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Ein Fototransistor ist ein elektronisches Bauteil, das die Funktionen eines Transistors und einer Fotodiode kombiniert. Wie funktioniert er und wofür kann er eingesetzt werden?
Was ist ein Fototransistor?
Ein Fototransistor ist eine Variante des Transistors, eines elektronischen Bauelements, das aus drei Halbleiterschichten mit unterschiedlicher Leitfähigkeit besteht: Emitter, Basis und Kollektor. Standardtransistoren sind stromgesteuert, während bei Fototransistoren die Änderung des Wertes am Kollektor von der Lichtintensität abhängt. Daraus lässt sich schließen, dass Bauelemente dieser Art die Eigenschaften einer Fotodiode und eines Transistors in sich vereinen, und die Grundlage ihrer Anwendung ist die Abhängigkeit des Wertes des größeren Stroms zwischen dem Basis-Kollektor-Übergang von Änderungen des Wertes des kleineren Stroms, der im Basis-Emitter-Übergang fließt.
Fototransistoren zeichnen sich dadurch aus, dass sie wesentlich lichtempfindlicher sind als herkömmliche Bauelemente dieser Art, was durch die Freilegung des Basis Terminals erreicht werden kann. Dadurch ist es möglich, den Strom, der zwischen Emitter und Kollektor fließt, als Reaktion auf Änderungen der Beleuchtung präzise zu verändern. Dadurch können Fototransistoren u. a. in verschiedenen Arten von optischen Sensoren eingesetzt werden.
Wie funktioniert der Fototransistor?
Die Funktionsweise des Fototransistors basiert auf dem Grundkonzept der Funktionsweise eines bipolaren Transistors. Diese Art von Bauelementen kann durch Belichtung des Halbleiters eines gewöhnlichen Transistors hergestellt werden. Es handelt sich dabei meist um Bauelemente mit fast identischem Design, die sich nur durch das Fehlen eines Gehäuses am Basis Terminal unterscheiden. Infolgedessen können die durch das auf den Halbleiter einfallende Licht freigesetzten Elektronen den Basisstrom zum Fließen bringen, der proportional zum Kollektor übertragen wird.
In Fototransistoren wird der Stromwert am Basis-Kollektor-Übergang durch die Intensität des auf den Halbleiter einfallenden Lichts gesteuert. Die Photonen polarisieren den Übergang in Leitungsrichtung, so dass am Ausgang ein Strom zu fließen beginnt, dessen Wert von der Beleuchtungsstärke abhängt. Wenn der Transistor nicht leuchtet, leitet er keinen Strom.
Was sind die Unterschiede zwischen einem Fototransistor und einem Standardtransistor?
Der Aufbau eines Fototransistors ist dem eines gewöhnlichen Transistors sehr ähnlich. Die Unterschiede können sich jedoch auf die verwendeten Halbleiter sowie auf das Gehäuse der Komponente beziehen. In den Standardvarianten werden vor allem Germanium und Silizium verwendet – obwohl diese auch in Fototransistoren eingesetzt werden können, wird heutzutage unter anderem Gallium verwendet, das wesentlich stärker auf Licht reagiert. Das Gehäuse wiederum ist so konstruiert, dass Licht auf die Grundfläche fallen kann: Hierfür kann zum Beispiel transparenter Kunststoff verwendet werden. Außerdem verwenden Fototransistoren in der Regel keine nach außen gerichtete Basisleitung.
Fotodiode und Fototransistor
Sowohl die Fotodiode als auch der Fototransistor wandeln Lichtenergie in elektrische Energie um. Es handelt sich jedoch um Komponenten mit einer etwas anderen Anwendung, die sich in ihren Eigenschaften unterscheiden. Insbesondere sollten Sie die folgenden Punkte beachten:
- die Stromverstärkung des Fototransistors ist größer als die der Fotodiode (wenn die gleiche Lichtmenge auf beide Elemente fällt);
- Ein Fototransistor hat eine höhere Empfindlichkeit als eine Fotodiode;
- Eine Fotodiode kann in einen Fototransistor umgewandelt werden;
- Ein Fototransistor kann kompakter und einfacher zu verwenden sein als eine Fotodiode zusammen mit zusätzlichen Verstärkungsschaltungen, falls diese verwendet werden;
- Fototransistoren reagieren oft weniger empfindlich auf Temperaturänderungen als manche Fotodioden – dies ist besonders wichtig in Situationen, in denen thermische Stabilität relevant ist.
Fototransistor - Anwendung
Eine der wichtigsten Eigenschaften von Fototransistoren ist ihre hohe Empfindlichkeit, die mit einer schnellen Änderung des Ausgangswerts als Reaktion auf Änderungen der Intensität des auf die Basis einfallenden Lichts kombiniert wird. Aus diesem Grund werden sie oft in hochdynamischen Systemen zur Strahlungserkennung eingesetzt. Wir sprechen hier in erster Linie von Messsystemen wie Analog-Digital-Wandlern. Dies ist jedoch nur einer von vielen möglichen Anwendungsbereichen für Phototransistoren – Bauteile aus dieser Familie werden unter anderem auch in Sicherheitssystemen, Zählsystemen oder Lichtsteuerungen eingesetzt.
Darüber hinaus sind Fototransistoren in vielen alltäglichen Geräten zu finden, deren Funktion auf der Reaktion auf Licht beruht. Zu den Geräten, die solche Elemente verwenden, gehören zum Beispiel CD-Player und Rauchmelder. Darüber hinaus werden Fototransistoren in Infrarotempfängern und in Systemen verwendet, die Laser zur Lichtdetektion einsetzen.
Was sind die Vor- und Nachteile von Fototransistoren? Wie wählt man einen Fototransistor für eine bestimmte Anwendung aus?
Zu den Vorteilen von Fototransistoren gehört, dass es sich um Geräte mit hoher Verstärkung und relativ hoher Empfindlichkeit handelt. Außerdem gehören sie zu den relativ kostengünstigen Komponenten, so dass sie in vielen Projekten problemlos eingesetzt werden können. Bemerkenswert ist auch die Möglichkeit, den Chip Ihrer Wahl einfach über Standardkabel anzuschließen.
Fototransistoren sind jedoch nicht immer die optimale Wahl – es ist wichtig, daran zu denken, dass Komponenten dieses Typs nicht mit den hohen Spannungen anderer Halbleiterbauelemente, wie z.B. Fototristoren, umgehen können. Außerdem sind sie anfällig für mechanische Beschädigungen, wodurch sie u. a. kurzfristigen Spannungsspitzen oder Überspannungen ausgesetzt sind.
Um einen Fototransistor für ein bestimmtes Projekt auszuwählen, ist es sinnvoll, die Strom-Spannungs-Charakteristik des Produkts vorzuschlagen und den richtigen Arbeitspunkt dieses Elements zu bestimmen. Die entscheidende Frage ist in der Regel die Wellenlänge, für die der Fototransistor die höchste Empfindlichkeit erreicht.
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