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
ReIm11−1−122−2−233−3−3θz

O número z = 3·ej1,5 tem o ângulo em radianos. Encontre a sua parte real a.

r = 3θ = 1,5 rad
a =
2.Números complexosDifícil
ReIm11−1−122−2−2z₁z₂

A equação z² + 5z + 8,5 = 0 tem duas raízes complexas. Encontre o módulo delas |z|.

p = 5q = 8,5
|z| =
3.Impedância CA e fasoresMédia
Vf0​ = 50 HzRL = ?C = 0,47 µF

Um circuito RLC série com C = 0,47 µF deve ressoar a 50 Hz. Encontre a indutância L necessária.

f0 = 50 HzC = 0,47 µF
L = mH
4.Impedância CA e fasoresDifícil
100 V100 HzR = 20 ΩL = 50 mHC = 10 µFI

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

V = 100 V (rms)f = 100 HzR = 20 ΩL = 50 mHC = 10 µF
I = A
5.Potência CA e fator de potênciaMédia
230 V126 kW, 0,6218 kW, 0,7I

Duas cargas estão ligadas em paralelo a uma fonte monofásica de 230 V: uma carga de 26 kW com fator de potência 0,6 indutivo e uma carga de 18 kW com fator de potência 0,7 capacitivo. Encontre o fator de potência global cos φ visto pela fonte.

V = 230 VP1 = 26 kW, pf1 = 0,6 indutivoP2 = 18 kW, pf2 = 0,7 capacitivo
cos φ =
6.Potência CA e fator de potênciaDifícil
240 V60 Hzcarga14 kW, 0,8C220 µFI

Uma carga monofásica consome 14 kW com fator de potência 0,8 indutivo de uma fonte de 240 V, 60 Hz. Um capacitor de 220 µF é ligado em paralelo com a carga. Encontre o novo fator de potência cos φ visto pela fonte.

P = 14 kWpf1 = 0,8V = 240 Vf = 60 HzC = 220 µF
cos φ =
7.Ressonância LC, fator Q e largura de bandaMédia
V2 Ω47 mH220 nF

Um circuito RLC série tem R = 2 Ω, L = 47 mH e C = 220 nF. Encontre seu fator de qualidade Q.

R = 2 ΩL = 47 mHC = 220 nF
Q =
8.Ressonância LC, fator Q e largura de bandaDifícil
VR = ?100 µHC

Um circuito ressonante série usa um indutor de 100 µH. Que resistência série total R dá uma largura de banda de 5 kHz?

L = 100 µHBW = 5 kHz
R = Ω
9.Potência trifásicaMédia
ABCVL​ = 690 VIL​ = 40 Acos φ = 0,7indutivo

Uma carga trifásica equilibrada consome uma corrente de linha de 40 A de uma alimentação com tensão de linha de 690 V. O fator de potência é 0,7 indutivo. Encontre a potência ativa total P consumida pela carga em kW.

VL = 690 VIL = 40 Acos φ = 0,7
P = kW
10.Potência trifásicaDifícil
P = 250 kWφ1​S1​Q2​QC​

Uma carga trifásica equilibrada consome 250 kW com fator de potência 0,72 indutivo de uma alimentação de 415 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 Y. Encontre a capacitância Cph de cada capacitor em µF.

P = 250 kWpf1 = 0,72pf2 = 0,98VL = 415 Vf = 50 Hz
Cph = µF
11.Transitórios RC e RLMédia
+−Vs​20 Vt = 0R = 10 ΩL68 mHi(t)

O indutor não conduz corrente antes de a chave fechar em t = 0. Encontre a tensão vL no indutor em t = 20 ms.

Vs = 20 VR = 10 ΩL = 68 mHt = 20 ms
vL = V
12.Transitórios RC e RLDifícil
+−Vs​10 Vt = 0R = 6,8 kΩC68 µF+−vC​vC​(0) = 6 V

Logo antes de a chave fechar em t = 0, o capacitor tem 6 V com a polaridade indicada. Encontre a tensão no capacitor vC em t = 150 ms.

Vs = 10 VR = 6,8 kΩC = 68 µFvC(0) = 6 Vt = 150 ms
vC = V
13.Thévenin e NortonMédia
R1​ = 8 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​24 VR2​3 ΩARL​12 ΩIL​B

Uma carga RL = 12 Ω é ligada entre a–b. Substitua o resto do circuito pelo seu equivalente de Thévenin e encontre a corrente na carga IL.

V1 = 24 VR1 = 8 ΩR2 = 3 ΩR3 = 6 ΩRL = 12 Ω
IL = A
14.Thévenin e NortonDifícil
R1​ = 8 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​10 VR2​15 ΩAIs​2 ABRL​6 ΩIL​

Uma carga RL = 6 Ω é ligada entre a–b. Use um equivalente de Thévenin para encontrar a potência PL entregue à carga.

V1 = 10 VIs = 2 AR1 = 8 ΩR2 = 15 ΩR3 = 15 ΩRL = 6 Ω
PL = W
15.Diagramas de Bode e margensMédia
|H| (dB)11101010010010001000−40−2002040ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−135−90−450ω = 10

Encontre a fase ∠G(jω) de G(s) = 46(s + 15)/(s(s + 12)) em ω = 10 rad/s, em graus.

G(s) = 46(s + 15)/(s(s + 12))ω = 10 rad/s
∠G(jω) = °
16.Diagramas de Bode e margensDifícil
|H| (dB)0,10,1111010100100−80−60−40−2002040ω (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) = 9/(s(s + 1)). Encontre a margem de fase PM em graus.

L(s) = 9/(s(s + 1))
PM = °

3Soluções

1.Números complexos

Resposta: a = 0,2122

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.

Fórmula de Euler

z = 3·(cos 1,5 + j sin 1,5)

Componentes (radianos)

a = 3·cos 1,5 = 0,2122
b = 3·sin 1,5 = 2,992
a = 0,2122

Resposta

a = 0,2122
2.Números complexos

Resposta: |z| = 2,915

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

|z| = √((−2,5)² + 1,5²) = √8,5 = 2,915

Resposta

|z| = 2,915
3.Impedância CA e fasores

Resposta: L = 21558 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·50 = 314,2 rad/s
L = 1/(ω₀²·C) = 1/(314,2²·0,47·10⁻⁶) = 21558 mH

Resposta

L = 21558 mH
4.Impedância CA e fasores

Resposta: I = 0,7734 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 = 628,3·0,05 = 31,42 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(628,3·10·10⁻⁶) = 159,2 Ω

Impedância

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

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(20² + (−127,7)²) = 129,3 Ω

Corrente

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

I = V/|Z| = 100/129,3 = 0,7734 A

Resposta

I = 0,7734 A
5.Potência CA e fator de potência

Resposta: cos φ = 0,9377

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 = 26·tan(arccos 0,6) = 34,67 kvar
Q2 = −18·tan(arccos 0,7) = −18,36 kvar

Totais

P = 26 + 18 = 44 kW
Q = 34,67 + (−18,36) = 16,3 kvar
S = √(44² + 16,3²) = 46,92 kVA

Fator de potência global

cos φ = P/S = 44/46,92 = 0,9377 indutivo

Resposta

cos φ = 0,9377
6.Potência CA e fator de potência

Resposta: cos φ = 0,9257

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 = 14·tan(arccos 0,8) = 10,5 kvar
QC = V²·2πf·C = 240²·2π·60·220·10⁻⁶ = 4777 var = 4,777 kvar
Q2 = 10,5 − 4,777 = 5,723 kvar

Nova potência aparente

S2 = √(14² + 5,723²) = 15,12 kVA

Novo fator de potência

cos φ = P/S2 = 14/15,12 = 0,9257

Resposta

cos φ = 0,9257
7.Ressonância LC, fator Q e largura de banda

Resposta: Q = 231,1

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).

Impedância característica

√(L/C) = √(0,047/2,2 × 10⁻⁷) = 462,2 Ω

Fator de qualidade

Q = 462,2/2 = 231,1

Resposta

Q = 231,1

A frequência de ressonância é 1,565 kHz, então BW = f₀/Q = 6,773 Hz.

8.Ressonância LC, fator Q e largura de banda

Resposta: R = 3,142 Ω

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 série

BW = R/(2πL)

Resistência

R = 2π·1 × 10⁻⁴·5000 = 3,142 Ω

Resposta

R = 3,142 Ω
9.Potência trifásica

Resposta: P = 33,46 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 = √3·690·40 = 47,8 kVA

Potência ativa

P = S·cos φ = 47,8·0,7 = 33,46 kW

Resposta

P = 33,46 kW
10.Potência trifásica

Resposta: Cph = 3515 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 0,72) = 250·0,9639 = 241 kvar
Q2 = 250·tan(acos 0,98) = 250·0,2031 = 50,76 kvar

Potência reativa dos capacitores

QC = Q1 − Q2 = 190,2 kvar

Capacitância por fase

Em um banco em Y cada capacitor está ligado entre uma linha e o centro da estrela.

V = 415/√3 = 239,6 V, ω = 2π·50 = 314,2 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 63400/(314,2·239,6²) = 3515 µF

Resposta

Cph = 3515 µF
11.Transitórios RC e RL

Resposta: vL = 1,056 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.

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 = 68 mH / 10 Ω = 6,8 ms
i(∞) = Vs/R = 20/10 = 2 A

Tensão no indutor

Em t = 0 toda a tensão da fonte aparece sobre o indutor; depois ela decai a zero.

vL(t) = Vs·e−t/τ = 20·e−20/6,8 = 1,056 V

Resposta

vL = 1,056 V
12.Transitórios RC e RL

Resposta: vC = 7,108 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) = 6 V, vC(∞) = Vs = 10 V
τ = R·C = 6,8 kΩ · 68 µF = 462,4 ms
vC(t) = 10 + (6 − 10)·e−t/τ

Tensão no instante dado

vC(150) = 10 + (−4)·e−150/462,4 = 7,108 V

Resposta

vC = 7,108 V
13.Thévenin e Norton

Resposta: IL = 0,3243 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​ = 6 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 + 6 = 8,182 Ω
R1​ = 8 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​24 VR2​3 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) = 24·3/(8+3) = 6,545 V
Rth​ = 8,182 Ω+−Vth​6,545 VRL​12 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) = 6,545/(8,182 + 12) = 0,3243 A
14.Thévenin e Norton

Resposta: PL = 19,25 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​ = 8 ΩR3​ = 15 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 = 8·15/(8+15) = 5,217 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 5,217 + 15 = 20,22 Ω
R1​ = 8 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​10 VR2​15 ΩAIs​2 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) = 6,522 + 2·5,217 = 16,96 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 16,96 + 2·15 = 46,96 V
Rth​ = 20,22 Ω+−Vth​46,96 VRL​6 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) = 46,96/(20,22 + 6) = 1,791 A
PL = IL²·RL = 1,791²·6 = 19,25 W
15.Diagramas de Bode e margens

Resposta: ∠G(jω) = −96,12 °

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.

Some os ângulos

∠G = atan(10/15) − 90° − atan(10/12) = 33,69° − 90° − 39,81°

Resultado

∠G(j10) = −96,12°

Resposta

∠G(jω) = −96,12°
16.Diagramas de Bode e margens

Resposta: PM = 18,92 °

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 + 1ω² − 81 = 0
ω² = (−1 + √(1 + 4·81))/2 = 8,514
ωc = 2,918 rad/s

Margem de fase

∠L(jωc) = −90° − atan(2,918/1) = −161,1°
PM = 180° + ∠L = 18,92°

Resposta

PM = 18,92°

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