En telecomunicaciones y audio profesional , una línea balanceada o un par de señales balanceadas es un circuito eléctrico que consta de dos conductores del mismo tipo, ambos con impedancias iguales a lo largo de su longitud, a tierra y a otros circuitos. [1] La principal ventaja del formato de línea balanceada es un buen rechazo del ruido y la interferencia de modo común cuando se alimenta a un dispositivo diferencial como un transformador o un amplificador diferencial . [2]
Como prevalecen en la grabación y reproducción de sonido , las líneas balanceadas se denominan audio balanceado .
Una forma común de línea balanceada es la de dos conductores , utilizada para comunicaciones por radiofrecuencia. También es común el par trenzado , utilizado para telefonía tradicional, audio profesional o para comunicaciones de datos. 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 en realidad tierra (ver telégrafo de retorno a tierra ). Los circuitos equilibrados y desequilibrados se pueden interconectar mediante un dispositivo llamado balun .
Los circuitos que conducen líneas equilibradas deben estar equilibrados para mantener los beneficios del equilibrio. Esto se puede lograr mediante el acoplamiento de un 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 suelen usarse 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.
La transmisión de una señal a través de una línea balanceada reduce la influencia del ruido o la interferencia debido a campos eléctricos parásitos externos. Cualquier fuente de señal externa tiende a inducir sólo una señal de modo común en la línea, y las impedancias balanceadas a tierra minimizan la captación diferencial debido a campos eléctricos parásitos. A veces, los conductores se tuercen 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 blindaje electrostático para reducir la cantidad de ruido introducido. El cable suele estar envuelto en papel de aluminio, alambre de cobre o trenza de cobre. Este escudo proporciona inmunidad a la interferencia de RF pero no proporciona inmunidad a los campos magnéticos.
Algunas líneas balanceadas utilizan un cable cuádruple en estrella de 4 conductores para proporcionar inmunidad a los campos magnéticos. La geometría del cable garantiza que los campos magnéticos provoquen la misma interferencia en ambos tramos del circuito equilibrado. Esta interferencia balanceada es una señal de modo común que puede eliminarse fácilmente mediante un transformador o un receptor diferencial balanceado. [3] [4] [5] [6] [7]
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 interferentes inducen el mismo voltaje en ambos cables. Dado que el receptor responde sólo a la diferencia entre los cables, no se ve influenciado por el voltaje del 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 el 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 sea práctico un tendido de cable más largo. 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 una señal se resta de la otra.
La primera aplicación de líneas balanceadas fue para líneas telefónicas. Unas interferencias que tenían poca importancia en un sistema telegráfico (que es esencialmente digital) podían resultar muy perturbadoras para un usuario de teléfono. El formato inicial era tomar dos líneas telegráficas desequilibradas de un solo hilo y utilizarlas como un par. Sin embargo, esto resultó insuficiente debido al 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 muchos kilómetros inevitablemente tendrá más interferencia inducida 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 patas cada pocos cientos de metros con un cruce, asegurando así que ambas patas tuvieran la misma interferencia inducida y permitiendo que el rechazo en modo común hiciera su trabajo. A medida que el sistema telefónico creció, se volvió preferible utilizar cable en lugar de cables abiertos para ahorrar espacio y también para evitar un rendimiento deficiente durante el mal tiempo. La construcción del cable utilizada 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 sólo podría cubrir una distancia máxima de 30 km. Por otro lado, los cables abiertos, con su menor capacitancia, se habían utilizado para distancias enormes; el más largo fue el de 1500 km de Nueva York a Chicago construido en 1893. Se utilizaron bobinas de carga para mejorar la distancia alcanzable con el cable, pero el problema era no se superó finalmente hasta que se empezaron a instalar amplificadores en 1912. [8] : 323 Las líneas de par trenzado balanceadas todavía se utilizan ampliamente para los bucles locales , las líneas que conectan las instalaciones de cada abonado con su respectiva central . [8] : 314–316
Las líneas troncales telefónicas , 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 se generalizara la fibra óptica ) 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 (ida) y el otro para la señal de retorno. La mayor fuente de interferencia en este tipo de transmisión suele ser la diafonía entre los circuitos de ida y de retorno. El formato de cable más común es el de estrella cuádruple , 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 torsión en diferentes pasos. [8] : 320
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 utilizaban transformadores para proporcionar una señal de modo diferencial [ cita necesaria ] . Si bien los transformadores todavía se utilizan en la gran mayoría de los micrófonos dinámicos modernos, es más probable que los micrófonos de condensador más recientes utilicen circuitos de accionamiento electrónico. Cada tramo, independientemente de cualquier señal, debe tener una impedancia idéntica a tierra. Se utiliza un cable de par (o un derivado de par, como un quad en estrella ) para mantener las impedancias equilibradas y una torsión estrecha de los núcleos garantiza que cualquier interferencia sea común a ambos conductores. Siempre que el extremo receptor (normalmente una mesa de mezclas ) no altere 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 las interferencias inducidas.
Las fuentes de audio profesionales típicas, como los micrófonos, tienen conectores XLR de tres pines . Uno se conecta al blindaje o a tierra 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 "fríos", y el estándar AES14-1992(r2004) [y el estándar EIA RS-297-A] sugieren que el pin que transporta la señal positiva que resulta de una presión de aire positiva en un transductor se considerará "caliente". El pin 2 ha sido designado como pin "caliente", y esa designación resulta 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 aparato que recibe las señales compara la diferencia entre las dos señales (a menudo sin tener en cuenta la conexión a tierra eléctrica), lo que permite que el aparato ignore cualquier ruido eléctrico inducido. Cualquier ruido inducido estaría presente en cantidades iguales y con polaridad idéntica en cada uno de los conductores de señal balanceados, por lo que la diferencia de las dos señales entre sí no cambiaría. El rechazo exitoso del ruido inducido de la señal deseada depende en parte de que los conductores de señal balanceada reciban la misma cantidad y tipo de interferencia. Esto generalmente conduce a cables retorcidos, trenzados o con revestimiento conjunto para usar en la transmisión de señales balanceadas.
Muchas explicaciones de las líneas balanceadas asumen señales simétricas (es decir, señales iguales en magnitud pero de polaridad opuesta), pero esto puede llevar a confusión entre los dos conceptos: la simetría de la señal y las líneas balanceadas son bastante independientes entre sí. [2] Esencial en una línea balanceada son impedancias idénticas en los dos conductores en el controlador, la línea y el receptor (equilibrio 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. [2] Hay circuitos de accionamiento balanceados que tienen un excelente equilibrio de impedancia de modo común entre las patas pero no proporcionan señales simétricas. [9] [10] Las señales diferenciales simétricas se refieren al espacio libre y no son necesarias para el rechazo de interferencias. [11]
Para interconectar líneas balanceadas y no balanceadas se requiere un balun . Por ejemplo, los baluns se pueden usar para enviar señales de audio de nivel de línea o de nivel 1 de portadora electrónica 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 baluns en cada extremo del Ejecución 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 equilibrada, el ruido induce voltajes iguales (modo común) en ambos conductores. En el extremo receptor, el balun responde sólo a la diferencia de voltaje entre los dos conductores, rechazando así el ruido captado en el camino y dejando intacta la señal original.
Una aplicación que alguna vez fue común de un balun de radiofrecuencia se encontró en los terminales de antena de un receptor de televisión . Normalmente, una entrada de antena bifilar balanceada de 300 ohmios solo se puede conectar a un cable coaxial desde un sistema de televisión por cable a través de un balun.
La impedancia característica de una línea de transmisión es un parámetro importante en frecuencias de operación más altas. Para una línea de transmisión paralela de 2 hilos,
donde es la mitad de la distancia entre los centros de los cables, es el radio del cable y , son respectivamente la permeabilidad y permitividad del medio circundante. Una aproximación comúnmente utilizada que es válida cuando la separación de los cables es mucho mayor que el radio del cable y en ausencia de materiales magnéticos es
donde es la permitividad relativa del medio circundante.
En la transmisión de energía eléctrica , los tres conductores utilizados para la transmisión de energía trifásica se denominan línea balanceada ya que la suma instantánea de los tres voltajes de línea es nominalmente cero. Sin embargo, el 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 se utiliza en la electrificación ferroviaria , se utilizan dos conductores para transportar tensiones en fase y desfasadas de manera que la línea quede equilibrada.
Las líneas bipolares HVDC en las que cada polo funciona con el mismo voltaje hacia tierra también son líneas balanceadas.
Seamos claros desde el principio: si la impedancia de fuente de cada una de estas señales no fuera idéntica, es decir, balanceada, el método fallaría por completo, siendo irrelevante la coincidencia de las señales de audio diferenciales, aunque deseable por consideraciones de margen dinámico.
Sólo el equilibrio de impedancia de modo común del controlador, la línea y el receptor desempeña un papel en el rechazo del ruido o la interferencia.
Esta propiedad de rechazo de ruido o interferencia es independiente de la presencia de una señal diferencial deseada.
