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 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.
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:
- Aumentar la impedancia del circuito.
- Aumentar el aislamiento de la fuente de alimentación.
La forma 2, aunque es técnicamente posible, implicaría usar transformadores de aislamiento (Para más información, revisar este artículo) o soluciones similares que complicarían el diseño de la fuente. Si el uso de transformadores de aislamiento no es un problema, este puede ser el camino, pero en este artículo se optará por la forma 2.
La forma 1 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.
Incrementando la impedancia del circuito.
Una mejora en el aislamiento, del circuito de la Figura 1, podría lograrse incluyendo una resistencia adicional a la entrada, como se muestra en la siguiente figura:
Si R1 y R3 fueran iguales se tendría el máximo aislamiento del circuito a la vez que aumentamos la impedancia de entrada, pero esta impedancia no puede subir demasiado porque el transistor requiere un cierto nivel de corriente para entrar en saturación. Unos cuantos cientos de Kiloohmios, dependiendo del valor de la carga, podrían ser el límite máximo.
Para mejorar aún la impedancia y tener la facilidad para implementar múltiples comparadores y el detector de tonos DTMF, se hace necesario introducir una etapa lineal de alta impedancia de entrada. Esto lo podemos conseguir con un amplificador diferencial implementado con un amplificador operacional, muy usado en instrumentación:
Esta configuración de amplificador diferencial, que no es más que un restador de voltajes, nos permitirá detectar todas las señalizaciones planteadas inicialmente, incluyendo la detección DTMF.
La ventaja que nos da este circuito es que se presenta como una interfaz de alta impedancia que nos permitirá sensar sin temor el voltaje de salida que es un voltaje proporcional al voltaje de línea.
No se muestra las conexiones a alimentación, pero se puede tener una separación o aislamiento considerable (aproximadamente el equivalente de R1 en paralelo con R3) con respecto a la línea telefónica, debido a que, como estamos usando amplificadores operacionales, podemos tomar valores altos para R1 y R3.
La señal de salida es equivalente a la señal de entrada pero atenuada en un factor que depende de las relaciones R1/R2 y R3/R4.
Del análisis del circuito, podemos deducir que el voltaje de salida es:
Vs = V0 – R2 (V1- V0) /R1
Vs = V0 * (1 + R2/R1) – (V1) R2 /R1 ………………………………. (1)
Donde V1 y V2 son los potenciales de cada hilo de la línea telefónica y V0 es el voltaje del terminal positivo del OPAMP. Por deducción V0 es:
V0 = V2 * R4 / (R3 + R4) ………………………………. (2)
Reemplazando V0 en (1):
Vs = V2 * R4 / (R3 + R4) * (1 + R2/R1) – (V1) R2 /R1 ………………………………. (3)
Por simplificación, haremos R3 = R1, para balancear la entrada, y R4 = R2, para simplificar los cálculos, y así obtendremos:
Vs = V2 * R2 / (R1 + R2) * (1 + R2/R1) – (V1) R2 /R1
Simplificando, obtendemos:
Vs = (R2/R1) (V2 – V1) ………………………………. (4)
Lo que nos dice que el voltaje de la línea aparecerá a la salida, multiplicado por el factor R2/R1.
En la siguiente parte de este episodio, continuaremos con el análisis del amplificador diferencial para adecuarlo a nuestro requerimiento de detección de señalización de la línea telefónica.
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