Micrófonos: conexión balanceada y alimentación phantom

Las débiles señales microfónicas exigen extremar el cuidado en su transmisión haciendo preferible la transmisión diferencial (balanceada). Además la señal es en muchos de ellos tan minúscula que se requiere una primera amplificación en el propio micro, lo que exige aportar alimentación dando lugar a la aparición del ‘phantom’ sobre líneas balanceadas cuando están pensadas para uso con micrófonos.

Para entender bien las diferencias entre transmisión balanceada y no balanceada, vamos a empezar por ver un diagrama simple de una conexión no balanceada.

Llamo la atención sobre la existencia de sólo dos conductores: el hilo de señal y la pantalla del cable que realiza una conexión entre las dos masas de referencia en ambos sistemas (sus 0V, por entendernos).

Para lograr la mejor transmisión posible de las débiles señales microfónicas, una más que opción casi obligación es el uso de transmisión balanceada. En ella aparecen tres conductores: dos hilos de señal y la pantalla. Estos dos hilos llevan sendas copias invertidas entre sí de la señal de interés (con nivel opuesto: una negativa cuando la otra es positiva y viceversa) y la pantalla ya no establece una conexión eléctrica entre las referencias de ambos sino que suele estar sencillamente conectada al chasis (a 'tierra').

Podríamos representarlo diciendo que enviamos por un cable la señal deseada ‘s’ y por el otro la señal ‘–s’ (opuesta a la anterior, cambiada de signo). Es habitual en este tipo de interfaces denominar a estas dos señales ‘hot’ y ‘cold’ para indicar que en el fondo son dos variantes de una misma realidad.

El extremo receptor usa un amplificador diferencial, que calcula la diferencia entre los dos cables de señal.

Este esquema (muy simplificado) da la idea general sobre su funcionamiento.

La forma de conseguir esas dos señales a partir de la única señal del sensor puede ser muy diversa. En micros de condensador aprovechando la presencia de un previo/amplificador y usando uno 'doble' que genere esas señales opuestas (con diferentes soluciones de circuito posibles para ello) o bien mediante el uso de transformadores que será también típico en micrófonos dinámicos. El uso de transformador para obtener el caracter de salida balanceada en micros dinámicos permite mantenerlos pasivos, con el beneficio de que no requieran alimentación. Es algo tan simple como lo que muestra la figura:

En algunos casos veréis micros de bobina que usan la técnica del humbucking, bien conocida en pastillas de guitarra: cuentan con dos bobinados en oposición para de esa forma conseguir directamente señal balanceada y que además las interferencias captadas por esas bobinas se anulen entre sí. Y hay más formas de conseguir la emisión en balanceado.

Como decíamos antes, las ‘referencias’ de masa (0V) en ambos circuitos no están directamente conectadas. El apantallamiento del cable sólo está unido al chasis/tierra.

¿Qué ventajas ofrece este tipo de transmisión que llamamos balanceada?

Por una parte la presencia de la malla conectada a masa/tierra y apantallando (rodeando) todo el recorrido hace que las posibles interferencias tengan un poco más difícil ‘entrar’ hasta los dos hilos que llevan realmente la señal, pero eso podríamos lograrlo con otras pantallas, no es ese el objetivo real.

Por otra parte la señal diferencial recibida es de doble amplitud que la de cualquiera de las dos señales individuales. Al calcular la diferencia (la resta) tenemos s – (-s), que todos sabemos resolver como s-(-s) = s+s = 2s, por pocas matemáticas que conozcamos. Señal doble sí, pero porque la hemos tenido que enviar duplicada, así no parece que tanta ventaja …

El beneficio que se busca y se obtiene es:

• Cualquier interferencia inducida sobre la señal en el cable acaba siendo eliminada/rebajada.

Pensad que un ruido electromagnético del ambiente ‘r’ se cuela. Típicamente afectará por igual a los dos hilos porque discurren por el mismo camino. Las señales recibidas ya no serán s y –s sino s+r y –s+r. Al calcular la diferencia entre estas dos señales que llegan (ambas con el mismo ruido montado), el amplificador del receptor obtiene (s+r)-(-s+r) = s+r+s-r = 2s+r-r = 2s.

Lo de la señal doble no es especialmente relevante, la magia es que el ruido ha desaparecido. Es esta la razón de usar este tipo de transmisión: la posibilidad de reducir el impacto de ruidos añadidos durante la transmisión, con el único requisito de que usemos tres conductores (dos de señal y uno de masa) para enviar la señal que en transmisión no diferencial no requeriría nada más que dos (señal y masa). El uso de ese tipo de cable y complicar un poco (a día de hoy realmente poco) el diseño de transmisor y del receptor es todo lo que hace falta.

Finalmente un detalle: aunque solemos decir lo de s y -s, realmente lo que importa es que la señal viaje en la diferencia entre ambos cables (para que un receptor diferencial pueda extraerla) y que la impedancia de esos dos caminos sea lo más idéntica posible (para que el ruido que reciban sea igual y pueda ser cancelado en el receptor diferencial). De hecho hay muy diferentes formas de obtener salidas balanceadas, como son el balanceo en impedancia o el servobalanceo, además de los que parecería más evidente que sería el tener dos salidas usando dos amplificadores operacionales en oposición para generar s y -s. Para profundizar un poco más en esta cuestión podéis acudir a un tutorial en el que os contamos cómo realizar de forma optima la conexión entre equipos balanceados y equipos no balanceados. Formando parte de ese tutorial tenéis una explicación sobre cómo funcionan los diferentes tipos de salida balanceada.

La conexión balanceada en la vida real no dará una eliminación al 100% pero sí existirá una notabilísima reducción de todo tipo de zumbidos e interferencias que se hayan colado durante el viaje de la señal por el cable. Cualquier recorrido es susceptible de recibir esta mejora, pero está claro que es primordial cuando las distancias son grandes y/o cuando los niveles de señal manejados son pequeños como sucede con los micrófonos, para lo que es de uso casi obligado este tipo de transmisión.

Pero incluso los equipos de un estudio, pese a usar niveles de señal mucho más robustos y a que puedan estar muy próximos (alojados en un mismo armario de rack) suelen conectarse aprovechando salidas y entradas balanceadas cuando las hay. No es tanto lo que se gana, pero el único sobreprecio es el de contar con los cables oportunos, cuyos 3 contactos los hacen un poco más caros que los sencillos de dos. A día de hoy la diferencia suele ser minúscula para el bolsillo. Habría que insistir en que tampoco hay que esperar enormes mejoras de calidad en conexiones tan breves y a nivel alto, pero todo ayuda. No es extraño que sean balanceadas por ejemplo las líneas entrada y salida de muchas unidades de efecto, o las entradas de los monitores autoamplificados de estudio. Se pueden por ello aprovechar con los cables adecuados para unirlos a los interfaces E/S también balanceados que son comunes fuera del ámbito más estrictamente doméstico.

En esos casos, el uso de conexiones balanceadas es además el que mejor garantizará el adecuado uso y significado de los niveles de referencia (los típicos +4dBu) porque en conexiones balanceadas ese nivel de +4dBu existe entre el 'hot' y el 'cold', que es entre los que está definida la señal, y puede a veces verse reducido a la mitad (mitad de voltaje, y por tanto una caída de 6dB) en caso de usar una conexión no balanceada desde una fuente balanceada, con lo que podemos engañarnos con las lecturas en un uso no balanceado de un sistema pensado para conexión balanceada. Si nos fiamos del medidor de la entrada marcará 6dB menos de lo esperado, subiremos el nivel de la salida y quizá la estemos forzando a un grado de distorsión mayor de lo que pretendíamos (estará trabajando 6dB por encima de su nivel de referencia).

Ese es sólo un ejemplo de problema habitual que hay que enfrentar de cuando en cuando: el de la conexión entre sistemas balanceados y sistemas no balanceados. Pero no vamos a ahondar ahora más en ello: tiene mucha más miga de la que suele comentarse y merecerá una entrega específica. Hay demasiadas combinaciones posibles y cada una tiene su truquillo propio.

El hecho de que la línea de tierra/apantallamiento ya no aporte información útil para la señal (el amplificador sólo necesita ver diferencias entre las líneas hot y cold), permite que en el caso de que aparezcan problemas de tipo ‘zumbidos’ de red que se cuelan en el audio puedan esquivarse ‘desconectando’ la línea de masa en un extremo.

Esos problemas de zumbido de red muchas veces son debidos a corriente que circula por el apantallamiento al no encontrarse exactamente al mismo valor de potencial eléctrico los dos extremos. Al ponerlas en contacto a través del cable algo de corriente circula y se acaba manifestando en el audio. Es algo especialmente fácil cuando los extremos están distantes. La desconexión del hilo de masa´para romper ese camino suele realizarse a través de un conmutador ‘groud lift’ que aparece en alguno de los equipos que intervienen.

Si no contamos con ese conmutador ‘ground lift’, podemos también tener preparados cables con esa desconexión en un extremo (no en ambos, para que al menos uno de los dos extremos está aportando un recubrimiento de masa a todo el recorrido del cable), aunque en lugar de esas chapuzas que pueden permitirnos salir del paso ante un imprevisto lo mejor es ser precavidos y contar con alguna caja de inyección que permita precisamente ese tipo de acción (transmisión balanceada con ground lift) y que aporte una mejor organización y visualización de la solución al problema.

La transmisión diferencial retira en el receptor cualquier componente común a ambos hilos de señal. Eso permite usar el juego de esos dos cables para enviar alimentación DC (continua) por el mismo cable de la señal sin afectar a esta última.

Es lo que se denomina alimentación fantasma o phantom, típicamente pensada para entregar desde la entrada de una mesa o previo una tensión de alimentación de 48V DC (raramente otras como 24V) que pueda servir para aportar energía eléctrica con la que alimentar al otro equipo. El uso habitual de la alimentación fantom es servir una alimentación remota hacia un micrófono de condensador u otro tipo que exija recibir alimentación para funcionar (en los de condensador se necesita alimentar la etapa de amplificación que montan en su cuerpo), evitando tener que contar con pilas o con fuente de alimentación cercana al micro.

La idea básica queda reflejada en la figura. Los 48V se inyectan por medio de dos resistencias sobre las dos líneas en la entrada del receptor (el símbolo de una raya larga fina y otra más corta y gruesa representa una fuente DC que en nuestro caso serían los 48V). Otras dos resistencias ‘extraen’ en el emisor esa tensión para poder alimentar con ella al sistema que lo necesita (el amplificador interno del micrófono). Como se trata de una señal DC (continua) basta incluir en el extremo transmisor unos condensadores para impedir que se cuele ‘hacia atrás’ por los caminos de la señal hacia la salida del amplificador del micrófono, lo que podría llegado el caso estropearlo (o al menos degradar la calidad de audio al interferir con el amplificador del emisor).

Pensada para alimentar a ciertos micros como los de condensador, ¿qué pasa si activamos el 'phantom' con un micro que no lo necesita? En aras del ahorro, algunas mesas, juegos de previos e interfaces A/D no ofrecen la activación del fantom individual sobre cada canal, sino que lo hacen por lotes. Por ejemplo mi Tascam 16x08 tiene 8 de sus 16 entradas pensadas con opción a micro sobre conector XLR en modo balanceado, pero la activación del fantom se realiza en bloque para las conexiones 1-4 y 5-8 mediante dos conmutadores físicos (no ocho individuales).

Ya sea por esa activación en bloque o por un simple descuido a la hora de configurar las cosas, podría darse el caso de que activemos la alimentación fantom hacia un micrófono que no la necesite, lo que es una potencial fuente de problemas que no siempre se darán pero a los que no conviene arriesgarse. Mejor conocer las posibilidades de nuestros equipos leyendo sus especificaciones. Es cierto que la mayoría de los micros 'pro' aguantan la presencia de 48V, pero digo 'mayoría' no 'todos'.

Si se trata de un micro dinámico balanceado (lo suelen ser los de calidad profesional) no hay normalmente problema, acostumbran a estar diseñados para no verse afectados, pero aseguraos de que es tolerante a fantom. Si el micrófono es no balanceado, la tensión podría llegar a alcanzar la bobina del captador, con riesgo de destrucción de la misma, mejor no andar probando. En algunos micros aparece un condensador de bloqueo de la continua como prevención, pero por el efecto de reducción de graves a que puede dar lugar otros no cuentan con ello.

Documentarse respecto a las características de nuestros equipos es imprescindible si queremos estar tranquilos. En los micros 'pro' son realmente pocos los que tienen miedo de los fantasmas, pero que la alergia a los manuales no os lleve a descubrir la excepción de la peor manera posible.