Linha equilibrada - Balanced line
Em telecomunicações e áudio profissional , uma linha balanceada ou par de sinais balanceados é uma linha de transmissão que consiste em dois condutores do mesmo tipo, cada um dos quais com impedâncias iguais ao longo de seus comprimentos e impedâncias iguais para o terra e outros circuitos. A principal vantagem do formato de linha balanceado é a boa rejeição de ruído de modo comum e interferência quando alimentado a um dispositivo diferencial, como um transformador ou amplificador diferencial . As formas comuns de linha balanceada são condutor duplo , usado para sinais de radiofrequência e par trançado , usado para frequências mais baixas. Eles devem ser contrastados com linhas não balanceadas , como cabo coaxial , que é projetado para ter seu condutor de retorno conectado ao terra , ou circuitos cujo condutor de retorno na verdade é terra. Os circuitos balanceados e não balanceados podem ser interconectados usando um dispositivo chamado balun .
Os próprios circuitos que conduzem linhas equilibradas devem ser equilibrados para manter os benefícios do equilíbrio. Isso pode ser obtido pelo acoplamento do transformador ou simplesmente equilibrando a impedância em cada condutor.
As linhas que transportam sinais simétricos (aquelas com amplitudes iguais, mas polaridades opostas em cada perna) são muitas vezes incorretamente chamadas de "balanceadas", mas na verdade isso é sinalização diferencial . Linhas balanceadas e sinalização diferencial são freqüentemente usadas juntas, mas não são a mesma coisa. A sinalização diferencial não torna uma linha balanceada, nem a rejeição de ruído em cabos balanceados exige sinalização diferencial.
Explicação
A transmissão de um sinal por uma linha balanceada reduz a influência de ruído ou interferência devido a campos elétricos externos. Quaisquer fontes de sinal externas tendem a induzir apenas um sinal de modo comum na linha, e as impedâncias balanceadas para o terra minimizam pickup diferencial devido a campos elétricos dispersos. Os condutores às vezes são torcidos juntos para garantir que cada condutor seja igualmente exposto a quaisquer campos magnéticos externos que possam induzir ruído indesejado.
Algumas linhas balanceadas também possuem blindagem eletrostática para reduzir a quantidade de ruído introduzido. O cabo geralmente é enrolado em papel alumínio, fio de cobre ou uma trança de cobre. Esta blindagem fornece imunidade a interferências de RF, mas não fornece imunidade a campos magnéticos.
Algumas linhas balanceadas usam um cabo quádruplo em estrela de 4 condutores para fornecer imunidade a campos magnéticos. A geometria do cabo garante que os campos magnéticos causem interferência igual em ambas as pernas do circuito balanceado. Essa interferência balanceada é um sinal de modo comum que pode ser facilmente removido por um transformador ou receptor diferencial balanceado.
Uma linha balanceada permite que um receptor diferencial reduza o ruído em uma conexão, rejeitando a interferência de modo comum . As linhas têm a mesma impedância para o terra, portanto, os campos ou correntes interferentes induzem a mesma tensão em ambos os fios. Como o receptor responde apenas à diferença entre os fios, ele não é influenciado pela tensão de ruído induzida. Se uma linha balanceada for utilizada em um circuito não balanceado, com impedâncias diferentes de cada condutor para o terra, as correntes induzidas nos condutores separados irão causar diferentes quedas de tensão para o terra, criando assim um diferencial de tensão, tornando a linha mais suscetível a ruídos. Exemplos de pares trançados incluem cabo de categoria 5 .
Em comparação com as linhas não balanceadas, as linhas balanceadas reduzem a quantidade de ruído por distância, permitindo que um cabo mais longo seja prático. Isso ocorre porque a interferência eletromagnética afetará os dois sinais da mesma maneira. As semelhanças entre os dois sinais são removidas automaticamente no final do caminho de transmissão quando um sinal é subtraído do outro.
Sistemas de telefone
A primeira aplicação para linhas balanceadas foi para linhas telefônicas. A interferência que tinha pouca consequência em um sistema telegráfico (que é em essência digital) poderia ser muito perturbadora para um usuário de telefone. O formato inicial era pegar duas linhas telegráficas não balanceadas de fio único e usá-las como um par. Isso se mostrou insuficiente, no entanto, com o crescimento da transmissão de energia elétrica que tendia a usar as mesmas rotas. Uma linha telefônica ao longo de uma linha de energia por muitos quilômetros inevitavelmente terá mais interferência induzida em uma perna do que na outra, uma vez que uma delas estará mais perto da linha de energia. Este problema foi resolvido trocando as posições das duas pernas a cada poucas centenas de metros com um cruzamento, garantindo assim que ambas as pernas tivessem a mesma interferência induzida e permitindo que a rejeição de modo comum fizesse seu trabalho. Com o crescimento do sistema telefônico, tornou-se preferível usar cabos em vez de fios abertos para economizar espaço e também para evitar mau desempenho durante o mau tempo. A construção do cabo usado para cabos telefônicos balanceados era de par trançado ; no entanto, isso não se espalhou até que os amplificadores repetidores se tornassem disponíveis. Para uma linha telefônica não amplificada, um cabo de par trançado só poderia gerenciar uma distância máxima de 30 km. Fios abertos, por outro lado, com sua capacitância mais baixa, tinham sido usados para distâncias enormes - o mais longo era 1500 km de Nova York a Chicago construído em 1893. Bobinas de carregamento foram usadas para melhorar a distância alcançável com o cabo, mas o problema era não foi finalmente superado até que os amplificadores começaram a ser instalados em 1912. Linhas balanceadas de par trançado ainda são amplamente utilizadas para loops locais , as linhas que conectam as instalações de cada assinante à sua respectiva central .
As linhas troncais de telefone e, especialmente , os sistemas portadores de multiplexação por divisão de frequência , geralmente são circuitos de 4 fios em vez de circuitos de 2 fios (ou pelo menos eram antes de a fibra óptica se espalhar) e requerem um tipo diferente de cabo. Este formato requer que os condutores sejam dispostos em dois pares, um par para o sinal de envio (ir) e o outro para o sinal de retorno. A maior fonte de interferência nesse tipo de transmissão é geralmente a diafonia entre os próprios circuitos de ida e volta. O formato de cabo mais comum é o quad estrela , onde os condutores diagonalmente opostos formam os pares. Esta geometria oferece rejeição máxima de modo comum entre os dois pares. Um formato alternativo é DM (Dieselhorst-Martin) quad, que consiste em dois pares trançados com a torção em passos diferentes.
Sistemas de áudio
Um exemplo de linhas balanceadas é a conexão de microfones a um mixer em sistemas profissionais. Classicamente, os microfones dinâmicos e condensadores usavam transformadores para fornecer um sinal de modo diferencial. Embora os transformadores ainda sejam usados na grande maioria dos microfones dinâmicos modernos, os microfones condensadores mais recentes são mais propensos a usar um circuito de acionamento eletrônico. Cada perna, independentemente de qualquer sinal, deve ter uma impedância idêntica ao terra. O cabo de par (ou um derivado de par, como um quadrante em estrela ) é usado para manter as impedâncias balanceadas e a torção próxima dos núcleos garante que qualquer interferência seja comum a ambos os condutores. Contanto que a extremidade receptora (geralmente um console de mixagem ) não perturbe o equilíbrio da linha e seja capaz de ignorar os sinais de modo comum (ruído), e pode extrair os diferenciais, então o sistema terá excelente imunidade à interferência induzida.
Fontes de áudio profissionais típicas, como microfones, têm conectores XLR de três pinos . Um é a blindagem ou aterramento do chassi, enquanto os outros dois são conexões de sinal. Esses fios de sinal carregam duas cópias do mesmo sinal, mas com polaridade oposta. (Eles são frequentemente denominados "quentes" e "frios", e o Padrão AES14-1992 (r2004) [e o Padrão EIA RS-297-A] sugerem que o pino que carrega o sinal positivo que resulta de uma pressão de ar positiva em um o transdutor será considerado 'quente'. O pino 2 foi designado como o pino 'quente' e essa designação serve para manter uma polaridade consistente no resto do sistema.) Uma vez que esses condutores percorrem o mesmo caminho da origem ao destino, a suposição é que qualquer interferência é induzida em ambos os condutores igualmente. O aparelho que recebe os sinais compara a diferença entre os dois sinais (geralmente sem levar em consideração o aterramento elétrico), permitindo que o aparelho ignore qualquer ruído elétrico induzido. Qualquer ruído induzido estaria presente em quantidades iguais e em polaridade idêntica em cada um dos condutores de sinal balanceados, de modo que a diferença entre os dois sinais permaneceria inalterada. A rejeição bem-sucedida do ruído induzido do sinal desejado depende em parte dos condutores de sinal balanceados receberem a mesma quantidade e tipo de interferência. Isso normalmente leva a cabos trançados, trançados ou co-encamisados para uso na transmissão de sinal balanceado.
Equilibrado e diferencial
A maioria das explicações de linhas balanceadas assume sinais simétricos (ou seja, sinais iguais em magnitude, mas de polaridade oposta), mas isso é uma confusão infeliz - simetria de sinal e linhas balanceadas são bastante independentes uma da outra. O essencial em uma linha balanceada são as impedâncias correspondentes no driver, na linha e no receptor. Essas condições garantem que o ruído externo afete cada perna da linha diferencial igualmente e, portanto, apareça como um sinal de modo comum que é removido pelo receptor. Existem circuitos de acionamento balanceados que têm excelente combinação de impedância de modo comum entre as "pernas", mas não fornecem sinais simétricos. Sinais diferenciais simétricos existem para evitar interferência em outros circuitos (diafonia) - os campos eletromagnéticos são cancelados pelas correntes iguais e opostas. Mas eles não são necessários para rejeição de interferências de outros circuitos.
Baluns
Para converter um sinal de equilibrado em desequilibrado, é necessário um balun . Por exemplo, os baluns podem ser usados para enviar sinais de áudio de nível de linha ou de portadora E nível 1 por cabo coaxial (que é desequilibrado) através de 300 pés (91 m) de cabo de categoria 5 usando um par de baluns em cada extremidade do CAT5 corre. O balun pega o sinal não balanceado e cria uma cópia invertida desse sinal. Em seguida, ele envia esses 2 sinais pelo cabo CAT5 como um sinal diferencial balanceado. Após a recepção na outra extremidade, o balun pega a diferença dos dois sinais, removendo assim qualquer ruído captado ao longo do caminho e recriando o sinal desequilibrado.
Uma aplicação outrora comum de um balun de radiofrequência foi encontrada nos terminais da antena de um receptor de televisão . Normalmente, uma entrada de antena de condutor duplo balanceada de 300 ohms só poderia ser conectada a um cabo coaxial de um sistema de TV a cabo por meio de um balun.
Impedância característica
A impedância característica de uma linha de transmissão é um parâmetro importante em frequências mais altas de operação. Para uma linha de transmissão paralela de 2 fios,
onde é a metade da distância entre os centros do fio, é o raio do fio e , são , respectivamente, a permeabilidade e a permissividade do meio circundante. Uma aproximação comumente usada que é válida quando a separação do fio é muito maior do que o raio do fio e na ausência de materiais magnéticos é
onde é a permissividade relativa do meio circundante.
Linhas de energia elétrica
Na transmissão de energia elétrica , os três condutores usados para a transmissão de energia trifásica são chamados de linha balanceada, uma vez que a soma instantânea das três tensões da linha é nominalmente zero. No entanto, o equilíbrio neste campo se refere à simetria da fonte e da carga: não tem nada a ver com o equilíbrio da impedância da própria linha, o sentido do significado em telecomunicações.
Para a transmissão de energia elétrica monofásica usada para sistemas de eletrificação ferroviária , dois condutores são usados para transportar tensões em fase e fora de fase, de modo que a linha seja equilibrada.
As linhas HVDC bipolares nas quais cada pólo é operado com a mesma voltagem para o terra também são linhas balanceadas.
