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| − | Fototransistoren sind eine Art von [[Transistor | Transistoren]], die auf einfallendes Licht reagieren. Der Basis-Anschluss ist bei Fototransistoren optisch zugänglich. | + | Fototransistoren sind eine Art von [[Transistor | Transistoren]], die auf einfallendes Licht reagieren. Der Basis-Anschluss ist bei Fototransistoren optisch zugänglich. |
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== Aufbau und Funktion == | == Aufbau und Funktion == | ||
[[Bild:Fototransistor-Struktur.jpg|thumb|Innerer Aufbau eines Fototransistors]] | [[Bild:Fototransistor-Struktur.jpg|thumb|Innerer Aufbau eines Fototransistors]] | ||
[[Bild:Fototransistor-Schaltbild.jpg|left]]''Schaltzeichen eines Fototransistors''<br/><br/> | [[Bild:Fototransistor-Schaltbild.jpg|left]]''Schaltzeichen eines Fototransistors''<br/><br/> | ||
| − | 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. | + | 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. | 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. | ||
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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. | 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. | 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. | ||
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== Anwendungsbeispiele == | == Anwendungsbeispiele == | ||
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[[Bild:Fototransistor-analog.GIF|thumb|Fototransistor als Lichtstärkesensor]] | [[Bild:Fototransistor-analog.GIF|thumb|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. | |
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Im Schaltplan rechts ist die einfachste Variante einer schnellen Lichtschranke zu sehen. R<sub>V</sub> 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. | Im Schaltplan rechts ist die einfachste Variante einer schnellen Lichtschranke zu sehen. R<sub>V</sub> 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. | ||
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|BPW40||5mm||780nm||520...950nm(50%)||?||+-20°||0,1-0,5 mA||3µs|| | |BPW40||5mm||780nm||520...950nm(50%)||?||+-20°||0,1-0,5 mA||3µs|| | ||
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| + | |BPW96||5mm||950nm||620...980nm(50%)||?||+-20°||1,5-15mA||2/2,3µs|| | ||
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| + | |BPX38||5mm Metall, hermetisch dicht TO-18||880nm||450-1120nm||0,675mm²||+-40°||0,2-3,6mA||9-18µs||Basis extra | ||
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| + | |BPX43||5mm Metall, hermetisch dicht TO-18||880nm||450...1100nm||0,675mm²||+-15°||0,8-15mA||9-18µs||Basis extra | ||
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| + | |BPX81||"einstellige Zeilenbauform" <3mm||850nm||440...1070nm||0,17mm²||+-18°||0,25-3,4mA||5,5-8µs|| | ||
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|BPY62||5mm Metall, hermetisch dicht||850nm||420...1130nm||0,12 mm²||+-8°||0,5-11,4mA||5-12µs||Basis extra | |BPY62||5mm Metall, hermetisch dicht||850nm||420...1130nm||0,12 mm²||+-8°||0,5-11,4mA||5-12µs||Basis extra | ||
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| + | |K153P<br/>(S472P)|| 5x5x2,7mm bedrahtet, dunkel||920nm||850...980nm(50%)||?||+-35°||1,7-5,5mA||4-15µs|| | ||
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|LPT80A||flach, 4,6x5,6x1,5mm; seitl. empf.||850nm||430...1070nm||0,30 mm²||+-35°||0,25-3,2mA||10µs|| | |LPT80A||flach, 4,6x5,6x1,5mm; seitl. empf.||850nm||430...1070nm||0,30 mm²||+-35°||0,25-3,2mA||10µs|| | ||
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| + | |PT15-21B/TR8||SMD 1206||940nm||730...1100nm||?||?||0,3 mA||15 µs|| | ||
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|PT331C||5mm, klar||940nm||400...1100nm||?||?||0,7-2,5 mA||15 µs|| | |PT331C||5mm, klar||940nm||400...1100nm||?||?||0,7-2,5 mA||15 µs|| | ||
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| + | |SDP8406||.||ca. 870nm||ca.400...1100nm||?||ca.+-25°||bis 8 mA||ca.2-10µs|| | ||
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| + | |SDP8436||.||ca. 900nm||ca.750...1000nm||?||ca.+-10°||?||ca.2-10µs|| | ||
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|SFH300||5mm, klar||850nm||420...1130nm||0,12 mm²||+-25°||0,63-1,6 mA (3,4-8,6 mA)||7,5-10µs|| | |SFH300||5mm, klar||850nm||420...1130nm||0,12 mm²||+-25°||0,63-1,6 mA (3,4-8,6 mA)||7,5-10µs|| | ||
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|SFH300FA||5mm, dunkel||870nm||730...1120nm||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|| | ||
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| + | |SFH305||"Mini-Bauform"||850nm||460...1060nm||0,17 mm²||+-16°||0,25-2,2 mA||5,5-6 µs|| | ||
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|SFH309||3mm, klar||860nm||380...1150nm||0,038 mm²||+-12°||0,4-5 mA (1,5-11,2 mA)||5-9µs|| | |SFH309||3mm, klar||860nm||380...1150nm||0,038 mm²||+-12°||0,4-5 mA (1,5-11,2 mA)||5-9µs|| | ||
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|SFH309FA||3mm, dunkel||900nm||730...1120nm||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|| | ||
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| − | | | + | |SFH313||5mm, klar||850nm||460...1080nm||0,55mm²||+-10°||2,5-12,5mA||8-14µs|| |
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| − | | | + | |SFH313FA||5mm, dunkel||870nm||740...1080nm||0,55mm²||+-10°||2,5-12,5mA||8-14µs|| |
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|SFH320||SMD, PLCC-2||980nm||450...1150nm||0,038mm²||+-60°||0,42-1mA||6-8µs|| | |SFH320||SMD, PLCC-2||980nm||450...1150nm||0,038mm²||+-60°||0,42-1mA||6-8µs|| | ||
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|SFH320FA||SMD, PLCC-2||980nm||750...1120nm||0,038mm²||+-60°||0,42-1mA||6-8µs|| | |SFH320FA||SMD, PLCC-2||980nm||750...1120nm||0,038mm²||+-60°||0,42-1mA||6-8µs|| | ||
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| + | |SFH3100F||3mm, rechteckig, seitl. empf.||920nm||840...1080nm||1 mm²||+-14°||0,25mA||7-9µs|| | ||
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| + | |SFH3310||3mm, klar||570nm||350...970nm||0,29 mm²||+-75°||2,5-8µA (290-460 µA)||?|| | ||
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| + | |SFH3500||Surface Mount Radial||830nm||450...1060nm||0,55 mm²||+-13°||4-20 mA||17-24µs|| | ||
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| + | |TEKT5400S||ähnlich TO-92, seitl. empf.||920nm||850...980nm(50%)||?||+-37°||4mA||5-6µs|| | ||
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Aktuelle Version vom 3. April 2014, 16:26 Uhr
Fototransistoren sind eine Art von Transistoren, die auf einfallendes Licht reagieren. Der Basis-Anschluss ist bei Fototransistoren optisch zugänglich.
Inhaltsverzeichnis
Aufbau und Funktion
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
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.
Die Empfängerseite der meisten Optokoppler ist ein Fototransistor.
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)
