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Chagas – DEE / UFCG 150 Capítulo V Quadripolos O dicionário Aurélio [5] define síntese como “reunião de elementos concretos ou abstratos em um todo; fusão, composição”. No contexto de circuitos elétricos, este termo se refere a uma composição de elementos de circuito vistos de uma forma integrada, em que a excitação em um par de terminais de entrada produz uma resposta em um par de terminais de saída, a qual pode ser calculada mediante o conhecimento de certos parâmetros característicos do circuito visto como um todo. Neste caso, a natureza dos elementos individuais que compõem o circuito pode ser ignorada, constituindo os mesmos uma associação contida em uma espécie de “caixa preta” denominada quadripolo. Este capítulo trata das formas de caracterização de quadripolos, ou seja, da determinação dos diferentes tipos de parâmetros (impedância, admitância, híbridos e de transmissão). Também são analisadas as formas de associação dos quadripolos. 1. Definição de Quadripolo Quadripolo é um elemento com quatro terminais associados em dois pares, ligados aos pontos aa’ e a bb’, como é mostrado na Fig. 5.1. Fig. 5.1. Representação gráfica de um quadripolo. Os quadripolos são também denominados redes de duas portas ou elementos de duas portas. As hipóteses básicas feitas na análise desses elementos são citadas a seguir. ▪ Não pode haver fontes independentes no interior do quadripolo. Porém, as fontes dependentes são permitidas. ▪ Neste elemento, a corrente que entra em a é igual à corrente que sai em a’ e a corrente que entra em b é igual à corrente que sai em b’. Chagas – DEE / UFCG 151 ▪ Todas as ligações externas devem ser feitas à porta de entrada ou à porta de saída. Não é permitido fazer nenhuma ligação entre as portas, ou seja, entre os terminais aa’, bb’, ab’ ou a’b. Os quadripolos são usados na representação de dispositivos eletrônicos (válvulas e transistores), linhas de transmissão (energia e comunicações), dispositivos magnetoelétricos (indutores com acoplamentos magnéticos e transformadores), bem como em circuitos mais complexos, como amplificadores eletrônicos e filtros passivos e ativos. 2. Parâmetros Característicos dos Quadripolos 2.1. Considerações Gerais A caracterização dos quadripolos é feita mediante quatro classes de parâmetros, ou seja: ▪ parâmetros impedância ou parâmetros z; ▪ parâmetros admitância ou parâmetros y; ▪ parâmetros híbridos ou parâmetros h; ▪ parâmetros de transmissão ou parâmetros ABCD. Os dois primeiros tipos são usados na teoria geral de circuitos. Os parâmetros h são empregados na eletrônica, notadamente em modelos de amplificadores. Os parâmetros ABCD têm aplicação na modelagem de linhas de transmissão e transformadores. 2.2. Parâmetros Impedância Os quadripolos podem ser descritos através das seguintes equações, expressas em termos dos parâmetros impedância ou parâmetros z: 2121111 IzIzV (5.1) 2221212 IzIzV (5.2) Em notação matricial, tem-se para (5.1) e (5.2): 2 1 2221 1211 2 1 I I zz zz V V (5.3) Os parâmetros z, também chamados de parâmetros de circuito aberto, são expressos em ohms (). Os mesmos são dados pelas seguintes expressões: 01 1 11 2 II Vz (5.4) Chagas – DEE / UFCG 152 02 1 12 1 II Vz (5.5) 01 2 21 2 II Vz (5.6) 02 2 22 1 II Vz (5.7) O parâmetro z11 relaciona a corrente e a tensão na porta aa’. O mesmo ocorre com z22 em relação à porta bb’. Por isso, eles são denominados impedância de entrada ou impedância no ponto de excitação, supondo-se o terminal oposto em circuito aberto. Os parâmetros z12 e z21 relacionam a tensão em uma porta com a corrente na outra porta. Por isso, eles são chamados de impedâncias de transferência em circuito aberto. Considerando o circuito em T da Fig. 5.2, os parâmetros z são: ba I zz I Vz 01 1 11 2 (5.8) b I z I Vz 02 1 12 1 (5.9) b I z I Vz 01 2 21 2 (5.10) cb I zz I Vz 02 2 22 1 (5.11) Fig. 5.2. Circuito em T. Observa-se que z12 = z21. Quando isso ocorre, tem-se um quadripolo recíproco, o qual obedece ao teorema da reciprocidade. Neste caso, se há uma fonte de tensão ideal em uma porta e um amperímetro ideal na outra, a troca desses elementos resulta em leituras iguais no amperímetro. O mesmo ocorre em relação a uma fonte de corrente e um voltímetro. Chagas – DEE / UFCG 153 Um quadripolo recíproco é dito simétrico ou bilateral se z11 = z22. Quando isto ocorre, as portas podem ser trocadas sem que haja alteração dos valores de tensões e correntes nas mesmas. No circuito em T, a simetria só ocorre se za = zc. No circuito em da Fig. 5.3, os parâmetros impedância são dados por: cba cba I zzz zzz I Vz 01 1 11 2 (5.12) cba cacba c a a I zzz zz I I zzz zz I Iz I Vz 2 2 2 ' 2 02 1 12 1 (5.13) cba cacba a c c I zzz zz I I zzz zz I Iz I Vz 1 1 1 ' 1 01 2 21 2 (5.14) cba bac I zzz zzz I Vz 02 2 22 1 (5.15) Fig. 5.3. Circuito em . Vê-se que z12 = z21, ou seja, o quadripolo é recíproco. Entretanto, o mesmo só será simétrico se za = zc, pois, neste caso, z11 = z22 = za (za + zb)/(2za + zb). Na Fig. 5.4 são mostradas duas formas de ligação de impedância, conhecidas como ligação em (ou triângulo) e ligação em Y (ou estrela). ( a )( b ) Fig. 5.4. (a) ligação em ; (b) ligação em Y. Chagas – DEE / UFCG 154 Sob o ponto de vista de quadripolo, a ligação em corresponde à ligação em e a ligação em Y corresponde à ligação em T. O problema consiste em obter uma equivalência entre as duas ligações. Partindo da ligação em , tem-se uma ligação equivalente em Y se as impedâncias de entrada e de transferência dos quadripolos equivalentes forem iguais. Dos dois exemplos anteriores, tem-se para a impedância de entrada na porta aa’: 21 zzzzz zzz cba cba (5.16) Impedância de transferência: 2zzzz zz cba ca (5.17) Impedância de entrada na porta bb’: 32 zzzzz zzz cba bac (5.18) Considerando a segunda expressão, se a mesma for substituída na primeira e na terceira, obtém-se: cba ba cba ca cba cba zzz zz zzz zz zzz zzzz 1 (5.19) cba ca zzz zzz 2 (5.20) cba cb cba ca cba bac zzz zz zzz zz zzz zzzz 3 (5.21) A transformação inversa (Y para ) pode ser obtida manipulando-se algebricamente as três equações acima, partindo-se de z1, z2 e z3, no sentido de determinar za, zb e zc. Para isto, deve- se observar que: cba cba cba cbacba zzz zzz zzz zzzzzz zzzzzz 2133221 (5.22) Dividindo (5.22) pelas expressões (5.19) a (5.21), tem-se: 3 133221 z zzzzzzza (5.23) 2 133221 z zzzzzzzb (5.24) 1 133221 z zzzzzzzc (5.25) Chagas – DEE / UFCG 155 Considerando a Fig. 5.5, são estabelecidas as seguintes regras mnemônicas: ▪ Transformação - Y - Qualquer impedância do arranjo em estrela é igual ao produto das duas impedâncias adjacentes do triângulo dividida pela soma das três impedâncias do triângulo. ▪ Transformação Y - - Qualquer impedância do arranjo em triângulo é igual à soma dos produtosdas combinações das três impedâncias da estrela, tomadas duas a duas, dividida pela impedância da estrela que lhe é oposta. Fig. 5.5. Ligações em e em Y. Observa-se que na ligação em , se za = zb = zc = z, então a impedância do Y equivalente é: Y321Y 33 1 zzzzzzz (5.26) O circuito da Fig. 5.6(a) é conhecido como circuito T em ponte, o qual pode ser convertido para o equivalente da Fig. 5.6(b) utilizando-se a transformação Y- para za, zb e zc. Logo, as impedâncias zb’ e zd podem ser combinadas em paralelo, obtendo-se um circuito em , analisado anteriormente. ( a ) ( b ) Fig. 5.6. (a) Circuito T em ponte; (b) circuito equivalente após transformação Y-. Na Fig. 5.7(a) é mostrado o circuito em treliça, que pode ser redesenhado como mostra a Fig. 5.7(b). Chagas – DEE / UFCG 156 ( a ) ( b ) Fig. 5.7. Circuito em treliça. Para os parâmetros impedância, tem-se: dcba dcba I zzzz zzzz I Vz 01 1 11 2 (5.27) dcba dacbdcba ca b dcba db a I zzzz zzzz I zzzz zzIz zzzz zzIz I Vz 2 22 02 1 12 1 (5.28) dcba dacbdcba ba c dcba dc a I zzzz zzzz I zzzz zzIz zzzz zzIz I Vz 1 11 01 2 21 2 (5.29) dcba dbca I zzzz zzzz I Vz 02 2 22 1 (5.30) O quadripolo é recíproco, pois z12 = z21. O mesmo será simétrico (z11 = z22) se zb = zc. 2.3. Parâmetros Admitância Esses parâmetros, também denominados parâmetros y ou parâmetros de curto-circuito, relacionam as tensões e correntes nas duas portas do quadripolo da seguinte maneira: 2121111 VyVyI (5.31) 2221212 VyVyI (5.32) Em notação matricial, tem-se para (5.31) e (5.32): 2 1 2221 1211 2 1 V V yy yy I I (5.33) Os parâmetros y11 e y22 são denominados admitâncias de entrada ou admitâncias no ponto de excitação, com o terminal oposto em curto-circuito. Os parâmetros y12 e y21 são chamados de admitâncias de transferência em curto-circuito. Os mesmos são expressos em siemens ( S ). Chagas – DEE / UFCG 157 De (5.31) e (5.32), tem-se: 01 1 11 2 VV Iy (5.34) 02 1 12 1 VV Iy (5.35) 01 2 21 2 VV Iy (5.36) 02 2 22 1 VV Iy (5.37) De (5.33), pode-se escrever: 2 1 1 2221 1211 2 1 I I yy yy V V (5.38) De (5.3) e (5.38), tem-se: 1 2221 1211 2221 1211 1 2221 1211 2221 1211 zz zz yy yy yy yy zz zz (5.39) A matriz [ y ] é igual à inversa de [ z ], que é a transposta da matriz cofator de [ z ] dividida pelo determinante z, ou seja: 1121 12221 1][1 zz zz z zcof z zy T (5.40) 1121 12221 1][1 yy yy y ycof y yz T (5.41) Se y12 = y21, tem-se um quadripolo recíproco, ou seja, obedece ao teorema da reciprocidade Um quadripolo recíproco é dito simétrico ou bilateral se y11 = y22. Exemplo 1 - ( a ) Determinar as matrizes [ z ] e [ y ] do circuito da Fig. 5.8 pelas respectivas definições; ( b ) determinar [ y ] por inversão de [ z ]. Fig. 5.8. Circuito do Exemplo 1. Chagas – DEE / UFCG 158 Solução - ( a ) Os parâmetros impedância são calculados pelo método do circuito aberto, como é feito a seguir: ssssI Vz I 2 3 2 12 2 11 01 1 11 2 sI Is I Vz I 2 1)2/1( 2 2 02 1 12 1 sI Is I Vz I 2 1)2/1( 1 1 01 2 21 2 s s I Vz I 2 1 02 2 22 1 Os parâmetros admitância são calculados pelo método do curto-circuito. ss s sss sss V Iy V 3/1 21 2/1 )2/1( 2 01 1 11 2 13 3 /12 )/1)(2( 2 02 2 22 1 s s sss sss V Iy V 02 1 12 1 VV Iy O cálculo de y12 requer a resolução do circuito da Fig. 5.9. Fig. 5.9. Circuito para cálculo do parâmetro y12 do Exemplo 1. 2122 2 1 II s sIV 12211 32 110 IIII s I s Eliminando I2, obtém-se a relação y12 = I1 / V2, ou seja: 13 212 s sy Chagas – DEE / UFCG 159 01 2 21 2 VV Iy No cálculo de y21, utiliza-se o circuito da Fig. 5.10. Para o mesmo, pode-se escrever: 2111 2 11 II s I s V 212 2 10 II s sI Fig. 5.10. Circuito para cálculo do parâmetro y21 do Exemplo 1. Eliminando I1, obtém-se y21 = I2 / V1, ou seja: 13 221 s sy ( b ) A matriz [ y ] é dada por: Tzcof z y ][1 , 2 1 2 1 2 1 2 3 s s s ssz , 2 3 2 1 2 1 2 1 ][ ss ss s zcof ss ss s zcof T 2 3 2 1 2 1 2 1 ][ 2 2 2 13 2 1 2 1 2 1 2 3 2 1 2 1 2 1 2 3 s s sss s s s s s ssz ss s ss ssy 3/1 21 )2/()13( )2/(1 2 2211 13)2/()13( )2/(1 22212 s s ss sy 13 221 s sy 13 3 )2/()13( )2/(3 22222 s s ss sy Chagas – DEE / UFCG 160 2.4. Parâmetros Híbridos Os parâmetros, também denominados parâmetros h, são utilizados na análise de circuitos com transistores. As tensões e correntes são relacionadas da seguinte forma: 2121111 VhIhV (5.42) 2221212 VhIhI (5.43) Em termos de matriz, tem-se: 2 1 2221 1211 2 1 V I hh hh I V (5.44) De (5.42), (5.43) e das expressões que definem os parâmetros z e y, tem-se: 1101 1 11 1 2 yI Vh V (5.45) 22 12 022 21 02 1 12 11 / / z z IV IV V Vh II (5.46) 11 21 011 12 01 2 21 22 / / y y VI VI I Ih VV (5.47) 2202 2 22 1 1 zV Ih I (5.48) Esses parâmetros recebem a seguinte denominação: h11 - Impedância de entrada em curto-circuito (). h12 - Ganho reverso de tensão com a entrada em curto-circuito (adimensional). h21 - Ganho de corrente com a saída em curto-circuito (adimensional). h22 - Admitância de saída em circuito aberto (S). O quadripolo será recíproco se z12 = z21 e y12 = y21. De (5.46), (5.41) e (5.47), resulta: 21 11 21 11 12 11 12 22 12 12 / / h y y y y yy yy z zh (5.49) Um quadripolo é simétrico ou bilateral quando h = h11h22 –h12h21 = 1 (mostrar). Exemplo 2 - É mostrado na Fig. 5.11 um circuito que apresenta valores para a representação de um transistor na configuração emissor comum, onde h11 = 1200, h12 = 2 x10-4, h21 = 50 e h22 = 50 x 10-6S. Supondo uma fonte de Vs = 1 mV com resistência interna R1 = 800 na entrada e uma carga R2 = 5 k na saída, calcular os ganhos de corrente, tensão e potência. Chagas – DEE / UFCG 161 Fig. 5.11. Circuito para cálculo do parâmetro y21 do Exemplo 2. Solução - Para o circuito, pode-se escrever: 112121111 IRVVhIhV s sVVhIRh 2121111 222221212 / RVVhIhI 0/1 2222121 VRhIh 3241 101028001200 VxI 3241 101022000 VxI 05000/1105050 261 VxI 0105,250 241 VxI I1 = 0,51A , V2 =- 0,102mV , I2 = 20,4A , V1 =- 0,59mV Ganho de corrente: GI = I2 / I1 = 20,04/ 0,51 39,3. Ganho de tensão: GV = V2 / V1 = 0,102 / 0,59 =0,172. Ganho de potência: GP = P2 / P1 = (V2 I2) /(V2 I2) = GV GI= 6,8. 2.5. Parâmetros de Transmissão Os parâmetros de transmissão, também chamados parâmetros ABCD, relacionam as tensões e as correntes nas portas 1 e 2 da seguinte forma: 221 IBVAV (5.50) 221 IDVCI (5.51) Em termos de matriz: 2 2 1 1 I V DC BA I V (5.52) O sinal menos que antecede I2 deve-se ao fato de que, no caso de linhas de transmissão, normalmente considera-se a corrente saindo do terminal b no quadripolo da Fig. 5.1. Os parâmetros ABCD são determinados da seguinte forma: 21 11 012 11 02 1 22 / / z z IV IV V VA II (5.53) Chagas – DEE / UFCG 162 2102 1 1 2 yI VB V (5.54) 2102 1 1 2 zV IC I (5.55) 21 11 012 11 02 1 22 / / y y VI VI I ID VV (5.56) Um quadripolo recíproco é aquele que obedece ao teorema da reciprocidade. Como é indicado na Fig. 5.12, se há uma fonte de tensão ideal em uma porta e um amperímetro ideal na outra, a troca desses elementos resulta em leituras iguais no amperímetro. O mesmo ocorre em relação a uma fonte de corrente e um voltímetro. Para este tipo de quadripolo, será provado a seguir que AD - BC = 1. (a) (b) Fig. 5.12. ( a ) Porta 2 em curto e V1 = U; ( b ) porta 1 em curto e V2 = U. Para a configuração ( a ), tem-se: BUIIBAU /0. 22 (5.57) Para a configuração ( b ), pode-se escrever: UBAIIBUA /0 '2'2 (5.58) UBADCUIIDUCI )/(2 ' 22 (5.59) 1)/(/ BCADUBADCUBU (5.60) Foi afirmado que um quadripolo recíproco é simétrico ou bilateral quando z11 = z22. Pode-se mostrar que, neste caso, A = D. Para isso, de (5.40), tem-se: z zy 2211 (5.61) z zy 2121 (5.62) Considerando (5.53) e (5.56), resulta: Chagas – DEE / UFCG 163 A z z z z zz zz y yD 21 11 21 22 21 22 21 11 / / (5.63) Exemplo 3 - Determinar as constantes ABCD do circuito em T da Fig. 5.2. Solução - Do circuito considerado, tem-se: b a ba bI z z V zz z V V VA 1 1 1 02 1 2 02 1 2 VI VB Para cada malha, pode-se escrever: 212111 )()( IzIzzIIzIzV bbaba 21212 )( )(0 I z zz IIIzIz b cb bc 221 ))(( I z zzzz IzV b cbba b b b cbba z z zzzz B ))(( bI zV IC 1 02 1 2 b c b cb cb bV z z z zz zz zI I I ID 1 1 1 02 1 2 Observa-se que o quadripolo é recíproco, pois ocorre a seguinte igualdade: 1111 b b b cbba b a b a z z z zzzz z z z zBCAD O quadripolo será simétrico se A = D, ou seja, se za = zc. 3. Associações de Quadripolos 3.1. Associação em Cascata Esse tipo de associação é mostrado na Fig. 5.13, sendo considerados os quadripolos x e y, assim como seus parâmetros de transmissão. Chagas – DEE / UFCG 164 Para esses quadripolos, tem-se: x x xx xx I V DC BA I V 2 2 1 1 (5.64) 2 2 1 1 I V DC BA I V yy yy y y (5.65) Fig. 5.13. Associação de quadripolos em cascata. Como V2x = V1y e - I2x = I1y, pode-se escrever: 2 2 1 1 I V DC BA DC BA I V yy yy xx xx (5.66) 2 2 1 1 I V DDBACDAC DBBACBAA I V yxyxyxyx yxyxyxyx (5.67) 3.2. Associação em Paralelo Esta ligação é mostrada na Fig. 5.14. Fig. 5.14. Associação de quadripolos em paralelo. Neste caso, tem-se: Chagas – DEE / UFCG 165 yx VVV 111 (5.68) yx VVV 222 (5.69) yx III 111 (5.70) yx III 222 (5.71) y y x x I I I I I I 2 1 2 1 2 1 (5.72) Considerando os parâmetros admitância, tem-se: 2 1 2221 1211 2221 1211 2 1 2221 1211 2 1 2221 1211 2 1 V V yy yy yy yy V V yy yy V V yy yy I I yy yy xx xx yy yy xx xx (5.73) 2 1 22222121 12121111 2 1 V V yyyy yyyy I I yxyx yxyx (5.74) 3.3. Associação em Série Esse tipo de associação é mostrado na Fig. 5.15. Fig. 5.15. Associação de quadripolos em série. Neste caso, tem-se: yx VVV 111 (5.75) yx VVV 222 (5.76) yx III 111 (5.77) Chagas – DEE / UFCG 166 yx III 222 (5.78) y x y x V V I V V V 2 2 1 1 2 1 (5.79) Considerando os parâmetros impedância, tem-se: 2 1 2221 1211 2221 1211 2 1 2221 1211 2 1 2221 1211 2 1 I I zz zz zz zz I I zz zz I I zz zz V V yy yy xx xx yy yy xx xx (5.80) 2 1 22222121 12121111 2 1 I I zzzz zzzz V V yxyx yxyx (5.81) 4. O Circuito Girador Um girador é um circuito de duas portas cuja representação gráfica é mostrada na Fig. 5.16. As tensões e correntes são relacionadas do seguinte modo: 21 IV (5.82) 12 IV (5.83) Fig. 5.16. Representação gráfica de um girador. Em termos de matriz: 2 1 2 1 0 0 I I V V (5.84) O girador é um elemento linear, pois as tensões e correntes se relacionam através da constante , denominada raio de giração. Fazendo o produto cruzado de (5.82) e (5.83), pode-se concluir que: 02211 IVIV (5.85) Assim, como o transformador ideal, o girador não absorve energia nem a entrega ao mundo exterior. Porém, mesmo sendo um elemento linear passivo, o girador não é um elemento recíproco, ou seja, não obedece ao teorema da reciprocidade, pois a matriz impedância de (5.84) não é simétrica (z12 z21). Chagas – DEE / UFCG 167 Considerando uma carga ZL ligada à porta 2, pode-se escrever: L L ZV IIZV 1 2 2 22 (5.86) A impedância ZL vista da porta 1 é dada por: 1 1' I VZL (5.87) De (5.87), (5.82) e (5.83), tem-se: 2 22 2 2' / V I V IZL (5.88) Combinando (5.88) e (5.86), obtém-se: L L Z Z 2 ' (5.89) Observa-se que um capacitor de impedância 1/sC colocado na porta 2 apresenta-se na porta 1 como um indutor de impedância igual s2C = sL. Isso faz com que o girador seja utilizado em aplicações de baixa potência para fazer com que um circuito capacitivo se comporte como indutivo. Isto evita o uso de indutores volumosos, pesadose caros (notadamente em aplicações frequências mais baixas) e de elevadas resistências parasitas (neste aspecto, os indutores apresentam um comportamento mais distante do ideal que os capacitores). Em circuitos de potências elevadas, os giradores não podem ser utilizados, pois seus componentes não apresentam características adequadas para tais finalidades. Bibliografia [ 1 ] Alexander, C. K.; Sadiku, M. N. O. Fundamentos de Circuitos Elétricos, 5ª ed., McGraw-Hill, 2008. [ 2 ] Desoer, C. A.; Kuh, E. S. Basic Circuit Theory, McGraw-Hill, 1969. [ 3 ] Dorf, , R. C.; Svoboda, J. A. Introdução aos Circuitos Elétricos - 5ª ed., LTC, 2003. [ 4 ] Edminister, J. A. Circuitos Elétricos, Coleção Schaum, Makron - McGraw-Hill, 1991. [ 5 ] Ferreira, A. B. H. Novo Dicionário Aurélio da Língua Portuguesa - 3ª. ed., Edição eletrônica, Positivo Informática Ltda, 2004. [ 6 ] Hayt Jr., W. H.; Kemmerly, J. C. 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