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
ReIm11−1−122−2−233−3−3z₁z₂w

Dados z₁ = 2∠100° e z₂ = 3∠80°, encontre a parte real de w = z₁/z₂.

z₁ = 2∠100°z₂ = 3∠80°
Re(w) =
2.Números complexosDifícil
ReIm11−1−122−2−2z₁z₂

Uma raiz de z³ − 8z + 32 = 0 é z₁ = 2 + j2. Os coeficientes são reais. Encontre a raiz real r.

z₁ = 2 + j2
r =
3.Impedância CA e fasoresMédia
230 V1000 HzR = 20 ΩL = 50 mHC = 1 µF

Um circuito RLC série está ligado a uma fonte de 230 V (rms), 1000 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 = 1000 HzR = 20 ΩL = 50 mHC = 1 µF
φ = °
4.Impedância CA e fasoresDifícil
12 V500 HzR = 25 ΩL = 100 mHC = 10 µF+−VC​

Um circuito RLC série está ligado a uma fonte de 12 V (rms), 500 Hz. Encontre a tensão rms VC no capacitor.

V = 12 V (rms)f = 500 HzR = 25 ΩL = 100 mHC = 10 µF
VC = V
5.Potência CA e fator de potênciaMédia
P = 40 kWQ = ?Sφ

Um motor monofásico consome 40 kW com fator de potência 0,85 indutivo de uma fonte de 230 V. Encontre a potência reativa Q que ele consome.

P = 40 kWpf = 0,85V = 230 V
Q = kvar
6.Potência CA e fator de potênciaDifícil
100 V60 HzRs​ = 10 ΩXs​ = j3 ΩZL​ = ?

Uma fonte de 100 V (eficaz), 60 Hz tem impedância interna Zs = 10 + j3 Ω. A impedância de carga ZL pode ser escolhida livremente. Encontre a potência ativa máxima Pmax que pode ser entregue à carga.

Vs = 100 V (rms)f = 60 HzZs = 10 + j3 Ω
Pmax = W
7.Ressonância LC, fator Q e largura de bandaMédia
f|I|0,707150 kHzf1​ = ?f2​BW

Um circuito RLC série ressoa em 50 kHz com Q = 2. Encontre exatamente a frequência de meia potência inferior f1, em kHz.

f0 = 50 kHzQ = 2
f1 = kHz
8.Ressonância LC, fator Q e largura de bandaDifícil
V5 Ω1 mH470 pF500 mA

Um circuito RLC série (R = 5 Ω, L = 1 mH, C = 470 pF) 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 = 5 ΩL = 1 mHC = 470 pFIm = 500 mA
Ecycle = µJ
9.Potência trifásicaMédia
ABCVL​ = 690 VIL​ = 50 Acos φ = 0,8indutivo

Uma carga trifásica equilibrada consome uma corrente de linha de 50 A de uma alimentação com tensão de linha de 690 V. O fator de potência é 0,8 indutivo. Encontre a potência ativa total P consumida pela carga em kW.

VL = 690 VIL = 50 Acos φ = 0,8
P = kW
10.Potência trifásicaDifícil
P = 250 kWφ1​S1​Q2​QC​

Uma carga trifásica equilibrada consome 250 kW com fator de potência 0,7 indutivo de uma alimentação de 480 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 Y. Encontre a capacitância Cph de cada capacitor em µF.

P = 250 kWpf1 = 0,7pf2 = 0,9VL = 480 Vf = 60 Hz
Cph = µF
11.Transitórios RC e RLMédia
+−Vs​6 Vt = 0R = 50 ΩL33 mHi(t)

O indutor não conduz corrente antes de a chave fechar em t = 0. Encontre a corrente i em t = 1 ms.

Vs = 6 VR = 50 ΩL = 33 mHt = 1 ms
i = A
12.Transitórios RC e RLDifícil
+−Vs​12 VR1​ = 33 ΩR2​ = 22 Ωabre em t = 0L150 mHi(t)

A chave em paralelo com R2 está fechada há muito tempo, então a corrente do indutor é constante. Em t = 0 a chave abre. Quanto tempo após t = 0 a corrente do indutor atinge 0,276 A? Encontre t.

Vs = 12 VR1 = 33 ΩR2 = 22 ΩL = 150 mH
t = ms
13.Thévenin e NortonMédia
R1​ = 15 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​15 VR2​10 ΩARL​20 ΩIL​B

Uma carga RL = 20 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 = 15 ΩR2 = 10 ΩR3 = 8 ΩRL = 20 Ω
IL = A
14.Thévenin e NortonDifícil
R1​ = 3 ΩR3​ = 25 Ω+−V1​24 VR2​4 ΩAIs​1 ABRL​25 ΩIL​

Uma carga RL = 25 Ω é ligada entre a–b. Use um equivalente de Thévenin para encontrar a potência PL entregue à carga.

V1 = 24 VIs = 1 AR1 = 3 ΩR2 = 4 ΩR3 = 25 ΩRL = 25 Ω
PL = W
15.Diagramas de Bode e margensMédia
vin​L = 10 mHC = 0,47 µFR = 20 Ωvout​

No filtro passa-faixa RLC série mostrado, a saída é tomada sobre R = 20 Ω, com L = 10 mH e C = 0,47 µF. Encontre o fator de qualidade Q.

R = 20 ΩL = 10 mHC = 0,47 µF
Q =
16.Diagramas de Bode e margensDifícil
|H| (dB)0,10,1111010100100−40−200204060ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−180−135−90−450ωc​

Uma malha com realimentação unitária tem a função de transferência de malha aberta L(s) = 110/(s(s + 5)). Encontre a margem de fase PM em graus.

L(s) = 110/(s(s + 5))
PM = °

3Soluções

1.Números complexos

Resposta: Re(w) = 0,6265

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| = 2 / 3 = 0,6667
θ = 100° − 80° = 20°

Forma retangular

Re(w) = 0,6667·cos(20°) = 0,6265
Im(w) = 0,6667·sin(20°) = 0,228
Re(w) = 0,6265

Resposta

Re(w) = 0,6265
2.Números complexos

Resposta: r = −4

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.

Par conjugado

z₂ = 2 − j2
(z − z₁)(z − z₂) = z² − 2·2·z + (2² + 2²) = z² − 4z + 8

Fatore o trinômio quadrático

z³ − 8z + 32 = (z² − 4z + 8)(z + 4)

Raiz real

r = −4

Resposta

r = −4

Confira com a soma das raízes: z₁ + z₂ + r = 4 + (−4) = 0 = −(0).

3.Impedância CA e fasores

Resposta: φ = 82,65 °

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·1000 = 6283 rad/s
XL = ωL = 6283·0,05 = 314,2 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(6283·1·10⁻⁶) = 159,2 Ω

Impedância

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

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(20² + (155)²) = 156,3 Ω

Ângulo de fase

φ = arctan((XL − XC)/R) = arctan(155/20) = 82,65°

Resposta

φ = 82,65°
4.Impedância CA e fasores

Resposta: VC = 1,348 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|.

Reatâncias

ω = 2πf = 2π·500 = 3142 rad/s
XL = ωL = 3142·0,1 = 314,2 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(3142·10·10⁻⁶) = 31,83 Ω

Impedância

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

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(25² + (282,3)²) = 283,4 Ω

Corrente

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

I = V/|Z| = 12/283,4 = 0,04234 A

Tensão no capacitor

VC = I·XC = 0,04234·31,83 = 1,348 V

Resposta

VC = 1,348 V
5.Potência CA e fator de potência

Resposta: Q = 24,79 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.

Ângulo

φ = arccos(0,85) = 31,79°, tan φ = 0,6197

Potência reativa

Q = P·tan φ = 40·0,6197 = 24,79 kvar

Resposta

Q = 24,79 kvar
6.Potência CA e fator de potência

Resposta: Pmax = 250 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 − j3 Ω

Potência máxima

I = Vs/(2Rs) = 100/20 = 5 A
Pmax = I²·RL = Vs²/(4Rs) = 100²/(4·10) = 250 W

Resposta

Pmax = 250 W
7.Ressonância LC, fator Q e largura de banda

Resposta: f1 = 39,04 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/(4·2²)) = 1,031

Frequência de meia potência inferior

f1 = 50000·(1,031 − 0,25) = 39039 Hz = 39,04 kHz

Resposta

f1 = 39,04 kHz

A superior é f₂ = 64,04 kHz; verificação: f₂ − f₁ = 25 kHz = f₀/Q.

8.Ressonância LC, fator Q e largura de banda

Resposta: Ecycle = 2,692 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 = ½·0,001·0,5² = 0,000125 J

Fator de qualidade

Q = (1/5)·√(0,001/4,7 × 10⁻¹⁰) = 291,7

Energia perdida por ciclo

Ecycle = 2π·W/Q = 2π·0,000125/291,7 = 2,692 × 10⁻⁶ J = 2,692 µJ
verificação: ½·0,5²·5/232151 = 2,692 × 10⁻⁶ J

Resposta

Ecycle = 2,692 µJ
9.Potência trifásica

Resposta: P = 47,8 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 = √3·690·50 = 59,76 kVA

Potência ativa

P = S·cos φ = 59,76·0,8 = 47,8 kW

Resposta

P = 47,8 kW
10.Potência trifásica

Resposta: Cph = 1542 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 0,7) = 250·1,02 = 255,1 kvar
Q2 = 250·tan(acos 0,9) = 250·0,4843 = 121,1 kvar

Potência reativa dos capacitores

QC = Q1 − Q2 = 134 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·60 = 377 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 44657/(377·277,1²) = 1542 µF

Resposta

Cph = 1542 µF
11.Transitórios RC e RL

Resposta: i = 0,09363 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 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 = 33 mH / 50 Ω = 0,66 ms
i(∞) = Vs/R = 6/50 = 0,12 A

Corrente no instante dado

i(t) = i(∞)·(1 − e−t/τ) = 0,12·(1 − e−1/0,66) = 0,09363 A

Resposta

i = 0,09363 A
12.Transitórios RC e RL

Resposta: t = 2,516 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

Antes de t = 0 a chave fechada desvia R₂; depois R₁ e R₂ estão os dois na malha.

i(0) = 12/33 = 0,3636 A
i(∞) = 12/(33 + 22) = 0,2182 A
τ = L/R = 150/55 = 2,727 ms
i(t) = 0,2182 + (0,3636 − 0,2182)·e−t/τ

Resolva para o tempo

e−t/τ = (0,276 − 0,2182)/(0,3636 − 0,2182) = 0,3975
t = 2,727·ln(2,516) = 2,516 ms

Resposta

t = 2,516 ms
13.Thévenin e Norton

Resposta: IL = 0,1765 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​ = 8 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 = 15·10/(15+10) = 6 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 6 + 8 = 14 Ω
R1​ = 15 ΩR3​ = 8 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/(15+10) = 6 V
Rth​ = 14 Ω+−Vth​6 VRL​20 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) = 6/(14 + 20) = 0,1765 A
14.Thévenin e Norton

Resposta: PL = 1,58 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​ = 3 ΩR3​ = 25 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 = 3·4/(3+4) = 1,714 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,714 + 25 = 26,71 Ω
R1​ = 3 ΩR3​ = 25 Ω+−V1​24 VR2​4 ΩAIs​1 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) = 13,71 + (−1)·1,714 = 12 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 12 + (−1)·25 = −13 V
Rth​ = 26,71 Ω−+Vth​13 VRL​25 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) = −13/(26,71 + 25) = −0,2514 A
PL = IL²·RL = −0,2514²·25 = 1,58 W
15.Diagramas de Bode e margens

Resposta: Q = 7,293

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/√(0,01·4,7 × 10⁻⁷) = 14586 rad/s
f₀ = ω₀/(2π) = 2322 Hz

Fator de qualidade

BW = R/L = 20/0,01 = 2000 rad/s = 318,3 Hz
Q = ω₀/BW = 14586/2000 = 7,293

Resposta

Q = 7,293
16.Diagramas de Bode e margens

Resposta: PM = 26,77 °

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 ganho

ω⁴ + 25ω² − 12100 = 0
ω² = (−25 + √(625 + 4·12100))/2 = 98,21
ωc = 9,91 rad/s

Margem de fase

∠L(jωc) = −90° − atan(9,91/5) = −153,2°
PM = 180° + ∠L = 26,77°

Resposta

PM = 26,77°

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