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.

Novos exercíciosVoltar à disciplina

Na janela de impressão, escolha “Salvar como PDF” para guardar uma cópia no seu dispositivo.

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
ReIm22−2−244−4−4z₁z₂w

Dados z₁ = 5∠55° e z₂ = 1,5∠20°, encontre o argumento θ de w = z₁/z₂ em graus, entre −180° e 180°.

z₁ = 5∠55°z₂ = 1,5∠20°
θ = °
2.Números complexosDifícil
ReIm22−2−244−4−4z₀z₁z₂

As raízes de zⁿ = w com n = 3 e w = 64∠90° são zk = R1/n∠((φ + 360°·k)/n), k = 0, 1, 2. Encontre o argumento de z₁ em graus, entre −180° e 180°.

w = 64∠90°n = 3k = 1
θ₁ = °
3.Impedância CA e fasoresMédia
50 V60 HzR = 40 ΩL = 250 mHC = 22 µFI

Um circuito RLC série está ligado a uma fonte de 50 V (rms), 60 Hz. Encontre a corrente rms I.

V = 50 V (rms)f = 60 HzR = 40 ΩL = 250 mHC = 22 µF
I = A
4.Impedância CA e fasoresDifícil
5 Vf0​R = 15 ΩL = 50 mHC = 1 µF

Um circuito RLC série é alimentado por uma fonte de 5 V (eficaz) cuja frequência é ajustada na frequência de ressonância do circuito. Encontre a tensão eficaz VL sobre o indutor.

V = 5 V (rms)R = 15 ΩL = 50 mHC = 1 µF
VL = V
5.Potência CA e fator de potênciaMédia
120 VZ20 + j15 ΩI

Uma carga com impedância Z = 20 + j15 Ω está ligada a uma fonte monofásica de 120 V (eficaz). Encontre a potência reativa Q que ela absorve.

V = 120 VZ = 20 + j15 Ω
Q = var
6.Potência CA e fator de potênciaDifícil
P = 40 kWQ1​S1​φ1​QC​

Uma carga monofásica consome 40 kW com fator de potência 0,7 indutivo de uma fonte de 240 V, 50 Hz. Um capacitor ligado em paralelo eleva o fator de potência para 0,98. Encontre a potência reativa QC que o capacitor deve fornecer.

P = 40 kWpf1 = 0,7pf2 = 0,98V = 240 Vf = 50 Hz
QC = kvar
7.Ressonância LC, fator Q e largura de bandaMédia
V100 Ω22 mH47 nF

Um circuito RLC série tem R = 100 Ω, L = 22 mH e C = 47 nF. Encontre sua largura de banda BW em Hz.

R = 100 ΩL = 22 mHC = 47 nF
BW = Hz
8.Ressonância LC, fator Q e largura de bandaDifícil
V10 Ω4,7 mH100 nF500 mA

Um circuito RLC série (R = 10 Ω, L = 4,7 mH, C = 100 nF) é excitado na ressonância com uma amplitude de corrente de 500 mA. Encontre a energia Ecycle dissipada em R durante um ciclo, em µJ.

R = 10 ΩL = 4,7 mHC = 100 nFIm = 500 mA
Ecycle = µJ
9.Potência trifásicaMédia
ABCVL​ = 480 VIL​ = 80 Acos φ = 0,88indutivo

Uma carga trifásica equilibrada consome uma corrente de linha de 80 A de uma alimentação com tensão de linha de 480 V. O fator de potência é 0,88 indutivo. Encontre a potência ativa total P consumida pela carga em kW.

VL = 480 VIL = 80 Acos φ = 0,88
P = kW
10.Potência trifásicaDifícil
P = 50 kWφ1​S1​Q2​QC​

Uma carga trifásica equilibrada consome 50 kW com fator de potência 0,78 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 0,95 indutivo. A potência ativa permanece a mesma. Os capacitores estão ligados em Y. Encontre a capacitância Cph de cada capacitor em µF.

P = 50 kWpf1 = 0,78pf2 = 0,95VL = 690 Vf = 50 Hz
Cph = µF
11.Transitórios RC e RLMédia
+−Vs​30 Vt = 0R1​ = 1 kΩR2​ = 6,8 kΩC33 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 = 1 kΩR2 = 6,8 kΩC = 33 µF
τ = ms
12.Transitórios RC e RLDifícil
+−Vs​9 Vabre em t = 0R1​ = 4,7 kΩR2​ = 10 kΩC47 µF+−vC​

A chave está fechada há muito tempo, então o circuito está em regime permanente. Em t = 0 a chave abre. Encontre a tensão no capacitor vC em t = 400 ms.

Vs = 9 VR1 = 4,7 kΩR2 = 10 kΩC = 47 µFt = 400 ms
vC = V
13.Thévenin e NortonMédia
R1​ = 6 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​15 VR2​10 ΩARL​5 ΩIL​B

Uma carga RL = 5 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 VR1 = 6 ΩR2 = 10 ΩR3 = 6 ΩRL = 5 Ω
IL = A
14.Thévenin e NortonDifícil
R1​ = 25 ΩR3​ = 25 Ω+−V1​9 VR2​3 ΩAIs​5 ABRL​15 ΩIL​

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 = 9 VIs = 5 AR1 = 25 ΩR2 = 3 ΩR3 = 25 ΩRL = 15 Ω
IL = A
15.Diagramas de Bode e margensMédia
vin​L = 10 mHC = 10 µFR = 2 Ωvout​

No filtro passa-faixa RLC série mostrado, a saída é tomada sobre R = 2 Ω, com L = 10 mH e C = 10 µF. Encontre o fator de qualidade Q.

R = 2 ΩL = 10 mHC = 10 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) = 82/(s(s + 5)(s + 6)). Encontre a frequência de cruzamento de fase ω180, onde ∠L(jω) = −180°.

L(s) = 82/(s(s + 5)(s + 6))
ω180 = rad/s

3Soluções

1.Números complexos

Resposta: θ = 35 °

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| = 5 / 1,5 = 3,333
θ = 55° − 20° = 35°

Argumento

θ = 35°

Resposta

θ = 35°
2.Números complexos

Resposta: θ₁ = 150 °

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

641/3 = 4

Argumento da raiz

θ₁ = (90° + 360°·1)/3 = 150°

Argumento

θ₁ = 150°

Resposta

θ₁ = 150°

As 3 raízes ficam sobre a circunferência de raio 4, separadas por 120°.

3.Impedância CA e fasores

Resposta: I = 1,044 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·60 = 377 rad/s
XL = ωL = 377·0,25 = 94,25 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(377·22·10⁻⁶) = 120,6 Ω

Impedância

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

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(40² + (−26,32)²) = 47,88 Ω

Corrente

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

I = V/|Z| = 50/47,88 = 1,044 A

Resposta

I = 1,044 A
4.Impedância CA e fasores

Resposta: VL = 74,54 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/√(0,05·1·10⁻⁶) = 4472 rad/s
I = V/R = 5/15 = 0,3333 A

Tensão sobre o indutor

XL = ω₀L = 4472·0,05 = 223,6 Ω
VL = I·XL = 0,3333·223,6 = 74,54 V

Resposta

VL = 74,54 V

Isso é Q = 14,91 vezes a tensão da fonte.

5.Potência CA e fator de potência

Resposta: Q = 345,6 var

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

|Z| = √(20² + 15²) = 25 Ω
I = V/|Z| = 120/25 = 4,8 A

Potência reativa

Q = I²·X = 4,8²·15 = 345,6 var

Resposta

Q = 345,6 var
6.Potência CA e fator de potência

Resposta: QC = 32,69 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 = 40·tan(45,57°) = 40,81 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 40·tan(11,48°) = 8,122 kvar
QC = Q1 − Q2 = 32,69 kvar

Resposta

QC = 32,69 kvar
7.Ressonância LC, fator Q e largura de banda

Resposta: BW = 723,4 Hz

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 = 100/0,022 = 4545 rad/s

Largura de banda em Hz

BW = 4545/(2π) = 723,4 Hz = 723,4 Hz

Resposta

BW = 723,4 Hz

Com f₀ = 4,949 kHz, isso dá Q = 6,842.

8.Ressonância LC, fator Q e largura de banda

Resposta: Ecycle = 170,3 µJ

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).

Energia armazenada

W = ½·0,0047·0,5² = 0,0005875 J

Fator de qualidade

Q = (1/10)·√(0,0047/1 × 10⁻⁷) = 21,68

Energia perdida por ciclo

Ecycle = 2π·W/Q = 2π·0,0005875/21,68 = 0,0001703 J = 170,3 µJ
verificação: ½·0,5²·10/7341 = 0,0001703 J

Resposta

Ecycle = 170,3 µJ
9.Potência trifásica

Resposta: P = 58,53 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.

Potência aparente

S = √3·VL·IL = √3·480·80 = 66,51 kVA

Potência ativa

P = S·cos φ = 66,51·0,88 = 58,53 kW

Resposta

P = 58,53 kW
10.Potência trifásica

Resposta: Cph = 158,3 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 = 50·tan(acos 0,78) = 50·0,8023 = 40,11 kvar
Q2 = 50·tan(acos 0,95) = 50·0,3287 = 16,43 kvar

Potência reativa dos capacitores

QC = Q1 − Q2 = 23,68 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) = 7893/(314,2·398,4²) = 158,3 µF

Resposta

Cph = 158,3 µF
11.Transitórios RC e RL

Resposta: τ = 28,77 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.

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 = 1·6,8/(1 + 6,8) = 0,8718 kΩ
vC(∞) = 30·6,8/(1 + 6,8) = 26,15 V

Constante de tempo

τ = Rth·C = 0,8718·33 = 28,77 ms

Resposta

τ = 28,77 ms
12.Transitórios RC e RL

Resposta: vC = 2,614 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.

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) = 9·10/(4,7 + 10) = 6,122 V

Constante de tempo após a abertura da chave

τ = R2·C = 10·47 = 470 ms

Descarga

vC(t) = 6,122·e−400/470 = 2,614 V

Resposta

vC = 2,614 V
13.Thévenin e Norton

Resposta: IL = 0,6356 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​ = 6 ΩR3​ = 6 ΩCURTOR2​10 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 = 6·10/(6+10) = 3,75 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3,75 + 6 = 9,75 Ω
R1​ = 6 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​15 VR2​10 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) = 15·10/(6+10) = 9,375 V
Rth​ = 9,75 Ω+−Vth​9,375 VRL​5 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) = 9,375/(9,75 + 5) = 0,6356 A
14.Thévenin e Norton

Resposta: IL = 3,265 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​ = 25 ΩR3​ = 25 ΩCURTOR2​3 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 = 25·3/(25+3) = 2,679 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,679 + 25 = 27,68 Ω
R1​ = 25 ΩR3​ = 25 Ω+−V1​9 VR2​3 ΩAIs​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) = 0,9643 + 5·2,679 = 14,36 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 14,36 + 5·25 = 139,4 V
Rth​ = 27,68 Ω+−Vth​139,4 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) = 139,4/(27,68 + 15) = 3,265 A
15.Diagramas de Bode e margens

Resposta: Q = 15,81

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/√(0,01·1 × 10⁻⁵) = 3162 rad/s
f₀ = ω₀/(2π) = 503,3 Hz

Fator de qualidade

BW = R/L = 2/0,01 = 200 rad/s = 31,83 Hz
Q = ω₀/BW = 3162/200 = 15,81

Resposta

Q = 15,81
16.Diagramas de Bode e margens

Resposta: ω180 = 5,477 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/5)·(ω/6) = 1 → ω180 = √(5·6) = 5,477 rad/s

Resposta

ω180 = 5,477 rad/s

ExamProblems · examproblems.com/courses/circuit-analysis-2