Chip-IR-LEDs, die Bausteine der optischen Sensorik

Fast jeder elektronische Sensor, der etwas „sieht" – ein Präsenzmelder in einem intelligenten Gebäude, ein Barcode-Scanner auf einem Paket, ein Saugroboter, der einem Stuhlbein ausweicht, der IR-Empfänger hinter dem Bildschirm Ihres Fernsehers oder ein Lichtschrankensensor, der Teile auf einem Förderband überwacht – ist auf Licht angewiesen. Und bei der überwältigenden Mehrheit handelt es sich um eine Lichtart, die die meisten von uns nie sehen. Das Verständnis moderner optischer Sensorik beginnt nicht beim Gehäuse oder dem Mikrocontroller, sondern beim Spektrum selbst – und einer kleinen Familie von Bauelementen, die einen nützlichen Ausschnitt dieses Spektrums auf eine Leiterplatte bringen.

Wie ist das Lichtspektrum aufgeteilt?

Licht ist elektromagnetische Strahlung, die nach ihrer Wellenlänge klassifiziert wird – dem Abstand zwischen aufeinanderfolgenden Wellenbergen, gemessen in Nanometern (nm, Milliardstel eines Meters). Das vollständige Spektrum reicht von Gammastrahlen am kürzesten Ende bis zu Radiowellen am längsten. Der für die optische Sensorik relevante Ausschnitt liegt in drei benachbarten Bändern.

• Ultraviolett (UV), etwa 10 bis 400 nm. Kürzere Wellenlänge, energiereichere Photonen. UV wird zur Sterilisierung von Trinkwasser, Aushärtung von Klebstoffen, Authentifizierung von Banknoten und in Sensoranwendungen zur Fluoreszenzdetektion in der Pharma- und Verpackungsindustrie eingesetzt, wo bestimmte Tinten und Etiketten bei UV-Beleuchtung sichtbares Licht emittieren.
• Sichtbares Licht, etwa 380 bis 780 nm. Das schmale Band, das das menschliche Auge wahrnehmen kann, von Violett über Grün bis zu Dunkelrot. Es treibt Anzeige-LEDs, Displays und jeden Sensor an, dessen Strahl ein Installateur zur Ausrichtung sehen muss. Helles sichtbares Rot um 660 nm ist dabei der Standard.
• Infrarot (IR), jenseits von 780 nm. Für Menschen unsichtbar. Jedes Objekt, das wärmer als der absolute Nullpunkt ist, strahlt IR aus – deshalb können Wärmebildkameras Menschen im Dunkeln „sehen". Für die optische Sensorik ist entscheidend, dass IR mit Halbleitern kostengünstig erzeugt und mit Silizium kostengünstig detektiert werden kann, ohne die Umgebung zu stören.

Warum Infrarot?

Das Infrarotband wurde 1800 von Sir William Herschel entdeckt, einem Astronomen, der vor allem für die Entdeckung des Uranus bekannt ist. Beim Studium von Sonnenlicht durch ein Glasprisma platzierte Herschel ein Thermometer in jedem Farbband und bemerkte, dass die Temperatur weiter anstieg, als er sich über das rote Ende hinaus in einen scheinbar leeren Bereich bewegte. Das Thermometer in dieser leeren Zone zeigte höhere Werte als in jedem sichtbaren Band. Herschel hatte Licht entdeckt, das er nicht sehen konnte. Er nannte es „kalorische Strahlen"; der Begriff Infrarot, lateinisch für „unterhalb von Rot", kam später.

Zwei Jahrhunderte später treibt das Band, über das Herschel stolperte, eine stille Mehrheit der modernen optischen Elektronik an. Der Grund ist einfach: Silizium-Fotodioden – die günstigen Massendetektoren im Kern jeder Kamera und der meisten Sensoren – erreichen ihre maximale Empfindlichkeit bei etwa 850 bis 950 nm. Zwei spezifische Wellenlängen dominieren heutige Industriedesigns: 850 nm, etwas günstiger in der Herstellung, und 940 nm, vollständig unsichtbar und dank eines kleinen Einbruchs im Sonnenstrahlung-Spektrum besser gegen Umgebungslicht abgeschirmt.

Wo werden IR-LEDs eingesetzt?

Lichtschranken in der Industrieautomatisierung

Der mit Abstand größte Markt für industrielle IR-LEDs ist der Lichtschrankensensor: kleine zylindrische Geräte, typischerweise mit M12-Steckverbindern, die jeden Förderer und jede Roboterzelle auf einem modernen Fabrikboden überwachen. Sie erkennen Teile, zählen Zyklen, überprüfen die Anwesenheit und lösen Aktionen aus. Die meisten arbeiten bei 940 nm, in einer von drei klassischen optischen Topologien: Einweg-, Reflexions- oder Diffusionslichtschranke.

Lichtvorhänge und Objekterkennung

Ein Lichtvorhang ist eine vertikale Anordnung gepaarter IR-Sender-Empfänger-Strahlen, die übereinander gestapelt sind. Wenn ein Objekt den Vorhang durchquert – beispielsweise eine Kiste auf einem Förderband – meldet die Anordnung kontinuierlich, welche Strahlen unterbrochen und welche frei sind, und gibt dem Controller eine Echtzeit-Silhouette von Höhe, Position und Vorderkante des Objekts. Diese Systeme stützen sich auf Schmalwinkel-Hochintensitäts-Emitter, die mit eng abgestimmten Schmalwinkel-Empfängern kombiniert werden und in einer schnellen modulierten Sequenz feuern, damit benachbarte Strahlen sich nicht gegenseitig stören und Umgebungslicht abgewiesen wird.

Fernbedienung und IR-Datenverbindungen

Die IR-LED am Ende jeder TV-Fernbedienung sendet einen mit 38 kHz modulierten digitalen Impuls bei 940 nm; eine abgestimmte Fotodiode hinter dem IR-Fenster des Fernsehers empfängt ihn.

Sender und Empfänger: das Grundpaar

Jeder optische Sensor in den oben genannten Kategorien lässt sich auf zwei Halbleiter reduzieren, die ein Gespräch in Licht führen.

• Der Sender ist eine IR-LED. Leiten Sie Strom in der richtigen Richtung durch sie, emittiert sie unsichtbares IR, typischerweise bei 850 nm oder 940 nm. Das Licht geht in die Welt hinaus, wird reflektiert, gestreut oder kommt gar nicht zurück.
• Der Empfänger, manchmal auch Fotodetektor genannt, ist das Gegenstück: ein Halbleiter, der einfallendes IR in ein elektrisches Signal umwandelt. Er ist in zwei Varianten erhältlich.
  • Eine Fotodiode (PD) erzeugt einen kleinen Strom, typischerweise Mikroampere, proportional zum auftreffenden IR-Licht. Ihr großer Vorteil ist die Geschwindigkeit: Sie reagiert in Nanosekunden und eignet sich für ToF (Time-of-Flight)-Anwendungen. Der Kompromiss besteht darin, dass Mikroampere-Signale normalerweise einen externen Operationsverstärker auf der Leiterplatte benötigen.
  • Ein Fototransistor (PT) ist dasselbe Konzept mit einer eingebauten Verstärkerstufe. Der Ausgang ist deutlich größer – Milliampere statt Mikroampere. Der Kompromiss ist die Reaktionsgeschwindigkeit: PTs arbeiten im Mikrosekundenbereich, was für schalterartige Erkennung ausreicht, aber nicht für ToF oder schnell modulierte Systeme.

Das Edison CHIP-IR-LED-Portfolio im Überblick

Jedes CHIP-LED-Design beginnt daher mit zwei Entscheidungen: welche Wellenlänge übertragen werden soll und welcher Empfänger damit kombiniert wird.

Der CHIP-LED-Auswahlguide von Edison Opto organisiert jedes IR-Bauteil entlang fünf Achsen: Typ (Sender oder Empfänger), Gehäusegröße, Abstrahlrichtung, Wellenlänge und Abstrahlwinkel. Diese fünf Spalten zu lesen entspricht der Spezifikation eines Bauteils für ein Sensordesign.

• Gehäusegröße: Größere Gehäuse leiten Wärme besser ab, tolerieren höhere Treiberströme und erzeugen mehr optische Leistung – auf Kosten der Platinenfläche. Für die meisten industriellen Sensor-Leiterplatten hat sich das 3216 als De-facto-Standard etabliert – groß genug für typische Lichtschrankensströme, klein genug, um in ein M12-Sensorgehäuse zu passen.
• Abstrahlrichtung: Derselbe Chip kann so verpackt werden, dass seine Abstrahlungsfläche in drei verschiedene Richtungen weist. Top View strahlt senkrecht zur Platine ab (Standard). Side View dreht die LED um 90°, sodass Licht parallel zur Platinenfläche austritt – nützlich in schlanken Modulen, bei denen der optische Pfad entlang der Platinenoberkante verläuft. Reverse Mount verpackt die LED verkehrt herum durch eine Aussparung in der Platine und strahlt durch die Platine nach unten – für ultrakompakte Baugruppen, bei denen der optische Pfad unterhalb der Platine liegt.
• Wellenlänge: 850 nm ist günstiger und etwas effizienter, aber unter bestimmten Bedingungen als schwaches rotes Glühen sichtbar. 940 nm ist vollständig unsichtbar und weist Umgebungslicht dank des kleinen Einbruchs im Sonnenstrahlung-Spektrum besser ab. Die meisten modernen industriellen Lichtschrankensensoren bevorzugen 940 nm.
• Abstrahlwinkel: 20° ist ein enger, fokussierter Strahl, bei dem der Großteil der Lichtenergie auf der Achse konzentriert ist – wie eine Taschenlampe. 120° ist breit wie eine Kerze, mit Licht, das über einen breiten Kegel für eine komfortable Ausrichtung in Nahbereichsanwendungen verteilt wird. Derselbe Chip emittiert in beiden Fällen denselben Gesamtlichtfluss; was sich ändert, ist die Verteilung.

Das 940-nm-Sender-Sortiment

CHIP-IR-Sender bei 940 nm, alle mit einer Vorwärtsspannung von 1,2 bis 1,5 V und einem industriellen Betriebsbereich von −40 bis +85 °C:

Die abgestimmten Empfänger: Fototransistoren und Fotodioden

Abgestimmte Empfänger in denselben Gehäusegrößen wie die Sender sind unten aufgeführt.

Fototransistoren:

Der Empfangswellenlängenbereich beträgt 700 bis 1100 nm, sodass ein einziger Siliziumdetektor sowohl 850 als auch 940 nm abdeckt – ein Empfängerbauteil kann mit jeder Senderwellenlänge kombiniert werden.

Fotodioden:

Die Rolle der Telcona

Die CHIP-IR-LEDs von Edison Opto sind für sich genommen einfache Bauelemente – doch die Entscheidungen, die sie umgeben: Wellenlänge, Gehäuse, Abstrahlrichtung, Abstrahlwinkel und der passende Empfänger – bestimmen, ob ein Sensor bei schwachem Hallenlicht funktioniert oder bei direkter Sonneneinstrahlung versagt, nach tausend Impulsen eine Millimeter-genaue Ausrichtung hält und ein Jahrzehnt in Fabrikluft übersteht.

Telcona als autorisierter europäischer Distributions- und Engineeringpartner von Edison nimmt den Katalog aus Taipeh und verwandelt ihn in spezifizierte, bemusterte und betreute Stücklistenpositionen für europäische Sensorkunden – mit volumensgerechten Preisen, Allokationspriorität durch 40 Jahre Lieferantenbeziehungen und Engineering-Support aus dem Technologiezentrum Belgrad.

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