Decida qual forma convém à operação: retangular a + jb para somar e subtrair, polar r∠θ para multiplicar, dividir, potências e raízes.
Multiplique com j² = −1; divida multiplicando o numerador e o denominador pelo conjugado do denominador.
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.
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
Converta a frequência: ω = 2πf.
Encontre cada reatância: XL = ωL e XC = 1/(ωC).
Some as impedâncias como resistores, com Z = R + jX.
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
Encontre primeiro a frequência de ressonância: ω₀ = 1/√(LC) e f₀ = ω₀/(2π).
Decida se o circuito é série ou paralelo: no série Q = (1/R)√(L/C), no paralelo Q = R√(C/L).
Use BW = f₀/Q para a largura de banda, ou os atalhos R/(2πL) (série) e 1/(2πRC) (paralelo).
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
Encontre o valor inicial logo após a comutação: a tensão em um capacitor e a corrente em um indutor não podem saltar.
Encontre o valor final muito tempo depois da comutação: um capacitor se comporta como circuito aberto e um indutor como curto-circuito.
Encontre a constante de tempo: τ = RC ou τ = L/R, usando a resistência vista pelo capacitor ou indutor.
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
Retire a carga e marque os dois terminais a e b.
Encontre a tensão de circuito aberto entre a e b: essa é Vth.
Desligue todas as fontes independentes e encontre a resistência vista de a–b: essa é Rth.
Recoloque a carga no circuito equivalente: Vth em série com Rth.
Para o equivalente de Norton, converta: IN = Vth/Rth, com RN = Rth em paralelo.
2Exercícios
1.Números complexosMédia
Encontre o argumento θ de z = −2 + j5 em graus, como valor principal entre −180° e 180°.
z = −2 + j5
θ = °
2.Números complexosDifícil
Use o teorema de De Moivre para encontrar a parte imaginária de z³ para z = −√3 + j.
z = −√3 + jn = 3
Im(z³) =
3.Impedância CA e fasoresMédia
Um circuito RLC série está ligado a uma fonte de 120 V (rms), 500 Hz. Encontre o ângulo de fase φ da impedância, em graus (positivo quando a corrente está atrasada em relação à tensão).
V = 120 V (rms)f = 500 HzR = 40 ΩL = 200 mHC = 22 µF
φ = °
4.Impedância CA e fasoresDifícil
Um circuito RLC série é alimentado por uma fonte de 12 V (eficaz) cuja frequência é ajustada na frequência de ressonância do circuito. Encontre a tensão eficaz VL sobre o indutor.
V = 12 V (rms)R = 20 ΩL = 50 mHC = 2,2 µF
VL = V
5.Potência CA e fator de potênciaMédia
Um motor monofásico consome 30 kW com fator de potência 0,6 indutivo de uma fonte de 230 V. Encontre a corrente de linha I.
P = 30 kWpf = 0,6V = 230 V
I = A
6.Potência CA e fator de potênciaDifícil
Uma fonte de 100 V (eficaz), 60 Hz tem impedância interna Zs = 4 + j5 Ω. A impedância de carga ZL pode ser escolhida livremente. Encontre a potência ativa máxima Pmax que pode ser entregue à carga.
Vs = 100 V (rms)f = 60 HzZs = 4 + j5 Ω
Pmax = W
7.Ressonância LC, fator Q e largura de bandaMédia
Um circuito RLC paralelo tem R = 10 kΩ, L = 1 mH e C = 47 nF. Encontre seu fator de qualidade Q.
R = 10 kΩL = 1 mHC = 47 nF
Q =
8.Ressonância LC, fator Q e largura de bandaDifícil
Um circuito RLC série (R = 22 Ω, L = 100 mH, C = 47 nF) é excitado na ressonância com uma amplitude de corrente de 200 mA. Encontre a energia Ecycle dissipada em R durante um ciclo, em µJ.
R = 22 ΩL = 100 mHC = 47 nFIm = 200 mA
Ecycle = µJ
9.Potência trifásicaMédia
Uma carga equilibrada ligada em Δ com impedância de 8 + j6 Ω por fase está ligada a uma alimentação trifásica equilibrada com tensão de linha de 208 V. Encontre a potência ativa total P absorvida pela carga em kW.
VL = 208 VZ = 8 + j6 Ω por fase
P = kW
10.Potência trifásicaDifícil
Uma carga trifásica equilibrada consome 80 kW com fator de potência 0,65 indutivo de uma alimentação de 690 V (tensão de linha), 60 Hz. Um banco de capacitores trifásico em paralelo com a carga deve elevar o fator de potência total para 0,9 indutivo. A potência ativa permanece a mesma. Os capacitores estão ligados em Δ. Encontre a capacitância Cph de cada capacitor em µF.
P = 80 kWpf1 = 0,65pf2 = 0,9VL = 690 Vf = 60 Hz
Cph = µF
11.Transitórios RC e RLMédia
O indutor conduz uma corrente constante de 3 A. Em t = 0 a chave fecha a malha por R e a fonte é retirada, então a corrente do indutor decai por R. Encontre a tensão vR sobre R em t = 10 ms.
i(0) = 3 AR = 15 ΩL = 220 mHt = 10 ms
vR = V
12.Transitórios RC e RLDifícil
Logo antes de a chave fechar em t = 0, o capacitor tem 2 V com a polaridade indicada. Quanto tempo leva para vC chegar a 2,9 V? Encontre t.
Vs = 5 VR = 2,2 kΩC = 33 µFvC(0) = 2 V
t = ms
13.Thévenin e NortonMédia
Encontre a resistência de Thévenin Rth vista dos terminais a–b.
V1 = 18 VR1 = 2 ΩR2 = 12 ΩR3 = 5 Ω
Rth = Ω
14.Thévenin e NortonDifícil
Encontre a corrente de Norton IN: a corrente que flui de a para b se os terminais forem curto-circuitados.
V1 = 12 VIs = 3 AR1 = 3 ΩR2 = 25 ΩR3 = 25 Ω
IN = A
15.Diagramas de Bode e margensMédia
No filtro passa-faixa RLC série mostrado, a saída é tomada sobre R = 20 Ω, com L = 20 mH e C = 2,2 µF. Encontre a largura de banda de −3 dB BW em Hz.
R = 20 ΩL = 20 mHC = 2,2 µF
BW = Hz
16.Diagramas de Bode e margensDifícil
Uma malha com realimentação unitária tem a função de transferência de malha aberta L(s) = 38/(s(s + 2)(s + 6)). Encontre a margem de ganho GM em dB.
L(s) = 38/(s(s + 2)(s + 6))
GM = dB
3Soluções
1.Números complexos
Resposta: θ = 111,8 °
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.
Quadrante
a = −2, b = 5 → II
Ângulo de referência
α = atan(5/2) = 68,2°
Argumento
θ = 180° − α = 111,8°
Resposta
θ = 111,8°
Na forma polar, z = 5,385∠111,8°.
2.Números complexos
Resposta: Im(z³) = 8
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 = −√3 + j = 2∠150°
De Moivre
z³ = (2)³∠450° = 8∠90°
Forma retangular
z³ = 8·(cos 90° + j sin 90°) = j8
Im(z³) = 8
Resposta
Im(z³) = 8
3.Impedância CA e fasores
Resposta: φ = 86,27 °
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·500 = 3142 rad/s
XL = ωL = 3142·0,2 = 628,3 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(3142·22·10⁻⁶) = 14,47 Ω
Impedância
Em série as impedâncias se somam como números complexos: Z = R + j(XL − XC).
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 se anulam, então a impedância é só R.
ω₀ = 1/√(LC) = 1/√(0,05·2,2·10⁻⁶) = 3015 rad/s
I = V/R = 12/20 = 0,6 A
Tensão sobre o indutor
XL = ω₀L = 3015·0,05 = 150,8 Ω
VL = I·XL = 0,6·150,8 = 90,45 V
Resposta
VL = 90,45 V
Isso é Q = 7,538 vezes a tensão da fonte.
5.Potência CA e fator de potência
Resposta: I = 217,4 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) = 30000/(230·0,6) = 217,4 A
Resposta
I = 217,4 A
6.Potência CA e fator de potência
Resposta: Pmax = 625 W
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.
Casamento conjugado
A reatância da carga anula a reatância da fonte, e a resistência da carga é igual à resistência da fonte.
ZL = Zs* = 4 − j5 Ω
Potência máxima
I = Vs/(2Rs) = 100/8 = 12,5 A
Pmax = I²·RL = Vs²/(4Rs) = 100²/(4·4) = 625 W
Resposta
Pmax = 625 W
7.Ressonância LC, fator Q e largura de banda
Resposta: Q = 68,56
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) = 145865 rad/s
Fator de qualidade
Q = R/(ω₀L) = 10000/(145865·0,001) = 68,56
Resposta
Q = 68,56
A largura de banda é 1/(2πRC) = 338,6 Hz.
8.Ressonância LC, fator Q e largura de banda
Resposta: Ecycle = 189,5 µJ
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).
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 = 208 V
Corrente de fase
|Z| = √(8² + 6²) = 10 Ω
Iph = 208/10 = 20,8 A
Potência ativa total
Só a parte resistiva de cada impedância absorve potência ativa.
P = 3·Iph²·R = 3·20,8²·8 = 10,38 kW
Resposta
P = 10,38 kW
Verificação: cos φ = R/|Z| = 0,8, e √3·VL·IL·cos φ dá a mesma potência.
10.Potência trifásica
Resposta: Cph = 101,7 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 = 80·tan(acos 0,65) = 80·1,169 = 93,53 kvar
Q2 = 80·tan(acos 0,9) = 80·0,4843 = 38,75 kvar
Potência reativa dos capacitores
QC = Q1 − Q2 = 54,78 kvar
Capacitância por fase
Em um banco em Δ cada capacitor está ligado entre duas linhas.
V = 690 V, ω = 2π·60 = 377 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 18262/(377·690²) = 101,7 µF
Resposta
Cph = 101,7 µF
11.Transitórios RC e RL
Resposta: vR = 22,76 V
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
τ = L/R = 220 mH / 15 Ω = 14,67 ms
Decaimento da corrente
i(t) = 3·e−10/14,67 = 1,517 A
vR = R·i = 15·1,517 = 22,76 V
Resposta
vR = 22,76 V
12.Transitórios RC e RL
Resposta: t = 25,89 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.
t = τ·ln((2 − 5)/(2,9 − 5)) = 72,6·ln(1,429) = 25,89 ms
Resposta
t = 25,89 ms
13.Thévenin e Norton
Resposta: Rth = 6,714 Ω
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.
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 = 2·12/(2+12) = 1,714 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,714 + 5 = 6,714 Ω
14.Thévenin e Norton
Resposta: IN = 3,387 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.
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 = 3·25/(3+25) = 2,679 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,679 + 25 = 27,68 Ω
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) = 10,71 + 3·2,679 = 18,75 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 18,75 + 3·25 = 93,75 V
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 = 93,75/27,68 = 3,387 A
15.Diagramas de Bode e margens
Resposta: BW = 159,2 Hz
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 ressonância
ω₀ = 1/√(LC) = 1/√(0,02·2,2 × 10⁻⁶) = 4767 rad/s
f₀ = ω₀/(2π) = 758,7 Hz
Largura de banda
BW = R/L = 20/0,02 = 1000 rad/s = 159,2 Hz
Resposta
BW = 159,2 Hz
16.Diagramas de Bode e margens
Resposta: GM = 8,05 dB
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.