Infrarot-Übertragung
Die Fernbedienung spinnt!
Jeden Tag benutzen wir diverse Elektronikgeräte so selbstverständlich, dass es uns gar nicht mehr auffällt – außer, etwas funktioniert nicht so, wie es soll. Selbst vergleichsweise simple Anwendungen benutzen heutzutage komplexe Kommunikationsprotokolle, so dass die Fehlersuche gar nicht so einfach ist.
Während die Elektronik dem Anwender das Leben häufig erleichtert, verursacht sie ihren Entwicklern oft erhebliches Kopfzerbrechen. Hinter oft recht simpel wirkenden und selbstverständlichen Funktionen wie etwa einer Fernbedienung verbergen sich oft ziemlich komplexe Technologien, damit die Bedienfunktion letztendlich wirklich einfach wird.
Der Anwender bekommt im Regelfall von den umfangreichen Abläufen im Hintergrund nichts mit. Es sei denn, etwas funktioniert mal nicht ganz so, wie man es sich vorstellt. Dann sind die Vorzüge der Elektronik schnell vergessen, und man bezeichnet »die Elektronik« als anfällig und unausgereift.
Natürlich ist es ein Ärgernis, wenn die Fernbedienung nicht richtig funktioniert, man genau auf den Empfänger zielen muss, das Gerät erst nach einer merklichen Verzögerung den Befehl annimmt oder die Fernbedienung tagsüber einwandfrei, am Abend aber mangelhaft funktioniert.
Dass das allerdings keine Launen der Elektronik sind, sondern physikalische Hintergründe hat, weiß der Anwender natürlich nicht. Muss er auch nicht, denn das ist die Aufgabe der Elektronikentwickler. Was passiert nun bei einem »simplen« Knopfdruck auf die Fernbedienung?
Und warum hat sie manchmal ihre Launen? Generell gibt es Infrarot- und Funk-Fernbedienungen. Die Infrarottechnik bietet für den Einsatz in der Unterhaltungselektronik gegenüber der Funkübertragung einige Vorteile, beispielsweise die einfache Implementierbarkeit, geringe Kosten und keine notwendigen Zertifikate.
Sie ist in diesem Bereich immer noch vorherrschend. Wie jedes andere Datenübertragungssystem besteht auch die IR-Übertragung aus Sender, Übertragungsstrecke und Empfänger. In den meisten Fällen ist die Übertragung unidirektional. Es bietet sich also an, Sender, Übertragungsstrecke und Empfänger nacheinander zu betrachten.
Protokollfrage
Der IR-Sender (die Fernbedienung) ist aus Sicht der Datenübertragung noch der simpelste Teil des gesamten Systems. Im einfachsten Fall wird das IR-Protokoll von einem günstigen Mikrocontroller generiert und das Signal mittels einer Endstufe über eine IR-Diode ausgesendet.
Doch bereits hier beeinflussen zwei Faktoren die Übertragungsqualität: das Protokoll und die IR-Diode. Beim IR-Protokoll gehen die Hersteller von Geräten und Fernbedienungen unterschiedliche Wege. Die erste Unterscheidung findet zwischen gepulsten und geträgerten Protokollen statt.
Bei gepulsten Protokollen besteht ein Datenbit nur aus einem kurzen Impuls, gefolgt von einer definierten Pause. Die Länge der Pause entscheidet zwischen einer logischen Null oder Eins (Pulsabstand-Codierung). Gepulste Protokolle haben zwar einen geringen Stromverbrauch, und man kann relativ hohe Datenraten erreichen, doch die Übertragungsreichweite ist gering und die Störanfälligkeit relativ hoch, weil auch nur einzelne Störimpulse von anderen IR-Quellen die Übertragung beeinflussen können.
Die zweite Art sind die geträgerten Protokolle. Abgesehen vom höheren Stromverbrauch (je nach Protokoll etwas bis erheblich höher) bietet diese Übertragungsart die Vorteile einer größeren Reichweite (was den Stromverbrauch wieder relativiert) und einer deutlich geringeren Störanfälligkeit.
Die geringere Datenrate ist für die meisten Anwendungen nicht relevant. Vor allem wegen der geringeren Störanfälligkeit werden fast nur geträgerte Protokolle verwendet. Diese unterscheiden sich wiederum in der Trägerfrequenz. Üblicherweise liegen diese zwischen 30 kHz und 56 kHz, in wenigen Fällen bei 455 kHz.
Die gängigsten Frequenzen sind 36 kHz und 38 kHz. Die letzte Unterscheidung besteht in der Codierart. Die gängigsten Codierarten sind Manchestercodierung (zum Beispiel das RC5- und RC6-Protokoll von Philips), Pulsabstandscodierung (etwa das NEC-Protokoll) und Pulsbreitencodierung (beispielsweise von Sony).
Jede Art besitzt ihre Vorteile. Für welche Codierart sich ein Hersteller entscheidet, hängt von dessen Präferenzen und der Anwendung ab. Die unterschiedlichen Trägerfrequenzen, Codierarten und letztlich auch noch Adressbits sollen eine Fehlbedienung anderer Geräte ausschließen.
IR-Diode
Die IR-Diode muss sicherstellen, dass das Protokoll mit ausreichender Leistung und in einem möglichst großen Winkel ausgesendet wird. Schließlich kann sich der Empfänger irgendwo im Raum befinden, und die Übertragung soll auch noch funktionieren, wenn man nicht direkt auf den Empfänger zielt.
Um eine hohe Sendeleistung zu erreichen, muss die IRDiode einen hohen Wirkungsgrad aufweisen und mit einem möglichst hohen Strom angesteuert werden. Dem Strom sind natürlich Grenzen gesetzt, weil dieser sonst die Diode zerstört. Die verwendete Chip-Architektur ist für den Wirkungsgrad und für die Wellenlänge entscheidend.
Normalerweise kommen IRDioden mit 940 nm bis 950 nm zum Einsatz, in wenigen Fällen 850 nm bis 880 nm. Erstgenannte Kategorie ist preisgünstig und für übliche Applikationen bestens geeignet. Der Vorteil der Bauteile mit 850 nm bis 880 nm Wellenlänge liegt in den kürzeren Schaltzeiten (höhere Datenrate, vgl. Tabelle 1) und im höheren Wirkungsgrad.
| Parameter | Größe | Bedingung | minimal | typischl | maximal | Einheit |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Durchlassstrom |
IF |
DC |
100 | mA |
||
| Spitzenstrom |
IFP |
tp<100µs, 1% Auslasung |
1 |
A |
||
| Verlustleistung |
Pd |
Ta = 25 °C |
150 |
mW |
||
| Strahlungsintensität |
IE |
IF = 20 mA |
7,8 |
11 |
mW/sr |
|
| Wellenlängenmaximum |
λP |
IF = 20 mA |
940 |
nm |
||
| Betrachtungswinkel |
30 |
35 |
40 |
° |
Tabelle 1: Wichtige Kenngrößen einer IR-Diode für die Anwendung in Fernbedienungen
Nachdem aber alle gängigen IREmpfänger für 940 nm bis 950 nm ausgelegt sind, kommen diese Dioden nur selten in Fernbedienungen zum Einsatz: Der Aufwand, einen eigenen IR-Empfänger für diesen Wellenbereich zu entwickeln, lohnt sich nur selten.
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