Kennismaking
Met deze module kunt u op een eenvoudige manier bewegingen detecteren. U kunt de HB100 bijvoorbeeld gebruiken voor het openen van een deur als er iemand aan komt lopen of voor het openen van een garagepoort als er een auto aan komt rijden. De HB100 werkt volgens het doppler-principe op een frequentie van 10,525 GHz.
De HB100 wordt door diverse fabrikanten geproduceerd en is leverbaar via de bekende Chinese internet-kanalen voor prijzen vanaf € 3,50 per stuk. De elektronica is ondergebracht op een printje van 4,0 cm bij 4,6 cm. De module wordt gevoed uit een spanning van 5 Vdc en weegt slechts acht gram. De elektronica is afgeschermd door een metalen behuizing die door middel van vier omgebogen lipjes op het printje is bevestigd. Op de rugzijde van de module ziet u vier grote koperen vlakken op de print. Deze vormen de zend- en de ontvang-antennes van de module.
U moet de module zo opstellen dat zij loodrecht staat op de richting waarin u bewegingen wilt detecteren.
 |
| De voor- en de achterzijde van de HB100 module. (© 2019 Jos Verstraten) |
Op de module is een zendertje aanwezig dat continu een signaal van 10,525 GHz uitzendt. Als deze elektromagnetische golven tegen een voorwerp botsen zal dit voorwerp een deel van deze golven terugkaatsen. De module ontvangt een deel van dit signaal. In een hoogfrequente menger worden het signaal van de zender en het teruggekaatste signaal met elkaar gemengd. Deze menger levert een gelijkspanning als de frequenties van beide signalen aan elkaar gelijk zijn. Dat is het geval als het voorwerp dat terugkaatst in rust is.
Anders wordt het als het voorwerp beweegt ten opzichte van de sensor. Dan speelt het doppler-effect een rol. Als het voorwerp naar de sensor toe beweegt zal de frequentie van de teruggekaatste golven iets hoger zijn dat de frequentie van de zender. Als het voorwerp van de sensor af beweegt zal de frequentie van de teruggekaatste golven iets lager zijn dan deze van de zender. In beide gevallen wordt de menger gestuurd met twee signalen met iets afwijkende frequenties. Het gevolg is dat deze schakeling een verschilsignaal genereert waarvan de frequentie gelijk is aan het verschil van beide frequenties. Dit noemt men het 'middenfrequent signaal' of 'intermediate frequency signal', afgekort tot IF.
Stel dat de zender een signaal uitzendt met een frequentie van exact 10,500.000 GHz en de teruggekaatste golven een frequentie hebben van 10,500.005 GHz. De menger zal dan een IF-signaal genereren met een frequentie van 5 kHz.
In het onderstaande oscillogram is de uitgangsspanning van de module voorgesteld als een voorwerp voor de module heen en weer wordt bewogen. Met de groene lijn wordt het massapotentiaal voorgesteld. In rust staat er dus een gelijkspanning op de IF-uitgang van de module. Bij gedetecteerde beweging levert de module een laagfrequent wisselspanningssignaal af rond deze gelijkspanning.
 |
| De uitgangsspanning van de module in rust (links) en bij gedetecteerde beweging (rechts). (© electroschematics) |
Dit signaal is vrij klein en u moet het versterken. Dat is natuurlijk geen probleem, een simpele laagfrequent versterker is goed genoeg. Nadien moet u het versterkte signaal omzetten in een mooie puls waarmee u de volgende schakelingen stuurt. Ook dat is een vrij simpele opgave, want daarvoor kunt u een monostabiele multivibrator MMV toepassen. Het blokschema van het systeem is samengevat in de onderstaande figuur.
 |
| Het blokschema van een doppler radar bewegingsdetectie. (© 2019 Jos Verstraten) |
In de module zit dus een 10 GHz oscillator, een idem zendertje, een idem ontvangertje en een mengtrap. En dat alles voor nog geen vijf euro? Dat maakt nieuwsgierig naar de toegepaste elektronica. De metalen kap over het printje kunt u gemakkelijk verwijderen en wat er onder deze kap verborgen is ziet u op de onderstaande foto. Twee transistoren, een weerstandje, een condensator en een vreemdsoortig onderdeel dat nog meeste lijkt op een ceramisch schijfje. Dat blijkt een 'diëlektrische resonator' te zijn, een piëzo-ceramisch schijfje dat kan trillen op golflengtes die in het mm- en μm-gebied liggen. Dit schijfje vormt samen met de eerste transistor, de condensator en een paar koperstructuren op het printje de oscillator en de zendtrap. Denk er om dat signalen met een frequentie van 10 GHz zich nogal afwijkend gedragen en dat de vreemdgevormde kopervlakken op het printje voor deze signalen werken als condensatoren en inductanties.
De tweede transistor vormt de ontvanger en de mengtrap. Het signaal van de oscillator wordt via een spoeltje dat op de print is geëtst aan de collector van de mengtransistor aangeboden. Het teruggekaatste signaal gaat van de ontvang-antenne naar een afgestemde kring, ook verborgen in het koperpatroon van de print, en dan naar de basis van dezelfde transistor. Het verschilsignaal wordt afgenomen van de emitter en staat ter beschikking op de IF-pennen van het printje.
Dit printje is dus zonder meer een schoolvoorbeeld van hoe met een minimaal aantal onderdelen een GHz-schakeling kan worden opgebouwd.
 |
| Slechts vier herkenbare elektronische onderdelen op het printje. (© 2019 Jos Verstraten) |
Het blokschema en de aansluitgegevens van de module kunnen voorgesteld worden door onderstaand schema.
 |
| Het blokschema van de module. (© 2019 Jos Verstraten) |
Volgens de fabrikant heeft de module de onderstaande specificaties:
- Werkfrequentie: 10,520 GHz ~ 10,530 GHz
- Uitgezonden vermogen: 15 mW typisch
- Ruis op de uitgang: 5 μV max.
- Voedingsspanning: 4,75 Vdc ~ 5,25 Vdc
- Voedingsstroom: 30 mA typisch
- Pulsbedrijf: 2 kHz typisch
- Pulsbreedte bij pulsbedrijf: 10 μs min.
- Settling-tijd bij pulsbedrijf: 3 μs min.
- Detectie-afstand: 20 m typisch
- Afmetingen: 40,0 mm x 46,5 mm x 8,7 mm
- Gewicht: 8 g typisch
Het stralingspatroon
In de onderstaande figuur is het horizontaal en verticaal stralingspatroon van de zend-antenne voorgesteld. Als u de module in continu modus gebruikt met een voedingsspanning van 5 Vdc wordt maximaal 15 mW uitgestraald. Dat komt neer op een vermogensdichtheid van 1 mW/cm2 op 5 mm afstand van de zend-antenne en 0,72 μW/cm2 op een meter van de antenne. Niets dus om u zorgen te maken over stralingsziekten!
Als u de module pulserend gebruikt met een duty-cycle van 5 % daalt de vermogensdichtheid zelfs tot 50 μW/cm2 op 5 mm van de module en tot 0,036 μW/cm2 op een meter afstand.
 |
| Het stralingspatroon van de zend-antenne. (© Singapore Technologies Electronics) |
Als u de HB100 module met de 5 Vdc voedingsspanning verbindt gaat de module het 10 GHz signaal continu uitstralen. Als er dan iets binnen het detectiebereik beweegt ontstaat op de IF-pen het reeds voorgestelde LF-signaal. Dit noemt met CW-modus, afkorting van 'Continuous Wave'. Maar dat continu uitzenden is nergens voor nodig, u kunt net zo goed bewegingen detecteren door de module maar af en toe een reeks 10 GHz pulsen te laten uitzenden. Dat noemt met PW-modus, afkorting van 'Pulsed Wave'.
U kunt de module heel eenvoudig in de PW-modus schakelen door de voedingsspanning via een transistor aan de module aan te bieden en deze transistor in de basis met een puls aan te sturen. De geadviseerde pulsfrequentie bedraagt 2 kHz, de minimale breedte van de pulsen bedraagt 10 μs.
De module in de praktijk
Het LF-signaal dat op de IF-uitgang verschijnt is nogal klein, u kunt rekenen op een signaaltje van hooguit een paar millivolt. Bij een experiment bewoog een persoon met een gewicht van 70 kg en een lengte van 170 cm met een snelheid van 1 m/s naar de module. Op een afstand van één meter gaf de module een doppler-signaal af met een amplitude van 5 mV en een frequentie van 72 Hz.
De module moet dus afgesloten worden met een versterker met een hoge versterkingsfactor. Gelukkig kan deze schakeling vrij smalbandig zijn. Normale menselijke bewegingen naar en van de module leveren een signaal op met een doppler-frequentie van maximaal 100 Hz. Gemakkelijk te versterken, dus. Het LF-signaal staat op een gelijkspanning van maximaal 0,2 V. U moet dus de versterker in ieder geval capacitief met de uitgang van de module verbinden.
De standaard schakeling voor CW-modus
In de onderstaande figuur is het door de fabrikant(en) voorgeschreven schema voorgesteld als u de module constant in bedrijf houdt. De twee versterkertrappen zijn uitgerust met laagdoorlaat filters zodat de ruis zoveel mogelijk wordt onderdrukt. Om het geheel uit de 5 Vdc voedingsspanning van de module te kunnen voeden worden twee op-amp's van het type LM324 gebruikt. De weerstandsdeler R2/R3 zorgt voor een virtuele massa die op exact 2,5 V staat. Deze spanning wordt met de condensator C6 ontkoppeld.
De versterkingsfactor van de eerste trap wordt bepaald door de verhouding tussen R6 en R5 en bedraagt ongeveer 1.000. De condensator C4 zorgt ervoor dat de terugkoppeling frequentie-afhankelijk wordt en alleen de lage frequenties flink worden versterkt. Hetzelfde gebeurt in de tweede trap. Het signaal op de uitgang staat op een gelijkspanning van 2,5 V. Denk er aan dat deze schakeling ongeveer één miljoen keer versterkt en dat u dus de nodige zorg moet besteden aan het afschermen van de schakeling tegen stoorsignalen.
 |
| Het standaard schema voor CW-modus. (© 2019 Jos Verstraten) |
Ongeveer hetzelfde versterkerschema wordt aangeraden als u de module niet constant aan laat staan, maar met korte pulsjes stuurt. Het schema is voorgesteld in de onderstaande figuur. De voedingsspanning wordt nu via de transistor T1 aan de module aangeboden. De IF-uitgang gaat via transistor T2 naar de versterker. Als de stuuringang gelijk is aan de voedingsspanning zullen beide transistoren sperren. De module is uitgeschakeld, de ingang van de versterker zit alleen aan de halve voedingsspanning via R4 en R5.
Als u een smalle puls naar de massa aan de stuuringang legt gaan beide transistoren geleiden. De HB100 krijgt voeding, gaat werken en de IF-uitgang levert het doppler-signaal via T2 aan de ingang van de versterker.
Aanbevolen wordt de werken met een pulsbreedte tussen 5 μs en 30 μs en een herhalingsfrequentie tussen 2 kHz en 4 kHz.
 |
| Het standaard schema voor PW-modus. (© 2019 Jos Verstraten) |
Om het u gemakkelijk te maken is er een aantal leveranciers op internet te vinden die de module aanbiedt samen met een versterkerprintje, zie onderstaande foto. Voor deze combinatie moet u ongeveer € 22,00 betalen.
 |
| De HB100-module mét aangebouwde versterkerprint. (© 2019 Jos Verstraten) |
Microwave Doppler X-Band Radar Sensor
