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
ReIm22−2−244−4−4z₁z₂w

Dados z₁ = 5∠55° e z₂ = 0,5∠−50°, encontre a parte real de w = z₁·z₂.

z₁ = 5∠55°z₂ = 0,5∠−50°
Re(w) =
2.Números complexosDifícil
ReIm22−2−244−4−4z₁z₂

Resolva z² + 2z + 17 = 0. As raízes são a ± jb; encontre a parte real a.

p = 2q = 17
a =
3.Impedância CA e fasoresMédia
230 V200 HzR = 30 ΩL = 100 mHC = 2,2 µF

Um circuito RLC série está ligado a uma fonte de 230 V (rms), 200 Hz. Encontre o ângulo de fase φ da impedância, em graus (positivo quando a corrente está atrasada em relação à tensão).

V = 230 V (rms)f = 200 HzR = 30 ΩL = 100 mHC = 2,2 µF
φ = °
4.Impedância CA e fasoresDifícil
12 Vf0​R = 10 ΩL = 5 mHC = 1 µF

Um circuito RLC série é alimentado por uma fonte de 12 V (eficaz) cuja frequência é ajustada na frequência de ressonância do circuito. Encontre a tensão eficaz VL sobre o indutor.

V = 12 V (rms)R = 10 ΩL = 5 mHC = 1 µF
VL = V
5.Potência CA e fator de potênciaMédia
400 V18 kW, 0,65218 kW, 0,8I = ?

Duas cargas estão ligadas em paralelo a uma fonte monofásica de 400 V: uma carga de 8 kW com fator de potência 0,65 indutivo e uma carga de 18 kW com fator de potência 0,8 indutivo. Encontre a corrente total I absorvida da fonte.

V = 400 VP1 = 8 kW, pf1 = 0,65 indutivoP2 = 18 kW, pf2 = 0,8 indutivo
I = A
6.Potência CA e fator de potênciaDifícil
P1​ = 12 kWQ1​S1​φ

Um transformador monofásico de 25 kVA alimenta uma carga de 12 kW com fator de potência 0,8 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 = 25 kVAP1 = 12 kWpf1 = 0,8
ΔP = kW
7.Ressonância LC, fator Q e largura de bandaMédia
C = 2,2 nF+−9 VL = 100 µHiL​

Um capacitor de 2,2 nF carregado a 12 V oscila com um indutor ideal de 100 µH. Encontre a energia WL armazenada no indutor no instante em que a tensão do capacitor é 9 V, em nJ.

C = 2,2 nFV0 = 12 VvC = 9 V
WL = nJ
8.Ressonância LC, fator Q e largura de bandaDifícil
f|I|0,7071f0​ = ?1 kHz1,1 kHzBW

As frequências de meia potência de uma curva de ressonância são 1 kHz e 1,1 kHz. Encontre a frequência de ressonância como a média geométrica delas e depois o fator de qualidade Q.

f1 = 1 kHzf2 = 1,1 kHz
Q =
9.Potência trifásicaMédia
ABCVL​ = 208 VIL​ = 15 Acos φ = 0,92indutivo

Uma carga trifásica equilibrada consome uma corrente de linha de 15 A de uma alimentação com tensão de linha de 208 V. O fator de potência é 0,92 indutivo. Encontre a potência ativa total P consumida pela carga em kW.

VL = 208 VIL = 15 Acos φ = 0,92
P = kW
10.Potência trifásicaDifícil
P = 250 kWφ1​S1​Q2​QC​

Uma carga trifásica equilibrada consome 250 kW com fator de potência 0,72 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. Os capacitores estão ligados em Y. Encontre a capacitância Cph de cada capacitor em µF.

P = 250 kWpf1 = 0,72pf2 = 0,92VL = 480 Vf = 50 Hz
Cph = µF
11.Transitórios RC e RLMédia
R = 50 Ωt = 0L68 mHi(t)

O indutor conduz uma corrente constante de 2,5 A. Em t = 0 a chave fecha a malha por R e a fonte é retirada, então a corrente do indutor decai por R. Encontre a corrente i em t = 1 ms.

i(0) = 2,5 AR = 50 ΩL = 68 mHt = 1 ms
i = A
12.Transitórios RC e RLDifícil
+−Vs​9 Vabre em t = 0R1​ = 10 kΩR2​ = 1 kΩC22 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 = 50 ms.

Vs = 9 VR1 = 10 kΩR2 = 1 kΩC = 22 µFt = 50 ms
vC = V
13.Thévenin e NortonMédia
R1​ = 6 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​24 VR2​3 ΩAab

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

V1 = 24 VR1 = 6 ΩR2 = 3 ΩR3 = 2 Ω
IN = A
14.Thévenin e NortonDifícil
R1​ = 15 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​36 VR2​12 ΩAIs​3 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 = 36 VIs = 3 AR1 = 15 ΩR2 = 12 ΩR3 = 2 ΩRL = 30 Ω
IL = A
15.Diagramas de Bode e margensMédia
vin​C = 100 nFR = 3,3 kΩvout​

O Filtro passa-altas RC mostrado tem R = 3,3 kΩ, C = 100 nF. Aplica-se uma entrada senoidal de 96 Hz. Encontre o ganho |H| = |vout/vin| em dB.

R = 3,3 kΩC = 100 nFf = 96 Hz
|H| = dB
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) = 170/(s(s + 2)(s + 10)). Encontre a frequência de cruzamento de fase ω180, onde ∠L(jω) = −180°.

L(s) = 170/(s(s + 2)(s + 10))
ω180 = rad/s

3Soluções

1.Números complexos

Resposta: Re(w) = 2,49

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 · 0,5 = 2,5
θ = 55° + (−50)° = 5°

Forma retangular

Re(w) = 2,5·cos(5°) = 2,49
Im(w) = 2,5·sin(5°) = 0,2179
Re(w) = 2,49

Resposta

Re(w) = 2,49
2.Números complexos

Resposta: a = −1

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 = 4 − 68 = −64 < 0

Fórmula quadrática

z = (−2 ± j√64)/2 = −1 + j4, −1 − j4

Resposta

a = −1

Resposta

a = −1
3.Impedância CA e fasores

Resposta: φ = −82,76 °

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·200 = 1257 rad/s
XL = ωL = 1257·0,1 = 125,7 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(1257·2,2·10⁻⁶) = 361,7 Ω

Impedância

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

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(30² + (−236,1)²) = 238 Ω

Ângulo de fase

φ = arctan((XL − XC)/R) = arctan(−236,1/30) = −82,76°

Resposta

φ = −82,76°
4.Impedância CA e fasores

Resposta: VL = 84,85 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/√(0,005·1·10⁻⁶) = 14142 rad/s
I = V/R = 12/10 = 1,2 A

Tensão sobre o indutor

XL = ω₀L = 14142·0,005 = 70,71 Ω
VL = I·XL = 1,2·70,71 = 84,85 V

Resposta

VL = 84,85 V

Isso é Q = 7,071 vezes a tensão da fonte.

5.Potência CA e fator de potência

Resposta: I = 86,54 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.

Potência reativa de cada carga

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

Q1 = 8·tan(arccos 0,65) = 9,353 kvar
Q2 = 18·tan(arccos 0,8) = 13,5 kvar

Totais

P = 8 + 18 = 26 kW
Q = 9,353 + 13,5 = 22,85 kvar
S = √(26² + 22,85²) = 34,62 kVA

Corrente total

I = S/V = 34616/400 = 86,54 A

Resposta

I = 86,54 A
6.Potência CA e fator de potência

Resposta: ΔP = 11,32 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 = 12·tan(arccos 0,8) = 9 kvar

Maior potência ativa total

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

P = √(Smax² − Q1²) = √(25² − 9²) = 23,32 kW

Potência ativa adicional

ΔP = 23,32 − 12 = 11,32 kW

Resposta

ΔP = 11,32 kW
7.Ressonância LC, fator Q e largura de banda

Resposta: WL = 69,3 nJ

Ressonância LC: um capacitor carregado ligado a um indutor produz uma corrente que o carrega no sentido oposto: a energia oscila entre o campo elétrico de C (½Cv²) e o campo magnético de L (½Li²) na frequência natural f0 = 1/(2π√(LC)). Sem resistência, a energia total ½CV0² permanece constante, de modo que a corrente de pico é Imax = V0√(C/L). Um período é T = 1/f0; a energia passa de C para L em um quarto dele.

Energia total

½·2,2 × 10⁻⁹·12² = 1,584 × 10⁻⁷ J

Energia que resta no capacitor

½·2,2 × 10⁻⁹·9² = 8,91 × 10⁻⁸ J

Energia no indutor

WL = 6,93 × 10⁻⁸ J = 69,3 nJ

Resposta

WL = 69,3 nJ
8.Ressonância LC, fator Q e largura de banda

Resposta: Q = 10,49

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 = √(1000·1100) = 1049 Hz

Largura de banda

BW = 1100 − 1000 = 100 Hz

Fator de qualidade

Q = 1049/100 = 10,49

Resposta

Q = 10,49
9.Potência trifásica

Resposta: P = 4,972 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 = √3·208·15 = 5,404 kVA

Potência ativa

P = S·cos φ = 5,404·0,92 = 4,972 kW

Resposta

P = 4,972 kW
10.Potência trifásica

Resposta: Cph = 1858 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 = 250·tan(acos 0,72) = 250·0,9639 = 241 kvar
Q2 = 250·tan(acos 0,92) = 250·0,426 = 106,5 kvar

Potência reativa dos capacitores

QC = Q1 − Q2 = 134,5 kvar

Capacitância por fase

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

V = 480/√3 = 277,1 V, ω = 2π·50 = 314,2 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 44821/(314,2·277,1²) = 1858 µF

Resposta

Cph = 1858 µF
11.Transitórios RC e RL

Resposta: i = 1,198 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

τ = L/R = 68 mH / 50 Ω = 1,36 ms

Decaimento da corrente

i(t) = 2,5·e−1/1,36 = 1,198 A

Resposta

i = 1,198 A
12.Transitórios RC e RL

Resposta: vC = 0,0843 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) = 9·1/(10 + 1) = 0,8182 V

Constante de tempo após a abertura da chave

τ = R2·C = 1·22 = 22 ms

Descarga

vC(t) = 0,8182·e−50/22 = 0,0843 V

Resposta

vC = 0,0843 V
13.Thévenin e Norton

Resposta: IN = 2 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​ = 2 ΩCURTOR2​3 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 = 6·3/(6+3) = 2 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2 + 2 = 4 Ω
R1​ = 6 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​24 VR2​3 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) = 24·3/(6+3) = 8 V
IN​2 ARth​4 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 = 8/4 = 2 A
14.Thévenin e Norton

Resposta: IL = 1,086 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​ = 2 ΩCURTOR2​12 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 = 15·12/(15+12) = 6,667 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 6,667 + 2 = 8,667 Ω
R1​ = 15 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​36 VR2​12 ΩAIs​3 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) = 16 + 3·6,667 = 36 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 36 + 3·2 = 42 V
Rth​ = 8,667 Ω+−Vth​42 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) = 42/(8,667 + 30) = 1,086 A
15.Diagramas de Bode e margens

Resposta: |H| = −14,19 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.

Frequência de corte

ωc = 1/(RC) = 1/(3300·1 × 10⁻⁷) = 3030 rad/s
fc = 482,3 Hz → f/fc = 96/482,3 = 0,1991

Ganho

|H| = 0,1991/√(1 + 0,1991²) = 0,1952
20·log₁₀(0,1952) = −14,19 dB

Resposta

|H| = −14,19 dB
16.Diagramas de Bode e margens

Resposta: ω180 = 4,472 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/2)·(ω/10) = 1 → ω180 = √(2·10) = 4,472 rad/s

Resposta

ω180 = 4,472 rad/s

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