Infrarotsensoren erfassen Wärmestrahlung und machen sie für Elektronik nutzbar: Sie schalten Licht bei Bewegung, messen Temperaturen berührungslos und übertragen Signale von der Fernbedienung zum Fernseher. Dieser Ratgeber erklärt, wie passive und aktive IR-Sensoren funktionieren, woraus sie bestehen und in welchen Geräten sie stecken.
Was ist ein Infrarotsensor?
Ein Infrarotsensor reagiert auf Infrarotstrahlung, den Bereich des elektromagnetischen Spektrums zwischen sichtbarem Rotlicht und Mikrowellen. Nach den Angaben des Bundesamts für Strahlenschutz umfasst er Wellenlängen von etwa 780 Nanometern bis 1 Millimeter, unterteilt in IR-A (780 bis 1.400 Nanometer), IR-B (1.400 bis 3.000 Nanometer) und IR-C (3.000 Nanometer bis 1 Millimeter).
Für Sensoren sind zwei Eigenschaften entscheidend:
- Jeder Körper strahlt: Alles mit einer Temperatur über dem absoluten Nullpunkt gibt Infrarotstrahlung ab, ein Mensch besonders stark im Bereich um 10 Mikrometer.
- Strahlung lässt sich erzeugen und lenken: IR-LEDs und Laserdioden senden gezielte Signale aus, die Empfänger auswerten.
Daraus ergeben sich die zwei Grundtypen, die Sie in der Praxis unterscheiden sollten.
Passive Infrarotsensoren (PIR): Bewegung erkennen
Passive Infrarotsensoren senden selbst keine Strahlung aus, sie empfangen nur. Der bekannteste Vertreter ist der PIR-Sensor im Infrarot-Bewegungsmelder.
So funktioniert die Erkennung:
- Das Herzstück ist ein pyroelektrisches Sensorelement. Dieses Material erzeugt eine elektrische Spannung, sobald sich die einfallende Wärmestrahlung ändert. Auf konstante Strahlung reagiert es nicht.
- Eine Fresnel-Linse vor dem Sensor teilt das Sichtfeld in viele Segmente und bündelt die Strahlung.
- Bewegt sich eine Person durch den Erfassungsbereich, wandert ihre Wärmesignatur von Segment zu Segment. Am Sensor entsteht ein charakteristisches Wechselsignal.
- Die Auswerteelektronik verstärkt das Signal, filtert Störungen und schaltet den Ausgang: Licht, Kamera oder Alarmmeldung.
Diese Bauweise erklärt auch die Grenzen: Sehr langsame Bewegungen direkt auf den Sensor zu erzeugen nur ein schwaches Signal. Und hinter Glas funktioniert ein PIR-Sensor nicht, weil normales Fensterglas die langwellige Wärmestrahlung blockiert.
In der Sicherheitstechnik überwachen PIR-Melder Räume in der sogenannten Fallenüberwachung. Die Polizeiliche Kriminalprävention empfiehlt für Einbruchmeldeanlagen geprüfte Komponenten, etwa mit Anerkennung der VdS Schadenverhütung GmbH.
Aktive Infrarotsensoren: Senden und Empfangen
Aktive Systeme bestehen aus einem Sender (meist einer IR-LED oder Laserdiode) und einem Empfänger (Fotodiode oder Fototransistor). Laut Bundesamt für Strahlenschutz arbeiten solche Anwendungen typischerweise im Bereich von 880 bis 950 Nanometern, weil Fotodioden dort am empfindlichsten sind.
Drei Prinzipien sind verbreitet:
- Lichtschranke: Sender und Empfänger stehen sich gegenüber. Unterbricht ein Objekt den Strahl, schaltet der Sensor. Einsatz: Garagentore, Aufzugtüren, Produktionsanlagen.
- Reflexionssensor: Sender und Empfänger sitzen im selben Gehäuse. Der Sensor erkennt Objekte am reflektierten Licht. Einsatz: Infrarot-Seifenspender, Infrarot-Wasserhahn, Näherungssensor im Smartphone.
- Datenübertragung: Der Sender moduliert das IR-Signal, üblicherweise mit einer Trägerfrequenz um 38 Kilohertz. Der Empfänger filtert genau diese Frequenz heraus und ist so unempfindlich gegen Sonnenlicht und Lampen. Das ist das Prinzip der Infrarot-Fernbedienung.
Thermische Sensoren: Temperatur berührungslos messen
Eine dritte Gruppe misst die Intensität der Wärmestrahlung und berechnet daraus die Oberflächentemperatur. Genutzt wird vor allem das atmosphärische Fenster von etwa 8 bis 14 Mikrometern: In diesem Bereich strahlen Objekte bei Alltagstemperaturen am stärksten, und die Luft absorbiert die Strahlung kaum.
Zwei Sensortypen dominieren:
- Thermosäulen (Thermopiles) stecken im Infrarot-Thermometer. Sie liefern einen einzelnen Temperaturwert pro Messung.
- Mikrobolometer-Arrays bestehen aus tausenden Bildpunkten und erzeugen ein Wärmebild. Sie sind das Herz jeder Infrarotkamera, etwa für die Suche nach Wärmebrücken am Haus.
Aufbau: Diese Komponenten stecken in einem IR-Sensor
Unabhängig vom Typ besteht ein Infrarotsensor-System aus vier Funktionsblöcken:
- Optik: Linsen oder Spiegel bündeln die Strahlung auf das Sensorelement. Da normales Glas langwelliges Infrarot blockiert, kommen Materialien wie Germanium, Silizium, Zinkselenid oder spezielle Kunststoffe (Polyethylen bei Fresnel-Linsen) zum Einsatz.
- Detektor: das eigentliche Sensorelement, etwa pyroelektrisches Material (PIR), eine Fotodiode (aktive Sensoren) oder eine Thermosäule (Temperaturmessung).
- Signalverarbeitung: Die Rohsignale sind sehr klein. Verstärker, Filter und zunehmend integrierte Mikrocontroller bereiten sie auf. Moderne digitale Sensoren liefern den Messwert direkt über Schnittstellen wie I2C.
- Ausgang: ein Schaltkontakt, ein Analogwert oder ein Datensignal an die übergeordnete Steuerung.
Anwendungen: Wo Infrarotsensoren im Alltag stecken
Smart Home und Sicherheit
PIR-Sensoren melden Bewegung an die Smart-Home-Zentrale, per Zigbee, WLAN, Z-Wave oder Matter beziehungsweise Thread. Die Zentrale schaltet daraufhin Licht, Heizung oder Sirene. In Alarmanlagen übernehmen geprüfte PIR-Melder die Raumüberwachung. Mehr Details zu Auswahl und Montage finden Sie im Ratgeber zum Infrarot-Bewegungsmelder.
Fernbedienung und Unterhaltungselektronik
Fernseher, Receiver und Klimaanlagen werden weiterhin überwiegend per IR-Fernbedienung gesteuert. Smartphones mit eingebautem IR-Sender sind dagegen selten geworden: Während Geräte wie das Samsung Galaxy S4 diese Funktion noch an Bord hatten, bieten sie heute fast nur noch einzelne Xiaomi-, Poco- und Huawei-Modelle als sogenannten IR-Blaster.
Berührungslose Hygiene
Reflexionssensoren erkennen die Hand unter dem Spender oder Wasserhahn und schalten ohne Berührung. Das spart Wasser und verbessert die Hygiene in Bad und Küche.
Messen und Prüfen
IR-Thermometer kontrollieren Heizkörper, Pizzastein oder Fensterlaibung, Wärmebildkameras spüren Dämmschwächen und überhitzte Bauteile auf. Eine Übersicht weiterer Anwendungsfelder bietet der Beitrag zu den Einsatzgebieten von Infrarotstrahlung.
Industrie und Fahrzeugtechnik
Lichtschranken zählen und sichern in der Produktion, IR-Kameras unterstützen Nachtsichtassistenten im Auto, und Innenraumsensoren erkennen Personen für Komfort- und Sicherheitsfunktionen.
Infrarotsensor kaufen: Darauf kommt es an
Für Heimwerker und Smart-Home-Nutzer haben sich drei Produktkategorien etabliert:
- PIR-Bewegungssensoren: Achten Sie auf Reichweite (üblich 5 bis 12 Meter), Erfassungswinkel, einstellbaren Lux-Wert und Nachlaufzeit. Fürs Smart Home muss der Funkstandard zu Ihrer Zentrale passen. Fertige Melder kosten ab etwa 10 Euro, Smart-Home-Sensoren 20 bis 50 Euro.
- Abstands- und Reflexionsmodule: für Bastler mit Arduino oder Raspberry Pi. Wichtig sind Messbereich, Versorgungsspannung (3,3 oder 5 Volt) und Schnittstelle (digital, analog, I2C). Module gibt es ab wenigen Euro.
- IR-Temperatursensoren: Hier zählen Messbereich, Genauigkeit und das Distanz-zu-Messfleck-Verhältnis. Fertige IR-Thermometer beginnen bei rund 20 Euro, einzelne Sensorbausteine wie der MLX90614 kosten etwa 10 bis 20 Euro.
Kaufen Sie für sicherheitsrelevante Anwendungen geprüfte Komplettgeräte statt einzelner Module. Für Licht, Komfort und Experimente bieten günstige PIR- und Reflexionssensoren dagegen ein hervorragendes Preis-Leistungs-Verhältnis.
