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Bild 1: Infrarotlicht findet sich ungefähr  in der Mitte des  elektromagnetischen Spektrums, nämlich oberhalb der Funkwellen und deutlich unter den Gammastrahlen.
Bild 2: Bei einer Einweglichtschranke stehen sich Sender und Empfänger gegenüber.
Bild 3: Bei Reflexlichtschranken befinden sich Sender und Empfänger nebeneinander.
Bild 4: Im Unterschied zu konventionellen, nahe 950 nm arbeitenden Sensoren liegen die von den IR-Emittern von Rohm Semiconductor benutzten 850 nm deutlich näher an der Wellenlänge der Fototransistoren, was niedrigere Energieverluste zur Folge hat.
Bild 5: Bei Zweiphasen-Lichtschranken sind zwei Foto-Sensoren in einem Gehäuse angeordnet.
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ROHM Semiconductor

Zu den Infrarot-basierten Produkten gehören IR-Sender, IR-Empfänger (Sensoren), Einweg- und Reflexlichtschranken, Neigungssensoren, IrDA-Kommunikationsmodule und Fernbedienungs-Empfänger. Als IR-Emitter dienen LEDs, die mit unterschiedlichen Gehäusen angeboten werden und sich auch hinsichtlich ihrer optischen Ausgangsleistung, ihrer Wellenlänge und ihrer Ansprechzeit unterscheiden. IR-Empfänger werden auch als Sensoren bezeichnet, da sie die Wellenlänge und spektrale Strahlung des vom IR-Sender ausgesendeten Lichts erfassen. Sie werden nach ihren optischen Eigenschaften, ihrem Gehäuse sowie weiteren Besonderheiten unterschieden wie etwa ein integrierter Umgebungslichtfilter und ein großer Erfassungswinkel.

IR-Technik wird exponentielle Zuwachsrate vorausgesagt

Die immer beliebter werdende Infrarot-Technik (IR) eignet sich für eine Vielzahl drahtloser Applikationen speziell im Bereich der Sensoren und der Fernbedienungen. Dem Markt für Anwendungen im nahen, mittleren und fernen Infrarotbereich werden deshalb exponentielle Zuwachsraten vorausgesagt. Neueste Konsumprodukte wie etwa Mobiltelefone, Digitalkameras oder DVD-Player sind mit Sensor und Steuerungsfunktionen auf IR-Basis ausgestattet. Im nahen Infrarotbereich werden foto-optische Techniken für optische Sensor- und Kommunikationslösungen eingesetzt, da Licht als Signalübertragungs-Medium weniger komplex ist als Funkwellen.

Lichtschranken gibt es in unterschiedlichen Ausführungen. Bei einer Einweglichtschranke stehen sich Sender und Empfänger gegenüber. Meist sind beide Elemente gemeinsam in einem U-förmigen Bauteil angeordnet, das hauptsächlich nach Form und Größe ausgewählt wird (Bild 2). Wichtige Merkmale sind ferner die Schlitzbreite und die Distanz zwischen Sender und Empfänger. Die vertikale oder horizontale Schlitzbreite (auch Strahldicke) ist die zur Kollimation dienende Öffnung. Zu den weiteren Auswahlkriterien gehört der Ausgangstyp (analog, digital oder Zweiphasen-Ausgang). Bei Reflexlichtschranken sind Sender und Empfänger nebeneinander angeordnet, und der Empfänger detektiert das vom Sender emittierte IR-Licht, sobald es von Objekten reflektiert wird (Bild 3). Wichtige elektrische Kenndaten sind die Übertragungskennlinie, der Sensor-Kollektorstrom als Funktion des Stroms in der IR-LED, die Wellenlänge und die Ansprechzeit. Reflexlichtschranken können als Näherungssensoren (Lichttaster) verwendet werden. Eine besondere foto-optische Applikation sind Neigungssensoren, die die Drehung des Bildes auswerten.

Für gängige Applikationen wie die drahtlose optische Kommunikation mobiler Geräte werden IrDA-Kommunikationsmodule häufig mit oberflächenmontierbaren Gehäusen sowie mit Unterstützung für SIR , MIR  oder FIR-Datenraten angeboten.

Fernbedienungs-Empfänger

Fernbedienungs-Empfänger arbeiten mit den unterschiedlichsten Trägerfrequenzen (meist im Bereich von 30 bis 60 kHz). Ausführungen mit doppelter Linse bieten einen größeren Empfindlichkeitsbereich. Dank ihrer kleinen Abmessungen und ihrer (meist) oberflächenmontierbaren Ausführung eignen sie sich ideal für den Einbau in unterschiedlichste Applikationen. Lösungen mit integriertem Foto-IC haben bessere Rauschunterdrückungs-Eigenschaften.

Als drahtlose Technik weisen Infrarot-Lösungen spezifische Vor-  und Nachteile gegenüber HF-Lösungen und Techniken im ISM-Band (Industrial, Scientific, Medical) von 902 bis 928 MHz auf. Als Vorteil ist unter anderem die gerichtete Abstrahlung anzuführen, denn diese verhindert, dass Daten von anderen Geräten in der Nähe abgefangen werden. Infrarot-Lösungen besitzen eine hohe Rausch-unempfindlichkeit, sind weniger anfällig gegen Störbeeinflussungen durch andere Geräte und kommen mit relativ wenig Leistung aus, so dass sie sich besonders für portable Geräte und einfache Designs eignen. Nicht zuletzt unterliegen sie nur wenigen internationalen Vorschriften.

Freie Sicht muss sein

Als Nachteil ist die Tatsache zu nennen, dass zwischen Sender und Empfänger eine freie Sichtlinie bestehen muss. Sender und Empfänger sind nahezu direkt aufeinander auszurichten. Außerdem werden Infrarotstrahlen durch Wände, Pflanzen und Menschen blockiert. Die Technik eignet sich nur für geringe Distanzen, da die Leistungsfähigkeit mit wachsender Entfernung stark abfällt. Wegen der hohen Licht- und Wetterempfindlichkeit können Sonnenlicht, Regen, Nebel, Staub und Luftverschmutzung die Übertragungsleistung gravierend beeinträchtigen. Überdies ist die erzielbare Datenrate niedriger als bei typischen leitungsgebunden oder auf HF beruhenden Verfahren. Trotzdem bieten viele Anwendungen ideale Voraussetzungen für den Einsatz der Infrarot-Technik, was auf die hohe Kommunikationsgeschwindigkeit und das hohe Sicherheitsniveau zurückzuführen ist. Hinzu kommt der erhöhte Design-Freiraum durch die Kompatibilität der Feature-Ausstattung für künftige Redesigns.

IR-Lösungen

Rohm Semiconductor bietet eine umfassende Auswahl an Produkten für IR-Lösungen jeder Art an. Eine Reihe wichtiger Bauelemente demonstriert das umfangreiche Fähigkeitsspektrum des Unternehmens auf diesem Gebiet, wobei ein spezielles, ultrakompaktes Gehäusekonzept besonders hervorzuheben ist. Fortschrittliche Technik ermöglichte die Entwicklung von Infrarot-Sendern, die im Bereich von 850 nm arbeiten und dadurch auf eine hohe Ausgangs-Effizienz und eine Energieeinsparung von 66 % kommen (Bild 4).

Verglichen mit anderen Produkten ergibt das ultrakompakte SMD-Gehäuse der Rohm-Lichtschranken eine Volumenreduzierung um rund 31,4 %, während die Masse um 28 % geringer ist. Die Doppelform-Konstruktion (an eine primäre Form mit der Linse schließt sich eine weitere Form an) und die Wellenlänge von 850 nm ergeben eine hohe Empfindlichkeit, eine verbesserte Signalgenauigkeit und den höchsten Empfänger-Kollektorstrom, der überhaupt angeboten wird. Bei besonderen Ausführungen, wie den Zweiphasen-Lichtschranken, sind zwei Sensoren in einem Gehäuse angeordnet (Bild 5). Abgesehen von der zusätzlichen Platz-ersparnis sind diese Bauelemente in der Lage, Drehzahl und Drehrichtung eines Motors mit höherer Genauigkeit zu erfassen als konventionelle foto-optische Lösungen auf der Basis zweier separater Sensoren.

Es gibt ferner weitere Lösungen mit Klemmgehäuse und Mini-CT-Steckverbinder für den komfortablen Anschluss an andere Schaltungen, so dass auf eine zusätzliche Leiterplatte oder auf Löten verzichtet werden kann.

40 Jahre Support-Tätigkeit im Bereich der IR-Sensoren und die anhaltende Forschung im Bereich der LEDs und Sensoren haben ein umfangreiches Portfolio an IR-Sensoren und Fernbedienungs-Produkten hervorgebracht. Neueste IR-Technologien sind hier mit hoher Effizienz und komplexen Gehäusebauformen kombiniert, um die wachsenden Anforderungen moderner IR-Applikationen zu erfüllen.