En 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 exterior que cumple con la condición del 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 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, ni siquiera conocer, la composición interna o el diseño del circuito para determinar la respuesta del circuito a las señales aplicadas.
El concepto de puertos puede extenderse a las guías de ondas , pero la definición en términos de corriente no es apropiada y se debe tener en cuenta la posible existencia de múltiples modos de guías de ondas .
Cualquier nodo de un circuito que esté disponible para conexión a un circuito externo se llama polo (o terminal si es un objeto físico). La condición del puerto es que un par de polos de un circuito se considera un puerto si y sólo si la corriente que fluye hacia un polo desde fuera 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 con la condición del puerto analizando las propiedades internas del propio circuito. El estado del puerto depende completamente de las conexiones externas del circuito. Lo que son puertos en un conjunto de circunstancias externas bien pueden no serlo en otro. Considere, por ejemplo, el circuito de cuatro resistencias en la figura. 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 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 del puerto. Sin embargo, es posible solucionar dicho circuito dividiendo uno o más polos en varios 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 común y dividirlo en n −1 polos. Esta última forma es especialmente útil para topologías de circuitos desequilibrados 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 generadores C 2 , luego 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 se puede describir 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 4 C 2 = 6 generadores en total y el circuito debe tratarse como un 6- puerto.
Cualquier circuito bipolar cumple con la condición de puerto según la actual ley de Kirchhoff y, por lo tanto, es incondicionalmente unipuerto. [1] Todos los elementos eléctricos básicos ( inductores , resistencias , condensadores , fuentes de voltaje , fuentes de corriente ) son dispositivos de un solo 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 de dos elementos (es decir, los circuitos RC , RL y LC ) son más fáciles de sintetizar que el caso general. Para un puerto 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 usan comúnmente en el diseño de filtros . [2]
Las redes lineales de dos puertos han sido ampliamente estudiadas y se han desarrollado una gran cantidad de formas de representarlas. Una de estas representaciones son los parámetros z que pueden describirse en forma matricial mediante;
donde V n e In 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, 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 ampliar 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 guías de ondas . En cambio, se utilizan parámetros s en estas frecuencias y estos también pueden extenderse 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 suelen ser topologías de circuitos desequilibrados, como el coaxial o el microstrip . En estos formatos, un polo de cada puerto de 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 tienen el mismo potencial y que la corriente proviene o ingresa al plano de tierra que es igual y opuesto al que ingresa al otro polo de cualquier puerto. En esta topología, un puerto se trata como si fuera un solo polo. El correspondiente polo de equilibrio se supone incorporado en el plano de masa. [4]
La representación unipolar de un puerto comenzará a fallar si hay importantes corrientes de bucle 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 provocarán diferencias de potencial. Si hay una diferencia de potencial entre los polos comunes de dos puertos, entonces la condición del puerto se rompe y el modelo no es válido.
La idea de puertos puede extenderse (y se extiende) a los dispositivos de guías 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. En cambio, son guiados por las paredes de la guía de ondas. Por tanto, el concepto de polo conductor de circuito no existe en este formato. Los puertos de las guías de ondas consisten en una abertura o rotura en la guía de ondas a través de la cual pueden pasar las ondas electromagnéticas. El plano acotado por el que pasa la onda es la definición del puerto. [4]
Las guías de ondas tienen 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 puede ampliarse a otros ámbitos energéticos. La definición generalizada de 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 del puerto está tan definida en el análisis eléctrico. Si la suma algebraica de las corrientes no es cero, como en el diagrama de ejemplo (c), entonces la energía entregada por 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 tanto, más compleja que un simple flujo de un subsistema a otro y no responde a la definición generalizada de puerto.
El concepto de puerto es particularmente útil cuando múltiples dominios de energía están involucrados en el mismo sistema y se requiere un análisis unificado y coherente, como en el caso de analogías mecánico-eléctricas o análisis de gráficos de enlaces . [7] La conexión entre dominios energéticos se realiza mediante transductores . Un transductor puede ser de un solo puerto visto desde el ámbito eléctrico, pero según la definición más generalizada de puerto es de dos puertos. 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 las redes eléctricas de dos puertos. Es decir, mediante un par de ecuaciones algebraicas lineales o una matriz de función de transferencia de 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 relaciones de una variable eléctrica y una mecánica. [8]
