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
ReIm11−1−122−2−233−3−344−4−455−5−5zABCD

O diagrama mostra z = 1 − j2. Com w = 0,5∠90°, clique no ponto que representa z/w.

z = 1 − j2w = 0,5∠90°
  1. 1A (−2 − j)
  2. 2B (2 − j4)
  3. 3C (−4 − j2)
  4. 4D (4 + j2)
2.Números complexosDifícil
ReIm11−1−122−2−233−3−3ABCD

Exatamente um dos pontos A–D é uma raiz de z⁴ = 16∠−90°. Clique nele.

w = 16∠−90°n = 4
  1. 1A (3,6∠−157,5°)
  2. 2B (2∠−157,5°)
  3. 3C (2∠157,5°)
  4. 4D (2∠−90°)
3.Impedância CA e fasoresMédia
100 V60 HzR = 60 ΩL = 50 mHC = 4,7 µFI

Um circuito RLC série está ligado a uma fonte de 100 V (rms), 60 Hz. Encontre o fator de potência cos φ do circuito.

V = 100 V (rms)f = 60 HzR = 60 ΩL = 50 mHC = 4,7 µF
cos φ =
4.Impedância CA e fasoresDifícil
230 V200 HzR = 80 ΩL = 20 mHC = 4,7 µFI

Um circuito RLC série está ligado a uma fonte de 230 V (rms), 200 Hz. Encontre a corrente rms I.

V = 230 V (rms)f = 200 HzR = 80 ΩL = 20 mHC = 4,7 µF
I = A
5.Potência CA e fator de potênciaMédia
230 VR + jXP = 3910 W20 A

Uma carga indutiva consome 20 A e 3910 W de uma fonte monofásica de 230 V (eficaz). Modele-a como uma resistência R em série com uma reatância X. Encontre X.

V = 230 VI = 20 AP = 3910 W
X = Ω
6.Potência CA e fator de potênciaDifícil
P = 35 kWQ1​S1​φ1​QC​

Uma carga monofásica consome 35 kW com fator de potência 0,65 indutivo de uma fonte de 240 V, 60 Hz. Um capacitor ligado em paralelo eleva o fator de potência para 0,9. Encontre a capacitância C necessária.

P = 35 kWpf1 = 0,65pf2 = 0,9V = 240 Vf = 60 Hz
C = µF
7.Ressonância LC, fator Q e largura de bandaMédia
f|I|0,70711 kHzf1​ = ?f2​BW

Um circuito RLC série ressoa em 1 kHz com Q = 2,5. Encontre exatamente a frequência de meia potência inferior f1, em Hz.

f0 = 1 kHzQ = 2,5
f1 = Hz
8.Ressonância LC, fator Q e largura de bandaDifícil
C = 220 nFR = 0,5 ΩL = 1 mH

Um capacitor carregado de 220 nF se descarrega por uma bobina de 1 mH com resistência série total de 0,5 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 = 1 mHC = 220 nFR = 0,5 Ω
n =
9.Potência trifásicaMédia
ABCVL​ = 690 VIL​ = 10 Acos φ = 0,8indutivo

Uma carga trifásica equilibrada consome uma corrente de linha de 10 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 = 10 Acos φ = 0,8
P = kW
10.Potência trifásicaDifícil
P = 300 kWφ1​S1​Q2​QC​

Uma carga trifásica equilibrada consome 300 kW com fator de potência 0,75 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 0,92 indutivo. A potência ativa permanece a mesma. Os capacitores estão ligados em Δ. Encontre a capacitância Cph de cada capacitor em µF.

P = 300 kWpf1 = 0,75pf2 = 0,92VL = 415 Vf = 50 Hz
Cph = µF
11.Transitórios RC e RLMédia
+−Vs​5 Vt = 0R = 5 ΩL10 mHi(t)

O indutor não conduz corrente antes de a chave fechar em t = 0. Encontre a energia W armazenada no indutor em t = 5 ms, em mJ.

Vs = 5 VR = 5 ΩL = 10 mHt = 5 ms
W = mJ
12.Transitórios RC e RLDifícil
+−Vs​5 Vt = 0R = 2,2 kΩC47 µF+−vC​vC​(0) = 24 V

Logo antes de a chave fechar em t = 0, o capacitor tem 24 V com a polaridade indicada. Encontre a tensão no capacitor vC em t = 200 ms.

Vs = 5 VR = 2,2 kΩC = 47 µFvC(0) = 24 Vt = 200 ms
vC = V
13.Thévenin e NortonMédia
R1​ = 10 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​10 VR2​5 ΩAab

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

V1 = 10 VR1 = 10 ΩR2 = 5 ΩR3 = 5 Ω
IN = A
14.Thévenin e NortonDifícil
R1​ = 12 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​10 VR2​12 ΩAIs​5 ABab

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

V1 = 10 VIs = 5 AR1 = 12 ΩR2 = 12 ΩR3 = 20 Ω
Vth = V
15.Diagramas de Bode e margensMédia
vin​L = 50 mHC = 2,2 µFR = 5 Ωvout​

No filtro passa-faixa RLC série mostrado, a saída é tomada sobre R = 5 Ω, com L = 50 mH e C = 2,2 µF. Encontre a largura de banda de −3 dB BW em Hz.

R = 5 ΩL = 50 mHC = 2,2 µF
BW = Hz
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) = K/(s(s + 5)(s + 8)). Encontre o ganho K que dá uma margem de ganho de 5 dB.

L(s) = K/(s(s + 5)(s + 8))GM = 5 dB
K =

3Soluções

1.Números complexos

Resposta: C (−4 − j2)

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.

Efeito de w

|z/w| = |z|/0,5, arg(z/w) = arg z − 90°

O ponto

z/w = −4 − j2 → C

Resposta

C (−4 − j2)
2.Números complexos

Resposta: C (2∠157,5°)

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.

Módulo e argumentos das raízes

|z| = 2
θ = −22,5°, 67,5°, 157,5°, −112,5°

O ponto

C = 2∠157,5°

Resposta

C (2∠157,5°)
3.Impedância CA e fasores

Resposta: cos φ = 0,1093

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

XL = 18,85 Ω, XC = 564,4 Ω

Impedância

|Z| = √(60² + (−545,5)²) = 548,8 Ω

Fator de potência

cos φ = R/|Z| = 60/548,8 = 0,1093
O circuito é capacitivo, então o fator de potência é capacitivo (adiantado).

Resposta

cos φ = 0,1093
4.Impedância CA e fasores

Resposta: I = 1,395 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·200 = 1257 rad/s
XL = ωL = 1257·0,02 = 25,13 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(1257·4,7·10⁻⁶) = 169,3 Ω

Impedância

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

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(80² + (−144,2)²) = 164,9 Ω

Corrente

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

I = V/|Z| = 230/164,9 = 1,395 A

Resposta

I = 1,395 A
5.Potência CA e fator de potência

Resposta: X = 6,058 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 = 3910/20² = 9,775 Ω

Reatância pela impedância

|Z| = V/I = 230/20 = 11,5 Ω
X = √(|Z|² − R²) = √(11,5² − 9,775²) = 6,058 Ω

Resposta

X = 6,058 Ω
6.Potência CA e fator de potência

Resposta: C = 1104 µF

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 = P·tan φ1 = 35·tan(49,46°) = 40,92 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 35·tan(25,84°) = 16,95 kvar
QC = Q1 − Q2 = 23,97 kvar

Capacitância

Um capacitor ligado à fonte fornece Q = V²·ωC.

C = QC/(2πf·V²) = 23968/(2π·60·240²) = 1104 µF

Resposta

C = 1104 µF
7.Ressonância LC, fator Q e largura de banda

Resposta: f1 = 819,8 Hz

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/(4·2,5²)) = 1,02

Frequência de meia potência inferior

f1 = 1000·(1,02 − 0,2) = 819,8 Hz = 819,8 Hz

Resposta

f1 = 819,8 Hz

A superior é f₂ = 1,22 kHz; verificação: f₂ − f₁ = 400 Hz = f₀/Q.

8.Ressonância LC, fator Q e largura de banda

Resposta: n = 29,75

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 = 2·0,001·ln 2/0,5 = 0,002773 s

Número de ciclos

n = t·f0 = 0,002773·10730 = 29,75

Resposta

n = 29,75

Atalho: n = Q·ln 2/π com Q = 134,8.

9.Potência trifásica

Resposta: P = 9,561 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 = √3·690·10 = 11,95 kVA

Potência ativa

P = S·cos φ = 11,95·0,8 = 9,561 kW

Resposta

P = 9,561 kW
10.Potência trifásica

Resposta: Cph = 842,6 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 = 300·tan(acos 0,75) = 300·0,8819 = 264,6 kvar
Q2 = 300·tan(acos 0,92) = 300·0,426 = 127,8 kvar

Potência reativa dos capacitores

QC = Q1 − Q2 = 136,8 kvar

Capacitância por fase

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

V = 415 V, ω = 2π·50 = 314,2 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 45592/(314,2·415²) = 842,6 µF

Resposta

Cph = 842,6 µF
11.Transitórios RC e RL

Resposta: W = 4,213 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 = 10 mH / 5 Ω = 2 ms
i(∞) = Vs/R = 5/5 = 1 A

Corrente no instante dado

i(t) = 1·(1 − e−5/2) = 0,9179 A

Energia armazenada

W = ½·L·i² = ½·10·0,9179² = 4,213 mJ

Resposta

W = 4,213 mJ
12.Transitórios RC e RL

Resposta: vC = 7,746 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) = 24 V, vC(∞) = Vs = 5 V
τ = R·C = 2,2 kΩ · 47 µF = 103,4 ms
vC(t) = 5 + (24 − 5)·e−t/τ

Tensão no instante dado

vC(200) = 5 + (19)·e−200/103,4 = 7,746 V

Resposta

vC = 7,746 V
13.Thévenin e Norton

Resposta: IN = 0,4 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​ = 10 ΩR3​ = 5 ΩCURTOR2​5 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 = 10·5/(10+5) = 3,333 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3,333 + 5 = 8,333 Ω
R1​ = 10 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​10 VR2​5 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) = 10·5/(10+5) = 3,333 V
IN​0,4 ARth​8,333 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 = 3,333/8,333 = 0,4 A
14.Thévenin e Norton

Resposta: Vth = −125 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​ = 12 ΩR3​ = 20 ΩCURTOR2​12 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 = 12·12/(12+12) = 6 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 6 + 20 = 26 Ω
R1​ = 12 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​10 VR2​12 ΩAIs​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) = 5 + (−5)·6 = −25 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = −25 + (−5)·20 = −125 V
15.Diagramas de Bode e margens

Resposta: BW = 15,92 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/√(0,05·2,2 × 10⁻⁶) = 3015 rad/s
f₀ = ω₀/(2π) = 479,9 Hz

Largura de banda

BW = R/L = 5/0,05 = 100 rad/s = 15,92 Hz

Resposta

BW = 15,92 Hz
16.Diagramas de Bode e margens

Resposta: K = 292,4

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/5)·(ω/8) = 1 → ω180 = √(5·8) = 6,325 rad/s

Módulo no cruzamento de fase

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 25)·√(ω² + 64)) = K/(5·8·(5 + 8)) = K/520

Ganho necessário

520/K = 105/20 = 1,778
K = 520/1,778 = 292,4

Resposta

K = 292,4

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