NL8802661A

NL8802661A - Afstandsbedieningsontvanger met energie teruglevering aan batterij.

Info

Publication number: NL8802661A
Application number: NL8802661A
Authority: NL
Original assignee: Philips Nv
Priority date: 1988-10-31
Filing date: 1988-10-31
Publication date: 1990-05-16
Also published as: DK536789A; EP0367333A1; DK536789D0; JPH02171041A; CA2001634A1

Description

N.V. Philips' Gloeilampenfabrieken te Eindhoven Afstandsbedieningsontvanger met energie teruglevering aan batterij.

A. Achtergrond van de uitvinding A(1) Gebied van de uitvinding

De uitvinding heeft in zijn algemeenheid betrekking op een afstandsbedieningssysteem waarin van een zender, als boodschappen dienende, pulsreeksen, na modulatie op een geschikt gekozen draaggolfsignaal worden overgedragen naar een of meer ontvangers. De zender maakt daarbij doorgaans deel uit van een door een gebruiker bedienbaar handapparaat, terwijl de ontvanger deel uitmaakt van het te bedienen apparaat. Dit kan zijn een audio-apparaat, een video-apparaat enzovoorts. Als draaggolfsignaal wordt tegenwoordig alom infra-rood licht gebruikt.

De uitvinding heeft meer in het bijzonder betrekking op een ontvanger voor toepassing in een afstandsbedieningssysteem.

In het hierna volgende zal het afstandsbedieningssysteem kortheidshalve worden aangeduid met RC-systeem, de daarin toegepaste zender met RC-zender en de ontvanger met RC-ontvanger.

A(2) Beschrijving van de stand van de techniek

In een afstandsbedieningssysteem is de RC-zender voorzien van een boodschapgenerator die op een daartoe strekkend verzoek van de gebruiker een boodschap levert in de vorm van een reeks pulsen. Voor overdracht daarvan naar een RC-ontvanger is een infra-rood modulatie-circuit aanwezig met een foto-diodeketen waarvan het uitgestraalde infrarode licht wordt gemoduleerd door de pulsen in de reeks.

De RC-ontvanger is eveneens voorzien van een foto-diodeketen. Deze ontvangt het infra-rode licht en moduleert de daardoor vloeiende stroom. Deze aldus gemoduleerde stroom wordt bewerkt in een signaalverwerkingsschakeling die dan de oorspronkelijke boodschap weer levert.

Uitvoeringsvoorbeelden van bovenbedoelde RC-zenders en RC-ontvangers zijn uitvoerig beschreven in referentie 1. Meer in het bijzonder is bij deze bekende RC-ontvanger de signaalverwerkingsschakeling voorzien van een informatiesignaalingang die is verbonden met de anode van de foto-diodeketen en met een referentiegelijkspanningsingang die aan aardpotentiaal is gelegd. Beide ingangen zijn door middel van een zelfinduktie, die onderdeel uitmaakt van een resonantiekring, met elkaar verbonden. De kathode van de foto-diodeketen is aan de positieve pool van een gelijkspanningsvoedingsbron gelegd. De foto-diodeketen is van het sperrichtingstype; dat wil zeggen dat hij bedoeld is om in sperrichting te worden geschakeld tussen de gelijkspanningsvoedingsbron en aarde. De stroom die door dit type foto-diodeketen vloeit en die door het opvallende infra-rode licht wordt gemoduleerd wordt onttrokken aan de voedingsspanningsbron. De diodeketen kan in deze bekende RC-ontvanger dus worden gezien als een variabele weerstand, waarbij de weerstandswaarde afhankelijk is van de intensiteit van het opvallende licht.

Deze bekende RC-ontvangers worden toegepast in apparatuur waarin de benodigde voedingsspanningen waaronder die voor de RC-ontvanger, doorgaans van het lichtnet worden afgeleid.

Hoewel deze bekende RC-ontvangers van hoge kwaliteit zijn, blijken zij niet te voldoen in die situaties waarin de benodigde voedingsspanning door een batterij wordt geleverd; namelijk blijkt de levensduur van de batterij dan onacceptabel kort te zijn.

B. Doelstelling en samenvatting van de uitvinding

De uitvinding beoogt de bekende RC-ontvangers geschikt te maken om te worden gevoed vanuit een batterij, zodanig dat de batterij een voldoend lange levensduur heeft.

Overeenkomstig de uitvinding is daartoe: - de foto-diodeketen van het doorlaatrichtingstype; - een middel aanwezig om over de foto-diodeketen een instelgelijkspanning op te wekken waarvan de richting overeenkomt met de doorlaatrichting van de diodeketen en die lager is dan de kniespanning van de foto-diodeketen.

Een foto-diodeketen van het doorlaatrichtingstype is een keten die bedoeld is om in doorlaatrichting te worden aangesloten op een gelijkspanningsvoedingsbron. In tegenstelling tot de foto-diodeketen van het sperrichtingstype waarbij de stroom die daardoor vloeit in hoofdzaak wordt geleverd door de gelijkspanningsvoedingsbron, kan een foto-diodeketen van het doorlaatrichtingstype worden beschouwd als een stroombron die als gevolg van het opvallende infra-rode licht zelfstandig een zogenaamde fotostroom opwekt die in deze diodeketen loop van de kathode in de richting van de anode. Een foto-diodeketen van het sperrichtingstype gedraagt zich aldus hoofdzakelijk als een passief element, terwijl een foto-diodeketen van het doorlaatrichtingstype zich in hoofdzaak gedraagt als een actief element (namelijk als stroombron).

Uit experimenten met de foto-diodeketen van het sperrichtingstype blijkt dat als een batterij wordt gebruikt als gelijkspanningsvoedingsbron, deze een zeer korte levensduur heeft. Dit moet worden toegeschreven aan het feit dat niet alleen het door de RC-zender uitgezonden infra-rode licht tot een stroom door de foto-diodeketen aanleiding geeft, maar ook omgevingslicht, zoals het licht van gloeilampen en zonlicht. Dergelijke lichtbronnen zorgen voor een voortdurende stroom door de foto-diodeketen en zijn derhalve de oorzaak van de korte levensduur van de batterij. Doordat de gekozen foto-diodeketen nu van het doorlaatrichtingstype is en aldus zelf een fotostroom opwekt, komt deze stroom niet ten laste van de batterij. Voor een goede werking moet de instelgelijkspanning wel zodanig worden gekozen dat de fotostroom kans krijgt om te vloeien. Dit is het geval als deze instelgelijkspanning lager is dan de zogenaamde kniespanning.

De fotostroom bestaat uit een laagfrequent component die wordt veroorzaakt door het omgevingslicht en een hoogfrequent component die wordt veroorzaakt door het infra-rode licht dat door de RC-zender wordt uitgezonden. Door nu deze fotostroom toe te voeren aan een scheidingsfilter dat genoemde hoogfrequent component scheidt van de laagfrequent component, kan laatstgenoemde component worden gebruikt als laadstroom voor een oplaadbare batterij die deze RC-ontvanger voedt.

C. Referenties 1. Low-power remote control IR transmitter and receiver preamplifier;

Philips' Electronic Components and Materials;

Technical publication 167 dated 22 March 1985.

2. Philips' Data Handbook Microcontrollers and peripherals;

Integrated circuits;

Book IC 14 1987, pagina's 233-265, in het bijzonder 256 en 257.

3. Philips' Data Handbook Semiconductors;

Optoelectronic devices;

Book S8b 1986, pagina 369.

D. Toelichting op de uitvinding 0(1) Korte beschrijving van de figuren

Figuur 1 toont schematisch een boodschap zoals die door een RC-zender wordt opgewekt voor overdracht naar de RC-ontvanger.

Figuur 2 toont schematisch de opbouw van de RC-ontvanger volgens de uitvinding.

Figuur 3 toont enige karakteristieken ter illustratie van het verband tussen spanning over een foto-diode en de daardoor lopende fotostroom.

Figuur 4 toont schematisch een verdere uitwerking van de RC-ontvanger volgens de uitvinding.

Figuur 5 toont een praktische implementatie van de in figuur 4 schematisch aangegeven RC-ontvanger;

Figuur 6 toont een andere praktische implementatie van de in figuur 4 aangegeven RC-ontvanger.

D(2) Boodschap formaat

In figuur 1 is bij A schematisch een boodschap weergegeven zoals die van een RC-zender naar een RC-ontvanger wordt overgedragen. Deze boodschap is opgebouwd op de wijze zoals beschreven in referentie 1 en omvat een referentiebit REF, een zogenaamd togglebit TG, een adreswoord van drie adresbits S0,S1,S2 en een commandowoord van zes commandobits R1,R2,...,R6. De funkties van deze bits zijn uitvoerig beschreven in referentie 1 en voor een goed begrip van de uitvinding van geen belang. Elk bit bestaat uit twee pulsen met lengte tpw en met een daartussen gelegen pulspause. De lengte van deze pulspause bepaalt de logische waarde van het betreffende bit. Meer in het bijzonder wordt een bit met logische waarde "0" gedefinieerd door een pulspause t^Q en wordt een bit met logische waarde "1" gedefineerd door een pulspause tjji. Deze pulspauses worden gebruikelijkerwijze uitgedrukt in aantallen klokpulsperioden tQSC van een referentieklok. Enige karakteristieke waarden zijn: klokfrequentie van referentieklok togc = 455 Hz klokpulsperiode van referentieklok tQSC = 32 ps pulspause voor logische "0" t^Q = 2240 tosc pulspause voor logische "1" tj^ = 3392 tosc

pulslengte tpw = 64 tQSC

herhalingsfrequentie van een boodschap tw = 55296 tQSC.

De bij A in figuur 1 weergegeven pulsen worden voor overdracht naar de RC-ontvanger eerst gemoduleerd op een draaggolf die een draaggolffrequentie van 38 kHz heeft. Daardoor wordt het schematisch bij B in figuur 1 aangegeven signaal verkregen waarbij zoals bij C in figuur 1 nog nader is aangegeven elke puls met pulslengte tpw is vervangen door een trein van zes modulatiepulsen met een periodeduur tM = 12tosc = 26,4 ps en een pulsbreedte tMH = 4tQSC = 8,8 ps.

Voor de uiteindelijke overdracht van de boodschap worden deze modulatiepulsen op een infra-rood draaggolf gemoduleerd.

D(3) De RC-ontvanger

In figuur 2 is een uitvoeringsvoorbeeld weergegeven van een RC-ontvanger die geschikt is voor ontvangst van boodschappen van het formaat zoals dat in het bijzonder bij B in figuur 1 is aangegeven. Het hart van deze ontvanger wordt gevormd door een signaalverwerkingsschakeling 1. Deze heeft een referentiegelijkspanningsingang 1.1 die aan aardpotentiaal is gelegd, alsmede een informatiesignaalingang 1.2 die te verwerken informatiesignalen ontvangt. Deze RC-ontvanger is verder voorzien van een foto-diodeketen 2 bestaande uit één of meer in cascade geschakelde foto-dioden en die een anode A en een kathode K heeft. De kathode K ontvangt dezelfde referentiegelijkspanning namelijk aardpotentiaal als de referentiegelijkspanningsingang 1.1 van de signaalverwerkingsschakeling 1. De anode is in dit uitvoeringsvoorbeeld via een weerstand 3 gekoppeld met de informatiesignaalingang 1.2 van de signaalverwerkingsschakeling 1. Deze weerstand 3 is hier overbrugd door een operationele versterker 4. Meer in het bijzonder is daarbij de uitgang van deze operationele versterker 4 door middel van deze weerstand 3 verbonden met zijn inverterende ingang (-), terwijl aan zijn niet-inverterende ingang (+) een positieve referentiegelijkspanning vref wor^t toegevoerd. Daardoor ontstaat aan de anode van de foto-diodeketen 2 een instelgelijkspanning Vp (gewoonlijk anodespanning genoemd) die gelijk is aan Vre^.

Wanneer nu op de diodeketen infra-rood licht valt, gaat er door deze foto-diodeketen 2 een fotostroom IpQ vloeien in een richting van kathode naar anode. De grootte van deze fotostroom is sterk afhankelijk van de intensiteit E van het opvallende licht, maar betrekkelijk onafhankelijk van de anodespanning Vp zolang deze maar beneden een zogenaamde kniespanning VR blijft. In de buurt van deze kniespanning neemt deze fotostroom namelijk sterk af tot een waarde nul. Dit algemene gedrag van een foto-diodeketen is voor een foto-diodeketen bestaande uit één foto-diode (namelijk de PBX 40 die door Philips in de handel wordt gebracht), voor verschillende intensiteiten E van het opvallende infra-rode licht in figuur 3 weergegeven. Opgemerkt zij dat deze figuur 3 identiek is aan figuur 2 die op pagina 369 van referentie 3 is afgebeeld, waarin voor de anodespanning Vp een logarithmische schaal is genomen.

Bij de in figuur 2 weergegeven RC-ontvanger zorgen nu de weerstand 3 en de operationele versterker 4 ervoor dat de anodespanning Vp niet groter wordt dan vref die op zijn beurt weer kleiner is dan de kniespanning VR van de foto-diodeketen. Onder alle omstandigheden blijft dan de fotostroom IpQ lopen van een punt met aardpotentiaal via de diodeketen 2 in de richting van de informatiesignaalingang 1.2 van de signaalverwerkingsschakeling 1. In tegenstelling tot de in referentie 1 beschreven RC-ontvanger wordt nu deze fotostroom dus niet onttrokken aan een batterij die als voedingsbron fungeert, maar geleverd door de diodeketen zelf.

Als nu de RC-zender een boodschap uitzendt van het formaat dat bij B in figuur 1 is aangegeven en gemoduleerd op infra-rood licht, dan zal de fotostroom hetzelfde pulsvormige karakter vertonen als de gemoduleerde boodschap. Om daaruit de bij A in figuur 1 aangegeven vorm van de boodschap terug te winnen, wordt deze fotostroom Ip0 in de signaalverwerkingsschakeling 1 eerst toegevoerd aan een resonantiekring 1.3 die wordt gevormd door een parallelschakeling van een condensator 1.3.1 met capaciteit C en een spoel 1.3.2 met zelfinduktie L. De grootheden C en L worden zodanig gekozen dat de resonantiefrequentie van deze resonantiekring 38 kHz is en aldus overeenkomt met de snelheid waarmee de klokpulsen in de boodschap optreden (vergelijk B en C in figuur 1).

De signaalverwerkingsschakeling 1 is verder voorzien van een IC-schakeling 1.4 met ingangspoorten P1 en P2, een voedingsgelijkspanningspoort P8 en een uitgangspoort P9. Dit uitvoeringsvoorbeeld is gebaseerd op de aanname dat deze IC-schakeling wordt gevormd door de TDA 3047 of TDA 3048, waardoor deze signaalverwerkingsschakeling 1 verregaand overeenkomt met de RC-ontvanger zoals die in referentie 1 uitvoerig is beschreven. Meer in het bijzonder is de ingangspoort P1 via een condensator 1.5 verbonden met een middenaftakking van spoel 1.3.2 en is ingangspoort P2 via een condensator 1.6 aan aardpotentiaal gelegd. Voedingsgelijkspanningspoort P8 ontvangt een voedingsgelijkspanning Vcc die in dit uitvoeringsvoorbeeld wordt geleverd door een bron 5 die als batterij is uitgevoerd. Uitgangspoort P9 levert de ontvangen boodschap in het formaat zoals dat bij A in figuur 1 is aangegeven. De aldus verkregen boodschap wordt voor verdere verwerking toegevoerd aan een stuurcircuit 6. Verondersteld kan worden dat deze zodanig is uitgevoerd dat het een formaat omzetting kan bewerkstelligen van de ontvangen boodschap ten einde deze in een busformaat naar de betreffende circuits te kunnen overdragen. Dit gebeurt via de databus die in figuur 2 met I2C is aangeduid.

Als besturingscircuit voldoet in het bijzonder een microcomputer. Vele in de handel verkrijgbare microcomputers komen daarvoor in aanmerking. Bijvoorbeeld de microcomputer PCB 83 C552 die door Philips op de markt wordt gebracht en die uitvoerig is beschreven in referentie 2. Bij gebruik van deze microcomputer worden de boodschappen die door IC-schakeling 1.4 worden geleverd, toegevoerd aan de zogenaamde Interrupt ingang (pen 26 of 27) van de microcomputer.

Behalve het infra-rode licht dat door de RC-zender wordt uitgezonden, veroorzaakt ook oiagevingslicht zoals zonlicht en licht van gloeilampen een fotostroom met aanzienlijk lager frequent componenten dan de fotostroom die door een overgedragen boodschap wordt veroorzaakt. De eerstgenoemde componenten zullen laagfrequente fotostroom worden genoemd, de andere componenten hoogfrequente fotostroom. De laagfrequente fotostroom levert geen bijdrage aan het signaal dat via condensator 1.5 aan de ingangspoort P1 van IC-schakeling 1.4 wordt toegevoerd omdat hij via spoel 1.3.2 naar aarde wordt afgevoerd.

Deze laagfrequente fotostroom kan echter ook nuttig worden besteed; namelijk voor het opladen van een oplaadbare batterij.

Om dat de realiseren kan bijvoorbeeld zoals in figuur 4 schematisch is aangegeven tussen weerstand 3 en informatiesignaalingang 1.2 een scheidingsfilter 7 worden opgenomen dat aan een ingang 7.1 de totale fotostroom ontvangt, aan zijn uitgang 7.2 de hoogfrequente fotostroom IHF levert en aan ζ*3η uit9an9 7.3 de laagfrequente fotostroom I^p.

Deze laatste wordt nu toegevoerd aan de als oplaadbare batterij uitgevoerde voedingsspanningsbron 5. Deze voedingsspanningsbron 5 is verder via een spanningsdelerschakeling 8 aangesloten op de niet-inverterende ingang {+) van de operationele versterker 4 en via een spanningsdelerschakeling 9 op de voedingsgelijkspanningspoort P8 van IC-schakeling 1.4.

Een praktische realisatie van de in figuur 4 schematisch weergegeven uitvoeringsvorm is weergegeven in figuur 5. Deze uitvoeringsvorm is daardoor gekenmerkt dat de funktie van weerstand 3, operationele versterker 4, scheidingsfilter 7 en spanningsdelerschakeling 8 zijn samengebracht in één circuit waarvan het hart wordt gevormd door de operationele versterker 4. Daarvan is de uitgang wederom via de weerstand 3 verbonden met zijn inverterende ingang Laatstgenoemde ingang is nu tevens via een condensator 10 aangesloten op de anode A van de foto-diodeketen 2, alsmede op de basis van een transistor 11. De emitter daarvan is eveneens aangesloten op de anode A van de foto-diodeketen 2, terwijl zijn collector is verbonden met de positieve pool van de als oplaadbare batterij uitgevoerde voedingsspanningsbron 5. De spanning op deze positieve pool vormt tevens de voedingsgelijkspanning Vcc. De negatieve pool van deze voedingsspanningsbron 5 is aan aardpotentiaal gelegd. Zijn positieve pool is tevens aangesloten op de emitter van een als diode geschakelde transistor 12. De basis daarvan is aangesloten op de niet-inverterende ingang (+) van de operationele versterker 4, terwijl in zijn collectorketen een stroombronschakeling is opgenomen. Deze bestaat uit twee als stroomspiegel geschakelde transistoren 13 en 14, waarbij de collector van transistor 14 via een weerstand 15 eveneens met de positieve pool van de voedingsspanningsbron 5 is verbonden. Op deze wijze is bereikt dat de niet-inverterende ingang (+) van de operationele versterker een spanning voert die gelijk is aan die van de voedingsspanningsbron 5 en dat de anodespanning VF voortdurend een bedrag AVBE hoger is dan de voedingsspanning. Dit bedrag ΔνβΕ wordt geleverd door het verschil in spanning over de basis-emitterovergangen van transistoren 11 en 12. Hierdoor én het feit dat condensator 10 de doorgang van de laagfrequente fotostroom naar de informatiesignaalingang 1.2 blokkeert, wordt deze laagfrequente fotostroom via transistor 11 toegevoerd aan de voedingsspanningsbron 5. De doorgang van de hoogfrequente fotostroom wordt door condensator 10 niet geblokkeerd en wordt zodoende via weerstand 3 naar de informatiesignaalingang 1.2 gevoerd.

Een andere praktische uitvoeringsvorm van de RC-ontvanger is schematisch weergegeven in figuur 6. Dit uitvoeringsvoorbeeld wordt afgeleid van het uitvoeringsvoorbeeld dat is weergegeven in figuur 5, door daarin de PNP transistoren te vervangen door NPN transistoren en omgekeerd. In deze figuur 6 zijn elementen die overeenkomen met elementen in figuur 5, met dezelfde verwijzingscijfers aangegeven als in figuur 5.

Ook hier wordt het hart van de schakeling gevormd door de operationele versterker 4. De uitgang daarvan is via de weerstand 3 verbonden met zijn inverterende ingang (-) laatstgenoemde ingang is tevens via de condensator 10 aangesloten op de kathode K van de foto-diodeketen 2, alsmede op de basis van een transistor 11'. De emitter daarvan is eveneens aangesloten op de kathode K van de foto-diodeketen 2, terwijl zijn collector is verbonden met de negatieve pool van de als oplaadbare batterij uitgevoerde voedingsspanningsbron 5, Deze negatieve pool is tevens aan aardpotentiaal gelegd. De positieve pool van de batterij levert de gewenste voedingsgelijkspanning Vcc voor de overige circuits van de RC-ontvanger en is aangesloten op de anode van de foto-diodeketen 2. De negatieve pool van de batterij is verder aangesloten op de emitter van een als diode geschakelde transistor 12' waarvan de basis is aangesloten op de niet-inverterende ingang (+) van de operationele versterker 4. In de collectorketen van deze transistor 12' is een strooabronschakeling opgenomen bestaande uit twee als stroomspiegel geschakelde transistoren 13' en 14r. De emitters van deze transistoren 13' en 14' zijn aan de positieve pool van de batterij gelegd terwijl de collector van transistor 14' via de weerstand 15 aan aardpotentiaal is gelegd. Op deze wijze wordt bereikt dat de niet-inverterende ingang (+) van de operationele versterker 4 een spanning voert die een bedrag VBE hoger is dan aardpotentiaal. Dit bedrag VBE wordt geleverd door de basisemitterovergang van transistor 12'. De kathodespanning VK van de foto-diodeketen is voortdurend een bedrag VBE lager dan de spanning op de niet-inverterende ingang (+). Dit bedrag V|E is een gevolg van de basisemitterovergang van transistor 11'. Voor een goede funktionering van deze RC-ontvanger wordt er voor gezorgd dat V£E groter is dan VBE zodat de fotostroom inderdaad gaat vloeien in de richting van de positieve pool van de batterij.

Claims

1. Ontvanger voor toepassing in een afstandsbedieningssysteem waarin van een zender boodschappen draadloos worden overgedragen naar deze ontvanger, waartoe deze boodschappen zijn gemoduleerd op een draaggolfsignaal in de vorm van infra-rood licht, welke ontvanger is voorzien van: - een foto-diodeketen met een anode en een kathode en die gevoelig is voor infra-rood licht ter omzetting van dit infra-rode licht in een elektrische stroom; - een signaalverwerkingsschakeling met een informatiesignaalingang die is gekoppeld met de anode van de foto-diodeketen ter terugwinning van de oorspronkelijke door de zender uitgezonden boodschap; met het kenmerk, dat - de foto-diodeketen van het doorlaatrichtingstype is waarin door opvallend infra-rood licht een fotostroom wordt opgewekt; - dat middelen aanwezig zijn om over de foto-diodeketen een instelgelijkspanning op te wekken waarvan de richting overeenkomt met de doorlaatrichting van de foto-diodeketen en die lager is dan de kniespanning van de foto-diodeketen.

2. Ontvanger volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat genoemde middelen een operationele versterker bevatten met een inverterende en een niet-inverterende ingang en een uitgang, waarbij de inverterende ingang enerzijds is gekoppeld met de anode van de foto-diodeketen en anderzijds via een terugkoppelnetwerk met de uitgang van de operationele versterker en de niet-inverterende ingang een eerste referentiegelijkspanning ontvang,

3. Ontvanger volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat de eerste referentiegelijkspanning wordt afgeleid van een voedingsgelijkspanningsbron met een positieve en een negatieve pool, waarbij de negatieve pool een tweede referentiegelijkspanning ontvangt.

4. Ontvanger volgens conclusie 3, met het kenmerk, dat de genoemde voedingsgelijkspanningsbron wordt gevormd door een oplaadbare gelijkspanningsbron en dat middelen aanwezig zijn voor het scheiden van de hoogfrequent en laagfrequent componenten van de fotostroom en middelen om de laagfrequent componenten als laadstroom toe te voeren aan de oplaadbare gelijkspanningsbron.