Línea equilibrada

En telecomunicaciones y audio profesional, una línea balanceada o par de señal balanceada es un circuito que consta de dos conductores del mismo tipo, ambos con impedancias iguales a lo largo de sus longitudes e impedancias iguales a tierra y a otros circuitos. La principal ventaja del formato de línea balanceada es el buen rechazo del ruido de modo común y la interferencia cuando se alimenta a un dispositivo diferencial como un transformador o un amplificador diferencial.

Como prevalece en la grabación y reproducción de sonido, las líneas balanceadas se conocen como audio balanceado.

Las formas comunes de línea balanceada son las de dos conductores, que se usan para señales de radiofrecuencia, y las de par trenzado, que se usan para frecuencias más bajas. Deben contrastarse con las líneas no balanceadas, como el cable coaxial, que está diseñado para tener su conductor de retorno conectado a tierra, o los circuitos cuyo conductor de retorno es realmente tierra (ver telégrafo de retorno a tierra). Los circuitos balanceados y no balanceados se pueden interconectar usando un dispositivo llamado balun.

Los circuitos que impulsan líneas balanceadas deben estar balanceados para mantener los beneficios del balance. Esto se puede lograr mediante el acoplamiento del transformador (bobinas repetidas) o simplemente equilibrando la impedancia en cada conductor.

Las líneas que transportan señales simétricas (aquellas con amplitudes iguales pero polaridades opuestas en cada tramo) a menudo se denominan incorrectamente "equilibradas", pero en realidad se trata de señalización diferencial. Las líneas balanceadas y la señalización diferencial a menudo se usan juntas, pero no son lo mismo. La señalización diferencial no hace que una línea sea balanceada, ni el rechazo de ruido en cables balanceados requiere señalización diferencial.

Explicación

Fig. 1. Línea equilibrada en formato par retorcido. Esta línea se utiliza con circuitos de 2 hilos.

Fig. 2. Línea equilibrada en formato de quad estrella. Esta línea se utiliza con circuitos de 4 hilos o dos circuitos de 2 hilos. También se utiliza con señales de micrófono en audio profesional.

Fig. 3. Línea equilibrada en formato DM quad. Esta línea se utiliza con circuitos de 4 hilos o dos circuitos de 2 hilos.

Fig. 4. Línea equilibrada en formato doble de plomo. Esta línea está destinada al uso con circuitos RF, especialmente antenas.

La transmisión de una señal a través de una línea balanceada reduce la influencia del ruido o la interferencia debida a campos eléctricos dispersos externos. Cualquier fuente de señal externa tiende a inducir solo una señal de modo común en la línea, y las impedancias balanceadas a tierra minimizan la captación diferencial debido a campos eléctricos dispersos. A veces, los conductores se trenzan entre sí para garantizar que cada conductor esté igualmente expuesto a cualquier campo magnético externo que pueda inducir ruido no deseado.

Algunas líneas balanceadas también tienen protección electrostática para reducir la cantidad de ruido introducido. El cable suele estar envuelto en papel de aluminio, alambre de cobre o una trenza de cobre. Este blindaje brinda inmunidad a la interferencia de RF pero no brinda inmunidad a los campos magnéticos.

Algunas líneas balanceadas usan cable cuádruple en estrella de 4 conductores para proporcionar inmunidad a los campos magnéticos. La geometría del cable asegura que los campos magnéticos causen la misma interferencia en ambas patas del circuito balanceado. Esta interferencia balanceada es una señal de modo común que puede eliminarse fácilmente mediante un transformador o un receptor diferencial balanceado.

Una línea balanceada permite que un receptor diferencial reduzca el ruido en una conexión al rechazar la interferencia de modo común. Las líneas tienen la misma impedancia a tierra, por lo que los campos o corrientes que interfieren inducen el mismo voltaje en ambos cables. Dado que el receptor responde solo a la diferencia entre los cables, no se ve afectado por el voltaje de ruido inducido. Si se utiliza una línea balanceada en un circuito no balanceado, con diferentes impedancias de cada conductor a tierra, las corrientes inducidas en los conductores separados causarán diferentes caídas de voltaje a tierra, creando así un diferencial de voltaje, haciendo que la línea sea más susceptible al ruido. Ejemplos de pares trenzados incluyen cable de categoría 5.

En comparación con las líneas no balanceadas, las líneas balanceadas reducen la cantidad de ruido por distancia, lo que permite que una extensión de cable más larga sea práctica. Esto se debe a que la interferencia electromagnética afectará a ambas señales de la misma manera. Las similitudes entre las dos señales se eliminan automáticamente al final de la ruta de transmisión cuando se resta una señal de la otra.

Sistemas telefónicos

La primera aplicación para líneas balanceadas fue para líneas telefónicas. La interferencia que tenía poca importancia en un sistema de telégrafo (que es en esencia digital) podría ser muy perturbadora para un usuario de teléfono. El formato inicial era tomar dos líneas telegráficas no balanceadas de un solo hilo y usarlas como un par. Sin embargo, esto resultó insuficiente con el crecimiento de la transmisión de energía eléctrica que tendía a utilizar las mismas rutas. Una línea telefónica que corre a lo largo de una línea eléctrica durante muchas millas inevitablemente tendrá más interferencias inducidas en un tramo que en el otro, ya que uno de ellos estará más cerca de la línea eléctrica. Este problema se solucionó intercambiando las posiciones de las dos piernas cada pocos cientos de yardas con un cruce, asegurando así que ambas piernas tuvieran la misma interferencia inducida y permitiendo que el rechazo de modo común hiciera su trabajo. A medida que crecía el sistema telefónico, se hizo preferible usar cable en lugar de cables abiertos para ahorrar espacio y también para evitar un rendimiento deficiente durante el mal tiempo. La construcción del cable utilizado para los cables telefónicos balanceados fue de par trenzado; sin embargo, esto no se generalizó hasta que estuvieron disponibles los amplificadores repetidores. Para una línea telefónica no amplificada, un cable de par trenzado solo podría manejar una distancia máxima de 30 km. Los cables abiertos, por otro lado, con su menor capacitancia, se habían usado para distancias enormes; la más larga fue la de 1500 km de Nueva York a Chicago construida en 1893. Se usaron bobinas de carga para mejorar la distancia alcanzable con el cable, pero el problema era finalmente no se superó hasta que comenzaron a instalarse amplificadores en 1912. Las líneas balanceadas de par trenzado todavía se usan ampliamente para bucles locales, las líneas que conectan las instalaciones de cada suscriptor con su respectiva central.

Las líneas telefónicas troncales, y especialmente los sistemas portadores de multiplexación por división de frecuencia, suelen ser circuitos de 4 hilos en lugar de circuitos de 2 hilos (o al menos lo eran antes de que la fibra óptica se generalizara) y requieren un tipo diferente de cable. Este formato requiere que los conductores estén dispuestos en dos pares, un par para la señal de envío (ir) y el otro para la señal de retorno. La mayor fuente de interferencia en este tipo de transmisión suele ser la diafonía entre los propios circuitos de ida y vuelta. El formato de cable más común es el cuádruple en estrella, donde los conductores diagonalmente opuestos forman los pares. Esta geometría proporciona el máximo rechazo de modo común entre los dos pares. Un formato alternativo es el quad DM (Dieselhorst-Martin) que consta de dos pares trenzados con la torsión en diferentes pasos.

Sistemas de audio

Fig. 5. Los micrófonos conectados al cable de quad estrella se unen a los conductores diametralmente opuestos para mantener el equilibrio. Esto es diferente del uso en circuitos de 4 hilos. Los colores de este diagrama corresponden a la coloración de la figura 2.

Un ejemplo de líneas balanceadas es la conexión de micrófonos a un mezclador en sistemas profesionales. Clásicamente, tanto los micrófonos dinámicos como los de condensador usaban transformadores para proporcionar una señal de modo diferencial. Si bien los transformadores todavía se usan en la gran mayoría de los micrófonos dinámicos modernos, es más probable que los micrófonos de condensador más recientes usen circuitos de accionamiento electrónico. Cada pata, independientemente de cualquier señal, debe tener una impedancia idéntica a tierra. El cable de par (o un derivado de par, como el cuádruple en estrella) se usa para mantener las impedancias balanceadas y la torsión cercana de los núcleos asegura que cualquier interferencia sea común a ambos conductores. Siempre que el extremo receptor (normalmente una mesa de mezclas) no perturbe el equilibrio de la línea y sea capaz de ignorar las señales de modo común (ruido) y pueda extraer las diferenciales, el sistema tendrá una excelente inmunidad a la interferencia inducida.

Las fuentes de audio profesionales típicas, como los micrófonos, tienen conectores XLR de tres pines. Uno se conecta a la tierra del blindaje o del chasis, mientras que los otros dos son para los conductores de señal. Los cables de señal pueden transportar dos copias de la misma señal con polaridad opuesta (señalización diferencial), pero no es necesario que lo hagan. A menudo se denominan "calientes" y "frío," y el estándar AES14-1992 (r2004) [y el estándar EIA RS-297-A] sugieren que el pin que lleva la señal positiva que resulta de una presión de aire positiva en un transductor se considerará "caliente". El pin 2 ha sido designado como 'caliente' pin, y esa designación es útil para mantener una polaridad constante en el resto del sistema. Dado que estos conductores recorren el mismo camino desde el origen hasta el destino, se supone que cualquier interferencia se induce en ambos conductores por igual. El electrodoméstico que recibe las señales compara la diferencia entre las dos señales (a menudo sin tener en cuenta la tierra eléctrica), lo que permite que el electrodoméstico ignore cualquier ruido eléctrico inducido. Cualquier ruido inducido estaría presente en cantidades iguales y con la misma polaridad en cada uno de los conductores de la señal balanceada, por lo que la diferencia entre las dos señales no cambiaría. El rechazo exitoso del ruido inducido de la señal deseada depende en parte de que los conductores de la señal balanceada reciban la misma cantidad y tipo de interferencia. Por lo general, esto conduce a cables retorcidos, trenzados o con cubierta conjunta para su uso en la transmisión de señales balanceadas.

Equilibrada y diferencial

Muchas explicaciones de las líneas balanceadas asumen señales simétricas (es decir, señales de igual magnitud pero de polaridad opuesta), pero esto puede llevar a la confusión de los dos conceptos: la simetría de la señal y las líneas balanceadas son bastante independientes entre sí. Esencial en una línea balanceada son impedancias idénticas en los dos conductores en el controlador, la línea y el receptor (balanceo de impedancia). Estas condiciones aseguran que el ruido externo afecte a cada tramo de la línea por igual y, por lo tanto, aparezca como una señal de modo común que es rechazada por el receptor. Hay circuitos de excitación equilibrados que tienen un excelente equilibrio de impedancia de modo común entre las patas pero no proporcionan señales simétricas. Las señales diferenciales simétricas tienen que ver con el headroom y no son necesarias para el rechazo de interferencias.

Balunes

Interconectar líneas balanceadas y no balanceadas requiere un balun. Por ejemplo, los balunes se pueden usar para enviar señales de audio de nivel de línea o E-carrier de nivel 1 a través de un cable coaxial (que no está balanceado) a través de 300 pies (91 m) de cable balanceado de categoría 5 usando un par de balunes en cada extremo del cable. Carrera CAT5. A medida que la señal viaja a través de la línea balanceada, se induce ruido y se agrega a la señal. Como la línea CAT5 tiene una impedancia cuidadosamente balanceada, el ruido induce voltajes iguales (modo común) en ambos conductores. En el extremo receptor, el balun responde solo a la diferencia de voltaje entre los dos conductores, rechazando así el ruido captado en el camino y dejando intacta la señal original.

Una vez que una aplicación común de un balun de radiofrecuencia se encontró en las terminales de antena de un receptor de televisión. Por lo general, una entrada de antena de doble cable balanceada de 300 ohmios solo se puede conectar a un cable coaxial de un sistema de televisión por cable a través de un balun.

Impedancia característica

La impedancia característica Z0{displaystyle Z_{0} de una línea de transmisión es un parámetro importante en frecuencias más altas de operación. Para una línea de transmisión paralela de 2 hilos,

Z0=1π π μ μ ε ε In⁡ ⁡ ()lR+()lR)2− − 1),{displaystyle Z_{0}={frac {1}{pi} }{sqrt {frac # }{epsilon }ln left({frac {I}{ ¿Qué?

Donde l{displaystyle l} es la mitad de la distancia entre los centros de alambre, R{displaystyle R. es el radio de alambre y μ μ {displaystyle mu }, ε ε {displaystyle epsilon } son respectivamente la permeabilidad y la permeabilidad del medio circundante. Una aproximación comúnmente utilizada que es válida cuando la separación de alambre es mucho mayor que el radio de alambre y en ausencia de materiales magnéticos es

Z0=120ε ε rIn⁡ ⁡ ()2lR),{displaystyle ¿Qué?

Donde ε ε r{displaystyle epsilon _{r} es la relativa autorización del medio circundante.

Líneas eléctricas

En la transmisión de energía eléctrica, los tres conductores utilizados para la transmisión de energía trifásica se conocen como una línea balanceada ya que la suma instantánea de los tres voltajes de línea es nominalmente cero. Sin embargo, equilibrio en este campo se refiere a la simetría de la fuente y la carga: no tiene nada que ver con el equilibrio de impedancia de la línea en sí, el sentido del significado en telecomunicaciones.

Para la transmisión de energía eléctrica monofásica como la que se usa para los sistemas de electrificación ferroviaria, se usan dos conductores para transportar voltajes en fase y fuera de fase de modo que la línea esté balanceada.

Las líneas HVDC bipolares en las que cada polo funciona con el mismo voltaje hacia tierra también son líneas balanceadas.