Pyroelektrischer Sensor (PIR)

Du gehst nachts auf die Haustür zu, und das Licht geht an. Im Flur des Bürogebäudes schaltet die Beleuchtung erst ein, wenn jemand kommt, die Alarmanlage meldet einen Einbrecher, der Bildschirm einer Smart-Home-Anzeige wacht auf, wenn du davorstehst. In all diesen Geräten sitzt ein PIR-Sensor – „passiv infrarot“, weil er selbst nichts aussendet, sondern nur die Wärmestrahlung empfängt, die jeder Mensch abgibt. Sein Herz ist ein pyroelektrischer Kristall, der eine Spannung erzeugt, wenn sich seine Temperatur ändert.

Aufbau und Funktionsweise

Der pyroelektrische Effekt

Manche Kristalle wie Lithiumtantalat oder bestimmte Keramiken sind von Natur aus elektrisch polarisiert: Die Ladungsschwerpunkte im Kristallgitter liegen nicht genau übereinander, auf zwei gegenüberliegenden Flächen sitzt eine kleine Ladung. Im Ruhezustand wird sie durch Ladungen aus der Umgebung neutralisiert, man merkt nichts davon. Ändert sich aber die Temperatur des Kristalls, ändert sich auch seine Polarisation – und für einen Moment entsteht an Elektroden auf den Flächen eine messbare Ladung, also eine Spannung. Bleibt die Temperatur danach konstant, fließt die Ladung langsam wieder ab.

Der Effekt ist mit dem Piezo-Effekt verwandt: Alle pyroelektrischen Materialien sind auch piezoelektrisch. Wie mechanischer Druck Ladung erzeugt, erklärt Thermoelektrik und Piezo-Effekt.

Wärmestrahlung eines Menschen

Jeder Körper sendet elektromagnetische Strahlung aus, deren Maximum umso langwelliger liegt, je kälter er ist. Das wiensche Verschiebungsgesetz gibt die Wellenlänge des Maximums an:

Doppelelement und Fresnel-Linse

Ein PIR-Sensor enthält meist zwei pyroelektrische Elemente nebeneinander, die gegensinnig zusammengeschaltet sind. Ändert sich die Temperatur des ganzen Raums, etwa weil die Sonne hereinscheint, erwärmen sich beide gleich – ihre Signale heben sich auf. Läuft dagegen ein Mensch vorbei, trifft seine Wärme erst das eine, dann das andere Element. Es entsteht ein Impuls in die eine Richtung, dann einer in die andere.

Im Gehäuse sitzt außerdem ein JFET als Impedanzwandler, denn der Kristall liefert eine winzige Ladung bei extrem hohem Innenwiderstand. Das Gehäuse ist meist ein Metallbecher im TO-5-Format mit drei Anschlüssen: Drain, Source und Masse.

Damit der Sensor einen großen Raum überwacht, sitzt vor ihm eine Fresnel-Linse: die milchig weiße Kunststoffkuppel, die du von Bewegungsmeldern kennst. Sie besteht aus vielen kleinen Linsensegmenten, von denen jedes eine schmale Zone des Raums auf den Sensor abbildet. Der Raum wird so in einen Fächer aus empfindlichen und unempfindlichen Zonen aufgeteilt. Wer sich quer durch diese Zonen bewegt, erzeugt eine Folge von Impulsen.

Schaltzeichen

Für den PIR-Sensor gibt es kein allgemein verwendetes Schaltzeichen. Im Schaltplan erscheint er als Bauteil mit den Pins D, S und G (Drain, Source, Ground), Module als Rechteck mit VCC, OUT und GND. Mehr unter Schaltzeichen.

Kennwerte

Dazu kommt der Rauschpegel: Je kleiner er ist, desto weiter reicht der Sensor bei gleicher Fehlalarmrate.

Bauformen

• Analoger PIR-Sensor im TO-5-Gehäuse mit drei Beinen und rechteckigem Fenster. Für eigene Verstärkerschaltungen.
• Digitale PIR-Sensoren mit eingebauter Auswertung und Linse, etwa die Panasonic-Reihen PaPIRs oder Murata-Typen. Sie liefern direkt ein Schaltsignal und brauchen teils nur wenige Mikroampere.
• Module wie das verbreitete HC-SR501: Sensor, Fresnel-Kuppel, Auswerte-IC BISS0001, zwei Trimmer für Empfindlichkeit und Haltezeit und ein Jumper für die Wiederauslösung.
• Deckenmelder und Präsenzmelder mit mehreren Sensoren und feiner Linse, die auch kleine Bewegungen am Schreibtisch erfassen.

Typische Schaltungen

Der nackte Sensor braucht eine ganze Kette: Am Source-Ausgang liegt das Signal mit wenigen Millivolt. Zwei Stufen mit Operationsverstärkern verstärken es als Bandpass insgesamt um einige tausend Mal. Ein Fensterkomparator – zwei Komparatoren mit einer oberen und einer unteren Schwelle – erkennt Ausschläge in beide Richtungen. Eine Zeitstufe hält den Ausgang danach für eine einstellbare Zeit eingeschaltet.

Wie viel Verstärkung eine Stufe bringt, kannst du mit dem Rechner durchspielen:

In der Praxis nimmst du meist ein Modul oder einen digitalen Sensor. Das HC-SR501 läuft an 4,5 bis 20 V und liefert am Ausgang 3,3 V High – passend für Mikrocontroller. Die Haltezeit stellst du von einigen Sekunden bis einige Minuten ein. Für Batteriegeräte ist ein digitaler PIR mit Mikroampere-Stromaufnahme besser, der den Mikrocontroller per Interrupt weckt.

Auswahl und Praxistipps

Kläre zuerst: Bewegungsmelder (Flur, Außenlicht) oder Präsenzmelder (Büro, auch kleine Bewegungen)? Dann Reichweite, Winkel und Montagehöhe. Die Fresnel-Linse bestimmt das Erfassungsfeld mehr als der Sensor selbst.

Häufige Fehler:

• Frontal auf den Melder zu: Wer direkt auf den Sensor zuläuft, bleibt lange in derselben Zone und wird spät erkannt. Montiere so, dass Personen quer durch das Feld gehen.
• Hinter Glas: Fensterglas lässt Wellenlängen um 10 µm praktisch nicht durch. Ein PIR-Sensor hinter einer Scheibe sieht nichts.
• Wärmequellen im Feld: Heizkörper, Lüftungsauslässe, Sonne auf dem Boden oder ein vorbeifahrendes Auto lösen Fehlalarme aus.
• Einschwingzeit ignoriert: Nach dem Einschalten meldet der Sensor bis zu einer Minute lang zufällige Bewegungen.
• Störungen aus dem Funkmodul: Der Verstärker mit mehreren tausendfacher Verstärkung fängt auch Impulse eines WLAN- oder Funkmoduls ein. Halte Abstand, entkopple die Versorgung gut und prüfe die Wirkung im Aufbau; Hintergründe unter EMV.

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