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

Encontre o argumento θ de z = −1 − j8 em graus, como valor principal entre −180° e 180°.

z = −1 − j8
θ = °
2.Números complexosDifícil
ReIm11−1−122−2−2z₁z₂

Resolva z² + 5z + 8,5 = 0. As raízes são a ± jb; encontre a parte real a.

p = 5q = 8,5
a =
3.Impedância CA e fasoresMédia
100 V500 HzR = 30 ΩL = 100 mHC = 4,7 µF

Um circuito RLC série está ligado a uma fonte de 100 V (rms), 500 Hz. Encontre o ângulo de fase φ da impedância, em graus (positivo quando a corrente está atrasada em relação à tensão).

V = 100 V (rms)f = 500 HzR = 30 ΩL = 100 mHC = 4,7 µF
φ = °
4.Impedância CA e fasoresDifícil
12 V60 HzR = 30 ΩL = 150 mHC = 100 µF

Um circuito RLC série está ligado a uma fonte de 12 V (rms), 60 Hz. Encontre a frequência de ressonância f0 do circuito.

V = 12 V (rms)f = 60 HzR = 30 ΩL = 150 mHC = 100 µF
f0 = Hz
5.Potência CA e fator de potênciaMédia
230 V128 kW, 0,6227 kW, 0,85I = ?

Duas cargas estão ligadas em paralelo a uma fonte monofásica de 230 V: uma carga de 28 kW com fator de potência 0,6 indutivo e uma carga de 27 kW com fator de potência 0,85 indutivo. Encontre a corrente total I absorvida da fonte.

V = 230 VP1 = 28 kW, pf1 = 0,6 indutivoP2 = 27 kW, pf2 = 0,85 indutivo
I = A
6.Potência CA e fator de potênciaDifícil
120 V1000 HzRs​ = 4 ΩXs​ = j10 ΩZL​ = ?

Uma fonte de 120 V (eficaz), 1000 Hz tem impedância interna Zs = 4 + j10 Ω. A impedância de carga ZL pode ser escolhida livremente. Encontre a potência ativa máxima Pmax que pode ser entregue à carga.

Vs = 120 V (rms)f = 1000 HzZs = 4 + j10 Ω
Pmax = W
7.Ressonância LC, fator Q e largura de bandaMédia
f|I|0,70715 kHzf1​ = ?f2​BW

Um circuito RLC série ressoa em 5 kHz com Q = 4. Encontre exatamente a frequência de meia potência inferior f1, em kHz.

f0 = 5 kHzQ = 4
f1 = kHz
8.Ressonância LC, fator Q e largura de bandaDifícil
V10 ΩLC = ?

Projete um filtro RLC série com resistência total de 10 Ω, frequência de ressonância de 50 kHz e largura de banda de 1 kHz. Encontre a capacitância C em nF.

R = 10 Ωf0 = 50 kHzBW = 1 kHz
C = nF
9.Potência trifásicaMédia
ABCVL​ = 690 VIL​ = 25 Acos φ = 0,85indutivo

Uma carga trifásica equilibrada consome uma corrente de linha de 25 A de uma alimentação com tensão de linha de 690 V. O fator de potência é 0,85 indutivo. Encontre a potência ativa total P consumida pela carga em kW.

VL = 690 VIL = 25 Acos φ = 0,85
P = kW
10.Potência trifásicaDifícil
P = 50 kWφ1​S1​Q2​QC​ = ?

Uma carga trifásica equilibrada consome 50 kW com fator de potência 0,75 indutivo de uma alimentação de 400 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. Encontre a potência reativa total QC que o banco de capacitores deve fornecer, em kvar.

P = 50 kWpf1 = 0,75pf2 = 0,9VL = 400 Vf = 60 Hz
QC = kvar
11.Transitórios RC e RLMédia
+−Vs​20 Vt = 0R = 5 ΩL10 mHi(t)

O indutor não conduz corrente antes de a chave fechar em t = 0. Encontre a energia W(∞) armazenada no indutor depois que o circuito se estabiliza, em mJ.

Vs = 20 VR = 5 ΩL = 10 mH
W(∞) = mJ
12.Transitórios RC e RLDifícil
+−Vs​10 Vt = 0R = 3,3 kΩC33 µF+−vC​vC​(0) = 24 V

Logo antes de a chave fechar em t = 0, o capacitor tem 24 V com a polaridade indicada. Quanto tempo leva para vC chegar a 18,4 V? Encontre t.

Vs = 10 VR = 3,3 kΩC = 33 µFvC(0) = 24 V
t = ms
13.Thévenin e NortonMédia
R1​ = 15 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​6 VR2​15 ΩAab

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

V1 = 6 VR1 = 15 ΩR2 = 15 ΩR3 = 4 Ω
IN = A
14.Thévenin e NortonDifícil
R1​ = 8 ΩR3​ = 30 Ω+−V1​24 VR2​25 ΩAIs​5 ABab

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

V1 = 24 VIs = 5 AR1 = 8 ΩR2 = 25 ΩR3 = 30 Ω
IN = A
15.Diagramas de Bode e margensMédia
vin​L = 50 mHC = 4,7 µFR = 5 Ωvout​

No filtro passa-faixa RLC série mostrado, a saída é tomada sobre R = 5 Ω, com L = 50 mH e C = 4,7 µF. Encontre a frequência central (de ressonância) f0 em Hz.

R = 5 ΩL = 50 mHC = 4,7 µF
f0 = Hz
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) = 158/(s(s + 2)(s + 9)). Encontre a frequência de cruzamento de fase ω180, onde ∠L(jω) = −180°.

L(s) = 158/(s(s + 2)(s + 9))
ω180 = rad/s

3Soluções

1.Números complexos

Resposta: θ = −97,13 °

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 = −8 → III

Ângulo de referência

α = atan(8/1) = 82,87°

Argumento

θ = −(180° − α) = −97,13°

Resposta

θ = −97,13°

Na forma polar, z = 8,062∠−97,13°.

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 − 34 = −9 < 0

Fórmula quadrática

z = (−5 ± j√9)/2 = −2,5 + j1,5, −2,5 − j1,5

Resposta

a = −2,5

Resposta

a = −2,5
3.Impedância CA e fasores

Resposta: φ = 83,06 °

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·500 = 3142 rad/s
XL = ωL = 3142·0,1 = 314,2 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(3142·4,7·10⁻⁶) = 67,73 Ω

Impedância

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

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(30² + (246,4)²) = 248,3 Ω

Ângulo de fase

φ = arctan((XL − XC)/R) = arctan(246,4/30) = 83,06°

Resposta

φ = 83,06°
4.Impedância CA e fasores

Resposta: f0 = 41,09 Hz

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 indutiva e capacitiva se anulam: ωL = 1/(ωC). A frequência da fonte não importa.

f0 = 1/(2π√(LC)) = 1/(2π·√(0,15·100·10⁻⁶)) = 41,09 Hz

Resposta

f0 = 41,09 Hz
5.Potência CA e fator de potência

Resposta: I = 335,3 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 = 28·tan(arccos 0,6) = 37,33 kvar
Q2 = 27·tan(arccos 0,85) = 16,73 kvar

Totais

P = 28 + 27 = 55 kW
Q = 37,33 + 16,73 = 54,07 kvar
S = √(55² + 54,07²) = 77,12 kVA

Corrente total

I = S/V = 77124/230 = 335,3 A

Resposta

I = 335,3 A
6.Potência CA e fator de potência

Resposta: Pmax = 900 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* = 4 − j10 Ω

Potência máxima

I = Vs/(2Rs) = 120/8 = 15 A
Pmax = I²·RL = Vs²/(4Rs) = 120²/(4·4) = 900 W

Resposta

Pmax = 900 W
7.Ressonância LC, fator Q e largura de banda

Resposta: f1 = 4,414 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/(4·4²)) = 1,008

Frequência de meia potência inferior

f1 = 5000·(1,008 − 0,125) = 4414 Hz = 4,414 kHz

Resposta

f1 = 4,414 kHz

A superior é f₂ = 5,664 kHz; verificação: f₂ − f₁ = 1,25 kHz = f₀/Q.

8.Ressonância LC, fator Q e largura de banda

Resposta: C = 6,366 nF

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).

Indutância a partir da largura de banda

L = R/(2π·BW) = 10/(2π·1000) = 0,001592 H

Capacitância a partir da frequência de ressonância

C = 1/((2π·50000)²·0,001592) = 6,366 × 10⁻⁹ F = 6,366 nF

Resposta

C = 6,366 nF

Q = f₀/BW = 50.

9.Potência trifásica

Resposta: P = 25,4 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 = √3·690·25 = 29,88 kVA

Potência ativa

P = S·cos φ = 29,88·0,85 = 25,4 kW

Resposta

P = 25,4 kW
10.Potência trifásica

Resposta: QC = 19,88 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 = 50·tan(acos 0,75) = 50·0,8819 = 44,1 kvar
Q2 = 50·tan(acos 0,9) = 50·0,4843 = 24,22 kvar

Potência reativa dos capacitores

QC = Q1 − Q2 = 19,88 kvar

Resposta

QC = 19,88 kvar
11.Transitórios RC e RL

Resposta: W(∞) = 80 mJ

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 = 10 mH / 5 Ω = 2 ms
i(∞) = Vs/R = 20/5 = 4 A

Energia armazenada

W(∞) = ½·L·i(∞)² = ½·10·4² = 80 mJ

Resposta

W(∞) = 80 mJ
12.Transitórios RC e RL

Resposta: t = 55,63 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.

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) = 24 V, vC(∞) = Vs = 10 V
τ = R·C = 3,3 kΩ · 33 µF = 108,9 ms
vC(t) = 10 + (24 − 10)·e−t/τ

Resolva para o tempo

18,4 = 10 + (14)·e−t/τ → e−t/τ = (18,4 − 10)/(24 − 10) = 0,6
t = τ·ln((24 − 10)/(18,4 − 10)) = 108,9·ln(1,667) = 55,63 ms

Resposta

t = 55,63 ms
13.Thévenin e Norton

Resposta: IN = 0,2609 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​ = 4 ΩCURTOR2​15 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 = 15·15/(15+15) = 7,5 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 7,5 + 4 = 11,5 Ω
R1​ = 15 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​6 VR2​15 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) = 6·15/(15+15) = 3 V
IN​0,2609 ARth​11,5 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 = 3/11,5 = 0,2609 A
14.Thévenin e Norton

Resposta: IN = 5,504 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​ = 8 ΩR3​ = 30 ΩCURTOR2​25 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 = 8·25/(8+25) = 6,061 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 6,061 + 30 = 36,06 Ω
R1​ = 8 ΩR3​ = 30 Ω+−V1​24 VR2​25 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) = 18,18 + 5·6,061 = 48,48 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 48,48 + 5·30 = 198,5 V
IN​5,504 ARth​36,06 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 = 198,5/36,06 = 5,504 A
15.Diagramas de Bode e margens

Resposta: f0 = 328,3 Hz

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/√(0,05·4,7 × 10⁻⁶) = 2063 rad/s
f₀ = ω₀/(2π) = 328,3 Hz

Resposta

f0 = 328,3 Hz
16.Diagramas de Bode e margens

Resposta: ω180 = 4,243 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/9) = 1 → ω180 = √(2·9) = 4,243 rad/s

Resposta

ω180 = 4,243 rad/s

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