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
ReIm22−2−244−4−4θz

Encontre o argumento θ de z = −5 − j4 em graus, como valor principal entre −180° e 180°.

z = −5 − j4
θ = °
2.Números complexosDifícil
ReIm22−2−244−4−4z₁z₂

Resolva z² − 5z + 31,25 = 0. As raízes são a ± jb; encontre a parte real a.

p = −5q = 31,25
a =
3.Impedância CA e fasoresMédia
230 V500 HzR = 40 ΩL = 20 mHC = 2,2 µFI

Um circuito RLC série está ligado a uma fonte de 230 V (rms), 500 Hz. Encontre a potência ativa P absorvida da fonte.

V = 230 V (rms)f = 500 HzR = 40 ΩL = 20 mHC = 2,2 µF
P = W
4.Impedância CA e fasoresDifícil
VfR = 100 ΩL = 100 mHC = 0,22 µF

Um circuito RLC série tem R = 100 Ω, L = 100 mH e C = 0,22 µF. Encontre seu fator de qualidade Q na ressonância.

R = 100 ΩL = 100 mHC = 0,22 µF
Q =
5.Potência CA e fator de potênciaMédia
230 V117 kW, 0,75228 kW, 1I = ?

Duas cargas estão ligadas em paralelo a uma fonte monofásica de 230 V: uma carga de 17 kW com fator de potência 0,75 indutivo e um aquecedor de 28 kW (fator de potência unitário). Encontre a corrente total I absorvida da fonte.

V = 230 VP1 = 17 kW, pf1 = 0,75 indutivoP2 = 28 kW, pf2 = 1
I = A
6.Potência CA e fator de potênciaDifícil
50 V50 HzRs​ = 10 ΩXs​ = j20 ΩZL​ = ?

Uma fonte de 50 V (eficaz), 50 Hz tem impedância interna Zs = 10 + j20 Ω. A impedância de carga ZL pode ser escolhida livremente. Encontre a potência ativa máxima Pmax que pode ser entregue à carga.

Vs = 50 V (rms)f = 50 HzZs = 10 + j20 Ω
Pmax = W
7.Ressonância LC, fator Q e largura de bandaMédia
V5 Ω47 µH10 nF

Um circuito RLC série tem R = 5 Ω, L = 47 µH e C = 10 nF. Encontre seu fator de qualidade Q.

R = 5 ΩL = 47 µHC = 10 nF
Q =
8.Ressonância LC, fator Q e largura de bandaDifícil
V1 Ω220 µH100 nF50 mA

Um circuito RLC série (R = 1 Ω, L = 220 µH, C = 100 nF) é excitado na ressonância com uma amplitude de corrente de 50 mA. Encontre a energia Ecycle dissipada em R durante um ciclo, em nJ.

R = 1 ΩL = 220 µHC = 100 nFIm = 50 mA
Ecycle = nJ
9.Potência trifásicaMédia
ABCVL​ = 415 VIL​ = ?M37 kW, η = 91%cos φ = 0,85

Um motor de indução trifásico fornece 37 kW de potência mecânica de saída a plena carga. Nessa carga seu rendimento é 91% e seu fator de potência é 0,85 indutivo. A alimentação tem tensão de linha de 415 V. Encontre a corrente de linha IL.

Pout = 37 kWη = 91%cos φ = 0,85VL = 415 V
IL = A
10.Potência trifásicaDifícil
P = 200 kWφ1​S1​Q2​QC​

Uma carga trifásica equilibrada consome 200 kW com fator de potência 0,72 indutivo de uma alimentação de 690 V (tensão de linha), 60 Hz. Um banco de capacitores trifásico em paralelo com a carga deve elevar o fator de potência total para 0,9 indutivo. A potência ativa permanece a mesma. Os capacitores estão ligados em Δ. Encontre a capacitância Cph de cada capacitor em µF.

P = 200 kWpf1 = 0,72pf2 = 0,9VL = 690 Vf = 60 Hz
Cph = µF
11.Transitórios RC e RLMédia
R = 50 Ωt = 0L47 mHi(t)

O indutor conduz uma corrente constante de 1 A. Em t = 0 a chave fecha a malha por R e a fonte é retirada, então a corrente do indutor decai por R. Quanto tempo leva para a corrente cair até 0,5 A? Encontre t.

i(0) = 1 AR = 50 ΩL = 47 mH
t = ms
12.Transitórios RC e RLDifícil
+−Vs​10 Vt = 0R = 4,7 kΩC68 µF+−vC​vC​(0) = 20 V

Logo antes de a chave fechar em t = 0, o capacitor tem 20 V com a polaridade indicada. Encontre a tensão no capacitor vC em t = 200 ms.

Vs = 10 VR = 4,7 kΩC = 68 µFvC(0) = 20 Vt = 200 ms
vC = V
13.Thévenin e NortonMédia
R1​ = 15 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​12 VR2​20 ΩAab

Encontre a resistência de Thévenin Rth vista dos terminais a–b.

V1 = 12 VR1 = 15 ΩR2 = 20 ΩR3 = 20 Ω
Rth = Ω
14.Thévenin e NortonDifícil
R1​ = 20 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​30 VR2​3 ΩAIs​4 ABab

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

V1 = 30 VIs = 4 AR1 = 20 ΩR2 = 3 ΩR3 = 20 Ω
Vth = V
15.Diagramas de Bode e margensMédia
|H| (dB)0,11101001000−80−60−40−20020ω (rad/s)ω = 20

Encontre o módulo exato |G(jω)| de G(s) = 675/((s + 5)(s + 15)) em ω = 20 rad/s, em dB.

G(s) = 675/((s + 5)(s + 15))ω = 20 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) = 64/(s(s + 5)(s + 9)). Encontre a frequência de cruzamento de fase ω180, onde ∠L(jω) = −180°.

L(s) = 64/(s(s + 5)(s + 9))
ω180 = rad/s

3Soluções

1.Números complexos

Resposta: θ = −141,3 °

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 = −5, b = −4 → III

Ângulo de referência

α = atan(4/5) = 38,66°

Argumento

θ = −(180° − α) = −141,3°

Resposta

θ = −141,3°

Na forma polar, z = 6,403∠−141,3°.

2.Números complexos

Resposta: a = 2,5

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 = 25 − 125 = −100 < 0

Fórmula quadrática

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

Resposta

a = 2,5

Resposta

a = 2,5
3.Impedância CA e fasores

Resposta: P = 254,9 W

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

XL = 62,83 Ω, XC = 144,7 Ω

Impedância

|Z| = √(40² + (−81,85)²) = 91,11 Ω

Potência ativa

Indutores e capacitores só armazenam e devolvem energia; o resistor absorve toda a potência ativa.

I = 230/91,11 = 2,525 A
P = I²·R = 2,525²·40 = 254,9 W

Resposta

P = 254,9 W
4.Impedância CA e fasores

Resposta: Q = 6,742

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|.

Frequência de ressonância

f0 = 1/(2π·√(0,1·0,22·10⁻⁶)) = 1073 Hz

Fator de qualidade

Q compara a reatância na ressonância com a resistência: Q = ω₀L/R.

Q = (1/R)·√(L/C) = (1/100)·√(0,1/(0,22·10⁻⁶)) = 6,742

Resposta

Q = 6,742
5.Potência CA e fator de potência

Resposta: I = 206,2 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 = 17·tan(arccos 0,75) = 14,99 kvar
Q2 = 0 = 0 kvar

Totais

P = 17 + 28 = 45 kW
Q = 14,99 + 0 = 14,99 kvar
S = √(45² + 14,99²) = 47,43 kVA

Corrente total

I = S/V = 47432/230 = 206,2 A

Resposta

I = 206,2 A
6.Potência CA e fator de potência

Resposta: Pmax = 62,5 W

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* = 10 − j20 Ω

Potência máxima

I = Vs/(2Rs) = 50/20 = 2,5 A
Pmax = I²·RL = Vs²/(4Rs) = 50²/(4·10) = 62,5 W

Resposta

Pmax = 62,5 W
7.Ressonância LC, fator Q e largura de banda

Resposta: Q = 13,71

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).

Impedância característica

√(L/C) = √(4,7 × 10⁻⁵/1 × 10⁻⁸) = 68,56 Ω

Fator de qualidade

Q = 68,56/5 = 13,71

Resposta

Q = 13,71

A frequência de ressonância é 232,2 kHz, então BW = f₀/Q = 16,93 kHz.

8.Ressonância LC, fator Q e largura de banda

Resposta: Ecycle = 36,84 nJ

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 = ½·0,00022·0,05² = 2,75 × 10⁻⁷ J

Fator de qualidade

Q = (1/1)·√(0,00022/1 × 10⁻⁷) = 46,9

Energia perdida por ciclo

Ecycle = 2π·W/Q = 2π·2,75 × 10⁻⁷/46,9 = 3,684 × 10⁻⁸ J = 36,84 nJ
verificação: ½·0,05²·1/33932 = 3,684 × 10⁻⁸ J

Resposta

Ecycle = 36,84 nJ
9.Potência trifásica

Resposta: IL = 66,55 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 = 37/0,91 = 40,66 kW

Corrente de linha

IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 40659/(√3·415·0,85) = 66,55 A

Resposta

IL = 66,55 A
10.Potência trifásica

Resposta: Cph = 178,1 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 = 200·tan(acos 0,72) = 200·0,9639 = 192,8 kvar
Q2 = 200·tan(acos 0,9) = 200·0,4843 = 96,86 kvar

Potência reativa dos capacitores

QC = Q1 − Q2 = 95,91 kvar

Capacitância por fase

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

V = 690 V, ω = 2π·60 = 377 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 31969/(377·690²) = 178,1 µF

Resposta

Cph = 178,1 µF
11.Transitórios RC e RL

Resposta: t = 0,6516 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.

Constante de tempo

τ = L/R = 47 mH / 50 Ω = 0,94 ms

Resolva para o tempo

0,5 = 1·e−t/τ → t = τ·ln(1/0,5)
t = 0,94·ln(2) = 0,6516 ms

Resposta

t = 0,6516 ms
12.Transitórios RC e RL

Resposta: vC = 15,35 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.

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.

vC(0) = 20 V, vC(∞) = Vs = 10 V
τ = R·C = 4,7 kΩ · 68 µF = 319,6 ms
vC(t) = 10 + (20 − 10)·e−t/τ

Tensão no instante dado

vC(200) = 10 + (10)·e−200/319,6 = 15,35 V

Resposta

vC = 15,35 V
13.Thévenin e Norton

Resposta: Rth = 28,57 Ω

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​ = 20 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 = 15·20/(15+20) = 8,571 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 8,571 + 20 = 28,57 Ω
14.Thévenin e Norton

Resposta: Vth = 94,35 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​ = 20 ΩR3​ = 20 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 = 20·3/(20+3) = 2,609 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,609 + 20 = 22,61 Ω
R1​ = 20 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​30 VR2​3 ΩAIs​4 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) = 3,913 + 4·2,609 = 14,35 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 14,35 + 4·20 = 94,35 V
15.Diagramas de Bode e margens

Resposta: |G(jω)| = 2,343 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(j20)| = 675/(√(20² + 5²)·√(20² + 15²)) = 675/(20,62·25) = 1,31

Resultado

20·log₁₀(1,31) = 2,343 dB

Resposta

|G(jω)| = 2,343 dB
16.Diagramas de Bode e margens

Resposta: ω180 = 6,708 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/9) = 1 → ω180 = √(5·9) = 6,708 rad/s

Resposta

ω180 = 6,708 rad/s

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