جفت های پیچ خورده : چرا سیم ها پیچ خورده اند؟

کابل های  twisted pair از جمله کابل هایی است که در فناوری صوتی و شبکه ای مورد استفاده قرار می گیرد. سیم ها برای دستیابی به دو هدف اصلی بهم پیچیده شده اند: 1- کاهش سرو صدای ورودی2- کاهش صدای ورودی مربوط به تداخل الکترومغناطیسی.

چگونه یک جفت سیم بهم تابیده شده برای جلوگیری از سروصدا کار می کند؟ در این مقاله علوم پایه فناوری کابل های بهم تابیده را یاد خواهید گرفت

صدا از کجا می آید؟

در ابتدا می خواهیم درک کنیم که چگونه سرو صدا از یک جفت سیم بهم تابیده شده عبور می کند؟ نکته مهم اینجاست تا درک کنیم صدا از کجا می آید؟

هر زمان که یک جریان الکتریکی متناوب از یک سیم عبور می کند، یک میدان مغناطیسی در اطراف آن سیم ایجاد می شود. که عکس این موضوع نیز صادق است. یعنی هر گاه یک میدان مغناطیسی با یک میدان الکتریکی در تعامل باشد، یک جریان الکتریکی در مدار ایجاد می شود. با توجه به موضوعات فوق یک سیگنال در یک مدار می تواند از طریق پدیده ای موسوم به القا به مداری که در نزدیکی اش است اثر گذارد یا به اصطلاح پرش نماید.

بطور مثاال تصور کنید یک کابل برقی در نزدیکی زمین قرار دارد که در ایالات متحده با قدرت 60 هرتز کار می کند. این بدان معناست که جریان الکتریکی متناوبی وجود دارد که از طریق کابل برق با فرکانس 60 هرتز جریان می یابد. با توجه به اینکه با عبور جریان از سیم یک میدان مغناطیسی در اطراف آن بوجود می آید، در نتیجه یک میدان مغناطیسی متناوب با فرکانس 60 هرتز را خواهیم داشت. حال اگر میدان الکتریکی دیگری را در نزدیکی کابل برق قرار دهید، میدان مغناطیسی مذکور جریان 60 هرتز را به مدار القا می کند.

این مسئله باعث ایجاد یک مسئله مشترک بنام متقاطع می شود که در آن سیگنال از یک مدار از طریق میدان مغناطیسی به مدار دیگر انقال می یابد. هدف اصلی جفت سیم های بهم تابیده کاهش این تقاطع است.

چگونه جفت سیم های بهم پیچیده مانع از سرو صدا می شوند؟

یک مدار شامل دو سیم است که هر سیم دارای ولتاژی یکسان و متضاد یکدیگر هستند. اگر یکی از سیم ها دارای ولتاژ مثبت باشد، دیگری دارای ولتاژ منفی خواهد بود. ولتاژ بر روی دو سیم یکسان است با قطبیت معکوس. قطبیت، ولتاژ الکتریکی که از سیم در حال عبور است، قطبیت میدان مغناطیسی ایجاد شده در اطراف سیم را تعیین می کند.

نه تنها قطبیت ولتاژ الکتریکی بر روی هر سیم خلاف یکدیگر است، بلکه قطبیت میدان های مغناطیسی که از هر سیم بوجود می آید نیز خلاف یکدیگر هستند. وقتی نیروهای مساوی و متضاد با یکدیگر روبرو می شوند، یکدیگر را خنثی می کنند.

زوجهای بهم تابیده باعث کاهش سرو صداهای خروجی می شود

قرار دادن سیم ها در کنار یکدیگر انرژی میدان های مغناطیسی ایجاد شده توسط هر سیم را تا حد زیادی کاهش می دهد. این به این دلیل است که سیم مثبت میدان مغناطیسی مثبت ایجاد می کند و سیم منفی میدان مغناطیسی منفی. وقتی این دو میدان در نزدیکی یکدیگر قرار داشته باشند با یکدیگر تعامل خواهند داشت. به این موضوع تعامل مخرب گفته می شود.

زوجهای بهم تابیده باعث کاهش سرو صداهای ورودی می شوند

همانطور که می دانید میدان های مغناطیسی ناشی از کابل ها یا دستگاه های دیگر می توانند نویز را به یک مدار تزریق نمایند. قرار دادن سیم های یک مدار در نزدیکی هم می تواند به جلوگیری از وقوع این امر کمک کند. سیگنال عبوری از مدار، مخالف مدار سیم دیگر است. هنگامی که سیگنالی به مقصد می رسد، دستگاهی که سیگنال را دریافت نموده است، انتظار دارد ولتاژهای متضادی را در هر سیم ببیند.

با این وجود، هر میدان مغناطیسی که با سیم ها در طول مسیر از مبدأ به مقصد در تعامل باشد، یک ولتاژ تولید می کند که در هر سیم یکسان است. دستگاه دریافت کننده مشاهده می کند که یک ولتاژ مشترک وجود دارد که آن را رد ( انتقال) می کند. به این حالت، رد حالت معمول گفته می شود.

مزایای سیم های بهم پیچ خورده

در هر دو حالت قرار دادن سیم ها در نزدیکی یکدیگر، میزان سرو صدای ورودی و خروجی از مدار را کاهش می دهد. توجه داشته باشید قرار دادن سیم ها در کنار یکدیگر به اندازه پیچاندن آنها بهم موثر نیست. تداخل مخرب و رد حالت معمول فقط در صورت عدم توافق کامل دو انرژی مخالف منجر به لغو کامل می شود.

وقتی سیمها به سادگی در کنار یکدیگر قرار می گیرند، واقعا همان موقعیت را اشغال نمی کنند. این بدان معناست که همیشه یک مدار نزدیک تقریباً همیشه به یک سیم نسبت به سیم دیگر نزدیک می شود. به این ترتیب وقتی یک میدان مغناطیسی از کنار آن عبور می کند، با سیم قبلی در تعامل است.

به بیان دیگر می توان گفت وقتی دو سیگنال متضاد با یکدیگر هماهنگ نیستند، تنها برخی از لغوها اتفاق می افتد، اما لغو کامل انجام نمی گردد. در حالت ایده آل دو سیم، دو موقعیت دقیق را اشغال می کنند بطوری که هر مدار مجاور یا منابع سرو صدا در فاصله با یک سیم قرار دارند. که این امر در دنیای واقعی امکان پذیر نیست.

کابل های کواکسیال از بهترین تلاشها برای دستیابی به این هدف است. پیچاندن سیم ها بمثابه مصالحه بین آنهاست که این امکان را می دهد تا سیم ها کانال های زیادی را حمل کنند، در حالیکه سیم ها در مجاورت بسیار نزدیک هم قرار دارند. همین امر باعث می شود مقدار قابل توجهی از سرو صدا رد شود.

البته سیم های بهم تابیده موقعیت یکسانی را اشغال نمی کنند. پس چه چیزی اتفاق می افتد؟ در طول کابل دو سیم بطور متناوب قرار دارند و این نتیجه می دهد که هر سیم با یک موقعیت متوسط یکسان است. در برخی مواقع که ممکن است یک مدار و یا منبع نویز در نزدیکی سیم قرار داشته باشد، اما در نقاط دیگر به سیم دیگری نزدیک باشد. اگر چه این روش، روش مناسبی نیست اما می تواند بسیار موثر باشد.

جفت سیم های بهم تابیده چقدر موثرند؟

فناوری جفت سیم های بهم تابیده تقریباً در هر مکانی کاربردی بنظر می رسند. این یک اصل ساده است که در صورت استفاده مناسب، بعنوان پایه و اساس بسیاری از فناوری های بسیار پیچیده مورد استفاده قرار می گیرد. طبق آزمایشاتی که انجام شده است هنگامی که جفت سیم ها را از یکدیگر دور می کنیم نویز و سرو صدای بیشتری را می توان شنید و با نزدیک کردن آنها این سر وصدا کاهش می یابد تا حدی که با پیچاندن این سیم ها به یکدیگر کاملاً نویز و یا سرو صدا از بین می رود.