Infrarot-LEDs: Ein vollständiger Leitfaden
Im Bereich der Festkörperbeleuchtung stellen Infrarot-LEDs (IR-LEDs) eine faszinierende und grundlegende Technologie dar, die jenseits des sichtbaren menschlichen Spektrums arbeitet. Im Gegensatz zu herkömmlichen LEDs für allgemeine Beleuchtung, die sichtbares Licht emittieren, erzeugen Infrarot-LEDs elektromagnetische Strahlung im Infrarotbereich und ermöglichen so ein breites Anwendungsspektrum – von Sicherheits- und Überwachungssystemen über optische Kommunikation bis hin zu Fernbedienungen und medizinischer Analytik. Dieser umfassende Leitfaden untersucht eingehend die physikalischen Grundlagen, charakteristischen Eigenschaften, Funktionsweisen und Anwendungsbereiche dieser essenziellen optoelektronischen Bauelemente und bietet eine detaillierte, professionelle technische Übersicht für alle, die im Bereich Beleuchtung, Automatisierung oder Elektronik tätig sind. Bevor wir uns den technischen Details zuwenden, ist es entscheidend, präzise zu definieren, was IR-LEDs sind und sie in den größeren Kontext des elektromagnetischen Spektrums einzuordnen. Während sichtbare LEDs auf maximale luminöse Effizienz für das menschliche Auge ausgelegt sind, werden IR-LEDs für die Emission von Strahlung im Spektralbereich von etwa 700 Nanometern (nm) bis 1 Millimeter (mm) optimiert. Dieser Bereich wird weiter unterteilt in Nahinfrarot (NIR), Mittelinfrarot (MIR) und Ferninfrarot (FIR). Ihre Konstruktion, die verwendeten Halbleitermaterialien (wie Galliumarsenid – GaAs) und die Betriebseigenschaften folgen spezifischen Anforderungen, welche die Wechselwirkung der IR-Strahlung mit Materialien, die Empfindlichkeit der Detektoren und die Bedürfnisse der jeweiligen Anwendungen berücksichtigen. Eine Infrarot-LED (IR-LED) ist eine Leuchtdiode, die bei Durchlasspolarisation Photonen mit Wellenlängen im Infrarotbereich emittiert. Infrarotstrahlung, 1800 von William Herschel entdeckt, ist eine Form unsichtbarer Strahlungsenergie für das menschliche Auge, die jedoch als Wärme wahrgenommen werden kann. Infrarot-LEDs stellen die hoch effiziente, kompakte Halbleitervariante herkömmlicher Infrarotlichtquellen (wie Glühlampen mit Filtern) dar und bieten entscheidende Vorteile hinsichtlich Lebensdauer, Kompaktheit, Schaltgeschwindigkeit und Energieverbrauch. Die Funktionsweise einer Infrarot-LED beruht auf demselben physikalischen Prinzip wie sichtbare LEDs: dem Phänomen der Elektrolumineszenz in einem Halbleiter mit p-n-Übergang. Wird eine Durchlassspannung am Übergang angelegt, rekombinieren Elektronen aus dem n-Gebiet mit Defektelektronen („Löchern“) aus dem p-Gebiet und geben dabei Energie in Form von Photonen ab. Die Energie – und somit die Wellenlänge – des emittierten Photons wird durch die Bandlücke des Halbleitermaterials bestimmt. Zur Erzeugung von Infrarotstrahlung werden Materialien mit engerer Bandlücke verwendet als für sichtbares Licht. Galliumarsenid (GaAs) beispielsweise hat eine Bandlücke von etwa 1,43 eV und emittiert im Nahinfrarotbereich (NIR) bei ca. 870 nm. Durch Variation der Halbleiterzusammensetzung (z. B. mit GaAlAs oder InGaAs) lässt sich die Emissionswellenlänge präzise abstimmen, um verschiedene IR-Unterbereiche je nach Anwendungsbedarf abzudecken. Die Wahl des Halbleitermaterials ist der entscheidende Faktor für die Eigenschaften einer Infrarot-LED. Neben dem bereits genannten GaAs, das für Emissionen zwischen 750 und 950 nm verwendet wird, ermöglicht Galliumphosphid (GaP), dotiert mit Zink-Sauerstoff, LEDs mit einem Emissionspeak bei 700 nm – genau an der Grenze zwischen sichtbarem Rot und IR. Für Anwendungen mit längeren Wellenlängen im mittleren Infrarotbereich kommt Gallium-Indium-Arsenid (InGaAs) zum Einsatz. Für den fernen Infrarotbereich – wo die Emission im Wesentlichen thermische Strahlung ist – werden oft Quantenkaskadenlaser (QCL) verwendet, die auf komplexen Heterostrukturen basieren, obwohl diese Technologie sich von herkömmlichen LEDs unterscheidet. Die folgende Tabelle fasst die gängigsten Materialien und deren typische Emissionsbereiche zusammen: Die Konstruktion einer Infrarot-LED beschränkt sich nicht auf die Wahl des aktiven Materials. Die Chip-Geometrie, das Design der Elektroden zur gleichmäßigen Stromverteilung, die Verwendung von reflektierenden Schichten zur Maximierung der Lichtextraktion und die Gehäuseart (epoxidharz-, silikon- oder keramikbasiert) sind allesamt kritische Faktoren, die die externe Quanteneffizienz, den Abstrahlwinkel, die thermische Stabilität und die Langzeitzuverlässigkeit beeinflussen. IR-LED-Gehäuse sind oft schwarz oder dunkelblau, um die Reflexion von sichtbarem Umgebungslicht zu reduzieren, und können mit Linsen zur Strahlfokussierung ausgestattet sein. Der Betrieb von Infrarot-LEDs innerhalb eines elektronischen Schaltkreises erfordert das Verständnis ihrer elektrischen und optischen Parameter sowie ihrer Ansteuermethoden. Im Gegensatz zu einer herkömmlichen Glühbirne ist eine LED ein stromgesteuertes Bauelement, dessen Strahlungsleistung nahezu proportional zum durchfließenden Gleichstrom ist. Daher ist zur Gewährleistung eines korrekten, zuverlässigen und langlebigen Betriebs eine geeignete Treuerschaltung unerlässlich, die den Strom stabilisiert, vor Spannungsspitzen schützt und die als Wärme abgegebene Verlustleistung effizient ableitet. Zur korrekten Auswahl und Verwendung einer Infrarot-LED müssen folgende grundlegende Parameter bekannt sein, die normalerweise im Datenblatt des Herstellers angegeben werden: Wichtiger technischer Hinweis: Sowohl die optische Ausgangsleistung (Po) als auch die Peak-Wellenlänge (λp) hängen stark von der Sperrschichttemperatur ab. Mit steigender Temperatur nimmt Po ab (thermische Effizienzdegradation) und λp verschiebt sich zu größeren Werten (Rotverschiebung). Daher ist ein geeigneter Wärmesenke (Heat Sink) entscheidend, um stabile Leistung – besonders bei High-Power-Infrarot-LEDs – sicherzustellen. Die einfachste Schaltung zur Ansteuerung einer Infrarot-LED besteht aus einem Vorwiderstand in Reihe, gespeist von einer Versorgungsspannung (VCC). Der Widerstandswert Rs berechnet sich nach dem Ohmschen Gesetz: Rs = (VCC – VF) / IF. Bei einer Versorgungsspannung von 5 V, VF = 1,4 V und IF = 100 mA ergibt sich Rs = (5 – 1,4) / 0,1 = 36 Ω. Dieser Widerstand muss auch hinsichtlich der zu dissipierenden Leistung ausgelegt werden: P = (VCC – VF) · IF = 0,36 W – daher sollte ein mindestens 0,5-W-Widerstand gewählt werden. Für Anwendungen, die eine stabilere Stromregelung erfordern (z. B. um Intensitätsänderungen durch Temperatur zu vermeiden oder LED-Arrays in Reihe zu betreiben), sind Stromquellen bevorzugt. Diese lassen sich mit spezialisierten Stromreglern, Transistoren als Stromquelle oder integrierten LED-Treibern realisieren. In schnellem Pulsbetrieb (z. B. bei IR-Datenkommunikation) muss die Ansteuerschaltung den Strom schnell schalten können – hier kommen oft schnelle MOSFETs zum Einsatz. Trotz identischer Grundarchitektur bestehen zwischen Infrarot-LEDs und sichtbaren LEDs wesentliche Unterschiede, die aus ihren verschiedenen Anwendungszwecken resultieren. Diese betreffen nicht nur die emittierte Wellenlänge, sondern auch Chip-Design, Gehäuseeigenschaften, Leistungskenngrößen und Messtechnik. Dieses Verständnis ist entscheidend für die richtige Bauteilwahl und zur Vermeidung typischer Entwicklungsfehler. Der offensichtlichste Unterschied liegt im aktiven Halbleitermaterial. Während weiße Beleuchtungs-LEDs typischerweise Nitride (InGaN) für blaue/UV-Emission nutzen – kombiniert mit Leuchtstoffen zur Wellenlängenkonversion – verwenden IR-LEDs Arsenide oder Phosphide (wie zuvor beschrieben). Dies hat direkte Auswirkungen auf die Einschaltschwelle (Threshold-Spannung) (niedriger bei IR) und auf die Effizienz. Die Effizienz wird je nach sichtbarer oder infraroter LED unterschiedlich bewertet. Sichtbare LEDs orientieren sich an der menschlichen Lichtwahrnehmung, gemessen in Lumen (lm) und luminöser Effizienz (lm/W), gewichtet nach der photopischen Empfindlichkeitskurve des Auges V(λ). Bei Infrarot-LEDs hingegen ist die relevante Kenngröße die radiometrische Effizienz, angegeben als Verhältnis der emittierten optischen Gesamtleistung (in Watt) zur elektrischen Eingangsleistung (W/W oder oft mW/mA). IR-LEDs erreichen häufig radiometrische Effizienzen von über 40–50 %, da hier die inhärente Ineffizienz der Leuchtstoff-basierten Farbkonversion (wie bei weißen LEDs) entfällt. Die folgende Tabelle vergleicht die Hauptmerkmale: Ein kritischer und oft übersehener Aspekt betrifft die Augensicherheit. Da Infrarotstrahlung unsichtbar ist, löst sie nicht den Lidschlussreflex (Blinkreflex) aus, der das Auge vor intensiven sichtbaren Lichtquellen schützt. Zudem sind Hornhaut und Linse für Nahinfrarot durchlässig, sodass die Strahlung die Netzhaut erreichen und potenziell schädigen kann – genauso wie sichtbares Licht. Daher ist bei High-Power-Infrarot-LEDs die Einhaltung von Sicherheitsnormen (wie z. B. der IEC 62471) unerlässlich, die Expositionsgrenzwerte festlegen. Oft werden solche LEDs nur dann als „Klasse 1“ (sicher unter allen vorhersehbaren Bedingungen) klassifiziert, wenn sie in ein Produkt integriert sind, das direkten Zugang oder abgestrahlte Leistung begrenzt. Die Entwicklung mit IR-LEDs erfordert daher besondere Aufmerksamkeit für die Risiken, die mit der Unsichtbarkeit ihrer Strahlung verbunden sind. Die Unsichtbarkeit der Infrarotstrahlung für das menschliche Auge – kombiniert mit ihrer spezifischen Wechselwirkung mit Materialien und Sensoren – macht Infrarot-LEDs zu unverzichtbaren Komponenten in zahlreichen Branchen. Ihre Anwendungen lassen sich in drei Hauptkategorien einteilen: Kommunikation und Steuerung (IR als Träger für Daten oder Befehle), Sensorik und Detektion (IR als Sonde zur Messung physikalischer oder chemischer Eigenschaften) und Beleuchtung für maschinelle Bildverarbeitung („unsichtbare“ Beleuchtung zur Aktivierung IR-empfindlicher Kameras). Jeder Bereich nutzt spezifische Kombinationen aus Wellenlänge, Leistung und Betriebsart der LED. Einer der bekanntesten Anwendungsfälle für Infrarot-LEDs ist die Zusatzbeleuchtung für Überwachungskameras (CCTV) und Video-Gegensprechanlagen. Standard-CCD- und CMOS-Kameras sind nicht nur für sichtbares Licht, sondern auch für Nahinfrarot (NIR) empfindlich – typischerweise bis etwa 1000–1100 nm. Durch Montage eines Arrays aus High-Power-Infrarot-LEDs (oft 850 nm oder 940 nm) um das Objektiv der Kamera lässt sich das Szenario bei Nacht ausleuchten, ohne sichtbares Licht zu erzeugen – und somit diskrete, kontinuierliche Überwachung gewährleisten. Die Wahl zwischen 850 nm und 940 nm beinhaltet einen Kompromiss. IR-LEDs bei 850 nm bieten bessere Leistung: Kamerasensoren sind in der Regel empfindlicher bei dieser Wellenlänge, und das emittierte Licht zeigt – aus nächster Nähe betrachtet – einen schwachen roten Schimmer, was zur Funktionskontrolle nützlich sein kann. IR-LEDs bei 940 nm hingegen sind vollständig unsichtbar (kein Schimmer), maximieren so die Diskretion, erfordern aber Kameras mit hochwertigen Sensoren, da die Siliziumempfindlichkeit über 900 nm deutlich abnimmt. Die benötigte Leistung hängt von der Reichweite ab: Für große Flächen (Höfe, Parkplätze) werden externe IR-Strahler mit kollimierten Strahlen und Leistungen von mehreren Watt eingesetzt. Vertiefung: Die Entwicklung eines effektiven IR-Strahlers beschränkt sich nicht auf die Auswahl der LEDs. Die optische Verteilung (Fresnel-Linsen oder parabolische Reflektoren) muss auf den Sichtbereich der Kamera abgestimmt sein. Da Infrarot-LEDs Wärme erzeugen, sind zudem geeignete Kühlkörper und wetterfeste Materialien (mit Schutzart IP66 oder höher) entscheidend für die Langzeitzuverlässigkeit, insbesondere im Außenbereich. Ledpoint bietet Lösungen, die speziell auf diese anspruchsvollen Anforderungen zugeschnitten sind. Hier feierten Infrarot-LEDs ihren Durchbruch: in der Fernbedienung. Nahezu jede Fernbedienung für Fernseher, Klimaanlage oder Audioanlage verwendet eine IR-LED (typischerweise 940 nm), um Befehle über ein digitales, moduliertes Protokoll zu übertragen. Vorteile sind extrem geringe Kosten, Immunität gegenüber elektromagnetischen Störungen und Richtwirkung (Signal überwindet keine Wände – vermeidet Interferenzen zwischen benachbarten Räumen). Neben Consumer-Fernbedienungen finden IR-LEDs in der Industrieautomatisierung und in Näherungssensoren Anwendung. IR-LED / Fototransistor-Paare erkennen Gegenstände (Unterbrechungsmeldung), messen Abstände (Triangulation oder Laufzeitmessung) oder lesen Barcodes. In der Industrie werden solche Sensoren in staubigen Umgebungen oder bei starken elektromagnetischen Feldern bevorzugt. Obwohl durch Bluetooth weitgehend verdrängt, bieten IR-LEDs bei IrDA-Kommunikation (Infrarot-Datenübertragung) weiterhin einen sicheren, latenzarmen Kanal für die Dateiübertragung zwischen Geräten. Das Herz des Systems ist die Infrarot-LED, angesteuert von einem Codier-Chip. Beim Tastendruck erzeugt der Chip ein digitales Impulsmuster, spezifisch für den Befehl (gängige Protokolle: RC-5, NEC, SIRC). Dieses Signal moduliert den Strom durch die IR-LED – typischerweise mit Trägerfrequenzen von 38 kHz oder 56 kHz. Diese Modulation ist aus zwei Gründen entscheidend: Sie erhöht die Strahlungseffizienz (hohe Spitzenimpulse) und ermöglicht dem Empfänger (einer auf dieselbe Frequenz abgestimmten Fotodiode), das konstante Umgebungslicht (Rauschen) zu unterdrücken und nur das modulierte Signal zu erkennen. Dieses einfache, aber wirkungsvolle Prinzip machte IR zur Standardtechnologie für Fernbedienungen über Jahrzehnte. In Medizin und Analytik sind Infrarot-LEDs wertvolle Werkzeuge für nicht-invasive Diagnostik. Nahinfrarotlicht („therapeutisches Fenster“ zwischen 650 und 1350 nm) dringt tiefer in biologisches Gewebe ein als sichtbares Licht, da es weniger von Hämoglobin und Wasser absorbiert wird. Dies ermöglicht Verfahren wie die NIR-Spektroskopie (NIRS): Arrays von IR-LEDs mit verschiedenen Wellenlängen beleuchten Gewebe (z. B. Gehirn oder Muskel), und ein Detektor analysiert das reflektierte oder transmittierte Licht zur Bestimmung von Sauerstoffsättigung (Oximetrie), Stoffwechselaktivität oder chemischer Zusammensetzung. Weitere Anwendungen sind Pulsoximeter am Finger (zur SpO2-Messung mittels roter und IR-LEDs) und Geräte für die Phototherapie, bei der IR-Licht zur Durchblutungsförderung, Entzündungshemmung oder Wundheilung eingesetzt wird. Im Labor dienen temperaturstabilisierte IR-LEDs als kompakte, kostengünstige Lichtquellen in Spektrofotometern und Zusammensetzungsanalysatoren. In der Geflügelindustrie bieten Infrarot-LEDs innovative Lösungen für Tierwohl und Nachhaltigkeit. In Form von Strahlungsheizplatten liefern sie direkte, lokalisierte Wärme für Küken und Jungtiere – mit bis zu 60 % höherer Energieeffizienz als herkömmliche Systeme. Darüber hinaus kann IR-Licht problematische Verhaltensweisen wie Federpicken bei Legehennen reduzieren und so eine ruhigere Umgebung schaffen. Auch ermöglicht IR-Beleuchtung eine kontinuierliche Tierbeobachtung mittels IR-Kameras, ohne den Tag-Nacht-Rhythmus zu stören – förderlich für eine präzise, tiergerechte Haltung. In der Geflügelhaltung genutzte IR-Spektren: Zwei IR-Bereiche sind hier besonders relevant. Für die Strahlungsheizung werden vorwiegend LEDs bei 850 nm und 940 nm verwendet – mit Präferenz für 940 nm bei Anforderungen an völlige Unsichtbarkeit. Für die tiefe Gewebeerwärmung (besonders bei Küken) sind Spektren um 980 nm besonders wirksam, da Wasser in biologischem Gewebe hier stark absorbiert und so Lichtenergie optimal in Wärme umwandelt. Die Technologie der IR-LEDs entwickelt sich stetig weiter – getrieben von der Nachfrage nach intelligenter Sensorik, sicherer Kommunikation und tragbaren Diagnosegeräten. Zukünftige Trends zielen auf IR-LEDs mit hoher Effizienz und Leistung in immer kompakteren Gehäusen, integrierte Arrays mit Mikrooptiken für dynamische Strahlformung sowie die Konvergenz mit anderen Technologien wie Wärmebildkameras und Künstlicher Intelligenz zur Datenanalyse. In diesem technologisch anspruchsvollen Umfeld ist die Wahl des richtigen Lieferanten für optoelektronische Komponenten entscheidend. Unterstützung bei der Auswahl der passenden Wellenlänge, Entwicklung optimaler Treuerschaltungen und Beratung zur mechanischen und thermischen Integration gewährleistet maximale Leistung und Zuverlässigkeit jeder Installation. Ob Sie ein neues Videoüberwachungssystem, ein innovatives medizinisches Gerät oder eine industrielle Automatisierungslösung entwickeln – ein tiefes Verständnis der Möglichkeiten und technischen Details von Infrarot-LEDs ist der erste Schritt zum Erfolg. Dieser Leitfaden hat versucht, eine solide Grundlage dafür zu liefern – in der Überzeugung, dass das unsichtbare Licht des Infrarots weiterhin den Fortschritt in zahlreichen Bereichen beleuchten wird.Was sind Infrarot-LEDs: Definition und grundlegende Eigenschaften
Das Prinzip hinter der Infrarotemission
Übersicht über Halbleitermaterialien für Infrarot-LEDs
Halbleitermaterial Typische Zusammensetzung Peak-Wellenlänge (nm) Hauptanwendungsbereiche Galliumarsenid (GaAs) Unlegiertes oder leicht dotiertes GaAs 850 – 950 Sicherheit, Fernbedienungen, Näherungssensoren Gallium-Aluminium-Arsenid (GaAlAs) Ga1-xAlxAs 700 – 900 Lichtwellenleiter-Kommunikation, medizinische Geräte Galliumphosphid (GaP) GaP:Zn-O 700 Sensoren, Optokoppler Gallium-Indium-Arsenid (InGaAs) InxGa1-xAs 900 – 1700 Telekommunikation, NIR-Spektroskopie Funktionsweise von Infrarot-LEDs: Von der Theorie zum Schaltkreis
Wichtige elektrische und optische Parameter
Ansteuerschaltungen: Basisschema
Grundlegende Unterschiede zwischen Infrarot-LEDs und herkömmlichen LEDs
Materialien, Effizienz und Leistungsmessung
Eigenschaft Sichtbare LEDs (z. B. Weiß 4000K) Infrarot-LEDs (z. B. 850 nm) Praktische Auswirkungen Aktives Material InGaN + YAG-Leuchtstoffe GaAs, GaAlAs IR-LEDs erfordern andere Fertigungsprozesse und weisen geringere Schwellenspannungen auf. Leistungsmetrik Lumen (lm), luminöse Effizienz (lm/W) Strahlungsleistung (W), radiometrische Effizienz (W/W oder %) Luxmeter sind bei IR nutzlos – stattdessen werden kalibrierte Radiometer oder Fotodioden benötigt. Gehäuse und Linse Transparent oder opal-diffus für Lichtmischung Oft schwarz oder dunkelblau („IR-transparentes“ Epoxid) Das schwarze Gehäuse reduziert störende Reflexionen sichtbaren Lichts und verbessert den Kontrast für Sensoren. Temperaturabhängigkeit Hoch: Lichtstrom und Farbtemperatur ändern sich mit Tj Hoch: Strahlungsleistung und λp ändern sich mit Tj In beiden Fällen ist thermisches Management entscheidend für Stabilität und Lebensdauer. Hauptanwendung Beleuchtung für menschliche Wahrnehmung Kommunikation, Sensorik, Beleuchtung für Kameras Die optische Auslegung (Linse) ist auf den empfangenden Sensor – nicht auf das menschliche Auge – optimiert.
Sicherheitsaspekte für die Augen
Anwendungsbereiche von Infrarot-LEDs
Sicherheit und Überwachung: Unsichtbare Nachtsichtbeleuchtung
Automatisierung, Fernbedienungen und optische Kommunikation
Funktionsweise einer Infrarot-Fernbedienung
Biomedizinische und analytische Anwendungen
Geflügelhaltung und Tierzucht
Infrarot-LEDs: Eine sich stetig weiterentwickelnde Technologie