Prévia do material em texto
Quadripolos (Circuitos de Duas Portas) Prof. Dr. Rafael Rorato Londero Universidade Tecnológica Federal do Paraná Departamento de Engenharia Elétrica Referências • Alexander, C.K., Sadiku, M.N.O., Fundamentos de Circuitos Elétricos, 5ª ed., Bookman, 2013. • Dorf, R.C., Svoboda, J.A., Introdução aos Circuitos Elétricos, 8ª ed., LTC, 2012. Conteúdo 1. Definição 2. Parâmetros-z: Impedância 3. Simulação no PSpice de Quadripolos 4. Parâmetros-y: Admitância 5. Parâmetros-h: Híbrido 6. Parâmetros-t: Transmissão 7. Conversão de Parâmetros 8. Interconexão de Quadripolos 1. Definição A figura abaixo apresenta um quadripolo. Porta de Entrada Porta de Saída 1. Definição Dependendo da escolha das variáveis (tensões e/ou correntes) que tomamos da entrada e da saída, obtemos diferentes representações de quadripolos. Variáveis Independentes Variáveis Dependentes Parâmetros I1 , I2 V1 , V2 Impedância [Z] V1 , V2 I1 , I2 Admitância [Y] V1 , I2 I1 , V2 Híbrida [H] I1 , V2 V1 , I2 Híbrida Inversa [G] V1 , I1 V2 , I2 Transmissão [T] V2 , I2 V1 , I1 Transmissão Inversa [T] ’ 2. Parâmetros-z: Impedância Um quadripolo representado pela Matriz Impedância [Z] tem a relação entre a entrada e a saída dada pela equação matricial: 2 1 2221 1211 2 1 I I zz zz V V Variáveis Independentes Variáveis Dependentes Matriz Impedância [Z] 2221212 2121111 IzIzV IzIzV 2. Parâmetros-z: Impedância Podemos obter os elementos da matriz impedância [Z] através das seguintes relações: 01 1 11 2 I I V z 02 1 12 1 I I V z 01 2 21 2 I I V z 02 2 22 1 I I V z Os parâmetros-z são chamados de impedâncias de circuito aberto. Impedância de Entrada Impedância de Saída Impedância de Transferência da porta 2 para a porta 1 Impedância de Transferência da porta 1 para a porta 2 Exemplo 2.1: Matriz Impedância Considere o circuito abaixo. Encontre os seus parâmetros-z no domínio-s. Exemplo 2.1: Matriz Impedância Abaixo temos o circuito representado no domínio-s. 0)(2 2111 IIsIV 211 )2( sIIsV 0)(3 2122 IIsIV 212 )3( IssIV Exemplo 2.1: Matriz Impedância Agora comparamos as equações de malha obtidas com as equações da matriz impedância [Z]. 211 )2( sIIsV 212 )3( IssIV 2221212 2121111 IzIzV IzIzV 3 2 2221 1211 szsz szsz Exemplo 2.1: Matriz Impedância Outra maneira de se calcular os parâmetros-z é utilizando as definições de seus próprios parâmetros. 01 1 11 2 I I V z 02 1 12 1 I I V z 01 2 21 2 I I V z 02 2 22 1 I I V z Impedância de Entrada Impedância de Saída Impedância de Transferência da porta 2 para a porta 1 Impedância de Transferência da porta 1 para a porta 2 2.1 Matriz Impedância Recíproca A matriz impedância [Z] é recíproca se z12 = z21. No exercício anterior obtivemos a seguinte matriz impedância: E concluímos que o quadripolo é recíproco. 3 2 ][ ss ss Z 2.1 Matriz Impedância Recíproca Para o caso da matriz impedância [Z] ser recíproca, o quadripolo pode ser representado pelo circuito T- equivalente. 2.1 Matriz Impedância Recíproca Se o circuito contém fontes dependentes ou amplificadores operacionais a reciprocidade não é satisfeita e o quadripolo é não-recíproco. Para um quadripolo não-recíproco temos z12 ≠ z21. Todos os circuitos formados por elementos passivos (resistores, indutores e capacitores) são quadripolos recíprocos. 2.1 Matriz Impedância Recíproca Para um quadripolo [Z] não-recíproco, podemos representá-lo pelo circuito equivalente abaixo. Exemplo 2.2: Quadripolo Não-Recíproco Encontre os parâmetros-z da rede de duas portas abaixo para m = 2/3. Exemplo 2.2: Quadripolo Não-Recíproco Vamos calcular os parâmetros-z utilizando as definições de seus próprios parâmetros. 01 1 11 2 I I V z 02 1 12 1 I I V z 01 2 21 2 I I V z 02 2 22 1 I I V z Impedância de Entrada Impedância de Saída Impedância de Transferência da porta 2 para a porta 1 Impedância de Transferência da porta 1 para a porta 2 2221212 2121111 IzIzV IzIzV Exemplo 2.2: Quadripolo Não-Recíproco Para calcular z11 e z21 colocamos uma fonte de tensão V1 na porta de entrada e deixamos aberta a porta de saída (I2 = 0). Aplicando o conceito de supermalha: 0324 11 IIIV (1)54 11 IIV 21 mVII (2)21 mVII (3)32 IV Exemplo 2.2: Quadripolo Não-Recíproco Substituindo (3) em (2) e m = 2/3 : Substituindo (4) em (1): III 3 3 2 1 (4)3 1 I I 3 54 111 I IV 11 3 17 IV 3 17 01 1 11 2I I V z Exemplo 2.2: Quadripolo Não-Recíproco Substituindo (2) em (3) para m = 2/3: 212 3 2 3 VIV 212 23 VIV 1 01 2 21 2I I V z 12 33 IV Exemplo 2.2: Quadripolo Não-Recíproco Para calcular z12 e z22 colocamos uma fonte de tensão V2 na porta de saída e deixamos aberta a porta de entrada (I1 = 0). Aplicando a Lei das Malhas: 0)(3 422 IIV (5))(3 422 IIV 0)(32 2414 IIVI (6)53 421 IIV (7)24 mVI Exemplo 2.2: Quadripolo Não-Recíproco Substituindo (7) em (5) para m = 2/3: )(3 222 mVIV 222 3 2 33 VIV 1 02 2 22 1I I V z Exemplo 2.2: Quadripolo Não-Recíproco Substituindo (5) em (7) para m = 2/3: Substituindo (8) em (6): )(3 3 2 424 III 424 22 III (8) 3 2 24 II 221 3 2 53 IIV 3 1 02 1 12 1I I V z Exemplo 2.2: Quadripolo Não-Recíproco Finalmente, obtemos a matriz impedância do quadripolo. Percebemos que z12 ≠ z21. Portanto, o quadripolo é não-recíproco. 11 3 1 3 17 ][Z Exemplo 3.1: Simulação no PSpice Encontre os parâmetros-z para o circuito abaixo na frequência ω = 106 rad/s. Exemplo 3.1: Simulação no PSpice Primeiramente vamos desenhar o circuito em Regime Permanente Senoidal. j2 Ω -j250 Ω Vx 8 kΩ 2 kΩ Vx /20 2221212 2121111 IzIzV IzIzV 01 1 11 2 I I V z I2 = 0 I1 + V1 - + V2 - xVV 1 V1 V2 Equação para V1: I j V k V I 2508 11 1 Equação para V2: k VV I 220 21 2 21 j VV I I Exemplo 3.1: Simulação no PSpice Substituindo a corrente I na equação de V2: Substituindo a corrente I na equação de V1: k VV j VV 2202 2121 1 0 2 77,5005,1 VV 22508 2111 1 j VV j V k V I 222508 2111 1 j V j V j V k V I Exemplo 3.1: Simulação no PSpice Substituindo V2 na equação anterior: Finalmente, obtemos: Podemos obter z21 através z11: 2 77,5005,1 22508 1 0 111 1 j V j V j V k V I 0 01 1 11 46,469,19 2I I V z 0 11 0 01 10 01 2 21 23,1079,1977,5005,177,5005,1 22 z I V I V z II Exemplo 3.1: Simulação no PSpice Agora vamos calcular z22. j2 Ω -j250 Ω Vx 8 kΩ 2 kΩ Vx /20 02 2 22 1 I I V z I2 I1 = 0 + V1 - + V2 -xVV 1 V1 V2 Equação para V2: I V k V I 202 12 2 Equação para V1: k V j V I 8250 11 2 12 j VV I I Exemplo 3.1: Simulação no PSpice Substituindo a corrente I na equação de V1: Substituindo a corrente I na equação de V2: k V j V j VV 82502 1112 2 0 1 01,0008,1 VV 2202 1212 2 j VVV k V I 22202 1212 2 j V j VV k V I Exemplo 3.1: Simulação no PSpice Substituindo V1 na equação anterior: Finalmente, obtemos: Podemos obter z12 através z22: 2 01,0008,1 220 01,0008,1 2 2 0 22 0 2 2 j V j VV k V I 0 02 2 22 5,454,19 1I I V z 0 22 0 02 20 02 1 12 51,469,1901,0008,101,0008,1 11 z I V I V z II Exemplo 3.1: Simulação no PSpice Abaixo segue o circuito desenhado no PSpice baseado no livro texto. Devemos realizar análise CA na frequência 0,15915 MHz (f = ω/2π). Exemplo 3.1: Simulação no PSpice Para determinar z22 e z12 recorremos ao circuito abaixo desenhado no PSpice baseado no livro texto. Exemplo 3.1: Simulação no PSpice FREQ VM(1) VP(1) 1.592E+05 1.969E+01 -4.461E+00 FREQ VM(2) VP(2) 1.592E+05 1.979E+01 -1.023E+01 0 01 1 11 46,469,19 2I I V z 0 01 2 21 23,1079,19 2I I V z Exemplo 3.1: Simulação no PSpice FREQ VM(2) VP(2) 1.592E+05 1.954E+01 -4.504E+00 0 02 2 22 5,454,19 1I I V z FREQ VM(1) VP(1) 1.592E+05 1.969E+01 -4.518E+00 0 02 1 12 51,469,19 1I I V z 4. Parâmetros-y: Admitância Um quadripolo representado pela Matriz Admitância [Y] tem relação dada pela equação matricial: 2 1 2221 1211 2 1 V V yy yy I I 2221212 2121111 VyVyI VyVyI 01 1 11 2 V V I y Admitância de Entrada 02 1 12 1 V V I y Admitância de Transferência da porta 1 para 2 01 2 21 2 V V I y Admitância de Transferência da porta 2 para 1 02 2 22 1 V V I y Admitância de Saída 1][][ ZY Os parâmetros-y são chamados de admitâncias de curto-circuito. 4. Parâmetros-y: Admitância Para que o quadripolo [Y] seja recíproco devemos ter: y12 = y21. Desse modo, podemos representá-lo pelo circuito ∏-equivalente abaixo. 4. Parâmetros-y: Admitância Caso o quadripolo dado pela matriz admitância [Y] seja não-recíproco. Então, ele pode ser representado pelo circuito genérico abaixo. Exemplo 4.1: Matriz Admitância Encontre os parâmetros-y da rede de duas portas abaixo. Exemplo 4.1: Matriz Admitância Vamos calcular os parâmetros-y utilizando as definições de seus próprios parâmetros. 01 1 11 2 V V I y 02 1 12 1 V V I y 01 2 21 2 V V I y 02 2 22 1 V V I y Admitância de Entrada Admitância de Saída Admitância de Transferência Admitância de Transferência 2221212 2121111 VyVyI VyVyI Exemplo 4.1: Matriz Admitância Para calcular os parâmetros y11 e y21 colocamos uma fonte de corrente I1 na porta de entrada e aplicamos um curto-circuito na porta de saída (V2 = 0). Aplicando a lei das correntes no ponto 1: (1) 24 2 0011 VV II (2) 8 01 1 VV I Exemplo 4.1: Matriz Admitância Isolando V0 na equação (2): Substituindo V0 na equação (1): 110 8IVV 2 8 4 8 2 111111 IVIV II 111111 162884 IVIVII 11 320 VI S V I y V 15,0 20 3 01 1 11 2 Exemplo 4.1: Matriz Admitância Para calcular y21, aplique a lei dos nós no ponto 2. 0 4 2 2 0 1 I V I 0 4 8 2 2 11 1 I IV I 0488 2111 IIVI S V I y V 25,0 4 1 01 2 21 2 Exemplo 4.1: Matriz Admitância Para calcular os parâmetros y22 e y12 colocamos uma fonte de corrente I2 na porta de saída e aplicamos um curto-circuito na porta de entrada (V1 = 0). Aplicando a lei das correntes no ponto 2: (3)0 4 2 2012 VV II (4) 8 0 1 V I Exemplo 4.1: Matriz Admitância Substituindo a equação (4) na equação (3): 0 48 2 2002 VVV I 0 444 200 2 VVV I S V I y V 25,0 4 1 02 2 22 1 Exemplo 4.1: Matriz Admitância Para calcular y12, aplique a lei dos nós ao ponto 1. 42 2 20011 VVV II 4 8 2 8 2 21111 VII II 4 242 21111 V IIII S V I y V 05,0 20 1 02 1 12 1 10 8IV Exemplo 4.1: Matriz Admitância Finalmente, obtemos a matriz admitância [Y] do quadripolo. Percebemos que os elementos da diagonal secundária são diferentes. Portanto, o quadripolo é não-recíproco. 25,025,0 05,015,0 ][Y 4.1 Transformação T ↔ ∏ (ou Y ↔∆) Transformação T → ∏ Transformação ∏ → T 5. Parâmetros-h: Híbrido Um quadripolo representado pela Matriz Híbrida [H] tem relação dada pela equação matricial abaixo: 2 1 2221 1211 2 1 V I hh hh I V 2221212 2121111 VhIhI VhIhV 01 1 11 2 V I V h Impedância de Entrada 02 1 12 1 I V V h Ganho Inverso de Tensão 01 2 21 2 V I I h Ganho Direto de Corrente 02 2 22 1 I V I h Admitância de Saída 5. Parâmetros-h: Híbrido Para que o quadripolo [H] seja recíproco devemos ter: h12 = - h21. Independente da reciprocidade, o quadripolo [H] pode ser representado pelo circuito abaixo. Exemplo 5.1: Equivalente de Thevenin Determine o equivalente de Thevenin visto pela porta de saída do circuito abaixo. Exemplo 5.1: Equivalente de Thevenin A tensão de Thevenin é a tensão de circuito aberto na porta de saída VTH = V2, quando I2 = 0. I2 = 0 I1 + V2 - + V1 - 11 4060 IV 2221212 2121111 VhIhI VhIhV 222121 2121111 0 4060 VhIh VhIhI 2 21 22 1 V h h I Exemplo 5.1: Equivalente de Thevenin Substituindo I1 na primeira equação: 2122 21 22 112 21 224060 VhV h h hV h h 212212221122221 4060 VhhVhhVhh 2222111221 21 2 40 60 hhhhh h V V k VVTH 69,29 200402001)2(10 1060 2 Exemplo 5.1: Equivalente de Thevenin Pelo fato do circuito equivalente do quadripolo [H] possuir fontes dependentes internamente, não podemos eliminar as variáveis independentes I1 e V2 do circuito. Exemplo 5.1: Equivalente de Thevenin Então, colocamos uma fonte de tensão V2 = 1 V na porta de saída e anulamos a fonte de 60 V na porta de entrada. 2 2 I V ZTH 2221212 2121111 VhIhI VhIhV 1 140 221212 121111 hIhI hIhI 4011 12 1 h h I Exemplo 5.1: Equivalente de Thevenin Substituindo I1 na equação de I2, Finalmente, mA k I 43,19200 401 2 102 46,51 43,19 1 2 2 mI V ZTH 22 11 12 212 40 h h h hI 5.1 Parâmetros-g: Híbrido Inverso Um quadripolo representado pela Matriz Híbrida Inversa [G] tem relação dada pela equação matricial: 2 1 2221 1211 2 1 I V gg gg V I 2221212 2121111 IgVgV IgVgI 01 1 11 2 I V Ig Admitância de Entrada 02 1 12 1 V I I g Ganho Inverso de Corrente 01 2 21 2 I V V g Ganho Direto de Tensão 02 2 22 1 V I V g Impedância de Saída 1][][ HG 5.1 Parâmetros-g: Híbrido Inverso Para que o quadripolo [G] seja recíproco devemos ter: g12 = - g21. Independente da reciprocidade, o quadripolo [G] pode ser representado pelo circuito abaixo. 6. Parâmetros-t: Transmissão O quadripolo representado pela Matriz de Transmissão [T] é definido de maneira diferente em relação aos outros tipos estudados anteriormente. 2 2 1 1 I V DC BA I V 221 221 DICVI BIAVV 6. Parâmetros-t: Transmissão Os parâmetros ABCD são calculados da seguinte forma: 02 1 2 I V V A Ganho Inverso de Tensão 02 1 2 V I V B Impedância de Transferência 02 1 2 I V I C Admitância de Transferência 02 1 2 V I I D Ganho Inverso de Corrente 221 221 DICVI BIAVV 6.1 Parâmetros-t’: Transmissão Inverso Analogamente, um quadripolo representado pela Matriz de Transmissão Inversa [T]’ tem relação dada pela equação: 1 1 2 2 I V dc ba I V 112 112 dIcVI bIaVV 01 2 1 I V V a Ganho Direto de Tensão 01 2 1 V I V b Impedância de Transferência 01 2 1 I V I c Admitância de Transferência 01 2 1 V I I d Ganho Direto de Corrente 6.1 Parâmetros-t’: Transmissão Inverso Para que os quadripolos [T] e [T]’ sejam recíprocos é necessário que: Se A = D (ou a = d) o quadripolo é simétrico. Exemplo 6.1: Matriz de Transmissão Os parâmetros ABCD da Matriz [T] do circuito abaixo são: Uma carga representada pelo resistor variável RL é conectada na porta de saída do quadripolo de modo que a carga absorva potência máxima. Calcule o valor de RL e a potência absorvida pela carga. 21,0 204 ][ S T Exemplo 6.1: Matriz de Transmissão Exemplo 6.1: Matriz de Transmissão Para calcular o valor de RL, primeiramente devemos determinar o equivalente de Thevenin visto pelos terminais da carga. 221 221 DICVI BIAVV TH TH VI VI 1,0 41050 1 1 THTH VV 41,01050 VVTH 10 Exemplo 6.1: Matriz de Transmissão A resistência de Thevenin RTH pode ser calculada anulando-se a fonte de 50 V e colocando uma fonte de tensão de 1 V na porta de saída. 221 221 DICVI BIAVV 21 21 211,0 201410 II II 22 20421,010 II AI 125,02 8 125,0 1 2 2 I V RTH Exemplo 6.1: Matriz de Transmissão O circuito equivalente visto pela carga é dado abaixo. Para que a carga absorva potência máxima devemos ter: 8THL RR A RR V I THL TH PL 625,0 88 10 max 2 maxmax PLLL IRP WPL 125,3625,08 2 max 7. Conversão de Parâmetros Vamos converter os parâmetros-z para os parâmetros-h. Os parâmetros-h são dados por: 2 1 2221 1211 2 1 I I zz zz V V 2221212 2121111 IzIzV IzIzV 2 1 2221 1211 2 1 V I hh hh I V 2221212 2121111 VhIhI VhIhV 7. Conversão de Parâmetros Dessa forma, devemos obter uma equação para I2 em termos de I1 e V2. Comparando as equações, 2221212 IzIzV 2 22 1 22 21 2 1 V z I z z I 2121111 IzIzV 2 22 12 1 22 21122211 1 V z z I z zzzz V 2221212 2121111 VhIhI VhIhV 22 22 22 21 21 22 12 12 22 11 1 z h z z h z z h z h Z 8. Interconexão de Quadripolos Quadripolos podem ser interconectados de três maneira: 8.1 Interconexão Série 8.2 Interconexão Paralela 8.3 Interconexão em Cascata Dependendo da ligação, alguns tipos de quadripolos são mais vantajosos que outros. 8.1 Interconexão Série ba VVV 111 ba III 111 ba VVV 222 ba III 222 8.1 Interconexão Série Pela característica da ligação, o quadripolo [Z] oferece algumas vantagens: ba VVV IZIZV ba IZZV ba baeq ZZZ 8.2 Interconexão Paralela ba III 111 ba VVV 111 ba III 222 ba VVV 222 8.2 Interconexão Paralela Pela característica da ligação, o quadripolo [Y] oferece algumas vantagens: ba III VYVYI ba VYYI ba baeq YYY 8.3 Interconexão Cascata Dizemos que dois quadripolos estão ligados em cascata quando a porta de saída de um é ligada a porta de entrada de outro. 8.3 Interconexão Cascata Pela característica da ligação, o quadripolo [T] oferece algumas vantagens: a a a a a I V T I V 2 2 1 1 b b b b b I V T I V 2 2 1 1 b b ba a a I V TT I V 2 2 1 1 baeq TTT 2 2 1 1 I V T I V eq Exemplo 8.1: Interconexão de Quadripolos Calcule V2 / Vs para o circuito abaixo. Exemplo 8.1: Interconexão de Quadripolos Pela figura percebemos que os quadripolos estão ligados em série. Recorrendo ao circuito T-equivalente para o quadripolo [Z] da parte inferior do circuito, podemos obter os seus parâmetros-z. 10 0 0 1010 1010 bZ Exemplo 8.1: Interconexão de Quadripolos O quadripolo equivalente [Zeq] da interligação será: Logo, 3018 1822 1010 1010 208 812 baeq ZZZ 2 1 2221 1211 2 1 I I zz zz V V 2221212 2121111 IzIzV IzIzV Exemplo 8.1: Interconexão de Quadripolos Analisando o circuito, podemos calcular V1 e V2. 11 5 IVV s 22 20IV Exemplo 8.1: Interconexão de Quadripolos Substituindo essas condições de contorno nas equações do quadripolo equivalente. 21211115 IzIzIVs 222121220 IzIzI 212 301820 III 21 18 50 II 211 18225 IIIVs 22 18 18 50 27 IIVs 257IVs Exemplo 8.1: Interconexão de Quadripolos Portanto, 2 22 57 20 I I V V s 3509,02 sV V