Circuitos Elétricos 2: circuitos CA: pacote de revisão

Formulários, as principais etapas dos métodos de cada tópico e 16 exercícios, com soluções completas no final.

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1Fórmulas e métodos

Números complexos

Forma retangular
z = a + jb, j² = −1, z̄ = a − jb
Módulo e argumento
|z| = √(a² + b²), tan θ = b/a (check the quadrant)
Forma polar e exponencial
z = r∠θ = r(cos θ + j sin θ) = r·ejθ
Divisão
z₁/z₂ = z₁z̄₂/|z₂|²
Produto e quociente
r₁∠θ₁ · r₂∠θ₂ = r₁r₂∠(θ₁ + θ₂), r₁∠θ₁ / r₂∠θ₂ = (r₁/r₂)∠(θ₁ − θ₂)
De Moivre
(r∠θ)ⁿ = rⁿ∠nθ
Raízes n-ésimas
zk = R1/n∠((φ + 360°·k)/n), k = 0 … n − 1
Equação quadrática com p² < 4q
z = −p/2 ± j√(q − p²/4)

Método

  1. Decida qual forma convém à operação: retangular a + jb para somar e subtrair, polar r∠θ para multiplicar, dividir, potências e raízes.
  2. Multiplique com j² = −1; divida multiplicando o numerador e o denominador pelo conjugado do denominador.
  3. Converta com r = √(a² + b²) e θ a partir de um esboço do ponto (verifique o quadrante), e de volta com a = r cos θ, b = r sin θ.
  4. Para potências use De Moivre, (r∠θ)ⁿ = rⁿ∠nθ; para zⁿ = R∠φ liste todas as n raízes R1/n∠((φ + 360°k)/n).

Impedância CA e fasores

Impedâncias
ZR = R, ZL = jωL, ZC = 1/(jωC)
Frequência angular
ω = 2πf
Módulo e ângulo
|Z| = √(R² + X²), φ = atan(X/R)
Lei de Ohm fasorial
V = I·Z

Método

  1. Converta a frequência: ω = 2πf.
  2. Encontre cada reatância: XL = ωL e XC = 1/(ωC).
  3. Some as impedâncias como resistores, com Z = R + jX.
  4. Encontre o módulo |Z| = √(R² + X²) e o ângulo φ = atan(X/R), e depois use a lei de Ohm com fasores.

Potência CA e fator de potência

Potência ativa
P = V·I·cos φ
Potência reativa
Q = V·I·sin φ
Potência aparente
S = V·I = √(P² + Q²)
Fator de potência
pf = cos φ = P/S
Capacitor de correção
QC = P(tan φ1 − tan φ2), C = QC/(ωV²)

Ressonância LC, fator Q e largura de banda

Frequência natural
ω0 = 1/√(LC), f0 = 1/(2π√(LC))
Energia
W = ½CV0² = ½Cv² + ½Li²
Corrente de pico
Imax = V0√(C/L)
Fator de qualidade
Q = 2π·(energy stored)/(energy lost per cycle)
RLC série
Q = (1/R)√(L/C), BW = R/(2πL)
RLC paralelo
Q = R√(C/L), BW = 1/(2πRC)
Largura de banda
BW = f2 − f1 = f0/Q, f0 = √(f1f2)
Frequências de meia potência
f1,2 = f0(√(1 + 1/(4Q²)) ∓ 1/(2Q))
Circuito tanque com resistência da bobina r
RD = L/(C·r) = Q²·r
Decaimento da amplitude
e−Rt/(2L)

Método

  1. Encontre primeiro a frequência de ressonância: ω₀ = 1/√(LC) e f₀ = ω₀/(2π).
  2. Decida se o circuito é série ou paralelo: no série Q = (1/R)√(L/C), no paralelo Q = R√(C/L).
  3. Use BW = f₀/Q para a largura de banda, ou os atalhos R/(2πL) (série) e 1/(2πRC) (paralelo).
  4. Em questões de energia, use que a energia total ½CV₀² permanece constante em um circuito LC ideal e oscila entre C e L a cada quarto de período.

Potência trifásica

Ligação em Y
VL = √3·Vph, IL = Iph
Ligação em Δ
VL = Vph, IL = √3·Iph
Potência ativa total
P = √3·VL·IL·cos φ = 3·Iph²·R
Potência aparente e reativa
S = √3·VL·IL, Q = P·tan φ
Capacitores de correção
QC = P(tan φ1 − tan φ2), C = QC/(3ωV²)
Tensão sobre cada capacitor
Δ: VL Y: VL/√3
Potência de entrada do motor
Pin = Pout/η

Transitórios RC e RL

Constante de tempo
τ = RC | τ = L/R
Resposta
x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ
Capacitor em CC
circuito aberto; vC não pode saltar
Indutor em CC
curto-circuito; iL não pode saltar
Regime permanente
t ≈ 5τ

Método

  1. Encontre o valor inicial logo após a comutação: a tensão em um capacitor e a corrente em um indutor não podem saltar.
  2. Encontre o valor final muito tempo depois da comutação: um capacitor se comporta como circuito aberto e um indutor como curto-circuito.
  3. Encontre a constante de tempo: τ = RC ou τ = L/R, usando a resistência vista pelo capacitor ou indutor.
  4. Use x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ.

Thévenin e Norton

Tensão de Thévenin
Vth = Vopen circuit
Resistência de Thévenin
Rth: todas as fontes desligadas, vista de a–b
Corrente de Norton
IN = Vth/Rth
Corrente na carga
IL = Vth/(Rth + RL)
Máxima transferência de potência
RL = Rth, Pmax = Vth²/(4Rth)

Método

  1. Retire a carga e marque os dois terminais a e b.
  2. Encontre a tensão de circuito aberto entre a e b: essa é Vth.
  3. Desligue todas as fontes independentes e encontre a resistência vista de a–b: essa é Rth.
  4. Recoloque a carga no circuito equivalente: Vth em série com Rth.
  5. Para o equivalente de Norton, converta: IN = Vth/Rth, com RN = Rth em paralelo.

2Exercícios

1.Números complexosMédia
ReIm22−2−244−4−4θz

Escreva z = −5 − j4 na forma exponencial r·ejθ. Dê θ em radianos, entre −π e π.

z = −5 − j4
θ = rad
2.Números complexosDifícil
ReIm0,50,5−0,5−0,511−1−1θz

Use o teorema de De Moivre para encontrar a parte real de z⁴ para z = 1 + j.

z = 1 + jn = 4
Re(z⁴) =
3.Impedância CA e fasoresMédia
120 V100 HzR = 15 ΩL = 250 mHC = 100 µFI

Um circuito RLC série está ligado a uma fonte de 120 V (rms), 100 Hz. Encontre o fator de potência cos φ do circuito.

V = 120 V (rms)f = 100 HzR = 15 ΩL = 250 mHC = 100 µF
cos φ =
4.Impedância CA e fasoresDifícil
120 V200 HzR = 100 ΩL = 100 mHC = 4,7 µF

Um circuito RLC série está ligado a uma fonte de 120 V (rms), 200 Hz. Encontre a frequência de ressonância f0 do circuito.

V = 120 V (rms)f = 200 HzR = 100 ΩL = 100 mHC = 4,7 µF
f0 = Hz
5.Potência CA e fator de potênciaMédia
240 VZ15 + j20 ΩI

Uma carga com impedância Z = 15 + j20 Ω está ligada a uma fonte monofásica de 240 V (eficaz). Encontre a potência reativa Q que ela absorve.

V = 240 VZ = 15 + j20 Ω
Q = var
6.Potência CA e fator de potênciaDifícil
P1​ = 28 kWQ1​S1​φ

Um transformador monofásico de 50 kVA alimenta uma carga de 28 kW com fator de potência 0,8 indutivo. Quanta potência ativa adicional ΔP pode ser acrescentada como carga resistiva (fator de potência unitário) antes que o transformador atinja sua potência nominal em kVA?

Smax = 50 kVAP1 = 28 kWpf1 = 0,8
ΔP = kW
7.Ressonância LC, fator Q e largura de bandaMédia
V10 kΩ470 µH10 nF

Um circuito RLC paralelo tem R = 10 kΩ, L = 470 µH e C = 10 nF. Encontre seu fator de qualidade Q.

R = 10 kΩL = 470 µHC = 10 nF
Q =
8.Ressonância LC, fator Q e largura de bandaDifícil
C = 10 nFR = 2 ΩL = 2,2 mH

Um capacitor carregado de 10 nF se descarrega por uma bobina de 2,2 mH com resistência série total de 2 Ω, de modo que a oscilação se extingue lentamente. Sua amplitude decai como e−Rt/(2L). Quantos ciclos de oscilação n passam até que a amplitude caia à metade? (As perdas são pequenas, então a frequência é f₀.)

L = 2,2 mHC = 10 nFR = 2 Ω
n =
9.Potência trifásicaMédia
ABCVL​ = 415 VZ = 20 + j15 Ωpor fase

Uma carga equilibrada ligada em Δ com impedância de 20 + j15 Ω por fase está ligada a uma alimentação trifásica equilibrada com tensão de linha de 415 V. Encontre a potência ativa total P absorvida pela carga em kW.

VL = 415 VZ = 20 + j15 Ω por fase
P = kW
10.Potência trifásicaDifícil
P = 80 kWφ1​S1​Q2​QC​ = ?

Uma carga trifásica equilibrada consome 80 kW com fator de potência 0,75 indutivo de uma alimentação de 690 V (tensão de linha), 50 Hz. Um banco de capacitores trifásico em paralelo com a carga deve elevar o fator de potência total para 0,95 indutivo. A potência ativa permanece a mesma. Encontre a potência reativa total QC que o banco de capacitores deve fornecer, em kvar.

P = 80 kWpf1 = 0,75pf2 = 0,95VL = 690 Vf = 50 Hz
QC = kvar
11.Transitórios RC e RLMédia
+−Vs​6 Vt = 0R = 50 ΩL220 mHi(t)

O indutor não conduz corrente antes de a chave fechar em t = 0. Encontre a corrente i em t = 10 ms.

Vs = 6 VR = 50 ΩL = 220 mHt = 10 ms
i = A
12.Transitórios RC e RLDifícil
+−Vs​6 VR1​ = 47 ΩR2​ = 10 Ωfecha em t = 0L220 mHi(t)

A chave em paralelo com R2 está aberta há muito tempo, então a corrente do indutor é constante. Em t = 0 a chave fecha e coloca R2 em curto. Quanto tempo após t = 0 a corrente do indutor atinge 0,114 A? Encontre t.

Vs = 6 VR1 = 47 ΩR2 = 10 ΩL = 220 mH
t = ms
13.Thévenin e NortonMédia
R1​ = 20 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​10 VR2​4 ΩAab

Encontre a corrente de Norton IN: a corrente que flui de a para b se os terminais forem curto-circuitados.

V1 = 10 VR1 = 20 ΩR2 = 4 ΩR3 = 5 Ω
IN = A
14.Thévenin e NortonDifícil
R1​ = 5 ΩR3​ = 25 Ω+−V1​6 VR2​30 ΩAIs​5 ABRL​30 ΩIL​

Uma carga RL = 30 Ω é ligada entre a–b. Use um equivalente de Thévenin para encontrar a potência PL entregue à carga.

V1 = 6 VIs = 5 AR1 = 5 ΩR2 = 30 ΩR3 = 25 ΩRL = 30 Ω
PL = W
15.Diagramas de Bode e margensMédia
|H| (dB)0,10,111101010010010001000−40−200204060ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−135−90−450ω = 5

Encontre a fase ∠G(jω) de G(s) = 26(s + 11)/(s(s + 3)) em ω = 5 rad/s, em graus.

G(s) = 26(s + 11)/(s(s + 3))ω = 5 rad/s
∠G(jω) = °
16.Diagramas de Bode e margensDifícil
|H| (dB)0,10,1111010100100−80−60−40−2002040ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−270−180−900ω180​ = ?

Uma malha com realimentação unitária tem a função de transferência de malha aberta L(s) = 82/(s(s + 3)(s + 9)). Encontre a frequência de cruzamento de fase ω180, onde ∠L(jω) = −180°.

L(s) = 82/(s(s + 3)(s + 9))
ω180 = rad/s

3Soluções

1.Números complexos

Resposta: θ = −2,467 rad

Forma polar: z = r∠θ = r(cos θ + j sin θ) = r·ejθ, com r = |z| e θ = arg z. De volta à forma retangular: a = r cos θ, b = r sin θ. O argumento exige o quadrante: θ = atan(b/a) somente quando a > 0; para a < 0 some ou subtraia 180°. Na forma polar a multiplicação é fácil: multiplique os módulos e some os argumentos; para a divisão, divida os módulos e subtraia os argumentos.

Módulo

r = √(25 + 16) = 6,403

Argumento em radianos

θ = −141,3° = −141,3·π/180 = −2,467 rad

Forma exponencial

z = 6,403·e−j2,467

Resposta

θ = −2,467 rad
2.Números complexos

Resposta: Re(z⁴) = −4

De Moivre e raízes: (r∠θ)ⁿ = rⁿ∠nθ. A equação zⁿ = R∠φ tem exatamente n raízes, todas com módulo R1/n, nos argumentos (φ + 360°·k)/n para k = 0, 1, …, n − 1: elas ficam igualmente espaçadas sobre uma circunferência, a 360°/n uma da outra. Uma equação quadrática z² + pz + q = 0 com p² < 4q tem as raízes complexas z = −p/2 ± j√(q − p²/4); um polinômio com coeficientes reais sempre tem suas raízes complexas em pares conjugados a ± jb.

Forma polar

z = 1 + j = √2∠45°

De Moivre

z⁴ = (√2)⁴∠180° = 4∠180°

Forma retangular

z⁴ = 4·(cos 180° + j sin 180°) = −4
Re(z⁴) = −4

Resposta

Re(z⁴) = −4
3.Impedância CA e fasores

Resposta: cos φ = 0,1057

Circuitos CA com fasores: resistores, indutores e capacitores têm impedâncias R, jωL e 1/(jωC), com ω = 2πf. Em série, as impedâncias se somam como resistências, mas como números complexos. Corrente e tensão rms seguem a lei de Ohm com |Z|.

Reatâncias

XL = 157,1 Ω, XC = 15,92 Ω

Impedância

|Z| = √(15² + (141,2)²) = 142 Ω

Fator de potência

cos φ = R/|Z| = 15/142 = 0,1057
O circuito é indutivo, então o fator de potência é indutivo (atrasado).

Resposta

cos φ = 0,1057
4.Impedância CA e fasores

Resposta: f0 = 232,2 Hz

Circuitos CA com fasores: resistores, indutores e capacitores têm impedâncias R, jωL e 1/(jωC), com ω = 2πf. Em série, as impedâncias se somam como resistências, mas como números complexos. Corrente e tensão rms seguem a lei de Ohm com |Z|.

Ressonância

Na ressonância as reatâncias indutiva e capacitiva se anulam: ωL = 1/(ωC). A frequência da fonte não importa.

f0 = 1/(2π√(LC)) = 1/(2π·√(0,1·4,7·10⁻⁶)) = 232,2 Hz

Resposta

f0 = 232,2 Hz
5.Potência CA e fator de potência

Resposta: Q = 1843 var

Potência CA: a potência aparente S = V·I (VA) se divide em potência ativa P = S·cos φ (W), que realiza trabalho útil, e potência reativa Q = S·sin φ (var), que vai e volta entre fonte e carga. O fator de potência é cos φ. Um capacitor em paralelo fornece potência reativa localmente, então a corrente de linha cai para a mesma potência ativa.

Corrente

|Z| = √(15² + 20²) = 25 Ω
I = V/|Z| = 240/25 = 9,6 A

Potência reativa

Q = I²·X = 9,6²·20 = 1843 var

Resposta

Q = 1843 var
6.Potência CA e fator de potência

Resposta: ΔP = 17,38 kW

Potência CA: a potência aparente S = V·I (VA) se divide em potência ativa P = S·cos φ (W), que realiza trabalho útil, e potência reativa Q = S·sin φ (var), que vai e volta entre fonte e carga. O fator de potência é cos φ. Um capacitor em paralelo fornece potência reativa localmente, então a corrente de linha cai para a mesma potência ativa.

Potência reativa da carga existente

Q1 = 28·tan(arccos 0,8) = 21 kvar

Maior potência ativa total

Na potência nominal S = Smax, e Q não é alterada pela carga resistiva.

P = √(Smax² − Q1²) = √(50² − 21²) = 45,38 kW

Potência ativa adicional

ΔP = 45,38 − 28 = 17,38 kW

Resposta

ΔP = 17,38 kW
7.Ressonância LC, fator Q e largura de banda

Resposta: Q = 46,13

Fator Q e largura de banda: em um circuito ressonante, Q = 2π·(energia armazenada)/(energia perdida por ciclo). No RLC série, Q = ω0L/R = (1/R)√(L/C); no RLC paralelo, Q = R/(ω0L) = R√(C/L). A largura de banda entre as frequências de meia potência f1 e f2 (em que a potência é a metade e a corrente ou a tensão é 1/√2 do pico) é BW = f2 − f1 = f0/Q, que vale R/(2πL) em série e 1/(2πRC) em paralelo. A frequência de ressonância é a média geométrica f0 = √(f1f2), e f1,2 = f0(√(1 + 1/(4Q²)) ∓ 1/(2Q)). As perdas também fazem a oscilação decair: no RLC série, a amplitude cai como e−Rt/(2L).

Frequência de ressonância

ω₀ = 1/√(LC) = 461266 rad/s

Fator de qualidade

Q = R/(ω₀L) = 10000/(461266·0,00047) = 46,13

Resposta

Q = 46,13

A largura de banda é 1/(2πRC) = 1,592 kHz.

8.Ressonância LC, fator Q e largura de banda

Resposta: n = 51,74

Fator Q e largura de banda: em um circuito ressonante, Q = 2π·(energia armazenada)/(energia perdida por ciclo). No RLC série, Q = ω0L/R = (1/R)√(L/C); no RLC paralelo, Q = R/(ω0L) = R√(C/L). A largura de banda entre as frequências de meia potência f1 e f2 (em que a potência é a metade e a corrente ou a tensão é 1/√2 do pico) é BW = f2 − f1 = f0/Q, que vale R/(2πL) em série e 1/(2πRC) em paralelo. A frequência de ressonância é a média geométrica f0 = √(f1f2), e f1,2 = f0(√(1 + 1/(4Q²)) ∓ 1/(2Q)). As perdas também fazem a oscilação decair: no RLC série, a amplitude cai como e−Rt/(2L).

Meia-vida da amplitude

t = 2·0,0022·ln 2/2 = 0,001525 s

Número de ciclos

n = t·f0 = 0,001525·33932 = 51,74

Resposta

n = 51,74

Atalho: n = Q·ln 2/π com Q = 234,5.

9.Potência trifásica

Resposta: P = 16,53 kW

Sistemas trifásicos equilibrados: em uma ligação Y (estrela) a tensão de linha é √3 vezes a tensão de fase, VL = √3·Vph, e a corrente de linha é igual à corrente de fase. Em uma ligação Δ (triângulo) a tensão de linha é igual à tensão de fase e a corrente de linha é √3 vezes a corrente de fase, IL = √3·Iph. A potência total é três vezes a potência de uma fase: P = 3·Vph·Iph·cos φ = √3·VL·IL·cos φ.

Tensão de fase

Vph = VL = 415 V

Corrente de fase

|Z| = √(20² + 15²) = 25 Ω
Iph = 415/25 = 16,6 A

Potência ativa total

Só a parte resistiva de cada impedância absorve potência ativa.

P = 3·Iph²·R = 3·16,6²·20 = 16,53 kW

Resposta

P = 16,53 kW

Verificação: cos φ = R/|Z| = 0,8, e √3·VL·IL·cos φ dá a mesma potência.

10.Potência trifásica

Resposta: QC = 44,26 kvar

Sistemas trifásicos equilibrados: em uma ligação Y (estrela) a tensão de linha é √3 vezes a tensão de fase, VL = √3·Vph, e a corrente de linha é igual à corrente de fase. Em uma ligação Δ (triângulo) a tensão de linha é igual à tensão de fase e a corrente de linha é √3 vezes a corrente de fase, IL = √3·Iph. A potência total é três vezes a potência de uma fase: P = 3·Vph·Iph·cos φ = √3·VL·IL·cos φ. Correção do fator de potência: os capacitores fornecem potência reativa localmente, QC = P·(tan φ1 − tan φ2). Cada um dos três capacitores fornece QC/3 = V²·ω·C, onde V é a tensão sobre aquele capacitor: VL em um banco em Δ, VL/√3 em um banco em Y.

Potência reativa antes e depois

A potência ativa não muda, então cada fator de potência fixa a potência reativa: Q = P·tan φ.

Q1 = 80·tan(acos 0,75) = 80·0,8819 = 70,55 kvar
Q2 = 80·tan(acos 0,95) = 80·0,3287 = 26,29 kvar

Potência reativa dos capacitores

QC = Q1 − Q2 = 44,26 kvar

Resposta

QC = 44,26 kvar
11.Transitórios RC e RL

Resposta: i = 0,1076 A

Transitórios de primeira ordem: em um circuito com um capacitor ou um indutor, toda tensão e corrente vai exponencialmente do valor inicial ao valor final: x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ, com τ = RC ou τ = L/R. Depois de cerca de 5τ o circuito se estabiliza.

Constante de tempo e corrente final

Muito depois de a chave fechar, o indutor se comporta como um curto, então a corrente final depende só de R.

τ = L/R = 220 mH / 50 Ω = 4,4 ms
i(∞) = Vs/R = 6/50 = 0,12 A

Corrente no instante dado

i(t) = i(∞)·(1 − e−t/τ) = 0,12·(1 − e−10/4,4) = 0,1076 A

Resposta

i = 0,1076 A
12.Transitórios RC e RL

Resposta: t = 2,314 ms

Transitórios de primeira ordem: em um circuito com um capacitor ou um indutor, toda tensão e corrente vai exponencialmente do valor inicial ao valor final: x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ, com τ = RC ou τ = L/R. Depois de cerca de 5τ o circuito se estabiliza.

Valor inicial, valor final, constante de tempo

Antes de t = 0 os dois resistores estão na malha; depois a chave fechada desvia R₂.

i(0) = 6/(47 + 10) = 0,1053 A
i(∞) = 6/47 = 0,1277 A
τ = L/R = 220/47 = 4,681 ms
i(t) = 0,1277 + (0,1053 − 0,1277)·e−t/τ

Resolva para o tempo

e−t/τ = (0,114 − 0,1277)/(0,1053 − 0,1277) = 0,6099
t = 4,681·ln(1,64) = 2,314 ms

Resposta

t = 2,314 ms
13.Thévenin e Norton

Resposta: IN = 0,2 A

Teorema de Thévenin: qualquer rede linear de dois terminais se comporta como uma única fonte de tensão Vth em série com uma resistência Rth. O teorema de Norton dá a mesma rede como uma fonte de corrente IN = Vth/Rth em paralelo com Rth.

R1​ = 20 ΩR3​ = 5 ΩCURTOR2​4 ΩAabRth​

Encontre Rth com todas as fontes desligadas

Substitua fontes de tensão por curtos e fontes de corrente por circuitos abertos, depois olhe para o circuito a partir de a–b.

R1 ∥ R2 = 20·4/(20+4) = 3,333 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3,333 + 5 = 8,333 Ω
R1​ = 20 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​10 VR2​4 ΩAab+−Vth​

Encontre Vth, a tensão de circuito aberto

Com a–b aberto, não passa corrente por R₃, então não há queda nele e V_b = V_A. R₁ e R₂ formam um divisor de tensão.

Vth = V1·R2/(R1+R2) = 10·4/(20+4) = 1,667 V
IN​0,2 ARth​8,333 Ωab

Equivalente de Norton

Uma fonte de Norton é o mesmo circuito visto como uma fonte de corrente em paralelo com R_th. Sua corrente é a corrente de curto-circuito em a–b.

IN = Vth/Rth = 1,667/8,333 = 0,2 A
14.Thévenin e Norton

Resposta: PL = 196,1 W

Teorema de Thévenin: qualquer rede linear de dois terminais se comporta como uma única fonte de tensão Vth em série com uma resistência Rth. O teorema de Norton dá a mesma rede como uma fonte de corrente IN = Vth/Rth em paralelo com Rth.

R1​ = 5 ΩR3​ = 25 ΩCURTOR2​30 ΩAABERTOBabRth​

Encontre Rth com todas as fontes desligadas

Substitua fontes de tensão por curtos e fontes de corrente por circuitos abertos, depois olhe para o circuito a partir de a–b.

R1 ∥ R2 = 5·30/(5+30) = 4,286 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 4,286 + 25 = 29,29 Ω
R1​ = 5 ΩR3​ = 25 Ω+−V1​6 VR2​30 ΩAIs​5 ABab+−Vth​

Encontre Vth, a tensão de circuito aberto

Com a–b aberto, o único caminho para Iₛ é por R₃ até o nó A. Encontre V_A por superposição de V₁ e Iₛ, depois some a queda em R₃.

VA = V1·R2/(R1+R2) + Is·(R1∥R2) = 5,143 + 5·4,286 = 26,57 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 26,57 + 5·25 = 151,6 V
Rth​ = 29,29 Ω+−Vth​151,6 VRL​30 ΩIL​

Ligue a carga ao equivalente de Thévenin

A fonte de Thévenin e R_th em série se comportam exatamente como o circuito original em a–b, então a carga vê uma malha simples em série.

IL = Vth/(Rth + RL) = 151,6/(29,29 + 30) = 2,557 A
PL = IL²·RL = 2,557²·30 = 196,1 W
15.Diagramas de Bode e margens

Resposta: ∠G(jω) = −124,6 °

Resposta em frequência: substitua s = jω na função de transferência. O módulo em decibéis é 20·log₁₀|H(jω)| e a fase é a soma dos ângulos dos fatores do numerador menos os do denominador. Um filtro RC ou RL de primeira ordem tem sua frequência de corte (−3 dB) em ωc = 1/(RC) ou R/L, e fc = ωc/(2π); um filtro passa-baixas dá |H| = 1/√(1 + (ω/ωc)²) e φ = −atan(ω/ωc). No diagrama de Bode assintótico (de retas), cada polo inclina o módulo para baixo em 20 dB/década na sua frequência de canto, cada zero o inclina para cima em 20 dB/década, e um integrador 1/s dá −20 dB/década em todas as frequências. Cruzamento de ganho ωc: |L(jω)| = 1 (0 dB); margem de fase MF = 180° + ∠L(jωc). Cruzamento de fase ω180: ∠L(jω) = −180°; margem de ganho MG = −20·log₁₀|L(jω180)| dB. A malha fechada é estável quando as duas margens são positivas.

Some os ângulos

∠G = atan(5/11) − 90° − atan(5/3) = 24,44° − 90° − 59,04°

Resultado

∠G(j5) = −124,6°

Resposta

∠G(jω) = −124,6°
16.Diagramas de Bode e margens

Resposta: ω180 = 5,196 rad/s

Resposta em frequência: substitua s = jω na função de transferência. O módulo em decibéis é 20·log₁₀|H(jω)| e a fase é a soma dos ângulos dos fatores do numerador menos os do denominador. Um filtro RC ou RL de primeira ordem tem sua frequência de corte (−3 dB) em ωc = 1/(RC) ou R/L, e fc = ωc/(2π); um filtro passa-baixas dá |H| = 1/√(1 + (ω/ωc)²) e φ = −atan(ω/ωc). No diagrama de Bode assintótico (de retas), cada polo inclina o módulo para baixo em 20 dB/década na sua frequência de canto, cada zero o inclina para cima em 20 dB/década, e um integrador 1/s dá −20 dB/década em todas as frequências. Cruzamento de ganho ωc: |L(jω)| = 1 (0 dB); margem de fase MF = 180° + ∠L(jωc). Cruzamento de fase ω180: ∠L(jω) = −180°; margem de ganho MG = −20·log₁₀|L(jω180)| dB. A malha fechada é estável quando as duas margens são positivas.

Cruzamento de fase

(ω/3)·(ω/9) = 1 → ω180 = √(3·9) = 5,196 rad/s

Resposta

ω180 = 5,196 rad/s

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