Wie funktionieren ein IR-Sender und -Empfänger?

Infrarotsender und -empfänger (IR) werden häufig in verschiedenen elektronischen Geräten zu Kommunikations- und Steuerungszwecken verwendet. Die IR-Kommunikation basiert auf der Übertragung von Infrarotlicht, das für das menschliche Auge nicht sichtbar, aber von speziellen Komponenten erkennbar ist. Hier finden Sie eine detaillierte Erklärung zur Funktionsweise eines IR-Senders und -Empfängers:

IR-Sender:

1. LED-Emitter:

  • Der IR-Sender verwendet typischerweise eine Infrarot-Leuchtdiode (IR-LED) als Infrarotstrahlungsquelle. Diese LED wurde speziell für die Emission von Licht im Infrarotspektrum entwickelt, das außerhalb des menschlichen Sichtbereichs liegt.

2. Elektrische Anregung:

  • Wenn eine Spannung an die IR-LED angelegt wird, wird diese elektrisch angeregt. Die angeregten Elektronen im Halbleitermaterial der LED setzen Energie in Form von Photonen frei.

3. Infrarotemission:

  • Die emittierten Photonen liegen im Infrarot-Wellenlängenbereich, typischerweise etwa 850 Nanometer (nm) für IR-Sender der Verbraucherklasse. Dieses emittierte Infrarotlicht wird moduliert, um Informationen zu übertragen, indem die Intensität oder Frequenz der Lichtimpulse variiert wird.

4. Modulation zur Datenkodierung:

  • In Anwendungen wie Fernbedienungen moduliert der IR-Sender das Infrarotlicht, um digitale Informationen zu kodieren. Zu den gängigen Modulationstechniken gehören Amplitude Shift Keying (ASK) oder Frequency Shift Keying (FSK), bei denen Variationen in der Intensität oder Frequenz des Lichts binären Daten entsprechen.

5. Fokussierter Strahl:

  • Um die Reichweite und Effizienz der Übertragung zu erhöhen, verwenden IR-Sender häufig Linsen, um den emittierten Infrarotstrahl zu fokussieren. Dieser fokussierte Strahl trägt dazu bei, dass der Großteil der übertragenen Energie auf den vorgesehenen Empfänger gerichtet ist.

IR-Empfänger:

1. Fotodiodensensor:

  • Der IR-Empfänger enthält normalerweise einen Fotodiodensensor, der auf Infrarotlicht reagiert. Die Fotodiode ist so konzipiert, dass sie einen elektrischen Strom erzeugt, wenn sie einfallender Infrarotstrahlung ausgesetzt wird.

2. Erkennung von Infrarotlicht:

  • Wenn das modulierte Infrarotlicht vom Sender den IR-Empfänger erreicht, erkennt die Fotodiode die einfallende Strahlung. Die von der Fotodiode erzeugte Strommenge ist proportional zur Intensität des empfangenen Infrarotlichts.

3. Sperrvorspannung der Fotodiode:

  • Um die Reaktionszeit und Empfindlichkeit der Fotodiode zu verbessern, wird sie häufig in Sperrrichtung betrieben. Die Sperrvorspannung erzeugt einen Verarmungsbereich innerhalb der Fotodiode und ermöglicht so eine schnellere Reaktion auf Änderungen im einfallenden Licht.

4. Demodulation zur Datenextraktion:

  • Das empfangene modulierte Infrarotsignal muss demoduliert werden, um die übertragenen Daten zu extrahieren. Der Demodulationsprozess soll die am Sender angewendete Modulation umkehren und so die Wiederherstellung der ursprünglichen Informationen ermöglichen.

5. Filterung und Signalverarbeitung:

  • Infrarotempfänger verfügen über Filter, um sicherzustellen, dass sie selektiv auf das modulierte Infrarotsignal reagieren und Umgebungslicht abweisen. Signalverarbeitungsschaltungen verfeinern das empfangene Signal weiter und trennen es von Rauschen und Interferenzen.

6. Ausgangssignal:

  • Das demodulierte Signal wird dann in ein nutzbares elektrisches Signal umgewandelt, das typischerweise binäre Daten darstellt. Dieses Ausgangssignal kann von einem Mikrocontroller oder anderen elektronischen Komponenten im Gerät weiterverarbeitet werden.

7. Anwendungen:

  • IR-Empfänger finden weit verbreitete Verwendung in Anwendungen wie Fernbedienungen für Fernseher, Audiosysteme und andere elektronische Geräte. Sie werden auch in Näherungssensoren, der Datenkommunikation zwischen Geräten und infrarotbasierten Datenübertragungsprotokollen wie der Infrared Data Association (IrDA) eingesetzt.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass ein IR-Sender eine IR-LED verwendet, um moduliertes Infrarotlicht auszusenden, während ein IR-Empfänger einen Fotodiodensensor enthält, um das empfangene Infrarotsignal zu erkennen und zu demodulieren. Diese Technologie ermöglicht die drahtlose Kommunikation und Steuerung in einer Vielzahl elektronischer Geräte und Anwendungen.

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