En ingeniería eléctrica , un circuito balanceado es un circuito electrónico que se utiliza con una línea balanceada o con la línea balanceada en sí. Las líneas balanceadas son un método común para transmitir muchos tipos de señales eléctricas entre dos puntos en dos cables. En una línea balanceada, las dos líneas de señal tienen una impedancia adaptada para ayudar a garantizar que la interferencia , inducida en la línea, sea de modo común y pueda eliminarse en el extremo receptor mediante circuitos 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 balanceados.
Las líneas balanceadas funcionan porque el ruido de interferencia del entorno circundante 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 que el ruido se rechaza. 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 se logra a menudo colocando los cables lo más cerca posible y retorciéndolos juntos. Otro requisito es que la impedancia a tierra (o a cualquier punto de referencia que esté utilizando el detector de diferencias) sea la misma para ambos conductores en todos los puntos a lo largo de la longitud de la línea. Si un cable tiene una impedancia a tierra más alta, tenderá a tener un mayor ruido inducido, destruyendo el equilibrio.
Un circuito balanceado normalmente mostrará una simetría de sus componentes con respecto a una línea horizontal a mitad de 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. Un ejemplo de un circuito simétrico se muestra en la figura 2. Los circuitos diseñados para su uso 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 en las señales que viajan en ambas direcciones en la línea.
El equilibrio y la simetría suelen estar asociados a la simetría física reflejada horizontal y vertical respectivamente, como se muestra en las figuras 1 a 4. Sin embargo, la simetría física no es un requisito necesario para estas condiciones. Solo 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 en el que los dos lados tienen características de transmisión idénticas en todos los aspectos. Una línea balanceada es una línea en la que los dos cables transportarán corrientes balanceadas (es decir, corrientes iguales y opuestas) cuando se apliquen voltajes balanceados (simétricos). La condición para el equilibrio de líneas y circuitos se cumplirá, en el caso de circuitos pasivos, si las impedancias están balanceadas. La línea y el circuito permanecen balanceados, y los beneficios del rechazo de ruido en modo común continúan aplicándose, independientemente de si la señal aplicada está balanceada (simétrica) o no, siempre que el generador que produce esa señal mantenga el equilibrio de impedancia de la línea. [1]
Existen varias formas de controlar 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 control y recepción mantengan el equilibrio de impedancia de la línea. También es esencial que el circuito de recepción detecte solo señales diferenciales y rechace señales de modo común. No es esencial (aunque a menudo es el caso) que la señal transmitida esté balanceada, es decir, simétrica respecto de la tierra.
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 forma. En la aplicación de telefonía, se los conoce como bobinas repetidoras . Los transformadores tienen la ventaja adicional de aislar completamente (o "flotar") la línea de las corrientes de tierra y de bucle de tierra , que son una posibilidad indeseable con otros métodos.
El lado del transformador que mira hacia la línea, en un diseño de buena calidad, tendrá el devanado dispuesto en dos partes (a menudo con una toma central provista) que se equilibran cuidadosamente 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 primario y secundario más habituales cuando se habla de este tipo de transformadores. En el extremo de envío, el devanado del lado de la línea es el secundario, pero en el extremo de recepción, el devanado del lado de la línea es el primario. Cuando se habla de un circuito de dos cables, el primario y el secundario dejan de tener significado, ya que las señales fluyen en ambas direcciones a la vez.
El devanado del lado del equipo del transformador no necesita equilibrarse tan cuidadosamente. De hecho, se puede conectar a tierra una de las patas del lado del equipo sin afectar el equilibrio de 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 se encarga de equilibrarlos. [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, pero es posible utilizar otros circuitos. A diferencia del equilibrio del transformador, no hay aislamiento del circuito de la línea. Cada uno de los dos cables es accionado por un circuito de amplificador operacional que son idénticos excepto que uno es inversor y el otro no inversor. Cada uno produce una señal asimétrica individualmente, pero juntos accionan 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 un controlador aislado solo con circuitos de amplificador operacional, es posible crear una salida flotante. Esto es importante si una pata de la línea puede quedar conectada a tierra o a alguna otra referencia de voltaje. La conexión a tierra de una pata de la línea en el circuito de la figura 6 dará como resultado que el voltaje de línea se reduzca a la mitad, ya que ahora solo un amplificador operacional proporciona la 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 que aún evita el gasto de un transformador. Una salida flotante de amplificador operacional solo puede flotar dentro de los límites de los rieles de alimentación 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 aún así mantener el equilibrio de la línea. Esto se representa en esquema en la figura 7. Se supone que el amplificador que controla una pata de la línea a través de una resistencia es un amplificador de salida de un solo extremo ideal (es decir, 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 patas es la misma y la línea permanece equilibrada. El amplificador receptor todavía rechaza cualquier ruido de modo común ya que tiene una entrada diferencial. Por otro lado, 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 simétricas ya que V − es mucho menor 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 no balanceado como se describe en la sección sobre balance del transformador anterior. También son posibles otros circuitos, como autotransformadores o circuitos activos. [4]
Los conectores comunes que se utilizan con circuitos balanceados incluyen conectores modulares en 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 conmutadores manuales y otras infraestructuras telefónicas. Dichos 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 usan comúnmente conexiones "de nivel de línea" balanceadas y no balanceadas con conectores telefónicos de 1/4".
