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Verschiedene Bauarten von Fototransistoren

Fototransistoren sind eine Art von Transistoren, die auf einfallendes Licht reagieren. Der Basis-Anschluss ist bei Fototransistoren optisch zugänglich.




Aufbau und Funktion

Innerer Aufbau eines Fototransistors
Fototransistor-Schaltbild.jpg
Schaltzeichen eines Fototransistors

Wie die Fotodiode arbeitet auch der Fototransistor mit einer Halbleiterstrecke, die bei Lichteinfall ihre Eigenschaften ändert. Es handelt sich dabei um die Basis-Kollektor-Strecke, die als Fotodiode fungiert und den Basisstrom für den Fototransistor erzeugt. Der Fototransistor wird somit nur über das einfallende Licht gesteuert. Fällt Licht auf einen Fototransistor, dann erhöht sich der Strom, der zwischen Kollektor und Emitter fließt. Bei manchen Fototransistoren ist zudem der Basisanschluss herausgeführt. Dadurch ist eine Arbeitspunktstabilisierung oder eine Manipulation des Schaltverhaltens möglich.

Die spektrale Empfindlichkeit von Fototransistoren ist mit der von Fotodioden vergleichbar, d.h. Fototransistoren aus Silizium haben ihr Maximum bei etwa 800 nm, solche aus Germanium bei etwa 1500 nm. Beide Wellenlängen liegen somit im Infrarotbereich.

Fototransistoren haben ein lichtdurchlässiges Gehäuse, bei dem das Licht auf die Basis-Kollektor-Sperrschicht fallen kann. Die Empfindlichkeit ist jedoch auch vom verwendeten Material des Transistorgehäuses abhängig, ein transparentes Gehäuse hat eine breitere Empfindlichkeitskurve als ein schwarzes Epoxy-Gehäuse (IR-Filter).

Der Vorteil des Fototransistors gegenüber der Fotodiode ist die wesentlich höhere Empfindlichkeit, denn der Fotostrom wird wie bei einem normalen bipolaren Transistor um etwa den Faktor 200 verstärkt. Allerdings ist die Trägheit von Fototransistoren höher als die von Fotodioden: Die Grenzfrequenz eines Fototransistors liegt mit etwa 250 kHz wesentlich niedriger, bei Foto-Darlington-Transistoren liegt diese sogar nur bei ca. 30 kHz. Bei der typischen eher hochohmigen Beschaltung liegt die Grenzfrequenz sogar noch deutlich niedriger.

Anwendungsbeispiele

Fototransistor als Lichtstärkesensor

Häufig werden Fototransistoren als Lichtstärkesensor (z.B. in einem Roboter, der einer Linie folgt) verwendet und werden analog ausgewertet. Hierfür wird der Fototransistor zusammen mit einem Arbeitswiderstand von z.B. 10kOhm als Spannungsteiler geschaltet. Die Spannung am Widerstand ist dann näherungsweise proportional zur Helligkeit und kann direkt mit einem Analog-Digital-Wandler (wie er in den meisten Mikrocontrollern vorhanden ist) gemessen werden.

Der Fototransistor wird üblicherweise gegen VCC geschaltet und der Arbeitswiderstand gegen GND.

Die Linearität ist besser als bei einem LDR, aber schlechter als bei einer Fotodiode.

Interner Aufbau eines Optokopplers
Die Empfängerseite der meisten Optokoppler ist ein Fototransistor.
Schaltplan einer Lichtschranke

Im Schaltplan rechts ist die einfachste Variante einer schnellen Lichtschranke zu sehen. RV dient der Strombegrenzung durch die Leuchtdiode, mit dem Widerstand R wird die Schaltschwelle eingestellt. Die Last muss keine Lampe, sondern kann jeder beliebige Verbraucher sein, vom Relais bis zum μController-Eingang.


























Vergleich bekannter Fototransistoren

Name Bauform max. Empf. Bereich der Empf. 10% Empf. Fläche Halbwinkel Fotostrom typ. Schaltzeit Bemerkung
BP103B 5mm, klar 850nm 420...1300nm 0,12 mm² +-25° 0,63-1,6 mA (3,4-8,6 mA) 7,5-10µs
BP103BF 5mm, dunkel 900nm 730...1120nm 0,045 mm² +-12° 0,63-1,6 mA (3,4-8,6 mA) 7,5-10µs
BPW16N 3,3x2,4mm bedrahtet, klar 825nm 620...960nm ? +-40° 0,07-0,14 mA 5µs
BPW17N 3,3x2,4mm bedrahtet, klar 825nm 620...960nm ? +-12° 0,5-1 mA 5µs
BPW39 ähnlich TO-92, seitl. empf. 780nm 520...950nm ? +-65° 0,5-1,6 mA 3,4µs
BPW40 5mm 780nm 520...950nm(50%) ? +-20° 0,1-0,5 mA 3µs
BPW42 3mm 830nm 560...980nm(50%) ? +-180°!? 0,9-1,9mA 3µs
BPW96 5mm 950nm 620...980nm(50%) ? +-20° 1,5-15mA 2/2,3µs
BPX38 5mm Metall, hermetisch dicht TO-18 880nm 450-1120nm 0,675mm² +-40° 0,2-3,6mA 9-18µs Basis extra
BPX43 5mm Metall, hermetisch dicht TO-18 880nm 450...1100nm 0,675mm² +-15° 0,8-15mA 9-18µs Basis extra
BPX81 "einstellige Zeilenbauform" <3mm 850nm 440...1070nm 0,17mm² +-18° 0,25-3,4mA 5,5-8µs
BPY62 5mm Metall, hermetisch dicht 850nm 420...1130nm 0,12 mm² +-8° 0,5-11,4mA 5-12µs Basis extra
K153P
(S472P)
5x5x2,7mm bedrahtet, dunkel 920nm 850...980nm(50%) ? +-35° 1,7-5,5mA 4-15µs
LPT80A flach, 4,6x5,6x1,5mm; seitl. empf. 850nm 430...1070nm 0,30 mm² +-35° 0,25-3,2mA 10µs
PT15-21B/TR8 SMD 1206 940nm 730...1100nm ? ? 0,3 mA 15 µs
PT331C 5mm, klar 940nm 400...1100nm ? ? 0,7-2,5 mA 15 µs
SDP8406 . ca. 870nm ca.400...1100nm ? ca.+-25° bis 8 mA ca.2-10µs
SDP8436 . ca. 900nm ca.750...1000nm ? ca.+-10° ? ca.2-10µs
SFH300 5mm, klar 850nm 420...1130nm 0,12 mm² +-25° 0,63-1,6 mA (3,4-8,6 mA) 7,5-10µs
SFH300FA 5mm, dunkel 870nm 730...1120nm 0,12 mm² +-25° 0,63-1,6 mA (3,4-8,6 mA) 7,5-10µs
SFH305 "Mini-Bauform" 850nm 460...1060nm 0,17 mm² +-16° 0,25-2,2 mA 5,5-6 µs
SFH309 3mm, klar 860nm 380...1150nm 0,038 mm² +-12° 0,4-5 mA (1,5-11,2 mA) 5-9µs
SFH309FA 3mm, dunkel 900nm 730...1120nm 0,038 mm² +-12° 0,4-5 mA (1,5-11,2 mA) 5-9µs
SFH313 5mm, klar 850nm 460...1080nm 0,55mm² +-10° 2,5-12,5mA 8-14µs
SFH313FA 5mm, dunkel 870nm 740...1080nm 0,55mm² +-10° 2,5-12,5mA 8-14µs
SFH320 SMD, PLCC-2 980nm 450...1150nm 0,038mm² +-60° 0,42-1mA 6-8µs
SFH320FA SMD, PLCC-2 980nm 750...1120nm 0,038mm² +-60° 0,42-1mA 6-8µs
SFH3100F 3mm, rechteckig, seitl. empf. 920nm 840...1080nm 1 mm² +-14° 0,25mA 7-9µs
SFH3310 3mm, klar 570nm 350...970nm 0,29 mm² +-75° 2,5-8µA (290-460 µA) ?
SFH3500 Surface Mount Radial 830nm 450...1060nm 0,55 mm² +-13° 4-20 mA 17-24µs
TEKT5400S ähnlich TO-92, seitl. empf. 920nm 850...980nm(50%) ? +-37° 4mA 5-6µs

Keine Garantie auf Vollständigkeit und Richtigkeit. Letzte Aktualisierung: 2.4.14 (BMS)

Anmerkungen

Der Autor möchte hier weder die an anderen Stellen zu findenden Formelsammlungen wiedergeben, noch mit diesem Artikel ein Fachbuch ersetzten. Einzig die Grundlagen, die (aus eigener Erfahrung) für einen Hobby-Bastler von Interesse sind, sollen hier dargestellt werden.

Siehe auch

Weblinks


Autor

--Williwilli 20:26, 17. Okt 2008 (CEST)

--BMS 20:50, 17. Mar 2011 (Tabelle)