Compresores ópticos: los optoacopladores

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Hace unas semanas comenté el funcionamiento de los compresores tipo FET. Hoy os voy a presentar a sus parientes lejanos, los compresores ópticos. Dejando a un lado que su circuitería es más o menos parecida o diferente, hay algo que debería quedar claro, y es que ambas topologías de compresores se basan en una circuitería que atenue la tensión de una forma automática, y en ambos casos la circuitería que hace esta atenución se implementa con un divisor de tensión.

A continuación os muestro un esquema de un compresor óptico, en donde he remarcado la parte del circuito que nos interesa comprender.

 

optico

 

 

En este compresor óptico, utilizan optoacopladores de tipo Vactrol, he escogido este compresor, porque el 80% de los compresores ópticos que son paridos hoy en día incluyen como optoacopladores las creadas por Vactrol. En este caso en concreto el optoacoplador es el modelo VTL5C2.

Antes de comenzar a explicar el circuito, me gustaría explicar como funcionan de una forma muy básica estos optoacopladores. El siguiente dibujo muestra un modelo del optoacoplador. Como modelo que es es una simplificación que modeliza la física y la teoría existente detrás de estos bichitos, pero como modelo nos vale para entender como funcionan y en que basan su funcionamiento.

fotocelula1

Facilmente se puede ver que un optoacoplador está constituido internamente de dos elementos: un diodo LED (light emission diode) a la entrada y una fotocelula LDR (light dependent resistor) a la salida. Vamos a comentar por encima que son cada uno de estos elementos

1) LED de entrada: Un LED es un tipo especial de diodo que debido a su física y material, cuando una corriente directa atraviesa al mismo, este comienza a lucir. Dependiendo de la cantidad de corriente que lo atraviese, el LED lucirá más o menos.

A continuación se muestra la función tensión-corriente en el LED.

Sin título

A la vista de la gráfica se puede apreciar que los LEDs tiene un funcionamiento similar a los diodos normales, estableciendose una región de conducción del mismo (directa), para tensiones y corrientes positivas,  y la zona de inversa en donde el diodo no esta polarizado y por tanto no conduce. Es interesante notar que el LED necesita de unas tensiones y corrientes superiores a los clásicos diodos para polarizarse, en el analisis del compresor vamos a ver que implicaciones tiene esto.

2) LDR de salida: Un LDR modela a una resistencia cuyo valor resistivo depende de la luz que incide en el LDR, así de fácil. Se podría hablar de la física de los materiales pero no es ni el momento ni el lugar, bastante carga teórica estamos metiendo ya.

La siguiente gráfica muestra la función de transferencia entrada y salida de una fotocélula (madre de los LDR). Las fotocélulas se pueden ver como generadores de corrientes controlados por luz, ya que aplicando un voltaje en las bornas de la fotocélula a la salida de la misma se puede obtener una corriente que depende del valor resistivo del interior de la fotocélula y cuyo valor resistivo depende de la luz incidente. La luz incidente en la fotocélula es medida en intensidad mediante la unidad del sistema internacional conocida por candela, y en este caso se representa como H. En la función de transferencia mostrada a continuación, se puede ver para diferentes valores de H (intensidad luminosa) que tenemos diferentes rectas. Es fundamental darse cuenta que tensión y corriente se relacionan mediante una recta, es decir se relacionan de una forma lineal, al igual que la ley de Ohm relaciona linealmente a la tensión y a la corriente a través de la resistencia. Si hacemos la derivada de cada una de estas rectas, obtendremos diferentes constantes, estas constantes son exactamente la inversa de valores resistivos que presenta la fotocélula en función de la intensidad luminosa recibida.

fotocelula4

 

Con lo cual, despues de ver el modelo del optoacoplador y ver como funcionan sus componentes que están dentro, estamos preparados para entender como funciona un optoacoplador. Un optoacoplador, como su propio nombre indica acopla de una forma óptica los elementos presentes en su interior, acoplando la entrada y la salida de una forma óptica. Para ello se hace pasar una corriente por el LED de la entrada, el LED de la entrada comienza a lucir y esta luz incide en el LDR, fijando un valor resistivo del LDR en función de la luz incidente emitida por dicho LED. La corriente que atraviese al LED puede ser corriente continua o corriente alterna, independientemete, lo único que tiene que ser es una corriente con el sentido adecuado para polarizar correctamente al LED y tiene que ser un mínimo de corriente para que el LED se pueda polarizar.

Por tanto se puede pensar en el LDR como un potenciometro regulado a partir de la luz incidente en él, luz que por otra parte depende de la corriente que atraviese al LED de entrada. Resumiendo, mediante diferentes corrientes de entrada, podemos obtener diferentes valores resistivos a la salida, con lo cual se puede controlar la resistencia de salida a partir de la corriente de entrada, como si de un potenciometro accionado en todo momento por una persona estuviese variando sus valores. La ventaja es que esto se puede hacer de una forma automática, y es aquí donde está el quid de la cuestión, haciendo circular la corriente que proviene del circuito de detección del compresor por el diodo LED, estaremos variando de forma automática el valor resistivo existente entre las bornas de salida, según los ajustes del side chain. El último paso es encontrar alguna circuitería analógica en donde la variación de una resistencia sirva para controlar una tensión. Circuitos de este tipo hay muchos, pero quizás el más sencillo y el más usado, aunque si bien no es el más ortodoxo, es el del divisor de tensión.

En la siguiente gráfica se muestra el valor resistivo entre las bornas de salida en función de la corriente que circula por el LED.

 

fotocelula5

 

 

En las siguientes gráficas se puede ver un sistema basado en divisor de tensión, en donde la tensión de salida depende de la corriente que circula por el LEDfotocelula7 fotocelula6

 

Una vez visto el sistema más básico de un optoacoplador vamos a hacer un pequeño análisis de la circuitería para poder entender como se implementa la función de control automática de ganancia usando un optoacoplador. El análisis va a ser muy cortito, puesto que ya está casi todo dicho, lo único quizás, verlo todo implementado en un circuito, para ver como funciona.

 

Al igual que hemos hecho antes vamos a dividir la circuitería en dos partes, en función de las diferentes partes del optoacoplador. Quizás lo más facil es empezar por el LDR y seguir con el LED.

1) LDR: En la parte de la circuitería del compresor asociada al LDR, el único elemento interesante es R31, ya que R31, junto al LDR del optoacoplador conforman el divisor de tensión. Recordamos en este punto que el LDR es una resistencia de valor variable cuyo valor depende de la luz emitida por el LED. Es decir el divisor de tensión, atenuará la señal de entrada según le indique el LED, por lo tanto es una salida variable, en donde la atenuación para cada instante de tiempo depende del valor de la resistencia del LDR y por tanto de la intensidad luminosa del LED.

 

2) LED: La circuitería del LED tiene un poco más de enjundia. En esta parte de la circuitería, se ha prescindido de todo el análisis del side chain, ya que al fín y al cabo, es un circuito de detección común. Sin embargo la última etapa, de la circuitería del side chain es quizás la más interesante, ya que nos desvela algunas de las ideas expuestas en la parte teórica. Para ello vamos a ver la  circuitería asociada al operacional A4D y al transistor Q4.

El operacional A4D posee un lazo de realimentación negativa conformado por el diodo D24 en paralelo con la unión PN de Q4, más la resistencia R52. En esta parte de la circuitería se produce una rectificación de onda debido a que el LED solo se puede polarizar con corriente directa. Independientemente del resto de conformación de onda que se haya realizado anteriormente en la circuitería del side chain, en esta parte de la circuitería, nos aseguramos que la corriente de control del side chain sobre el LED es una corriente directa.

El transistor Q4 es un transistor PNP, en donde la malla de salida está implementada por R54, la unión emisor-colector del transistor y el LED. El transistor está también realimentado negativamente ya que parte de la corriente del emisor circula por R52, inyectandose de nuevo en la entrada negativa de A4D y estabilizando de esta forma el operacional y por tanto su salida, la cual es posteriormente inyectada en el transistor. Según la malla de salida, vemos que el convencionalismo de como discurre la corriente, es de potenciales mayores a potenciales menores, por tanto la corriente circulará desde la conexián a masa hasta el LED de una forma directa para el LED.

La existencia del transistor Q4 en este circuito es vital. Los amplificadores operacionales, no son capaces de entregar mucha corriente a su salida. Como el LED demanda mucha corriente se debe incluir un componente que excite (amplifique) la corriente para poder polarizar correctamente al LED. Viendo la malla de salida de Q4 se puede observar que toda la corriente amplificada que circula por la malla de salida de Q4 atraviesa directamente al LED, haciendo que este varie la luz generada, en función de las variaciones impuestas por el side chain.

Acabamos de ver como la señal que proviene del side chain, actúa sobre el LED, el cual a su vez fija diferentes valores resistivos del LDR en función de las variaciones que experimente el LED. Hemos creado un circuito muy simple de control automático de atenuación

 

A continuación y para terminar esta entrada al blog, os dejo un documento acerca de toda la teoría que subyace detrás de estas pequeñas cajitas mágicas. Espero que os hayais entretenido con esta penúltima entrada y solo comentar que la última entrada que nos queda a las diferentes topologías de compresores será para los VCAs. Pero esto ya otro día.

 

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3 Comentarios

  1. Joder Fou,como te las gastas.
    He logrado enterarme de algo,del sistema básico,pero voy a tener que volver mas adelante cuando esté un poco mas espabilado en vocabulario electrónico.

    Merci por el artículo !

  2. Fourier, y con lo que sabes… ¿no te atreves a meterle mano a los cacharros para arreglarlos y tal?

    Aunque seguramente no tenga mucha relación, siempre me ha simpatizado el sistema optoacoplador (emitir y leer la luz) es como que de alguna manera “musicaliza” el resto del circuito electrónico…. no se, manías mias…

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