Preparação para o exame FE Electrical and Computer: pacote de revisão

Formulários, as principais etapas dos métodos de cada tópico e 40 exercícios, com soluções completas no final.

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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

  1. Comece pela extremidade da rede mais distante dos terminais.
  2. Combine resistores em série somando-os, e resistores em paralelo com 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …
  3. Redesenhe o circuito após cada passo.
  4. 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

  1. Escolha um nó de referência (terra) e nomeie as tensões dos outros nós.
  2. Escreva a lei das correntes de Kirchhoff em cada nó desconhecido: as correntes que saem por cada ramo são iguais às correntes que entram.
  3. Expresse cada corrente de ramo como (Va − Vb)/R.
  4. 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

  1. Desenhe uma corrente no sentido horário em cada malha (janela) do circuito.
  2. Aplique a lei das tensões de Kirchhoff em cada malha: a soma das quedas de tensão é zero.
  3. Em um resistor compartilhado por duas malhas, a corrente é a diferença entre as duas correntes de malha.
  4. 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

  1. Conte as fontes independentes. Você vai resolver um circuito mais simples por fonte.
  2. 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).
  3. Resolva o circuito mais simples para a tensão ou corrente de que você precisa, prestando atenção ao seu sentido.
  4. 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

  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.

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.

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)

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

  1. 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.
  2. 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.
  3. 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.
  4. 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

  1. Escreva o polinômio característico de malha fechada: o denominador de 1 + K·G(s) = 0, desenvolvido.
  2. Coloque os coeficientes alternadamente nas duas primeiras linhas da tabela de Routh e construa as demais linhas.
  3. 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.
  4. 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

  1. Conte os polos da malha aberta C(s)·G(s) em s = 0: esse é o tipo do sistema.
  2. Calcule a constante de erro que corresponde à entrada: Kp para um degrau, Kv para uma rampa, Ka para uma parábola.
  3. Aplique ess = A/(1 + Kp), A/Kv ou A/Ka, ou resolva-a para o ganho de que você precisa.
  4. 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
R1​ = 6 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​30 VR2​15 ΩAR4​6 ΩB

Encontre a resistência equivalente Req vista pela fonte V1.

V1 = 30 VR1 = 6 ΩR2 = 15 ΩR3 = 15 ΩR4 = 6 Ω
Req = Ω
2.Resistores em série e paraleloDifícil
R1​ = 8 ΩR3​ = 12 ΩR5​ = 8 Ω+−V1​6 VR2​12 ΩAR4​8 ΩBR6​6 Ω

Encontre a resistência equivalente Req vista pela fonte V1.

V1 = 6 VR1 = 8 ΩR2 = 12 ΩR3 = 12 ΩR4 = 8 ΩR5 = 8 ΩR6 = 6 Ω
Req = Ω
3.Análise nodalMédia
R1​ = 10 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​30 VR2​15 ΩAR4​2 ΩBIs​5 A

Use análise nodal para encontrar a tensão de nó VB (medida em relação ao terra).

V1 = 30 VIs = 5 AR1 = 10 ΩR2 = 15 ΩR3 = 3 ΩR4 = 2 Ω
VB = V
4.Análise nodalDifícil
R1​ = 20 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​30 VR2​30 ΩAR4​3 ΩB0,25·VA​

O losango é uma fonte de corrente controlada por tensão que injeta uma corrente de 0,25·VA (em A, com VA em V) para cima no nó B. Use análise nodal para encontrar a tensão de nó VB (medida em relação ao terra).

V1 = 30 VR1 = 20 ΩR2 = 30 ΩR3 = 15 ΩR4 = 3 Ωg = 0,25 A/V
VB = V
5.Análise de malhasMédia
R1​ = 4 ΩR2​ = 8 Ω+−V1​9 VR3​15 Ω+−VR3​A+−V2​15 VI1​I2​

Use análise de malhas para encontrar a tensão VR3 sobre R3 com a polaridade indicada.

V1 = 9 VV2 = 15 VR1 = 4 ΩR2 = 8 ΩR3 = 15 Ω
VR3 = V
6.Análise de malhasDifícil
R1​ = 3 ΩR2​ = 15 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​15 VR4​5 ΩAR5​10 ΩIR5​B+−V2​10 VI1​I2​I3​

Use análise de malhas para encontrar a corrente IR5 em R5 no sentido da seta.

V1 = 15 VV2 = 10 VR1 = 3 ΩR2 = 15 ΩR3 = 4 ΩR4 = 5 ΩR5 = 10 Ω
IR5 = A
7.SuperposiçãoMédia
R1​ = 5 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​24 VR2​4 ΩIR2​AR4​20 ΩBIs​1,5 A

Use superposição para encontrar a corrente IR2 em R2 no sentido da seta.

V1 = 24 VIs = 1,5 AR1 = 5 ΩR2 = 4 ΩR3 = 20 ΩR4 = 20 Ω
IR2 = A
8.SuperposiçãoDifícil
R1​ = 30 ΩR2​ = 6 ΩR4​ = 4 ΩIR4​+−V1​15 VR3​20 ΩAIs​2 AB+−V2​15 V

Use superposição para encontrar a potência PR4 absorvida por R4.

V1 = 15 VIs = 2 AV2 = 15 VR1 = 30 ΩR2 = 6 ΩR3 = 20 ΩR4 = 4 Ω
PR4 = W
9.Thévenin e NortonMédia
R1​ = 2 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​9 VR2​20 ΩAab

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

V1 = 9 VR1 = 2 ΩR2 = 20 ΩR3 = 6 Ω
IN = A
10.Thévenin e NortonDifícil
R1​ = 30 ΩR3​ = 30 Ω+−V1​15 VR2​30 ΩAIs​2 ABab

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

V1 = 15 VIs = 2 AR1 = 30 ΩR2 = 30 ΩR3 = 30 Ω
IN = A
11.Transitórios RC e RLMédia
+−Vs​9 Vt = 0R = 15 ΩL220 mHi(t)

O indutor não conduz corrente antes de a chave fechar em t = 0. Encontre a energia W armazenada no indutor em t = 10 ms, em mJ.

Vs = 9 VR = 15 ΩL = 220 mHt = 10 ms
W = mJ
12.Transitórios RC e RLDifícil
+−Vs​6 Vabre em t = 0R1​ = 2,2 kΩR2​ = 3,3 kΩC220 µF+−vC​

A chave está fechada há muito tempo, então o circuito está em regime permanente. Em t = 0 a chave abre. Encontre a tensão no capacitor vC em t = 750 ms.

Vs = 6 VR1 = 2,2 kΩR2 = 3,3 kΩC = 220 µFt = 750 ms
vC = V
13.Impedância CA e fasoresMédia
120 V500 HzR = 40 ΩL = 250 mHC = 10 µF

Um circuito RLC série está ligado a uma fonte de 120 V (rms), 500 Hz. Encontre o ângulo de fase φ da impedância, em graus (positivo quando a corrente está atrasada em relação à tensão).

V = 120 V (rms)f = 500 HzR = 40 ΩL = 250 mHC = 10 µF
φ = °
14.Impedância CA e fasoresDifícil
VfR = 100 ΩL = 5 mHC = 0,1 µF

Um circuito RLC série tem R = 100 Ω, L = 5 mH e C = 0,1 µF. Encontre sua largura de banda B (a largura da faixa entre as frequências de meia potência), em Hz.

R = 100 ΩL = 5 mHC = 0,1 µF
B = Hz
15.Potência CA e fator de potênciaMédia
400 V127 kW, 0,8526 kW, 1I

Duas cargas estão ligadas em paralelo a uma fonte monofásica de 400 V: uma carga de 27 kW com fator de potência 0,85 indutivo e um aquecedor de 6 kW (fator de potência unitário). Encontre o fator de potência global cos φ visto pela fonte.

V = 400 VP1 = 27 kW, pf1 = 0,85 indutivoP2 = 6 kW, pf2 = 1
cos φ =
16.Potência CA e fator de potênciaDifícil
P = 15 kWQ1​S1​φ1​QC​

Uma carga monofásica consome 15 kW com fator de potência 0,6 indutivo de uma fonte de 240 V, 50 Hz. Um capacitor ligado em paralelo eleva o fator de potência para 0,9. Encontre a capacitância C necessária.

P = 15 kWpf1 = 0,6pf2 = 0,9V = 240 Vf = 50 Hz
C = µF
17.Potência trifásicaMédia
ABCVL​ = 480 VNZ = 24 + j18 Ωpor fase

Uma carga equilibrada ligada em Y com impedância de 24 + j18 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 = 24 + j18 Ω por fase
P = kW
18.Potência trifásicaDifícil
P = 120 kWφ1​S1​Q2​QC​

Uma carga trifásica equilibrada consome 120 kW com fator de potência 0,7 indutivo de uma alimentação de 415 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 = 120 kWpf1 = 0,7pf2 = 0,98VL = 415 Vf = 60 Hz
Cph = µF
19.TransformadoresMédia
10000 V400 VIHV​ = ?ILV​15 kVA

Um transformador monofásico de 15 kVA, 10000/400 V opera na carga nominal. Considere-o ideal. Encontre a corrente IHV no enrolamento de alta tensão.

S = 15 kVAV1 = 10000 VV2 = 400 V
IHV = A
20.TransformadoresDifícil
250 kVA

Um transformador monofásico de 250 kVA tem perdas no núcleo de 1500 W e perdas no cobre de 4500 W na carga nominal. Em que carga Sη,max, em kVA, o seu rendimento é máximo?

S = 250 kVAPcore = 1500 WPcu,fl = 4500 W
Sη,max = kVA
21.Circuitos com amplificadores operacionaisMédia
−+Vout​Rf​ = 47 kΩR1​ = 2 kΩVin​

O amplificador operacional é ideal e alimentado com ±15 V; sua saída satura em ±14 V. O amplificador não inversor é alimentado por uma onda senoidal. Encontre a maior amplitude de entrada Vin,max (valor de pico) para a qual a saída não é ceifada.

R1 = 2 kΩRf = 47 kΩVsat = ±14 V
Vin,max = V
22.Circuitos com amplificadores operacionaisDifícil
−+Vout​R2​ = 2 kΩV1​ = 0,1 VR1​ = 22 kΩV2​ = −0,3 VR3​ = 10 kΩR4​ = 47 kΩ

O amplificador operacional é ideal e alimentado com ±15 V. As razões dos resistores não estão casadas. Encontre a tensão de saída Vout.

V1 = 0,1 VV2 = −0,3 VR1 = 22 kΩR2 = 2 kΩR3 = 10 kΩR4 = 47 kΩ
Vout = V
23.Diodos e transistoresMédia
RC​ = 1 kΩβ = 200RE​ = 1 kΩVCC​ = 18 VR1​ = 33 kΩR2​ = 8,2 kΩ

Um transistor NPN com β = 200 tem polarização por divisor de tensão a partir de VCC = 18 V: R₁ = 33 kΩ de VCC até a base e R₂ = 8,2 kΩ da base até o terra. O resistor de coletor é RC = 1 kΩ e o resistor de emissor é RE = 1 kΩ. Considere VBE = 0,7 V e use o equivalente de Thévenin do divisor (não despreze a corrente de base). Encontre a tensão coletor–emissor VCE.

VCC = 18 VR1 = 33 kΩR2 = 8,2 kΩRC = 1 kΩRE = 1 kΩβ = 200
VCE = V
24.Diodos e transistoresDifícil
RC​ = 150 Ωβ = 200IC​ = ?VCC​ = 24 V3,3 VRB​ = 220 kΩ

Um transistor NPN com β = 200 chaveia um resistor de carga de 150 Ω ligado entre VCC = 24 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 = 220 kΩ. Considere VBE = 0,7 V e VCE(sat) = 0,2 V. Encontre a corrente de coletor IC em mA quando a entrada está em nível alto. Decida primeiro se o transistor está saturado.

VCC = 24 VRC = 150 Ωβ = 200Vin = 3,3 VVBE = 0,7 VVCE(sat) = 0,2 VRB = 220 kΩ
IC = mA
25.Sistemas de numeraçãoMédia
pesos em complemento para dois1−12816413211608141201

O padrão de 8 bits 1111 0110 guarda um inteiro com sinal em complemento para dois. Qual é o seu valor N em decimal?

1111 01108 bit
N =
26.Sistemas de numeraçãoDifícil
clique nos bits para defini-los012806403201608040201

Defina os bits com o resultado de 8 bits de 0001 1110 >> 3. Qual é o valor R do resultado em decimal?

0001 1110>> 3
R =
27.Lógica digital: portas, mapas de Karnaugh e flip-flopsMédia
ABCD00011110000111101111

Neste mapa de Karnaugh exatamente um 1 não tem 1 vizinho, então permanece um grupo de uma célula (um mintermo completo de quatro literais) na forma SOP mínima. Os vizinhos através das bordas do mapa contam. Clique nessa célula.

F = Σm(0, 1, 4, 7)
  1. 1AB = 00, CD = 00
  2. 2AB = 00, CD = 01
  3. 3AB = 00, CD = 11
  4. 4AB = 00, CD = 10
  5. 5AB = 01, CD = 00
  6. 6AB = 01, CD = 01
  7. 7AB = 01, CD = 11
  8. 8AB = 01, CD = 10
  9. 9AB = 11, CD = 00
  10. 10AB = 11, CD = 01
  11. 11AB = 11, CD = 11
  12. 12AB = 11, CD = 10
  13. 13AB = 10, CD = 00
  14. 14AB = 10, CD = 01
  15. 15AB = 10, CD = 11
  16. 16AB = 10, CD = 10
28.Lógica digital: portas, mapas de Karnaugh e flip-flopsDifícil
CLKJK12345678

Um flip-flop JK acionado na borda de subida começa com Q = 0 e recebe as entradas mostradas em 8 bordas de subida do clock. Quantas vezes N Q muda de estado?

Q₀ = 0JK
N =
29.Transformadas de LaplaceMédia
t (s)f(t)t = 0,25f(0,25) = ?

Encontre f(t) para F(s) = 10/(s(s + 5)(s + 6)) por frações parciais e calcule f(0,25).

F(s) = 10/(s(s + 5)(s + 6))t = 0,25 s
f(0.25) =
30.Transformadas de LaplaceDifícil
t (s)y(t)t = 0,75y(0,75) = ?

Resolva y″ + 4y′ + 3y = 0 com y(0) = 1 e y′(0) = −9 usando a transformada de Laplace e encontre y(0,75).

y″ + 4y′ + 3y = 0y(0) = 1y′(0) = −9t = 0,75 s
y(0.75) =
31.Diagramas de blocosMédia
R(s)+27s + 3G(s)C(s)0,1H−

Uma planta G(s) = 27/(s + 3) é controlada em uma malha de realimentação negativa cujo sensor tem ganho H = 0,1. Encontre a constante de tempo τ da malha fechada.

G(s) = 27/(s + 3)H = 0,1
τ = s
32.Diagramas de blocosDifícil
R(s)+17controlador+D(s)+6s + 4plantaC(s)−

Um controlador proporcional K = 17 comanda a planta G(s) = 6/(s + 4) em uma malha de realimentação negativa unitária. Uma perturbação D entra na entrada da planta (é somada à saída do controlador). Um degrau de referência de tamanho 10 e um degrau de perturbação de tamanho 10 são aplicados juntos. Encontre a saída em regime permanente css.

K = 17G(s) = 6/(s + 4)D = 10R = 10
css =
33.Resposta ao degrauMédia
t (s)y(t)0,5tp​ = ?

Um sistema tem a função de transferência G(s) = 18,5/(s² + 2s + 37) e recebe uma entrada em degrau unitário. Encontre o tempo de pico tp da resposta ao degrau.

G(s) = 18,5/(s² + 2s + 37)
tp = s
34.Resposta ao degrauDifícil
t (s)y(t)1tp​ = 0,8 s20 %

A resposta ao degrau de um sistema de segunda ordem sem zeros mostra 20 % de sobressinal, e o primeiro pico ocorre em t = 0,8 s. Encontre a frequência natural ωn.

%OS = 20 %tp = 0,8 s
ωn = rad/s
35.Diagramas de Bode e margensMédia
vin​L = 100 mHR = 10 Ωvout​

O Filtro passa-baixas RL mostrado tem R = 10 Ω, L = 100 mH. Aplica-se uma entrada senoidal de 80 Hz. Encontre a defasagem φ de vout em relação a vin, em graus.

R = 10 ΩL = 100 mHf = 80 Hz
φ = °
36.Diagramas de Bode e margensDifícil
|H| (dB)0,10,1111010100100−60−40−200204060ω (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) = 30/(s(s + 2)). Encontre a margem de fase PM em graus.

L(s) = 30/(s(s + 2))
PM = °
37.Estabilidade: Routh–Hurwitz e lugar das raízesMédia
R(s)+K = 17,51s(s + 2)(s + 5)C(s)−

A malha do diagrama funciona com K = 17,5 e L(s) = K/(s(s + 2)(s + 5)). Por qual fator m o ganho pode ser aumentado antes que a malha fechada se torne instável?

L(s) = K/(s(s + 2)(s + 5))K = 17,5
m =
38.Estabilidade: Routh–Hurwitz e lugar das raízesDifícil
ReImζ = 0,4−5j5

O lugar das raízes de L(s) = K/(s(s + 5)) é mostrado. Encontre o ganho K para o qual os polos de malha fechada têm coeficiente de amortecimento ζ = 0,4.

L(s) = K/(s(s + 5))ζ = 0,4
K =
39.Erro em regime permanente e controle PIDMédia
R(s)+K(s + 2)(s + 5)C(s)−

Uma malha com realimentação unitária tem G(s) = K/((s + 2)(s + 5)). Encontre o ganho K que dá um erro em regime permanente de 4 % para uma entrada em degrau.

G(s) = K/((s + 2)(s + 5))ess = 4 %
K =
40.Erro em regime permanente e controle PIDDifícil
R(s)+Kp​ + Ki​/s4s + 5C(s)−

Um controlador PI C(s) = Kp + Ki/s controla a planta G(s) = 4/(s + 5) em uma malha com realimentação unitária. A malha fechada deve ter ωₙ = 8 rad/s e ζ = 0,6. Encontre o ganho integral Ki.

G(s) = 4/(s + 5)ωₙ = 8 rad/sζ = 0,6
Ki =

3Soluções

1.Resistores em série e paralelo

Resposta: Req = 14,75 Ω

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.

R1​ = 6 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​30 VR2​15 ΩAR4​6 ΩB

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 = 15 + 6 = 21 Ω
R2 ∥ 21 = 15·21/(15+21) = 8,75 Ω
Req = R1 + 8,75 = 6 + 8,75 = 14,75 Ω

Resposta

Req = 14,75 Ω
2.Resistores em série e paralelo

Resposta: Req = 15,05 Ω

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.

R1​ = 8 ΩR3​ = 12 ΩR5​ = 8 Ω+−V1​6 VR2​12 ΩAR4​8 ΩBR6​6 Ω

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 = 8 + 6 = 14 Ω
R4 ∥ 14 = 5,091 Ω
R3 + 5,091 = 17,09 Ω
R2 ∥ 17,09 = 7,05 Ω
Req = R1 + 7,05 = 8 + 7,05 = 15,05 Ω

Resposta

Req = 15,05 Ω
3.Análise nodal

Resposta: VB = 11,45 V

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.

R1​ = 10 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​30 VR2​15 ΩAR4​2 ΩBIs​5 A

Defina os nós

O terra é o fio de baixo. As tensões de nó conhecidas vêm direto das fontes (V1 = 30 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/R2 + (VA − V1)/R1 + (VA − VB)/R3 = 0
VA/15 + (VA − 30)/10 + (VA − VB)/3 = 0
0,5·VA − 0,3333·VB = 3

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/2 + (VB − VA)/3 = 5
−0,3333·VA + 0,8333·VB = 5

Resolva

Δ = (0,5)(0,8333) − (−0,3333)(−0,3333) = 0,3056
VA = Δ1/Δ = 4,167/0,3056 = 13,64 V
VB = Δ2/Δ = 3,5/0,3056 = 11,45 V

Resposta

VB = 11,45 V
4.Análise nodal

Resposta: VB = 12,21 V

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 − V1)/R1 + VA/R2 + (VA − VB)/R3 = 0
0,15·VA − 0,06667·VB = 1,5

LKC no nó B

A fonte dependente injeta g·VA no nó B. Trate-a como uma fonte independente e depois passe o termo em VA para o lado esquerdo.

(VB − VA)/R3 + VB/R4 = 0,25·VA
−0,3167·VA + 0,4·VB = 0

Resolva

Δ = (0,15)(0,4) − (−0,06667)(−0,3167) = 0,03889
VA = Δ1/Δ = 0,6/0,03889 = 15,43 V
VB = Δ2/Δ = 0,475/0,03889 = 12,21 V

Resposta

VB = 12,21 V
5.Análise de malhas

Resposta: VR3 = 9,34 V

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.

R1​ = 4 ΩR2​ = 8 Ω+−V1​9 VR3​15 ΩA+−V2​15 VI1​I2​

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
4·I1 + 15(I1 − I2) = 9
19·I1 − 15·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
8·I2 + 15(I2 − I1) = (−15)
−15·I1 + 23·I2 = −15

Resolva

Δ = (19)(23) − (−15)(−15) = 212
I1 = Δ1/Δ = −18/212 = −0,08491 A
I2 = Δ2/Δ = −150/212 = −0,7075 A

Resposta

IR3 = I1 − I2 = 0,6226 A
VR3 = IR3·R3 = 0,6226·15 = 9,34 V

Uma corrente de malha negativa flui no sentido anti-horário.

6.Análise de malhas

Resposta: IR5 = 0,7466 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.

R1​ = 3 ΩR2​ = 15 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​15 VR4​5 ΩAR5​10 ΩB+−V2​10 VI1​I2​I3​

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
3·I1 + 5(I1 − I2) = 15
8·I1 − 5·I2 = 15

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
15·I2 + 5(I2 − I1) + 10(I2 − I3) = 0
−5·I1 + 30·I2 − 10·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
4·I3 + 10(I3 − I2) = (−10)
−10·I2 + 14·I3 = −10

Resolva

Δ = determinante da matriz de coeficientes = 2210
I1 = Δ1/Δ = 4300/2210 = 1,946 A
I2 = Δ2/Δ = 250/2210 = 0,1131 A
I3 = Δ3/Δ = −1400/2210 = −0,6335 A

Resposta

IR5 = I2 − I3 = 0,7466 A

Uma corrente de malha negativa flui no sentido anti-horário.

7.Superposição

Resposta: IR2 = 2,921 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.

R1​ = 5 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​24 VR2​4 ΩAR4​20 ΩBABERTO

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.

R3+R4 = 20+20 = 40 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 4·40/(4+40) = 3,636 Ω
VA = 24·3,636/(5+3,636) = 10,11 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 10,11·20/40 = 5,053 V
IR2′ = (VA − 0)/R2 = (10,11 − 0)/4 = 2,526 A
R1​ = 5 ΩR3​ = 20 ΩCURTOR2​4 ΩAR4​20 ΩBIs​1,5 A

Caso 2 · Is agindo sozinha

V₁ vira um curto, então R₁ fica em paralelo com R₂. Iₛ se divide em B entre R₄ e o caminho por R₃.

R1 ∥ R2 = 5·4/(5+4) = 2,222 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 20 ∥ 22,22 = 10,53 Ω
VB = Is·Req = 1,5·10,53 = 15,79 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 15,79·2,222/22,22 = 1,579 V
IR2″ = (VA − 0)/R2 = (1,579 − 0)/4 = 0,3947 A

Some as contribuições

IR2 = IR2′ + IR2″
IR2 = 2,526 + 0,3947 = 2,921 A

Um resultado negativo significa que, na verdade, a corrente flui contra a seta.

8.Superposição

Resposta: PR4 = 6,025 W

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.

R1​ = 30 ΩR2​ = 6 ΩR4​ = 4 Ω+−V1​15 VR3​20 ΩAABERTOBCURTO

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.

R3 ∥ (R2+R4) = 20 ∥ 10 = 6,667 Ω
VA = 15·6,667/(30+6,667) = 2,727 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 2,727·4/10 = 1,091 V
IR4′ = (VB − V2)/R4 = (1,091 − 0)/4 = 0,2727 A
R1​ = 30 ΩR2​ = 6 ΩR4​ = 4 ΩCURTOR3​20 ΩAIs​2 ABCURTO

Caso 2 · Is agindo sozinha

As duas fontes de tensão viram curtos. Iₛ se divide em B entre R₄ (agora para o terra) e R₂ em série com R₁ ∥ R₃.

R1 ∥ R3 = 12 Ω, então o caminho da esquerda é R2+12 = 18 Ω
Req = R4 ∥ 18 = 3,273 Ω
VB = Is·Req = 2·3,273 = 6,545 V
VA = VB·12/18 = 4,364 V
IR4″ = (VB − V2)/R4 = (6,545 − 0)/4 = 1,636 A
R1​ = 30 ΩR2​ = 6 ΩR4​ = 4 ΩCURTOR3​20 ΩAABERTOB+−V2​15 V

Caso 3 · V2 agindo sozinha

V₁ vira um curto e Iₛ um circuito aberto. R₁ ∥ R₃ sai de A, em série com R₂ de volta a B.

R1 ∥ R3 = 30·20/(30+20) = 12 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = 15·18/22 = 12,27 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = 12,27·12/18 = 8,182 V
IR4‴ = (VB − V2)/R4 = (12,27 − 15)/4 = −0,6818 A

Some as contribuições de corrente

IR4 = IR4′ + IR4″ + IR4‴ = 0,2727 + 1,636 + (−0,6818) = 1,227 A

Potência no resistor

A potência depende do quadrado da corrente, então não obedece à superposição: some primeiro as correntes e depois eleve ao quadrado.

PR4 = IR4²·R4 = 1,227²·4 = 6,025 W

Resposta

PR4 = 6,025 W

Somar as potências dos casos separados daria 12,87 W, o que está errado.

9.Thévenin e Norton

Resposta: IN = 1,047 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​ = 2 ΩR3​ = 6 ΩCURTOR2​20 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 = 2·20/(2+20) = 1,818 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,818 + 6 = 7,818 Ω
R1​ = 2 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​9 VR2​20 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) = 9·20/(2+20) = 8,182 V
IN​1,047 ARth​7,818 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 = 8,182/7,818 = 1,047 A
10.Thévenin e Norton

Resposta: IN = 2,167 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​ = 30 ΩR3​ = 30 ΩCURTOR2​30 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 = 30·30/(30+30) = 15 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 15 + 30 = 45 Ω
R1​ = 30 ΩR3​ = 30 Ω+−V1​15 VR2​30 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) = 7,5 + 2·15 = 37,5 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 37,5 + 2·30 = 97,5 V
IN​2,167 ARth​45 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 = 97,5/45 = 2,167 A
11.Transitórios RC e RL

Resposta: W = 9,676 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 = 220 mH / 15 Ω = 14,67 ms
i(∞) = Vs/R = 9/15 = 0,6 A

Corrente no instante dado

i(t) = 0,6·(1 − e−10/14,67) = 0,2966 A

Energia armazenada

W = ½·L·i² = ½·220·0,2966² = 9,676 mJ

Resposta

W = 9,676 mJ
12.Transitórios RC e RL

Resposta: vC = 1,281 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.

Tensão inicial do capacitor

Em regime permanente o capacitor é um circuito aberto, então R₁ e R₂ formam um divisor de tensão. A tensão do capacitor não pode saltar quando a chave abre.

vC(0) = 6·3,3/(2,2 + 3,3) = 3,6 V

Constante de tempo após a abertura da chave

τ = R2·C = 3,3·220 = 726 ms

Descarga

vC(t) = 3,6·e−750/726 = 1,281 V

Resposta

vC = 1,281 V
13.Impedância CA e fasores

Resposta: φ = 86,96 °

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/(3142·10·10⁻⁶) = 31,83 Ω

Impedância

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

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(40² + (753,6)²) = 754,6 Ω

Ângulo de fase

φ = arctan((XL − XC)/R) = arctan(753,6/40) = 86,96°

Resposta

φ = 86,96°
14.Impedância CA e fasores

Resposta: B = 3183 Hz

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|.

Frequência de ressonância

f0 = 1/(2π·√(0,005·0,1·10⁻⁶)) = 7118 Hz

Fator de qualidade

Q compara a reatância na ressonância com a resistência: Q = ω₀L/R.

Q = (1/R)·√(L/C) = (1/100)·√(0,005/(0,1·10⁻⁶)) = 2,236

Largura de banda

B = f0/Q = 7118/2,236 = 3183 Hz

Resposta

B = 3183 Hz
15.Potência CA e fator de potência

Resposta: cos φ = 0,8919

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 = 27·tan(arccos 0,85) = 16,73 kvar
Q2 = 0 = 0 kvar

Totais

P = 27 + 6 = 33 kW
Q = 16,73 + 0 = 16,73 kvar
S = √(33² + 16,73²) = 37 kVA

Fator de potência global

cos φ = P/S = 33/37 = 0,8919 indutivo

Resposta

cos φ = 0,8919
16.Potência CA e fator de potência

Resposta: C = 703,8 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 = 15·tan(53,13°) = 20 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 15·tan(25,84°) = 7,265 kvar
QC = Q1 − Q2 = 12,74 kvar

Capacitância

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

C = QC/(2πf·V²) = 12735/(2π·50·240²) = 703,8 µF

Resposta

C = 703,8 µF
17.Potência trifásica

Resposta: P = 6,144 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 = 480/√3 = 277,1 V

Corrente de fase

|Z| = √(24² + 18²) = 30 Ω
Iph = 277,1/30 = 9,238 A

Potência ativa total

Só a parte resistiva de cada impedância absorve potência ativa.

P = 3·Iph²·R = 3·9,238²·24 = 6,144 kW

Resposta

P = 6,144 kW

Verificação: cos φ = R/|Z| = 0,8, e √3·VL·IL·cos φ dá a mesma potência.

18.Potência trifásica

Resposta: Cph = 503,4 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 = 120·tan(acos 0,7) = 120·1,02 = 122,4 kvar
Q2 = 120·tan(acos 0,98) = 120·0,2031 = 24,37 kvar

Potência reativa dos capacitores

QC = Q1 − Q2 = 98,06 kvar

Capacitância por fase

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

V = 415 V, ω = 2π·60 = 377 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 32686/(377·415²) = 503,4 µF

Resposta

Cph = 503,4 µF
19.Transformadores

Resposta: IHV = 1,5 A

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.

Corrente nominal

Os dois enrolamentos conduzem a mesma potência aparente.

IHV = S/V = 15000/10000 = 1,5 A

Resposta

IHV = 1,5 A
20.Transformadores

Resposta: Sη,max = 144,3 kVA

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 iguais às perdas no núcleo

x²·4500 = 1500 → x = √(1500/4500) = 0,5774

Carga de rendimento máximo

Sη,max = x·S = 0,5774·250 = 144,3 kVA

Resposta

Sη,max = 144,3 kVA
21.Circuitos com amplificadores operacionais

Resposta: Vin,max = 0,5714 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.

Ganho

Av = 1 + Rf/R1 = 1 + 47/2 = 24,5

Maior entrada antes do ceifamento

Vin,max = Vsat/|Av| = 14/24,5 = 0,5714 V

Resposta

Vin,max = 0,5714 V
22.Circuitos com amplificadores operacionais

Resposta: Vout = −0,2789 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 na entrada +

V₊ = V2·R4/(R3 + R4) = −0,3·47/(10 + 47) = −0,2474 V

Superponha as duas entradas

Com V₂ = 0, V₁ vê um amplificador inversor. Com V₁ = 0, V₊ é amplificada pelo ganho não inversor 1 + R₂/R₁.

Vout = −(2/22)·0,1 + (1 + 2/22)·(−0,2474) = −0,009091 + (−0,2699) = −0,2789 V

Resposta

Vout = −0,2789 V
23.Diodos e transistores

Resposta: VCE = 12,43 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.

Equivalente de Thévenin do divisor

VTH = 18·8,2/(33 + 8,2) = 3,583 V
RTH = 33·8,2/(33 + 8,2) = 6,568 kΩ

Corrente de base

LKT na malha da base; a corrente de emissor é (β + 1)·IB.

IB = (3,583 − 0,7)/(6,568 + 201·1) = 13,89 µA

Corrente de coletor

IC = 200·13,89 µA = 2,777 mA
IE = 201·13,89 µA = 2,791 mA

Tensão coletor–emissor

VCE = 18 − 2,777·1 − 2,791·1 = 12,43 V

Resposta

VCE = 12,43 V
24.Diodos e transistores

Resposta: IC = 2,364 mA

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 base

IB = (3,3 − 0,7)/220 kΩ = 11,82 µA

Saturado ou ativo?

β·IB é menor que IC(sat), então o transistor permanece ativo.

β·IB = 2,364 mA
IC(sat) = (24 − 0,2)/150 = 158,7 mA

Corrente de coletor

IC = β·IB = 2,364 mA

Resposta

IC = 2,364 mA

O transistor está ativo, então a carga não está totalmente ligada.

25.Sistemas de numeração

Resposta: N = −10

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.

Somar os pesos

Os restantes bits mantêm os seus valores positivos normais.

−128 + 64 + 32 + 16 + 4 + 2 = −10

Resposta

N = −10
26.Sistemas de numeração

Resposta: R = 3

Definir bits: cada bit vale uma potência de dois (128, 64, …, 1). Um dígito hexadecimal são exatamente quatro bits, e em complemento de dois de 8 bits o bit mais à esquerda vale −128. As operações bit a bit atuam em cada posição de bit separadamente.

Bit a bit

Deslocar para a direita por 3 move cada bit 3 posições para a direita; os bits que saem pela extremidade direita se perdem e entram zeros pela esquerda.

0001 1110 >> 3
= 0000 0011

Valor do resultado

0000 0011₂ = 3

Resposta

R = 3
27.Lógica digital: portas, mapas de Karnaugh e flip-flops

Resposta: AB = 01, CD = 11

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.

Vizinhos de cada 1

Um 1 com um 1 vizinho pode entrar em um grupo de dois ou mais.

m7: m6, m5, m3, m15 → 0
ABCD00011110000111101111

O 1 isolado

m7 = A′BCD → AB = 01, CD = 11

Resposta

AB = 01, CD = 11
28.Lógica digital: portas, mapas de Karnaugh e flip-flops

Resposta: N = 4

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.

Q após cada borda

Um flip-flop JK: 00 mantém, 01 zera (Q = 0), 10 seta (Q = 1), 11 inverte.

1: J = 1, K = 0 → Q = 1
2: J = 0, K = 0 → Q = 1
3: J = 1, K = 0 → Q = 1
4: J = 1, K = 1 → Q = 0
5: J = 1, K = 1 → Q = 1
6: J = 1, K = 0 → Q = 1
7: J = 0, K = 0 → Q = 1
8: J = 1, K = 1 → Q = 0

Conte as mudanças

0 → 1 → 1 → 1 → 0 → 1 → 1 → 1 → 0
N = 4

Resposta

N = 4
29.Transformadas de Laplace

Resposta: f(0.25) = 0,1322

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).

Frações parciais

F(s) = A/s + B/(s + 5) + C/(s + 6)
A = 10/(5·6) = 0,3333
B = 10/((−5)·1) = −2
C = 10/((−6)·(−1)) = 1,667

Transformada inversa

f(t) = 0,3333 − 2·e−5t + 1,667·e−6t

Calcular

f(0,25) = 0,3333 − 2·e−5·0,25 + 1,667·e−6·0,25 = 0,1322

Resposta

f(0,25) = 0,1322
30.Transformadas de Laplace

Resposta: y(0.75) = −0,9955

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 − 1s − (−9) + 4(sY − 1) + 3Y = 0
Y(s) = (s − 5)/((s + 1)(s + 3))

Frações parciais

A = −6/2 = −3
B = −8/(−2) = 4

Resultado

y(t) = −3·e−t + 4·e−3t
y(0,75) = −0,9955

Resposta

y(0,75) = −0,9955

Verificação: y(0) = A + B = 1.

31.Diagramas de blocos

Resposta: τ = 0,1754 s

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).

Função de transferência de malha fechada

T(s) = G/(1 + G·H) = 27/(s + 3 + 2,7) = 27/(s + 5,7)

Resultado

τ = 1/5,7 = 0,1754 s

Resposta

τ = 0,1754 s
32.Diagramas de blocos

Resposta: css = 10,19

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 + 4 + 102)
C/R = K·G/(1 + K·G) = 102/(s + 4 + 102)

Regime permanente

css = 10·102/106 + 10·6/106 = 10,19

Resposta

css = 10,19

Um K maior reduz o efeito da perturbação, mas nunca a zero com um controlador proporcional.

33.Resposta ao degrau

Resposta: tp = 0,5236 s

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 = 37 → ωₙ = 6,083 rad/s
2ζωₙ = 2 → ζ = 2/(2·6,083) = 0,1644

Resultado

ωd = 6,083·√(1 − 0,1644²) = 6 rad/s → tp = π/ωd = 0,5236 s

Resposta

tp = 0,5236 s
34.Resposta ao degrau

Resposta: ωn = 4,412 rad/s

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).

Fator de amortecimento

ζ = −ln(0,2)/√(π² + ln²(0,2)) = 1,609/√(9,87 + 2,59) = 0,4559

Frequência natural

ωd = π/tp = π/0,8 = 3,927 rad/s
ωₙ = ωd/√(1 − ζ²) = 3,927/0,89 = 4,412 rad/s

Resposta

ωn = 4,412 rad/s
35.Diagramas de Bode e margens

Resposta: φ = −78,75 °

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 = R/L = 10/0,1 = 100 rad/s
fc = 15,92 Hz → f/fc = 80/15,92 = 5,027

Fase

φ = − atan(5,027) = −78,75°

Resposta

φ = −78,75°
36.Diagramas de Bode e margens

Resposta: PM = 20,68 °

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 + 4ω² − 900 = 0
ω² = (−4 + √(16 + 4·900))/2 = 28,07
ωc = 5,298 rad/s

Margem de fase

∠L(jωc) = −90° − atan(5,298/2) = −159,3°
PM = 180° + ∠L = 20,68°

Resposta

PM = 20,68°
37.Estabilidade: Routh–Hurwitz e lugar das raízes

Resposta: m = 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.

Tabela de Routh

s³ + 7s² + 10s + K = 0
s³: 1, 10
s²: 7, K
s¹: (7·10 − K)/7
s⁰: K

Maior ganho estável

Kmax = 7·10 = 70

Fator

m = 70/17,5 = 4

Resposta

m = 4

Esse fator é a margem de ganho como razão: 12,04 dB.

38.Estabilidade: Routh–Hurwitz e lugar das raízes

Resposta: K = 39,06

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.

Compare com a forma padrão

s² + 5s + K = s² + 2ζωₙs + ωₙ²
2·0,4·ωₙ = 5 → ωₙ = 6,25 rad/s

Ganho

K = ωₙ² = 6,25² = 39,06

Resposta

K = 39,06

Os polos de malha fechada ficam onde a reta de ζ cruza o ramo vertical em s = −2,5.

39.Erro em regime permanente e controle PID

Resposta: K = 240

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 erro necessária

1/(1 + Kp) = 0,04 → Kp = 24

Ganho

K/10 = 24 → K = 240

Resposta

K = 240

Verifique também a estabilidade de malha fechada: para esta malha de segunda ordem qualquer K > 0 é estável.

40.Erro em regime permanente e controle PID

Resposta: Ki = 16

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

1 + C(s)G(s) = 0, multiplicada por s(s + 5).

s² + (5 + 4Kp)s + 4Ki

Polinômio desejado

s² + 2·0,6·8s + 8² = s² + 9,6s + 64

Iguale os coeficientes

4Ki = 64 → Ki = 16

Resposta

Ki = 16

O termo integral torna a malha do tipo 1, então um degrau é seguido sem erro em regime permanente.

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