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
ReIm11−1−122−2−233−3−3θz

Encontre o argumento θ de z = 1 + j3 em graus, como valor principal entre −180° e 180°.

z = 1 + j3
θ = °
2.Números complexosDifícil
ReIm22−2−244−4−4z₁z₂

Resolva z² − 3z + 27,25 = 0. As raízes são a ± jb; encontre b > 0.

p = −3q = 27,25
b =
3.Impedância CA e fasoresMédia
Vf0​ = 1000 HzRL = 10 mHC = ?

Um circuito RLC série com L = 10 mH deve ressoar a 1000 Hz. Encontre a capacitância C necessária.

f0 = 1000 HzL = 10 mH
C = µF
4.Impedância CA e fasoresDifícil
12 V60 HzR1​ = 40 ΩR2​ = 30 ΩC = 100 µF

Um resistor R1 está ligado em série com uma associação em paralelo de R2 e um capacitor C, a uma fonte de 12 V (eficaz), 60 Hz. Encontre o módulo da impedância |Z|.

V = 12 V (rms)f = 60 HzR1 = 40 ΩR2 = 30 ΩC = 100 µF
|Z| = Ω
5.Potência CA e fator de potênciaMédia
P = 34 kWQSφ

Um motor monofásico consome 34 kW com fator de potência 0,75 indutivo de uma fonte de 240 V. Encontre a corrente de linha I.

P = 34 kWpf = 0,75V = 240 V
I = A
6.Potência CA e fator de potênciaDifícil
120 V50 HzRs​ = 4 ΩXs​ = j40 ΩZL​ = ?

Uma fonte de 120 V (eficaz), 50 Hz tem impedância interna Zs = 4 + j40 Ω. A impedância de carga ZL pode ser escolhida livremente. A carga para máxima potência é formada por um resistor em série com um capacitor. Encontre a capacitância C.

Vs = 120 V (rms)f = 50 HzZs = 4 + j40 Ω
C = µF
7.Ressonância LC, fator Q e largura de bandaMédia
tvC​iL​T/4 = ?T/2TL = 470 µHC = 10 µF

Em um circuito LC ideal com L = 470 µH e C = 10 µF, o capacitor está totalmente carregado em t = 0. Quanto tempo leva até que toda a energia esteja no indutor? Dê t em µs.

L = 470 µHC = 10 µF
t = µs
8.Ressonância LC, fator Q e largura de bandaDifícil
C = 220 nFR = 5 ΩL = 22 mH

Um capacitor carregado de 220 nF se descarrega por uma bobina de 22 mH com resistência série total de 5 Ω, de modo que a oscilação se extingue lentamente. Sua amplitude decai como e−Rt/(2L). Quantos ciclos de oscilação n passam até que a amplitude caia à metade? (As perdas são pequenas, então a frequência é f₀.)

L = 22 mHC = 220 nFR = 5 Ω
n =
9.Potência trifásicaMédia
ABCVL​ = 415 VIL​ = ?M22 kW, η = 93%cos φ = 0,84

Um motor de indução trifásico fornece 22 kW de potência mecânica de saída a plena carga. Nessa carga seu rendimento é 93% e seu fator de potência é 0,84 indutivo. A alimentação tem tensão de linha de 415 V. Encontre a corrente de linha IL.

Pout = 22 kWη = 93%cos φ = 0,84VL = 415 V
IL = A
10.Potência trifásicaDifícil
P = 60 kWφ1​S1​Q2​QC​

Uma carga trifásica equilibrada consome 60 kW com fator de potência 0,7 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 0,95 indutivo. A potência ativa permanece a mesma. Os capacitores estão ligados em Δ. Encontre a capacitância Cph de cada capacitor em µF.

P = 60 kWpf1 = 0,7pf2 = 0,95VL = 480 Vf = 50 Hz
Cph = µF
11.Transitórios RC e RLMédia
+−Vs​6 Vt = 0R = 100 ΩL150 mHi(t)

O indutor não conduz corrente antes de a chave fechar em t = 0. Encontre a tensão vL no indutor em t = 2 ms.

Vs = 6 VR = 100 ΩL = 150 mHt = 2 ms
vL = V
12.Transitórios RC e RLDifícil
+−Vs​24 VR1​ = 22 ΩR2​ = 33 Ωfecha em t = 0L150 mHi(t)

A chave em paralelo com R2 está aberta há muito tempo, então a corrente do indutor é constante. Em t = 0 a chave fecha e coloca R2 em curto. Encontre a corrente do indutor i em t = 5 ms.

Vs = 24 VR1 = 22 ΩR2 = 33 ΩL = 150 mHt = 5 ms
i = A
13.Thévenin e NortonMédia
R1​ = 5 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​6 VR2​2 ΩARL​3 ΩIL​B

Uma carga RL = 3 Ω é ligada entre a–b. Substitua o resto do circuito pelo seu equivalente de Thévenin e encontre a corrente na carga IL.

V1 = 6 VR1 = 5 ΩR2 = 2 ΩR3 = 10 ΩRL = 3 Ω
IL = A
14.Thévenin e NortonDifícil
R1​ = 15 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​36 VR2​4 ΩAIs​2 ABRL​6 ΩIL​

Uma carga RL = 6 Ω é ligada entre a–b. Use um equivalente de Thévenin para encontrar a potência PL entregue à carga.

V1 = 36 VIs = 2 AR1 = 15 ΩR2 = 4 ΩR3 = 8 ΩRL = 6 Ω
PL = W
15.Diagramas de Bode e margensMédia
|H| (dB)0,010,1110100−40−20020ω (rad/s)ω = 0,5

Encontre o módulo exato |G(jω)| de G(s) = 175/((s + 5)(s + 7)) em ω = 0,5 rad/s, em dB.

G(s) = 175/((s + 5)(s + 7))ω = 0,5 rad/s
|G(jω)| = 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) = 246/(s(s + 3)(s + 10)). Encontre a margem de ganho GM em dB.

L(s) = 246/(s(s + 3)(s + 10))
GM = dB

3Soluções

1.Números complexos

Resposta: θ = 71,57 °

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.

Quadrante

a = 1, b = 3 → I

Ângulo de referência

α = atan(3/1) = 71,57°

Argumento

θ = α = 71,57°

Resposta

θ = 71,57°

Na forma polar, z = 3,162∠71,57°.

2.Números complexos

Resposta: b = 5

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 = 9 − 109 = −100 < 0

Fórmula quadrática

z = (3 ± j√100)/2 = 1,5 + j5, 1,5 − j5

Resposta

b = 5

Resposta

b = 5
3.Impedância CA e fasores

Resposta: C = 2,533 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·1000 = 6283 rad/s
C = 1/(ω₀²·L) = 1/(6283²·0,01) = 2,533 µF

Resposta

C = 2,533 µF
4.Impedância CA e fasores

Resposta: |Z| = 55,21 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

XC = 1/(2π·60·100·10⁻⁶) = 26,53 Ω

Associação em paralelo

Multiplique numerador e denominador pelo complexo conjugado para separar Zp em partes real e imaginária.

Zp = R₂·(−jXC)/(R₂ − jXC) = (R₂·XC² − jR₂²·XC)/(R₂² + XC²)
Zp = 13,16 − j14,89 Ω

Impedância total

Z = 40 + 13,16 − j14,89 = 53,16 − j14,89 Ω
|Z| = √(53,16² + 14,89²) = 55,21 Ω

Resposta

|Z| = 55,21 Ω
5.Potência CA e fator de potência

Resposta: I = 188,9 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) = 34000/(240·0,75) = 188,9 A

Resposta

I = 188,9 A
6.Potência CA e fator de potência

Resposta: C = 79,58 µF

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.

Casamento conjugado

A reatância da carga anula a reatância da fonte, e a resistência da carga é igual à resistência da fonte.

ZL = Zs* = 4 − j40 Ω

Capacitância

XC = 40 Ω → C = 1/(2π·50·40) = 79,58 µF

Resposta

C = 79,58 µF
7.Ressonância LC, fator Q e largura de banda

Resposta: t = 107,7 µs

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.

Período

T = 2π√(0,00047·1 × 10⁻⁵) = 430,8 µs

Quarto de período

t = T/4 = 107,7 µs

Resposta

t = 107,7 µs
8.Ressonância LC, fator Q e largura de banda

Resposta: n = 13,95

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).

Meia-vida da amplitude

t = 2·0,022·ln 2/5 = 0,0061 s

Número de ciclos

n = t·f0 = 0,0061·2288 = 13,95

Resposta

n = 13,95

Atalho: n = Q·ln 2/π com Q = 63,25.

9.Potência trifásica

Resposta: IL = 39,18 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 = 22/0,93 = 23,66 kW

Corrente de linha

IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 23656/(√3·415·0,84) = 39,18 A

Resposta

IL = 39,18 A
10.Potência trifásica

Resposta: Cph = 191,1 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 = 60·tan(acos 0,7) = 60·1,02 = 61,21 kvar
Q2 = 60·tan(acos 0,95) = 60·0,3287 = 19,72 kvar

Potência reativa dos capacitores

QC = Q1 − Q2 = 41,49 kvar

Capacitância por fase

Em um banco em Δ cada capacitor está ligado entre duas linhas.

V = 480 V, ω = 2π·50 = 314,2 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 13830/(314,2·480²) = 191,1 µF

Resposta

Cph = 191,1 µF
11.Transitórios RC e RL

Resposta: vL = 1,582 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.

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 = 150 mH / 100 Ω = 1,5 ms
i(∞) = Vs/R = 6/100 = 0,06 A

Tensão no indutor

Em t = 0 toda a tensão da fonte aparece sobre o indutor; depois ela decai a zero.

vL(t) = Vs·e−t/τ = 6·e−2/1,5 = 1,582 V

Resposta

vL = 1,582 V
12.Transitórios RC e RL

Resposta: i = 0,7765 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.

Valor inicial, valor final, constante de tempo

Antes de t = 0 os dois resistores estão na malha; depois a chave fechada desvia R₂.

i(0) = 24/(22 + 33) = 0,4364 A
i(∞) = 24/22 = 1,091 A
τ = L/R = 150/22 = 6,818 ms
i(t) = 1,091 + (0,4364 − 1,091)·e−t/τ

Corrente no instante dado

i(5) = 1,091 + (−0,6545)·e−5/6,818 = 0,7765 A

Resposta

i = 0,7765 A
13.Thévenin e Norton

Resposta: IL = 0,1188 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​ = 5 ΩR3​ = 10 ΩCURTOR2​2 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 = 5·2/(5+2) = 1,429 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,429 + 10 = 11,43 Ω
R1​ = 5 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​6 VR2​2 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) = 6·2/(5+2) = 1,714 V
Rth​ = 11,43 Ω+−Vth​1,714 VRL​3 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) = 1,714/(11,43 + 3) = 0,1188 A
14.Thévenin e Norton

Resposta: PL = 18,21 W

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​ = 8 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 = 15·4/(15+4) = 3,158 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3,158 + 8 = 11,16 Ω
R1​ = 15 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​36 VR2​4 ΩAIs​2 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) = 7,579 + 2·3,158 = 13,89 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 13,89 + 2·8 = 29,89 V
Rth​ = 11,16 Ω+−Vth​29,89 VRL​6 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) = 29,89/(11,16 + 6) = 1,742 A
PL = IL²·RL = 1,742²·6 = 18,21 W
15.Diagramas de Bode e margens

Resposta: |G(jω)| = 13,91 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(j0,5)| = 175/(√(0,5² + 5²)·√(0,5² + 7²)) = 175/(5,025·7,018) = 4,963

Resultado

20·log₁₀(4,963) = 13,91 dB

Resposta

|G(jω)| = 13,91 dB
16.Diagramas de Bode e margens

Resposta: GM = 4,003 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/3)·(ω/10) = 1 → ω180 = √(3·10) = 5,477 rad/s

Módulo no cruzamento de fase

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 9)·√(ω² + 100)) = K/(3·10·(3 + 10)) = K/390

Margem de ganho

GM = 20·log₁₀(390/246) = 4,003 dB

Resposta

GM = 4,003 dB

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