Ratgeber
Elektromagnetische Strahlung im Frequenzbereich unterhalb des sichtbaren Lichtes und oberhalb des Terahertzbereichs wird als Infrarot-Strahlung bezeichnet. Der Bereich der IR-Wellenlänge reicht von 1 mm bis ungefähr 800 nm. Alles rund um Infrarot-Strahlen und IR-Indikatoren erfahren Sie hier in unserem Ratgeber.
Elektromagnetische Strahlung im Frequenzbereich unterhalb des sichtbaren Lichtes und oberhalb des Terahertzbereichs wird als Infrarot-Strahlung bezeichnet. Der Bereich der IR-Wellenlänge reicht von 1 mm bis ungefähr 800 nm. Weil alle heißen Gegenstände, z. B. die Sonne, Heizungen, Glühbirnen usw., IR-Strahlung aussenden, wird diese auch „Wärmestrahlung“ genannt.
Infrarotstrahlen werden vom menschliche Auge nicht wahrgenommen, verhalten sich aber ähnlich wie das sichtbare Licht. Diese Eigenschaft lässt sich z. B. dazu benutzen, technische Systeme unauffällig zu steuern und zu überwachen oder um Daten zu übertragen. Das bekannteste Beispiel dafür die die IR-Fernsteuerung von Konsumgeräten wie Fernseher oder Audio-Anlagen. Dazu werden die von der Fernbedienung ausgesendeten codierten Infrarot-Signale von einem IR-Empfänger aufgenommen und für die Anwendung entsprechend umgesetzt.
Mit Hilfe technischer Geräte lassen sich IR-Strahlung bzw. davon beleuchtete Szenarien sichtbar machen. Beispiele dafür sind Nachtsichtgeräte oder IR-Kameras, die die Wärmestrahlung von Gegenständen oder Gebäuden anzeigt.
Im Folgenden werden IR-Empfänger und IR-Indikatoren näher beschrieben.
Bei IR-Empfängern nutzt man den fotoelektrischen Effekt bei PN-Übergängen von Halbleitern. Hier benötigen die Ladungsträger zusätzliche Energie, um vom Valenz- in das Leitungsband zu gelangen. Während das bei herkömmlichen Halbleitern wie Dioden und Transistoren durch Anlegen einer Spannung geschieht, ist das ebenso auch mittels Einwirken von Wärme oder Licht möglich. Aus diesem Grund gibt es spezielle Bauformen für Fototransistoren oder Fotodioden, die in ihrem Gehäuse eine Öffnung mit einer kleinen Linse besitzen, die das darauf fallende Licht auf die Sperrschicht fokussiert.
Der Bereich, bei dem Silizium-Fotodioden oder -Transistoren am empfindlichsten sind, liegt bei etwa 850 nm, also im nahen Infrarot, d. h. direkt unterhalb des sichtbaren Lichtes. Sie lassen sich daher als IR-Sensoren verwenden. Während bei Fotodioden die Bestrahlung mit IR-Licht kleine Stromänderungen hervorruft, werden diese in einem Fototransistor zusätzlich aktiv verstärkt. Der Verstärkungsfaktor kann zwischen 100 und 1.000 betragen. Fototransistoren sind deswegen wesentlich empfindlicher als Fotodioden. Letztere benötigen deshalb eine zusätzliche Verstärkerstufe für das Eingangssignal.
Als Detektor-Dioden kommen in IR-Empfängern auch PIN-Dioden zur Anwendung. Im Gegensatz zu Siliziumdioden befindet sich hier zwischen der p- und der n-dotierten Schicht ein Bereich mit wenig- oder nichtdotiertem Material. Bei IR-Bestrahlung dieses Bereiches verändert sich dessen Widerstand. Das wird zur Detektion von IR-Lichtsignalen genutzt.
In einem Infrarot-Empfänger wird das von einem Infrarot-Sender ausgestrahlte Signal erfasst und anschließend in die für die jeweilige Anwendung geeignete Signalform umgesetzt. Diese IR-Empfänger werden als fertige Module angeboten, in denen sich neben dem IR-Detektor, also dem Fototransistor oder der Fotodiode, auch die dazugehörige Elektronikschaltung befindet.
Die IR-Empfänger-Module arbeiten üblicherweise zusammen mit IR-Sendern, die mit ihren IR-Emittern Lichtimpulspakete aussenden. Diese bestehen aus einzelnen IR-Lichtblitzen, die mit einer Frequenz zwischen 30 und 60 kHz ausgesendet werden. Viele Anwendungen nutzen die Frequenz von 38 kHz. Die Dauer der jeweiligen Impulspakete ist die Codierung der zu übertragenden Information. Daraus werden im Modul digitale Signale erzeugt, mit denen sich ein Mikroprozessor ansteuern lässt. Der führt dann die entsprechenden Steuerfunktionen aus.
Weil IR-Strahlung für das menschliche Auge nicht sichtbar ist, ist es auch nicht möglich, mit direktem Hinsehen festzustellen, ob Bauelemente oder Geräte, die ein IR-Signal aussenden, richtig funktionieren. Das können IR-LEDs, Laserdioden, Fernbedienungen, Lichtschranken, Lichtleiter und ähnliches sein.
IR-Indikatorkarte. Im kleinen Feld rechts oben ist fluoreszierendes Material aufgetragen, das IR-Strahlung in sichtbares Licht verwandelt.
IR-Indikatoren arbeiten mit Stoffen, die IR-Licht in sichtbares Licht umwandeln. Es handelt sich dabei um fluoreszierende Farbpigmente, die speziell auf IR-Strahlung reagieren. Diese werden in Lacke eingerührt auf einen Träger aufgetragen. Als Träger dienen scheckkartengroße Kunststoffkarten.
IR-Detektor (Fototransistor) im radial bedrahteten Kunststoffgehäuse. Die zwei Anschlussdrähte führen zu Kollektor und Emitter.
IR-Detektoren, d. h. IR-Fototransistoren, werden heute in durchsichtigen Kunststoffgehäusen eingebaut, wie sie auch bei Leuchtdioden üblich sind. Als Gehäusematerial wird ein Kunststoff verwendet, der für IR durchsichtig, aber für sichtbares Licht undurchsichtig ist. Die Sperrschicht des Halbleiters wird auf diese Weise vor Einstrahlung von sichtbarem Licht der Umgebung geschützt. Deshalb sieht das Bauelement für das menschliche Auge dunkelgrau aus. Es gibt zwei Anschlussdrähte, und zwar für Emitter und Kollektor des Transistorsystems. Die Basis wird nicht herausgeführt. Die linsenförmige Spitze des Gehäuses fokussiert das IR-Licht auf den Halbleiterchip.
Infrarot-Empfänger. In diesem Modul sind IR-Detektor, Verstärker und Signalaufbereitungsschaltung vereinigt.
IR-Empfänger-Module vereinigen IR-Detektor, Verstärker und die Elektronik zur Signalaufbereitung in einem kompakten Kunststoffgehäuse (Bild 3, Bild 4). Die IR-Strahlung gelangt über eine Linse auf dem Gehäuse in das Innere auf den IR-Detektor. Infrarot-Empfänger sind üblicherweise mit mindestens drei Anschlüssen bedrahtet: Masse, Betriebsspannung und Ausgangssignal. Betrieben werden sie in der Regel mit Gleichspannungen um 5 Volt. Die digitalen Ausgangssignale haben Pegel, die zu den üblichen Mikroprozessoren direkt kompatibel sind.
IR-Empfänger gibt es auch in oberflächenmontierbarer Ausführung.
Was ist bei Montage und Betrieb von IR-Empfängern zu beachten?
Wie alle anderen Halbleiter sind auch IR-Detektoren und IR-Empfänger wärmeempfindliche Bauelemente. Dies muss bei der Montage, insbesondere beim Lötvorgang, berücksichtigt werden. Auch im Betrieb darf die zulässige Temperatur nicht überschritten werden. Dazu müssen die in den Datenblättern angegeben Grenzwerte für Betriebsspannung und -strom eingehalten werden.
Bei der Auswahl der IR-Empfänger ist zu beachten, dass deren Empfangsfrequenz mit derjenigen des Senders, mit dem er betrieben wird, übereinstimmt.
Die meisten IR-Systeme für Fernsteuerungsanwendungen arbeiten mit relativ geringer Strahlungsintensität. Deshalb sind keine besonderen Schutzmaßnahmen bei Montage, Betrieb und Service notwendig. IR-Laser sind allerdings nicht ungefährlich, weil sie wesentliche höhere Strahlungsleistung abgeben. Bei direkter Einstrahlung kann es zu Schädigungen der Augen führen.