Puerto (teoría de circuitos)

En la teoría de circuitos eléctricos , un puerto es un par de terminales que conectan una red o circuito eléctrico a un circuito externo, como punto de entrada o salida de energía eléctrica . Un puerto consta de dos nodos (terminales) conectados a un circuito externo que cumple la condición de puerto : las corrientes que fluyen hacia los dos nodos deben ser iguales y opuestas.

El uso de puertos ayuda a reducir la complejidad del análisis de circuitos . Muchos dispositivos electrónicos y bloques de circuitos comunes, como transistores , transformadores , filtros electrónicos y amplificadores , se analizan en términos de puertos. En el análisis de redes multipuerto , el circuito se considera como una " caja negra " conectada al mundo exterior a través de sus puertos. Los puertos son puntos donde se aplican señales de entrada o se toman señales de salida. Su comportamiento está completamente especificado por una matriz de parámetros que relacionan el voltaje y la corriente en sus puertos, por lo que no es necesario considerar, o incluso conocer, la composición interna o el diseño del circuito para determinar la respuesta del circuito a las señales aplicadas.

El concepto de puertos se puede extender a las guías de ondas , pero la definición en términos de corriente no es apropiada y debe tenerse en cuenta la posible existencia de múltiples modos de guías de ondas .

Cualquier nodo de un circuito que esté disponible para conectarse a un circuito externo se denomina polo (o terminal si es un objeto físico). La condición de puerto es que un par de polos de un circuito se considera un puerto si y solo si la corriente que fluye hacia un polo desde el exterior del circuito es igual a la corriente que fluye desde el otro polo hacia el circuito externo. De manera equivalente, la suma algebraica de las corrientes que fluyen hacia los dos polos desde el circuito externo debe ser cero. ^[1]

No se puede determinar si un par de nodos cumple la condición de puerto analizando las propiedades internas del propio circuito. La condición de puerto depende completamente de las conexiones externas del circuito. Lo que son puertos bajo un conjunto de circunstancias externas puede muy bien no serlo bajo otro. Considere el circuito de cuatro resistencias en la figura, por ejemplo. Si los generadores están conectados a los pares de polos (1, 2) y (3, 4), entonces esos dos pares son puertos y el circuito es un atenuador de caja . Por otro lado, si los generadores están conectados a los pares de polos (1, 4) y (2, 3), entonces esos pares son puertos, los pares (1, 2) y (3, 4) ya no son puertos y el circuito es un circuito puente .

Incluso es posible disponer las entradas de modo que ningún par de polos cumpla la condición de puerto. Sin embargo, es posible resolver un circuito de este tipo dividiendo uno o más polos en una serie de polos separados unidos al mismo nodo. Si solo se conecta un terminal de generador externo a cada polo (ya sea un polo dividido o no), entonces el circuito se puede analizar nuevamente en términos de puertos. La disposición más común de este tipo es designar un polo de un circuito de n polos como el común y dividirlo en n −1 polos. Esta última forma es especialmente útil para topologías de circuitos no balanceados y el circuito resultante tiene n −1 puertos.

En el caso más general, es posible tener un generador conectado a cada par de polos, es decir, ⁿ C ₂ generadores, entonces cada polo debe dividirse en n −1 polos. Por ejemplo, en el ejemplo de la figura (c), si los polos 2 y 4 se dividen cada uno en dos polos, entonces el circuito puede describirse como de 3 puertos. Sin embargo, también es posible conectar generadores a los pares de polos (1, 3) , (1, 4) y (3, 2) , lo que hace que ⁴ C ₂ = 6 generadores en total y el circuito debe tratarse como de 6 puertos.

Se garantiza que cualquier circuito de dos polos cumple la condición de puerto en virtud de la ley de corriente de Kirchhoff y, por lo tanto, son dispositivos de un puerto incondicionalmente. ^[1] Todos los elementos eléctricos básicos ( inductores , resistencias , condensadores , fuentes de voltaje , fuentes de corriente ) son dispositivos de un puerto.

El estudio de los puertos únicos es una parte importante de la base de la síntesis de redes , especialmente en el diseño de filtros . Los puertos únicos de dos elementos (es decir, circuitos RC , RL y LC ) son más fáciles de sintetizar que el caso general. Para un puerto único de dos elementos se puede utilizar la forma canónica de Foster o la forma canónica de Cauer . En particular, se estudian los circuitos LC ya que no tienen pérdidas y se utilizan comúnmente en el diseño de filtros . ^[2]

Las redes lineales de dos puertos han sido ampliamente estudiadas y se han desarrollado numerosas formas de representarlas. Una de estas representaciones son los parámetros z que se pueden describir en forma matricial mediante:

${\displaystyle {\begin{bmatrix}V_{1}\\V_{2}\end{bmatrix}}={\begin{bmatrix}z_{11}&z_{12}\\z_{21}&z_{22}\end{bmatrix}}{\begin{bmatrix}I_{1}\\I_{2}\end{bmatrix}}}$

donde V _n e I _n son los voltajes y corrientes respectivamente en el puerto n . La mayoría de las otras descripciones de dos puertos también se pueden describir con una matriz similar pero con una disposición diferente de los vectores de columna de voltaje y corriente .

Los bloques de circuitos comunes que tienen dos puertos incluyen amplificadores , atenuadores y filtros .

En general, un circuito puede constar de cualquier número de puertos: un multipuerto. Algunas, pero no todas, de las representaciones de parámetros de dos puertos se pueden extender a multipuertos arbitrarios. De las matrices basadas en voltaje y corriente, las que se pueden extender son los parámetros z y los parámetros y . Ninguno de estos es adecuado para su uso en frecuencias de microondas porque los voltajes y las corrientes no son convenientes para medir en formatos que utilizan conductores y no son relevantes en absoluto en formatos de guía de ondas . En cambio, se utilizan parámetros s en estas frecuencias y estos también se pueden extender a un número arbitrario de puertos. ^[3]

Los bloques de circuitos que tienen más de dos puertos incluyen acopladores direccionales , divisores de potencia , circuladores , diplexores , duplexores , multiplexores , híbridos y filtros direccionales .

Las topologías de circuitos de RF y microondas son comúnmente topologías de circuitos no balanceados, como coaxial o microstrip . En estos formatos, un polo de cada puerto en un circuito está conectado a un nodo común, como un plano de tierra . En el análisis del circuito se supone que todos estos polos comunes están al mismo potencial y que la corriente se origina o se hunde en el plano de tierra que es igual y opuesta a la que ingresa al otro polo de cualquier puerto. En esta topología, un puerto se trata como si fuera un solo polo. Se imagina que el polo de equilibrio correspondiente está incorporado al plano de tierra. ^[4]

La representación unipolar de un puerto comenzará a fallar si hay corrientes de bucle significativas en el plano de tierra. El supuesto en el modelo es que el plano de tierra es perfectamente conductor y que no hay diferencia de potencial entre dos ubicaciones en el plano de tierra. En realidad, el plano de tierra no es perfectamente conductor y las corrientes de bucle en él causarán diferencias de potencial. Si hay una diferencia de potencial entre los polos comunes de dos puertos, la condición del puerto se rompe y el modelo no es válido.

La idea de los puertos puede extenderse (y se extiende) a los dispositivos de guía de ondas , pero un puerto ya no puede definirse en términos de polos de circuito porque en las guías de ondas las ondas electromagnéticas no son guiadas por conductores eléctricos, sino por las paredes de la guía de ondas. Por lo tanto, el concepto de polo conductor de circuito no existe en este formato. Los puertos en las guías de ondas consisten en una abertura o interrupción en la guía de ondas a través de la cual pueden pasar las ondas electromagnéticas. El plano acotado a través del cual pasa la onda es la definición del puerto. ^[4]

Las guías de ondas presentan una complicación adicional en el análisis de puertos, ya que es posible (y a veces deseable) que exista más de un modo de guía de ondas al mismo tiempo. En tales casos, para cada puerto físico, se debe agregar un puerto separado al modelo de análisis para cada uno de los modos presentes en ese puerto físico. ^[5]

El concepto de puerto se puede extender a otros dominios energéticos. La definición generalizada de un puerto es un lugar donde la energía puede fluir de un elemento o subsistema a otro elemento o subsistema. ^[6] Esta visión generalizada del concepto de puerto ayuda a explicar por qué la condición de puerto se define así en el análisis eléctrico. Si la suma algebraica de las corrientes no es cero, como en el diagrama de ejemplo (c), entonces la energía suministrada desde un generador externo no es igual a la energía que ingresa al par de polos del circuito. La transferencia de energía en ese lugar es, por lo tanto, más compleja que un flujo simple de un subsistema a otro y no cumple con la definición generalizada de un puerto.

El concepto de puerto es particularmente útil cuando hay múltiples dominios de energía involucrados en el mismo sistema y se requiere un análisis unificado y coherente, como en el caso de las analogías mecánico-eléctricas o el análisis de gráficos de enlaces . ^[7] La ​​conexión entre dominios de energía se realiza mediante transductores . Un transductor puede ser un puerto único visto desde el dominio eléctrico, pero con la definición más generalizada de puerto es un puerto doble. Por ejemplo, un actuador mecánico tiene un puerto en el dominio eléctrico y un puerto en el dominio mecánico. ^[6] Los transductores se pueden analizar como redes de dos puertos de la misma manera que los dos puertos eléctricos. Es decir, mediante un par de ecuaciones algebraicas lineales o una matriz de función de transferencia 2×2 . Sin embargo, las variables en los dos puertos serán diferentes y los parámetros de los dos puertos serán una mezcla de dos dominios de energía. Por ejemplo, en el ejemplo del actuador, los parámetros z incluirán una impedancia eléctrica, una impedancia mecánica y dos transimpedancias que son proporciones de una variable eléctrica y una mecánica. ^[8]

• Won Y. Yang, Seung C. Lee, Sistemas de circuitos con MATLAB y PSpice , John Wiley & Sons, 2008 ISBN  0470822406 .
• Frank Gustrau, Ingeniería de RF y microondas: fundamentos de las comunicaciones inalámbricas , John Wiley & Sons, 2012 ISBN 111834958X . 
• Peter Russer, Electromagnetismo, circuitos de microondas y diseño de antenas para ingeniería de comunicaciones , Artech House, 2003 ISBN 1580535321 . 
• Herbert J. Carlin, Pier Paolo Civalleri, Diseño de circuitos de banda ancha , CRC Press, 1997 ISBN 0849378974 . 
• Dean Karnopp, Donald L. Margolis, Ronald C. Rosenberg, Dinámica de sistemas , Wiley, 2000 ISBN 0471333018 . 
• Wolfgang Borutzky, Metodología de gráficos de enlaces , Springer 2009 ISBN 1848828829 . 
• Leo Leroy Beranek, Tim Mellow, Acústica: campos sonoros y transductores , Academic Press, 2012 ISBN 0123914213 .