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
ReIm55−5−51010−10−10θz

Encontre o argumento θ de z = −9 − j3 em graus, como valor principal entre −180° e 180°.

z = −9 − j3
θ = °
2.Números complexosDifícil
ReIm11−1−122−2−2θz

Encontre a parte real de (−2 + j2)⁴.

z = −2 + j2n = 4
Re(z⁴) =
3.Impedância CA e fasoresMédia
100 V60 HzR = 40 ΩL = 50 mHC = 10 µF

Um circuito RLC série está ligado a uma fonte de 100 V (rms), 60 Hz. Encontre o ângulo de fase φ da impedância, em graus (positivo quando a corrente está atrasada em relação à tensão).

V = 100 V (rms)f = 60 HzR = 40 ΩL = 50 mHC = 10 µF
φ = °
4.Impedância CA e fasoresDifícil
100 V200 HzR1​ = 50 ΩR2​ = 80 ΩC = 4,7 µFI

Um resistor R1 está ligado em série com uma associação em paralelo de R2 e um capacitor C, a uma fonte de 100 V (eficaz), 200 Hz. Encontre a corrente rms I.

V = 100 V (rms)f = 200 HzR1 = 50 ΩR2 = 80 ΩC = 4,7 µF
I = A
5.Potência CA e fator de potênciaMédia
P = 15 kWQ = ?Sφ

Um motor monofásico consome 15 kW com fator de potência 0,65 indutivo de uma fonte de 240 V. Encontre a potência reativa Q que ele consome.

P = 15 kWpf = 0,65V = 240 V
Q = kvar
6.Potência CA e fator de potênciaDifícil
240 V60 Hzcarga3 kW, 0,6C22 µFI

Uma carga monofásica consome 3 kW com fator de potência 0,6 indutivo de uma fonte de 240 V, 60 Hz. Um capacitor de 22 µF é ligado em paralelo com a carga. Encontre o novo fator de potência cos φ visto pela fonte.

P = 3 kWpf1 = 0,6V = 240 Vf = 60 HzC = 22 µF
cos φ =
7.Ressonância LC, fator Q e largura de bandaMédia
V1 kΩ47 µH470 nF

Um circuito RLC paralelo tem R = 1 kΩ, L = 47 µH e C = 470 nF. Encontre seu fator de qualidade Q.

R = 1 kΩL = 47 µHC = 470 nF
Q =
8.Ressonância LC, fator Q e largura de bandaDifícil
C = 2,2 nFR = 20 ΩL = 470 µH

Um capacitor carregado de 2,2 nF se descarrega por uma bobina de 470 µH com resistência série total de 20 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 = 470 µHC = 2,2 nFR = 20 Ω
n =
9.Potência trifásicaMédia
ABCVL​ = 480 VIL​ = ?M90 kW, η = 88%cos φ = 0,9

Um motor de indução trifásico fornece 90 kW de potência mecânica de saída a plena carga. Nessa carga seu rendimento é 88% e seu fator de potência é 0,9 indutivo. A alimentação tem tensão de linha de 480 V. Encontre a corrente de linha IL.

Pout = 90 kWη = 88%cos φ = 0,9VL = 480 V
IL = A
10.Potência trifásicaDifícil
P = 300 kWφ1​S1​Q2​QC​

Uma carga trifásica equilibrada consome 300 kW com fator de potência 0,72 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 0,92 indutivo. A potência ativa permanece a mesma. Os capacitores estão ligados em Y. Encontre a capacitância Cph de cada capacitor em µF.

P = 300 kWpf1 = 0,72pf2 = 0,92VL = 690 Vf = 50 Hz
Cph = µF
11.Transitórios RC e RLMédia
+−Vs​30 Vt = 0R1​ = 6,8 kΩR2​ = 4,7 kΩC22 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 constante de tempo τ do circuito após o fechamento da chave.

Vs = 30 VR1 = 6,8 kΩR2 = 4,7 kΩC = 22 µF
τ = ms
12.Transitórios RC e RLDifícil
+−Vs​15 Vt = 0R = 1 kΩC33 µF+−vC​vC​(0) = 6 V

Logo antes de a chave fechar em t = 0, o capacitor tem 6 V com a polaridade indicada. Quanto tempo leva para vC chegar a 8,7 V? Encontre t.

Vs = 15 VR = 1 kΩC = 33 µFvC(0) = 6 V
t = ms
13.Thévenin e NortonMédia
R1​ = 15 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​12 VR2​8 ΩARL​6 ΩIL​B

Uma carga RL = 6 Ω é ligada entre a–b. Substitua o resto do circuito pelo seu equivalente de Thévenin e encontre a corrente na carga IL.

V1 = 12 VR1 = 15 ΩR2 = 8 ΩR3 = 15 ΩRL = 6 Ω
IL = A
14.Thévenin e NortonDifícil
R1​ = 10 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​15 VR2​8 ΩAIs​0,5 ABRL​30 ΩIL​

Uma carga RL = 30 Ω é ligada entre a–b. Substitua o resto do circuito pelo seu equivalente de Thévenin e encontre a corrente na carga IL.

V1 = 15 VIs = 0,5 AR1 = 10 ΩR2 = 8 ΩR3 = 12 ΩRL = 30 Ω
IL = A
15.Diagramas de Bode e margensMédia
vin​L = 20 mHC = 4,7 µFR = 20 Ωvout​

No filtro passa-faixa RLC série mostrado, a saída é tomada sobre R = 20 Ω, com L = 20 mH e C = 4,7 µF. Encontre o fator de qualidade Q.

R = 20 ΩL = 20 mHC = 4,7 µF
Q =
16.Diagramas de Bode e margensDifícil
|H| (dB)0,10,1111010100100−80−60−40−2002040ω (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) = 5/(s(s + 2)). Encontre a frequência de cruzamento de ganho ωc, onde |L(jω)| = 1.

L(s) = 5/(s(s + 2))
ωc = rad/s

3Soluções

1.Números complexos

Resposta: θ = −161,6 °

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 = −9, b = −3 → III

Ângulo de referência

α = atan(3/9) = 18,43°

Argumento

θ = −(180° − α) = −161,6°

Resposta

θ = −161,6°

Na forma polar, z = 9,487∠−161,6°.

2.Números complexos

Resposta: Re(z⁴) = −64

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.

Potências passo a passo

z² = (−2 + j2)(−2 + j2) = −j8
z³ = (−j8)(−2 + j2) = 16 + j16
z⁴ = (16 + j16)(−2 + j2) = −64

Confira com De Moivre

z = 2,828∠135° → z⁴ = 64∠180°
Re(z⁴) = −64

Resposta

Re(z⁴) = −64
3.Impedância CA e fasores

Resposta: φ = −80,78 °

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·60 = 377 rad/s
XL = ωL = 377·0,05 = 18,85 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(377·10·10⁻⁶) = 265,3 Ω

Impedância

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

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(40² + (−246,4)²) = 249,6 Ω

Ângulo de fase

φ = arctan((XL − XC)/R) = arctan(−246,4/40) = −80,78°

Resposta

φ = −80,78°
4.Impedância CA e fasores

Resposta: I = 0,8371 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·200·4,7·10⁻⁶) = 169,3 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 = 65,4 − j30,9 Ω

Impedância total

Z = 50 + 65,4 − j30,9 = 115,4 − j30,9 Ω
|Z| = √(115,4² + 30,9²) = 119,5 Ω

Corrente

I = V/|Z| = 100/119,5 = 0,8371 A

Resposta

I = 0,8371 A
5.Potência CA e fator de potência

Resposta: Q = 17,54 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(0,65) = 49,46°, tan φ = 1,169

Potência reativa

Q = P·tan φ = 15·1,169 = 17,54 kvar

Resposta

Q = 17,54 kvar
6.Potência CA e fator de potência

Resposta: cos φ = 0,6484

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 = 3·tan(arccos 0,6) = 4 kvar
QC = V²·2πf·C = 240²·2π·60·22·10⁻⁶ = 477,7 var = 0,4777 kvar
Q2 = 4 − 0,4777 = 3,522 kvar

Nova potência aparente

S2 = √(3² + 3,522²) = 4,627 kVA

Novo fator de potência

cos φ = P/S2 = 3/4,627 = 0,6484

Resposta

cos φ = 0,6484
7.Ressonância LC, fator Q e largura de banda

Resposta: Q = 100

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) = 212766 rad/s

Fator de qualidade

Q = R/(ω₀L) = 1000/(212766·4,7 × 10⁻⁵) = 100

Resposta

Q = 100

A largura de banda é 1/(2πRC) = 338,6 Hz.

8.Ressonância LC, fator Q e largura de banda

Resposta: n = 5,099

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 = 2·0,00047·ln 2/20 = 3,258 × 10⁻⁵ s

Número de ciclos

n = t·f0 = 3,258 × 10⁻⁵·156516 = 5,099

Resposta

n = 5,099

Atalho: n = Q·ln 2/π com Q = 23,11.

9.Potência trifásica

Resposta: IL = 136,7 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 = 90/0,88 = 102,3 kW

Corrente de linha

IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 102273/(√3·480·0,9) = 136,7 A

Resposta

IL = 136,7 A
10.Potência trifásica

Resposta: Cph = 1079 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 = 300·tan(acos 0,72) = 300·0,9639 = 289,2 kvar
Q2 = 300·tan(acos 0,92) = 300·0,426 = 127,8 kvar

Potência reativa dos capacitores

QC = Q1 − Q2 = 161,4 kvar

Capacitância por fase

Em um banco em Y cada capacitor está ligado entre uma linha e o centro da estrela.

V = 690/√3 = 398,4 V, ω = 2π·50 = 314,2 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 53785/(314,2·398,4²) = 1079 µF

Resposta

Cph = 1079 µF
11.Transitórios RC e RL

Resposta: τ = 61,14 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.

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 = 6,8·4,7/(6,8 + 4,7) = 2,779 kΩ
vC(∞) = 30·4,7/(6,8 + 4,7) = 12,26 V

Constante de tempo

τ = Rth·C = 2,779·22 = 61,14 ms

Resposta

τ = 61,14 ms
12.Transitórios RC e RL

Resposta: t = 11,77 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) = 6 V, vC(∞) = Vs = 15 V
τ = R·C = 1 kΩ · 33 µF = 33 ms
vC(t) = 15 + (6 − 15)·e−t/τ

Resolva para o tempo

8,7 = 15 + (−9)·e−t/τ → e−t/τ = (8,7 − 15)/(6 − 15) = 0,7
t = τ·ln((6 − 15)/(8,7 − 15)) = 33·ln(1,429) = 11,77 ms

Resposta

t = 11,77 ms
13.Thévenin e Norton

Resposta: IL = 0,1592 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​ = 15 ΩR3​ = 15 ΩCURTOR2​8 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 = 15·8/(15+8) = 5,217 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 5,217 + 15 = 20,22 Ω
R1​ = 15 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​12 VR2​8 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) = 12·8/(15+8) = 4,174 V
Rth​ = 20,22 Ω+−Vth​4,174 VRL​6 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) = 4,174/(20,22 + 6) = 0,1592 A
14.Thévenin e Norton

Resposta: IL = 0,3206 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​ = 10 ΩR3​ = 12 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 = 10·8/(10+8) = 4,444 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 4,444 + 12 = 16,44 Ω
R1​ = 10 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​15 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) = 6,667 + 0,5·4,444 = 8,889 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 8,889 + 0,5·12 = 14,89 V
Rth​ = 16,44 Ω+−Vth​14,89 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) = 14,89/(16,44 + 30) = 0,3206 A
15.Diagramas de Bode e margens

Resposta: Q = 3,262

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/√(0,02·4,7 × 10⁻⁶) = 3262 rad/s
f₀ = ω₀/(2π) = 519,1 Hz

Fator de qualidade

BW = R/L = 20/0,02 = 1000 rad/s = 159,2 Hz
Q = ω₀/BW = 3262/1000 = 3,262

Resposta

Q = 3,262
16.Diagramas de Bode e margens

Resposta: ωc = 1,84 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 ganho

ω⁴ + 4ω² − 25 = 0
ω² = (−4 + √(16 + 4·25))/2 = 3,385
ωc = 1,84 rad/s

Resposta

ωc = 1,84 rad/s

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