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.

Novos exercíciosVoltar à disciplina

Na janela de impressão, escolha “Salvar como PDF” para guardar uma cópia no seu dispositivo.

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
ReIm22−2−244−4−466−6−6θz

Escreva z = 6∠−20° na forma retangular a + jb e dê a parte real a.

r = 6θ = −20°
a =
2.Números complexosDifícil
ReIm11−1−122−2−2z₁z₂

Uma raiz de z³ − z² − z − 15 = 0 é z₁ = −1 + j2. Os coeficientes são reais. Encontre a raiz real r.

z₁ = −1 + j2
r =
3.Impedância CA e fasoresMédia
230 V100 HzR = 15 ΩL = 150 mHC = 10 µF

Um circuito RLC série está ligado a uma fonte de 230 V (rms), 100 Hz. Encontre o ângulo de fase φ da impedância, em graus (positivo quando a corrente está atrasada em relação à tensão).

V = 230 V (rms)f = 100 HzR = 15 ΩL = 150 mHC = 10 µF
φ = °
4.Impedância CA e fasoresDifícil
12 V500 HzR1​ = 50 ΩR2​ = 40 ΩC = 10 µFI

Um resistor R1 está ligado em série com uma associação em paralelo de R2 e um capacitor C, a uma fonte de 12 V (eficaz), 500 Hz. Encontre a corrente rms I.

V = 12 V (rms)f = 500 HzR1 = 50 ΩR2 = 40 ΩC = 10 µF
I = A
5.Potência CA e fator de potênciaMédia
P = 23 kWQSφ

Um motor monofásico consome 23 kW com fator de potência 0,75 indutivo de uma fonte de 400 V. Encontre a corrente de linha I.

P = 23 kWpf = 0,75V = 400 V
I = A
6.Potência CA e fator de potênciaDifícil
P = 35 kWQ1​S1​φ1​QC​

Uma carga monofásica consome 35 kW com fator de potência 0,75 indutivo de uma fonte de 400 V, 50 Hz. Um capacitor ligado em paralelo eleva o fator de potência para 0,95. Encontre a potência reativa QC que o capacitor deve fornecer.

P = 35 kWpf1 = 0,75pf2 = 0,95V = 400 Vf = 50 Hz
QC = kvar
7.Ressonância LC, fator Q e largura de bandaMédia
C = 470 pF+−4,8 VL = 4,7 mHiL​

Um capacitor de 470 pF carregado a 24 V oscila com um indutor ideal de 4,7 mH. Encontre a energia WL armazenada no indutor no instante em que a tensão do capacitor é 4,8 V, em nJ.

C = 470 pFV0 = 24 VvC = 4,8 V
WL = nJ
8.Ressonância LC, fator Q e largura de bandaDifícil
C = 22 nFr = 0,5 ΩL = 220 µH

Um circuito tanque paralelo é feito de um capacitor de 22 nF e uma bobina de 220 µH com resistência do enrolamento de 0,5 Ω. Na ressonância, ele se comporta como um resistor, sua resistência dinâmica RD = L/(C·r). Encontre RD em kΩ.

L = 220 µHC = 22 nFr = 0,5 Ω
RD = kΩ
9.Potência trifásicaMédia
ABCVL​ = 400 VIL​ = ?M110 kW, η = 91%cos φ = 0,88

Um motor de indução trifásico fornece 110 kW de potência mecânica de saída a plena carga. Nessa carga seu rendimento é 91% e seu fator de potência é 0,88 indutivo. A alimentação tem tensão de linha de 400 V. Encontre a corrente de linha IL.

Pout = 110 kWη = 91%cos φ = 0,88VL = 400 V
IL = A
10.Potência trifásicaDifícil
P = 150 kWφ1​S1​Q2​QC​

Uma carga trifásica equilibrada consome 150 kW com fator de potência 0,75 indutivo de uma alimentação de 400 V (tensão de linha), 60 Hz. Um banco de capacitores trifásico em paralelo com a carga deve elevar o fator de potência total para 0,98 indutivo. A potência ativa permanece a mesma. Os capacitores estão ligados em Δ. Encontre a capacitância Cph de cada capacitor em µF.

P = 150 kWpf1 = 0,75pf2 = 0,98VL = 400 Vf = 60 Hz
Cph = µF
11.Transitórios RC e RLMédia
+−Vs​10 Vt = 0R = 22 ΩL150 mHi(t)

O indutor não conduz corrente antes de a chave fechar em t = 0. Encontre a energia W armazenada no indutor em t = 20 ms, em mJ.

Vs = 10 VR = 22 ΩL = 150 mHt = 20 ms
W = mJ
12.Transitórios RC e RLDifícil
+−Vs​10 Vt = 0R = 4,7 kΩC100 µF+−vC​vC​(0) = 8 V

Logo antes de a chave fechar em t = 0, o capacitor tem 8 V com a polaridade indicada. Quanto tempo leva para vC chegar a 8,6 V? Encontre t.

Vs = 10 VR = 4,7 kΩC = 100 µFvC(0) = 8 V
t = ms
13.Thévenin e NortonMédia
R1​ = 8 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​9 VR2​2 ΩAab

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

V1 = 9 VR1 = 8 ΩR2 = 2 ΩR3 = 20 Ω
IN = A
14.Thévenin e NortonDifícil
R1​ = 3 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​5 VR2​5 ΩAIs​1,5 ABab

Encontre a tensão de Thévenin Vth vista dos terminais a–b.

V1 = 5 VIs = 1,5 AR1 = 3 ΩR2 = 5 ΩR3 = 12 Ω
Vth = V
15.Diagramas de Bode e margensMédia
vin​C = 22 nFR = 47 kΩvout​

O Filtro passa-altas RC mostrado tem R = 47 kΩ, C = 22 nF. Aplica-se uma entrada senoidal de 31 Hz. Encontre a defasagem φ de vout em relação a vin, em graus.

R = 47 kΩC = 22 nFf = 31 Hz
φ = °
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) = K/(s(s + 5)(s + 7)). Encontre o ganho K que dá uma margem de ganho de 6 dB.

L(s) = K/(s(s + 5)(s + 7))GM = 6 dB
K =

3Soluções

1.Números complexos

Resposta: a = 5,638

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.

Componentes

a = 6·cos(−20°) = 5,638
b = 6·sin(−20°) = −2,052

Forma retangular

z = 5,638 − j2,052
a = 5,638

Resposta

a = 5,638
2.Números complexos

Resposta: r = 3

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.

Par conjugado

z₂ = −1 − j2
(z − z₁)(z − z₂) = z² − 2·(−1)·z + ((−1)² + 2²) = z² + 2z + 5

Fatore o trinômio quadrático

z³ − z² − z − 15 = (z² + 2z + 5)(z − 3)

Raiz real

r = 3

Resposta

r = 3

Confira com a soma das raízes: z₁ + z₂ + r = −2 + 3 = 1 = −(−1).

3.Impedância CA e fasores

Resposta: φ = −76,99 °

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

ω = 2πf = 2π·100 = 628,3 rad/s
XL = ωL = 628,3·0,15 = 94,25 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(628,3·10·10⁻⁶) = 159,2 Ω

Impedância

Em série as impedâncias se somam como números complexos: Z = R + j(XL − XC).

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(15² + (−64,91)²) = 66,62 Ω

Ângulo de fase

φ = arctan((XL − XC)/R) = arctan(−64,91/15) = −76,99°

Resposta

φ = −76,99°
4.Impedância CA e fasores

Resposta: I = 0,1756 A

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|.

Reatância

XC = 1/(2π·500·10·10⁻⁶) = 31,83 Ω

Associação em paralelo

Multiplique numerador e denominador pelo complexo conjugado para separar Zp em partes real e imaginária.

Zp = R₂·(−jXC)/(R₂ − jXC) = (R₂·XC² − jR₂²·XC)/(R₂² + XC²)
Zp = 15,51 − j19,49 Ω

Impedância total

Z = 50 + 15,51 − j19,49 = 65,51 − j19,49 Ω
|Z| = √(65,51² + 19,49²) = 68,35 Ω

Corrente

I = V/|Z| = 12/68,35 = 0,1756 A

Resposta

I = 0,1756 A
5.Potência CA e fator de potência

Resposta: I = 76,67 A

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 de linha

Só a parte ativa da potência realiza trabalho, então divida pelo fator de potência.

I = P/(V·cos φ) = 23000/(400·0,75) = 76,67 A

Resposta

I = 76,67 A
6.Potência CA e fator de potência

Resposta: QC = 19,36 kvar

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 antes e depois

A potência ativa P não muda; só muda a potência reativa tirada da rede.

Q1 = P·tan φ1 = 35·tan(41,41°) = 30,87 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 35·tan(18,19°) = 11,5 kvar
QC = Q1 − Q2 = 19,36 kvar

Resposta

QC = 19,36 kvar
7.Ressonância LC, fator Q e largura de banda

Resposta: WL = 129,9 nJ

Ressonância LC: um capacitor carregado ligado a um indutor produz uma corrente que o carrega no sentido oposto: a energia oscila entre o campo elétrico de C (½Cv²) e o campo magnético de L (½Li²) na frequência natural f0 = 1/(2π√(LC)). Sem resistência, a energia total ½CV0² permanece constante, de modo que a corrente de pico é Imax = V0√(C/L). Um período é T = 1/f0; a energia passa de C para L em um quarto dele.

Energia total

½·4,7 × 10⁻¹⁰·24² = 1,354 × 10⁻⁷ J

Energia que resta no capacitor

½·4,7 × 10⁻¹⁰·4,8² = 5,414 × 10⁻⁹ J

Energia no indutor

WL = 1,299 × 10⁻⁷ J = 129,9 nJ

Resposta

WL = 129,9 nJ
8.Ressonância LC, fator Q e largura de banda

Resposta: RD = 20 kΩ

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).

Resistência dinâmica

RD = 0,00022/(2,2 × 10⁻⁸·0,5) = 20000 Ω = 20 kΩ

Verificação com Q

Q = (1/r)·√(L/C) = 200, Q²·r = 20000 Ω

Resposta

RD = 20 kΩ
9.Potência trifásica

Resposta: IL = 198,3 A

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.

Potência elétrica de entrada

Pin = Pout/η = 110/0,91 = 120,9 kW

Corrente de linha

IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 120879/(√3·400·0,88) = 198,3 A

Resposta

IL = 198,3 A
10.Potência trifásica

Resposta: Cph = 562,7 µF

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 = 150·tan(acos 0,75) = 150·0,8819 = 132,3 kvar
Q2 = 150·tan(acos 0,98) = 150·0,2031 = 30,46 kvar

Potência reativa dos capacitores

QC = Q1 − Q2 = 101,8 kvar

Capacitância por fase

Em um banco em Δ cada capacitor está ligado entre duas linhas.

V = 400 V, ω = 2π·60 = 377 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 33943/(377·400²) = 562,7 µF

Resposta

Cph = 562,7 µF
11.Transitórios RC e RL

Resposta: W = 13,89 mJ

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 = 150 mH / 22 Ω = 6,818 ms
i(∞) = Vs/R = 10/22 = 0,4545 A

Corrente no instante dado

i(t) = 0,4545·(1 − e−20/6,818) = 0,4304 A

Energia armazenada

W = ½·L·i² = ½·150·0,4304² = 13,89 mJ

Resposta

W = 13,89 mJ
12.Transitórios RC e RL

Resposta: t = 167,6 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

A tensão no capacitor não pode saltar, então começa no valor armazenado e vai em direção à tensão da fonte.

vC(0) = 8 V, vC(∞) = Vs = 10 V
τ = R·C = 4,7 kΩ · 100 µF = 470 ms
vC(t) = 10 + (8 − 10)·e−t/τ

Resolva para o tempo

8,6 = 10 + (−2)·e−t/τ → e−t/τ = (8,6 − 10)/(8 − 10) = 0,7
t = τ·ln((8 − 10)/(8,6 − 10)) = 470·ln(1,429) = 167,6 ms

Resposta

t = 167,6 ms
13.Thévenin e Norton

Resposta: IN = 0,08333 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​ = 8 ΩR3​ = 20 ΩCURTOR2​2 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 = 8·2/(8+2) = 1,6 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,6 + 20 = 21,6 Ω
R1​ = 8 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​9 VR2​2 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) = 9·2/(8+2) = 1,8 V
IN​0,08333 ARth​21,6 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 = 1,8/21,6 = 0,08333 A
14.Thévenin e Norton

Resposta: Vth = 23,94 V

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​ = 3 ΩR3​ = 12 ΩCURTOR2​5 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 = 3·5/(3+5) = 1,875 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,875 + 12 = 13,88 Ω
R1​ = 3 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​5 VR2​5 ΩAIs​1,5 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) = 3,125 + 1,5·1,875 = 5,938 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 5,938 + 1,5·12 = 23,94 V
15.Diagramas de Bode e margens

Resposta: φ = 78,61 °

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.

Frequência de corte

ωc = 1/(RC) = 1/(47000·2,2 × 10⁻⁸) = 967,1 rad/s
fc = 153,9 Hz → f/fc = 31/153,9 = 0,2014

Fase

φ = 90° − atan(0,2014) = 78,61°

Resposta

φ = 78,61°
16.Diagramas de Bode e margens

Resposta: K = 210,5

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/5)·(ω/7) = 1 → ω180 = √(5·7) = 5,916 rad/s

Módulo no cruzamento de fase

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 25)·√(ω² + 49)) = K/(5·7·(5 + 7)) = K/420

Ganho necessário

420/K = 106/20 = 1,995
K = 420/1,995 = 210,5

Resposta

K = 210,5

ExamProblems · examproblems.com/courses/circuit-analysis-2