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
ReIm11−1−122−2−2z₁z₂w

Dados z₁ = 2,5∠70° e z₂ = 1,5∠65°, encontre o argumento θ de w = z₁/z₂ em graus, entre −180° e 180°.

z₁ = 2,5∠70°z₂ = 1,5∠65°
θ = °
2.Números complexosDifícil
ReIm11−1−122−2−233−3−3ABCD

Exatamente um dos pontos A–D é uma raiz de z⁴ = 81∠120°. Clique nele.

w = 81∠120°n = 4
  1. 1A (3∠165°)
  2. 2B (3∠−120°)
  3. 3C (1,5∠120°)
  4. 4D (3∠120°)
3.Impedância CA e fasoresMédia
Vf0​ = 1000 HzRL = ?C = 2,2 µF

Um circuito RLC série com C = 2,2 µF deve ressoar a 1000 Hz. Encontre a indutância L necessária.

f0 = 1000 HzC = 2,2 µF
L = mH
4.Impedância CA e fasoresDifícil
50 V1000 HzR = 60 ΩL = 20 mHC = 22 µF

Um circuito RLC série está ligado a uma fonte de 50 V (rms), 1000 Hz. Encontre a frequência de ressonância f0 do circuito.

V = 50 V (rms)f = 1000 HzR = 60 ΩL = 20 mHC = 22 µF
f0 = Hz
5.Potência CA e fator de potênciaMédia
230 VZ7 + j24 ΩI

Uma carga com impedância Z = 7 + j24 Ω está ligada a uma fonte monofásica de 230 V (eficaz). Encontre a potência reativa Q que ela absorve.

V = 230 VZ = 7 + j24 Ω
Q = var
6.Potência CA e fator de potênciaDifícil
P1​ = 77 kWQ1​S1​φ

Um transformador monofásico de 150 kVA alimenta uma carga de 77 kW com fator de potência 0,75 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 = 150 kVAP1 = 77 kWpf1 = 0,75
ΔP = kW
7.Ressonância LC, fator Q e largura de bandaMédia
f|I|0,7071500 kHzf1​ = ?f2​BW

Um circuito RLC série ressoa em 500 kHz com Q = 4. Encontre exatamente a frequência de meia potência inferior f1, em kHz.

f0 = 500 kHzQ = 4
f1 = kHz
8.Ressonância LC, fator Q e largura de bandaDifícil
C = 10 nFR = 1 ΩL = 22 µH

Um capacitor carregado de 10 nF se descarrega por uma bobina de 22 µH com resistência série total de 1 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 µHC = 10 nFR = 1 Ω
n =
9.Potência trifásicaMédia
ABCVL​ = 480 VIL​ = ?M37 kW, η = 91%cos φ = 0,84

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 0,84 indutivo. A alimentação tem tensão de linha de 480 V. Encontre a corrente de linha IL.

Pout = 37 kWη = 91%cos φ = 0,84VL = 480 V
IL = A
10.Potência trifásicaDifícil
P = 150 kWφ1​S1​Q2​QC​

Uma carga trifásica equilibrada consome 150 kW com fator de potência 0,72 indutivo de uma alimentação de 415 V (tensão de linha), 60 Hz. Um banco de capacitores trifásico em paralelo com a carga deve elevar o fator de potência total para 0,95 indutivo. A potência ativa permanece a mesma. Os capacitores estão ligados em Δ. Encontre a capacitância Cph de cada capacitor em µF.

P = 150 kWpf1 = 0,72pf2 = 0,95VL = 415 Vf = 60 Hz
Cph = µF
11.Transitórios RC e RLMédia
+−Vs​5 Vt = 0R = 22 ΩL22 mHi(t)

O indutor não conduz corrente antes de a chave fechar em t = 0. Encontre a energia W armazenada no indutor em t = 1 ms, em mJ.

Vs = 5 VR = 22 ΩL = 22 mHt = 1 ms
W = mJ
12.Transitórios RC e RLDifícil
+−Vs​5 Vt = 0R = ?C22 µF+−vC​

Um temporizador começa a carregar um capacitor descarregado através de um resistor a partir de uma fonte de 5 V em t = 0. Ele deve disparar quando a tensão do capacitor atingir 3,75 V, exatamente 500 ms após o início. Com C = 22 µF, encontre a resistência R necessária.

Vs = 5 VVth = 3,75 VT = 500 msC = 22 µF
R = kΩ
13.Thévenin e NortonMédia
R1​ = 2 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​10 VR2​4 ΩAab

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

V1 = 10 VR1 = 2 ΩR2 = 4 ΩR3 = 15 Ω
Vth = V
14.Thévenin e NortonDifícil
R1​ = 5 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​18 VR2​30 ΩAIs​1,5 ABab

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

V1 = 18 VIs = 1,5 AR1 = 5 ΩR2 = 30 ΩR3 = 10 Ω
IN = A
15.Diagramas de Bode e margensMédia
vin​R = 1 kΩC = 4,7 nFvout​

O Filtro passa-baixas RC mostrado tem R = 1 kΩ, C = 4,7 nF. Aplica-se uma entrada senoidal de 340 kHz. Encontre o ganho |H| = |vout/vin| em dB.

R = 1 kΩC = 4,7 nFf = 340 kHz
|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) = 430/(s(s + 9)(s + 10)). Encontre a margem de ganho GM em dB.

L(s) = 430/(s(s + 9)(s + 10))
GM = dB

3Soluções

1.Números complexos

Resposta: θ = 5 °

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| = 2,5 / 1,5 = 1,667
θ = 70° − 65° = 5°

Argumento

θ = 5°

Resposta

θ = 5°
2.Números complexos

Resposta: D (3∠120°)

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.

Módulo e argumentos das raízes

|z| = 3
θ = 30°, 120°, −150°, −60°

O ponto

D = 3∠120°

Resposta

D (3∠120°)
3.Impedância CA e fasores

Resposta: L = 11,51 mH

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
L = 1/(ω₀²·C) = 1/(6283²·2,2·10⁻⁶) = 11,51 mH

Resposta

L = 11,51 mH
4.Impedância CA e fasores

Resposta: f0 = 239,9 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·√(0,02·22·10⁻⁶)) = 239,9 Hz

Resposta

f0 = 239,9 Hz
5.Potência CA e fator de potência

Resposta: Q = 2031 var

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

|Z| = √(7² + 24²) = 25 Ω
I = V/|Z| = 230/25 = 9,2 A

Potência reativa

Q = I²·X = 9,2²·24 = 2031 var

Resposta

Q = 2031 var
6.Potência CA e fator de potência

Resposta: ΔP = 56,75 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 = 77·tan(arccos 0,75) = 67,91 kvar

Maior potência ativa total

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

P = √(Smax² − Q1²) = √(150² − 67,91²) = 133,7 kW

Potência ativa adicional

ΔP = 133,7 − 77 = 56,75 kW

Resposta

ΔP = 56,75 kW
7.Ressonância LC, fator Q e largura de banda

Resposta: f1 = 441,4 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 = 500000·(1,008 − 0,125) = 441391 Hz = 441,4 kHz

Resposta

f1 = 441,4 kHz

A superior é f₂ = 566,4 kHz; verificação: f₂ − f₁ = 125 kHz = f₀/Q.

8.Ressonância LC, fator Q e largura de banda

Resposta: n = 10,35

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 = 2·2,2 × 10⁻⁵·ln 2/1 = 3,05 × 10⁻⁵ s

Número de ciclos

n = t·f0 = 3,05 × 10⁻⁵·339319 = 10,35

Resposta

n = 10,35

Atalho: n = Q·ln 2/π com Q = 46,9.

9.Potência trifásica

Resposta: IL = 58,22 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/(√3·480·0,84) = 58,22 A

Resposta

IL = 58,22 A
10.Potência trifásica

Resposta: Cph = 489,1 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 = 150·tan(acos 0,72) = 150·0,9639 = 144,6 kvar
Q2 = 150·tan(acos 0,95) = 150·0,3287 = 49,3 kvar

Potência reativa dos capacitores

QC = Q1 − Q2 = 95,28 kvar

Capacitância por fase

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

V = 415 V, ω = 2π·60 = 377 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 31758/(377·415²) = 489,1 µF

Resposta

Cph = 489,1 µF
11.Transitórios RC e RL

Resposta: W = 0,227 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 = 22 mH / 22 Ω = 1 ms
i(∞) = Vs/R = 5/22 = 0,2273 A

Corrente no instante dado

i(t) = 0,2273·(1 − e−1/1) = 0,1437 A

Energia armazenada

W = ½·L·i² = ½·22·0,1437² = 0,227 mJ

Resposta

W = 0,227 mJ
12.Transitórios RC e RL

Resposta: R = 16,39 kΩ

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 necessária

3,75 = 5·(1 − e−500/τ) → τ = 500/ln(5/(5 − 3,75))
τ = 500/1,386 = 360,7 ms

Resistência

kΩ vezes µF dá milissegundos.

R = τ/C = 360,7/22 = 16,39 kΩ

Resposta

R = 16,39 kΩ
13.Thévenin e Norton

Resposta: Vth = 6,667 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​ = 2 ΩR3​ = 15 ΩCURTOR2​4 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 = 2·4/(2+4) = 1,333 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,333 + 15 = 16,33 Ω
R1​ = 2 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​10 VR2​4 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) = 10·4/(2+4) = 6,667 V
14.Thévenin e Norton

Resposta: IN = 2,58 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​30 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 = 5·30/(5+30) = 4,286 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 4,286 + 10 = 14,29 Ω
R1​ = 5 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​18 VR2​30 ΩAIs​1,5 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) = 15,43 + 1,5·4,286 = 21,86 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 21,86 + 1,5·10 = 36,86 V
IN​2,58 ARth​14,29 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 = 36,86/14,29 = 2,58 A
15.Diagramas de Bode e margens

Resposta: |H| = −20,08 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/(1000·4,7 × 10⁻⁹) = 212766 rad/s
fc = 33863 Hz → f/fc = 340000/33863 = 10,04

Ganho

|H| = 1/√(1 + 10,04²) = 0,09911
20·log₁₀(0,09911) = −20,08 dB

Resposta

|H| = −20,08 dB
16.Diagramas de Bode e margens

Resposta: GM = 11,99 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/9)·(ω/10) = 1 → ω180 = √(9·10) = 9,487 rad/s

Módulo no cruzamento de fase

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 81)·√(ω² + 100)) = K/(9·10·(9 + 10)) = K/1710

Margem de ganho

GM = 20·log₁₀(1710/430) = 11,99 dB

Resposta

GM = 11,99 dB

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