Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Verständnissfrage Phototransistor


von Paul (paulii)


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Hi,
Ich bin der Paul, Ich mache grade den Techniker.
Ich bin noch ganz am Anfang, bis jetzt läuft es sehr gut.
Ich darf nun eine Präsentation über einen Phototransistor machen.

Es geht eigentlich primär um die Funktion. Elektronen-Löcher Paare usw.
Das ist alles ok.

Zusätzlich schaue Ich mir grade ein Datenblatt vom SFH309 an und versuch 
daraus schlau zu werden.(das ist eigentlich noch nicht relevant für 
unseren aktuellen schulischen Stand, aber es intersssiert mich)
 Könnt Ihr mir vllt sagen ob Ich es so richtig verstehe?

Aus dem ersten Schaubild kann ich zb. entnehmen:

bei 1mw/cm² / 5 V = 3mA

das bedeutet wenn Ich den collector an 5v klemme, emitter direkt an gnd 
und ich es schaffen würde genau mit 1mw/cm² zu bestrahlen würd ein Strom 
von 3mA fließen?

auf dem 2ten Bild sieht man spectrale sensitivität.
bei 900nm ist die am höchsten.
Bei ca 780nm liegt Sie bei 50%.
angenommen die erste Aussage stimmt, bedeutet das Ich müsste, wenn Ich 
eine Lichtquelle mit 780nm habe, die Beleuchtunstärke verdoppeln 
(2mw/cm2) um wieder 3mA fließen zu lassen?


Ich habe einen kleinen Versuchaufbau gemacht, Collector an 5v in Reihe 
einen 5kOhm Widerstand . Mit einen ESP32 messe ich die Spannung am 
Widerstand.
Phototransistor und eine IR LED sind in einem Karton, Ich messe 2V an 
meinem Widerstand.

Ich geh einfach davon aus aus die LED genau 900nm hat. Es soll nur zum 
Verständniss dienen. Keine Funktion erfüllen.

Wie rechne Ich nun die mw/cm2 aus? Ist das der Richtige Ansatz?

I = 2v / 5Kohm  = 0,4mA (2v am Widerstand)

Up (Spannung am Phototransistor)
Up = 5v - 2V = 3V      (5v gesammt Spannung)

Rip  (Innenwiderstand Phototransistor)

Rip = 3v / 0,4mA  = 7,5kOhm

also der Photoransistor hat bei dieses Bestrahlungstärke 7,5kOhm.
Jetzt die 5v aus dem Diagramm durch die 7,5KOhm

I = 5v/ 7,5KOhm = 0,66mA

Nun suche Ich im Datenblatt den passenden Punkt. und komm da so ungefähr 
auf 0,2mw/cm2.

macht das so Sinn oder ist das Quatsch?
Da man nicht genau weiss wie das Spektrum der IR LED ist, geht das nur 
teoretisch, man kann den Wert mw/cm2 dann nicht wirklich berechnen. 
stimmt diese Annahme?

Wenn Ich den Phototransistor mit der Handy Taschenlampe beleuchte, regt 
sich wenig. Bedeutet die Handy LED hat wenig IR anteil.
Halte Ich es unter eine Halogen Birne, schlägt er stark aus. bedeutet 
Dieses Leuchtmittel hat einen höheren IR Anteil.
Ich kann aber nur eine ungefähre Aussage über die mw/cm2 vom IR Teil 
treffen. Eine genaue Berechnung ist nicht wirklich möglich?

Ich hoffe die Fragen sind vertständlich.

lg
Paul

: Bearbeitet durch User
von Hans (piaggio)


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Paul schrieb:
> Rip = 3v / 0,4mA  = 7,5kOhm
>
> also der Photoransistor hat bei dieses Bestrahlungstärke 7,5kOhm.
> Jetzt die 5v aus dem Diagramm durch die 7,5KOhm
>
> I = 5v/ 7,5KOhm = 0,66mA

Das ist glaub ich so nicht richtig.
Die Kennlinien zeigen keinen linearen Stromanstieg mit der Spannung.
-eher einen konstanten Strom abhängig von der Beleuchtungsstärke. 
(geringe Abhängigkeit von der Spannung Uce)
Deshalb darf man aber auch nicht mit den Widerstandswerten rechnen.
Empfehlung: Widerstand entfernen und Messung wiederholen.

von Anon X. (pascalx)


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Beim Ablesen des Diagramms komme ich auf 3mA
(10^0 = 1mA, dann zwei weitere Linien darüber = 3mA)

Soviel zu log-Darstellungen.

von Paul (paulii)


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Du hast absolut Recht mit den 3mA.
Sry wegen dem Anfänger Fehler.

von Paul (paulii)


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Hans schrieb:
> Das ist glaub ich so nicht richtig.
> Die Kennlinien zeigen keinen linearen Stromanstieg mit der Spannung.
> -eher einen konstanten Strom abhängig von der Beleuchtungsstärke.
> (geringe Abhängigkeit von der Spannung Uce)
> Deshalb darf man aber auch nicht mit den Widerstandswerten rechnen.
> Empfehlung: Widerstand entfernen und Messung wiederholen.

Ja ich kann es ohne den Widerstand überprüfen und mit dem Multimeter den 
Strom messen. Das kann Ich testen.

von Rolf (rolf22)


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Paul schrieb:
> Bedeutet die Handy LED hat wenig IR anteil.
> ... Halogenbirne ...
> Dieses Leuchtmittel hat einen höheren IR Anteil.

Vorweg: "Wenig Anteil" gibt es nicht.

"Anteil" kann relativ oder absolut gemeint sein. Meist ist es relativ 
gemeint, was du misst, ist aber absolut.

Angenommen, das Licht der Halogenlampe enthält nur sehr wenig IR-Licht, 
sagen wir z. B. 1 %, dann kann dieses eine Prozentchen absolut gesehen 
doch sehr viel sein.  ;-)

: Bearbeitet durch User
von Paul (paulii)


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Ja das kann Ich nachvollziehen.
Danke für die anschauliche Erklärung

von Georg M. (g_m)


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Für das sichtbare Licht: Ambient Light Sensor

Z.B. TEPT5700, TEMT6000X01

von Paul (paulii)


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Bei dem TEMT6000X01 ist im Datenblatt die Einheit lux im Diagramm 
angegeben. Das ist schön. Danke für die Empfehlung.

Die frage nach der Rechnung würde da aber auch bleiben.
Wenn Ich den in Reihe mit einem Widerstand schalte und dann am 
Widerstand die Spannung messe.
Könnte Ich dann wie im ersten Beitrag rechnen?

Also Spannung am Widerstand bestimmen, dadurch den Stromfluss in der 
Reihenschaltung.
Dann die Innenwiderstand des Phototransistors bei der aktuellen 
beleuchtung berechnen.
und mit dem Diagramm im Datenblatt vergleichen?

von Rainer W. (rawi)


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Rolf schrieb:
> Angenommen, das Licht der Halogenlampe enthält nur sehr wenig IR-Licht,
> sagen wir z. B. 1 %

Das ist eine völlig falsche Annahme.
Halogenlampen besitzen eine relativ hohen Anteil IR-Licht. Die 
Farbtemperatur von Halogenlampen liegt meist im Bereich 3100 K bis 3300 
K. Da Spektrum entspricht ziemlich gut dem eines schwarzen Strahlers.
Weiße LEDs besitzen dagegen gar keinen IR-Anteil, wie man in einem 
vernünftigen Datenblatt sieht (siehe z.B. Cree CXA1304).
https://de.wikipedia.org/wiki/Plancksches_Strahlungsgesetz#/media/Datei:BlackbodySpectrum_loglog_de.svg
https://downloads.cree-led.com/files/ds/x/XLamp-CXA1304.pdf

p.s.
Das Einheitenzeichen für die Einheit Watt ist ein großes 'W'.
Das Einheitenzeichen für die Einheit Volt ist ein großes 'V'.
https://de.wikipedia.org/wiki/Internationales_Einheitensystem#Abgeleitete_Einheiten_mit_besonderem_Namen

Der SI-Präfixe für 1000 (Kilo) ist ein KLEINES 'k'
https://de.wikipedia.org/wiki/Vors%C3%A4tze_f%C3%BCr_Ma%C3%9Feinheiten#SI-Pr%C3%A4fixe

: Bearbeitet durch User
von Georg M. (g_m)



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Paul schrieb:
> Wenn Ich den in Reihe mit einem Widerstand schalte und dann am
> Widerstand die Spannung messe.

Ja, so wird es gemacht.

Und es gibt auch Lichtsensoren, bei denen der ADC bereits integriert 
ist.

von Bernhard (bernhard_123)


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Paul schrieb:
> Die frage nach der Rechnung würde da aber auch bleiben.
> Wenn Ich den in Reihe mit einem Widerstand schalte und dann am
> Widerstand die Spannung messe.
> Könnte Ich dann wie im ersten Beitrag rechnen?

Ja.
Mit dem Widerstandswert wird eingestellt, in welchem Strombereich 
(entspricht Helligkeitsbereich) man arbeiten möchte.

> Also Spannung am Widerstand bestimmen, dadurch den Stromfluss in der
> Reihenschaltung.
> Dann die Innenwiderstand des Phototransistors bei der aktuellen
> beleuchtung berechnen.
> und mit dem Diagramm im Datenblatt vergleichen?

Der zweite Teil ist nicht notwendig. Im Datenblatt ist der Strom durch 
den Transistor angegeben, Umrechnung auf einen fiktiven Widerstand 
braucht man nicht.

Das linke Diagramm zeigt auch: Der Strom ändert sich fast nicht, egal ob 
am Transistor 2 V oder 10 V anliegen. Die Spannung muss also nicht sehr 
genau sein und die sich ändernde Spannung am Widerstand und am 
Transistor ändert wenig am Strom.

Das Diagramm Strom über Beleuchtungsstärke zeigt aber nur typisches 
Verhalten.
Das Diagramm zeigt ca. 1,6 mA bei 0,5 mW/cm². Das entspricht der Mitte 
der Selektionsgruppe -4 (1,0...3,2 mA).

Der Strom folgt ziemlich linear (proportional) der Beleuchtungsstärke. 
Also beispielsweise 10-fache Beleuchtungsstärke führt zu 10-fachem 
Strom.

Der Widerstand in Reihe ist auch notwendig, dass der maximal zulässige 
Strom von 15 mA niemals überschritten werden kann, auch wenn mal 
versehentlich z. B. die Sonne drauf scheint.

Bernhard

von Rolf (rolf22)


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Rainer W. schrieb:

>> Angenommen, das Licht der Halogenlampe enthält nur sehr wenig IR-Licht,
>> sagen wir z. B. 1 %

> Das ist eine völlig falsche Annahme.

Hypothetische Annahmen, mit denen ein logischer Gedankengang gezeigt 
werden soll, sind nie falsch. Falsch klingt es nur für den, der diese 
winzige Abstraktionsstufe nicht hochklettern kann.

von Georg M. (g_m)


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Paul schrieb:
> Es geht eigentlich primär um die Funktion. Elektronen-Löcher Paare usw.
> Das ist alles ok.

Die Physik ist das Schwierigste. Jemand hat sogar den Nobelpreis für den 
photoelektrischen Effekt bekommen.

von Joachim B. (jar)


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Paul schrieb:
> Ich geh einfach davon aus aus die LED genau 900nm hat

erster Fehler, mit Annahmen rechnen

Paul schrieb:
> Bei ca 780nm liegt Sie bei 50%.
> angenommen die erste Aussage stimmt, bedeutet das Ich müsste, wenn Ich
> eine Lichtquelle mit 780nm habe, die Beleuchtunstärke verdoppeln
> (2mw/cm2) um wieder 3mA fließen zu lassen?

zweiter Fehler, mit Annahmen rechnen

Du denkst es gibt keine Exemplarstreuungen?

von Jens G. (jensig)


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Paul schrieb:
> Aus dem ersten Schaubild kann ich zb. entnehmen:
>
> bei 1mw/cm² / 5 V = 3mA
>
> das bedeutet wenn Ich den collector an 5v klemme, emitter direkt an gnd
> und ich es schaffen würde genau mit 1mw/cm² zu bestrahlen würd ein Strom
> von 3mA fließen?

Ja. Aber das sind nur typische Werte. Je nach Exemplar kann das deutlich 
davon abweichen. Wo die Toleranzen liegen, sagen dir üblicherweise die 
Kennwerte im DB.

> auf dem 2ten Bild sieht man spectrale sensitivität.
> bei 900nm ist die am höchsten.
> Bei ca 780nm liegt Sie bei 50%.
> angenommen die erste Aussage stimmt, bedeutet das Ich müsste, wenn Ich
> eine Lichtquelle mit 780nm habe, die Beleuchtunstärke verdoppeln
> (2mw/cm2) um wieder 3mA fließen zu lassen?

Ja.

> Wie rechne Ich nun die mw/cm2 aus? Ist das der Richtige Ansatz?
>
> I = 2v / 5Kohm  = 0,4mA (2v am Widerstand)
>
> Up (Spannung am Phototransistor)
> Up = 5v - 2V = 3V      (5v gesammt Spannung)
>
> Rip  (Innenwiderstand Phototransistor)
>
> Rip = 3v / 0,4mA  = 7,5kOhm
>
> also der Photoransistor hat bei dieses Bestrahlungstärke 7,5kOhm.
> Jetzt die 5v aus dem Diagramm durch die 7,5KOhm
>
> I = 5v/ 7,5KOhm = 0,66mA

An Deiner Plausibilitätsprüfung musst Du aber noch arbeiten. Wenn Du bei 
einer simplen Reihenschaltung über zwei unterschiedliche Rechenwege zwei 
unterschiedliche Ströme rausbekommst, dann muss was falsch sein (und 
damit auch die 5V, die Du an dieser Stelle im Diagramm nachsehen willst)

> Nun suche Ich im Datenblatt den passenden Punkt. und komm da so ungefähr
> auf 0,2mw/cm2.

Eigentlich richtig, aber da Du ja mit dem falschen Strom gesucht hast, 
sind auch die mW/cm² falsch.
Ansonsten ist es ohnehin eher sinnlos, den Widerstand des 
Fototransistors zu ermitteln, da ein Transistor eher eine Stromquelle 
ist (dessen Innenwiderstand theoretisch gegen unendlich geht), und nicht 
wie ein ohmscher Widerstand wirkt. Damit kannste jedenfalls keinen 
Blumentopf gewinnen.

: Bearbeitet durch User
von Paul (paulii)


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Jens G. schrieb:
> An Deiner Plausibilitätsprüfung musst Du aber noch arbeiten. Wenn Du bei
> einer simplen Reihenschaltung über zwei unterschiedliche Rechenwege zwei
> unterschiedliche Ströme rausbekommst, dann muss was falsch sein (und
> damit auch die 5V, die Du an dieser Stelle im Diagramm nachsehen willst)

Ich hab meinen Gedanken Gang scheinbar nicht gut rüber gebracht.
Ich ging davon aus der der Strom im Diagramm nur gilt wenn der 
Phototransistor ohne Widerstand in Reihe betrieben wird.

Sobald Ich einen Widerstand in Reihe zum Phototransistor habe, reduziert 
sich der Strom und das Diagram würde nicht mehr passen. Vllt liegt da 
mein Gedanken Fehler?

Daher habe Ich über den Umweg den Innenwiderstand vom Phototransitor bei 
einer Gewissen Bestrahlung berechnet. und dann mit diesen 
Innenwiderstand eine Ersatzschaltung ohne den zusätzlichen Widerstand in 
Reihe angenommen. um auf den Strom zu kommen der teroetisch fliessen 
würde wenn der Phototransistor ohne weiteren Reihenwiderstand 
angeschlossen wäre. Daher hab Ich 2 Ströme.
Der grössere Strom würde fliessen wenn der Phototransitor ohne 
zusätzlichen Widerstand angeschlossen wäre.

Vllt hab Ich da noch ein Verständniss Problem

Jens G. schrieb:
> Ansonsten ist es ohnehin eher sinnlos, den Widerstand des
> Fototransistors zu ermitteln,

Ok Ich verstehe.
Wäre es dann der richtige Weg die Spannung am Widerstand zu messen, 
daraus den Strom zu ermitteln und dem im Diagramm abzulesen? Würde ohne 
Widerstand nicht ein höhere Strom fliessen? Vermutlich habe Ich da einen 
Gedanken Fehler.

Der ALS-PDIC144-6C/L378 hat wirklich ein Schönes Datenblatt. Da stehen 
direkt die Spannungen drin die am Widerstand abfallen würden. Das macht 
es einem einfach.

von Joachim B. (jar)


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Paul schrieb:
> Ich ging davon aus der der Strom im Diagramm nur gilt wenn der
> Phototransistor ohne Widerstand in Reihe betrieben wird.

und auch nur dann wenn DEIN Phototransistor der aus dem Diagramm ist!
Wie hoch ist denn die Wahrscheinlichkeit das du genau DIESEN bekommst?

https://de.wikipedia.org/wiki/Exemplarstreuung
Beitrag "Re: Streuung Dioden-kennlinie mehrere gleiche Bauelemente"

von Paul (paulii)


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Hallo Joachim.
Ich verstehe was du meinst.
Danke für den Link.

Ich möchte einfach so "tun" als ob ich genau diesen hätte. So wie wir in 
der Schule so "tun" als ob wir ideale Spannungsquellen hätten bei 
unseren theoretischen Berechnungen.

Es ging mir nur darum wie man es theoretisch berechnen könnte. Es gibt 
halt ein Diagramm Strom und mw/cm2 und ich versuchen zu ergründen wie 
sich das verhält wenn ich noch einen Widerstand in Reihe habe.

Wenn im Datenblatt steht bei 1mw/cm2 fließen 3mA, dann tu ich jetzt 
einfach Mal so als ob das stimmt.

Ich verstehe es so das die 3mA fließen würden wenn der phototransistor 
direkt an 5v hängt und mit 1mw/cm2 bestrahlt wird.

Wenn ich jetzt noch einen 5k Widerstand in Reihe mache, vermute ich das 
der Strom sich reduziert.

Kann ich rechnerisch den neuen Strom ermitteln? Den Innenwiderstand vom 
Phototransistor zu errechnenen wurde ja erklärt macht keinen Sinn.

von Rainer W. (rawi)


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Paul schrieb:
> Sobald Ich einen Widerstand in Reihe zum Phototransistor habe, reduziert
> sich der Strom und das Diagram würde nicht mehr passen. Vllt liegt da
> mein Gedanken Fehler?

Warum sollte das Diagramm nicht passen?
Auf der x-Achse ist die Kollektor-Emitter-Spannung angegeben, auf der 
y-Achse der Strom und auf welcher der Kurven du dich befindest, hängt 
von der Beleuchtungsstärke ab. Wenn wegen eines Widerstandes nur wenig 
Spannung für den Phototransistor über bleibt, befindest du dich weit 
links auf der jeweiligen Kurve. Die Spannung über dem Transistor ergibt 
sich aus der Versorgungsspannung und dem Schnittpunkt von 
Transistorkennlinie und Widerstandskennlinie.

Paul schrieb:
> Kann ich rechnerisch den neuen Strom ermitteln?
Falls du die Kennlinie des Phototransistors rechnerisch beschreiben 
kannst, ist es leicht, den Schnittpunkt mit der Widerstandskennlinie 
auszurechnen.

: Bearbeitet durch User
von Bernhard (bernhard_123)


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Wenn bei Uce = 5 V der Strom 3 mA beträgt und du schaltest einen 
Widerstand mit 5 kOhm in Reihe, würde an dem Widerstand 3 mA * 5 kOhm = 
15 V abfallen. Das ist mehr als die Versorgungsspannung und der 
Transistor gerät in Sättigung. 5 kOhm an 5 V ist also zu groß für diesen 
Strom.

Nimmst du 1 kOhm, fällt daran 3 mA * 1 kOhm = 3 V ab.
Damit bleiben am Transistor 5 V – 3 V = 2 V übrig, also 3 V (60 %) 
weniger als 5 V.

Das Diagramm Ipce = f (Uce) zeigt, dass bei Änderung der Uce von 5 V auf 
2 V der Strom sinkt von 3,0 mA auf ca. 2,9 mA, also um ca. 3 %.

3 % Stromänderung bei 60 % Spannungsänderung ist vermutlich 
vernachlässigbar. Der Transistor ist eine gute (nicht ganz ideale) 
Stromquelle.

Bei Betrieb an 5 V muss der Vorwiderstand mindestens 5 V / 15 mA = 330 
Ohm betragen, damit der maximale Kollektorstrom nicht überschritten 
werden kann.

Bernhard

: Bearbeitet durch User
Beitrag #7797945 wurde vom Autor gelöscht.
von Rainer W. (rawi)


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Paul schrieb:
> Strom.jpg
> ...
> Zusätzlich schaue Ich mir grade ein Datenblatt vom SFH309 an und versuch
> daraus schlau zu werden.

Die Kurven, die du zeigst, haben mit den spektralen Eigenschaften der 
SFH309 nichts zu tun. Die gehören zur SFH309FA, steht auch drüber. Die 
SFH309 sieht bei etwa 570nm noch 50%, bei 780 nm noch etwas 85%.

von Bernhard (bernhard_123)


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Ja, die SFH309 (0,45 x 0,45 mm² im 3-mm-LED-Gehäuse) gab es in vier 
Versionen:

- SFH309
- SFH309FA (später SFH309F)
- SFH309P
- SFH309PFA (später SFH309PF)

mit
- Suffix FA (später F): mit Farbfilter (gefärbter Kunststoff)
- Suffix P: planar (ohne Linse)
- dazu kamen Selektionen der Empfindlichkeit, getrennt durch einen 
Bindestrich.

Bernhard

von Joachim B. (jar)


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Paul schrieb:
> Es ging mir nur darum wie man es theoretisch berechnen könnte.

theoretisch kann ich ALLES berechnen, nur was nutzt das, denn 
Schaltungen sollten immer funktionieren.

von Bernhard (bernhard_123)


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Bernhard schrieb:
> - Suffix FA (später F)

sorry, war zeitlich umgekehrt:
- Suffix F (später FA)

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