Fototransistor

Bienvenidos a la referencia técnica definitiva de Ingtelecto. Si en el artículo anterior sobre transistores BJT aprendimos a controlar corrientes mediante una señal eléctrica en la base, hoy vamos a sustituir esa señal eléctrica por fotones.

El Fototransistor es, sin duda, el sensor óptico más importante en la industria moderna. Desde el optoacoplador que protege la fuente de alimentación de tu PC, hasta los encoders que miden la posición de un brazo robótico industrial, este componente es el rey de la detección óptica.

Pero, ¿sabes realmente cómo funciona a nivel atómico? ¿Sabes calcular la resistencia de carga exacta para obtener el tiempo de respuesta que necesitas? ¿O simplemente pones una resistencia de 10k$\Omega$ y esperas que funcione? En este artículo, dejaremos de adivinar y empezaremos a diseñar con ingeniería de precisión.

1. Fundamentos Físicos y Estructura Interna

Para entender el fototransistor, primero debemos recordar cómo funciona un BJT normal. Un transistor NPN conduce corriente de Colector a Emisor ($I_C$) proporcionalmente a la corriente que inyectamos en la Base ($I_B$).
$$ I_C = \beta \times I_B $$

Por lo tanto, la ecuación fundamental del fototransistor es:
$$ I_C = (I_{ph} + I_{dark}) \times h_{FE} $$

Donde:

• $I_C$: Corriente de salida (Colector).
• $I_{ph}$: Fotocorriente generada por la luz (Microamperios).
• $I_{dark}$: Corriente oscura (Fugas térmicas cuando no hay luz).
• $h_{FE}$ (o $\beta$): La ganancia de corriente del transistor.

Esto nos dice algo vital: El fototransistor es, esencialmente, un fotodiodo con un amplificador integrado. Mientras un fotodiodo genera apenas unos nanoamperios, el fototransistor multiplica eso por 100 o más, entregando miliamperios útiles.

2. Espectro y Longitud de Onda: ¿Qué luz ve tu sensor?

No todos los fototransistores ven lo mismo. La respuesta espectral depende del material semiconductor y del encapsulado.

3. Modos de Operación: Interruptor vs. Activo

Dependiendo de cómo diseñes tu circuito, el fototransistor puede comportarse de dos formas muy distintas.

A. Modo Interruptor (Saturación/Corte)

Es el más común en electrónica digital (Arduino/ESP32). Queremos que la salida sea un "1" o un "0" nítido.

• Corte (Oscuridad): No hay luz. $I_C \approx 0$. El voltaje de salida es igual a VCC. (Lógica ALTA).
• Saturación (Luz Intensa): La luz satura el transistor. El voltaje cae a casi 0V ($V_{CE(sat)} \approx 0.3V$). (Lógica BAJA).

B. Modo Activo (Lineal)

Se usa para medir cantidad de luz (Luxómetros). Aquí, el transistor no llega a saturarse, sino que trabaja en su zona lineal. La salida es un voltaje analógico proporcional a la intensidad lumínica.

4. Diseño del Circuito: Cálculo de la Resistencia de Emisor

Aquí es donde entra la ingeniería. El circuito estándar es la configuración de Emisor Común.

La resistencia $R_L$ (o $R_E$) determina la Sensibilidad y la Velocidad. Existe un compromiso inevitable (Trade-off):

Cálculo Práctico

Supongamos que usamos un fototransistor típico (como el TEPT5700) y queremos que sature (salida 0V) cuando la corriente de luz sea de $2mA$. Alimentamos con 5V.

$$ V_{out} = I_C \times R_E $$
Queremos que $V_{out}$ llegue a 5V (para que la lectura analógica sea máxima o el digital cambie) con esa corriente:
$$ R_E = \frac{5V}{0.002A} = 2500 \Omega $$
Una resistencia comercial de 2.2k$\Omega$ o 2.7k$\Omega$ sería perfecta para detección rápida. Si usaras 10k$\Omega$, se saturaría con mucha menos luz (0.5mA), haciéndolo más sensible pero más lento.

5. Fototransistores Especiales: Darlington y 3 Pines

El Fotodarlington

¿Necesitas detectar una vela a 10 metros de distancia? El fototransistor normal no servirá.
El Fotodarlington conecta internamente la salida del fototransistor a la base de un segundo transistor.
$$ Ganancia Total \approx \beta_1 \times \beta_2 $$
Esto da ganancias de 10,000 o más. Sin embargo, son **muy lentos**. No sirven para transmisión de datos, solo para detección de presencia.

Fototransistores de 3 Pines (Con Base)

Algunos componentes (como el 4N35 en modo optoacoplador o sensores antiguos) traen la patilla de la Base accesible.
¿Para qué sirve?
1. Polarización: Puedes conectar una resistencia alta entre Base y Emisor para "fugar" las cargas acumuladas. Esto aumenta drásticamente la velocidad de conmutación, aunque reduce un poco la sensibilidad. Es un truco de experto para comunicaciones rápidas.
2. Control de Umbral: Permite establecer un punto de disparo eléctrico además del óptico.

6. Acondicionamiento de Señal: El Disparador Schmitt

Si conectas un fototransistor directo a un pin digital de Arduino, puedes tener problemas. Cuando la luz varía lentamente (ej: amanecer), el voltaje pasa por la "zona prohibida" (entre 1.5V y 3V) donde el microcontrolador no sabe si es 0 o 1. Esto causa oscilaciones y lecturas falsas.

La Solución PRO: Usa un Schmitt Trigger (como el 74HC14 o por software).
Este circuito tiene histéresis: se "enciende" a 3.5V pero no se "apaga" hasta que baja a 1.5V. Esto elimina el ruido en las transiciones.

7. Práctica con Arduino: Tacómetro Óptico de Alta Velocidad

Vamos a aplicar todo esto para construir un sensor de RPM (Revoluciones por Minuto) capaz de leer un motor girando rápido. Usaremos interrupciones para no perder pulsos.

El Código

// TUTORIAL INGTELECTO PRO - TACÓMETRO ÓPTICO

// Uso de Fototransistor con Interrupciones
const int sensorPin = 2; // Pin de interrupción 0 (Arduino Uno)

volatile int pulsos = 0;

unsigned long tiempoAnterior = 0;

unsigned long rpm = 0;
void setup() {

Serial.begin(115200);

pinMode(sensorPin, INPUT);
// Configuramos la interrupción

// RISING: Se activa cuando pasa de Negro (LOW) a Blanco (HIGH)

attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(sensorPin), contarPulso, RISING);

}
void loop() {

// Calculamos RPM cada segundo (1000 ms)

if (millis() - tiempoAnterior >= 1000) {

// Desactivamos interrupciones momentáneamente para leer variables volatile

detachInterrupt(digitalPinToInterrupt(sensorPin));
// Fórmula: (Pulsos * 60 segundos) / (Marcas por vuelta)

// Asumimos 1 marca por vuelta

rpm = pulsos * 60;
Serial.print("RPM: ");

Serial.println(rpm);
// Reseteamos contadores

pulsos = 0;

tiempoAnterior = millis();
// Reactivamos

attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(sensorPin), contarPulso, RISING);

}

}
// Rutina de Servicio de Interrupción (ISR)

// Debe ser lo más corta posible

void contarPulso() {

pulsos++;

}

8. Solución de Problemas (Troubleshooting)

Conclusión

El fototransistor es mucho más que una resistencia variable. Es un dispositivo amplificador activo. Al entender la relación entre la resistencia de carga ($R_E$), la ganancia ($\beta$) y la capacitancia parásita, puedes diseñar sensores que reaccionen en microsegundos para leer códigos de barras, medir velocidad de motores o transmitir audio por luz.

Ya tienes las herramientas de cálculo y la teoría física. Ahora, ¡ve y construye algo que vea el mundo!