Isolatore audio RTX-PC fotoaccoppiato - IK5NAX

Un isolatore fra RTX e PC per modi digitali con fotoaccoppiatori anziché con trasformatiri

L'idea di base

Radio e computer hanno sempre avuto una relazione di amore-odio. Amore perché credo fermamente che le radiocomunicazioni diventeranno completamente digitali a breve. Ma elettronica dei computer (alte velocità, onde quadre, spike, complessità...) e radioelettronica (segnali deboli, alte potenze, alta amplificazione) si odiano un pochino l'un l'altra. Ad ogni modo devono coesistere per il nostro piacere! Ona dellr più comuni interfacce fra radio e computer è tramite i segnali audio e la connessione diretta porta ai ben noti problemi. Le usuali "interfacce" fra PC e RTX sono fatte con un isolamento galvanico tramite trasformatore. Sul mercato, comunque, sono disponibili isolatori ottici per il condizionamento di segnali di alta qualità che però sono troppo sofisiticati (e costosi) per un segnale audio come quello proveniente da un RTX per le bande amatoriali. Per questo ho deciso di provare a realizzare un isolatore audio ottico basato su componenti a baso costo. L'altro obbiettivo di questo progetto è stato quello di una scheda facilmente adattabile a qualsiasi configurazione di RTX e PC.

Se si prova a pilotare un fotoaccoppiatore con un segnale audio (ovviamente dopo una opportuna polarizzazione) si ottiene un segnale molto distorto sul fotoricevitore; per questa ragione i fotoaccoppiatori sono usati (almeno fin'ora) principalmente per segnalazioni digitali.

Ma dando un'occhiata a moderni fotoaccoppiatori come l' HCNR200 della Avago/Broadcom si vede che nello stesso dispositivo sono stati integrati un diodo emettitore due fotodiodi praticamente identici che ricevono anche la stessa luce dall'emettitore.

È perciò facile immaginare che un fotodiodo possa essere usato per trasferire l'informazione fra le due parti isolate galvanicamente mentre l'altro verrà utilizzato per linearizzare tutti i componenti elettro-ottici. Ecco una descrizione un po' più dettagliata.

Nelle figure [1] e [2] sono riportati due suggerimenti applicativi che è possibile trovare nelle figure 12 e 16 del data-sheet menzionato sopra.

Nella figura [1] si può vedere che l'operazionale U1 lavora in retroazione negativa tramite l'emettitore del fotoaccoppiatore OC1A e il primo fotoricevitore OC1B. Brevemente funziona così: suppponiamo che la tensionsione sul piedino 1 di U1 diminuisca, in questo modo la corrente in OC1A aumenterà. Questo porterà a una emissione luminosa più intensa da parte di OC1A che a sua volta farà scorrere più corrente in in OC1B riducendo così la tensione sul piedino 2 di U1 che è l'ingresso invertente. Ciò comporta una compensazione della supposta dimunuzione della tensione sul piedino 1 dalla quale è partita la nostra analisi. (D'accordo, se gli operazionali sono ideali si dovrebbero descrivere questi meccanismi in maniera leggermente differente ma, per semplicità, basta pensare ad un guadagno differenziale molto elevato).

In questo modo la parte sinistra del circuito è stabile in virtù della reazione negativa. E siccome gli operazionali hanno un guadagno molto elevato il piedino 2 di U1 (ingresso invertente) si trova allo stesso potenziale del piedino 3 (ingresso non invertente), cioè a massa. Pertanto la corrente di ingresso, pari a Vin/R1, scorrerà attraverso OC1B (per definizione gli operazionali non assorbono corrente dai loro ingressi). Ora osserviamo OC1C: siccome riceve la stessa luce di OC1B ed è praticamente identico a OC1B, in OC1C scorrerà anche la stessa corrente di OC1B, cioè ancora Vin/R1. La tensione di uscita, Vout, sarà (come in ogni configurazione invertente di amplificatori ad operazionali) data da Vi/R1*R3. Abbiamo ottenuto un amplificatore isolato che funziona esattamente come un amplificatore non invertente ad operazionali!

Ma siccome non abbiamo bisogno di tutte le caratteristiche di un operaionale in questo circuito, è possibile realizzare le stesse funzioni con due transistor per ogni lato, proprio come nella figura [2]. Questa versione è veloce, precisa, richiede molti pochi componenti ed è anche più economica di una coppia di operazionali.

Per poter utilizzare questo schema di principio c'è bisogno di polarizzare l'ingresso della figura [2] e sovraimporgli il segnale audio, possibilmente regolando il livello del segnale stesso.

Schema completo della scheda

Una scheda completa, in gradi di lavorare con RX e TX, ha bisogno di: due stadii completi come nella figura [2], uno per l'RX e uno per il TX entrambi con le reti di polarizzazione e la regolazione del livello del segnale, una interfaccia per il PTT a alcuni regolatori per l'alimentazione. Come nello schema completo della figura [3].

Qui i transistor da Q1 a Q8 implementano i due schemi di principio della figura [3] utilizzando quattro 4N25 (U1, U2, U3 e U6) come fotoaccoppiatori. Questi fotoaccoppiatori saranno leggermente differenti l'uno dall'altro ma questo comporterà solo una piccola distorsione e quindi non sarà necessario usare un doppioo fotoaccoppiatore costo e più difficile da reperire come l'HCNR200.

La sensibilit&agrae dal lato PC è stata impostata ai livelli standard per le abituali schede audio, mentre dal lato RTX sono presenti due trimmer per regolare i diversi livelli che si possono trovare. Inoltre quando non ci sia bisogno di di cambiare i livelli frequentemente R22 e R32 possono essere eliminati e sostituiti con due resistenze di valore fisso (R19, R22 e R30, R31, rispettivamente) dello stesso valore che si può misurare fra i terminali 2-1 e 2-3 di R22 e R32.

Il controllo del PTT è fatto tramite il segnale RTS di una uart su usb utlizzando un convertitore da USB a UART molto comune, l'FT230X. Lo stesso integrato fornisce l'alimentazione per gli stadii di isolamente dal lato PC. Non dovrebbe essere un problema trovare i driver per PC per questo chip, in ambiente Linux sono nativi.

I moderni RTX accettano un segnale di controllo del PTT di basso livello e, usualmente, un interruttore verso massa in grado di sopportare pochi mA è sufficiente. Pertanto un quinto fotoaccoppiatore (U6 nella figura [3]) è connesso fra RTS e PTT. Nota: un 4N25 non è adatto per il suo basso guadagno, è necessario un H11AG1.

Anche dal lato RTX c'è bisogno di alimentare gli stadii di isolamente: un semplice regolatore lineare fornisce il +5V dall'alimentazione dell'RTX (generalemnte a +12V).

Sono usati tre led, due indicano la presenza dell'alimentazione dal lato PC (giallo) e dal lato RTX (verde) mentre il terzo (rosso) mostra quando il PTT sia attivo.

Realizzazione

È una scheda smd con un solo componnete (U7, l'FT230X) di piccole dimensioni, per il resto sono stati usate resistenze 1206, condensatorei 0805 e diversi transistor in sot23. Gli altri componenti sono più grossi. Una volta che tutti i componenti smd siano stati saldati è possibile montare tutti gli altri componenti non smd, cioè tutti i connettori e i due trimmer.

Il circuito stampato (c..s) visibile in tutte le foto è la v1.0 ed ha dei piccoli errori corretti nella v1.0.1; è possibile scaricare il pdf in formato A4 e i gerber del c.s. v1.0.1,

La scheda è così finita ma un contenitore è raccomandato.

Il c.s. è stato disegnato in modo che possa servire anche da pannello frontale. Un contenitore fresato (in PVC) è stat la scelta per il contenitore; non ci sono disegni meccanici, ma le foto seguenti dovrebbero essere sufficienti. Riferirsi ai disegni del c.s. per la posizione dei fori ed il contorno della scheda.

Uso

Prima di tutto è necessario realizzare dei cavi adatti fra l'optortxis, la scheda audio e l'RTX. Dei semplici e "universali" connettori pin-jack sono stati usati per tutte le connessioni di segnale verso l'optortxiso; dall'altro lato saranno necessari jack da 3.5mm o simili.

Inoltre è necessario prelevare l'alimentazione dell'RTX da applicare al connettore CONN4 della figura [3]) e utilizzare un cavo da USB-A a USB-B per l'alimentazione lato PC e il controllo del PTT.

Si regolano i due trimmer per il minimo (ruotati completamente in senso antiorario) e si accendono RTX e PC con il software abitualmente in uso. La regolazione dei livelli e le configurazioni software del PTT avverranno come fatto precedentemente all'uso della optortxiso, nient'altro. Quando il PTT sarà attivo controllare il led rosso: può essere necessario cambiare l'assegnazione, l'optortxiso utilizza l'RTS.

Commenti, critiche, suggerimenti e auspicabilmente riscontri sono sempre benvenuti!