Robótica : El fototransistor

Se llama fototransistor a un transistor sensible a la luz, normalmente a los infrarrojos. La luz incide sobre la región de base, generando portadores en ella. Esta carga de base lleva el transistor al estado de conducción. El fototransistor es más sensible que el fotodiodo por el efecto de ganancia propio del transistor.
En el mercado se encuentran fototransistores tanto con conexión de base como sin ella y tanto en cápsulas plásticas como metálicas (TO-72, TO-5) provistas de una lente.
Se utilizan ampliamente encapsulados conjuntamente con un LED, formando interruptores ópticos (opto-switch), que detectan la interrupción del haz de luz por un objeto. Existen en dos versiones: de transmisión y de reflexión, también, dentro de sus características de elemento optoelectrónico, el fototransistor conduce más o menos corriente de colector cuando incide más o menos luz sobre sus junturas.
Los fototransistores reaccionan más rápidamente y son mucho más sensitivos que las simples celdas fotoresistivas , estas tienen una inercia que retarda la desactivación de luz y por tanto produce un error en la desactivación o activación del motor que se le ha asignado ,sin embargo este sensor solamente no es muy fiable. Aunque sea útil para detectar la luz que le incide, deba ser calibrado para cada diverso ambiente de la iluminación a el cual se sujete.


El fototransistor es muy sensible a la luz, y se debe blindar cuidadosamente.Debido a que existe un factor de amplificación de por medio, el fototransistor entrega variaciones mucho mayores de corriente eléctrica en respuesta a las variaciones en la intensidad de la luz. Sugerimos el usar una tubería negra .
Tambien se encuentran pares de fototransistor/LED. Esto es útil para detectar diferencias en color, tal como las líneas en el, o los diversos colores de bolas cuando se usa un brazo robótico. Esta técnica necesita de buena calibración para ser confiable. Blindar el fototransistor muy bien.



Una forma de preparalo para las superficies a detectar es con el uso de un comparador , es necesario porque la luz ambiente influye tambien en la lectura y el paso de blanco a oscuro debe hacer se teniendo en cuenta este factor , un circuito en el que se emplea un comparador referido a una tensión de referencia fijada por el potenciometro es el siguiente :

Robótica : Sensores de luz

Los sensores que usamos en una configuración elemental para robótica son las llamadas fotoresistencias ( resistencias que varian de acuerdo a la luz que incida en ellas ), considerando que cuando estan cubiertas o no reciben luz su resistencia es muy alta del rango de muchos kilohms , pero al recibir luz su valor puede bajar hasta unos cientos de ohmios de acuerdo a la intensidad y color de luz.
Su apariencia es la siguiente :
En un carrito seguidor básico las usamos para realizar la detección de una linea entre blanco y negro , aplicando el cambio en resistencia dependiente de luz para una activación directa ( no recomendable por la región de incertidumbre ). Las comparaciones de voltaje mas confiables son usando comparadores integrados como el LM 339 (quad comparador ) o tambien con el OP-AMP LM324 que tiene 4 opamps en un solo chip. Las señales recibidas por las fotoresistencias son emitidas por LEDs de alta intensidad.

El conjunto de sensores funcionan como sigue : tenemos los LEDs, estos se encuentran en serie con resistencias a GND de 220 Ohms a 5V, para limitar la corriente. Los LEDs están emitiendo luz continua, dependiendo de la intensidad de luz reflejada por la línea blanca y el piso negro, las fotoresistencias varian su resistencia.
Las fotoresistencias están en configuración de divisor de voltaje con un potenciometro, esto es para ajustar el valor en el cual el comparador qe se escoga mandará a su salida un 0 lógico(0-0.8V) o un 1 lógico(3.7-5V) dependiendo del color reflejado.Calculamos en el divisor de Voltaje
Vout = Vin (R2 / R1 + R2)
R1 es la resistencia de las fotoresistencias(conectado a V+)
R2 es la resistencia de los potenciometros(conectado a tierra)

Estas salidas las usamos para conectar o desconectar motores . Su colocación física en un carrito seguidor de linea sería como se vé en la figura , para uno de los fotoresistores , con el led de alto brillo a su lado:

Robótica : motores con reducción

Los motores de corriente continua que usamos son actuadores muy potentes que giran a demasiada velocidad como para poder utilizarlos en muchas aplicaciones robóticas. Por esa razón se emplean los reductores, habitualmente basados en engranes (tambien llamados engranajes).
Gracias a los engranajes podemos reducir la velocidad de los motores e incrementar el torque del motor (su "fuerza" en la concepción popular del térmimo).
Esto nos permite actuar elementos pesados como la carga del carrito , tambien y con mayor requerimiento en el caso de los brazos robóticos, con una reducción suficientemente elevada y fiable un pequeño motor podría mover cualquier peso, sacrificando por supuesto velocidad de giro.
Para potencias bajas se utilizan moto-reductores que son equipos formados por un motor eléctrico y un conjunto reductor integrado.Para potencias mayores se utilizan equipos reductores separados del motor. Los reductores consisten en pares de engranajes con gran diferencia de diámetros, de esta forma el engrane de menor diámetro debe dar muchas vueltas para que el de diámetro mayor de una vuelta, de esta forma se reduce la velocidad de giro.

Para obtener grandes reducciones se repite este proceso colocando varios pares de engranes conectados uno a continuación del otro. Para el caso de los motorcitos que mueven las ruedas del carrito seguidor estas no podrían conectarse directamente como eje de las ruedas porque estas derraparian o resbalarian justo por la falta de torque ; a pesar de su gran velocidad girarian en su propio sitio o lo peor no girarian ; pudiendo dañarse por sobrecalentamiento , por eso es necesario agregarle un conjunto de engranajes reductores como se aprecia en la siguiente foto de un carrito seguidor :

Robótica : Seguidores de linea

¿Qué es un Robot Sigue Línea?
Los robots seguidores de línea (o robots rastreadores de linea) son considerados como el primer paso en el mundo de la robótica. Son robots muy sencillos, que cumplen una única misión: seguir una línea marcada en el suelo (normalmente una línea negra sobre un fondo blanco).
Como tarea de inicio en Robótica intentaremos construir un robot lo más simple posible.Se trata de construir un robot (carrito) que siga la trayectoria de una fuente de luz, de manera que si este foco se interrumpe, el robot dejará de desplazarse hacia delante y empezará a buscar el foco de luz nuevamente,para esto necesitamos de un vehículo accionado por dos ruedas accionadas por motores.
En el principio básico necesitamos mínimo dos sensores de luz (fotoresistencias , fototransistores) y dos o mas fuentes de luz (foquitos , leds ) cada sensor de luz debe captar oscuridad o reflejo de una superficie blanca.
El robot estará compuesto de un circuito que podremos hacer fácilmente con una placa pre perforada o haciendo un circuito impreso , es importante indicar que se deberá construir dos circuitos exactamente iguales : uno para cada sensor-motor (rueda) e irán cruzados .El sensor izquierdo actuara sobre el motor derecho y el sensor derecho sobre el motor izquierdo ,un diagrama explicaría mejor esta conexión.


Los motores deben ser de corriente continua , en nuestro caso tomados de carritos de juguete que traen engranajes reductores de velocidad para mover las ruedas, las rueditas pueden tomarse del mismo carrito de juguete . Los sensores van paralelos al suelo y a unos 2 o 3 mm de separación desde el suelo a la superficie del sensor , la separación entre ambos sensores será para que quede dentro de la línea negra que vayamos a usar como trayectoria.
Suponiendo que el seguidor debe detectar una linea negra como es la mayoria de circuitos propuestos en la red , cuando tenga los dos sensores viendo blanco (con la linea negra entre ellos) los 2 motores estarán en marcha con lo que el robot avanzara en línea recta, cuando llega a una curva y supongamos que el sensor izquierdo sale de la línea negra entonces provocara que el motor del lado contrario (motor derecho) se desactiva con lo cual el robot girara a derecha entrando de este modo en la línea negra otra vez , para el caso contrario pasa lo mismo pero con el otro motor y sensor.
Información sobre esto es muy abundante en internet , la mayor parte basada en microcontroladores debido a que las nuevas generaciones de electrónicos basan su formación en ellos dejando de lado transistores y circuitos electrónicos digitales TTL o CMOS.
Para este post usaremos la lógica mas simple que podamos mostrar, intentaremos hacer un seguidor de trayectoria utilizando solo un fotoresistor (en Lima Perú se encuentran por S/1 un sol ,más o menos 0.30 centavos de dolar ) un foquito de linterna para mayor simplicidad si no se sabe usar leds , un transistor de potencia con disipador de calor y dos motorcitos (en la "cachina" de Lima se encuentran muchos carritos de juguetes malogrados buenos para este fin ), no olvidar los diodos de protección en reversa para los picos inversos.
En este tipo de diseño una de las ruedas estará accionada siempre mientras que la otra se activará o desactivará de acuerdo a que la LDR (fotoresistencia) no reciba luz o la reciba por reflejo.
Cuando iluminamos la fotorresistencia (LDR) por el reflejo de zona blanca el transistor conduce, accionando el motor de su rueda. En este caso, estarán en funcionamiento los dos motores y pero el motor controlado por el transistor tiene mayor voltaje que el otro y hará un giro en la dirección que se le ha asignado el robot irá en sentido contrario. Un circuito muy sencillo sería este:

Aqui la zona central seria blanca mientras que la de afuera es negra , el motor que tiene solo una pila la lleva hacia el centro mientras que cuando el fotoresistor ve blanco se vá hacia afuera . En el video adjunto la zona central es negra por tanto se debe invertir la conexion del sensor usando una resistencia referida a tierra y tomar el divisor de voltaje . En este proyecto como solo vamos a usar un fotoresistor no podemos usar una linea , el robot deberá distinguir solo blanco o negro es decir deberá ir por los bordes de una superficie cerrada curva cuya parte interior será negra como se verá en el video adjunto si aprecian el movimiento del robot la rueda que está permanente conectada es la derecha intentando llevar al robot hacia la izquierda , pero este motor tiene solo una pila y tiende a llevar al robot hacia la zona negra . Para este diseño el motor izquierdo deberá activarse cuando el fotoresistor "vea" negro y apagarse cuando entre a la zona blanca, pero para salir "con fuerza" de la zona oscura este motor lleva dos pilas que lo hacen salir hacia la izquierda debido a tener el doble de velocidad debido al mayor voltaje de alimentación , al salir y encontrar zona blanca el motor se apaga regresando nuevamente a la zona oscura y "rebotando " nuevamente , como se verá el movimiento es oscilante pero se podria afinar reduciendo la velocidad de este motor . Sin embargo es un circuito bastante sencillo que nos permite entender el principio de los seguidores de luz , en este caso análogos , el prototipo original tiene más o menos esta apariencia :

Un video explicará mas o menos el comportamiento de este ultrasimple robot:

Schmitt trigger con el 555 timer

Este circuito tiene una acción de inversión , tambien se le conoce como disparador de Schmitt. El considerarlo como inversor significa que cuando Vin es BAJO, la salida es ALTA, y cuando Vin es ALTO, la salida es BAJA.
En la configuración Schmitt Trigger se estan usando los dos comparadores internos del 555 , la salida de cada uno de ellos activa la entrada S o R de un flip flop R-S.
La pata 2 es Disparo : Es en esta patilla, donde se establece el inicio del tiempo de salida "1" en la pata 3. Este proceso de disparo ocurre cuando este pin va por debajo del nivel de 1/3 del voltaje de alimentación. Este pulso debe ser de corta duración, pues si se mantiene bajo por mucho tiempo la salida se quedará en alto hasta que la entrada de disparo pase a alto otra vez.
La pata 6 es llamada Umbral : Es una entrada a uno de los comparadores interno que tiene el 555 y se utiliza para poner la salida a nivel bajo. Lo que busca el circuito es "cuadrar" perfectamente un pulso medio triangular como el que dá el cruce de luz por el foto transistor ademas de rechazar los ruidos , aparentemente en tu circuito estas detectando el cambio de nivel en el pulso de luz y eso cambia el estado y dispara el tiristor sin embargo este circuito se usa para convertir señales analogicas en digitales , es su principal uso como se indica en la imagen

Secuenciadores con el Timer 555

Es posible manejar una cadena de tiempos usando el timer 555 en su versión individual , o el 556 que trae dos 555 en una sola cápsula o tambien el 558 que trae 4 en el mismo chip , en el circuito mostrado arriba vamos a dar un delay time , es decir un circuito que active un controlador un tiempo despues de haber sido disparado por medio de la pata 2 , si bien el disparo en este esquema es manual bien puede ser hecho por una barrera de luz o algun tipo de actuador como detector de sonido o de presencia , etc .
Como vemos tenemos 2 monostables independientes , se ha considerado en cada uno , un potenciometro de 1 M para ajustar el tiempo que uno desee , el funcionamiento es sencillo , una vez disparado el primer timer (delay) pasa a ON el tiempo que se ha programado , el led en su salida respectiva indicará su funcionamiento , pero esta salida está al aire para controlar algún dispositivo , terminado este primer tiempo , al caer la salida a tierra es derivada por el circuito R-C de acople al segundo timer y este se activa recien por el tiempo que hayamos programado , la salida en la pata 3 de este segundo timer es la que usaremos para la tarea especificada.
El interruptor de reset que va a ambas patas 4 inhabilita el proceso en el momento en que nosotros deseamos.

Preamplificador para electrec usando Op amp

Podemos darle uso a algún microfono electrec descartado de una grabadora antigua o acaso comprado nuevo , para ello necesitamos un amplificador operacional , recomendable el TL 081 por su entrada de alta impedancia y bajo ruido ; pero el clásico 741 puede funcionar adecuadamente , la resistencia de 10 K en serie con el mic lo polariza y por el condensador 2.2 uF la salida audio se acopla a la etapa amplificadora del op amp , la red divisora compuesta por las dos resistencias de 10 K en la pata 3 crean una tierra virtual al sumar la mitad de la tensión de alimentación , la ganancia o volumen se maneja con el potenciometro de 1 M en el lazo de realimentación . La salida puede excitar adecuadamente cualquier amplicador con lo cual le damos la utilidad que nuestra imaginación decida.