Los cables de red y los cables de audio emplean una construcción de «par trenzado». Sorprendentemente, pocas personas tienen una idea intuitiva de por qué trenzar dos hilos los hace resistentes al ruido.
Este artículo parte del concepto de equilibrio y explica cómo un cable de par trenzado cancela el ruido.
Qué significa realmente «equilibrado»
En un circuito eléctrico, el equilibrio significa que el conductor de ida y el de retorno de una señal son equivalentes en todos los sentidos.
Una línea de señal corriente (asimétrica o single-ended) tiene un conductor de ida propio, pero su camino de retorno es un conductor compartido llamado masa. La ida y el retorno son asimétricos, así que esto es no equilibrado.
Frente a ello, una configuración en la que la ida y el retorno son perfectamente equivalentes se denomina circuito equilibrado. En la práctica el equilibrio perfecto es imposible, pero basta con que sea «suficientemente equivalente para el uso real».
Lo que aporta el equilibrio: el ruido externo llega como modo común
La mayor ventaja del cableado equilibrado es que el ruido procedente del exterior entra como modo común.
Cuando los dos conductores discurren en paralelo y en igualdad de condiciones, el ruido electromagnético externo induce la misma tensión en ambos. Eso es modo común. No aparece componente diferencial (modo normal).
El ruido en modo común puede eliminarse aprovechando la diferencia entre modos (véase el artículo sobre ruido en modo común). El ruido en modo normal, en cambio, comparte modo con la señal y resulta difícil de eliminar.
Dicho de otro modo, la estrategia del equilibrio es aceptar el ruido en modo común a cambio de rechazar el de modo normal. Lo que se acople puede eliminarse mientras sea modo común, de manera que el enlace resulta más robusto en conjunto.
Por qué funciona el par trenzado
Entre los cables equilibrados, el que alcanza mayor grado de equilibrio en la práctica es el cable de par trenzado: dos conductores trenzados entre sí en hélice.
Cuando recibe ruido externo
Cuando el flujo magnético externo (un campo magnético variable) enlaza el cable, aparece una fuerza electromotriz en el lazo: inducción electromagnética. En un par trenzado, la orientación del lazo que atraviesa el flujo se invierte de una torsión a la siguiente.
El resultado es que las fuerzas electromotrices generadas en torsiones sucesivas se cancelan entre sí y la tensión de ruido total tiende a cero.
Cuando emite ruido al exterior
La corriente que circula por el cable genera flujo magnético, pero en un par trenzado el sentido de la corriente se invierte entre torsiones contiguas. El flujo generado también se cancela, así que la fuga lejos del cable resulta muy pequeña.
El par trenzado destaca, por tanto, en ambos frentes: ni capta ruido con facilidad ni lo emite con facilidad.
En qué se diferencia de un cable paralelo
Un «cable paralelo», con dos conductores sin trenzar que discurren juntos, también tiene cierto grado de equilibrio. Pero como ambos conductores mantienen siempre la misma posición relativa, la dirección del campo externo puede hacer que uno de ellos capte mucho más ruido que el otro.
El trenzado hace que la posición media de los dos conductores coincida, de modo que la cancelación funciona frente al ruido que llegue desde cualquier dirección.
Cableado equilibrado sobre la placa
En una placa de circuito impreso no es posible construir un cableado equilibrado verdadero equivalente a un par trenzado. Sí se puede, en cambio, hacer discurrir juntas las pistas de ida y de retorno y obtener un grado de equilibrio comparable al de un cable paralelo.
Además, la combinación de plano de masa y línea de señal (línea microstrip) presenta a alta frecuencia un comportamiento próximo al del cable coaxial y apantalla frente al ruido externo.
Cuándo hace falta el equilibrio y cuándo no
Un circuito equilibrado necesita más conductores y encarece el diseño. No hace falta equilibrar todo el cableado.
Situaciones en las que el equilibrio resulta especialmente eficaz:
- Transmisión a larga distancia e interfaces entre equipos (RS-422, RS-485, Ethernet, etc.)
- Transmisión de señales de bajo nivel y salidas de sensores, cuando la tensión de modo común es elevada
- Transmisión de señal en entornos con mucho ruido
Los circuitos digitales del interior del equipo disponen de margen de ruido, así que normalmente basta con cableado no equilibrado (single-ended). Lo realista es hacer diferencial (equilibrada) solo la parte de interfaz.
Resumen
- Equilibrio significa que ida y retorno son conductores equivalentes. El ruido externo entra como modo común y se suprime el ruido en modo normal
- La estructura trenzada cancela la f.e.m. inducida por el ruido externo: es el mayor grado de equilibrio alcanzable en la práctica
- No solo es difícil de perturbar, sino que además emite poco ruido hacia fuera: bueno como víctima y como agresor
- Eficaz en transmisión a larga distancia y en señales de bajo nivel. Dentro del equipo suele bastar con single-ended
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