Os cabos de rede e os cabos de áudio utilizam uma construção em «par entrançado». Curiosamente, poucas pessoas têm uma noção intuitiva do motivo pelo qual entrançar dois condutores os torna resistentes ao ruído.
Este artigo parte do conceito de equilíbrio e explica como um cabo de par entrançado cancela o ruído.
O que significa realmente «equilibrado»
Num circuito elétrico, o equilíbrio significa que o condutor de ida e o de retorno de um sinal são equivalentes em todos os aspetos.
Uma linha de sinal comum (assimétrica, ou single-ended) tem um condutor de ida próprio, mas o seu caminho de retorno é um condutor partilhado a que se chama massa. A ida e o retorno são assimétricos, pelo que se trata de uma ligação não equilibrada.
Em contrapartida, uma configuração em que a ida e o retorno são perfeitamente equivalentes chama-se circuito equilibrado. Na prática o equilíbrio perfeito é impossível, mas basta que seja «suficientemente equivalente para uso real».
O que o equilíbrio traz — o ruído externo chega em modo comum
A maior vantagem da cablagem equilibrada é que o ruído vindo do exterior entra em modo comum.
Quando os dois condutores seguem lado a lado em pé de igualdade, o ruído eletromagnético externo induz a mesma tensão em ambos. Isso é modo comum. Não surge componente diferencial (modo normal).
O ruído de modo comum pode ser removido explorando a diferença entre modos (ver o artigo sobre ruído de modo comum). Já o ruído de modo normal partilha o modo do sinal e é difícil de remover.
Por outras palavras, a estratégia do equilíbrio é aceitar o ruído de modo comum em troca de imunidade ao modo normal. O que for captado pode ser removido desde que seja modo comum, pelo que a ligação fica globalmente mais robusta.
Porque é que o par entrançado funciona
Entre os cabos equilibrados, o que atinge na prática o maior grau de equilíbrio é o cabo de par entrançado: dois condutores entrançados um no outro em hélice.
Quando recebe ruído externo
Quando o fluxo magnético externo (um campo magnético variável) abraça o cabo, surge uma força eletromotriz na malha — indução eletromagnética. Num par entrançado, a orientação da malha atravessada pelo fluxo inverte-se de uma torção para a seguinte.
Como resultado, as f.e.m. geradas em torções sucessivas cancelam-se mutuamente e a tensão de ruído global aproxima-se de zero.
Quando emite ruído para o exterior
A corrente que circula no cabo gera fluxo magnético, mas num par entrançado o sentido da corrente inverte-se entre torções vizinhas. O fluxo gerado também se cancela, pelo que a fuga para longe do cabo se torna muito pequena.
O par entrançado é, portanto, bom nas duas frentes: não capta ruído com facilidade nem o emite com facilidade.
Diferença em relação a um cabo paralelo
Um «cabo paralelo», com dois condutores lado a lado sem entrançar, também tem algum grau de equilíbrio. Mas como os dois condutores mantêm sempre a mesma posição relativa, a direção do campo externo pode fazer com que um deles capte muito mais ruído do que o outro.
O entrançamento faz coincidir a posição média dos dois condutores, pelo que o cancelamento continua eficaz para ruído vindo de qualquer direção.
Cablagem equilibrada na placa
Numa placa de circuito impresso não é possível construir cablagem verdadeiramente equilibrada equivalente a um par entrançado. É possível, no entanto, encaminhar lado a lado as pistas de ida e de retorno e obter um grau de equilíbrio comparável ao de um cabo paralelo.
Além disso, a combinação de plano de massa com pista de sinal (linha microstrip) comporta-se em alta frequência de forma próxima de um cabo coaxial e blinda contra o ruído externo.
Quando o equilíbrio é necessário e quando não é
Um circuito equilibrado exige mais condutores e encarece o projeto. Não é preciso equilibrar toda a cablagem.
Situações em que o equilíbrio é especialmente eficaz:
- Transmissão a longa distância e interfaces entre equipamentos (RS-422, RS-485, Ethernet, etc.)
- Transmissão de sinais de baixo nível e saídas de sensores, quando a tensão de modo comum é elevada
- Transmissão de sinal em ambientes com muito ruído
Os circuitos digitais no interior do equipamento têm margem de ruído, pelo que a cablagem não equilibrada (single-ended) costuma ser suficiente. Tornar diferencial (equilibrada) apenas a parte de interface é a escolha realista.
Resumo
- Equilíbrio significa condutores de ida e retorno equivalentes. O ruído externo entra em modo comum e o ruído de modo normal é suprimido
- A estrutura entrançada cancela a f.e.m. induzida pelo ruído externo — o maior grau de equilíbrio alcançável na prática
- Não só é difícil de perturbar como também irradia pouco para fora — bom enquanto vítima e enquanto agressor
- Eficaz na transmissão a longa distância e em sinais de baixo nível. Dentro do equipamento o single-ended costuma bastar
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