Industrie- und Verbraucheranwendungen für IR-LEDs

Infrarotwellen sind Teil des elektromagnetischen Spektrums und liegen zwischen den längeren Wellenlängen des sichtbaren Lichts und den kürzeren der Mikrowellen. Für das menschliche Auge unsichtbar, aber als Wärme wahrnehmbar, deckt Infrarotstrahlung (IR) den Bereich zwischen 760 nm und 1 mm ab. Das IR-Band teilt sich in weitere Komponenten auf, darunter den Nahinfrarotbereich (NIR) von 760 nm bis 1400 nm (Abbildung 1).

Abbildung 1: Das elektromagnetische Spektrum, wobei der Infrarotbereich hervorgehoben ist. Das Nahinfrarotspektrum umfasst Wellenlängen zwischen 760 und 1400 nm und wird in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt. (Bildquelle: Broadcom)

Wie NIR-Anwendungen funktionieren

NIR ist besonders nützlich, weil es die drahtlose Kommunikation erleichtert. Bei den meisten Anwendungen funktioniert die berührungslose Erfassung mit NIR durch die Kopplung eines IR-Senders mit einem Empfänger.

Die Fernbedienung eines Fernsehers zum Beispiel nutzt NIR-Strahlung. Wenn eine Taste auf der Fernbedienung gedrückt wird, wandelt ein interner Schaltkreis die Aktion in einen Binärcode um und leitet ihn an den IR-Sender weiter. Der Sender sendet dann die kodierten Informationen in Form von NIR-Lichtimpulsen aus. Am anderen Ende empfängt der gekoppelte Sensor des Fernsehers die Impulse und wandelt sie wieder in Binärcode um, um bestimmte Befehle auszuführen.

Die Art und Weise, wie Anwendungen die Sender-Empfänger-Kombination nutzen, kann unterschiedlich sein. Wie im Beispiel der Fernbedienung decodiert der Empfänger die Signale des Senders. In anderen Fällen kann es zu einer Auslösung kommen, wenn die Strahlung blockiert wird. Solche unterbrechungsbasierten Muster werden in Anwendungen verwendet, die Personen oder Objekte erkennen.

Um Störungen durch externe Signale zu vermeiden, ist ein Empfänger so konstruiert, dass er eine bestimmte Wellenlänge erkennt. Dazu muss die von einem Sender ausgesandte Strahlung eine passende, präzise Wellenlänge und ausreichende Intensität haben. Der ChipLED-IR-Emitter HSM8-C120 (Abbildung 2) von Broadcom ist ein Beispiel für eine NIR-LED, die in verschiedenen Anwendungen wie Unterhaltungselektronik, intelligenten Zählern und anderen eingesetzt werden kann.

Abbildung 2: Der ChipLED-IR-LED-Emitter HSM8-C120 von Broadcom bietet eine Spitzenwellenlänge von 850 nm und hat einen kompakten Footprint, wodurch er sich gut für kompakte Platinen eignet. (Bildquelle: DigiKey)

Die HSM8-C120 ist eine seitenemittierende, oberflächenmontierbare IR-ChipLED mit einer kleinen Gehäusegröße von 1,6 mm x 0,93 mm, die sich für eine Vielzahl von Anwendungen mit begrenztem Platzangebot eignet.

Sie hat eine Spitzenwellenlänge von 850 nm, einen Betrachtungswinkel von 150° und ist kompatibel mit den in der Industrie üblichen automatischen Bestückungsautomaten und dem IR-Reflow-Löten.

Anwendungen für NIR-LEDs

Photoelektrische Rauchmelder - IR-LEDs nutzen das Grundprinzip des Eindringens von Objekten, um das Vorhandensein von Rauch zu erkennen, wobei ein Sender und ein Photodetektor in derselben Einheit verwendet werden. Unter normalen Betriebsbedingungen sendet die LED Infrarotstrahlung aus, die den Detektor veranlasst, einen elektrischen Strom zu erzeugen. Das Vorhandensein von Rauch stört jedoch den Weg der Strahlung und streut sie. Infolgedessen sinkt der vom Photodetektor registrierte Nettostrom und löst einen Alarm aus. IR-LEDs sind in dieser Anwendung besonders nützlich, da sie Rauch durchdringen und kleinere und dichtere Partikel erkennen können.

Zu dieser Kategorie gehören nicht nur fotoelektrische Rauchmelder, sondern auch solche, die den Ionisierungsgrad der Luft messen. Diese sind jedoch berüchtigt für falsch positive Ergebnisse. Besonders problematisch ist die Auslösung durch Kochrauch, weshalb Rauchmelder in Wohngebäuden den „Hamburger Test“ bestehen müssen, d. h. sie dürfen nicht durch Kochrauch ausgelöst werden. IR-LEDs sind resistent gegen die Auswirkungen von Küchenrauchpartikeln und verursachen daher weniger Fehlalarme. IR-LEDs können auch mit anderen Systemen, wie Wärme-, Gas- und Luftstromdetektoren, integriert werden, um mehr Echtzeitinformationen über gefährliche Situationen zu erhalten.

Haushaltsgeräte - Zusätzlich zu ihrer Verwendung in Fernbedienungen können IR-Sensoren in Waschmaschinen den Wasserstand erkennen, während Reinigungsroboter IR-Sensoren verwenden, um Hindernisse auf ihrem Weg zu vermeiden. Ähnliche Sensoren in Mikrowellen können eine offene Tür erkennen und einen Alarm auslösen. Automatische Wasserhähne, Seifenspender und Händetrockner können IR-LEDs für die Hindernis- und Näherungserkennung nutzen.

Sicherheitslichtvorhänge - Bei der Arbeit mit großen oder gefährlichen Industrieanlagen in der Fertigung, in Lagerhallen, auf Baustellen oder in anderen industriellen Umgebungen ist die Sicherheit der Arbeitnehmer immer von entscheidender Bedeutung. Physikalische Barrieren können sperrig und mühsam einzurichten sein. IR-LEDs, die viel leichter und transportabler sind als physische Barrieren, stellen eine effektive Alternative dar. Außerdem sind sie je nach der abzudeckenden Fläche in verschiedenen Formen und Größen erhältlich.

Der IR-LED-Sicherheitslichtvorhang (Abbildung 3) arbeitet nach dem Prinzip der Objekterkennung, um Unfälle zu vermeiden. Er besteht aus einer Reihe von IR-LED-Sendern mit Fotodioden als Empfänger. Die LEDs senden synchronisierte und parallele IR-Lichtstrahlen aus, die den gesamten zu überwachenden Bereich abdecken. Dadurch wird das Gitter in IR-Licht getaucht, das auf eine spezifische und einzigartige Frequenz moduliert wird, die von den Fotodioden erkannt wird. Wenn der IR-Vorhang ein Objekt in seinem Feld erkennt, weist dies wahrscheinlich auf eine unsichere Situation hin und eine Warnung kann ausgelöst werden. Wenn zum Beispiel eine Hand oder ein Arm in das Strahlenfeld gerät, kann die Maschine automatisch abgeschaltet werden, um Verletzungen zu vermeiden.

Abbildung 3: Sicherheitslichtvorhänge senden und empfangen bei Betrieb ohne Unterbrechung durch Objekte IR-Signale, wie links dargestellt. Wenn IR-Strahlen durch ein Objekt unterbrochen werden, wie rechts dargestellt, kann eine entsprechende Reaktion ausgelöst werden. (Bildquelle: Broadcom)

Intelligente Stromzähler - Zu den Zielen der Energieeinsparung und des verantwortungsvollen Umgangs mit Energie gehört es, nur so viel Strom wie nötig zu verbrauchen. Intelligente Stromzähler spielen dabei eine wichtige Rolle, da sie es den Verbrauchern ermöglichen, ihren Stromverbrauch in Echtzeit zu sehen und ihn entsprechend anzupassen. Sie tragen auch dazu bei, Leckströme und Störungen schneller zu erkennen, und helfen den Versorgern bei der Preisgestaltung, die sich nach dem Verbrauchsverhalten zu Spitzenzeiten richtet.

In intelligenten Zählern werden IR-LEDs für die bidirektionale Datenübertragung über kurze Entfernungen eingesetzt. IR-LEDs senden verschlüsselte Infrarot-Lichtimpulse, die von einer Fotodiode auf dem Datenerfassungsgerät empfangen werden. Die Impulse können eine Reihe von digitalen Informationen übermitteln, von Energieverbrauchsmessungen bis hin zu Diagnosedaten. Für zusätzliche Sicherheit sind die IR-Impulse mit einer speziellen Signatur versehen, die die Detektoren zur Überprüfung verwenden.

Fazit

Der HSM8-C120 eignet sich besonders gut für Projekte, die einen leistungsstarken IR-Sender erfordern, sei es für Verbrauchergeräte oder für die Übertragung von Diagnosedaten. Zu den zahlreichen Vorteilen zählen ein geringer Platzbedarf, eine effiziente Energienutzung und eine stabile Ausgangsleistung.