Audio por optoacoplador 4N35 – Parte 1

En mi experiencia de diseño con audio y control, tuve muchas veces la necesidad de extraer audio de un circuito, pero con niveles altos de aislamiento.

La primera opción que se me ocurrió, como a cualquiera en este mundo electrónico, es usar transformadores de audio, lo que es una solución sencilla y relativamente económica, pero tiene algunos inconvenientes:

• Son voluminosos y pesados. Por más que se usen los más pequeños siempres serán más grandes que los componentes de estado sólido.
• Emiten interferencia magnética y también son sensibles a ella.
• Suelen ser componentes caros, en comparación a los componentes de estado sólido.
• No son fáciles de conseguir por no estar muy bien estandarizados y no son de uso masivo.

Ante este problema, decidí usar elementos de estado sólido. Los primeros candidatos son los optoacopladores, por sus excelentes características de aislamiento. Pero estos optoacopladores no están diseñados para manejar señales analógicas directamente.

Contemplaremos 3 posibles soluciones, todas basadas en el uso de optoacopladores:

1. Usar optoacopladores lineales (linear optocoupler).
2. Usar optoacopladores comunes, digitalizando la señal.
3. Usar optoacopladores comunes, usando señales analógicas comunes.

El uso de optoacopladores lineales o analógicos (como el TIL300) sería la solución más apropiada, para este problema, pero estos componentes no son baratos ni fáciles de conseguir.  No voy a tratar aquí su uso. De cualquier forma si se desea usar estos componentes, se puede echar una mirada a su documentación.

La segunda solución, tal vez la más adecuada para optoacopladores, requiere un complejo proceso de digitalización para manejar el optoacoplador con PWM. Tampoco trataré aquí esta solución pero se puede deducir que involucra una circutería más elaborada que las otras soluciones.

Me centraré en la tercera solución que involucra el uso de un optoacoplador común y silvestre como nuestro viejo amigo, el 4N35. Para ello usaré dos configuraciones. La primera sin realimentación y la segunda con un lazo de realimentación sencillo.

OPCIÓN 1: 4N35 COMO TRANSFORMADOR DE AUDIO

Todos sabemos que el 4N35 no se diseñó para trabajar en región lineal, pero este componente es sencillamente un diodo led y un fototransistor, que no son componenets digitales, pero que tampoco son lineales del todo. Sin embargo sabemos que una respuesta no-lineal tiene tramos en su curva de respuesta que se asemejan bastante a una respuesta lineal.

En la gráfica se muestra la respuesta Corriente diodo – Corriente transsitor del 4N35 y ¡Oh sorpresa!,  es bastante lineal. Prácticamente es un transformador de luz. Esto parece al menos en escala logarítmica, pero como la gráfica es logarítmica en ambos ejes, se deduce que es también lineal en una  escala lineal.

No hay que perder de vista que la linealidad se observa a nivel de corriente y no de voltaje. La otra mala noticia es que esta curva de respuesta no es la misma para todos los optoacopladores. Si bien se mantiene la tendencia lineal, lo cual es bueno, la pendiente de la curva (la ganancia) es variable para diversos optoacopladores. La ganancia en corriente de un optoacoplador es tan variable como el hfe de un transistor y tal vez más. Esto lo sé, tristemente, por diversos ensayos que he realizado.

Simplificando la situacion, nuestro 4N35, se comporta como un excelente tranformador lineal pasivo de corriente, con una relación de tranformación que desconocemos.

De esta conclusión podemos deducir, cómo podríamos implementar una solución para transferir el audio a través del 4N35. Lo más sencillo sería medir la ganancia en corriente del optoacoplador que vamos a usar  y luego diseñar el circuito para trabajar con ese optoacoplador. Lo inverso sería también otra opción: Diseñar el circuito para una ganancia específica, y luego elegir un optoacoplador, de varios, que tengan esa ganancia. Estos métodos funcionan bien si solo vamos a construir unos pocos circuitos, así que hay que tenerlo en cuenta.

Veamos ahora como podríamos implementar la circuitería necesaria:

R2 se ha definido como variable para poder calibrar el punto de trabajo del transistor de salida con diversos optoacopladores.

En el diseño mostrado, se ha usado una fuente de voltaje +V1 para polarizar el diodo con una corriente determinada. La corriente en el diodo de entrada debe fijarse de modo que el voltaje Vo esté cercano al punto medio de +V2 para trabajar en un rango seguro y de máxima excursión simétrica.

Convertir la corriente del transistor de salida es muy sencillo usando simplemente la resistencia R2, así se tendrá en Vo un voltaje proporcional a la corriente del transistor de salida. Sin embargo la conversión de voltaje a corriente en el diodo de entrada, es un poco más complicado. Si modeláramos el diodo de entrada como una fuente de voltaje fija, con una impedancia (Zdiodo) baja , entonces, podríamos asumir que la corriente en el diodo del optoacoplador es proporcional al voltaje de audio.

En este diseño, se ha omitido la resistencia R1, suponiéndola mucho mayor que Zdiodo.

Desgraciádamente el voltaje de la fuente que modela al diodo, no es fija, sino que depende de la corriente que ingrese por el mismo diodo, por lo tanto no es lineal en Vdiodo-Idiodo. Entonces tenemos dos opciones para lograr la linealidad: Vaudio-Idiodo.

La primera opción sería realizar excursiones pequeñas, o dicho de otra forma, manejar señales de audio de bajo voltaje.  En este caso no habría que preocuparse mucho de la región de trabajo del diodo (corriente de polarización), porque a bajos rangos, la respuesta es lineal. Si se usara para niveles de audio mayores, se obtendrá una distorsión inherente a la falta de linealidad.

La otra opción permitirá manejar variaciones mayores de señal, pero requiere que se elija una región de trabajo lineal.

Se podría elegir por ejemplo una corriente de polarización de 20mA, que es bastante lineal en +/-10mA (una corriente de polarización mayor, involucraría un mayor consumo de corriente). Para lograr esta polarización, podríamos usar un R1 de unos 560 ohmios, con un +V1 de 12V.

A esa corriente de polarización, el valor de Zdiodo es la pendiente de la curva en Idiodo = 20mA y  se debe tener en cuenta que la impedancia del optoacoplador cuando esté polarizado será el paralelo de R1 y Zdiodo.

Para regular la corriente de entrada al optoacoplador,  se puede incluir una resistencia adicional «Re» en la entrada del circuito, de esta forma se atenua las variaciones de corriente a la entrada del diodo.

Para separar la componentes continua, de la señal de audio es necesario, usar siempre, un condensador de acople a la entrada del diodo del optoacoplador.

Es recomendable restringir el nivel de señal del audio a usar no solo para evitar saturación o corte en el transistor de salida, sino para asegurar que se trabajará en una zona angosta pero lineal del rango de trabajo del optoacoplador.

Aunque se puede conseguir ajustar fácilmente la zona de trabajo del optoacoplador variando R2, lo que no se puede calibrar es la ganancia del optoacoplador. Por lo tanto esta configuración no nos permitirá fijar el nivel de la señal de audio de salida. Si esta ganancia es crítica, se deberá implementar un proceso de amplificación de la señal a la salida con la posibilidad de calibrar la ganancia de forma manual o automática (CAG).

No he querido incluir los cálculos de los valores para no hacer más larga esta descripción, y porque son cálculos bastante sencillos.

La segunda opción consiste en usar el 4N35 con un circuito de realimentación, pero este tema lo dejo para otro momento. Es todo por ahora.