Advies

Alles wat u moet weten over IR-LED's

Tv-afstandsbediening, bewaking of warmtebeeldcamera: infrarood (IR) is zeer veelzijdig. Tegenwoordig wordt infrarood licht op het gebied van elektronische apparatuur bijna uitsluitend gegenereerd in een IR-LED, vaak ook IR-emitter genoemd - kleine, goedkope en zeer duurzame diodes. Hier tonen wij u de eigenschappen van IR-LED's, hoe zij werken en hoe zij kunnen worden gebruikt voor communicatie.


Eigenschappen van infrarood

Net als zichtbaar licht maakt infrarood deel uit van de elektromagnetische straling. Het heeft echter zulke lange golflengten dat het onzichtbaar blijft voor het menselijk oog. Typische IR-golflengten strekken zich uit van de rode rand van het zichtbare spectrum op ongeveer 700 nanometer tot één millimeter. Infrarood kan niet worden gezien, maar wel gevoeld: de meeste warmtestraling die wordt uitgezonden door voorwerpen in de buurt van kamertemperatuur is infrarood. Zoals alle elektromagnetische straling heeft ook IR stralingsenergie. Het gedraagt zich zowel als een golf als als zijn kwantumdeeltje, het foton.


Hoe werkt een IR-LED?

Een lichtgevende diode is een halfgeleidertoestel dat licht uitzendt en waarvan de elektrische eigenschappen overeenkomen met die van een normale diode. Door in de voorwaartse richting te schakelen met de juiste spanning, worden elektronen en gaten in de splitsing van de p-n splitsing gedreven. Daar vindt dan de recombinatie van elektronen en gaten plaats, en de daarbij vrijkomende energie wordt door de LED als licht uitgezonden. Een proces dat bekend staat als "elektroluminescentie".

Terwijl niet-luminescerende diodes zijn gemaakt van silicium, germanium of selenium, is het uitgangsmateriaal voor IR-stralers een directe halfgeleider, meestal een galliumverbinding. De golflengte hangt voornamelijk af van het halfgeleidermateriaal en de dotering. Voor een IR-LED ligt dit tussen 700 en 1000 nm. Voor een betere duidelijkheid en kosteneffectieve productie zijn de golflengten van de IR-stralers geharmoniseerd; zij zijn standaard verkrijgbaar voor 840 nm, 850 nm, 875 nm, 880 nm, 885 nm, 890 nm, 940 nm en 950 nm.


Hoe werkt de communicatie tussen IR zender en IR ontvanger?

Als de IR-LED alleen moet worden gebruikt voor onzichtbare verlichting, bijvoorbeeld in nachtkijkers of bewakingscamera's, volstaat het om hem gewoon in te schakelen. De situatie is anders als u infrarood wilt gebruiken om gegevens te verzenden. In deze gevallen fungeert de LED als zender en bijvoorbeeld een IR-fotodiode als ontvanger.

Het uitgezonden infrarood wordt in de zender gemoduleerd en gecodeerd via een microcontroller (MCU), namelijk via pulsbreedte en pulsduur in een frequentie tussen 30 en 60 kHz. De binaire 1 kan bijvoorbeeld worden weergegeven door drie pulsen snel achter elkaar, de binaire 0 door twee pulsen. Een korte pauze tussen de afzonderlijke pulsen scheidt de codegroepen van elkaar.

De door de IR-diode ontvangen signalen passeren eerst een voorversterker, die de ingangsstroom omzet in een proportionele uitgangsspanning, een verdere versterker en een banddoorlaatfilter om ongewenste infrarode frequenties te onderdrukken. Dit wordt gevolgd door demodulatie, waarbij het draaggolfsignaal als het ware wordt afgestript. Het gedemoduleerde signaal komt uiteindelijk rechtstreeks in de MCU van de ontvanger terecht voor decodering.

Overigens zijn alle componenten aan de ontvangerkant, met uitzondering van de MCU, als complete component verkrijgbaar. Het bevat de fotodiode, de voorversterker, een automatische versterkingsregeling, het bandpassfilter en de demodulator in een zeer kleine ruimte.


Welke soorten IR-LED's zijn er?

Veruit de meeste IR-emitters die worden aangeboden komen optisch en qua aansluiting overeen met een normale lichtgevende diode. De kathode en de anode bevinden zich in een heldere, blauwachtige of diffuus gekleurde behuizing van epoxyhars met een lichtgerichte lens en radiale bedrading. De gebruikelijke grootte is drie of vijf millimeter.

Zeer kleine rechthoekige IR-lichtdiodes zijn speciaal ontworpen voor rechtstreekse montage op een printplaat (SMD = Surface Mounted Device). Enerzijds worden zij gekenmerkt door grote stralingshoeken, anderzijds kunnen zij onmiddellijk worden gebruikt in automatische plaatsingsmachines in lintvormige verpakkingen - de zogenaamde blisterbanden.

Bij sommige projecten past de gebruikelijke cilindrische vorm van een IR-LED niet in de geplande behuizing. Voor deze gevallen zijn platte, rechthoekige LED's beschikbaar.

Als de lichtopbrengst belangrijk is, zijn er zeer krachtige IR-emitters beschikbaar. Normale LED's geven infrarood licht tot 180 mW, terwijl krachtige modellen tot 10.000 mW uitstralen. In deze vermogensklasse ontwikkelen de diodes warmteverlies dat moet worden afgevoerd met een geïntegreerd koellichaam. Deze speciale vorm van IR-emitter is echter alleen beschikbaar voor directe PCB-montage.


Waar moet u op letten als u een IR-LED wilt kopen?

Naast de constructie- en montagevorm spelen deze drie eigenschappen een essentiële rol:

  • Frequentie
    De frequentie is belangrijk als de IR-zender in direct contact moet staan met een IR-ontvanger. Hier moeten beide componenten op dezelfde golflengte zenden of ontvangen.

  • Stralingshoek
    Hoe groter de stralingshoek, hoe groter het verlichte gebied. In het geval van IR-afstandsbedieningen mag deze niet te klein zijn, zodat de IR-ontvanger ook wordt geraakt wanneer minder nauwkeurig wordt gemikt. Hetzelfde geldt voor bewakingscamera's met IR-verlichting. Een kleine stralingshoek daarentegen optimaliseert zowel het stralingsvermogen als de focussering, bijvoorbeeld met lichtbarrières.

  • Vermogen
    Terwijl stralingsvermogens van 50 tot 150 mW voldoende kunnen zijn voor lichtbarrières en afstandsbedieningen, afhankelijk van de afstand tot de ontvanger, vereisen LED's voor bewakingscamera's een aanzienlijk hoger vermogen, bijvoorbeeld 5.000 of 10.000 mW.

FAQ – veelgestelde vragen

Hoe kan ik bepalen of een IR-emitter daadwerkelijk infrarood licht produceert?

De camera van een oude mobiele telefoon of een goedkope (!) smartphone volstaat als snelle methode. Hun camera's hebben vaak geen IR-cutfilter, zodat infrarood licht wordt gedetecteerd door de chip van de camera. Schakel gewoon de telefoon naar de fotomodus en focus op de IR emitter. Wanneer de emitter wordt geactiveerd, moet er een rood lichtje op het display gaan branden. Deze truc werkt het best met IR-LED's die niet te ver van het zichtbare rode bereik liggen, bijvoorbeeld 850 of 880 nm.

Als er geen geschikte camera beschikbaar is of als de uitgezonden frequentie te ver verwijderd is van het zichtbare licht, is detectie mogelijk met een zogenaamde indicatorkaart. Hun spectrum varieert gewoonlijk van 830 tot 1100 nm. Een sensor op de kaart licht groen op zodra hij wordt geraakt door infrarood licht.

Hoe identificeer ik de anode en kathode van een LED?

De anode (positieve pool) van een gloednieuwe LED is te herkennen aan de langere aansluitdraad of een uitstulping of inkeping op de behuizing.

Bij welke spanning en stroom moeten IR-stralers werken?

Alle diodes reageren uiterst gevoelig op te hoge spanningen en stromen. De normale bedrijfsspanning moet daarom tussen 1,5 en 3 V liggen en de maximale stroom onder 300 mA. Spanningen boven 5 V en stromen boven 400 mA kunnen de LED vernielen. De eenvoudigste manier om de waarde te verlagen is een serieweerstand in te bouwen.