Decida qual forma convém à operação: retangular a + jb para somar e subtrair, polar r∠θ para multiplicar, dividir, potências e raízes.
Multiplique com j² = −1; divida multiplicando o numerador e o denominador pelo conjugado do denominador.
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.
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
Converta a frequência: ω = 2πf.
Encontre cada reatância: XL = ωL e XC = 1/(ωC).
Some as impedâncias como resistores, com Z = R + jX.
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
Encontre primeiro a frequência de ressonância: ω₀ = 1/√(LC) e f₀ = ω₀/(2π).
Decida se o circuito é série ou paralelo: no série Q = (1/R)√(L/C), no paralelo Q = R√(C/L).
Use BW = f₀/Q para a largura de banda, ou os atalhos R/(2πL) (série) e 1/(2πRC) (paralelo).
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
Encontre o valor inicial logo após a comutação: a tensão em um capacitor e a corrente em um indutor não podem saltar.
Encontre o valor final muito tempo depois da comutação: um capacitor se comporta como circuito aberto e um indutor como curto-circuito.
Encontre a constante de tempo: τ = RC ou τ = L/R, usando a resistência vista pelo capacitor ou indutor.
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
Retire a carga e marque os dois terminais a e b.
Encontre a tensão de circuito aberto entre a e b: essa é Vth.
Desligue todas as fontes independentes e encontre a resistência vista de a–b: essa é Rth.
Recoloque a carga no circuito equivalente: Vth em série com Rth.
Para o equivalente de Norton, converta: IN = Vth/Rth, com RN = Rth em paralelo.
2Exercícios
1.Números complexosMédia
Escreva z = 5∠35° na forma retangular a + jb e dê a parte real a.
r = 5θ = 35°
a =
2.Números complexosDifícil
Use o teorema de De Moivre para encontrar a parte imaginária de z⁹ para z = −1 + j.
z = −1 + jn = 9
Im(z⁹) =
3.Impedância CA e fasoresMédia
Um resistor e um indutor estão ligados em paralelo a uma fonte de 50 V (eficaz), 100 Hz. Encontre o módulo da impedância |Z|.
V = 50 V (rms)f = 100 HzR = 80 ΩL = 50 mH
|Z| = Ω
4.Impedância CA e fasoresDifícil
Um circuito RLC série é alimentado por uma fonte de 12 V (eficaz) cuja frequência é ajustada na frequência de ressonância do circuito. Encontre a tensão eficaz VL sobre o indutor.
V = 12 V (rms)R = 5 ΩL = 100 mHC = 4,7 µF
VL = V
5.Potência CA e fator de potênciaMédia
Um motor monofásico consome 34 kW com fator de potência 0,6 indutivo de uma fonte de 240 V. Encontre a potência reativa Q que ele consome.
P = 34 kWpf = 0,6V = 240 V
Q = kvar
6.Potência CA e fator de potênciaDifícil
Uma carga monofásica consome 13 kW com fator de potência 0,75 indutivo de uma fonte de 240 V, 60 Hz. Um capacitor de 470 µF é ligado em paralelo com a carga. Encontre a nova corrente de linha I.
P = 13 kWpf1 = 0,75V = 240 Vf = 60 HzC = 470 µF
I = A
7.Ressonância LC, fator Q e largura de bandaMédia
Um circuito RLC paralelo tem R = 22 kΩ, L = 10 mH e C = 100 nF. Encontre seu fator de qualidade Q.
R = 22 kΩL = 10 mHC = 100 nF
Q =
8.Ressonância LC, fator Q e largura de bandaDifícil
Um circuito RLC série (R = 22 Ω, L = 220 µH, C = 2,2 nF) 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 = 22 ΩL = 220 µHC = 2,2 nFIm = 500 mA
Ecycle = µJ
9.Potência trifásicaMédia
Uma carga trifásica equilibrada consome uma corrente de linha de 20 A de uma alimentação com tensão de linha de 415 V. O fator de potência é 0,92 indutivo. Encontre a potência ativa total P consumida pela carga em kW.
VL = 415 VIL = 20 Acos φ = 0,92
P = kW
10.Potência trifásicaDifícil
Uma carga trifásica equilibrada consome 100 kW com fator de potência 0,65 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 = 100 kWpf1 = 0,65pf2 = 0,9VL = 480 Vf = 60 Hz
Cph = µF
11.Transitórios RC e RLMédia
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 = 10 VR = 15 ΩL = 220 mH
W(∞) = mJ
12.Transitórios RC e RLDifícil
A chave está fechada há muito tempo, então o circuito está em regime permanente. Em t = 0 a chave abre. Encontre a corrente i2 em R2 em t = 750 ms.
Vs = 15 VR1 = 10 kΩR2 = 10 kΩC = 33 µFt = 750 ms
i2 = mA
13.Thévenin e NortonMédia
Encontre a resistência de Thévenin Rth vista dos terminais a–b.
V1 = 15 VR1 = 2 ΩR2 = 2 ΩR3 = 10 Ω
Rth = Ω
14.Thévenin e NortonDifícil
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.
No filtro passa-faixa RLC série mostrado, a saída é tomada sobre R = 50 Ω, com L = 50 mH e C = 0,47 µF. Encontre a largura de banda de −3 dB BW em Hz.
R = 50 ΩL = 50 mHC = 0,47 µF
BW = Hz
16.Diagramas de Bode e margensDifícil
Uma malha com realimentação unitária tem a função de transferência de malha aberta L(s) = 2/(s(s + 1)(s + 2)). Encontre a frequência de cruzamento de fase ω180, onde ∠L(jω) = −180°.
L(s) = 2/(s(s + 1)(s + 2))
ω180 = rad/s
3Soluções
1.Números complexos
Resposta: a = 4,096
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.
Componentes
a = 5·cos(35°) = 4,096
b = 5·sin(35°) = 2,868
Forma retangular
z = 4,096 + j2,868
a = 4,096
Resposta
a = 4,096
2.Números complexos
Resposta: Im(z⁹) = 16
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.
Forma polar
z = −1 + j = √2∠135°
De Moivre
z⁹ = (√2)⁹∠1215° = 22,63∠135°
Forma retangular
z⁹ = 22,63·(cos 135° + j sin 135°) = −16 + j16
Im(z⁹) = 16
Resposta
Im(z⁹) = 16
3.Impedância CA e fasores
Resposta: |Z| = 29,24 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
XL = ωL = 2π·100·0,05 = 31,42 Ω
Correntes de ramo
Os dois ramos estão ligados diretamente à fonte, então cada um recebe a tensão total V.
IR = V/R = 50/80 = 0,625 A
IX = V/XL = 50/31,42 = 1,592 A
Corrente total
A corrente do resistor está em fase com V e a corrente reativa está defasada de 90°, então se somam como os lados de um triângulo retângulo.
I = √(IR² + IX²) = √(0,625² + 1,592²) = 1,71 A
Impedância
|Z| = V/I = 50/1,71 = 29,24 Ω
Resposta
|Z| = 29,24 Ω
4.Impedância CA e fasores
Resposta: VL = 350,1 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|.
Ressonância
Na ressonância as reatâncias se anulam, então a impedância é só R.
ω₀ = 1/√(LC) = 1/√(0,1·4,7·10⁻⁶) = 1459 rad/s
I = V/R = 12/5 = 2,4 A
Tensão sobre o indutor
XL = ω₀L = 1459·0,1 = 145,9 Ω
VL = I·XL = 2,4·145,9 = 350,1 V
Resposta
VL = 350,1 V
Isso é Q = 29,17 vezes a tensão da fonte.
5.Potência CA e fator de potência
Resposta: Q = 45,33 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(0,6) = 53,13°, tan φ = 1,333
Potência reativa
Q = P·tan φ = 34·1,333 = 45,33 kvar
Resposta
Q = 45,33 kvar
6.Potência CA e fator de potência
Resposta: I = 54,42 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 antes e depois
A potência ativa P não muda; só muda a potência reativa tirada da rede.
Q1 = 13·tan(arccos 0,75) = 11,46 kvar
QC = V²·2πf·C = 240²·2π·60·470·10⁻⁶ = 10206 var = 10,21 kvar
Q2 = 11,46 − 10,21 = 1,259 kvar
Nova potência aparente
S2 = √(13² + 1,259²) = 13,06 kVA
Nova corrente de linha
I = S2/V = 13061/240 = 54,42 A
Resposta
I = 54,42 A
7.Ressonância LC, fator Q e largura de banda
Resposta: Q = 69,57
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).
Frequência de ressonância
ω₀ = 1/√(LC) = 31623 rad/s
Fator de qualidade
Q = R/(ω₀L) = 22000/(31623·0,01) = 69,57
Resposta
Q = 69,57
A largura de banda é 1/(2πRC) = 72,34 Hz.
8.Ressonância LC, fator Q e largura de banda
Resposta: Ecycle = 12,02 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).
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 = √3·415·20 = 14,38 kVA
Potência ativa
P = S·cos φ = 14,38·0,92 = 13,23 kW
Resposta
P = 13,23 kW
10.Potência trifásica
Resposta: Cph = 788,4 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 = 100·tan(acos 0,65) = 100·1,169 = 116,9 kvar
Q2 = 100·tan(acos 0,9) = 100·0,4843 = 48,43 kvar
Potência reativa dos capacitores
QC = Q1 − Q2 = 68,48 kvar
Capacitância por fase
Em um banco em Y cada capacitor está ligado entre uma linha e o centro da estrela.
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 = 220 mH / 15 Ω = 14,67 ms
i(∞) = Vs/R = 10/15 = 0,6667 A
Energia armazenada
W(∞) = ½·L·i(∞)² = ½·220·0,6667² = 48,89 mJ
Resposta
W(∞) = 48,89 mJ
12.Transitórios RC e RL
Resposta: i2 = 0,07727 mA
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.
Tensão inicial do capacitor
Em regime permanente o capacitor é um circuito aberto, então R₁ e R₂ formam um divisor de tensão. A tensão do capacitor não pode saltar quando a chave abre.
vC(0) = 15·10/(10 + 10) = 7,5 V
Constante de tempo após a abertura da chave
τ = R2·C = 10·33 = 330 ms
Descarga
vC(t) = 7,5·e−750/330 = 0,7727 V
i2 = vC/R2 = 0,7727/10 = 0,07727 mA
Resposta
i2 = 0,07727 mA
13.Thévenin e Norton
Resposta: Rth = 11 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.
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 = 2·2/(2+2) = 1 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1 + 10 = 11 Ω
14.Thévenin e Norton
Resposta: IL = −4,419 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.
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 = 25·6/(25+6) = 4,839 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 4,839 + 30 = 34,84 Ω
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) = 6,968 + (−5)·4,839 = −17,23 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = −17,23 + (−5)·30 = −167,2 V
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) = −167,2/(34,84 + 3) = −4,419 A
15.Diagramas de Bode e margens
Resposta: BW = 159,2 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 × 10⁻⁷) = 6523 rad/s
f₀ = ω₀/(2π) = 1038 Hz
Largura de banda
BW = R/L = 50/0,05 = 1000 rad/s = 159,2 Hz
Resposta
BW = 159,2 Hz
16.Diagramas de Bode e margens
Resposta: ω180 = 1,414 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.