Cabeamento - parte 4

 

Por Eng. Claudio de Almeida

 

Esta é a quarta  parte de uma série de artigos sobre cabeamento em CFTV. Se você ainda não viu as partes anteriores, recomendo que as leia antes, clicando nestes links: Parte 1 - Introdução, Parte 2 - Cabeamento metálico e Parte 3 - Cabeamento coaxial

 

O cabeamento UTP

A princípio, os sinais de vídeo de uma câmera de CFTV foram definidos para serem transportados por cabos coaxiais, o que perdurou por muitos anos, até que, há cerca de 20 anos atrás,  uma empresa americana teve a brilhante ideia de  utilizar cabos UTP categoria 5e (4 pares) para levar o sinal de vídeo de até 4 câmeras por um único cabo!

 

O que é um cabo UTP

 

UTP signiifca Unshielded (não blindado) Twisted (trançado) Pair (par), ou seja cabo de pares trançados não blindados.

 

O primeiro empecilho: A diferença de impedância

 

Sim, a ideia parecia boa, mas tinha um problema: Os cabos coaxiais têm 75 ohms de impedância e os cabos UTP, 100 ohms. Esse descasamento de impedância poderia causar perda de retorno (para saber o que é perda de retorno, leia este artigo aqui).

 

Como resolver isso?

 

Com um balun casador de impedância. Os baluns convertem a impedância de 75 ohms do cabo coaxial (saída da câmera e entrada do DVR) nos 100 ohms de impedância do cabo UTP.

 

Por esse motivo, NUNCA USE BALUNS COM CABO COAXIAL. Porque não precisa, eles já são 75 ohms.

 

O segundo empecilho: A falta de blindagem

 

O papel da malha de terra do cabo coaxial é proporcionar uma blindagem contra interferências para o sinal de vídeo, que corre no condutor central.

 

O oposto também é válido: A blindagem também impede que os sinais que transitam pelo cabo possam formar um campo magnético externo a este, causando interferência em outros cabos ou equipamentos próximos.

 

Mas como proteger um cabo não blindado contra interferências?

 

 

O cabo par trançado

 

O cabo par trançado é composto de pares de fios entrelaçados entre si com o propósito de cancelar as interferências eletromagnéticas (EMI).

 

Essa técnica foi inventada em 1881, por Alexandre Graham Bell, o inventor do telefone, que percebeu que entrelaçar as linhas de transmissão nos postes ajudava a eliminar interferências.

 

Mas como é possível eliminar interferências simplesmente trançando os pares?

Fonte: Wikipedia

 

Balanceado - não balanceado

 

Em um cabo coaxial, os 2 meios que conduzem o sinal são diferentes entre si. Um é o condutor central e outro é uma malha que circunda o primeiro. Chamamos isso de cabo não balanceado.

 

Já no cabo UTP, os 2 cabos que conduzem o sinal são idênticos e trançados entre si. Chamamos isso de cabo balanceado

 

Sendo assim, a principal função do balun não é converter a impedância de 75 ohms do cabo coaxial para os 100 ohms do cabo  UTP e vice-versa. Sua mais importante função é converter um sistema balanceado (cabo par trançado) em não balanceado (cabo coaxial) e vice-versa. Daí o nome:

 

BalUn - Balanced to Unbalanced  (balanceado para não balanceado)

 

 

Qual é a vantagem do cabo balanceado?

 

Em um cabo balanceado, o sinal também é balanceado. Ele é dividido em 2 partes, sendo que uma delas é enviada invertida.

 

Por exemplo, um sinal de vídeo de 1 volt pico-a-pico que sai do conector BNC de uma câmera é dividido em 2 metades: Uma com 0,5 Vpp que sai pelo  terminal  + do balun e a outra metade é invertida, ficando com - 0,5 Vpp, que sai pelo terminal - do balun.

 

O borne + do balun é conectado ao cabo de cor mais escura do par trançado.

 

O borne - do balun é conectado ao cabo de cor mais clara (ou listrado, ou branco) do par trançado.

 

A vantagem disso é que os campos eletromagnéticos formados pelos 2 sinais que percorrem o par, por serem de polaridade invertida, se anulam, ou seja, formam uma blindagem que impede que esse cabo cause interferência em outros cabos ou equipamentos adjacentes.

 

 

 

Além disso, pelo fato do cabo ser trançado, qualquer interferência ou ruído externo atingirá os dois sinais com a mesma intensidade.

 

 

Ao chegar na outra ponta, a metade negativa do sinal é novamente invertida e  somada à metade  positiva e o sinal volta a ficar com 1 Vpp.

 

Como o ruído da metade negativa também é invertido junto o sinal de vídeo, quando as duas metades do sinal se somam, o ruído é cancelado.

 

Ou seja, essa inversão de polaridade das duas metades do sinal forma uma blindagem contra interferências externas.

 

Está então explicado como o uso de baluns em cabo par trançado consegue formar uma blindagem similar àquela do cabo coaxial.

 

Loop de terra

 

Conforme já explicado em 10 coisas que você precisa saber sobre fontes de alimentação para CFTV, o indesejável efeito loop de terra ocorre quando existe uma diferença de potencial entre as referências de terra da câmera e do DVR.

 

Isso gera uma corrente AC que circula entre os terras da câmera e do DVR e a malha do cabo de vídeo, formando um loop de terra, cujo sintoma são aquelas barras horizontais que ficam passando pela tela:

 

 

Porém, como o par trançado leva apenas dois sinais balanceados, não existe  um caminho para o terra entre os 2 baluns.

 

Sendo assim, como não se fecha um loop, não há como ocorrer o efeito loop de terra em um cabo par trançado não blindado.

 

Não utilize cabo par trançado blindado!

 

Os baluns de vídeo foram idealizados para serem utilizados com cabos UTP, ou seja cabos não blindados.

 

Sendo assim, não utilize cabos FTP, STP ou qualquer outro tipo de cabo par trançado blindado.

 

Simplesmente porque a blindagem do cabo vai formar um caminho de terra entre a câmera e o DVR, fechando o loop, que vai  permitir a ocorrência do indesejável efeito loop de terra..

 

Mas, se por acaso você tiver que utilizar um cabo par trançado blindado, conecte apenas uma das pontas da malha do cabo à um dos lados (DVR ou câmera), nunca as duas, para evitar a criação de um loop.

 

Também nunca deixe a malha desconectada de ambos os lados. A malha sem um ponto de aterramento vai funcionar como um defletor do campo magnético formado no cabo, ampliando seu alcance, o que pode causar interferência em cabos ou equipamentos próximos.

 

Alimentação centralizada

 

Conforme vimos acima, qualquer ruído captado pelo cabo é cancelado quando uma metade do sinal é novamente invertida para ser somada à outra metade.

 

Na saída da câmera, quando o sinal passa pelo primeiro balun, ele é dividido em duas metades iguais, tomando como referência o terra  do conector BNC na entrada do balun.

 

Na outra ponta, quando os sinais são novamente somados, é tomada como referência o terra do conector BNC do balun de saída.

 

O problema é que se os terras das duas pontas não estiverem no mesmo potencial, o ruído não será totalmente cancelado.

 

No exemplo abaixo, existe uma diferença de 0,1 V entre os terras da câmera e do DVR.

 

 

Sendo assim, para que a blindagem contra interferências de um cabeamento de par trançado com baluns funcione corretamente,   a referência de terra das duas pontas deve estar no mesmo potencial.

 

Por isso é extremamente importante que a fonte de alimentação seja centralizada, para garantir que câmera e DVR estejam no mesmo potencial de terra.

 

Resolução de imagem e largura de banda

 

Quando os baluns para CFTV foram inventados, há mais de 15 anos, a resolução da maioria das câmeras era cerca de 330 HTVL, ocupando uma largura de banda de apenas 4,13 MHz.

 

Porém, quando a resolução horizontal das câmeras de vídeo começou a aumentar, a largura de banda necessária aumentou proporcionalmente.

 

Por exemplo, para uma câmera de 420 HTVL, são necessários 5,25 MHz de largura de banda; para 600 HTVL, 7,5 MHz.

 

O gráfico abaixo mostra a largura de banda necessária para cada valor de resolução horizontal:

 

O problema é que esse aumento de resolução vai de encontro às limitações físicas dos baluns.

 

Vamos pegar como exemplo as especificações típicas de um balun passivo muito comum por aqui, fabricado por empresas chinesas:

 

 

Na segunda e terceira linhas, é informado que a resposta de frequência é de 0 a 6 MHz, para uma distância máxima de 300m.

 

No máximo 6 MHz de largura de banda? Então, baluns passivos cortarão qualquer resolução acima de 480 HTVL!

 

 

Isso significa que se você pretende fazer uma instalação de CFTV com baluns passivos e cabo par trançado, não adianta utilizar câmeras com resolução superior a 480 HTVL, pois qualquer resolução acima disso será filtrada pelos baluns.

 

Mas será que essa limitação só ocorre com esses baluns chineses ou são todos assim?

 

Para esclarecer essa dúvida, busquei as especificações de um balun americano fabricado pela empresa que inventou esses baluns  para CFTV.

 

Este fabricante prefere mostrar a resposta de frequência conforme a distância através de um gráfico onde, na curva “Distância Máxima Passivo”, temos:

 

- Em vermelho, até 100 m de distância para 480 linhas de resolução;

 

- Em verde, para uma resolução de 600 HTVL, apenas 30 m!

 

- Em amarelo, para uma distância de 300 m, apenas 235 linhas de resolução!

 

Ou seja, para câmeras de maior resolução, não se pode utilizar cabos UTP com baluns passivos para distâncias muito longas.

 

Quando esse tipo de balun foi inventado, ele atendia, pois a resolução dos melhores sensores de imagem não passava de 480 HTVL.

 

A solução seria utilizar baluns ativos na recepção, perto do DVR , e baluns passivos próximos à câmera, porque aí fica valendo a curva central do gráfico acima, onde temos:

 

- Para 480 linhas de resolução, 400 m;

 

- Para 600 HTVL, 300 m!

 

- Para 800 HTVL, cerca de 150 m.

 

 

Como o balun ativo corrige a perda em altas frequências?

 

Baluns passivos

 

Em baluns passivos, as perdas devido a resistência elétrica no cabo atenuam o nível do sinal de vídeo. Além disso, as altas frequências sofrem uma atenuação maior devido ao efeito capacitivo do cabo e às limitações do próprio balun.

 

 

Balun ativo na recepção

 

Quando colocamos um balun ativo na recepção, o nível de sinal é equalizado, ou seja, o nível das altas frequências sofre uma maior amplificação do que as baixas frequências, fazendo com o sinal volte a ficar no mesmo nível em todo o espectro de frequências.

 

 

ATENÇÃO: SE FOR UTILIZAR APENAS UM BALUN ATIVO, ELE DEVE SER SEMPRE O RECEPTOR

 

Baluns ativos nas 2 pontas

 

Consegue-se  atingir maiores distâncias utilizando-se baluns ativos tanto na transmissão quanto na recepção porque o balun ativo na transmissão já eleva o nível do sinal antes de transmiti-lo, permitindo assim uma maior atenuação no cabo (maior comprimento de cabo) e o balun ativo na recepção  equaliza o sinal recebido

 

 

Testes Feitos

 

Fiquei curioso em saber se essa limitação de distância e resolução dos baluns passivos era tão crítica assim.

 

CABOS UTP Utilize sempre cabos UTP formados por fios rígidos de cobre puro. Cabos de alumínio cobreado não servem para aplicações em CFTV. Cabos UTP formados por fios flexíveis não são adequados para instalação em eletrodutos.Por serem mais flexíveis, devem ser utilizados apenas na montagem de patch cords para interligar o computador à tomada de rede.Então peguei um par de baluns passivos chineses, exatamente aqueles da especificação acima e testei-os para as frequências de 0 a 10 MHz (até 800 HTVL), com 100, 200 e 300 m de um cabo UTP CAT 5e de boa qualidade, composto por fios rígidos de cobre puro.

 

Os resultados que obtive foram um pouco melhores:

 

- Para 100 m de cabo UTP, até 800 HTVL

 

- Para 200 m de cabo UTP, até 280 HTVL

 

- Para 300 m de cabo  UTP, até 150 HTVL

 

Do que se pode concluir:

 

UTILIZE SEMPRE CABOS UTP CAT 5e DE BOA QUALIDADE, COM FÍO RÍGIDO DE COBRE PURO

 

NUNCA UTILIZE BALUNS PASSIVOS PARA DISTÂNCIAS ACIMA DE 100 M!

 

Nos testes com balun receptor ativo, consegui 800 HTVL de resolução com até 350 m de cabo UTP.

 

Enviando também a alimentação

 

Como cada cabo UTP CAT 5e tem 4 pares, é possível enviar também a alimentação para a câmera pelo cabo UTP.

 

Neste caso, não será possível enviar os sinais de até 4 câmeras por um único cabo. Será necessário um cabo UTP para cada câmera.

 

Para poder enviar também a alimentação, é feita a seguinte conexão:

 

- O sinal de vídeo é conectado ao par verde;

 

- Junta-se os 2 fios do par azul para ligar o negativo da alimentação;

 

- Junta-se os 2 fios do par marrom para ligar o positivo da alimentação.

 

Como cada fio tem a bitola 24 AWG, unindo-se um par para levar a alimentação, a bitola dobra (2 x 24 AWG), podendo alcançar  assim o dobro da distância.

 

 

Neste caso, utiliza-se um balun especial e conectores RJ-45 no cabo UTP.

 

Com essa bitola de cabo (2 x 24 AWG), pode -se alimentar câmeras nas seguintes distâncias:

 

 

Para uma câmera que consome 300 mA, como uma IR 30 m, apenas 47 m de distância.

 

Parece pouco, mas é o cálculo correto, pois leva em conta as especificações dos fabricantes de câmeras, que estipulam que uma câmera deve ser alimentada com 12 V  mais ou menos  10% ou seja de 10,8 a 13,2 V.

 

Portanto, câmeras não devem ser alimentadas com tensões inferiores à 10,8 V. Abaixo dessa tensão sua vida útil pode ficar comprometida e suas características, tais como relação sinal ruído, resolução, sensibilidade, etc., ficam prejudicadas. Esse cálculo será melhor explicado no próximo artigo desta série, que será sobre alimentação.

 

DICA: Duas câmeras + alimentação no mesmo cabo UTP Se você tiver duas câmeras próximas, instaladas no mesmo poste, por exemplo, é possível receber o sinal de vídeo e alimentar essas 2 câmeras com um único cabo UTP.É só utilizar o par laranja, que ficou vago, para o sinal de vídeo da segunda câmera.O problema é que será necessário fazer uma adaptação, com 2 pares de balun (sem alimentação) e  a conexão da alimentação será feita por fora,  manualmente.Outro problema é que, como agora estão sendo alimentadas duas câmeras e não uma, deve-se somar a corrente de consumo das 2 para determinar a distância máxima permitida.Por exemplo, se forem 2 câmeras idênticas que consomem 300 mA cada, a distância máxima será dividida pela metade. Ao invés de 47 m, passará a ser de  apenas 23,5 m.

 

Outras maneiras de enviar alimentação

 

É possível estender essas distâncias enviando tensões de alimentação maiores que 12 Volts e utilizando baluns redutores de tensão na outra ponta.

 

Existem baluns padrão rack para até 16 câmeras que já vêm com fontes internas de 24 ou 36 Volts. As distâncias máximas alcançadas vão depender de como cada fabricante projetou a fonte redutora, mas elas serão próximas destas:

 

 

O único problema é que  até o momento não vi nenhum desses conjuntos de baluns com alimentação que utilizassem baluns ativos, apenas passivos..

 

Sendo assim, não adianta muito estender essa distância máxima para a alimentação se a distância máxima permitida para o sinal de vídeo com baluns passivos, sem perda de resolução, é de apenas 100 m...

 

Conectando os baluns

 

Baluns de vídeo UTP utilizam vários tipos de conexão: bornes de pressão, bornes com parafusos e até conectores RJ-45.

 

 

O problema é que nenhum desses tipos de conexão é adequado para utilização em ambientes externos, pois não são imunes à umidade ou poeira.

 

Considerando que cerca de 80% dos chamados para  manutenção são relativos à problemas de cabeamento (mau contato, conexões interrompidas, etc.), é altamente recomendável acomodar os baluns que forem instalados em ambientes externos em caixas herméticas, com proteção IP 66.

 

Câmeras analógicas HD

 

Câmeras analógicas HD, das tecnologias HD-CVI, HD-TVI e AHD, utilizam uma largura de banda bem maior que os 10 MHz das câmeras analógicas com 800 linhas de resolução.

 

Dependendo da tecnologia, a largura de banda necessária pode passar de 50 MHz.

 

Sendo assim, é necessário utilizar-se baluns HD, que são especiais para essas tecnologias.

 

São mais caros que os baluns passivos convencionais, chegando a custar até 4 vezes mais e, a distância máxima alcançada é de cerca de 200 m.

 

Até o momento, não existem baluns ativos para essas tecnologias HD, apenas passivos.

 

Conclusão

 

A utilização de cabos UTP com baluns para o envio de sinais de vídeo é mais uma alternativa aos cabos coaxiais.

 

Não dá para dizer que uma solução é melhor do que a outra; vai depender da aplicação, das distâncias envolvidas, etc.

 

O importante é pesar todas as variáveis envolvidas (custo de cada solução, condições da infraestrutura, etc.) para escolher a solução mais adequada para cada situação, aquela com melhor custo benefício.

 

 

Parte 5 - Cabeamento para alimentação de câmeras

 

Mar/2016

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