Fototransistor

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

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 V_CC 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. R_V 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

• Fotodiode
• Fotowiderstand
• Sensorarten

Weblinks

• Wikipedia
  
• Das ELektronik-KOmpendium - Fototransistor
  

Autor

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

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