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

Escreva z = 8∠160° na forma retangular a + jb e dê a parte imaginária b.

r = 8θ = 160°
b =
2.Números complexosDifícil
ReIm11−1−122−2−2θz

Encontre a parte real de (1 − j2)⁵.

z = 1 − j2n = 5
Re(z⁵) =
3.Impedância CA e fasoresMédia
24 V50 HzR = 10 ΩL = 50 mHI

Um resistor e um indutor estão ligados em paralelo a uma fonte de 24 V (eficaz), 50 Hz. Encontre o módulo da impedância |Z|.

V = 24 V (rms)f = 50 HzR = 10 ΩL = 50 mH
|Z| = Ω
4.Impedância CA e fasoresDifícil
10 V50 HzR = 40 ΩL = 50 mHC = 4,7 µFI

Um circuito RLC série está ligado a uma fonte de 10 V (rms), 50 Hz. Encontre a corrente rms I.

V = 10 V (rms)f = 50 HzR = 40 ΩL = 50 mHC = 4,7 µF
I = A
5.Potência CA e fator de potênciaMédia
P = 37 kWQ = ?Sφ

Um motor monofásico consome 37 kW com fator de potência 0,7 indutivo de uma fonte de 230 V. Encontre a potência reativa Q que ele consome.

P = 37 kWpf = 0,7V = 230 V
Q = kvar
6.Potência CA e fator de potênciaDifícil
P = 15 kWQ1​S1​φ1​QC​

Uma carga monofásica consome 15 kW com fator de potência 0,7 indutivo de uma fonte de 240 V, 60 Hz. Um capacitor ligado em paralelo eleva o fator de potência para 0,95. Encontre a potência reativa QC que o capacitor deve fornecer.

P = 15 kWpf1 = 0,7pf2 = 0,95V = 240 Vf = 60 Hz
QC = kvar
7.Ressonância LC, fator Q e largura de bandaMédia
f|I|0,707150 kHzf1​ = ?f2​BW

Um circuito RLC série ressoa em 50 kHz com Q = 3. Encontre exatamente a frequência de meia potência inferior f1, em kHz.

f0 = 50 kHzQ = 3
f1 = kHz
8.Ressonância LC, fator Q e largura de bandaDifícil
f|I|0,7071f0​ = ?50 kHz80 kHzBW

As frequências de meia potência de uma curva de ressonância são 50 kHz e 80 kHz. Encontre a frequência de ressonância como a média geométrica delas e depois o fator de qualidade Q.

f1 = 50 kHzf2 = 80 kHz
Q =
9.Potência trifásicaMédia
ABCVL​ = 400 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 400 V. Encontre a potência ativa total P absorvida pela carga em kW.

VL = 400 VZ = 3 + j4 Ω por fase
P = kW
10.Potência trifásicaDifícil
P = 60 kWφ1​S1​Q2​QC​ = ?

Uma carga trifásica equilibrada consome 60 kW com fator de potência 0,75 indutivo de uma alimentação de 480 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. Encontre a potência reativa total QC que o banco de capacitores deve fornecer, em kvar.

P = 60 kWpf1 = 0,75pf2 = 0,92VL = 480 Vf = 50 Hz
QC = kvar
11.Transitórios RC e RLMédia
+−Vs​6 Vt = 0R = 100 ΩL100 mHi(t)

O indutor não conduz corrente antes de a chave fechar em t = 0. Encontre a corrente i em t = 1 ms.

Vs = 6 VR = 100 ΩL = 100 mHt = 1 ms
i = A
12.Transitórios RC e RLDifícil
+−Vs​15 Vabre em t = 0R1​ = 6,8 kΩR2​ = 3,3 kΩi2​C220 µF+−vC​

A chave está fechada há muito tempo, então o circuito está em regime permanente. Em t = 0 a chave abre. Encontre a corrente i2 em R2 em t = 500 ms.

Vs = 15 VR1 = 6,8 kΩR2 = 3,3 kΩC = 220 µFt = 500 ms
i2 = mA
13.Thévenin e NortonMédia
R1​ = 6 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​15 VR2​20 ΩAab

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

V1 = 15 VR1 = 6 ΩR2 = 20 ΩR3 = 15 Ω
Vth = V
14.Thévenin e NortonDifícil
R1​ = 4 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​15 VR2​8 ΩAIs​2,5 ABab

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

V1 = 15 VIs = 2,5 AR1 = 4 ΩR2 = 8 ΩR3 = 5 Ω
IN = A
15.Diagramas de Bode e margensMédia
|H| (dB)0,1110100−60−40−2002040ω (rad/s)ω = 5

Encontre o módulo exato |G(jω)| de G(s) = 85/((s + 1)(s + 5)) em ω = 5 rad/s, em dB.

G(s) = 85/((s + 1)(s + 5))ω = 5 rad/s
|G(jω)| = dB
16.Diagramas de Bode e margensDifícil
|H| (dB)0,10,1111010100100−100−80−60−40−20020ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−270−180−900ω180​ = ?

Uma malha com realimentação unitária tem a função de transferência de malha aberta L(s) = 2/(s(s + 1)(s + 3)). Encontre a frequência de cruzamento de fase ω180, onde ∠L(jω) = −180°.

L(s) = 2/(s(s + 1)(s + 3))
ω180 = rad/s

3Soluções

1.Números complexos

Resposta: b = 2,736

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.

Componentes

a = 8·cos(160°) = −7,518
b = 8·sin(160°) = 2,736

Forma retangular

z = −7,518 + j2,736
b = 2,736

Resposta

b = 2,736
2.Números complexos

Resposta: Re(z⁵) = 41

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 = (1 − j2)(1 − j2) = −3 − j4
z³ = (−3 − j4)(1 − j2) = −11 + j2
z⁴ = (−11 + j2)(1 − j2) = −7 + j24
z⁵ = (−7 + j24)(1 − j2) = 41 + j38

Confira com De Moivre

z = 2,236∠−63,43° → z⁵ = 55,9∠42,83°
Re(z⁵) = 41

Resposta

Re(z⁵) = 41
3.Impedância CA e fasores

Resposta: |Z| = 8,436 Ω

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

XL = ωL = 2π·50·0,05 = 15,71 Ω

Correntes de ramo

Os dois ramos estão ligados diretamente à fonte, então cada um recebe a tensão total V.

IR = V/R = 24/10 = 2,4 A
IX = V/XL = 24/15,71 = 1,528 A

Corrente total

A corrente do resistor está em fase com V e a corrente reativa está defasada de 90°, então se somam como os lados de um triângulo retângulo.

I = √(IR² + IX²) = √(2,4² + 1,528²) = 2,845 A

Impedância

|Z| = V/I = 24/2,845 = 8,436 Ω

Resposta

|Z| = 8,436 Ω
4.Impedância CA e fasores

Resposta: I = 0,01509 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|.

Reatâncias

ω = 2πf = 2π·50 = 314,2 rad/s
XL = ωL = 314,2·0,05 = 15,71 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(314,2·4,7·10⁻⁶) = 677,3 Ω

Impedância

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

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(40² + (−661,5)²) = 662,8 Ω

Corrente

A mesma corrente passa por todos os elementos de um circuito série.

I = V/|Z| = 10/662,8 = 0,01509 A

Resposta

I = 0,01509 A
5.Potência CA e fator de potência

Resposta: Q = 37,75 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(0,7) = 45,57°, tan φ = 1,02

Potência reativa

Q = P·tan φ = 37·1,02 = 37,75 kvar

Resposta

Q = 37,75 kvar
6.Potência CA e fator de potência

Resposta: QC = 10,37 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.

Potência reativa antes e depois

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

Q1 = P·tan φ1 = 15·tan(45,57°) = 15,3 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 15·tan(18,19°) = 4,93 kvar
QC = Q1 − Q2 = 10,37 kvar

Resposta

QC = 10,37 kvar
7.Ressonância LC, fator Q e largura de banda

Resposta: f1 = 42,36 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/(4·3²)) = 1,014

Frequência de meia potência inferior

f1 = 50000·(1,014 − 0,1667) = 42356 Hz = 42,36 kHz

Resposta

f1 = 42,36 kHz

A superior é f₂ = 59,02 kHz; verificação: f₂ − f₁ = 16,67 kHz = f₀/Q.

8.Ressonância LC, fator Q e largura de banda

Resposta: Q = 2,108

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

f0 = √(50000·80000) = 63246 Hz

Largura de banda

BW = 80000 − 50000 = 30000 Hz

Fator de qualidade

Q = 63246/30000 = 2,108

Resposta

Q = 2,108
9.Potência trifásica

Resposta: P = 19,2 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 = 400/√3 = 230,9 V

Corrente de fase

|Z| = √(3² + 4²) = 5 Ω
Iph = 230,9/5 = 46,19 A

Potência ativa total

Só a parte resistiva de cada impedância absorve potência ativa.

P = 3·Iph²·R = 3·46,19²·3 = 19,2 kW

Resposta

P = 19,2 kW

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

10.Potência trifásica

Resposta: QC = 27,36 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 = 60·tan(acos 0,75) = 60·0,8819 = 52,92 kvar
Q2 = 60·tan(acos 0,92) = 60·0,426 = 25,56 kvar

Potência reativa dos capacitores

QC = Q1 − Q2 = 27,36 kvar

Resposta

QC = 27,36 kvar
11.Transitórios RC e RL

Resposta: i = 0,03793 A

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 / 100 Ω = 1 ms
i(∞) = Vs/R = 6/100 = 0,06 A

Corrente no instante dado

i(t) = i(∞)·(1 − e−t/τ) = 0,06·(1 − e−1/1) = 0,03793 A

Resposta

i = 0,03793 A
12.Transitórios RC e RL

Resposta: i2 = 0,7459 mA

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.

Tensão inicial do capacitor

Em regime permanente o capacitor é um circuito aberto, então R₁ e R₂ formam um divisor de tensão. A tensão do capacitor não pode saltar quando a chave abre.

vC(0) = 15·3,3/(6,8 + 3,3) = 4,901 V

Constante de tempo após a abertura da chave

τ = R2·C = 3,3·220 = 726 ms

Descarga

vC(t) = 4,901·e−500/726 = 2,461 V
i2 = vC/R2 = 2,461/3,3 = 0,7459 mA

Resposta

i2 = 0,7459 mA
13.Thévenin e Norton

Resposta: Vth = 11,54 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​ = 6 ΩR3​ = 15 ΩCURTOR2​20 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 = 6·20/(6+20) = 4,615 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 4,615 + 15 = 19,62 Ω
R1​ = 6 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​15 VR2​20 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) = 15·20/(6+20) = 11,54 V
14.Thévenin e Norton

Resposta: IN = −1,196 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​ = 4 ΩR3​ = 5 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 = 4·8/(4+8) = 2,667 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,667 + 5 = 7,667 Ω
R1​ = 4 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​15 VR2​8 ΩAIs​2,5 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) = 10 + (−2,5)·2,667 = 3,333 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 3,333 + (−2,5)·5 = −9,167 V
IN​1,196 ARth​7,667 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 = −9,167/7,667 = −1,196 A
15.Diagramas de Bode e margens

Resposta: |G(jω)| = 7,449 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.

Multiplique os módulos

|G(j5)| = 85/(√(5² + 1²)·√(5² + 5²)) = 85/(5,099·7,071) = 2,357

Resultado

20·log₁₀(2,357) = 7,449 dB

Resposta

|G(jω)| = 7,449 dB
16.Diagramas de Bode e margens

Resposta: ω180 = 1,732 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 fase

(ω/1)·(ω/3) = 1 → ω180 = √(1·3) = 1,732 rad/s

Resposta

ω180 = 1,732 rad/s

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