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
ReIm55−5−5z₁z₂w

Dados z₁ = 5∠−60° e z₂ = 1,5∠45°, encontre a parte real de w = z₁·z₂.

z₁ = 5∠−60°z₂ = 1,5∠45°
Re(w) =
2.Números complexosDifícil
ReIm11−1−122−2−2z₁z₂

Resolva z² + 4z + 6,25 = 0. As raízes são a ± jb; encontre b > 0.

p = 4q = 6,25
b =
3.Impedância CA e fasoresMédia
230 V100 HzR = 80 ΩL = 150 mHC = 2,2 µFI

Um circuito RLC série está ligado a uma fonte de 230 V (rms), 100 Hz. Encontre a corrente rms I.

V = 230 V (rms)f = 100 HzR = 80 ΩL = 150 mHC = 2,2 µF
I = A
4.Impedância CA e fasoresDifícil
24 V1000 HzR = 15 ΩL = 20 mHC = 1 µF+−VC​

Um circuito RLC série está ligado a uma fonte de 24 V (rms), 1000 Hz. Encontre a tensão rms VC no capacitor.

V = 24 V (rms)f = 1000 HzR = 15 ΩL = 20 mHC = 1 µF
VC = V
5.Potência CA e fator de potênciaMédia
230 VR + jXP = 2898 W14 A

Uma carga indutiva consome 14 A e 2898 W de uma fonte monofásica de 230 V (eficaz). Modele-a como uma resistência R em série com uma reatância X. Encontre R.

V = 230 VI = 14 AP = 2898 W
R = Ω
6.Potência CA e fator de potênciaDifícil
12 V1000 HzRs​ = 10 ΩXs​ = j40 ΩZL​ = ?

Uma fonte de 12 V (eficaz), 1000 Hz tem impedância interna Zs = 10 + j40 Ω. A impedância de carga ZL pode ser escolhida livremente. Encontre a potência ativa máxima Pmax que pode ser entregue à carga.

Vs = 12 V (rms)f = 1000 HzZs = 10 + j40 Ω
Pmax = W
7.Ressonância LC, fator Q e largura de bandaMédia
V10 Ω1 mH2,2 µF

Um circuito RLC série tem R = 10 Ω, L = 1 mH e C = 2,2 µF. Encontre sua largura de banda BW em kHz.

R = 10 ΩL = 1 mHC = 2,2 µF
BW = kHz
8.Ressonância LC, fator Q e largura de bandaDifícil
V50 ΩLC = ?

Projete um filtro RLC série com resistência total de 50 Ω, frequência de ressonância de 20 kHz e largura de banda de 800 Hz. Encontre a capacitância C em nF.

R = 50 Ωf0 = 20 kHzBW = 800 Hz
C = nF
9.Potência trifásicaMédia
ABCVL​ = 480 VZ = 3 + j4 Ωpor fase

Uma carga equilibrada ligada em Δ com impedância de 3 + j4 Ω por fase está ligada a uma alimentação trifásica equilibrada com tensão de linha de 480 V. Encontre a potência ativa total P absorvida pela carga em kW.

VL = 480 VZ = 3 + j4 Ω por fase
P = kW
10.Potência trifásicaDifícil
P = 100 kWφ1​S1​Q2​QC​

Uma carga trifásica equilibrada consome 100 kW com fator de potência 0,7 indutivo de uma alimentação de 690 V (tensão de linha), 50 Hz. Um banco de capacitores trifásico em paralelo com a carga deve elevar o fator de potência total para 0,98 indutivo. A potência ativa permanece a mesma. Os capacitores estão ligados em Δ. Encontre a capacitância Cph de cada capacitor em µF.

P = 100 kWpf1 = 0,7pf2 = 0,98VL = 690 Vf = 50 Hz
Cph = µF
11.Transitórios RC e RLMédia
+−Vs​9 Vt = 0R = 22 ΩL33 mHi(t)

O indutor não conduz corrente antes de a chave fechar em t = 0. Encontre a energia W armazenada no indutor em t = 2 ms, em mJ.

Vs = 9 VR = 22 ΩL = 33 mHt = 2 ms
W = mJ
12.Transitórios RC e RLDifícil
+−Vs​10 Vt = 0R = 1 kΩC100 µF+−vC​vC​(0) = 3 V

Logo antes de a chave fechar em t = 0, o capacitor tem 3 V com a polaridade indicada. Encontre a tensão no capacitor vC em t = 120 ms.

Vs = 10 VR = 1 kΩC = 100 µFvC(0) = 3 Vt = 120 ms
vC = V
13.Thévenin e NortonMédia
R1​ = 8 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​9 VR2​3 ΩAab

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

V1 = 9 VR1 = 8 ΩR2 = 3 ΩR3 = 8 Ω
Rth = Ω
14.Thévenin e NortonDifícil
R1​ = 30 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​9 VR2​15 ΩAIs​2,5 ABRL​3 ΩIL​

Uma carga RL = 3 Ω é ligada entre a–b. Use um equivalente de Thévenin para encontrar a potência PL entregue à carga.

V1 = 9 VIs = 2,5 AR1 = 30 ΩR2 = 15 ΩR3 = 12 ΩRL = 3 Ω
PL = W
15.Diagramas de Bode e margensMédia
vin​R = 3,3 kΩC = 1 nFvout​

O Filtro passa-baixas RC mostrado tem R = 3,3 kΩ, C = 1 nF. Aplica-se uma entrada senoidal de 12 kHz. Encontre a defasagem φ de vout em relação a vin, em graus.

R = 3,3 kΩC = 1 nFf = 12 kHz
φ = °
16.Diagramas de Bode e margensDifícil
|H| (dB)0,10,1111010100100−60−40−2002040ω (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) = 18/(s(s + 4)). Encontre a margem de fase PM em graus.

L(s) = 18/(s(s + 4))
PM = °

3Soluções

1.Números complexos

Resposta: Re(w) = 7,244

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| = 5 · 1,5 = 7,5
θ = −60° + 45° = −15°

Forma retangular

Re(w) = 7,5·cos(−15°) = 7,244
Im(w) = 7,5·sin(−15°) = −1,941
Re(w) = 7,244

Resposta

Re(w) = 7,244
2.Números complexos

Resposta: b = 1,5

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 = 16 − 25 = −9 < 0

Fórmula quadrática

z = (−4 ± j√9)/2 = −2 + j1,5, −2 − j1,5

Resposta

b = 1,5

Resposta

b = 1,5
3.Impedância CA e fasores

Resposta: I = 0,3626 A

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·100 = 628,3 rad/s
XL = ωL = 628,3·0,15 = 94,25 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(628,3·2,2·10⁻⁶) = 723,4 Ω

Impedância

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

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(80² + (−629,2)²) = 634,2 Ω

Corrente

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

I = V/|Z| = 230/634,2 = 0,3626 A

Resposta

I = 0,3626 A
4.Impedância CA e fasores

Resposta: VC = 104,1 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|.

Reatâncias

ω = 2πf = 2π·1000 = 6283 rad/s
XL = ωL = 6283·0,02 = 125,7 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) = √(15² + (−33,49)²) = 36,7 Ω

Corrente

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

I = V/|Z| = 24/36,7 = 0,654 A

Tensão no capacitor

VC = I·XC = 0,654·159,2 = 104,1 V

Resposta

VC = 104,1 V
5.Potência CA e fator de potência

Resposta: R = 14,79 Ω

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.

Resistência pela potência ativa

R = P/I² = 2898/14² = 14,79 Ω

Resposta

R = 14,79 Ω
6.Potência CA e fator de potência

Resposta: Pmax = 3,6 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 − j40 Ω

Potência máxima

I = Vs/(2Rs) = 12/20 = 0,6 A
Pmax = I²·RL = Vs²/(4Rs) = 12²/(4·10) = 3,6 W

Resposta

Pmax = 3,6 W
7.Ressonância LC, fator Q e largura de banda

Resposta: BW = 1,592 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).

Largura de banda em rad/s

R/L = 10/0,001 = 10000 rad/s

Largura de banda em Hz

BW = 10000/(2π) = 1592 Hz = 1,592 kHz

Resposta

BW = 1,592 kHz

Com f₀ = 3,393 kHz, isso dá Q = 2,132.

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) = 50/(2π·800) = 0,009947 H

Capacitância a partir da frequência de ressonância

C = 1/((2π·20000)²·0,009947) = 6,366 × 10⁻⁹ F = 6,366 nF

Resposta

C = 6,366 nF

Q = f₀/BW = 25.

9.Potência trifásica

Resposta: P = 82,94 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.

Tensão de fase

Vph = VL = 480 V

Corrente de fase

|Z| = √(3² + 4²) = 5 Ω
Iph = 480/5 = 96 A

Potência ativa total

Só a parte resistiva de cada impedância absorve potência ativa.

P = 3·Iph²·R = 3·96²·3 = 82,94 kW

Resposta

P = 82,94 kW

Verificação: cos φ = R/|Z| = 0,6, e √3·VL·IL·cos φ dá a mesma potência.

10.Potência trifásica

Resposta: Cph = 182,1 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 = 100·tan(acos 0,7) = 100·1,02 = 102 kvar
Q2 = 100·tan(acos 0,98) = 100·0,2031 = 20,31 kvar

Potência reativa dos capacitores

QC = Q1 − Q2 = 81,71 kvar

Capacitância por fase

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

V = 690 V, ω = 2π·50 = 314,2 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 27238/(314,2·690²) = 182,1 µF

Resposta

Cph = 182,1 µF
11.Transitórios RC e RL

Resposta: W = 1,497 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 = 33 mH / 22 Ω = 1,5 ms
i(∞) = Vs/R = 9/22 = 0,4091 A

Corrente no instante dado

i(t) = 0,4091·(1 − e−2/1,5) = 0,3013 A

Energia armazenada

W = ½·L·i² = ½·33·0,3013² = 1,497 mJ

Resposta

W = 1,497 mJ
12.Transitórios RC e RL

Resposta: vC = 7,892 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) = 3 V, vC(∞) = Vs = 10 V
τ = R·C = 1 kΩ · 100 µF = 100 ms
vC(t) = 10 + (3 − 10)·e−t/τ

Tensão no instante dado

vC(120) = 10 + (−7)·e−120/100 = 7,892 V

Resposta

vC = 7,892 V
13.Thévenin e Norton

Resposta: Rth = 10,18 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​ = 8 ΩR3​ = 8 ΩCURTOR2​3 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 = 8·3/(8+3) = 2,182 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,182 + 8 = 10,18 Ω
14.Thévenin e Norton

Resposta: PL = 16,15 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​ = 30 ΩR3​ = 12 ΩCURTOR2​15 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 = 30·15/(30+15) = 10 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 10 + 12 = 22 Ω
R1​ = 30 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​9 VR2​15 ΩAIs​2,5 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) = 3 + 2,5·10 = 28 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 28 + 2,5·12 = 58 V
Rth​ = 22 Ω+−Vth​58 VRL​3 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) = 58/(22 + 3) = 2,32 A
PL = IL²·RL = 2,32²·3 = 16,15 W
15.Diagramas de Bode e margens

Resposta: φ = −13,97 °

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/(3300·1 × 10⁻⁹) = 303030 rad/s
fc = 48229 Hz → f/fc = 12000/48229 = 0,2488

Fase

φ = − atan(0,2488) = −13,97°

Resposta

φ = −13,97°
16.Diagramas de Bode e margens

Resposta: PM = 49,47 °

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 + 16ω² − 324 = 0
ω² = (−16 + √(256 + 4·324))/2 = 11,7
ωc = 3,42 rad/s

Margem de fase

∠L(jωc) = −90° − atan(3,42/4) = −130,5°
PM = 180° + ∠L = 49,47°

Resposta

PM = 49,47°

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