Infrarot-Empfänger: Funktion und Anwendung

Bei den meisten Infrarot-Empfängern handelt es sich um PIR-Komponenten (Passive Infrared Receiver). Sie sind in der Lage, eine infrarote Wärmestrahlung wahrzunehmen, wie sie zum Beispiel von Personen oder Objekten emittiert wird. Die Intensität dieser Strahlung wird dann erfasst und von einer elektronischen Schaltung ausgewertet. Basierend auf dem Messergebnis lassen sich dann beispielsweise bestimmte Schaltvorgänge auslösen. Es steht ein breites Sortiment an IR-Komponenten zur Verfügung, die sich in die unterschiedlichsten elektronischen Schaltungen integrieren lassen.

Eine typische Anwendung für IR-Empfänger findet man in der Gebäudeüberwachung. Hier werden IR-Empfänger zum Beispiel im Außenbereich eingesetzt und dafür genutzt, um Personen zu erkennen. Erreicht die gemessene IR-Strahlung einer Person ein gewisses Niveau, dann erkennt das System, dass sie sich in unmittelbarer Nähe des Gebäudes befindet und schaltet die Außenbeleuchtung ein. Alternativ kann auch ein bestimmter Außenbereich überwacht werden, in den Unbefugte keinen Zugang haben. In diesem Fall wird ein Alarmsystem ausgelöst, oder es werden andere Automatikfunktionen aktiviert.

Infrarotstrahlung bewegt sich in einem Bereich zwischen 0,7 und 1.000 Mikrometern. Für die Temperaturmessung sind jedoch vor allem Wellenlängen zwischen 0,7 und 14 Mikrometern interessant. Man kennt unterschiedliche Übertragungsmedien für IR-Wellen, wie die Atmosphäre, optische Fasern und Vakuum. In der Luft wird die Übertragung per Infrarotstrahlung von Spurenstoffen wie CO₂ und Wasserstoff beeinträchtigt. Sie bewirken eine Absorption der Strahlung und beeinflussen damit die Übertragung. Der Wellenbereich, der davon nicht betroffen ist, wird Infrarotfenster genannt. 

Ein IR-Empfänger besteht aus einem IR-Sensor und der dazu gehörenden Elektronik. Der Sensor befindet sich meist hinter einer Öffnung an der Vorderseite des Gehäuses, das die gesamte Einheit umschließt. Er besteht aus einem pyroelektrischen Material, das auf die infrarote Wärmestrahlung in der Umgebung reagiert und eine elektrische Spannung erzeugt, die sich in einer direkten Relation zur Intensität der Wärmestrahlung steht. Bei Wärmebildkameras bewirken optische Linsen eine Fokussierung der relativ schwachen IR-Strahlung.

Die vom Sensor erzeugte Spannung lässt sich gezielt auswerten und zum Beispiel in genaue Messwerte umsetzen oder zur Auslösung der unterschiedlichsten Schaltvorgänge nutzen. 

Ein Infrarot-Sensor liefert lediglich ein Spannungssignal in Relation zur Intensität der erfassten Wärmestrahlung. Doch genau das ist die Basis für eine Vielzahl unterschiedlicher Anwendungen. Wobei die beiden häufigsten Anwendungsfelder wohl Bewegungsmelder und Fernbedienungen sind. Bei beiden Anwendungen liefert ein IR-Sensor das Ausgangssignal, das dann von einer entsprechend ausgelegten elektronischen Schaltung ausgewertet wird.

Eine Infrarot-Fernbedienung besteht aus einem IR-Handsender und einem IR-Empfänger, der in das Gerät integriert ist, das drahtlos bedient werden soll. Der IR-Sender nutzt normalerweise eine IR-Diode. Sie emittiert ein 40 kHz-Signal, auf das die Informationen aufmoduliert sind. Ein Bandfilter sorgt dafür, dass eventuelle Störquellen ausgeblendet werden.

Die Übertragung von Daten über eine Infrarot-Verbindung erfordert einen Infrarot-Empfänger und einen entsprechenden Sender (IR-Diode) bei beiden Geräten. Diese Technik gilt als störungsfrei und kennt keine gesundheitlichen Nebenwirkungen durch elektromagnetische Strahlung. Allerdings erfordert sie, dass Sender und Empfänger einander „sehen“ und eignet sich daher nur zur Überbrückung kurzer Entfernungen.

Ein Bewegungsmelder besteht aus einem PIR-Sensor zur Bewegungserkennung und einem Dämmerungsschalter, um die Funktion auf die Dunkelheit zu beschränken. Der Sensor erkennt die Anwesenheit von Personen im überwachten Bereich und schaltet daraufhin das Licht ein. Die Elektronik legt dabei mehrere Funktionen fest:

• Ab welcher Dunkelheit soll der Melder aktiv sein?
• Wie nah soll ein Objekt sein, um den Schaltvorgang auszulösen?
• Wie lange soll das Licht eingeschaltet bleiben?

Die Datenübertragung im Infrarotbereich eignet sich in erster Linie für eine Punkt-zu-Punkt-Übertragung über kurze Entfernungen. Typische Anwendungen sind Personal Area Networks (PAN) im Consumer-Bereich. Sie sind primär in Druckern, Mobiltelefonen, Multifunktion-Uhren, Tastaturen und Computer-Mäusen zu finden. Dabei haben sich unterschiedliche Übertragungsprotokolle etabliert. Ein weiterer großer Anwendungsbereich sind Fernbedienungen in der Consumer-Elektronik. 

Typisch für die meisten Protokolle ist die Übertragung über eine Trägerfrequenz von 38 kHz per Pulse Distance Codierung. Dabei werden die einzelnen Signale in einem Frame zusammengefasst. Der Frame wird von einem Start-Bit eingeleitet und oft auch von einem Stopp-Bit abgeschlossen. Er kann unterschiedlich lang sein. Normalerweise wird das Signal bei gedrückter Taste ständig wiederholt.

Das NEC Infrarot-Übertragungsprotokoll gibt es in zwei Ausführungen als NEC16 und NEC42. Der NEC16-Frame hat eine Gesamtlänge von 18 Bits:

• 1 Start-Bit
• 8 Adress-Bits
• 1 Sync-Bit
• 8 Daten-Bits
• 1 Stopp-Bit7

Beim NEC42-Frame werden 42 Daten-Bits von je einem Start- und Stopp-Bit eingefasst.

Das RC5-Protokoll wurde bereits in den 1980er-Jahren von Philips entwickelt und von zahlreichen Herstellern aus der Konsumgüter-Industrie übernommen. Es wird vor allem in Infrarot-Fernbedienungen von Fernsehgeräten und Audiosystemen eingesetzt. Der in Biphase (Manchester) kodierte Datenrahmen besteht aus jeweils 14 Bits:

• 2 Start-Bits
• 12 Daten-Bits
• 0 Stopp-Bits

Mittlerweile gilt RC5 als veraltet und ist weitgehend obsolet.

Das SIRCS-Protocoll ist ein Pulse Width Protokoll, das von SONY entwickelt wurde. Hier wird eine Trägerfrequenz von 40 kHz verwendet. Der Frame setzt sich wie folgt zusammen:

• 1 Start-Bit
• 12 - 20 Daten-Bits
• 0 Stopp-Bit

Das von den Herstellern Denon und Sharp verwendete DENON-Protokoll arbeitet mit Pulse Distance Codierung und einer Trägerfrequenz von 38 kHz. Der 16 Bit lange Frame hat folgende Struktur:

• 0 Start-Bit
• 15 Daten-Bits
• 1 Stopp-Bit

Das Motorola-Protokoll zur drahtlosen Infrarot-Datenübertragung ist weitgehend vergleichbar mit dem RC-5-Code. Die Codierung erfolgt biphasenmoduliert bei einer Trägerfrequenz von 32 kHz. Der Frame setzt sich aus 11 Bits zusammen:

• 1 Pre-Bit
• 1 Start-Bit
• 9 Daten-Bits

Infrarot-Empfänger eignen sich zum Senden und Empfangen von Infrarotsignalen von einem Gerät auf ein anderes. Die Anwendungsgebiete sind dabei äußerst vielfältig. Infrarot-Bewegungsmelder werten infrarote Wärmestrahlung aus, um gezielte Schaltvorgänge zu aktivieren. Infrarot-Fernbedienungen steuern elektronische Geräte im Heimbereich. Infrarot-Datenübertragung verbindet mobile Endgeräte über kurze Entfernungen. 

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