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1Fórmulas e métodos
Resistores em série e paralelo
Resistências em série
Req = R1 + R2 + …
Resistências em paralelo
1/Req = 1/R1 + 1/R2 + …
Dois em paralelo
Req = R1R2 / (R1 + R2)
Lei de Ohm
V = I·R
Potência
P = V·I = I²R = V²/R
Método
Comece pela extremidade da rede mais distante dos terminais.
Combine resistores em série somando-os, e resistores em paralelo com 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …
Redesenhe o circuito após cada passo.
Repita até sobrar um único resistor entre os terminais.
Análise nodal
Lei das correntes de Kirchhoff
ΣIin = ΣIout
Corrente de ramo
I = (Va − Vb)/R
Nó de referência
Vground = 0
Método
Escolha um nó de referência (terra) e nomeie as tensões dos outros nós.
Escreva a lei das correntes de Kirchhoff em cada nó desconhecido: as correntes que saem por cada ramo são iguais às correntes que entram.
Expresse cada corrente de ramo como (Va − Vb)/R.
Resolva o sistema de equações e depois encontre qualquer corrente de que precisar.
Análise de malhas
Lei das tensões de Kirchhoff
ΣV = 0 em cada malha
Resistor compartilhado
corrente = I1 − I2
Fonte de corrente em uma malha
fixa essa corrente de malha
Método
Desenhe uma corrente no sentido horário em cada malha (janela) do circuito.
Aplique a lei das tensões de Kirchhoff em cada malha: a soma das quedas de tensão é zero.
Em um resistor compartilhado por duas malhas, a corrente é a diferença entre as duas correntes de malha.
Resolva as equações; um resultado negativo significa que a corrente circula no sentido oposto.
Superposição
Superposição
x = x1 + x2 + … (one source at a time)
Fonte de tensão desligada
curto-circuito (0 V)
Fonte de corrente desligada
circuito aberto (0 A)
Divisor de tensão
V2 = V·R2/(R1 + R2)
Divisor de corrente
I1 = I·R2/(R1 + R2)
Método
Conte as fontes independentes. Você vai resolver um circuito mais simples por fonte.
Mantenha uma fonte e desligue as outras: uma fonte de tensão vira um curto-circuito (um fio), uma fonte de corrente vira um circuito aberto (uma interrupção).
Resolva o circuito mais simples para a tensão ou corrente de que você precisa, prestando atenção ao seu sentido.
Repita para cada fonte e depois some as contribuições com seus sinais.
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.
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.
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)
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
Transformadores
Relação de espiras
a = N1/N2 = V1/V2
Relação de correntes
I1/I2 = N2/N1 = 1/a
Corrente nominal
I = S/V
Impedância referida
Z1′ = a²·ZL
Perdas no cobre com carga parcial
Pcu = x²·Pcu,fl
Rendimento
η = x·S·pf/(x·S·pf + Pcore + x²·Pcu,fl)
Rendimento máximo
x = √(Pcore/Pcu,fl)
Circuitos com amplificadores operacionais
Amplificador inversor
Vout = −(Rf/Rin)·Vin
Amplificador não inversor
Vout = (1 + Rf/R1)·Vin
Amplificador somador
Vout = −Rf(V1/R1 + V2/R2)
Amplificador operacional ideal
V+ = V−, Iin = 0
Diodos e transistores
Diodo (queda constante)
VD = 0,7 V when conducting
Região ativa
VBE = 0,7 V, IC = β·IB, IE = (β + 1)·IB
Polarização fixa
IB = (VCC − 0,7)/RB
Polarização por divisor de tensão
IB = (VTH − 0,7)/(RTH + (β + 1)RE)
Thévenin do divisor
VTH = VCC·R2/(R1 + R2), RTH = R1∥R2
Malha do coletor
VCE = VCC − ICRC − IERE
Saturação
IC(sat) = (VCC − VCE(sat))/RC, IB ≥ IC(sat)/β
Sistemas de numeração
Pesos das posições
binário 2k, octal 8k, hexadecimal 16k
Para decimal
Σ dk·bk
A partir de decimal
divida pela base e leia os restos de baixo para cima
Hexadecimal ↔ binário
um dígito hexadecimal = 4 bits
Complemento para dois
inverta os bits e some 1
Lógica digital: portas, mapas de Karnaugh e flip-flops
Portas básicas
A·B, A + B, A′, (A·B)′, (A + B)′, A ⊕ B
Regras booleanas
X + X′ = 1, X·X′ = 0, X + XY = X, XY + XY′ = X
De Morgan
(X·Y)′ = X′ + Y′, (X + Y)′ = X′·Y′
Ordem do mapa de Karnaugh
00, 01, 11, 10 (Gray code)
Grupo de 2ᵏ células
perde k variáveis
Multiplexador 4-para-1
F = A′B′I0 + A′BI1 + AB′I2 + ABI3
Flip-flops
D: Q⁺ = D, T: Q⁺ = T ⊕ Q, JK: Q⁺ = JQ′ + K′Q
Contadores
n bits: 2ⁿ estados; mod-N: menor n com 2ⁿ ≥ N; fout = fclk/N
Contador assíncrono (ripple)
fmax = 1/(n·tpd)
Contadores em anel e Johnson
n e 2n estados
Método
Para um circuito, trabalhe das entradas até a saída, uma porta de cada vez, e escreva o valor em cada fio, ou escreva a sua expressão e preencha a tabela-verdade.
Para simplificar, coloque os 1s (e as condições irrelevantes como X) num mapa de Karnaugh com linhas e colunas em código Gray: 00, 01, 11, 10.
Cubra os 1s com o menor número possível de grupos, os maiores possíveis, de 1, 2, 4, 8 ou 16 células, dando a volta pelas bordas; cada grupo é um termo produto formado pelas variáveis que permanecem constantes. Agrupe os 0s para a forma POS.
Para flip-flops e contadores, leia as entradas em cada borda ativa do clock, escreva o estado após cada borda e lembre-se de que um contador de n bits dá a volta após 2ⁿ estados.
Estabilidade: Routh–Hurwitz e lugar das raízes
Estabilidade
todas as raízes do polinômio característico no semiplano esquerdo
tabela de Routh, elemento de s¹ de um polinômio cúbico
b1 = (a2a1 − a3a0)/a2
Raízes no semiplano direito
número de trocas de sinal na primeira coluna
Cúbico s³ + a₂s² + a₁s + a₀
estável quando todos os a > 0 e a₂·a₁ > a₀
K/(s(s + a)(s + b))
Kmax = ab(a + b), ω = √(ab)
Equação característica
1 + K·G(s) = 0
Assíntotas
σa = (Σp − Σz)/(n − m), θ = (2q + 1)·180°/(n − m)
Pontos de saída e de chegada
dK/ds = 0
Condição de módulo
K = 1/|G(s)|
Ângulo de partida
θd = 180° − Σ∠(from other poles) + Σ∠(from zeros)
Método
Escreva o polinômio característico de malha fechada: o denominador de 1 + K·G(s) = 0, desenvolvido.
Coloque os coeficientes alternadamente nas duas primeiras linhas da tabela de Routh e construa as demais linhas.
Conte as trocas de sinal na primeira coluna: cada uma é um polo no semiplano direito. Com K na tabela, exija que todos os elementos da primeira coluna permaneçam positivos.
Para um lugar das raízes, marque os polos e zeros, os segmentos do eixo real, as assíntotas a partir do centroide e os pontos de ruptura onde dK/ds = 0. Use K = 1/|G(s)| para o ganho em um ponto.
Erro em regime permanente e controle PID
Tipo do sistema
número de polos de G(s) em s = 0
Constantes de erro
Kp = lim G(s), Kv = lim s·G(s), Ka = lim s²·G(s) (s → 0)
Degrau A
ess = A/(1 + Kp)
Rampa A·t
ess = A/Kv
Parábola A·t²/2
ess = A/Ka
Controlador PID
C(s) = Kp + Ki/s + Kd·s
Alvo de segunda ordem
s² + 2ζωns + ωn²
Sobressinal e tempos
%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), tp = π/ωd, ts ≈ 4/(ζωn)
Método
Conte os polos da malha aberta C(s)·G(s) em s = 0: esse é o tipo do sistema.
Calcule a constante de erro que corresponde à entrada: Kp para um degrau, Kv para uma rampa, Ka para uma parábola.
Aplique ess = A/(1 + Kp), A/Kv ou A/Ka, ou resolva-a para o ganho de que você precisa.
Para uma especificação de amortecimento ou velocidade, escreva o polinômio característico de malha fechada e compare-o com s² + 2ζω_n·s + ω_n².
2Exercícios
1.Resistores em série e paraleloMédia
Encontre a corrente IR1 fornecida pela fonte, que passa por R1.
A fonte Vₛ carrega o capacitor através de R₁, e R₂ está ligado em paralelo com C. O capacitor está descarregado quando a chave fecha em t = 0. Encontre a constante de tempo τ do circuito após o fechamento da chave.
Vs = 9 VR1 = 10 kΩR2 = 4,7 kΩC = 100 µF
τ = ms
12.Transitórios RC e RLDifícil
Um temporizador começa a carregar um capacitor descarregado através de um resistor a partir de uma fonte de 12 V em t = 0. Ele deve disparar quando a tensão do capacitor atingir 7,2 V, exatamente 25 ms após o início. Com R = 100 kΩ, encontre a capacitância C necessária.
Vs = 12 VVth = 7,2 VT = 25 msR = 100 kΩ
C = µF
13.Impedância CA e fasoresMédia
Um circuito RLC série está ligado a uma fonte de 24 V (rms), 1000 Hz. Encontre a corrente rms I.
V = 24 V (rms)f = 1000 HzR = 30 ΩL = 100 mHC = 2,2 µF
I = A
14.Impedância CA e fasoresDifícil
Um circuito RLC série está ligado a uma fonte de 24 V (rms), 500 Hz. Encontre a corrente rms I.
V = 24 V (rms)f = 500 HzR = 40 ΩL = 250 mHC = 2,2 µF
I = A
15.Potência CA e fator de potênciaMédia
Uma carga indutiva consome 16 A e 1440 W de uma fonte monofásica de 120 V (eficaz). Modele-a como uma resistência R em série com uma reatância X. Encontre X.
V = 120 VI = 16 AP = 1440 W
X = Ω
16.Potência CA e fator de potênciaDifícil
Um transformador monofásico de 200 kVA alimenta uma carga de 115 kW com fator de potência 0,7 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 = 200 kVAP1 = 115 kWpf1 = 0,7
ΔP = kW
17.Potência trifásicaMédia
Um motor de indução trifásico fornece 75 kW de potência mecânica de saída a plena carga. Nessa carga seu rendimento é 90% e seu fator de potência é 0,85 indutivo. A alimentação tem tensão de linha de 400 V. Encontre a corrente de linha IL.
Pout = 75 kWη = 90%cos φ = 0,85VL = 400 V
IL = A
18.Potência trifásicaDifícil
Uma carga trifásica equilibrada consome 150 kW com fator de potência 0,8 indutivo de uma alimentação de 400 V (tensão de linha), 60 Hz. Um banco de capacitores trifásico em paralelo com a carga deve elevar o fator de potência total para 0,98 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 = 0,8pf2 = 0,98VL = 400 Vf = 60 Hz
Cph = µF
19.TransformadoresMédia
Um resistor de 75 Ω está ligado ao enrolamento secundário de um transformador ideal com relação de espiras N₁:N₂ = 3:1. Encontre a resistência R1′ vista a partir do enrolamento primário.
N1:N2 = 3:1RL = 75 Ω
R1′ = Ω
20.TransformadoresDifícil
Um transformador monofásico de 25 kVA tem perdas no núcleo de 150 W e perdas no cobre de 375 W na carga nominal. Ele fornece 50% dos seus kVA nominais com fator de potência 0,9 indutivo. Encontre as perdas totais Ploss em watts nessa carga.
Um transistor NPN com β = 100 é polarizado por um resistor de base RB = 560 kΩ a partir da alimentação VCC = 9 V. O resistor de coletor é RC = 2,2 kΩ e o emissor está aterrado. Considere VBE = 0,7 V e suponha que o transistor está na região ativa. Encontre a tensão coletor–emissor VCE.
VCC = 9 VRB = 560 kΩRC = 2,2 kΩβ = 100VBE = 0,7 V
VCE = V
24.Diodos e transistoresDifícil
Um transistor NPN com β = 50 chaveia um resistor de carga de 680 Ω ligado entre VCC = 9 V e o seu coletor. O emissor está aterrado. A base é acionada por uma saída lógica de 3,3 V através de um resistor de base RB. Considere VBE = 0,7 V e VCE(sat) = 0,2 V. Para um chaveamento confiável, projete para uma corrente de base 10 vezes a mínima necessária para a saturação. Encontre RB em kΩ.
Escreva −28 como padrão de 8 bits em complemento para dois. Leia o padrão como número binário sem sinal: qual é o seu valor U em decimal?
N = −288 bit
U =
26.Sistemas de numeraçãoDifícil
Um sistema tem de dar a cada um de 2581 elementos um código binário próprio, todos com o mesmo comprimento. Qual é o menor número de bits b necessário?
2581
b = bit
27.Lógica digital: portas, mapas de Karnaugh e flip-flopsMédia
Use o mapa de Karnaugh para encontrar a forma mínima em produto de somas (POS) de F(A, B, C) = Σm(1, 2, 5, 6, 7). Quantos termos soma (fatores) N ela tem?
F(A, B, C) = Σm(1, 2, 5, 6, 7)
N =
28.Lógica digital: portas, mapas de Karnaugh e flip-flopsDifícil
Um contador mod-11 síncrono conta 0, 1, …, 10 e depois volta a 0. Ele começa em 3. Qual contagem Q (em decimal) ele mostra após 37 pulsos de clock?
Q0 = 337N = 11
Q =
29.Transformadas de LaplaceMédia
Encontre f(t) para F(s) = (2s + 10)/(s² + 6s + 13) completando o quadrado e calcule f(0,1).
F(s) = (2s + 10)/(s² + 6s + 13)t = 0,1 s
f(0.1) =
30.Transformadas de LaplaceDifícil
Resolva y″ + 3y′ + 2y = 0 com y(0) = −8 e y′(0) = 10 usando a transformada de Laplace e encontre y(0,4).
y″ + 3y′ + 2y = 0y(0) = −8y′(0) = 10t = 0,4 s
y(0.4) =
31.Diagramas de blocosMédia
A planta G(s) = K/((s + 9)(s + 10)) está em uma malha de realimentação negativa unitária. Encontre o ganho K para o qual a malha fechada é criticamente amortecida (dois polos reais iguais).
Um controlador proporcional K = 5 comanda a planta G(s) = 6/(s + 2) em uma malha de realimentação negativa unitária. Uma perturbação D entra na entrada da planta (é somada à saída do controlador). Com R = 0, é aplicado um degrau de perturbação de tamanho 10. Encontre a saída em regime permanente css.
K = 5G(s) = 6/(s + 2)D = 10R = 0
css =
33.Resposta ao degrauMédia
Um sistema tem a função de transferência G(s) = 77/(s² + 11s + 77) e recebe uma entrada em degrau unitário. Os polos são s = σ ± jωd. Encontre a parte real σ.
G(s) = 77/(s² + 11s + 77)
σ =
34.Resposta ao degrauDifícil
Um circuito RLC série com R = 81 Ω, L = 100 mH e C = 22 µF é ligado a um degrau de 10 V em t = 0. O capacitor está descarregado e nenhuma corrente flui antes do degrau. Encontre o instante tp do primeiro pico de tensão, em ms.
R = 81 ΩL = 100 mHC = 22 µFV = 10 V
tp = ms
35.Diagramas de Bode e margensMédia
Encontre o módulo exato |G(jω)| de G(s) = 576/((s + 3)(s + 16)) em ω = 2 rad/s, em dB.
G(s) = 576/((s + 3)(s + 16))ω = 2 rad/s
|G(jω)| = dB
36.Diagramas de Bode e margensDifícil
Uma malha com realimentação unitária tem a função de transferência de malha aberta L(s) = 972/(s(s + 8)(s + 9)). Encontre a frequência de cruzamento de fase ω180, onde ∠L(jω) = −180°.
L(s) = 972/(s(s + 8)(s + 9))
ω180 = rad/s
37.Estabilidade: Routh–Hurwitz e lugar das raízesMédia
A planta G(s) = (s + 2)/((s − 4)(s + 2)) tem um polo instável em s = 4. Um ganho proporcional K fecha uma malha com realimentação unitária em torno dela. Encontre o menor ganho Kmin que torna a malha fechada estável.
G(s) = (s + 2)/((s − 4)(s + 2))
Kmin =
38.Estabilidade: Routh–Hurwitz e lugar das raízesDifícil
O lugar das raízes de L(s) = K/((s + 3)(s + 11)) é mostrado. Encontre o ganho K no ponto de saída sb, onde os dois polos de malha fechada se encontram no eixo real.
L(s) = K/((s + 3)(s + 11))
K =
39.Erro em regime permanente e controle PIDMédia
A entrada parabólica r(t) = 0,5·t²/2 é aplicada a uma malha com realimentação unitária com G(s) = 5(s + 3)/(s²(s + 2)). Encontre o erro em regime permanente ess.
G(s) = 5(s + 3)/(s²(s + 2))r(t) = 0,5·t²/2
ess =
40.Erro em regime permanente e controle PIDDifícil
Um controlador proporcional K = 25 controla a planta G(s) = 10/(s(s + 10)) em uma malha com realimentação unitária. Encontre o sobressinal percentual %OS da resposta ao degrau.
G(s) = 10/(s(s + 10))K = 25
%OS = %
3Soluções
1.Resistores em série e paralelo
Resposta: IR1 = 0,8571 A
Resistores em série e em paralelo: em série a mesma corrente passa por cada resistor e R = R₁ + R₂ + …. Em paralelo cada resistor tem a mesma tensão e 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …. Uma rede em escada é reduzida um par por vez até restar uma única resistência equivalente.
Combine os resistores a partir da extremidade mais distante
Comece pela extremidade mais distante da fonte e volte em direção a ela. Resistores com a mesma corrente estão em série; resistores entre os mesmos dois nós estão em paralelo.
R3 + R4 = 8 + 4 = 12 Ω
R2 ∥ 12 = 12·12/(12+12) = 6 Ω
Req = R1 + 6 = 8 + 6 = 14 Ω
Corrente da fonte
A fonte vê só Req, então a lei de Ohm dá a corrente que ela fornece. Essa corrente passa por R₁.
IR1 = V1/Req = 12/14 = 0,8571 A
Resposta
IR1 = 0,8571 A
2.Resistores em série e paralelo
Resposta: IR2 = 0,7642 A
Resistores em série e em paralelo: em série a mesma corrente passa por cada resistor e R = R₁ + R₂ + …. Em paralelo cada resistor tem a mesma tensão e 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …. Uma rede em escada é reduzida um par por vez até restar uma única resistência equivalente.
Combine os resistores a partir da extremidade mais distante
Comece pela extremidade mais distante da fonte e volte em direção a ela. Resistores com a mesma corrente estão em série; resistores entre os mesmos dois nós estão em paralelo.
R5 + R6 = 2 + 4 = 6 Ω
R4 ∥ 6 = 2,4 Ω
R3 + 2,4 = 14,4 Ω
R2 ∥ 14,4 = 5,902 Ω
Req = R1 + 5,902 = 8 + 5,902 = 13,9 Ω
Corrente da fonte
A fonte vê só Req, então a lei de Ohm dá a corrente que ela fornece. Essa corrente passa por R₁.
IR1 = V1/Req = 18/13,9 = 1,295 A
Corrente em R₂
Subtraia a queda em R₁ para obter a tensão no nó A, que é a tensão sobre R₂.
VA = V1 − IR1·R1 = 18 − 1,295·8 = 7,642 V
IR2 = VA/R2 = 7,642/10 = 0,7642 A
Resposta
IR2 = 0,7642 A
3.Análise nodal
Resposta: PIs = 29,5 W
Análise nodal: escolha um nó de referência, nomeie as tensões de nó desconhecidas, escreva a lei das correntes de Kirchhoff em cada nó desconhecido usando a lei de Ohm (I = ΔV/R) e resolva as equações.
LKC no nó A
As correntes que saem de A pelos resistores são iguais à corrente injetada em A pelas fontes.
VA/R2 + (VA − V1)/R1 + (VA − VB)/R3 = 0
VA/15 + (VA − 10)/3 + (VA − VB)/4 = 0
0,65·VA − 0,25·VB = 3,333
LKC no nó B
As correntes que saem de B pelos resistores são iguais à corrente injetada em B pelas fontes.
VB/R4 + (VB − VA)/R3 = Is
VB/6 + (VB − VA)/4 = 2,5
−0,25·VA + 0,4167·VB = 2,5
Resolva
Δ = (0,65)(0,4167) − (−0,25)(−0,25) = 0,2083
VA = Δ1/Δ = 2,014/0,2083 = 9,667 V
VB = Δ2/Δ = 2,458/0,2083 = 11,8 V
Potência fornecida pela fonte de corrente
A fonte injeta Iₛ para cima no nó B, do terra (0 V) até VB. Uma fonte cuja corrente sai pelo terminal + fornece P = V·I.
PIs = VB·Is = 11,8·2,5 = 29,5 W
Resposta
PIs = 29,5 W
4.Análise nodal
Resposta: IR2 = −2,013 A
Análise nodal: escolha um nó de referência, nomeie as tensões de nó desconhecidas, escreva a lei das correntes de Kirchhoff em cada nó desconhecido usando a lei de Ohm (I = ΔV/R) e resolva as equações.
Defina os nós
O terra é o fio de baixo. As tensões de nó conhecidas vêm direto das fontes (V1 = 6 V, V2 = 15 V). Incógnitas: VA, VB.
LKC no nó A
As correntes que saem de A pelos resistores são iguais à corrente injetada em A pelas fontes.
VA/R3 + (VA − V1)/R1 + (VA − VB)/R2 = 0
VA/2 + (VA − 6)/6 + (VA − VB)/4 = 0
0,9167·VA − 0,25·VB = 1
LKC no nó B
As correntes que saem de B pelos resistores são iguais à corrente injetada em B pelas fontes.
VB/R5 + (VB − VA)/R2 + (VB − V2)/R4 = Is
VB/3 + (VB − VA)/4 + (VB − 15)/12 = 6
−0,25·VA + 0,6667·VB = 7,25
Resolva
Δ = (0,9167)(0,6667) − (−0,25)(−0,25) = 0,5486
VA = Δ1/Δ = 2,479/0,5486 = 4,519 V
VB = Δ2/Δ = 6,896/0,5486 = 12,57 V
Resposta
IR2 = (VA − VB)/R2 = (4,519 − 12,57)/4 = −2,013 A
5.Análise de malhas
Resposta: I2 = −0,1837 A
Análise de malhas: dê a cada janela de um circuito planar sua própria corrente de laço, escreva a lei das tensões de Kirchhoff em cada laço (soma das quedas = soma das elevações) e resolva. As correntes de ramo são a corrente de malha, ou a diferença de duas correntes de malha em um ramo compartilhado.
Defina as correntes de malha
Desenhe uma corrente no sentido horário em cada janela: I1, I2. Um resistor compartilhado por duas malhas conduz a diferença entre suas correntes.
LKT na malha 1
No sentido horário, as quedas de tensão nos resistores são iguais às elevações de tensão das fontes (de − para + no sentido do percurso).
R1·I1 + R3(I1 − I2) = V1
2·I1 + 4(I1 − I2) = 9
6·I1 − 4·I2 = 9
LKT na malha 2
No sentido horário, as quedas de tensão nos resistores são iguais às elevações de tensão das fontes (de − para + no sentido do percurso).
R2·I2 + R3(I2 − I1) = −V2
15·I2 + 4(I2 − I1) = (−9)
−4·I1 + 19·I2 = −9
Resolva
Δ = (6)(19) − (−4)(−4) = 98
I1 = Δ1/Δ = 135/98 = 1,378 A
I2 = Δ2/Δ = −18/98 = −0,1837 A
Resposta
I2 = −0,1837 A
Uma corrente de malha negativa flui no sentido anti-horário.
6.Análise de malhas
Resposta: I1 = 3,114 A
Análise de malhas: dê a cada janela de um circuito planar sua própria corrente de laço, escreva a lei das tensões de Kirchhoff em cada laço (soma das quedas = soma das elevações) e resolva. As correntes de ramo são a corrente de malha, ou a diferença de duas correntes de malha em um ramo compartilhado.
Defina as correntes de malha
Desenhe uma corrente no sentido horário em cada janela: I1, I2, I3. Um resistor compartilhado por duas malhas conduz a diferença entre suas correntes.
LKT na malha 1
No sentido horário, as quedas de tensão nos resistores são iguais às elevações de tensão das fontes (de − para + no sentido do percurso).
R1·I1 + R4(I1 − I2) = V1
6·I1 + 2(I1 − I2) = 24
8·I1 − 2·I2 = 24
LKT na malha 2
No sentido horário, as quedas de tensão nos resistores são iguais às elevações de tensão das fontes (de − para + no sentido do percurso).
R2·I2 + R4(I2 − I1) + R5(I2 − I3) = 0
4·I2 + 2(I2 − I1) + 6(I2 − I3) = 0
−2·I1 + 12·I2 − 6·I3 = 0
LKT na malha 3
No sentido horário, as quedas de tensão nos resistores são iguais às elevações de tensão das fontes (de − para + no sentido do percurso).
R3·I3 + R5(I3 − I2) = −V2
12·I3 + 6(I3 − I2) = (−5)
−6·I2 + 18·I3 = −5
Resolva
Δ = determinante da matriz de coeficientes = 1368
I1 = Δ1/Δ = 4260/1368 = 3,114 A
I2 = Δ2/Δ = 624/1368 = 0,4561 A
I3 = Δ3/Δ = −172/1368 = −0,1257 A
Resposta
I1 = 3,114 A
Uma corrente de malha negativa flui no sentido anti-horário.
7.Superposição
Resposta: IR3 = −0,1538 A
Superposição: em um circuito linear, qualquer tensão ou corrente é a soma das respostas a cada fonte independente agindo sozinha. Para desligar uma fonte, substitua uma fonte de tensão ideal por um curto-circuito e uma fonte de corrente ideal por um circuito aberto. Os resistores ficam onde estão.
Caso 1 · V1 agindo sozinha
Iₛ vira um circuito aberto, então R₃ e R₄ formam um único ramo em série de A ao terra, em paralelo com R₂.
Um resultado negativo significa que, na verdade, a corrente flui contra a seta.
8.Superposição
Resposta: IR2 = −0,6346 A
Superposição: em um circuito linear, qualquer tensão ou corrente é a soma das respostas a cada fonte independente agindo sozinha. Para desligar uma fonte, substitua uma fonte de tensão ideal por um curto-circuito e uma fonte de corrente ideal por um circuito aberto. Os resistores ficam onde estão.
Caso 1 · V1 agindo sozinha
V₂ vira um curto e Iₛ um circuito aberto. Visto de A, R₃ está em paralelo com o par em série R₂+R₄.
Um resultado negativo significa que, na verdade, a corrente flui contra a seta.
9.Thévenin e Norton
Resposta: Vth = 12,86 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.
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 = 4·3/(4+3) = 1,714 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,714 + 8 = 9,714 Ω
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) = 30·3/(4+3) = 12,86 V
10.Thévenin e Norton
Resposta: IL = −0,9613 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 = 25·5/(25+5) = 4,167 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 4,167 + 6 = 10,17 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) = 1,5 + (−3)·4,167 = −11 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = −11 + (−3)·6 = −29 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) = −29/(10,17 + 20) = −0,9613 A
11.Transitórios RC e RL
Resposta: τ = 319,7 ms
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.
Equivalente de Thévenin visto pelo capacitor
Coloque a fonte em curto para encontrar Rth; abra o capacitor para encontrar a tensão em que ele vai se estabilizar.
Rth = R1 ∥ R2 = 10·4,7/(10 + 4,7) = 3,197 kΩ
vC(∞) = 9·4,7/(10 + 4,7) = 2,878 V
Constante de tempo
τ = Rth·C = 3,197·100 = 319,7 ms
Resposta
τ = 319,7 ms
12.Transitórios RC e RL
Resposta: C = 0,2728 µF
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
7,2 = 12·(1 − e−25/τ) → τ = 25/ln(12/(12 − 7,2))
τ = 25/0,9163 = 27,28 ms
Capacitância
kΩ vezes µF dá milissegundos.
C = τ/R = 27,28/100 = 0,2728 µF
Resposta
C = 0,2728 µF
13.Impedância CA e fasores
Resposta: I = 0,0431 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·1000 = 6283 rad/s
XL = ωL = 6283·0,1 = 628,3 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(6283·2,2·10⁻⁶) = 72,34 Ω
Impedância
Em série as impedâncias se somam como números complexos: Z = R + j(XL − XC).
A mesma corrente passa por todos os elementos de um circuito série.
I = V/|Z| = 24/556,8 = 0,0431 A
Resposta
I = 0,0431 A
14.Impedância CA e fasores
Resposta: I = 0,03739 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·500 = 3142 rad/s
XL = ωL = 3142·0,25 = 785,4 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(3142·2,2·10⁻⁶) = 144,7 Ω
Impedância
Em série as impedâncias se somam como números complexos: Z = R + j(XL − XC).
A mesma corrente passa por todos os elementos de um circuito série.
I = V/|Z| = 24/642 = 0,03739 A
Resposta
I = 0,03739 A
15.Potência CA e fator de potência
Resposta: X = 4,961 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 = 1440/16² = 5,625 Ω
Reatância pela impedância
|Z| = V/I = 120/16 = 7,5 Ω
X = √(|Z|² − R²) = √(7,5² − 5,625²) = 4,961 Ω
Resposta
X = 4,961 Ω
16.Potência CA e fator de potência
Resposta: ΔP = 46,97 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 = 115·tan(arccos 0,7) = 117,3 kvar
Maior potência ativa total
Na potência nominal S = Smax, e Q não é alterada pela carga resistiva.
P = √(Smax² − Q1²) = √(200² − 117,3²) = 162 kW
Potência ativa adicional
ΔP = 162 − 115 = 46,97 kW
Resposta
ΔP = 46,97 kW
17.Potência trifásica
Resposta: IL = 141,5 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 = 75/0,9 = 83,33 kW
Corrente de linha
IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 83333/(√3·400·0,85) = 141,5 A
Resposta
IL = 141,5 A
18.Potência trifásica
Resposta: Cph = 453,4 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 = 150·tan(acos 0,8) = 150·0,75 = 112,5 kvar
Q2 = 150·tan(acos 0,98) = 150·0,2031 = 30,46 kvar
Potência reativa dos capacitores
QC = Q1 − Q2 = 82,04 kvar
Capacitância por fase
Em um banco em Δ cada capacitor está ligado entre duas linhas.
V = 400 V, ω = 2π·60 = 377 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 27347/(377·400²) = 453,4 µF
Resposta
Cph = 453,4 µF
19.Transformadores
Resposta: R1′ = 675 Ω
Transformador ideal: as tensões estão na razão das espiras e as correntes na razão inversa: V₁/V₂ = N₁/N₂ = a e I₁/I₂ = N₂/N₁ = 1/a, então a potência de entrada é igual à de saída, V₁·I₁ = V₂·I₂. Uma impedância de carga Z no secundário aparece como a²·Z vista do primário.
Resistência referida
A tensão aumenta por um fator a e a corrente diminui por um fator a, então a razão V/I aumenta por a².
R1′ = a²·RL = 3²·75 = 675 Ω
Resposta
R1′ = 675 Ω
20.Transformadores
Resposta: Ploss = 243,8 W
Perdas no transformador: as perdas no núcleo (histerese e correntes parasitas) dependem da tensão e são as mesmas em qualquer carga. As perdas no cobre dos enrolamentos variam com o quadrado da corrente, então a uma fração x da carga nominal valem x²·Pcu,fl. Rendimento η = Pout/(Pout + Pcore + Pcu), com Pout = x·S·pf. O rendimento é máximo na carga em que as perdas no cobre são iguais às perdas no núcleo.
Perdas no cobre nesta carga
Pcu = x²·Pcu,fl = 0,25·375 = 93,75 W
Perdas totais
As perdas no núcleo são as mesmas em qualquer carga.
Ploss = 150 + 93,75 = 243,8 W
Resposta
Ploss = 243,8 W
O rendimento nesta carga é η = 97,88%.
21.Circuitos com amplificadores operacionais
Resposta: Vout = −0,43 V
Regras do amplificador operacional ideal: com realimentação negativa, o amplificador ajusta sua saída para que as duas entradas fiquem na mesma tensão (V₋ = V₊), e nenhuma corrente entra em qualquer entrada. Escrever a LKC na entrada inversora com esses dois fatos dá a saída.
Tensão nas entradas
R₃ e R₄ conduzem a mesma corrente, então formam um divisor de tensão; a realimentação faz V₋ = V₊.
Regras do amplificador operacional ideal: com realimentação negativa, o amplificador ajusta sua saída para que as duas entradas fiquem na mesma tensão (V₋ = V₊), e nenhuma corrente entra em qualquer entrada. Escrever a LKC na entrada inversora com esses dois fatos dá a saída.
Correntes de entrada
V₋ = 0, então cada resistor de entrada tem toda a sua tensão de entrada sobre ele.
I1 = V1/R1 = −0,5/22 = −0,02273 mA
I2 = V2/R2 = −1,4/4,7 = −0,2979 mA
If = I1 + I2 = −0,3206 mA
Tensão de saída
Vout = −Rf·If = −1·(−0,3206) = 0,3206 V
Resposta
Vout = 0,3206 V
23.Diodos e transistores
Resposta: VCE = 5,739 V
Ponto de polarização do TBJ: na região ativa VBE = 0,7 V, IC = β·IB e IE = (β + 1)·IB. Encontre IB pela malha da base com a LKT, depois IC e então VCE pela malha coletor–emissor. Um divisor de tensão na base é substituído por seu equivalente de Thévenin VTH = VCC·R₂/(R₁ + R₂), RTH = R₁∥R₂; um resistor de emissor aparece (β + 1) vezes maior na malha da base.
Corrente de base
IB = (VCC − VBE)/RB = (9 − 0,7)/560 kΩ = 14,82 µA
Corrente de coletor
IC = β·IB = 100·14,82 µA = 1,482 mA
Tensão coletor–emissor
VCE = 9 − 1,482 mA·2,2 kΩ = 5,739 V
Resposta
VCE = 5,739 V
24.Diodos e transistores
Resposta: RB = 1,005 kΩ
TBJ como chave: para ligar totalmente uma carga, o transistor é levado à saturação, onde VCE = VCE(sat) e a corrente de coletor é definida pela carga: IC(sat) = (VCC − VCE(sat))/RC. A saturação exige no mínimo IB = IC(sat)/β. Se a corrente de base for menor, o transistor permanece na região ativa e IC = β·IB.
Corrente de coletor na saturação
IC(sat) = (9 − 0,2)/680 = 12,94 mA
Corrente de base mínima
IB(min) = IC(sat)/β = 12,94/50 = 258,8 µA
Corrente de base de projeto
IB = 10·258,8 µA = 2588 µA
Resistor de base
RB = (3,3 − 0,7)/IB = 2,6 V/2,588 mA = 1,005 kΩ
Resposta
RB = 1,005 kΩ
25.Sistemas de numeração
Resposta: U = 228
Sistemas de numeração posicionais: cada algarismo vale o seu valor vezes uma potência da base. Em binário as posições valem 1, 2, 4, 8, 16, …; em hexadecimal 1, 16, 256, …, com A–F para 10–15. No complemento para dois de 8 bits, o bit da esquerda vale −128 em vez de +128; é assim que se guardam os números negativos.
Inverter e somar um
28 = 0001 1100
invertido: 1110 0011
+1 → 1110 0100
Ler sem sinal
1110 0100₂ = 256 − 28 = 228
Resposta
U = 228
26.Sistemas de numeração
Resposta: b = 12 bit
Sistemas de numeração posicionais: cada algarismo vale o seu valor vezes uma potência da base. Em binário as posições valem 1, 2, 4, 8, 16, …; em hexadecimal 1, 16, 256, …, com A–F para 10–15. No complemento para dois de 8 bits, o bit da esquerda vale −128 em vez de +128; é assim que se guardam os números negativos.
Potências de dois
211 = 2048 < 2581
212 = 4096 ≥ 2581
Resposta
b = 12
27.Lógica digital: portas, mapas de Karnaugh e flip-flops
Resposta: N = 2
Mapas de Karnaugh: as células são ordenadas em código Gray (00, 01, 11, 10), de modo que células vizinhas, inclusive as que ficam nas bordas opostas, diferem em exatamente uma variável. Agrupe os 1s em retângulos de 1, 2, 4, 8 ou 16 células, o maior possível e o menor número possível, até que todo 1 esteja coberto. Cada grupo é um termo produto: as variáveis que permanecem constantes dentro dele. Um grupo de 2ᵏ células perde k variáveis. As condições irrelevantes (X) podem ser usadas para aumentar grupos, mas nunca precisam ser cobertas. Agrupar os 0s dá a forma POS mínima.
Agrupe os 0s
Todo grupo é um retângulo de 2ᵏ células; as células das bordas são vizinhas das células da borda oposta.
(B + C)
(A + B′ + C′)
Forma POS mínima
F = (B + C)(A + B′ + C′)
N = 2
Resposta
N = 2
28.Lógica digital: portas, mapas de Karnaugh e flip-flops
Resposta: Q = 7
Flip-flops e contadores: um flip-flop muda apenas na borda ativa do clock. D copia a sua entrada (Q⁺ = D); T inverte quando T = 1; JK mantém para 00, zera para 01, seta para 10 e inverte para 11. Um contador binário de n bits tem 2ⁿ estados e conta módulo 2ⁿ; um contador módulo N conta 0, 1, …, N − 1 e volta a 0, e precisa de flip-flops em número igual ao menor n com 2ⁿ ≥ N. Cada estágio de um contador assíncrono (ripple) divide a frequência por dois, de modo que a última saída de um contador módulo N funciona a fclk/N. Um contador Johnson de n flip-flops tem 2n estados, um contador em anel n.
Ciclos completos
A cada 11 pulsos o contador volta ao mesmo estado.
37 = 3·11 + 4
Contagem após os pulsos restantes
Q = (3 + 4) mod 11 = 7
Q = 0111₂
Resposta
Q = 7
29.Transformadas de Laplace
Resposta: f(0.1) = 1,746
Transformada de Laplace: F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt transforma derivadas em multiplicações por s: ℒ{f′} = sF(s) − f(0), ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0). Pares usuais: 1 ↔ 1/s, e−at ↔ 1/(s + a), t·e−at ↔ 1/(s + a)², sin ωt ↔ ω/(s² + ω²), cos ωt ↔ s/(s² + ω²), e um deslocamento s → s + σ multiplica a função do tempo por e−σt. Para inverter uma F(s) racional, decomponha-a em frações parciais: o resíduo de um polo simples p é A = [(s − p)·F(s)] em s = p. Teorema do valor final: f(∞) = lims→0 s·F(s), válido apenas quando todos os polos de s·F(s) estão no semiplano esquerdo. Teorema do valor inicial: f(0⁺) = lims→∞ s·F(s).
Transformada de Laplace: F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt transforma derivadas em multiplicações por s: ℒ{f′} = sF(s) − f(0), ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0). Pares usuais: 1 ↔ 1/s, e−at ↔ 1/(s + a), t·e−at ↔ 1/(s + a)², sin ωt ↔ ω/(s² + ω²), cos ωt ↔ s/(s² + ω²), e um deslocamento s → s + σ multiplica a função do tempo por e−σt. Para inverter uma F(s) racional, decomponha-a em frações parciais: o resíduo de um polo simples p é A = [(s − p)·F(s)] em s = p. Teorema do valor final: f(∞) = lims→0 s·F(s), válido apenas quando todos os polos de s·F(s) estão no semiplano esquerdo. Teorema do valor inicial: f(0⁺) = lims→∞ s·F(s).
Transforme a equação
s²Y − (−8)s − 10 + 3(sY − (−8)) + 2Y = 0
Y(s) = (−8s − 14)/((s + 1)(s + 2))
Frações parciais
A = −6/1 = −6
B = 2/(−1) = −2
Resultado
y(t) = −6·e−t − 2·e−2t
y(0,4) = −4,921
Resposta
y(0,4) = −4,921
Verificação: y(0) = A + B = −8.
31.Diagramas de blocos
Resposta: K = 0,25
Álgebra de diagramas de blocos: blocos em série se multiplicam (G₁·G₂), blocos em paralelo se somam (G₁ + G₂), e uma malha com caminho direto G e caminho de realimentação H se reduz a T = G/(1 + G·H) para realimentação negativa e G/(1 − G·H) para realimentação positiva. Reduza primeiro as malhas internas e depois avance para fora. Os polos de malha fechada são as raízes da equação característica 1 + G(s)H(s) = 0. Para uma malha estável, uma entrada em degrau de tamanho A dá a saída em regime permanente A·T(0); com realimentação unitária, o erro em regime permanente para um degrau é A/(1 + Kp) com Kp = G(0).
Um polinômio s² + βs + γ tem uma raiz dupla quando β² = 4γ.
19² = 4(90 + K) → K = 361/4 − 90 = 0,25
Resposta
K = 0,25
Os dois polos de malha fechada ficam então em s = −9,5.
32.Diagramas de blocos
Resposta: css = 1,875
Álgebra de diagramas de blocos: blocos em série se multiplicam (G₁·G₂), blocos em paralelo se somam (G₁ + G₂), e uma malha com caminho direto G e caminho de realimentação H se reduz a T = G/(1 + G·H) para realimentação negativa e G/(1 − G·H) para realimentação positiva. Reduza primeiro as malhas internas e depois avance para fora. Os polos de malha fechada são as raízes da equação característica 1 + G(s)H(s) = 0. Para uma malha estável, uma entrada em degrau de tamanho A dá a saída em regime permanente A·T(0); com realimentação unitária, o erro em regime permanente para um degrau é A/(1 + Kp) com Kp = G(0).
Funções de transferência
C/D = G/(1 + K·G) = 6/(s + 2 + 30)
Regime permanente
css = 10·6/32 = 1,875
Resposta
css = 1,875
Um K maior reduz o efeito da perturbação, mas nunca a zero com um controlador proporcional.
33.Resposta ao degrau
Resposta: σ = −5,5
Resposta ao degrau: um sistema de primeira ordem G(s) = K/(τs + 1) responde a um degrau de tamanho U com y(t) = K·U·(1 − e−t/τ): ele atinge 63,2 % do valor final K·U após uma constante de tempo τ e 98 % após 4τ. Um sistema de segunda ordem G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) tem os polos s = −ζωₙ ± jωd com ωd = ωₙ√(1 − ζ²). Para 0 < ζ < 1 a resposta ao degrau tem sobressinal: sobressinal percentual %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), tempo de pico tp = π/ωd e tempo de acomodação de 2 % ts ≈ 4/(ζωₙ). Compare o denominador com s² + 2ζωₙs + ωₙ² para obter ωₙ e ζ. Para um sistema massa–mola–amortecedor, ωₙ = √(k/m) e ζ = c/(2√(km)); para um circuito RLC série, ωₙ = 1/√(LC) e ζ = (R/2)·√(C/L).
Compare com a forma padrão
O denominador deve coincidir com s² + 2ζωₙs + ωₙ².
ωₙ² = 77 → ωₙ = 8,775 rad/s
2ζωₙ = 11 → ζ = 11/(2·8,775) = 0,6268
Resultado
σ = −ζωₙ = −11/2 = −5,5
Resposta
σ = −5,5
34.Resposta ao degrau
Resposta: tp = 5,829 ms
Resposta ao degrau: um sistema de primeira ordem G(s) = K/(τs + 1) responde a um degrau de tamanho U com y(t) = K·U·(1 − e−t/τ): ele atinge 63,2 % do valor final K·U após uma constante de tempo τ e 98 % após 4τ. Um sistema de segunda ordem G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) tem os polos s = −ζωₙ ± jωd com ωd = ωₙ√(1 − ζ²). Para 0 < ζ < 1 a resposta ao degrau tem sobressinal: sobressinal percentual %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), tempo de pico tp = π/ωd e tempo de acomodação de 2 % ts ≈ 4/(ζωₙ). Compare o denominador com s² + 2ζωₙs + ωₙ² para obter ωₙ e ζ. Para um sistema massa–mola–amortecedor, ωₙ = √(k/m) e ζ = c/(2√(km)); para um circuito RLC série, ωₙ = 1/√(LC) e ζ = (R/2)·√(C/L).
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.
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/8)·(ω/9) = 1 → ω180 = √(8·9) = 8,485 rad/s
Resposta
ω180 = 8,485 rad/s
37.Estabilidade: Routh–Hurwitz e lugar das raízes
Resposta: Kmin = 4
Critério de Routh–Hurwitz: um sistema linear é estável quando todas as raízes do seu polinômio característico estão no semiplano esquerdo do plano s. Escreva os coeficientes alternadamente nas duas primeiras linhas da tabela de Routh. Cada elemento de uma nova linha vem das duas linhas acima; para um polinômio cúbico a₃s³ + a₂s² + a₁s + a₀ o elemento de s¹ é b₁ = (a₂·a₁ − a₃·a₀)/a₂. O número de trocas de sinal na primeira coluna é igual ao número de raízes no semiplano direito. Com um ganho K nos coeficientes, todos os elementos da primeira coluna devem permanecer positivos: o ganho que anula o elemento de s¹ é o limite de estabilidade, e a linha s² dá então a frequência da oscilação sustentada.
Para s² + c₁s + c₀, todas as raízes estão no semiplano esquerdo exatamente quando c₁ > 0 e c₀ > 0.
-2 + K > 0 → K > 2
2K − 8 > 0 → K > 4
Kmin = 4
Resposta
Kmin = 4
38.Estabilidade: Routh–Hurwitz e lugar das raízes
Resposta: K = 16
Lugar das raízes: quando o ganho K vai de 0 a ∞, os polos de malha fechada, as raízes de 1 + K·G(s) = 0, movem-se dos polos de malha aberta para os zeros de malha aberta ou para o infinito. Um ponto do eixo real pertence ao lugar das raízes quando o número de polos e zeros reais à sua direita é ímpar. Os n − m ramos que vão ao infinito seguem assíntotas nos ângulos (2q + 1)·180°/(n − m), que partem do centroide σₐ = (Σ polos − Σ zeros)/(n − m). Os ramos saem do eixo real ou chegam a ele onde dK/ds = 0. A condição de ângulo ∠G(s) = 180° fixa a forma, e a condição de módulo K = 1/|G(s)| dá o ganho em qualquer ponto do lugar das raízes.
Ponto de saída
dK/ds = 0 para K = −(s + 3)(s + 11) dá 2s + 14 = 0.
sb = −7
Condição de módulo
K = |−7 + 3|·|−7 + 11| = 4·4 = 16
Resposta
K = 16
Para este ganho a malha fechada é criticamente amortecida (ζ = 1).
39.Erro em regime permanente e controle PID
Resposta: ess = 0,06667
Erro em regime permanente: em uma malha com realimentação unitária e função de transferência de malha aberta G(s), o erro é E(s) = R(s)/(1 + G(s)), e pelo teorema do valor final ess = lims→0 s·E(s). O tipo do sistema é o número de polos de G(s) em s = 0. As constantes de erro são Kp = lim G(s), Kv = lim s·G(s) e Ka = lim s²·G(s), todas para s → 0. Um degrau de tamanho A dá ess = A/(1 + Kp), uma rampa A·t dá A/Kv e uma parábola A·t²/2 dá A/Ka. Uma malha do tipo 0 segue um degrau com erro finito, uma malha do tipo 1 o segue exatamente e segue uma rampa com erro finito.
Constante de aceleração
Ka = 5·3/2 = 7,5
Erro de parábola
ess = 0,5/7,5 = 0,06667
Resposta
ess = 0,06667
40.Erro em regime permanente e controle PID
Resposta: %OS = 35,09 %
Controle P, PI e PID: o controlador C(s) = Kp + Ki/s + Kd·s atua sobre o erro. Um ganho proporcional torna a malha mais rápida e reduz o erro de uma planta do tipo 0, mas nunca o elimina. O termo integral acrescenta um polo em s = 0: o tipo do sistema sobe uma unidade, e um degrau é seguido sem erro. O termo derivativo acrescenta amortecimento. Para escolher os ganhos, escreva o polinômio característico de malha fechada e compare-o com s² + 2ζωns + ωn². Então %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), tp = π/ωd com ωd = ωn√(1 − ζ²), e ts ≈ 4/(ζωn).
Polinômio característico
s(s + 10) + 25·10 = s² + 10s + 250
ωₙ e ζ
ωₙ = √250 = 15,81 rad/s
ζ = 10/(2·15,81) = 0,3162
Sobressinal
%OS = 100·e−0,3162π/√(1 − 0,3162²) = 35,09 %
Resposta
%OS = 35,09 %
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