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​ = 2 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​15 VR2​4 ΩAR4​20 ΩB

Encontre a resistência equivalente Req vista pela fonte V1.

V1 = 15 VR1 = 2 ΩR2 = 4 ΩR3 = 3 ΩR4 = 20 Ω
Req = Ω
2.Resistores em série e paraleloDifícil
R1​ = 30 ΩIR1​R3​ = 25 ΩR5​ = 25 Ω+−V1​12 VR2​25 ΩAR4​20 ΩBR6​30 Ω

Encontre a corrente IR1 fornecida pela fonte, que passa por R1.

V1 = 12 VR1 = 30 ΩR2 = 25 ΩR3 = 25 ΩR4 = 20 ΩR5 = 25 ΩR6 = 30 Ω
IR1 = A
3.Análise nodalMédia
R1​ = 6 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​6 VR2​2 ΩAR4​8 ΩBIs​1 A

Use análise nodal para encontrar a potência PIs fornecida pela fonte de corrente Is.

V1 = 6 VIs = 1 AR1 = 6 ΩR2 = 2 ΩR3 = 12 ΩR4 = 8 Ω
PIs = W
4.Análise nodalDifícil
R1​ = 3 ΩR2​ = 25 ΩR4​ = 10 Ω+−V1​24 VR3​4 ΩAR5​20 ΩBIs​1 A−+V2​36 V

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

V1 = 24 VIs = 1 AV2 = 36 VR1 = 3 ΩR2 = 25 ΩR3 = 4 ΩR4 = 10 ΩR5 = 20 Ω
VB = V
5.Análise de malhasMédia
R1​ = 10 ΩR2​ = 3 Ω+−V1​10 VR3​2 ΩIR3​A+−V2​18 VI1​I2​

Use análise de malhas para encontrar a corrente IR3 em R3 no sentido da seta.

V1 = 10 VV2 = 18 VR1 = 10 ΩR2 = 3 ΩR3 = 2 Ω
IR3 = A
6.Análise de malhasDifícil
R1​ = 8 ΩR2​ = 10 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​9 VR4​25 ΩAR5​10 ΩB+−V2​10 VI1​I2​I3​

Use análise de malhas para encontrar a corrente de malha I2 (sentido horário).

V1 = 9 VV2 = 10 VR1 = 8 ΩR2 = 10 ΩR3 = 8 ΩR4 = 25 ΩR5 = 10 Ω
I2 = A
7.SuperposiçãoMédia
R1​ = 15 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​18 VR2​4 ΩAR4​2 Ω−+VR4​BIs​1,5 A

Use superposição para encontrar a tensão VR4 sobre R4 com a polaridade indicada.

V1 = 18 VIs = 1,5 AR1 = 15 ΩR2 = 4 ΩR3 = 4 ΩR4 = 2 Ω
VR4 = V
8.SuperposiçãoDifícil
R1​ = 10 ΩIR1​R2​ = 3 ΩR4​ = 20 Ω+−V1​6 VR3​12 ΩAIs​1 AB+−V2​12 V

Use superposição para encontrar a potência PR1 absorvida por R1.

V1 = 6 VIs = 1 AV2 = 12 VR1 = 10 ΩR2 = 3 ΩR3 = 12 ΩR4 = 20 Ω
PR1 = W
9.Thévenin e NortonMédia
R1​ = 3 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​12 VR2​4 ΩARL​6 ΩIL​B

Uma carga RL = 6 Ω é ligada entre a–b. Substitua o resto do circuito pelo seu equivalente de Thévenin e encontre a corrente na carga IL.

V1 = 12 VR1 = 3 ΩR2 = 4 ΩR3 = 15 ΩRL = 6 Ω
IL = A
10.Thévenin e NortonDifícil
R1​ = 25 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​24 VR2​5 ΩAIs​5 ABab

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

V1 = 24 VIs = 5 AR1 = 25 ΩR2 = 5 ΩR3 = 12 Ω
IN = A
11.Transitórios RC e RLMédia
+−Vs​20 Vt = 0R = 22 ΩL10 mHi(t)

O indutor não conduz corrente antes de a chave fechar em t = 0. Encontre a energia W armazenada no indutor em t = 1 ms, em mJ.

Vs = 20 VR = 22 ΩL = 10 mHt = 1 ms
W = mJ
12.Transitórios RC e RLDifícil
+−Vs​20 VR1​ = 15 ΩR2​ = 5 Ωfecha em t = 0L150 mHi(t)

A chave em paralelo com R2 está aberta há muito tempo, então a corrente do indutor é constante. Em t = 0 a chave fecha e coloca R2 em curto. Encontre a corrente do indutor i em t = 20 ms.

Vs = 20 VR1 = 15 ΩR2 = 5 ΩL = 150 mHt = 20 ms
i = A
13.Impedância CA e fasoresMédia
230 V200 HzR = 50 ΩL = 200 mHC = 4,7 µFI

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

V = 230 V (rms)f = 200 HzR = 50 ΩL = 200 mHC = 4,7 µF
I = A
14.Impedância CA e fasoresDifícil
VfR = 50 ΩL = 2 mHC = 0,22 µF

Um circuito RLC série tem R = 50 Ω, L = 2 mH e C = 0,22 µF. Encontre sua largura de banda B (a largura da faixa entre as frequências de meia potência), em Hz.

R = 50 ΩL = 2 mHC = 0,22 µF
B = Hz
15.Potência CA e fator de potênciaMédia
400 V114 kW, 0,7529 kW, 1I = ?

Duas cargas estão ligadas em paralelo a uma fonte monofásica de 400 V: uma carga de 14 kW com fator de potência 0,75 indutivo e um aquecedor de 9 kW (fator de potência unitário). Encontre a corrente total I absorvida da fonte.

V = 400 VP1 = 14 kW, pf1 = 0,75 indutivoP2 = 9 kW, pf2 = 1
I = A
16.Potência CA e fator de potênciaDifícil
400 V50 Hzcarga9 kW, 0,65C22 µFI

Uma carga monofásica consome 9 kW com fator de potência 0,65 indutivo de uma fonte de 400 V, 50 Hz. Um capacitor de 22 µF é ligado em paralelo com a carga. Encontre o novo fator de potência cos φ visto pela fonte.

P = 9 kWpf1 = 0,65V = 400 Vf = 50 HzC = 22 µF
cos φ =
17.Potência trifásicaMédia
ABCVL​ = 400 VIL​ = 40 Acos φ = 0,8indutivo

Uma carga trifásica equilibrada consome uma corrente de linha de 40 A de uma alimentação com tensão de linha de 400 V. O fator de potência é 0,8 indutivo. Encontre a potência ativa total P consumida pela carga em kW.

VL = 400 VIL = 40 Acos φ = 0,8
P = kW
18.Potência trifásicaDifícil
P = 50 kWφ1​S1​Q2​QC​ = ?

Uma carga trifásica equilibrada consome 50 kW com fator de potência 0,75 indutivo de uma alimentação de 690 V (tensão de linha), 50 Hz. Um banco de capacitores trifásico em paralelo com a carga deve elevar o fator de potência total para 0,98 indutivo. A potência ativa permanece a mesma. Encontre a potência reativa total QC que o banco de capacitores deve fornecer, em kvar.

P = 50 kWpf1 = 0,75pf2 = 0,98VL = 690 Vf = 50 Hz
QC = kvar
19.TransformadoresMédia
5 ΩN1​N2​45 Ω

Um amplificador com resistência de saída de 45 Ω alimenta um alto-falante de 5 Ω por meio de um transformador ideal. Para máxima transferência de potência, o alto-falante deve parecer 45 Ω para o amplificador. Encontre a relação de espiras a = N₁/N₂.

Rs = 45 ΩRL = 5 Ω
a =
20.TransformadoresDifícil
pf 0,85250 kVA, η = 96,5%

Um transformador monofásico de 250 kVA tem perdas no núcleo de 1000 W. Na carga nominal e com fator de potência 0,85 indutivo, seu rendimento é 96,5%. Encontre as perdas no cobre a plena carga Pcu,fl em watts.

S = 250 kVAPcore = 1000 Wpf = 0,85η = 96,5%
Pcu,fl = W
21.Circuitos com amplificadores operacionaisMédia
−+Vout​Rf​ = 2 kΩVin​R1​ = 1 kΩ

O amplificador operacional é ideal e alimentado com ±15 V; sua saída satura em ±13 V. O amplificador 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 = 1 kΩRf = 2 kΩVsat = ±13 V
Vin,max = V
22.Circuitos com amplificadores operacionaisDifícil
−+Vout​R2​ = 100 kΩV1​ = 0,8 VR1​ = 4,7 kΩV2​ = 1,9 VR3​ = 47 kΩR4​ = 100 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 = 0,8 VV2 = 1,9 VR1 = 4,7 kΩR2 = 100 kΩR3 = 47 kΩR4 = 100 kΩ
Vout = V
23.Diodos e transistoresMédia
RC​ = 2,2 kΩβ = 150RE​ = 1,5 kΩVCC​ = 20 VR1​ = 22 kΩR2​ = 6,8 kΩ

Um transistor NPN com β = 150 tem polarização por divisor de tensão a partir de VCC = 20 V: R₁ = 22 kΩ de VCC até a base e R₂ = 6,8 kΩ da base até o terra. O resistor de coletor é RC = 2,2 kΩ e o resistor de emissor é RE = 1,5 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 = 20 VR1 = 22 kΩR2 = 6,8 kΩRC = 2,2 kΩRE = 1,5 kΩβ = 150
VCE = V
24.Diodos e transistoresDifícil
RC​ = 220 Ωβ = 150VCC​ = 24 V3,3 VRB​ = ?

Um transistor NPN com β = 150 chaveia um resistor de carga de 220 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. Considere VBE = 0,7 V e VCE(sat) = 0,2 V. Encontre o maior resistor de base RB, em kΩ, que ainda leva o transistor exatamente à saturação.

VCC = 24 VRC = 220 Ωβ = 150Vin = 3,3 VVBE = 0,7 VVCE(sat) = 0,2 V
RB = kΩ
25.Sistemas de numeraçãoMédia
complemento para dois de 8 bits0−12806403201608040201

Defina os bits para armazenar −4 em complemento de dois de 8 bits. Lido como um número sem sinal, qual é o valor U do padrão?

N = −48 bit
U =
26.Sistemas de numeraçãoDifícil
4323 códigos, b = ? bits?2ᵇ⁻¹…?4?2?1

Um sistema tem de dar a cada um de 4323 elementos um código binário próprio, todos com o mesmo comprimento. Qual é o menor número de bits b necessário?

4323
b = bit
27.Lógica digital: portas, mapas de Karnaugh e flip-flopsMédia
ABC00011110010011030214051716

Use o mapa de Karnaugh para encontrar a forma mínima em soma de produtos (SOP) de F(A, B, C) = Σm(1, 4, 6, 7). Quantos literais L ela contém no total (uma variável com apóstrofo conta como um literal)?

F(A, B, C) = Σm(1, 4, 6, 7)
L =
28.Lógica digital: portas, mapas de Karnaugh e flip-flopsDifícil
CLKD1234567

Um flip-flop D acionado na borda de subida começa com Q = 0 e recebe as entradas mostradas. Clique na primeira borda do clock em que Q passa de 1 de volta para 0.

Q₀ = 0D
  1. 1borda do clock 1
  2. 2borda do clock 2
  3. 3borda do clock 3
  4. 4borda do clock 4
  5. 5borda do clock 5
  6. 6borda do clock 6
  7. 7borda do clock 7
29.Transformadas de LaplaceMédia
t (s)f(t)t = 0,25f(0,25) = ?

Encontre f(t) para F(s) = 55/(s(s + 4)(s + 6)) por frações parciais e calcule f(0,25).

F(s) = 55/(s(s + 4)(s + 6))t = 0,25 s
f(0.25) =
30.Transformadas de LaplaceDifícil
t (s)y(t)t = 0,8y(0,8) = ?

Um sistema obedece a y″ + 4y′ + 3y = 4,5·u(t). Ele parte do repouso (y(0) = 0, y′(0) = 0) e a entrada é um degrau u(t) = 2 para t ≥ 0. Use a transformada de Laplace para encontrar a saída y(0,8).

y″ + 4y′ + 3y = 4,5·u(t)u(t) = 2y(0) = 0, y′(0) = 0t = 0,8 s
y(0.8) =
31.Diagramas de blocosMédia
R(s)+9(s + 2)(s + 1)(s + 5)G(s)C(s)−

Uma malha de realimentação negativa unitária tem G(s) = 9(s + 2)/((s + 1)(s + 5)). Um degrau de tamanho 1 é aplicado na referência. Encontre o erro em regime permanente ess.

G(s) = 9(s + 2)/((s + 1)(s + 5))R = 1
ess =
32.Diagramas de blocosDifícil
R(s)+36s(s + 10)G(s)C(s)2H−

A planta G(s) = 36/(s(s + 10)) está em uma malha de realimentação negativa com ganho de sensor H = 2. Os polos de malha fechada são complexos. Encontre a parte real deles σ.

G(s) = 36/(s(s + 10))H = 2
σ =
33.Resposta ao degrauMédia
t (s)y(t)1tp​ = ?

Um sistema tem a função de transferência G(s) = 92/(s² + 5s + 92) e recebe uma entrada em degrau unitário. Encontre o tempo de pico tp da resposta ao degrau.

G(s) = 92/(s² + 5s + 92)
tp = s
34.Resposta ao degrauDifícil
k = 100 N/mc = 14 N·s/mm = 2 kgF = 100 Nx(t)

Uma massa m = 2 kg está pendurada em uma mola k = 100 N/m com um amortecedor viscoso c = 14 N·s/m (m·x″ + c·x′ + k·x = F). Em repouso, em equilíbrio, uma força constante F = 100 N é aplicada de repente. Encontre o maior deslocamento xmax em mm.

m = 2 kgk = 100 N/mc = 14 N·s/mF = 100 N
xmax = mm
35.Diagramas de Bode e margensMédia
vin​L = 20 mHC = 4,7 µFR = 10 Ωvout​

No filtro passa-faixa RLC série mostrado, a saída é tomada sobre R = 10 Ω, com L = 20 mH e C = 4,7 µF. Encontre a largura de banda de −3 dB BW em Hz.

R = 10 ΩL = 20 mHC = 4,7 µF
BW = Hz
36.Diagramas de Bode e margensDifícil
|H| (dB)0,10,1111010100100−80−60−40−2002040ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−270−180−900ω180​

Uma malha com realimentação unitária tem a função de transferência de malha aberta L(s) = 4/(s(s + 1)(s + 3)). Encontre a margem de ganho GM em dB.

L(s) = 4/(s(s + 1)(s + 3))
GM = dB
37.Estabilidade: Routh–Hurwitz e lugar das raízesMédia
R(s)+Ks + 4(s − 3)(s + 3)C(s)−

A planta G(s) = (s + 4)/((s − 3)(s + 3)) tem um polo instável em s = 3. 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 + 4)/((s − 3)(s + 3))
Kmin =
38.Estabilidade: Routh–Hurwitz e lugar das raízesDifícil
ReIm−1−2−3−4−5−6−7−8−9−101j1j2

O lugar das raízes de L(s) = K/(s(s + 4)(s + 8)) sai do eixo real entre s = 0 e s = −4. Encontre o ponto de saída sb.

L(s) = K/(s(s + 4)(s + 8))
sb =
39.Erro em regime permanente e controle PIDMédia
r(t) = 3t+2(s + 3)s(s + 1)(s + 5)C(s)−

Uma rampa r(t) = 3t é aplicada a uma malha com realimentação unitária com G(s) = 2(s + 3)/(s(s + 1)(s + 5)). Encontre o erro em regime permanente ess.

G(s) = 2(s + 3)/(s(s + 1)(s + 5))r(t) = 3t
ess =
40.Erro em regime permanente e controle PIDDifícil
R(s)+20 + Kd​s1s(s + 3)C(s)−

Um controlador PD C(s) = 20 + Kd·s controla a planta G(s) = 1/(s(s + 3)) em uma malha com realimentação unitária. Encontre o ganho derivativo Kd que dá à malha fechada um coeficiente de amortecimento ζ = 0,707.

G(s) = 1/(s(s + 3))Kp = 20ζ = 0,707
Kd = s

3Soluções

1.Resistores em série e paralelo

Resposta: Req = 5,407 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​ = 2 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​15 VR2​4 ΩAR4​20 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 = 3 + 20 = 23 Ω
R2 ∥ 23 = 4·23/(4+23) = 3,407 Ω
Req = R1 + 3,407 = 2 + 3,407 = 5,407 Ω

Resposta

Req = 5,407 Ω
2.Resistores em série e paralelo

Resposta: IR1 = 0,2647 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.

R1​ = 30 ΩR3​ = 25 ΩR5​ = 25 Ω+−V1​12 VR2​25 ΩAR4​20 ΩBR6​30 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 = 25 + 30 = 55 Ω
R4 ∥ 55 = 14,67 Ω
R3 + 14,67 = 39,67 Ω
R2 ∥ 39,67 = 15,34 Ω
Req = R1 + 15,34 = 30 + 15,34 = 45,34 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 = 12/45,34 = 0,2647 A

Resposta

IR1 = 0,2647 A
3.Análise nodal

Resposta: PIs = 5,581 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/2 + (VA − 6)/6 + (VA − VB)/12 = 0
0,75·VA − 0,08333·VB = 1

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/8 + (VB − VA)/12 = 1
−0,08333·VA + 0,2083·VB = 1

Resolva

Δ = (0,75)(0,2083) − (−0,08333)(−0,08333) = 0,1493
VA = Δ1/Δ = 0,2917/0,1493 = 1,953 V
VB = Δ2/Δ = 0,8333/0,1493 = 5,581 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 = 5,581·1 = 5,581 W

Resposta

PIs = 5,581 W
4.Análise nodal

Resposta: VB = −11,13 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​ = 3 ΩR2​ = 25 ΩR4​ = 10 Ω+−V1​24 VR3​4 ΩAR5​20 ΩBIs​1 A−+V2​36 V

Defina os nós

O terra é o fio de baixo. As tensões de nó conhecidas vêm direto das fontes (V1 = 24 V, V2 = −36 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/4 + (VA − 24)/3 + (VA − VB)/25 = 0
0,6233·VA − 0,04·VB = 8

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/20 + (VB − VA)/25 + (VB − (−36))/10 = 1
−0,04·VA + 0,19·VB = −2,6

Resolva

Δ = (0,6233)(0,19) − (−0,04)(−0,04) = 0,1168
VA = Δ1/Δ = 1,416/0,1168 = 12,12 V
VB = Δ2/Δ = −1,301/0,1168 = −11,13 V

Resposta

VB = −11,13 V
5.Análise de malhas

Resposta: IR3 = 3,75 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​ = 10 ΩR2​ = 3 Ω+−V1​10 VR3​2 ΩA+−V2​18 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
10·I1 + 2(I1 − I2) = 10
12·I1 − 2·I2 = 10

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
3·I2 + 2(I2 − I1) = (−18)
−2·I1 + 5·I2 = −18

Resolva

Δ = (12)(5) − (−2)(−2) = 56
I1 = Δ1/Δ = 14/56 = 0,25 A
I2 = Δ2/Δ = −196/56 = −3,5 A

Resposta

IR3 = I1 − I2 = 3,75 A

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

6.Análise de malhas

Resposta: I2 = 0,06158 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​ = 8 ΩR2​ = 10 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​9 VR4​25 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
8·I1 + 25(I1 − I2) = 9
33·I1 − 25·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 + R4(I2 − I1) + R5(I2 − I3) = 0
10·I2 + 25(I2 − I1) + 10(I2 − I3) = 0
−25·I1 + 45·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
8·I3 + 10(I3 − I2) = (−10)
−10·I2 + 18·I3 = −10

Resolva

Δ = determinante da matriz de coeficientes = 12180
I1 = Δ1/Δ = 3890/12180 = 0,3194 A
I2 = Δ2/Δ = 750/12180 = 0,06158 A
I3 = Δ3/Δ = −6350/12180 = −0,5213 A

Resposta

I2 = 0,06158 A

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

7.Superposição

Resposta: VR4 = 1,517 V

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​ = 15 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​18 VR2​4 ΩAR4​2 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 = 4+2 = 6 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 4·6/(4+6) = 2,4 Ω
VA = 18·2,4/(15+2,4) = 2,483 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 2,483·2/6 = 0,8276 V
VR4′ = 0 − VB = 0 − 0,8276 = −0,8276 V
R1​ = 15 ΩR3​ = 4 ΩCURTOR2​4 ΩAR4​2 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 = 15·4/(15+4) = 3,158 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 2 ∥ 7,158 = 1,563 Ω
VB = Is·Req = (−1,5)·1,563 = −2,345 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = −2,345·3,158/7,158 = −1,034 V
VR4″ = 0 − VB = 0 − −2,345 = 2,345 V

Some as contribuições

VR4 = VR4′ + VR4″
VR4 = (−0,8276) + 2,345 = 1,517 V

Um resultado negativo significa que, na verdade, a polaridade é oposta à marcada.

8.Superposição

Resposta: PR1 = 0,7726 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​ = 10 ΩR2​ = 3 ΩR4​ = 20 Ω+−V1​6 VR3​12 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) = 12 ∥ 23 = 7,886 Ω
VA = 6·7,886/(10+7,886) = 2,645 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 2,645·20/23 = 2,3 V
IR1′ = (V1 − VA)/R1 = (6 − 2,645)/10 = 0,3355 A
R1​ = 10 ΩR2​ = 3 ΩR4​ = 20 ΩCURTOR3​12 ΩAIs​1 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 = 5,455 Ω, então o caminho da esquerda é R2+5,455 = 8,455 Ω
Req = R4 ∥ 8,455 = 5,942 Ω
VB = Is·Req = 1·5,942 = 5,942 V
VA = VB·5,455/8,455 = 3,834 V
IR1″ = (V1 − VA)/R1 = (0 − 3,834)/10 = −0,3834 A
R1​ = 10 ΩR2​ = 3 ΩR4​ = 20 ΩCURTOR3​12 ΩAABERTOB+−V2​12 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 = 10·12/(10+12) = 5,455 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = 12·8,455/28,45 = 3,565 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = 3,565·5,455/8,455 = 2,3 V
IR1‴ = (V1 − VA)/R1 = (0 − 2,3)/10 = −0,23 A

Some as contribuições de corrente

IR1 = IR1′ + IR1″ + IR1‴ = 0,3355 + (−0,3834) + (−0,23) = −0,278 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.

PR1 = IR1²·R1 = (−0,278)²·10 = 0,7726 W

Resposta

PR1 = 0,7726 W

Somar as potências dos casos separados daria 3,124 W, o que está errado.

9.Thévenin e Norton

Resposta: IL = 0,3019 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​ = 3 ΩR3​ = 15 ΩCURTOR2​4 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 = 3·4/(3+4) = 1,714 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,714 + 15 = 16,71 Ω
R1​ = 3 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​12 VR2​4 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) = 12·4/(3+4) = 6,857 V
Rth​ = 16,71 Ω+−Vth​6,857 VRL​6 ΩIL​

Ligue a carga ao equivalente de Thévenin

A fonte de Thévenin e R_th em série se comportam exatamente como o circuito original em a–b, então a carga vê uma malha simples em série.

IL = Vth/(Rth + RL) = 6,857/(16,71 + 6) = 0,3019 A
10.Thévenin e Norton

Resposta: IN = 5,247 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​ = 25 ΩR3​ = 12 ΩCURTOR2​5 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 = 25·5/(25+5) = 4,167 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 4,167 + 12 = 16,17 Ω
R1​ = 25 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​24 VR2​5 ΩAIs​5 ABab+−Vth​

Encontre Vth, a tensão de circuito aberto

Com a–b aberto, o único caminho para Iₛ é por R₃ até o nó A. Encontre V_A por superposição de V₁ e Iₛ, depois some a queda em R₃.

VA = V1·R2/(R1+R2) + Is·(R1∥R2) = 4 + 5·4,167 = 24,83 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 24,83 + 5·12 = 84,83 V
IN​5,247 ARth​16,17 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 = 84,83/16,17 = 5,247 A
11.Transitórios RC e RL

Resposta: W = 3,267 mJ

Transitórios de primeira ordem: em um circuito com um capacitor ou um indutor, toda tensão e corrente vai exponencialmente do valor inicial ao valor final: x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ, com τ = RC ou τ = L/R. Depois de cerca de 5τ o circuito se estabiliza.

Constante de tempo e corrente final

Muito depois de a chave fechar, o indutor se comporta como um curto, então a corrente final depende só de R.

τ = L/R = 10 mH / 22 Ω = 0,4545 ms
i(∞) = Vs/R = 20/22 = 0,9091 A

Corrente no instante dado

i(t) = 0,9091·(1 − e−1/0,4545) = 0,8084 A

Energia armazenada

W = ½·L·i² = ½·10·0,8084² = 3,267 mJ

Resposta

W = 3,267 mJ
12.Transitórios RC e RL

Resposta: i = 1,288 A

Transitórios de primeira ordem: em um circuito com um capacitor ou um indutor, toda tensão e corrente vai exponencialmente do valor inicial ao valor final: x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ, com τ = RC ou τ = L/R. Depois de cerca de 5τ o circuito se estabiliza.

Valor inicial, valor final, constante de tempo

Antes de t = 0 os dois resistores estão na malha; depois a chave fechada desvia R₂.

i(0) = 20/(15 + 5) = 1 A
i(∞) = 20/15 = 1,333 A
τ = L/R = 150/15 = 10 ms
i(t) = 1,333 + (1 − 1,333)·e−t/τ

Corrente no instante dado

i(20) = 1,333 + (−0,3333)·e−20/10 = 1,288 A

Resposta

i = 1,288 A
13.Impedância CA e fasores

Resposta: I = 2,395 A

Circuitos CA com fasores: resistores, indutores e capacitores têm impedâncias R, jωL e 1/(jωC), com ω = 2πf. Em série, as impedâncias se somam como resistências, mas como números complexos. Corrente e tensão rms seguem a lei de Ohm com |Z|.

Reatâncias

ω = 2πf = 2π·200 = 1257 rad/s
XL = ωL = 1257·0,2 = 251,3 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(1257·4,7·10⁻⁶) = 169,3 Ω

Impedância

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

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(50² + (82,01)²) = 96,05 Ω

Corrente

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

I = V/|Z| = 230/96,05 = 2,395 A

Resposta

I = 2,395 A
14.Impedância CA e fasores

Resposta: B = 3979 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·√(0,002·0,22·10⁻⁶)) = 7587 Hz

Fator de qualidade

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

Q = (1/R)·√(L/C) = (1/50)·√(0,002/(0,22·10⁻⁶)) = 1,907

Largura de banda

B = f0/Q = 7587/1,907 = 3979 Hz

Resposta

B = 3979 Hz
15.Potência CA e fator de potência

Resposta: I = 65,26 A

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 = 14·tan(arccos 0,75) = 12,35 kvar
Q2 = 0 = 0 kvar

Totais

P = 14 + 9 = 23 kW
Q = 12,35 + 0 = 12,35 kvar
S = √(23² + 12,35²) = 26,1 kVA

Corrente total

I = S/V = 26104/400 = 65,26 A

Resposta

I = 65,26 A
16.Potência CA e fator de potência

Resposta: cos φ = 0,6909

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 = 9·tan(arccos 0,65) = 10,52 kvar
QC = V²·2πf·C = 400²·2π·50·22·10⁻⁶ = 1106 var = 1,106 kvar
Q2 = 10,52 − 1,106 = 9,416 kvar

Nova potência aparente

S2 = √(9² + 9,416²) = 13,03 kVA

Novo fator de potência

cos φ = P/S2 = 9/13,03 = 0,6909

Resposta

cos φ = 0,6909
17.Potência trifásica

Resposta: P = 22,17 kW

Sistemas trifásicos equilibrados: em uma ligação Y (estrela) a tensão de linha é √3 vezes a tensão de fase, VL = √3·Vph, e a corrente de linha é igual à corrente de fase. Em uma ligação Δ (triângulo) a tensão de linha é igual à tensão de fase e a corrente de linha é √3 vezes a corrente de fase, IL = √3·Iph. A potência total é três vezes a potência de uma fase: P = 3·Vph·Iph·cos φ = √3·VL·IL·cos φ.

Potência aparente

S = √3·VL·IL = √3·400·40 = 27,71 kVA

Potência ativa

P = S·cos φ = 27,71·0,8 = 22,17 kW

Resposta

P = 22,17 kW
18.Potência trifásica

Resposta: QC = 33,94 kvar

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 = 50·tan(acos 0,75) = 50·0,8819 = 44,1 kvar
Q2 = 50·tan(acos 0,98) = 50·0,2031 = 10,15 kvar

Potência reativa dos capacitores

QC = Q1 − Q2 = 33,94 kvar

Resposta

QC = 33,94 kvar
19.Transformadores

Resposta: a = 3

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.

Casar a carga referida

a²·5 = 45
a = √(45/5) = √9 = 3

Resposta

a = 3
20.Transformadores

Resposta: Pcu,fl = 6707 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.

Potência de saída e de entrada

Pout = 250·0,85 = 212,5 kW
Pin = 212500/0,965 = 220207 W

Perdas totais e no cobre

Ploss = 220207 − 212500 = 7707 W
Pcu,fl = 7707 − 1000 = 6707 W

Resposta

Pcu,fl = 6707 W
21.Circuitos com amplificadores operacionais

Resposta: Vin,max = 6,5 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| = Rf/R1 = 2/1 = 2

Maior entrada antes do ceifamento

Vin,max = Vsat/|Av| = 13/2 = 6,5 V

Resposta

Vin,max = 6,5 V
22.Circuitos com amplificadores operacionais

Resposta: Vout = 11,77 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) = 1,9·100/(47 + 100) = 1,293 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 = −(100/4,7)·0,8 + (1 + 100/4,7)·1,293 = −17,02 + 28,79 = 11,77 V

Resposta

Vout = 11,77 V
23.Diodos e transistores

Resposta: VCE = 10,34 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 = 20·6,8/(22 + 6,8) = 4,722 V
RTH = 22·6,8/(22 + 6,8) = 5,194 kΩ

Corrente de base

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

IB = (4,722 − 0,7)/(5,194 + 151·1,5) = 17,36 µA

Corrente de coletor

IC = 150·17,36 µA = 2,604 mA
IE = 151·17,36 µA = 2,621 mA

Tensão coletor–emissor

VCE = 20 − 2,604·2,2 − 2,621·1,5 = 10,34 V

Resposta

VCE = 10,34 V
24.Diodos e transistores

Resposta: RB = 3,605 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) = (24 − 0,2)/220 = 108,2 mA

Corrente de base mínima

IB(min) = IC(sat)/β = 108,2/150 = 721,2 µA

Resistor de base

RB = (3,3 − 0,7)/IB = 2,6 V/0,7212 mA = 3,605 kΩ

Resposta

RB = 3,605 kΩ

Qualquer resistor de base menor também satura o transistor; na prática escolhe-se um algumas vezes menor.

25.Sistemas de numeração

Resposta: U = 252

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.

Inverter e somar um

4 = 0000 0100
invertido: 1111 1011
+1 → 1111 1100

Ler sem sinal

1111 1100₂ = 256 − 4 = 252

Resposta

U = 252
26.Sistemas de numeração

Resposta: b = 13 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

212 = 4096 < 4323
213 = 8192 ≥ 4323

Resposta

b = 13
27.Lógica digital: portas, mapas de Karnaugh e flip-flops

Resposta: L = 7

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.

ABC00011110010011030214051716

Agrupe os 1s

Todo grupo é um retângulo de 2ᵏ células; as células das bordas são vizinhas das células da borda oposta.

AC′
AB
A′B′C

Forma SOP mínima

F = AC′ + AB + A′B′C
L = 7

Resposta

L = 7
28.Lógica digital: portas, mapas de Karnaugh e flip-flops

Resposta: borda do clock 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 D copia D em cada borda de subida: Q⁺ = D.

1: D = 0 → Q = 0
2: D = 0 → Q = 0
3: D = 1 → Q = 1
4: D = 0 → Q = 0
5: D = 1 → Q = 1
6: D = 1 → Q = 1
7: D = 1 → Q = 1

Primeira mudança de 1 para 0

borda do clock 4

Resposta

borda do clock 4
29.Transformadas de Laplace

Resposta: f(0.25) = 0,7852

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 + 4) + C/(s + 6)
A = 55/(4·6) = 2,292
B = 55/((−4)·2) = −6,875
C = 55/((−6)·(−2)) = 4,583

Transformada inversa

f(t) = 2,292 − 6,875·e−4t + 4,583·e−6t

Calcular

f(0,25) = 2,292 − 6,875·e−4·0,25 + 4,583·e−6·0,25 = 0,7852

Resposta

f(0,25) = 0,7852
30.Transformadas de Laplace

Resposta: y(0.8) = 1,114

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

Y(s) = 9/(s(s + 1)(s + 3))

Frações parciais

A = 9/(1·3) = 3
B = 9/((−1)·2) = −4,5
C = 9/((−3)·(−2)) = 1,5

Saídas

y(t) = 3 − 4,5·e−t + 1,5·e−3t
y(0,8) = 1,114

Resposta

y(0,8) = 1,114
31.Diagramas de blocos

Resposta: ess = 0,2174

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).

Constante de erro de posição

Kₚ = G(0) = 9·2/(1·5) = 3,6

Erro em regime permanente

ess = A/(1 + Kₚ) = 1/(1 + 3,6) = 0,2174

Resposta

ess = 0,2174
32.Diagramas de blocos

Resposta: σ = −5

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).

Equação característica

s(s + 10) + 36·2 = 0 → s² + 10s + 72 = 0

Raízes

s = −5 ± j·√(72 − 25) = −5 ± j6,856
σ = −5

Resposta

σ = −5
33.Resposta ao degrau

Resposta: tp = 0,3393 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 = 92 → ωₙ = 9,592 rad/s
2ζωₙ = 5 → ζ = 5/(2·9,592) = 0,2606

Resultado

ωd = 9,592·√(1 − 0,2606²) = 9,26 rad/s → tp = π/ωd = 0,3393 s

Resposta

tp = 0,3393 s
34.Resposta ao degrau

Resposta: xmax = 1167 mm

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).

Frequência natural e razão de amortecimento

ωₙ = √(k/m) = √(100/2) = 7,071 rad/s
ζ = c/(2√(km)) = 14/(2·√(100·2)) = 0,495

Resultado

xst = F/k = 100/100 m = 1000 mm
%OS = 16,7 %
xmax = 1000·(1 + 0,167) = 1167 mm

Resposta

xmax = 1167 mm
35.Diagramas de Bode e margens

Resposta: BW = 79,58 Hz

Resposta em frequência: substitua s = jω na função de transferência. O módulo em decibéis é 20·log₁₀|H(jω)| e a fase é a soma dos ângulos dos fatores do numerador menos os do denominador. Um filtro RC ou RL de primeira ordem tem sua frequência de corte (−3 dB) em ωc = 1/(RC) ou R/L, e fc = ωc/(2π); um filtro passa-baixas dá |H| = 1/√(1 + (ω/ωc)²) e φ = −atan(ω/ωc). No diagrama de Bode assintótico (de retas), cada polo inclina o módulo para baixo em 20 dB/década na sua frequência de canto, cada zero o inclina para cima em 20 dB/década, e um integrador 1/s dá −20 dB/década em todas as frequências. Cruzamento de ganho ωc: |L(jω)| = 1 (0 dB); margem de fase MF = 180° + ∠L(jωc). Cruzamento de fase ω180: ∠L(jω) = −180°; margem de ganho MG = −20·log₁₀|L(jω180)| dB. A malha fechada é estável quando as duas margens são positivas.

Frequência de ressonância

ω₀ = 1/√(LC) = 1/√(0,02·4,7 × 10⁻⁶) = 3262 rad/s
f₀ = ω₀/(2π) = 519,1 Hz

Largura de banda

BW = R/L = 10/0,02 = 500 rad/s = 79,58 Hz

Resposta

BW = 79,58 Hz
36.Diagramas de Bode e margens

Resposta: GM = 9,542 dB

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/1)·(ω/3) = 1 → ω180 = √(1·3) = 1,732 rad/s

Módulo no cruzamento de fase

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 1)·√(ω² + 9)) = K/(1·3·(1 + 3)) = K/12

Margem de ganho

GM = 20·log₁₀(12/4) = 9,542 dB

Resposta

GM = 9,542 dB
37.Estabilidade: Routh–Hurwitz e lugar das raízes

Resposta: Kmin = 2,25

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.

Polinômio característico

(s − 3)(s + 3) + K(s + 4) = s² + (0 + K)s + (4K − 9)

Condições

Para s² + c₁s + c₀, todas as raízes estão no semiplano esquerdo exatamente quando c₁ > 0 e c₀ > 0.

0 + K > 0 → K > 0
4K − 9 > 0 → K > 2,25
Kmin = 2,25

Resposta

Kmin = 2,25
38.Estabilidade: Routh–Hurwitz e lugar das raízes

Resposta: sb = −1,691

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.

Ganho ao longo do eixo real

K(s) = −s(s + 4)(s + 8) = −(s³ + 12s² + 32s)

Pontos estacionários

dK/ds = −(3s² + 24s + 32) = 0
s = (−24 ± √(576 − 384))/6 = −1,691, −6,309

Escolha o ponto que está no lugar das raízes

O lugar das raízes está no eixo real entre 0 e −4; a outra raiz não pertence a ele.

sb = −1,691

Resposta

sb = −1,691
39.Erro em regime permanente e controle PID

Resposta: ess = 2,5

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 velocidade

Kv = lim s·G(s) = 1,2

Erro de rampa

ess = 3/1,2 = 2,5

Resposta

ess = 2,5
40.Erro em regime permanente e controle PID

Resposta: Kd = 3,324 s

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 + 3) + 1(20 + Kds) = s² + (3 + 1Kd)s + 20

Frequência natural

ωₙ = √20 = 4,472 rad/s

Ganho derivativo

3 + 1Kd = 2·0,707·4,472 = 6,324
Kd = 3,324 s

Resposta

Kd = 3,324 s

O termo derivativo acrescenta amortecimento sem alterar ωₙ.

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