Línea equilibrada

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 sus longitudes, 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]

Tal como prevalece 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 , que se utiliza para comunicaciones por radiofrecuencia. También es común el par trenzado , que se utiliza para telefonía tradicional, audio profesional o 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 circuitos cuyo conductor de retorno en realidad es tierra (ver telégrafo de retorno a tierra ). Los circuitos balanceados y no balanceados se pueden interconectar utilizando un dispositivo llamado balun .

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

Las líneas que transportan señales simétricas (aquellas con amplitudes iguales pero polaridades opuestas en cada rama) a menudo se denominan incorrectamente "balanceadas", pero en realidad se trata de señalización diferencial . Las líneas balanceadas y la señalización diferencial a menudo se utilizan juntas, pero no son lo mismo. La señalización diferencial no hace que una línea esté 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 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 externos. A veces, los conductores se trenzan juntos para garantizar que cada conductor esté expuesto por igual 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. Esta protección proporciona inmunidad a la interferencia de RF, pero no a los campos magnéticos.

Algunas líneas balanceadas utilizan un cable de cuatro conductores en estrella para brindar inmunidad a los campos magnéticos. La geometría del cable garantiza que los campos magnéticos causarán interferencias iguales en ambos tramos del circuito balanceado. Esta interferencia balanceada es una señal de modo común que se puede eliminar 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 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 desequilibrado, 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, lo que hace que la línea sea más susceptible al ruido. Los 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 las líneas balanceadas fue en las líneas telefónicas. Las interferencias que tenían poca importancia en un sistema telegráfico (que es esencialmente digital) podían ser muy molestas para un usuario de teléfono. El formato inicial era tomar dos líneas telegráficas no balanceadas de un solo cable 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 se extiende junto a 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 los dos tramos cada pocos cientos de metros con un cruce, asegurando así que ambos tramos tuvieran la misma interferencia inducida y permitiendo que el rechazo de modo común hiciera su trabajo. A medida que el sistema telefónico creció, se hizo 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 utilizado para los cables telefónicos balanceados era de par trenzado ; sin embargo, esto no se generalizó hasta que estuvieron disponibles los amplificadores repetidores. Para una línea telefónica sin amplificación, un cable de par trenzado sólo podía cubrir una distancia máxima de 30 km. Por otro lado, los cables abiertos, con su menor capacitancia, se habían utilizado para distancias enormes (la más larga fue la de 1500 km entre Nueva York y Chicago, construida en 1893). Se utilizaron bobinas de carga para mejorar la distancia alcanzable con el cable, pero el problema no se superó definitivamente hasta que comenzaron a instalarse amplificadores en 1912. ^{[8] : 323} Las líneas balanceadas de par trenzado 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 telefónicas troncales , y especialmente los sistemas 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 se dispongan 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 retorno. El formato de cable más común es el cuadrupolo 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 cuadrupolo DM (Dieselhorst-Martin), que consta de dos pares trenzados con la 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 usaban transformadores para proporcionar una señal de modo diferencial ^{[ cita requerida ]} . Si bien los transformadores aún se usan en la gran mayoría de los micrófonos dinámicos modernos, es más probable que los micrófonos de condensador más recientes usen circuitos de control electrónico. Cada pata, independientemente de cualquier señal, debe tener una impedancia idéntica a tierra. Se utiliza un cable de par (o un derivado de par como un cuadrilátero en estrella ) para mantener las impedancias balanceadas y la torsión cercana de los núcleos garantiza que cualquier interferencia sea común a ambos conductores. Siempre que el extremo receptor (generalmente una consola 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, entonces 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 protección o a la toma de 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 los denomina "calientes" y "fríos", y la norma AES14-1992(r2004) [y la norma 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 se ha designado como el pin "caliente", y esa designación es útil para mantener una polaridad constante en el resto del sistema. Dado que estos conductores recorren el mismo camino desde la fuente hasta el destino, se supone que cualquier interferencia se induce en ambos conductores por igual. El dispositivo que recibe las señales compara la diferencia entre las dos señales (a menudo sin tener en cuenta la toma de tierra eléctrica), lo que permite que el dispositivo 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 balanceada, por lo que la diferencia entre las dos señales no variaría. 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 trenzados o con revestimiento combinado para su uso en la transmisión de señales balanceadas.

Muchas explicaciones de líneas balanceadas suponen 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. ^[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 garantizan que el ruido externo afecte a cada rama 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 control balanceados que tienen un excelente equilibrio de impedancia de modo común entre las ramas, pero no proporcionan señales simétricas. ^{[9] [10]} Las señales diferenciales simétricas afectan al margen de maniobra y no son necesarias para el rechazo de interferencias. ^[11]

Para interconectar líneas balanceadas y no balanceadas se necesita un balun . Por ejemplo, los baluns se pueden utilizar para enviar señales de audio de nivel de línea o de nivel 1 de portadora E a través de un cable coaxial (que no está balanceado) a lo largo de 300 pies (91 m) de cable de categoría 5 balanceado utilizando un par de baluns en cada extremo del tendido 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 está cuidadosamente balanceada en cuanto a impedancia, el ruido induce voltajes iguales (en 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 aplicación común de un balun de radiofrecuencia se encontraba en los terminales de antena de un receptor de televisión . Normalmente, una entrada de antena de dos conductores balanceada de 300 ohmios solo se podía conectar a un cable coaxial de un sistema de televisión por cable a través de un balun.

La impedancia característica de una línea de transmisión es un parámetro importante a frecuencias de operación más altas. Para una línea de transmisión de 2 cables en paralelo,${\estilo de visualización Z_{0}}$

${\displaystyle Z_{0}={\frac {1}{\pi }}{\sqrt {\frac {\mu }{\epsilon }}}\ln \left({\frac {l}{R}}+{\sqrt {\left({\frac {l}{R}}\right)^{2}-1}}~\right),}$

donde es la mitad de la distancia entre los centros de los cables, es el radio del cable y , son respectivamente la permeabilidad y la 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${\estilo de visualización l}$${\estilo de visualización R}$${\estilo de visualización \mu}$${\displaystyle \épsilon}$

${\displaystyle Z_{0}={\frac {120~\Omega }{\sqrt {\epsilon _{r}}}}\ln \left({\frac {2l}{R}}\right),}$

donde es la permitividad relativa del medio circundante.$estilo de visualización {\epsilon_{r}}$

En la transmisión de energía eléctrica , los tres conductores utilizados para la transmisión de energía trifásica se denominan línea equilibrada, 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 la que se utiliza en la electrificación ferroviaria , se utilizan dos conductores para transportar voltajes en fase y fuera de fase de manera que la línea esté equilibrada.

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

• Par diferencial
• Cableado twinaxial
• Cable de par trenzado

• Ethernet sobre par trenzado
• RS-422
• RS-485
• Señalización diferencial de bajo voltaje (LVDS)

• Líneas equilibradas, energía fantasma, conexión a tierra y otros misterios arcanos – de Mackie ;

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