Fototransistor

In der Gabellichtschranke eines Druckers, die meldet, ob Papier eingelegt ist, im Drehzahlgeber eines Lüfters, im Dämmerungsschalter der Gartenbeleuchtung und auf der Ausgangsseite fast jedes Optokopplers sitzt ein Fototransistor. Er nutzt denselben Effekt wie eine Fotodiode (die Physik dazu steht unter Optoelektronik), liefert aber gleich einen hundert- bis tausendfach größeren Strom. Damit kannst du ihn oft ohne Verstärker direkt an einen Mikrocontroller-Eingang anschließen – zum Preis einer geringeren Geschwindigkeit und Genauigkeit.

Aufbau und Funktionsweise

Ein Fototransistor ist ein NPN-Transistor, dessen Basis-Kollektor-Übergang besonders groß ausgeführt und durch ein klares Gehäuse dem Licht ausgesetzt ist. Dieser Übergang ist im Betrieb gesperrt und wirkt wie eine eingebaute Fotodiode: Einfallendes Licht erzeugt dort Paare aus Elektronen und Löchern (siehe pn-Übergang), und es fließt ein kleiner Fotostrom vom Kollektor in die Basis.

Dieser Fotostrom übernimmt die Rolle des Basisstroms. Der Transistor verstärkt ihn um seinen Stromverstärkungsfaktor B, typisch einige hundert. Zwischen Kollektor und Emitter fließt deshalb

Das Ersatzschaltbild zeigt es am deutlichsten: eine Fotodiode zwischen Kollektor und Basis, die einen gewöhnlichen Transistor ansteuert.

Bei vielen Typen ist die Basis gar nicht herausgeführt; das Bauteil hat nur zwei Beine, Kollektor und Emitter. Typen mit Basisanschluss erlauben es, mit einem Widerstand von der Basis zum Emitter einen Teil des Fotostroms abzuleiten. Das macht den Transistor unempfindlicher gegen schwaches Streulicht und schneller.

Für noch mehr Empfindlichkeit gibt es Foto-Darlingtons: zwei Transistoren hintereinander, die den Fotostrom zusammen um mehrere Tausend verstärken (siehe Darlington-Transistor). Sie sind entsprechend träge und haben eine höhere Sättigungsspannung.

Schaltzeichen

Das Schaltzeichen ist das des NPN-Transistors – Pfeil am Emitter nach außen – mit zwei Pfeilen, die auf den Transistor zeigen. Fehlt der Basisanschluss, wird auch die Basisleitung weggelassen. Die Grundsymbole findest du unter Schaltzeichen.

Kennlinie und Kennwerte

Das Ausgangskennlinienfeld sieht aus wie das eines normalen Transistors (siehe Transistor-Kennlinien), nur dass statt des Basisstroms die Bestrahlungsstärke als Parameter dient: Mehr Licht, höhere Kurve. Der Kollektorstrom steigt ungefähr linear mit der Bestrahlungsstärke, bei sehr wenig und sehr viel Licht weicht er davon ab.

Am Beispiel des verbreiteten Typs BPW85 von Vishay (3-mm-Gehäuse, klar, ohne Basisanschluss):

Zwei Dinge fallen auf. Erstens die Streuung: Selbst innerhalb einer Gruppe schwankt der Hellstrom um den Faktor drei, weil die Stromverstärkung von Exemplar zu Exemplar verschieden ist. Zweitens die Empfindlichkeit: Die Fotodiode BPW34 liefert bei derselben Bestrahlung rund 50 µA, mit fast der zehnfachen Fläche. Der kleine BPW85 bringt typisch 1,5 mA und mehr.

Der Preis dafür ist die Geschwindigkeit. Die Kapazität der großen Kollektor-Basis-Sperrschicht wird ebenfalls verstärkt (Miller-Effekt). Die Schaltzeiten von etwa 2 µs gelten nur mit kleinem Lastwiderstand von 100 Ω; mit Kiloohm-Widerständen werden daraus schnell einige zehn bis hundert Mikrosekunden.

Bauformen

Einzelne Fototransistoren gibt es in den Gehäusen der LEDs, 3 mm und 5 mm, klar für sichtbares Licht und Infrarot oder schwarz als Tageslichtsperre für reines Infrarot. Achtung: Ein klarer Fototransistor sieht aus wie eine LED – die Beschriftung der Tüte ist oft der einzige Hinweis. Daneben gibt es seitlich schauende Typen und SMD-Gehäuse. Häufiger als einzeln begegnet dir der Fototransistor fertig kombiniert mit einer Infrarot-LED:

• Gabellichtschranke: LED und Fototransistor stehen sich in einem U-förmigen Gehäuse gegenüber. Ein Gegenstand im Spalt unterbricht das Licht – ideal für Endlagen und Drehgeber-Scheiben.
• Reflexkoppler: LED und Fototransistor schauen in dieselbe Richtung und erkennen eine reflektierende Fläche wenige Millimeter davor, etwa eine Markierung oder einen Linienverlauf.
• Optokoppler: LED und Fototransistor in einem geschlossenen Gehäuse zur Potentialtrennung.

Schaltungen

Es gibt zwei Grundschaltungen, die sich nur darin unterscheiden, wo der Arbeitswiderstand sitzt.

• Widerstand am Kollektor: Der Emitter liegt an Masse, der Widerstand zwischen Kollektor und Versorgung. Bei Licht leitet der Transistor, der Ausgang fällt auf Low. Im Dunkeln zieht der Widerstand den Ausgang auf High.
• Widerstand am Emitter: Der Kollektor liegt an der Versorgung, der Widerstand zwischen Emitter und Masse. Bei Licht steigt die Ausgangsspannung. Das ist oft das intuitivere Verhalten („mehr Licht, mehr Spannung“).

Für einen sauberen Schaltausgang soll der Transistor bei Licht voll durchschalten, also in die Sättigung gehen. Der Widerstand muss dafür groß genug sein, dass schon der kleinste zu erwartende Fotostrom an ihm fast die ganze Versorgungsspannung abfallen lässt.

Die Flanken sind bei langsamer Lichtänderung flach. Für einen sauberen Digitaleingang setzt du deshalb einen Schmitt-Trigger dahinter oder nutzt einen Eingang mit Hysterese. Soll der Transistor nicht schalten, sondern Helligkeit messen, wählst du den Widerstand so klein, dass er auch bei hellstem Licht nicht in die Sättigung kommt, und liest die Spannung mit dem ADC.

Auswahl und Praxistipps

Den Fototransistor nimmst du, wenn es auf einfaches, kräftiges Signal ankommt: Lichtschranken, Zähler, Endlagen, Helligkeitsschwellen. Für genaue Lichtmessung, große Dynamik oder Frequenzen über etwa 100 kHz ist die Fotodiode besser. Für langsame Dämmerungsschalter tut es auch ein Fotowiderstand, der aber wegen des Cadmiums heute kaum noch verbaut wird. Für Fernbedienungen gibt es fertige IR-Empfänger mit Filter und Verstärker.

Häufige Fehler:

• Verwechslung mit einer LED: Ein klarer Fototransistor sieht aus wie eine weiße LED. Beschrifte die Tütchen.
• Kollektor und Emitter vertauscht: Der Transistor arbeitet dann invers mit winziger Verstärkung und verträgt nur etwa 5 V. Bei Fototransistoren im LED-Gehäuse gibt es keine einheitliche Regel, welches Bein Kollektor ist – Abflachung und Beinlänge bedeuten je nach Hersteller etwas anderes. Immer im Datenblatt nachsehen.
• Arbeitswiderstand für den typischen statt den kleinsten Hellstrom gerechnet: Dann schaltet nur jedes zweite Exemplar sicher.
• Fremdlicht: Sonne und Lampen enthalten viel Infrarot. Schwarze Gehäuse, Blenden und ein moduliertes Sendelicht helfen.
• Zu große Widerstände für schnelle Signale: Die Schaltzeit wächst etwa mit dem Lastwiderstand.

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