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
ReIm55−5−5θz

Encontre o argumento θ de z = −7 − j3 em graus, como valor principal entre −180° e 180°.

z = −7 − j3
θ = °
2.Números complexosDifícil
ReIm22−2−244−4−4z₁z₂

Uma raiz de z³ − 6z² + 16z + 64 = 0 é z₁ = 4 + j4. Os coeficientes são reais. Encontre a raiz real r.

z₁ = 4 + j4
r =
3.Impedância CA e fasoresMédia
Vf0​ = 2000 HzRL = 2 mHC = ?

Um circuito RLC série com L = 2 mH deve ressoar a 2000 Hz. Encontre a capacitância C necessária.

f0 = 2000 HzL = 2 mH
C = µF
4.Impedância CA e fasoresDifícil
VfR = 5 ΩL = 1 mHC = 0,01 µF

Um circuito RLC série tem R = 5 Ω, L = 1 mH e C = 0,01 µF. Encontre seu fator de qualidade Q na ressonância.

R = 5 ΩL = 1 mHC = 0,01 µF
Q =
5.Potência CA e fator de potênciaMédia
P = 3 kWQ = ?Sφ

Um motor monofásico consome 3 kW com fator de potência 0,6 indutivo de uma fonte de 240 V. Encontre a potência reativa Q que ele consome.

P = 3 kWpf = 0,6V = 240 V
Q = kvar
6.Potência CA e fator de potênciaDifícil
400 V50 Hzcarga26 kW, 0,7C150 µFI = ?

Uma carga monofásica consome 26 kW com fator de potência 0,7 indutivo de uma fonte de 400 V, 50 Hz. Um capacitor de 150 µF é ligado em paralelo com a carga. Encontre a nova corrente de linha I.

P = 26 kWpf1 = 0,7V = 400 Vf = 50 HzC = 150 µF
I = A
7.Ressonância LC, fator Q e largura de bandaMédia
f|I|0,7071500 kHzf1​ = ?f2​BW

Um circuito RLC série ressoa em 500 kHz com Q = 2. Encontre exatamente a frequência de meia potência inferior f1, em kHz.

f0 = 500 kHzQ = 2
f1 = kHz
8.Ressonância LC, fator Q e largura de bandaDifícil
C = 470 pFr = 1 ΩL = 22 µH

Um circuito tanque paralelo é feito de um capacitor de 470 pF e uma bobina de 22 µH com resistência do enrolamento de 1 Ω. Na ressonância, ele se comporta como um resistor, sua resistência dinâmica RD = L/(C·r). Encontre RD em kΩ.

L = 22 µHC = 470 pFr = 1 Ω
RD = kΩ
9.Potência trifásicaMédia
ABCVL​ = 415 VNZ = 3 + j4 Ωpor fase

Uma carga equilibrada ligada em Y com impedância de 3 + j4 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 = 3 + j4 Ω por fase
P = kW
10.Potência trifásicaDifícil
P = 50 kWφ1​S1​Q2​QC​ = ?

Uma carga trifásica equilibrada consome 50 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. Encontre a potência reativa total QC que o banco de capacitores deve fornecer, em kvar.

P = 50 kWpf1 = 0,75pf2 = 0,98VL = 400 Vf = 60 Hz
QC = kvar
11.Transitórios RC e RLMédia
+−Vs​30 Vt = 0R1​ = 2,2 kΩR2​ = 3,3 kΩC220 µF+−vC​

A fonte Vₛ carrega o capacitor através de R₁, e R₂ está ligado em paralelo com C. O capacitor está descarregado quando a chave fecha em t = 0. Encontre a tensão no capacitor vC em t = 400 ms.

Vs = 30 VR1 = 2,2 kΩR2 = 3,3 kΩC = 220 µFt = 400 ms
vC = V
12.Transitórios RC e RLDifícil
+−Vs​24 Vt = 0R = 3,3 kΩC68 µF+−vC​vC​(0) = 8 V

Logo antes de a chave fechar em t = 0, o capacitor tem 8 V com a polaridade indicada. Encontre a tensão no capacitor vC em t = 500 ms.

Vs = 24 VR = 3,3 kΩC = 68 µFvC(0) = 8 Vt = 500 ms
vC = V
13.Thévenin e NortonMédia
R1​ = 5 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​30 VR2​15 ΩARL​15 ΩIL​B

Uma carga RL = 15 Ω é ligada entre a–b. Substitua o resto do circuito pelo seu equivalente de Thévenin e encontre a corrente na carga IL.

V1 = 30 VR1 = 5 ΩR2 = 15 ΩR3 = 6 ΩRL = 15 Ω
IL = A
14.Thévenin e NortonDifícil
R1​ = 20 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​10 VR2​8 ΩAIs​0,5 ABab

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

V1 = 10 VIs = 0,5 AR1 = 20 ΩR2 = 8 ΩR3 = 3 Ω
IN = A
15.Diagramas de Bode e margensMédia
vin​L = 4,7 mHR = 220 Ωvout​

O Filtro passa-baixas RL mostrado tem R = 220 Ω, L = 4,7 mH. Aplica-se uma entrada senoidal de 22 kHz. Encontre a defasagem φ de vout em relação a vin, em graus.

R = 220 ΩL = 4,7 mHf = 22 kHz
φ = °
16.Diagramas de Bode e margensDifícil
|H| (dB)11101010010010001000−80−60−40−2002040ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−180−135−90−450ωc​

Uma malha com realimentação unitária tem a função de transferência de malha aberta L(s) = 880/(s(s + 20)). Encontre a margem de fase PM em graus.

L(s) = 880/(s(s + 20))
PM = °

3Soluções

1.Números complexos

Resposta: θ = −156,8 °

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 = −7, b = −3 → III

Ângulo de referência

α = atan(3/7) = 23,2°

Argumento

θ = −(180° − α) = −156,8°

Resposta

θ = −156,8°

Na forma polar, z = 7,616∠−156,8°.

2.Números complexos

Resposta: r = −2

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 = 4 − j4
(z − z₁)(z − z₂) = z² − 2·4·z + (4² + 4²) = z² − 8z + 32

Fatore o trinômio quadrático

z³ − 6z² + 16z + 64 = (z² − 8z + 32)(z + 2)

Raiz real

r = −2

Resposta

r = −2

Confira com a soma das raízes: z₁ + z₂ + r = 8 + (−2) = 6 = −(−6).

3.Impedância CA e fasores

Resposta: C = 3,166 µF

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|.

Condição de ressonância

Na ressonância as reatâncias indutiva e capacitiva se anulam: ωL = 1/(ωC).

ω₀ = 2π·2000 = 12566 rad/s
C = 1/(ω₀²·L) = 1/(12566²·0,002) = 3,166 µF

Resposta

C = 3,166 µF
4.Impedância CA e fasores

Resposta: Q = 63,25

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|.

Frequência de ressonância

f0 = 1/(2π·√(0,001·0,01·10⁻⁶)) = 50329 Hz

Fator de qualidade

Q compara a reatância na ressonância com a resistência: Q = ω₀L/R.

Q = (1/R)·√(L/C) = (1/5)·√(0,001/(0,01·10⁻⁶)) = 63,25

Resposta

Q = 63,25
5.Potência CA e fator de potência

Resposta: Q = 4 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.

Ângulo

φ = arccos(0,6) = 53,13°, tan φ = 1,333

Potência reativa

Q = P·tan φ = 3·1,333 = 4 kvar

Resposta

Q = 4 kvar
6.Potência CA e fator de potência

Resposta: I = 80,48 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.

Potência reativa antes e depois

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

Q1 = 26·tan(arccos 0,7) = 26,53 kvar
QC = V²·2πf·C = 400²·2π·50·150·10⁻⁶ = 7540 var = 7,54 kvar
Q2 = 26,53 − 7,54 = 18,99 kvar

Nova potência aparente

S2 = √(26² + 18,99²) = 32,19 kVA

Nova corrente de linha

I = S2/V = 32194/400 = 80,48 A

Resposta

I = 80,48 A
7.Ressonância LC, fator Q e largura de banda

Resposta: f1 = 390,4 kHz

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).

Termo da raiz quadrada

√(1 + 1/(4·2²)) = 1,031

Frequência de meia potência inferior

f1 = 500000·(1,031 − 0,25) = 390388 Hz = 390,4 kHz

Resposta

f1 = 390,4 kHz

A superior é f₂ = 640,4 kHz; verificação: f₂ − f₁ = 250 kHz = f₀/Q.

8.Ressonância LC, fator Q e largura de banda

Resposta: RD = 46,81 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 = 2,2 × 10⁻⁵/(4,7 × 10⁻¹⁰·1) = 46809 Ω = 46,81 kΩ

Verificação com Q

Q = (1/r)·√(L/C) = 216,4, Q²·r = 46809 Ω

Resposta

RD = 46,81 kΩ
9.Potência trifásica

Resposta: P = 20,67 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 = 415/√3 = 239,6 V

Corrente de fase

|Z| = √(3² + 4²) = 5 Ω
Iph = 239,6/5 = 47,92 A

Potência ativa total

Só a parte resistiva de cada impedância absorve potência ativa.

P = 3·Iph²·R = 3·47,92²·3 = 20,67 kW

Resposta

P = 20,67 kW

Verificação: cos φ = R/|Z| = 0,6, e √3·VL·IL·cos φ dá a mesma potência.

10.Potência trifásica

Resposta: QC = 33,94 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 = 50·tan(acos 0,75) = 50·0,8819 = 44,1 kvar
Q2 = 50·tan(acos 0,98) = 50·0,2031 = 10,15 kvar

Potência reativa dos capacitores

QC = Q1 − Q2 = 33,94 kvar

Resposta

QC = 33,94 kvar
11.Transitórios RC e RL

Resposta: vC = 13,46 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.

Equivalente de Thévenin visto pelo capacitor

Coloque a fonte em curto para encontrar Rth; abra o capacitor para encontrar a tensão em que ele vai se estabilizar.

Rth = R1 ∥ R2 = 2,2·3,3/(2,2 + 3,3) = 1,32 kΩ
vC(∞) = 30·3,3/(2,2 + 3,3) = 18 V

Constante de tempo

τ = Rth·C = 1,32·220 = 290,4 ms

Curva de carga

vC(t) = 18·(1 − e−400/290,4) = 13,46 V

Resposta

vC = 13,46 V
12.Transitórios RC e RL

Resposta: vC = 22,28 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.

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 = 24 V
τ = R·C = 3,3 kΩ · 68 µF = 224,4 ms
vC(t) = 24 + (8 − 24)·e−t/τ

Tensão no instante dado

vC(500) = 24 + (−16)·e−500/224,4 = 22,28 V

Resposta

vC = 22,28 V
13.Thévenin e Norton

Resposta: IL = 0,9091 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​ = 5 ΩR3​ = 6 ΩCURTOR2​15 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 = 5·15/(5+15) = 3,75 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3,75 + 6 = 9,75 Ω
R1​ = 5 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​30 VR2​15 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) = 30·15/(5+15) = 22,5 V
Rth​ = 9,75 Ω+−Vth​22,5 VRL​15 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) = 22,5/(9,75 + 15) = 0,9091 A
14.Thévenin e Norton

Resposta: IN = 0,8279 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​ = 3 ΩCURTOR2​8 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 = 20·8/(20+8) = 5,714 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 5,714 + 3 = 8,714 Ω
R1​ = 20 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​10 VR2​8 ΩAIs​0,5 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) = 2,857 + 0,5·5,714 = 5,714 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 5,714 + 0,5·3 = 7,214 V
IN​0,8279 ARth​8,714 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 = 7,214/8,714 = 0,8279 A
15.Diagramas de Bode e margens

Resposta: φ = −71,29 °

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 = R/L = 220/0,0047 = 46809 rad/s
fc = 7450 Hz → f/fc = 22000/7450 = 2,953

Fase

φ = − atan(2,953) = −71,29°

Resposta

φ = −71,29°
16.Diagramas de Bode e margens

Resposta: PM = 37,04 °

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 ganho

ω⁴ + 400ω² − 774400 = 0
ω² = (−400 + √(160000 + 4·774400))/2 = 702,4
ωc = 26,5 rad/s

Margem de fase

∠L(jωc) = −90° − atan(26,5/20) = −143°
PM = 180° + ∠L = 37,04°

Resposta

PM = 37,04°

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