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
ReIm11−1−122−2−2z₁z₂w

Dados z₁ = 3∠125° e z₂ = 0,5∠65°, encontre a parte imaginária de w = z₁·z₂.

z₁ = 3∠125°z₂ = 0,5∠65°
Im(w) =
2.Números complexosDifícil
ReIm22−2−244−4−4z₁z₂

A equação z² − 4z + 29 = 0 tem duas raízes complexas. Encontre o módulo delas |z|.

p = −4q = 29
|z| =
3.Impedância CA e fasoresMédia
Vf0​ = 100 HzRL = 5 mHC = ?

Um circuito RLC série com L = 5 mH deve ressoar a 100 Hz. Encontre a capacitância C necessária.

f0 = 100 HzL = 5 mH
C = µF
4.Impedância CA e fasoresDifícil
12 V50 HzR = 20 ΩL = 50 mHC = 47 µF

Um circuito RLC série está ligado a uma fonte de 12 V (rms), 50 Hz. Encontre a frequência de ressonância f0 do circuito.

V = 12 V (rms)f = 50 HzR = 20 ΩL = 50 mHC = 47 µF
f0 = Hz
5.Potência CA e fator de potênciaMédia
400 V19 kW, 0,824 kW, 0,95I

Duas cargas estão ligadas em paralelo a uma fonte monofásica de 400 V: uma carga de 9 kW com fator de potência 0,8 indutivo e uma carga de 4 kW com fator de potência 0,95 capacitivo. Encontre o fator de potência global cos φ visto pela fonte.

V = 400 VP1 = 9 kW, pf1 = 0,8 indutivoP2 = 4 kW, pf2 = 0,95 capacitivo
cos φ =
6.Potência CA e fator de potênciaDifícil
P1​ = 59 kWQ1​S1​φ

Um transformador monofásico de 200 kVA alimenta uma carga de 59 kW com fator de potência 0,65 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 = 200 kVAP1 = 59 kWpf1 = 0,65
ΔP = kW
7.Ressonância LC, fator Q e largura de bandaMédia
V220 Ω22 mH100 nF

Um circuito RLC série tem R = 220 Ω, L = 22 mH e C = 100 nF. Encontre sua largura de banda BW em kHz.

R = 220 ΩL = 22 mHC = 100 nF
BW = kHz
8.Ressonância LC, fator Q e largura de bandaDifícil
V10 ΩLC = ?

Projete um filtro RLC série com resistência total de 10 Ω, frequência de ressonância de 50 kHz e largura de banda de 5 kHz. Encontre a capacitância C em nF.

R = 10 Ωf0 = 50 kHzBW = 5 kHz
C = nF
9.Potência trifásicaMédia
ABCVL​ = 415 VIL​ = ?M11 kW, η = 95%cos φ = 0,82

Um motor de indução trifásico fornece 11 kW de potência mecânica de saída a plena carga. Nessa carga seu rendimento é 95% e seu fator de potência é 0,82 indutivo. A alimentação tem tensão de linha de 415 V. Encontre a corrente de linha IL.

Pout = 11 kWη = 95%cos φ = 0,82VL = 415 V
IL = A
10.Potência trifásicaDifícil
P = 200 kWφ1​S1​Q2​QC​ = ?

Uma carga trifásica equilibrada consome 200 kW com fator de potência 0,7 indutivo de uma alimentação de 415 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 = 200 kWpf1 = 0,7pf2 = 0,95VL = 415 Vf = 50 Hz
QC = kvar
11.Transitórios RC e RLMédia
+−Vs​30 Vt = 0R1​ = 6,8 kΩR2​ = 1 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 = 1 kΩC = 22 µF
τ = ms
12.Transitórios RC e RLDifícil
+−Vs​5 Vt = 0R = ?C47 µF+−vC​

Um temporizador começa a carregar um capacitor descarregado através de um resistor a partir de uma fonte de 5 V em t = 0. Ele deve disparar quando a tensão do capacitor atingir 3 V, exatamente 10 ms após o início. Com C = 47 µF, encontre a resistência R necessária.

Vs = 5 VVth = 3 VT = 10 msC = 47 µF
R = kΩ
13.Thévenin e NortonMédia
R1​ = 5 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​6 VR2​6 ΩAab

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

V1 = 6 VR1 = 5 ΩR2 = 6 ΩR3 = 15 Ω
Vth = V
14.Thévenin e NortonDifícil
R1​ = 3 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​6 VR2​4 ΩAIs​1,5 ABab

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

V1 = 6 VIs = 1,5 AR1 = 3 ΩR2 = 4 ΩR3 = 4 Ω
Vth = V
15.Diagramas de Bode e margensMédia
vin​L = 50 mHC = 0,47 µFR = 50 Ωvout​

No filtro passa-faixa RLC série mostrado, a saída é tomada sobre R = 50 Ω, com L = 50 mH e C = 0,47 µF. Encontre o fator de qualidade Q.

R = 50 ΩL = 50 mHC = 0,47 µF
Q =
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) = 244/(s(s + 4)(s + 7)). Encontre a margem de ganho GM em dB.

L(s) = 244/(s(s + 4)(s + 7))
GM = dB

3Soluções

1.Números complexos

Resposta: Im(w) = −0,2605

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 e argumento de w

|w| = 3 · 0,5 = 1,5
θ = 125° + 65° = 190° → −170°

Forma retangular

Re(w) = 1,5·cos(−170°) = −1,477
Im(w) = 1,5·sin(−170°) = −0,2605
Im(w) = −0,2605

Resposta

Im(w) = −0,2605
2.Números complexos

Resposta: |z| = 5,385

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.

Discriminante

p² − 4q = 16 − 116 = −100 < 0

Fórmula quadrática

z = (4 ± j√100)/2 = 2 + j5, 2 − j5

Resposta

|z| = √(2² + 5²) = √29 = 5,385

Resposta

|z| = 5,385
3.Impedância CA e fasores

Resposta: C = 506,6 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·100 = 628,3 rad/s
C = 1/(ω₀²·L) = 1/(628,3²·0,005) = 506,6 µF

Resposta

C = 506,6 µF
4.Impedância CA e fasores

Resposta: f0 = 103,8 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·√(0,05·47·10⁻⁶)) = 103,8 Hz

Resposta

f0 = 103,8 Hz
5.Potência CA e fator de potência

Resposta: cos φ = 0,9226

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 de cada carga

Uma carga indutiva consome potência reativa (Q > 0); uma carga capacitiva a fornece (Q < 0).

Q1 = 9·tan(arccos 0,8) = 6,75 kvar
Q2 = −4·tan(arccos 0,95) = −1,315 kvar

Totais

P = 9 + 4 = 13 kW
Q = 6,75 + (−1,315) = 5,435 kvar
S = √(13² + 5,435²) = 14,09 kVA

Fator de potência global

cos φ = P/S = 13/14,09 = 0,9226 indutivo

Resposta

cos φ = 0,9226
6.Potência CA e fator de potência

Resposta: ΔP = 128,7 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 = 59·tan(arccos 0,65) = 68,98 kvar

Maior potência ativa total

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

P = √(Smax² − Q1²) = √(200² − 68,98²) = 187,7 kW

Potência ativa adicional

ΔP = 187,7 − 59 = 128,7 kW

Resposta

ΔP = 128,7 kW
7.Ressonância LC, fator Q e largura de banda

Resposta: BW = 1,592 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).

Largura de banda em rad/s

R/L = 220/0,022 = 10000 rad/s

Largura de banda em Hz

BW = 10000/(2π) = 1592 Hz = 1,592 kHz

Resposta

BW = 1,592 kHz

Com f₀ = 3,393 kHz, isso dá Q = 2,132.

8.Ressonância LC, fator Q e largura de banda

Resposta: C = 31,83 nF

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).

Indutância a partir da largura de banda

L = R/(2π·BW) = 10/(2π·5000) = 0,0003183 H

Capacitância a partir da frequência de ressonância

C = 1/((2π·50000)²·0,0003183) = 3,183 × 10⁻⁸ F = 31,83 nF

Resposta

C = 31,83 nF

Q = f₀/BW = 10.

9.Potência trifásica

Resposta: IL = 19,64 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 = 11/0,95 = 11,58 kW

Corrente de linha

IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 11579/(√3·415·0,82) = 19,64 A

Resposta

IL = 19,64 A
10.Potência trifásica

Resposta: QC = 138,3 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 = 200·tan(acos 0,7) = 200·1,02 = 204 kvar
Q2 = 200·tan(acos 0,95) = 200·0,3287 = 65,74 kvar

Potência reativa dos capacitores

QC = Q1 − Q2 = 138,3 kvar

Resposta

QC = 138,3 kvar
11.Transitórios RC e RL

Resposta: τ = 19,18 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 = 6,8·1/(6,8 + 1) = 0,8718 kΩ
vC(∞) = 30·1/(6,8 + 1) = 3,846 V

Constante de tempo

τ = Rth·C = 0,8718·22 = 19,18 ms

Resposta

τ = 19,18 ms
12.Transitórios RC e RL

Resposta: R = 0,2322 kΩ

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 necessária

3 = 5·(1 − e−10/τ) → τ = 10/ln(5/(5 − 3))
τ = 10/0,9163 = 10,91 ms

Resistência

kΩ vezes µF dá milissegundos.

R = τ/C = 10,91/47 = 0,2322 kΩ

Resposta

R = 0,2322 kΩ
13.Thévenin e Norton

Resposta: Vth = 3,273 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​ = 5 ΩR3​ = 15 ΩCURTOR2​6 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 = 5·6/(5+6) = 2,727 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,727 + 15 = 17,73 Ω
R1​ = 5 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​6 VR2​6 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) = 6·6/(5+6) = 3,273 V
14.Thévenin e Norton

Resposta: Vth = 12 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​ = 4 ΩCURTOR2​4 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 = 3·4/(3+4) = 1,714 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,714 + 4 = 5,714 Ω
R1​ = 3 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​6 VR2​4 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) = 3,429 + 1,5·1,714 = 6 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 6 + 1,5·4 = 12 V
15.Diagramas de Bode e margens

Resposta: Q = 6,523

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/√(0,05·4,7 × 10⁻⁷) = 6523 rad/s
f₀ = ω₀/(2π) = 1038 Hz

Fator de qualidade

BW = R/L = 50/0,05 = 1000 rad/s = 159,2 Hz
Q = ω₀/BW = 6523/1000 = 6,523

Resposta

Q = 6,523
16.Diagramas de Bode e margens

Resposta: GM = 2,023 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.

Cruzamento de fase

(ω/4)·(ω/7) = 1 → ω180 = √(4·7) = 5,292 rad/s

Módulo no cruzamento de fase

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 16)·√(ω² + 49)) = K/(4·7·(4 + 7)) = K/308

Margem de ganho

GM = 20·log₁₀(308/244) = 2,023 dB

Resposta

GM = 2,023 dB

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