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Sinais em modo comum (TEL007)

Muitos sistemas de comunicações através de fio utilizam sinais em modo comum. Nessas configurações problemas de blindagens, terra e outros que podem causar a deterioração dos sinais podem ser contornados. Neste artigo, baseados em documentação da Maxim, analisaremos as diversas configurações que permitem a comunicação de dados através de fios e analisamos os diversos tipos de sinais em modo comum. Os leitores que trabalham com redes e outros sistemas de transmissão de dados poderão aproveitar bastante as informações dadas neste artigo.

Começamos por definir o que são sinais em modo comum. Um sinal é dito em modo comum quando aparece em duas linhas de um sistema que use dois condutores, em fase e com a mesma amplitude quando referidos a um valor de terra, conforme mostra a figura 1.

 

Nos sistemas comuns de transmissão de dados, o que se visa é levar dados de um local a outro, como, por exemplo, num sistema que faz uso da interface RS-485, ilustrado na figura 2.

 

Observe que neste sistema, os equipamentos de comunicação possuem um sistema de aterramento que serve de referência, mas os cabos de dados são isolados deste sistema. Nos sistemas comuns, os diferenciais de tensão nos cabos podem variar de poucos volts a diversos volts.

 

Ruídos

Um dos problemas desses sistemas é que ruídos podem ser induzidos nos cabos em conseqüência do seu acoplamento com dispositivos ou circuitos que possam gerar sinais.  O acoplamento dos cabos com as fontes de ruído pode ser capacitivo, ou seja, através de campos elétricos (E), indutivo (M), eletromagnético (EM), ou ainda via condução através de fugas (C). Na figura 3 mostramos os modos como essas tensões de ruído podem aparecer nas linhas de transmissão.

 

Na tabela 1 damos os diversos tipos de cabos que podem ser usados nos sistemas de comunicações de dados com suas aplicações típicas.

 

Tipo

Retorno Elétrico

Aplicações Típicas

Fio simples

Terra ou Rede

Telefones e telégrafos antigos, sistema automotivo de distribuição de energia

Fio único blindado

Blindagem

Microfones, cabos coaxiais para sinais de vídeo ou RF

Par paralelo sem blindagem

Segundo fio do par

Sinalização, rede de energia AC

Par Trançado

(UTP)

Segundo fio do par

Telefone, sinalização e cabos de dados

Par trançado Blindado

Segundo fio do par

Linhas balanceadas de microfones, cabos de RF ou cabos blindados para transmissão de dados

Cabos trançados múltiplos sem blindagem

Segundo fio de cada par

Cabo de 26 pares de telefones, ou 4 pares para as categorias EIA/TIA 1 até 6

Cabos múltiplos blindados

Segundo fio de cada par

Intercomunicadores e EIA/TIA CAT 5 Classe D ou CAT 7

 

Vejamos então  as possíveis fontes de ruído que afetam as comunicações feitas pelos cabos da tabela anterior.

 

Condutor Simples com Retorno pela Terra ou Massa

Nesse tipo de linha as tensões (1) da figura 3 ocorrem pela captação de sinais E, EM ou M. As correntes do tipo (2) na mesma figura são correntes de fuga à terra. Neste tipo de aplicação o circuito deve ser insensível à soma dos sinais (1) e (2)

 

Condutor Único Blindado

A tensão (1) aparece quando o ruído entra pela porção não blindada ou aparece entre uma fonte comum e um ponto de terra nas extremidades do cabo. A tensão (2) aparece na blindagem quando ela capta sinais E, EM ou M. As blindagens de cobre são ineficientes para o caso de ruídos acoplados indutivamente.

 

Par Paralelo não Blindado

As tensões de ruído (1) e (2) aparecem devido a radiação E, EM e M. Essas tensões são parcialmente canceladas se os condutores estiverem paralelos e muito próximos um do outro.

 

Par Trançado não Blindado (UTP)

Neste caso, as tensões de ruído (1) e (2) ocorrem devido a radiação E, EM e M. O fato dos fios serem trançados melhora a rejeição a esses sinais, pois (1) e (2) são canceladas. No entanto, o circuito receptor deve ser capaz de rejeitar essas tensões em modo comum.

 

Par Trançado Blindado ou Cabos Múltiplos Trançados e Blindados

Este tipo de cabo é mais sensível a captação de sinais por indução magnética, caso em que aparecem as tensões (1) e (2). A blindagem também é sensível a captação de ruídos, caso em que aparece a tensão do tipo (3). A tensão tipo (4) aparece pela condução de correntes pelo terra externo, quando as duas extremidades das blindagens são aterradas. Veja que nem (3) nem (4) aparecem no percurso do sinal, mas essas tensões podem causar uma corrente pela blindagem se as duas extremidades da blindagem forem aterradas. O circuito receptor deve rejeitar os sinais em modo comum, se (1) e (2) estiverem presentes.

 

Cuidados com a Blindagem e Aterramento

Linha única com retorno pela terra. Neste caso, a blindagem deve ser aterrada nas duas extremidades. Pontos de terra dos circuitos devem ser ligados à terra comum. Fio simples blindado. Neste casso, a blindagem sempre carrega um pouco de sinal. Pontos de conexão ao circuito comum devem estar presentes tanto na fonte de sinal como na carga. Vejamos a seguir algumas condições importantes para o aterramento da blindagem, e em que condições elas devem ser adotadas:

 

a) Carga flutuante - o aterramento da blindagem é feito apenas na carga - neste caso, a fonte é alimentada por bateria ou um transdutor sem alimentação como, por exemplo, um microfone. Neste caso, a carcaça do microfone também deve ser ligada à blindagem do cabo.

 

b) Carga flutuante - neste caso é possível fazer o aterramento na fonte e não no receptor de sinais - A carga é isolada, como ocorre em aparelhos alimentados por bateria. Esse tipo de linha é usada na transmissão de dados para uma carga remota aterrada, podendo ser citado como exemplo uma linha de transmissão para uma antena, que tenha um plano de terra isolado.

 

c) Fonte de sinal e carga podem ter a blindagem aterrada em ambas as extremidades do cabo - neste caso, o ponto crítico é cuidar para que tanto a fonte como a carga tenham os pontos de conexão de blindagem sob mesmo  potencial. Se isso não ocorrer podem circular correntes capazes de  causar ruídos. É importante que se diversos pontos tiverem de ser aterrados como, por exemplo, diversos equipamentos de um sistema de áudio, que isso seja feito num ponto de aterramento comum. A figura 4 mostra um exemplo para um sistema de som profissional, mas que vale para um som doméstico também.

 

Para o caso de dois fios paralelos, cada condutor transporta a mesma intensidade de corrente de sinal, mas em direção opostos. A seguir vemos os problemas que podem ocorrer neste caso.

Para o caso de linhas formadas por fios paralelos também devemos considerar as seguintes condições de aterramento:

 

a) Fonte flutuante - neste caso o aterramento é feito apenas na carga. É o caso de linhas que utilizem fontes alimentadas por baterias.

 

b) Carga flutuante - neste caso, o aterramento é feito apenas na fonte. Podemos citar o caso em que a fonte é um circuito eletrônico enquanto que a carga é um elemento passivo (um fone, transdutor, alto-falante, etc.). Linhas de alimentação AC também se enquadram nesta categoria.

 

c) Fonte e carga aterradas - nos dois extremos da linha de transmissão. Encontramos esta modalidade em sistemas RS-232. Observamos que o cabo utilizado neste caso é o trançado.

 

d) Carga e fonte flutuantes - sem aterramento nas duas extremidades. Essa configuração é encontrada em sistemas que usam transformadores, como sistemas de chamada, campainhas. Estes sistemas são imune aos ruídos de baixa intensidade.

 

Pares Trançados Sem Blindagem

Este tipo de conexão possui circuitos de transmissão e recepção normalmente conectados a terras comuns, mas a conexão da linha propriamente dita a terra não necessária e até mesmo indesejável.

Uma fonte de sinais diferenciais ou balanceada (como cabos trançados RS-422 ou RS-485) transmite dados para circuitos remotos que possuem seu próprio aterramento não sendo portanto necessário aterrar os cabos.

 

Pares Trançados com Blindagens

Aterrar a blindagem de caos blindados evita a ação dos sinais interceptados pela malha. No entanto, materiais usados na blindagem (malha) como cobre e alumínio, blinda os condutores internos apenas em relação aos sinais acoplados capacitivamente ou eletromagnéticos. Os sinais acoplados indutivamente não são bloqueados. Para esses pares blindados que transportam sinais balanceados recomenda-se aterrar a blindagem apenas numa das extremidades, normalmente do lado do receptor. O que ocorre é as diferenças de características dos aterramentos em duas extremidades pode gerar uma tensão que faz circular uma corrente indesejável pela blindagem, conforme mostra a figura 5.

 

O aterramento nas duas extremidades somente é aceitável se puder ser garantido que essa corrente não vai aparecer.

 

Conclusão

Cuidados especiais devem ser tomados para que linhas que trabalham na forma descrita neste artigo possam ser afetadas por sinais indesejáveis em modo comum. Técnicas especiais como as mostradas na figura 6 podem ser de grande utilidade na sua rejeição.

 

Essas técnicas envolvem o isolamento dos circuitos de transmissão e recepção de sinais.

 

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