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Ratgeber

Wissenswertes rund um IR-LEDs

Ob TV-Fernbedienung, Überwachungs- oder Wärmebildkamera: Infrarot (IR) ist sehr vielseitig einsetzbar. Erzeugt wird infrarotes Licht im Bereich elektronischer Geräte heute nahezu ausschließlich in einer IR-LED, oft auch als IR-Emitter bezeichnet – kleine, preisgünstige und sehr langlebige Dioden. Wir zeigen Ihnen hier, welche Eigenschaften IR-LEDs besitzten, wie sie funktionieren und wie man sie zur Kommunikation einsetzt.



Eigenschaften von Infrarot

Infrarot ist wie sichtbares Licht Teil der elektromagnetischen Strahlung. Allerdings mit so großen Wellenlängen, dass es für das menschliche Auge unsichtbar bleibt. Typische IR-Wellenlängen erstrecken sich vom roten Rand des sichtbaren Spektrums bei etwa 700 Nanometern bis zu einem Millimeter. Infrarot kann man zwar nicht sehen, aber dafür spüren: Der größte Teil der Wärmestrahlung, die von Objekten in der Nähe der Raumtemperatur emittiert wird, ist Infrarot. Wie jede elektromagnetische Strahlung besitzt auch IR Strahlungsenergie. Es verhält sich sowohl wie eine Welle als auch wie ihr Quantenteilchen, das Photon.



So funktioniert eine IR-LED

Jede leuchtende Diode ist ein Halbleiterbauelement, das Licht emittiert und dessen elektrische Eigenschaften einer normalen Diode entsprechen. Durch Schalten in Vorwärtsrichtung mit entsprechender Spannung werden Elektronen und Löcher in die Sperrschicht des p-n-Übergangs getrieben. Dort findet dann die Rekombination von Elektronen und Löchern statt, die dabei freigesetzte Energie emittiert die LED als Licht. Ein Prozess, der als "Elektrolumineszenz" bezeichnet wird.

Während nichtleuchtende Dioden aus Silizium, Germanium oder Selen bestehen, ist das Ausgangsmaterial für IR-Emitter ein direkter Halbleiter, in der Regel eine Galliumverbindung. Die Wellenlänge hängt hauptsächlich vom Halbleitermaterial und der Dotierung ab. Bei einer IR-LED liegt diese zwischen 700 und 1000 nm. Zur besseren Übersichtlichkeit und kostengünstigen Herstellung wurden die Wellenlängen von IR-Emittern harmonisiert, standardmäßig lieferbar sind sie für 840 nm, 850 nm, 875 nm, 880 nm, 885 nm, 890 nm, 940 nm und 950 nm.



So funktioniert die Kommunikation zwischen IR-Sender und IR-Empfänger

Soll die IR-LED lediglich zur unsichtbaren Beleuchtung dienen – beispielsweise in Nachsichtgeräten oder bei Überwachungskameras – genügt das einfache Einschalten. Anders sieht es aus, wenn man Infrarot zur Übermittlung von Daten nutzen will. In diesen Fällen fungiert die LED als Sender und beispielsweise eine IR-Fotodiode als Empfänger.

Das ausgestrahlte Infrarot wird dazu im Sender über einen Microcontroller (MCU) moduliert und codiert, und zwar über Pulsweite und Pulsdauer in einer Frequenz zwischen 30 und 60 kHz. Die binäre 1 lässt sich beispielsweise durch drei rasch aufeinander folgende Impulse darstellen, die binäre 0 durch zwei Impulse. Eine kurze Pause zwischen den einzelnen Impulsen trennt die Codegruppen voneinander. 

Im Empfänger erfolgt der umgekehrte Weg: Die von der IR-Diode empfangen Signale durchlaufen zunächst einen Vorverstärker, der den Eingangsstrom in eine proportionale Ausgangsspannung umwandelt, einen weiteren Verstärker sowie einen Bandpassfilter zur Unterdrückung unerwünschte Infrarotfrequenzen. Danach erfolgt die Demodulation, bei der das Trägersignal sozusagen abgestreift wird.  Das demodulierte Signal landet schließlich zur Dekodierung direkt in die MCU des Empfängers.

Alle Komponenten auf Empfängerseite, die MCU ausgenommen, sind übrigens als komplettes Bauelement erhältlich. Es enthält auf kleinstem Raum die Fotodiode, den Vorverstärker, eine automatische Verstärkungsregelung, den Bandpassfilter und den Demodulator.



Diese Bauformen sind im Handel

Die weitaus meisten angebotenen IR-Emitter entsprechen optisch und anschlusstechnisch einer normalen Leuchtdiode. Kathode und Anode befinden sich in einem klaren, bläulich oder diffus gefärbten Epoxidharzgehäuse mit lichtbündelnder Linse und radialer Bedrahtung. Die übliche Baugröße liegt bei drei oder fünf Millimetern.

Speziell für die direkte Montage auf einer Platine (SMD = Surface Mounted Device) sind sehr kleine rechteckige IR-Leuchtdioden gedacht. Sie zeichnen sich einerseits durch große Abstrahlwinkel aus, andererseits können sie in bandförmiger Verpackung – so genannte Blister-Gurte – sofort in Bestückungsautomaten eingesetzt werden.

In manchen Projekten passt die übliche zylinderförmige Form einer IR-LED nicht ins geplante Gehäuse. Für diese Fälle gibt es flache, rechteckige Leuchtdioden.

Kommt es auf die Lichtausbeute an, stehen sehr leistungsfähige IR-Emitter zur Verfügung. Normale LEDs strahlen Infrarotlicht mit bis zu 180 mW ab, High-Power-Modelle dagegen mit bis zu 10.000 mW. In dieser Leistungsklasse entwickeln die Dioden Verlustwärme, die mit einem integrierten Kühlkörper abgeführt werden muss. Diese Sonderform des IR-Emitters ist allerdings nur für die direkte Platinenmontage erhältlich.



Darauf sollten Sie beim Kauf von IR-LEDs achten

Neben der Bau- und der Montageform spielen diese drei Eigenschaften eine wesentliche Rolle:

  • Frequenz

    Die Frequenz ist dann wichtig, wenn der IR-Emitter mit einem IR-Empfänger in direktem Dialog stehen soll. Hier müssen beide Komponenten auf derselben Wellenlänge senden beziehungsweise empfangen.

  • Abstrahlwinkel

    Je größer der Abstrahlwinkel, desto größer ist der ausgeleuchtete Bereich. Bei IR-Fernbedienungen sollte er nicht zu klein sein, damit auch beim weniger genauen zielen der IR-Empfänger getroffen wird. Ähnliches gilt für Überwachungskameras mit IR-Beleuchtung. Ein kleiner Abstrahlwinkel wiederum optimiert sowohl die Strahlungsleistung als auch die Fokussierung, beispielsweise bei Lichtschranken.

  • Leistung

    Während bei Lichtschranken und Fernbedienungen je nach Entfernung zum Empfänger Strahlungsleistungen von 50 bis 150 mW ausreichen können, benötigen LEDs für Überwachungskameras eine deutlich höhere Leistung, zum Beispiel 5.000 oder 10.000 mW.


FAQ – häufig gestellte Fragen

Wie kann ich feststellen, ob ein IR-Emitter tatsächlich infrarotes Licht erzeugt?

Als schnelle Methode reicht die Kamera eines alten Handys oder eines billigen (!) Smartphones. Deren Kameras besitzen oft keinen IR-Sperrfilter, sodass infrarotes Licht von Chip der Kamera detektiert wird. Einfach das das Telefon in den Fotomodus schalten und den IR-Emitter fokussieren. Beim Aktivieren des Emitters sollte im Display ein rotes Licht aufleuchten. Dieser Trick funktioniert am besten mit IR-LEDs, die nicht allzu weit vom sichtbaren Rotbereich entfernt sind, zum Beispiel 850 oder 880 nm.

Steht keine geeignete Kamera zur Verfügung oder liegt die abgestrahlte Frequenz zu weit weg vom sichtbaren Licht, ist die Detektion mit einer so genannten Indikatorkarte möglich. Deren Spektrum reicht meist von 830 bis 1100 nm. Ein Sensor auf der Karte leuchtet grün auf, sobald er von infrarotem Licht getroffen wird.

Wie identifiziere ich bei einer LED Anode und Kathode?

Die Anode (Pluspol) ist bei einer fabrikfrischen LED am längeren Anschlussdraht oder einer Ausbuchtung beziehungsweise Kerbe am Gehäuse erkennbar.

Mit welcher Spannung und welchem Strom sollten IR-Emitter betrieben werden?

Alle Dioden reagieren äußerst empfindlich auf zu hohe Spannungen und zu starke Ströme. Die normale Betriebsspannung sollte deshalb zwischen 1,5 und 3 V und der maximale Strom unter 300 mA liegen. Spannungen über 5 V und Ströme über 400 mA können die LED zerstören. Am einfachsten lässt sich der Wert über das Zwischenschalten eines Vorwiderstands herabsetzen.

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