Circuito equilibrado - Balanced circuit
Un circuito balanceado es un circuito que se usa con una línea balanceada o la línea balanceada en sí. Las líneas balanceadas son un método común de transmitir muchos tipos de señales de comunicación eléctrica entre dos puntos en dos cables. En una línea balanceada, las dos líneas de señal tienen una impedancia combinada 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 equilibrados.
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 se cancela el ruido. Cualquier desigualdad en el ruido inducido en cada cable es un desequilibrio y dará como resultado que el ruido no se cancele 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 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 impedancia más alta a tierra, tenderá a tener un ruido más alto inducido, destruyendo el equilibrio.
Equilibrio y simetría
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 la simetría de sus componentes alrededor de una línea vertical en su punto medio. En la figura 2 se muestra un ejemplo de circuito simétrico. Los circuitos diseñados para usarse con líneas balanceadas a menudo se diseñarán para ser 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 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. 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.
Señales balanceadas y circuitos balanceados
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 se invierten 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 las líneas y los circuitos se cumplirá, en el caso de los circuitos pasivos, si las impedancias están equilibradas. La línea y el circuito permanecen balanceados, y los beneficios del rechazo de ruido en modo común continúan aplicándose, ya sea que la señal aplicada esté balanceada (simétrica) o no, siempre que el generador que produce esa señal mantenga el equilibrio de impedancia de la línea.
Circuitos de conducción y recepción
Hay 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 los circuitos de excitación y recepción mantengan el equilibrio de impedancia de la línea. También es esencial que el circuito receptor detecte solo señales diferenciales y rechace señales de modo común. No es esencial (aunque suele ser el caso) que la señal transmitida esté balanceada, es decir, simétrica con respecto a tierra.
Equilibrio transformador
La forma conceptualmente más simple de conectarse a una línea balanceada es a través de transformadores en cada extremo que se muestra en la figura 5. Los transformadores eran el método original de hacer tales conexiones en telefonía, y antes de la llegada de los circuitos activos eran la única forma. En la aplicación de telefonía se les conoce como bobinas de repetición . Los transformadores tienen la ventaja adicional de aislar completamente (o "flotar") la línea de la tierra y las corrientes 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 en dos partes (a menudo con un grifo central provisto) 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 estar tan cuidadosamente equilibrado. De hecho, una pata del lado del equipo se puede conectar a tierra sin afectar el equilibrio en la línea como se muestra en la figura 5. Con transformadores, los circuitos de envío y recepción pueden estar completamente desequilibrados con el transformador que proporciona el equilibrio.
Balance electrónico
El balance electrónico, o balance activo, se logra utilizando amplificadores diferenciales en cada extremo de la línea. En la figura 6 se muestra una implementación de amplificador operacional , otros circuitos son posibles. A diferencia del equilibrio del transformador, no hay aislamiento de los circuitos de la línea. Cada uno de los dos cables es impulsado por un circuito de amplificador operacional que son idénticos, excepto que uno está invertido y el otro no. Cada uno produce una señal no balanceada individualmente pero juntos impulsan la línea con una señal simétrica balanceada. Debido a que las corrientes en las dos líneas son iguales y opuestas, esto tiene la ventaja adicional de que las señales radiadas se cancelan entre sí excepto en el campo cercano de los conductores, reduciendo así la interferencia con otros conductores.
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 ponerse a tierra o conectarse a alguna otra referencia de voltaje. La conexión a tierra de 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 está proporcionando 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 evitando el gasto de un transformador. Una salida de amplificador operacional flotante solo puede flotar dentro de los límites de los rieles de suministro del amplificador operacional. Se puede lograr una salida aislada sin transformadores con la adición de optoaisladores .
Balance de impedancia
Como se señaló anteriormente, es posible conducir una línea balanceada con una señal no balanceada y aún mantener el balance de línea. Esto se representa en esquema en la figura 7. Se supone que el amplificador A es un amplificador de salida desequilibrado ideal (es decir, impedancia de salida cero). Este está conectado a través de una resistencia a un tramo de la línea. La otra pata está conectada 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 aún rechaza cualquier ruido de modo común ya que tiene una entrada diferencial. Por otro lado, la señal de línea no está balanceada. Los voltajes en la entrada de los dos tramos, V + y V - vienen dados por;
Donde Z in es la impedancia de entrada de la línea. Estos 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 se puede tomar como cero.
Conversión equilibrada a no equilibrada
Un circuito que tiene el propósito específico de convertir entre formatos 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 de equilibrio del transformador anterior. Son posibles otros circuitos como autotransformadores o circuitos activos.
Conectores
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 / funda (TRS) de 1/4 " se usaban ampliamente en tableros de distribución manuales y otra infraestructura telefónica. Estos conectores ahora se ven más comúnmente en tamaños en miniatura (2.5 y 3.5 mm) y se usan 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 tomas telefónicas de 1/4 ".
Referencias
Bibliografía
- Rod Elliot, Uwe Beis, "Balanced transmisor y receptor II" , Elliot Sound Products , 1 de abril de 2002, consultado y archivado el 7 de octubre de 2015.
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