En ingeniería eléctrica , un circuito balanceado es un circuito electrónico para uso con una línea balanceada , o la línea balanceada misma. Las líneas balanceadas son un método común para transmitir muchos tipos de señales eléctricas entre dos puntos de dos cables. En una línea balanceada, las dos líneas de señal tienen una impedancia coincidente para ayudar a garantizar que la interferencia inducida en la línea sea de modo común y pueda eliminarse en el extremo receptor mediante un circuito con un buen rechazo de modo común . Para mantener el equilibrio, los bloques de circuitos que interactúan con la línea o están conectados en la línea también deben estar equilibrados.
Las líneas balanceadas funcionan porque el ruido de interferencia del entorno induce voltajes de ruido iguales en ambos cables. Al medir la diferencia de voltaje entre los dos cables en el extremo receptor, se recupera la señal original mientras se rechaza el ruido. Cualquier desigualdad en el ruido inducido en cada cable es un desequilibrio y dará como resultado que el ruido no se rechace por completo. Un requisito para el equilibrio es que ambos cables estén a la misma distancia de la fuente de ruido. Esto a menudo se logra colocando los cables lo más juntos posible y retorciéndolos . Otro requisito es que la impedancia a tierra (o a cualquier punto de referencia que esté utilizando el detector de diferencia) sea la misma para ambos conductores en todos los puntos a lo largo de la línea. Si un cable tiene una mayor impedancia a tierra, tenderá a inducir un ruido más alto, destruyendo el equilibrio.
Un circuito balanceado normalmente mostrará una simetría de sus componentes alrededor de una línea horizontal a medio camino entre los dos conductores (ejemplo en la figura 3). Esto es diferente de lo que normalmente se entiende por circuito simétrico, que es un circuito que muestra simetría de sus componentes con respecto a una línea vertical en su punto medio. En la figura 2 se muestra un ejemplo de un circuito simétrico. Los circuitos diseñados para usarse con líneas balanceadas a menudo se diseñarán para que sean balanceados y simétricos, como se muestra en la figura 4. Las ventajas de la simetría son que se presenta la misma impedancia en ambos puertos y que el circuito tiene el mismo efecto sobre las señales que viajan en ambas direcciones a lo largo de la línea.
El equilibrio y la simetría suelen estar asociados con la simetría física horizontal y vertical reflejada , respectivamente, como se muestra en las figuras 1 a 4. Sin embargo, la simetría física no es un requisito necesario para estas condiciones. Sólo es necesario que las impedancias eléctricas sean simétricas. Es posible diseñar circuitos que no sean físicamente simétricos pero que tengan impedancias equivalentes que sean simétricas.
Una señal balanceada es aquella en la que los voltajes en cada cable son simétricos con respecto a tierra (o alguna otra referencia). Es decir, las señales están invertidas entre sí. Un circuito balanceado es un circuito donde los dos lados tienen características de transmisión idénticas en todos los aspectos. Una línea balanceada es una línea en la que los dos cables conducirán corrientes balanceadas (es decir, corrientes iguales y opuestas) cuando se aplican voltajes balanceados (simétricos). La condición de equilibrio de líneas y circuitos se cumplirá, en el caso de circuitos pasivos, si las impedancias están equilibradas. La línea y el circuito permanecen balanceados, y los beneficios del rechazo de ruido de modo común continúan aplicándose, ya sea que la señal aplicada sea balanceada (simétrica) o no, siempre que el generador que produce esa señal mantenga el equilibrio de impedancia de la línea. [1]
Hay varias formas de conducir una línea balanceada y detectar la señal. En todos los métodos, para el beneficio continuo de una buena inmunidad al ruido, es esencial que el circuito de excitación y recepción mantenga el equilibrio de impedancia de la línea. También es esencial que el circuito receptor detecte sólo señales diferenciales y rechace señales de modo común. No es esencial (aunque suele ser el caso) que la señal transmitida sea equilibrada, es decir, simétrica con respecto al suelo.
La forma conceptualmente más sencilla de conectarse a una línea balanceada es a través de transformadores en cada extremo, como se muestra en la figura 5. Los transformadores fueron el método original para realizar tales conexiones en telefonía, y antes de la llegada de los circuitos activos eran la única manera. En la aplicación de telefonía se les conoce como bobinas repetidas . Los transformadores tienen la ventaja adicional de aislar completamente (o "hacer flotar") la línea de las corrientes de tierra y del circuito de tierra , lo cual es una posibilidad indeseable con otros métodos.
El lado del transformador que mira hacia la línea, en un diseño de buena calidad, tendrá el devanado colocado en dos partes (a menudo con una derivación central incluida) que están cuidadosamente equilibradas para mantener el equilibrio de la línea. Los devanados del lado de la línea y del lado del equipo son conceptos más útiles que los devanados primarios y secundarios más habituales cuando se habla de este tipo de transformadores. En el extremo emisor, el devanado del lado de la línea es el secundario, pero en el extremo receptor, el devanado del lado de la línea es el primario. Cuando se habla de un circuito de dos hilos, el primario y el secundario dejan de tener significado alguno, ya que las señales fluyen en ambas direcciones a la vez.
No es necesario equilibrar tan cuidadosamente el devanado del lado del equipo del transformador. De hecho, un tramo del lado del equipo se puede conectar a tierra sin afectar el equilibrio en la línea, como se muestra en la figura 5. Con los transformadores, los circuitos de envío y recepción se pueden desequilibrar por completo y el transformador proporciona el equilibrio. [2]
El equilibrio activo se logra utilizando amplificadores diferenciales en cada extremo de la línea. En la figura 6 se muestra una implementación de amplificador operacional de esto; son posibles otros circuitos. A diferencia del equilibrio del transformador, no hay aislamiento del circuito de la línea. Cada uno de los dos cables es impulsado por un circuito de amplificador operacional que es idéntico excepto que uno es inversor y el otro no inversor. Cada uno produce una señal asimétrica individualmente pero juntos impulsan la línea con una señal simétrica. La impedancia de salida de cada amplificador es igual, por lo que se mantiene el equilibrio de impedancia de la línea. [3] [4]
Si bien no es posible crear una unidad aislada solo con circuitos de amplificador operacional, es posible crear una salida flotante. Esto es importante si un tramo de la línea puede quedar conectado a tierra o conectado a alguna otra referencia de voltaje. Conectar a tierra un tramo de la línea en el circuito de la figura 6 dará como resultado que el voltaje de la línea se reduzca a la mitad, ya que ahora solo un amplificador operacional proporciona señal. Para lograr una salida flotante, se requieren rutas de retroalimentación adicionales entre los dos amplificadores operacionales, lo que da como resultado un circuito más complejo que el de la figura 6, pero aún así se evita el gasto de un transformador. La salida de un amplificador operacional flotante solo puede flotar dentro de los límites de los rieles de suministro del amplificador operacional. [5] Se puede lograr una salida aislada sin transformadores con la adición de optoaisladores . [6]
Como se señaló anteriormente, es posible controlar una línea balanceada con una señal de un solo extremo y aun así mantener el equilibrio de la línea. Esto se representa a grandes rasgos en la figura 7. Se supone que el amplificador que impulsa un tramo de la línea a través de una resistencia es un amplificador de salida de un solo extremo ideal (es decir, con impedancia de salida cero). La otra pata está conectada a tierra a través de otra resistencia del mismo valor. La impedancia a tierra de ambas piernas es la misma y la línea permanece equilibrada. El amplificador receptor aún rechaza cualquier ruido de modo común ya que tiene una entrada diferencial. Por otra parte, la señal de línea no es simétrica. [7] Los voltajes en la entrada de las dos patas, V + y V − están dados por;
Donde Z in es la impedancia de entrada de la línea. Claramente no son simétricos ya que V − es mucho más pequeño que V + . Ni siquiera son polaridades opuestas. En aplicaciones de audio, V − suele ser tan pequeño que puede tomarse como cero. [8]
Un circuito que tiene el propósito específico de permitir la interconexión entre circuitos balanceados y no balanceados se llama balun. Un balun podría ser un transformador con una pata conectada a tierra en el lado desequilibrado, como se describe en la sección anterior sobre equilibrio del transformador. Son posibles otros circuitos como autotransformadores o circuitos activos. [4]
Los conectores comunes utilizados con circuitos balanceados incluyen conectores modulares para instrumentos telefónicos y datos de banda ancha, y conectores XLR para audio profesional . Los conectores telefónicos de punta/anillo/manga (TRS) de 1/4" alguna vez se usaron ampliamente en tableros de distribución manuales y otras infraestructuras telefónicas. Estos conectores ahora se ven más comúnmente en tamaños miniatura (2,5 y 3,5 mm) y se utilizan para audio estéreo no balanceado; sin embargo, , los equipos de audio profesionales, como las consolas de mezclas, todavía utilizan comúnmente conexiones de "nivel de línea" balanceadas y no balanceadas con conectores telefónicos de 1/4".
