2 à 0,5 volt per division (schaaldeel) gezet worden. De tijdbasis kan men bijvoorbeeld op 5 millisekonden instellen. De afstandsbediening wordt op circa 50 cm van de "meetkop" gehouden, welke in de DC-ingang van de oscilloskoop is gestoken. Terwijl men de afstandsbediening ingedrukt houdt, draait men zolang aan de Y-positie-regeling, tot het hele beeld goed zichtbaar is. Als niet de DC-ingang, maar de AC-ingang gebruikt wordt, dan kan de skoop op een bereik van ongeveer 50...100 mV/div. gezet worden.

Bij de bovengenoemde tijdbasis-instelling van 5 ms is de blokspanningsvorm van de "data" goed zichtbaar. De hulpdraaggolf zelf is echter niet te zien. Deze wordt pas zichtbaar als er een wat snellere tijdbasis, bijvoorbeeld 20 mikrosekonden, gekozen wordt. Bij deze laatste tijdbasis kan men goed zien dat ieder databit uit een hele reeks aan-uit-pulsen (een soort naalden dus) is opgebouwd (zie ook het skoopplaatje van figuur 6). Mogelijke fouten in de afstandsbediening zijn op de skoop snel te ontdekken: indien een van de databits af en toe van nivo wisselt, zonder dat u een andere toets hebt ingedrukt, dan duidt dit op een versleten toets of een los kontakt. Zakken de blokken in elkaar als een van de toetsen een tijdje wordt ingehouden, dan is de batterij kennelijk aan de lege kant.

Fig 6
Figuur 6. Indien een van de bitjes af en toe van nivo verandert zonder dat er op een andere toets van de afstandsbediening gedrukt is, dan hapert de ingedrukte toets of is er ergens een los kontakt.

Hoewel ook de schakeling uit figuur 2 op een oscilloskoop kan worden aangesloten, is deze vooral als experimenteer-schakeling bedoeld. Met de schakeling kunnen sterkte-variaties van infrarood-lichtbronnen hoorbaar worden gemaakt. Hiertoe moeten wel eerst allerlei stoorzenders worden uitgeschakeld, zoals bijvoorbeeld uit het lichtnet gevoede gloeilampen die een 100-Hz-brom (dubbele netfrekwentie) veroorzaken. Indien de versterking niet te klein wordt gekozen en de voedingsspanning niet te laag, dan kan er zelfs een hoofdtelefoon op de uitgang van de schakeling worden aangesloten. Het aansteken van bijvoorbeeld een lucifer (figuur 7) kan met de schakeling heel goed hoorbaar gemaakt worden: een kleine vlam klinkt als een soort briesje; een haardvuur daarentegen, zo laat een van onze medewerkers weten, klinkt via de "infrarood-meetkop" als een soort orkaan.

Fig 7
Figuur 7. Vlammen veranderen voortdurend van grootte en intensiteit; daarom produceren ze met behulp van de "infrarood-meetkop" allerlei geluiden, van briesje tot orkaan!.