Fototransistor: Funcionamiento y Aplicaciones
Un fototransistor es, en esencia, lo mismo que un transistor normal, solo que puede trabajar de dos maneras diferentes:
- Como un transistor normal con la corriente de base ($I_B$), modo normal.
- Como fototransistor, cuando la luz que incide en este elemento hace las veces de corriente de base ($I_L$), (modo de iluminación).
Se pueden utilizar las dos en forma simultánea, aunque el fototransistor se utiliza principalmente con el terminal de la base sin conectar ($I_B = 0$). Incluso, en algunos fototransistores no está disponible dicho terminal.
El fototransistor es muy utilizado para aplicaciones donde la detección de iluminación es muy importante. Al igual que el fotodiodo, tiene un tiempo de respuesta muy corto, pero entrega una corriente eléctrica mayor.
Generalidades sobre Fotodiodos y Fototransistores
Los fotodiodos y fototransistores de silicio son sensibles en la zona de 400 nm hasta 1100 nm. Dado que la mayor sensibilidad está en los 880 nm, los rayos infrarrojos pueden ser detectados especialmente bien por los componentes de silicio.
Fotodiodos y fototransistores se pueden suministrar en resina de epoxi negra, la cual reduce la sensibilidad en el espectro visible. Lo que define las propiedades de sensibilidad al espectro de un fotodiodo (o de un fototransistor) es el material semiconductor que se emplea en la construcción.
Los fotodiodos están construidos de:
- Silicio: sensible a la luz visible (longitud de onda de hasta 1,1 µm).
- Germanio: para luz infrarroja (longitud de onda hasta aproximadamente 1,8 µm).
- Otros materiales semiconductores.
Modos de Detección de los Sensores Fotoeléctricos
Este tipo de sensores generalmente incorporan un circuito que permite la activación por la presencia o por la ausencia del objeto. A estos modos se les denomina Light ON (activación por luz) y Dark ON (activación por oscuridad).
Light ON (Activación por Luz)
El objeto por sí mismo debe reflejar el haz de luz al lente del receptor.
Dark ON (Activación por Oscuridad)
El objeto debe romper o disminuir un haz de luz existente entre la fuente de luz y el lente receptor.
Optoacopladores y Optointerruptores
Cuando se combina una fuente óptica (generalmente un LED) con algún tipo de detector óptico (generalmente un semiconductor de silicio) en un solo encapsulado, el dispositivo resultante se llama optoacoplador u optointerruptor.
Esta estructura produce un elemento que permite el acoplamiento de señales entre dos tipos de circuitos electrónicos independientes y totalmente aislados entre sí. Según el encapsulado, estos dispositivos pueden tener un aislamiento hasta de 3500 V.
Tipos de Encapsulados de Optoacopladores
- Encapsulado típico con vías de transmisión luminosa.
- Encapsulado típico con vías de transmisión reflejada (sensor de objetos).
- Encapsulado típico con camino de aire para la transmisión de la luz (interruptor óptico de límite rasurado).
El acoplador óptico es un dispositivo que ofrece a los diseñadores electrónicos una mayor libertad para diseñar circuitos y sistemas. La operación está basada en la detección de luz emitida. La entrada del acoplador está conectada a un emisor de luz y la salida es un fotodetector. Los dos elementos están separados por un aislante transparente y dentro de un empaque que lo aísla de la luz exterior.
Hay muchos tipos de acopladores ópticos. Todos ellos tienen una fuente de luz infrarroja (LED), pero el detector puede ser: fotodiodo, fototransistor, LASCR, etc.
Características Técnicas de los Optoacopladores
Relación de Transferencia de Corriente (Current Transfer Ratio – CTR)
La razón de transferencia de corriente (CTR) es la razón de la corriente de entrada a la corriente de salida en un optoacoplador (a una alimentación específica), y se suele representar, simplemente, como CTR. Este valor depende de la eficiencia del diodo emisor y el espaciamiento entre los elementos de entrada y de salida. Además, otros factores, como la temperatura y la frecuencia de trabajo, pueden alterar este parámetro. Por ello, las hojas de datos que brinda el fabricante contienen gráficos que muestran dichas variaciones.
Aislamiento Entrada-Salida
Tensión de Aislamiento
Es la diferencia de potencial que se puede separar con seguridad. Viene dada en kVrms (por ejemplo, 3500 V). Existen dos tipos:
- Tensión de ensayo de aislamiento (tensión máxima admisible instantánea).
- Tensión nominal de aislamiento (tensión máxima admisible permanente).
Resistencia de Aislamiento
Es la resistencia en continua entre la entrada y la salida. Típicamente tiene un valor de alrededor de los $10^{11} \Omega$.
Velocidad de Respuesta
Se suele diferenciar entre conmutación en modo saturado y no saturado:
- Modo saturado: el transistor conmuta entre corte y saturación.
- Modo no saturado: el transistor conmuta entre saturación y corte.
Principio de Operación del Optoacoplador
Cuando se aplica un voltaje de polarización directo en las terminales de entrada del LED, se establece una corriente de entrada, $I_{IN}$, limitada por una resistencia en serie $R_s$. La corriente produce una emisión de luz infrarroja cuya longitud de onda es cercana a los 900 nanómetros, la cual incide sobre el detector.
Tipos de Salida de Optoacopladores
Salida con Fotodiodo
Con la luz incidiendo sobre el fotodiodo, sus características fotovoltaicas crearán una corriente $I_L$ o $I_{out}$, la cual fluirá en el diodo. Con una resistencia de carga $R_L$ conectada a las terminales del acoplador, la corriente desarrollará un voltaje $V_L$ a través de la carga: $V_L = I_{out} \times R_L$.
Conforme la señal de entrada, $V_{in}$, varía la intensidad de la luz infrarroja, la corriente de salida $I_{out}$ también cambiará, causando que el voltaje de salida $V_L$ cambie de la misma manera. Un pequeño cambio de la corriente de entrada producirá un cambio proporcional en la corriente de salida. Esta característica del optoacoplador servirá para acoplar señales de bajo voltaje análogas o de DC, prácticamente sin distorsión o muy poca.
Salida con Fototransistor
Dado que el CTR de un optoacoplador con una salida de fotodiodo es muy bajo (10 al 15 %), un método que se prefiere es reemplazar el fotodiodo con un fototransistor bipolar. El transistor bipolar, con su inherente ganancia de corriente, $\beta$, proveerá un considerable aumento en el CTR (alrededor del 50 al 100 %) dependiendo de la beta del fototransistor.
El terminal de base del transistor se puede invertir en polaridad para reducir la sensibilidad, o polarizar directamente para incrementarla, o simplemente dejarla flotando.
Salida con Fotodarlington
Si aún es necesario un CTR más alto, el transistor bipolar puede ser reemplazado por un transistor Darlington que sirva como detector en la sección de salida.
En los circuitos, la corriente de salida $I_c$, del fototransistor simple o del fotodarlington, desarrollará un voltaje $V_L$ a través de la resistencia de carga $R_L$. Este voltaje es el producto de la corriente de salida $I_c$ y la resistencia de carga $R_L$.
El optoacoplador puede ser operado o bien como un amplificador lineal o bien como un interruptor digital (switch), dependiendo del voltaje de polarización aplicado a la base del transistor.
Salida con Foto SCR
Si la salida de un optoacoplador es un foto SCR, la función de este es conmutar la parte positiva de un voltaje de AC a través de la carga, operando bajo los mismos principios que un SCR ordinario.
La corriente de la compuerta del SCR se logra a través de una acción fotovoltaica producida por una luz infrarroja incidiendo sobre la compuerta del SCR mientras que se mantiene el aislamiento de los circuitos de entrada y salida del optoacoplador.
Se puede utilizar un voltaje de DC en la entrada, causando que la salida se mantenga encendida (se amarre en encendido), cuando el SCR se excite. Este tipo de circuitos se aplica en sistemas de alarma, de seguridad e incendios.
Para apagar el sistema después de que se encendió, un simple interruptor de un polo y un tiro (SPST) normalmente cerrado en serie con la fuente de alimentación es suficiente.
Resistencia LDR (Fotorresistencia)
La resistencia LDR (Light-Dependent Resistor) o fotorresistencia, es un componente electrónico cuya resistencia varía según la intensidad de luz que incide sobre él. A medida que la intensidad luminosa incide sobre ella, el valor óhmico de la resistencia LDR disminuye.
Puede pasar de varios MΩ (Mega Ohms) en la oscuridad a unos pocos Ohms al aumentar la intensidad de la luz.