Extracción de señalización de una línea telefónica analógica – Parte 1

El funcionamiento de las líneas analógicas se describió en un artículo anterior. En este artículo mostraremos una forma de extraer la información de señalización de una línea telefónica analógica, mediante un circuito que se conecte en paralelo a la línea sin interferir con su funcionamiento normal.

La señalización que se puede extraer de una línea consiste en:

• Detección de línea activa.
• Polaridad.
• Descolgado
• Timbrado.
• Señal de marcación.

También se puede extraer la información de voz de la línea, pero el método es similar al de la extracción de la señal de marcación por tonos DTMF, por lo que no se tratará en este circuito, pero una vez entendido el funcionamiento, se podrá implementar de forma sencilla.

En el presente circuito no implementaremos la detección del Timbrado (ni del cambio de polaridad) pero es también fácil de detectar con un simple rectificador, filtro y comparador para convertir la AC a una señal DC que pueda ser fácilmente comparable.

La extracción de la señalización de polaridad, de descolgado y de tonos DTMF, se puede también obtener con un circuito ya descrito anteriormente, pero, a diferencia de ese circuito, este no se conecta en serie con la línea telefónica sino en paralelo. Esta forma de conexión nos da la ventaja de poder detectar, además, el nivel de voltaje que existe en la línea, de modo que se puede detectar también si la línea se encuentra activa, sin necesidad de descolgar el aparato telefónico, verificando el voltaje existente.

Al igual que el circuito anterior DMTF4, este circuito tendrá también un alto nivel de aislamiento con la línea telefónica, de modo que su funcionamiento será silencioso y con un consumo de corriente despreciable, ya que usaremos circuitos de alta impedancia de entrada.

Estrategia de detección

La técnica que se usará en este circuito será leer el voltaje de la línea y usar simples comparadores para detectar las señales que dependen de nivel (como la polaridad, línea activa y descolgado), mientras que se usará un detector de DTMF para extraer los dígitos marcados.

El primer problema al que nos enfrentamos es que se debe implementar un circuito de alto aislamiento, es decir, y con una alta impedancia de entrada.

Si no nos importara el aislamiento del circuito, podríamos usar un simple divisor de voltaje con un comparador, como el que se muestra a continuación:

Este circuito funciona bastante bien como comparador de voltaje (aunque sin la precisión de un comparador con OPAMP), alimentando la carga cuando el voltaje de la línea supera un cierto valor. Una limitación es que el circuito trabaja con una sola polaridad, pero podríamos solucionar fácilmente el problema posteriormente con un puente de diodos.

Sin embargo, su aislamiento es muy malo, porque conecta directamente la fuente de alimentación del circuito con la línea telefónica, lo cual no sería gran problema si es que vamos a alimentar a nuestro circuito con baterías. Pero si lo alimentamos con una fuente de alimentación conectada a la línea eléctrica de 220VAC o 110VAC, sin buen aislamiento, estaríamos introduciendo un rizado molesto que podría ser notado en una posible conversación telefónica.

Para entender este problema, consideremos el siguiente diagrama:

En este diagrama hemos modelado la parte eléctrica de la línea telefónica como una carga desbalanceada con conexión capacitiva a tierra. La situación no cambia si la impedancia de la línea fuera balanceada.

El equipo conectado a la línea telefónica se ha modelado como una simple resistencia o impedancia resultante.

Si el aislamiento de la fuente de alimentación del circuito es pobre, el ruido introducido a la línea, por efecto de la resistencia interna, puede ser considerable, porque se estaría introduciendo un rizado de 60Hz a R.

Sin modificar las características de la línea telefónica, existen 2 formas de evitar esta interferencia:

1. Aumentar el aislamiento de la fuente de alimentación.
2. Aumentar la impedancia de entrada del equipo.

La forma 1, implica usar transformadores de aislamiento (Para más información, revisar este artículo) o soluciones similares. Si el uso de transformadores de aislamiento no presenta un problema, este puede ser el camino. Se discutirá un circuito de este tipo pero no es una solución recomendable.

La forma 2 tiene la ventaja de que no requiere una fuente de alimentación especial, pero por otro lado, puede generar una tensión considerable en el circuito, por lo que el diseño debe considerar ese requerimiento.

Circuito con alto aislamiento de la fuente de alimentación

La estrategia de este circuito consiste en romper el circuito, que introduce interferencia a la línea telefónica, por el lado del transformador de la fuente de alimentación.

De esta forma no tendremos que preocuparnos por la resistencia interna del circuito (Equipo), o por su impedancia (Excepto por el hecho de que el circuito debe consumir una corriente mínima de la línea).

Como ya se ha mencionado, el problema de introducir rizado de 60Hz, a la línea telefónica, desaparecería si se usara un equipo alimentado completamente por baterías.

El primer circuito, al que llamaremos GLT2, implementará un sensor de línea que se conectará en paralelo para obtener la señalización.

La clave del buen funcionamiento de este equipo está en el nivel de aislamiento y ello depende de los transformadores. Por lo tanto deben elegirse transformadores con la mayor separación entre los bobinados.

Viendo la conexión global del circuito con el exterior, veríamos algo como se muestra en la figura:

Las únicas dos fuentes de interferencia son la línea de alimentación y el equipo de audio que son los puntos de conexión críticos.

Si ambos transformadores logran un buen efecto de separación, entonces la línea telefónica estará conectada solamente a una parte conductora y el riesgo de interferencia es mínimo [1. Aunque los transformadores lograsen un aislamiento perfecto, siempre se tendrá algo de interferencia por efecto de antena, es decir, como un cable de cierta longitud conectado aisladamente a la línea telefónica. Por lo tanto, conviene de todas formas que la distancia del cable que une la línea telefónica al circuito sea lo más corto posible.]. También el aislamiento debe hacerse con respecto al chasis del equipo, que es metálico (aunque convendría que sea de madera o plástico), que puede convertirse en una fuente potencial de conexión a alguna referencia externa.

Parte de la fuente de alimentación estará incluida dentro de la misma placa impresa. A partir del puente de diodos, por un lado para hacer más compacto el circuito y por otro para separar mejor las partes que deben estar aisladas en una sola placa.

El puente de diodos a la entrada permitirá trabajar con la línea telefónica sin preocuparnos de la polaridad de modo que se simplifica la circuitería. Así resulta más fácil la detección de los niveles, pero se pierde la posibilidad de detectar los cambios de polaridad de la línea (y por lo tanto la señal de llamada contestada), pero el objetivo principal del este diseño es detectar la línea activa, el descolgado y extraer el audio de los tonos DTMF.

Desgraciadamente los diodos no son buenos conductores cuando manejan corriente bajas. Precisamente la corriente que absorbe de la línea es de aprox. 150 microamperios. A este nivel, los diodos no son buenos conductores, y aíslan de cierta forma a ambas partes del circuito (la que se encuentra antes del puente y después del puente), originando que el punto de entrada, justo después del puente, se encuentre casi «al aire», por lo tanto el sistema se vuelve un poco inestable, por ello se filtra el ruido con el condensador C6, que contribuye a disminuir la reactancia capacitiva [1. Esto tiene como consecuencia que al momento de conectar ambos hilos de la línea al equipo se origine un chasquido, en el aparato telefónico como indicador de que se está tomando algo de corriente (o señal) en paralelo con la línea.] de la entrada, aunque no en demasía.

Si no se usara el puente de diodos, probablemente tampoco sería necesario el C6, pero se perdería también la libertad de conectar la línea en cualquier sentido. Otro efecto del puente de diodos es que produce una caída de voltaje de 1.4 voltios (los dos diodos en serie), que aunque no es importante, cuando la línea está a 50 voltios, si resulta perjudicial cuando se trata de detectar la condición de línea desconectada.

Otro temor es  que la no-linealidad de los diodos a bajas corrientes, pueda originar distorsión armónica en la señal de audio. Considerando la condición de conducción del puente, es conveniente que la impedancia de entrada del circuito no sea tan alta, para tener a los diodos conduciendo con mayor fuerza, por otro lado por cuestiones de requerimientos, se debe tener una impedancia muy alta para evitar detección del circuito. El punto elegido es el  compromiso que he asumido entre estos opuestos.

Posteriormente se tratará de aumentar esta impedancia, salvando el problema de los diodos, o eliminándolos. Aunque pudiera parecer que el puente no debería ser un problema, realmente fue el elemento más crítico y desgraciadamente no existe mucha variedad en cuanto a este tipo de componente, porque en el fondo son solo elementos rectificadores que se suponen van a manejar varios miliamperios.

El filtrado en la alimentación es simple, C1 y C2 logran suficiente aplanamiento de la onda. R1 y C2 vendrían a conformar el filtro pasa-bajos. R1 resulta crítico, aunque no lo parezca y la caída que origina es despreciable (0.4 voltios aproximadamente). La fuente no necesita ser regulada, pues el circuito toma como voltaje de referencia al de conducción de la unión base-emisor para hacer sus comparaciones.

La parte que extrae el sonido es el separador de audio una configuración de amplificador inversor con una impedancia de entrada de 1M. C3 es sólo de acople y no constituye ningún filtro. La reactancia capacitiva que introduce esta etapa no es significativa y su efecto  es despreciable comparado con el que introduce C6. La polarización es también usual con un divisor para obtener el voltaje de referencia Vcc/2, necesario para hacer funcionar al operacional con fuente única. Este divisor de «tierra artificial», lo constituyen R4 y R5 y tienen un valor sospechosamente bajo (deberían ser más elevados para reducir el consumo). La razón de tal peculiaridad es porque esta referencia será también usada por otra etapa. Por ello es también conveniente el filtro C4 para hacer más estable el potencial.            

La salida se acopla a través de C5 con el transformador de aislamiento de salida [2. Como tuve problemas para conseguir un transformador de audio con buenas características de aislamiento, he tomado uno de un equipo antiguo.] y C5 si constituye un polo significativo del filtro pasa altos. La respuesta del acople directo por transformador parece tener una curva acentuada en graves, entonces hacía falta conformar el audio, sobre todo porque la diferencia de niveles entre el hablante local y el lejano es más acentuada a bajas frecuencias.

La etapa detectora de descolgado es típica para este tipo de circuitos (y algunos circuitos baratos sólo incluyen esta etapa). El divisor principal lo constituyen R6 y R7 y han sido calculado para activar a Q1 en 20 voltios, y no depende del voltaje de alimentación sino tan sólo del voltaje de activación base-emisor [3. Que se puede considerar como 0.6 o 0.7, para el Silicio, pero para hacer un cálculo más preciso debería tenerse en cuenta la curva del fabricante. Debe  considerase la corriente que debe conducir por el colector para activar a las demás etapas, el  h_fe (también de las curvas) nos da la corriente de base necesaria y a partir de allí en la gráfica Vbe vs Ib obtenemos el voltaje exacto de activación. Aunque considerando la configuración podría ser más provechoso trabajarlo en términos de corrientes y reemplazar el divisor de la base por su equivalente de Thevenin, pero el cálculo se hace más pesado.] y es bastante estable en temperatura. El cálculo es simple, se supone que la saturación se cumple cuando V_be de Q1 es 0.65 voltios y se aplica la proporción del divisor de manera inversa. Así en este circuito se tiene .65*(1M+33K)/33K.

El siguiente bloque con Q2 sirve para amplificar el cambio de corte a saturación producido por Q1, y hacer la transición más brusca, a la vez que amplifica la corriente de salida (Q1 directamente no podría disparar el relé).  Por lo tanto, son transistores de ganancia media (BC549 con 260 de h_fe típico) a la vez que pueden manejar sin problemas al relé.

R8 es también importante y su valor debe ser más o menos alto para garantizar la saturación. Posteriormente se encuentra el sistema de retardo constituido por C7 y R9 como elemento de almacenaje.  El periodo de retardo está en aprox. 0.5 segundos. Q2 activa el relé de conmutación principal del cual sólo se usa el interruptor normalmente abierto para activar la salida de 220V. Esta salida también se puede activar con un interruptor de Activado/Desactivado que se incluirá en el panel principal. El relé usado es de 5 amperios, suficiente para la mayoría de aplicaciones y está acompañado de su inseparable diodo de protección 1N4007 con un voltaje inverso máximo de 1000V. El relé consume 30 mA, y aunque es un valor pequeño, podría causar  un rizado en la alimentación si se le tomara directamente de ella. Para evitar el  efecto, y puesto que no se requiere un voltaje muy estable para activar la bobina, la alimentación del relé se toma directamente de la salida del puente. De esa forma no interviene con la calidad de la alimentación de la etapa de audio, que es la más sensible.

La otra etapa se trata del detector de línea. Es un simple detector de voltaje, que a partir de cierto nivel se activa. Inicialmente tenía un divisor similar al bloque detector de descolgado, pero como se requería un nivel bajo de activación [1. En realidad el nivel de activación no debería ser tan bajo porque como la entrada es de alta impedancia, es fácil que  se produzcan ruidos de suficiente amplitud cuando se toca con la mano la entrada o se conecta un terminal de la entrada a cualquier fuente de interferencia, produciendo un mensaje falso. Los ruidos de  60Hz y los de alta frecuencia son los más perjudiciales.] se redujo a una sola resistencia. Aquí más que nunca R11 es crítico por dos razones, una de ellas es asegurar la saturación a niveles de voltaje bajos y la otra tiene que ver con la activación del oscilador que será descrita líneas adelante. A primera vista podría parecer que la activación se produce cuando se supera los 0.7 voltios (unión base emisor de Q3), pero  no hay que olvidar los diodos en serie del puente P2, que le da un voltaje de activación de casi 2 voltios, lo suficiente bajo como para no activarse con los niveles más bajos [1. En las primeras pruebas tome niveles de voltaje de 5 o 6 voltios pero la voz al modular la línea llegaba fácilmente a estos niveles bajos, entonces se producía un efecto de «desactivación por voz», aún con el filtro de retardo funcionando.] de la voz en la línea (Ver este artículo anterior). Si la entrada está conectada a una línea activa, entonces permanecerá activado, con Q3 saturado. Cuando se detecta que no existe voltaje en la entrada (que puede deberse a que la entrada no se encuentra conectada o que la línea no está activa), entonces se producen dos acciones, la primera es la que evita que el relé se dispare (como lo haría normalmente el circuito de descolgado), y la otra es producir una indicación luminosa con un LED parpadeante. La primera acción se logra fijando el colector de Q1 a tierra (como si estuviera saturado) a través de Q4, que conforma una lógica con Q1 a modo de AND. La otra acción la logra activando un oscilador que se forma tomando el otro operacional del TL082.

La configuración del oscilador no es difícil de entender, pues es una configuración conocida en donde la frecuencia la determinan C8 y R15. Lo que si probablemente puede desconcertar es la forma como se activa. Primeramente debe recordarse que la alimentación  en este caso no es simétrica, así que se requiere una «tierra artificial», que estaría normalmente conectada a dos puntos: Uno de ellos es el punto marcado como A en el diagrama principal (y está realmente conectado a una tierra artificial), que está conectado al divisor R4 y R5, de esa forma aprovechamos un punto de referencia. El otro punto es un extremo de R13, que los usamos como entrada de activación. Y para activar el oscilador  se toma el efecto de la salida de Q3 cuando esta en corte: R11 y R12 forman una red divisora de casi 1:1 despreciando V_be de Q4. Cuando Q3 está en corte, se puede considerar que su voltaje de colector es la mitad de la alimentación, entonces el oscilador funcionará como si estuviera polarizado adecuadamente. Cuando Q3 entra en saturación entonces este voltaje cae a casi cero, por lo tanto la polarización del oscilador será incorrecta y cesará la oscilación. Esta conexión, un tanto enrevesada, permite ahorrar componentes, aunque desde luego, pudo haberse hecho más claro si se hubieran usados las etapas reglamentarias.

De la configuración y la polarización se deduce que este oscilador no es sensible a la alimentación pues para todo punto de referencia se está tomando la mitad de la alimentación que se mantiene siempre en proporción aunque esta cambie.

Un efecto curioso es que, como la señal de activación del oscilador se toma directamente de Q3 (que no está muy separado de la entrada), el comportamiento del parpadeo del LED es más o menos analógico, es decir, de cambio suave y no brusco. En otras palabras, lo que puede percibirse es que conforme el voltaje cae, el parpadeo se hace más lento hasta que desaparece, de manera paulatina.