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
Escreva z = −6 − j7 na forma exponencial r·ejθ. Dê θ em radianos, entre −π e π.
z = −6 − j7
θ = rad
2.Números complexosDifícil
As raízes de zⁿ = w com n = 2 e w = 25∠120° são zk = R1/n∠((φ + 360°·k)/n), k = 0, 1. Encontre o argumento de z₁ em graus, entre −180° e 180°.
w = 25∠120°n = 2k = 1
θ₁ = °
3.Impedância CA e fasoresMédia
Um circuito RLC série com C = 10 µF deve ressoar a 1000 Hz. Encontre a indutância L necessária.
f0 = 1000 HzC = 10 µF
L = mH
4.Impedância CA e fasoresDifícil
Um circuito RLC série é alimentado por uma fonte de 24 V (eficaz) cuja frequência é ajustada na frequência de ressonância do circuito. Encontre a tensão eficaz VL sobre o indutor.
V = 24 V (rms)R = 15 ΩL = 5 mHC = 4,7 µF
VL = V
5.Potência CA e fator de potênciaMédia
Um motor monofásico consome 6 kW com fator de potência 0,65 indutivo de uma fonte de 240 V. Encontre a corrente de linha I.
P = 6 kWpf = 0,65V = 240 V
I = A
6.Potência CA e fator de potênciaDifícil
Um transformador monofásico de 150 kVA alimenta uma carga de 91 kW com fator de potência 0,75 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 = 150 kVAP1 = 91 kWpf1 = 0,75
ΔP = kW
7.Ressonância LC, fator Q e largura de bandaMédia
Um circuito RLC série ressoa em 500 kHz com Q = 4. Encontre exatamente a frequência de meia potência inferior f1, em kHz.
f0 = 500 kHzQ = 4
f1 = kHz
8.Ressonância LC, fator Q e largura de bandaDifícil
Um circuito tanque paralelo é feito de um capacitor de 10 nF e uma bobina de 4,7 mH com resistência do enrolamento de 20 Ω. Na ressonância, ele se comporta como um resistor, sua resistência dinâmica RD = L/(C·r). Encontre RD em kΩ.
L = 4,7 mHC = 10 nFr = 20 Ω
RD = kΩ
9.Potência trifásicaMédia
Um motor de indução trifásico fornece 45 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 690 V. Encontre a corrente de linha IL.
Pout = 45 kWη = 88%cos φ = 0,9VL = 690 V
IL = A
10.Potência trifásicaDifícil
Uma carga trifásica equilibrada consome 300 kW com fator de potência 0,7 indutivo de uma alimentação de 415 V (tensão de linha), 60 Hz. Um banco de capacitores trifásico em paralelo com a carga deve elevar o fator de potência total para 0,92 indutivo. A potência ativa permanece a mesma. Encontre a potência reativa total QC que o banco de capacitores deve fornecer, em kvar.
P = 300 kWpf1 = 0,7pf2 = 0,92VL = 415 Vf = 60 Hz
QC = kvar
11.Transitórios RC e RLMédia
O indutor não conduz corrente antes de a chave fechar em t = 0. Encontre a energia W armazenada no indutor em t = 5 ms, em mJ.
Vs = 5 VR = 15 ΩL = 100 mHt = 5 ms
W = mJ
12.Transitórios RC e RLDifícil
Logo antes de a chave fechar em t = 0, o capacitor tem 12 V com a polaridade indicada. Quanto tempo leva para vC chegar a 10,5 V? Encontre t.
Vs = 9 VR = 2,2 kΩC = 22 µFvC(0) = 12 V
t = ms
13.Thévenin e NortonMédia
Encontre a corrente de Norton IN: a corrente que flui de a para b se os terminais forem curto-circuitados.
V1 = 10 VR1 = 15 ΩR2 = 20 ΩR3 = 2 Ω
IN = A
14.Thévenin e NortonDifícil
Encontre a tensão de Thévenin Vth vista dos terminais a–b.
V1 = 9 VIs = 0,5 AR1 = 3 ΩR2 = 30 ΩR3 = 30 Ω
Vth = V
15.Diagramas de Bode e margensMédia
O Filtro passa-baixas RC mostrado tem R = 1 kΩ, C = 100 nF. Aplica-se uma entrada senoidal de 320 Hz. Encontre a defasagem φ de vout em relação a vin, em graus.
R = 1 kΩC = 100 nFf = 320 Hz
φ = °
16.Diagramas de Bode e margensDifícil
Uma malha com realimentação unitária tem a função de transferência de malha aberta L(s) = K/(s(s + 7)(s + 8)). Encontre o ganho K que dá uma margem de ganho de 10 dB.
L(s) = K/(s(s + 7)(s + 8))GM = 10 dB
K =
3Soluções
1.Números complexos
Resposta: θ = −2,279 rad
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
r = √(36 + 49) = 9,22
Argumento em radianos
θ = −130,6° = −130,6·π/180 = −2,279 rad
Forma exponencial
z = 9,22·e−j2,279
Resposta
θ = −2,279 rad
2.Números complexos
Resposta: θ₁ = −120 °
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.
Módulo das raízes
251/2 = 5
Argumento da raiz
θ₁ = (120° + 360°·1)/2 = 240° → −120°
Argumento
θ₁ = −120°
Resposta
θ₁ = −120°
As 2 raízes ficam sobre a circunferência de raio 5, separadas por 180°.
3.Impedância CA e fasores
Resposta: L = 2,533 mH
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·1000 = 6283 rad/s
L = 1/(ω₀²·C) = 1/(6283²·10·10⁻⁶) = 2,533 mH
Resposta
L = 2,533 mH
4.Impedância CA e fasores
Resposta: VL = 52,19 V
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/√(0,005·4,7·10⁻⁶) = 6523 rad/s
I = V/R = 24/15 = 1,6 A
Tensão sobre o indutor
XL = ω₀L = 6523·0,005 = 32,62 Ω
VL = I·XL = 1,6·32,62 = 52,19 V
Resposta
VL = 52,19 V
Isso é Q = 2,174 vezes a tensão da fonte.
5.Potência CA e fator de potência
Resposta: I = 38,46 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) = 6000/(240·0,65) = 38,46 A
Resposta
I = 38,46 A
6.Potência CA e fator de potência
Resposta: ΔP = 35,72 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 = 91·tan(arccos 0,75) = 80,25 kvar
Maior potência ativa total
Na potência nominal S = Smax, e Q não é alterada pela carga resistiva.
P = √(Smax² − Q1²) = √(150² − 80,25²) = 126,7 kW
Potência ativa adicional
ΔP = 126,7 − 91 = 35,72 kW
Resposta
ΔP = 35,72 kW
7.Ressonância LC, fator Q e largura de banda
Resposta: f1 = 441,4 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).
A superior é f₂ = 566,4 kHz; verificação: f₂ − f₁ = 125 kHz = f₀/Q.
8.Ressonância LC, fator Q e largura de banda
Resposta: RD = 23,5 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 = 0,0047/(1 × 10⁻⁸·20) = 23500 Ω = 23,5 kΩ
Verificação com Q
Q = (1/r)·√(L/C) = 34,28, Q²·r = 23500 Ω
Resposta
RD = 23,5 kΩ
9.Potência trifásica
Resposta: IL = 47,54 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 = 45/0,88 = 51,14 kW
Corrente de linha
IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 51136/(√3·690·0,9) = 47,54 A
Resposta
IL = 47,54 A
10.Potência trifásica
Resposta: QC = 178,3 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 = 300·tan(acos 0,7) = 300·1,02 = 306,1 kvar
Q2 = 300·tan(acos 0,92) = 300·0,426 = 127,8 kvar
Potência reativa dos capacitores
QC = Q1 − Q2 = 178,3 kvar
Resposta
QC = 178,3 kvar
11.Transitórios RC e RL
Resposta: W = 1,547 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 = 100 mH / 15 Ω = 6,667 ms
i(∞) = Vs/R = 5/15 = 0,3333 A
Corrente no instante dado
i(t) = 0,3333·(1 − e−5/6,667) = 0,1759 A
Energia armazenada
W = ½·L·i² = ½·100·0,1759² = 1,547 mJ
Resposta
W = 1,547 mJ
12.Transitórios RC e RL
Resposta: t = 33,55 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((12 − 9)/(10,5 − 9)) = 48,4·ln(2) = 33,55 ms
Resposta
t = 33,55 ms
13.Thévenin e Norton
Resposta: IN = 0,5405 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 = 15·20/(15+20) = 8,571 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 8,571 + 2 = 10,57 Ω
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) = 10·20/(15+20) = 5,714 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 = 5,714/10,57 = 0,5405 A
14.Thévenin e Norton
Resposta: Vth = −8,182 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.
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 = 3·30/(3+30) = 2,727 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,727 + 30 = 32,73 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) = 8,182 + (−0,5)·2,727 = 6,818 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 6,818 + (−0,5)·30 = −8,182 V
15.Diagramas de Bode e margens
Resposta: φ = −11,37 °
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/(1000·1 × 10⁻⁷) = 10000 rad/s
fc = 1592 Hz → f/fc = 320/1592 = 0,2011
Fase
φ = − atan(0,2011) = −11,37°
Resposta
φ = −11,37°
16.Diagramas de Bode e margens
Resposta: K = 265,6
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.