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​ = 8 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​24 VR2​8 ΩIR2​AR4​4 ΩB

Encontre a corrente IR2 em R2.

V1 = 24 VR1 = 8 ΩR2 = 8 ΩR3 = 15 ΩR4 = 4 Ω
IR2 = A
2.Resistores em série e paraleloDifícil
R1​ = 8 ΩR3​ = 2 ΩR5​ = 10 Ω+−V1​24 VR2​5 ΩIR2​AR4​20 ΩBR6​12 Ω

Encontre a corrente IR2 em R2.

V1 = 24 VR1 = 8 ΩR2 = 5 ΩR3 = 2 ΩR4 = 20 ΩR5 = 10 ΩR6 = 12 Ω
IR2 = A
3.Análise nodalMédia
R1​15 Ω+−V1​6 VI1​R2​6 Ω+−V2​18 VR3​5 Ω+−V3​12 VA

Três ramos estão ligados entre o nó A e o terra, como mostrado. Use análise nodal para encontrar a corrente I1 no ramo 1, subindo para o nó A no sentido da seta.

V1 = 6 VR1 = 15 ΩV2 = 18 VR2 = 6 ΩV3 = 12 VR3 = 5 Ω
I1 = A
4.Análise nodalDifícil
R1​ = 20 ΩR2​ = 8 ΩR4​ = 2 ΩIR4​+−V1​18 VR3​15 ΩAR5​6 ΩBIs​6 A+−V2​9 V

Use análise nodal para encontrar a corrente IR4 em R4 no sentido da seta.

V1 = 18 VIs = 6 AV2 = 9 VR1 = 20 ΩR2 = 8 ΩR3 = 15 ΩR4 = 2 ΩR5 = 6 Ω
IR4 = A
5.Análise de malhasMédia
R1​ = 8 ΩR2​ = 8 Ω+−V1​15 VR3​10 ΩA+−V2​12 VI1​I2​

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

V1 = 15 VV2 = 12 VR1 = 8 ΩR2 = 8 ΩR3 = 10 Ω
I2 = A
6.Análise de malhasDifícil
R1​ = 4 ΩR2​ = 5 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​6 VR4​20 ΩAR5​30 ΩIR5​B+−V2​10 VI1​I2​I3​

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

V1 = 6 VV2 = 10 VR1 = 4 ΩR2 = 5 ΩR3 = 8 ΩR4 = 20 ΩR5 = 30 Ω
IR5 = A
7.SuperposiçãoMédia
R1​ = 6 ΩIR1​R3​ = 2 Ω+−V1​18 VR2​4 ΩAR4​2 ΩBIs​1,5 A

Use superposição para encontrar a potência PR1 absorvida por R1.

V1 = 18 VIs = 1,5 AR1 = 6 ΩR2 = 4 ΩR3 = 2 ΩR4 = 2 Ω
PR1 = W
8.SuperposiçãoDifícil
R1​ = 15 ΩR2​ = 8 ΩIR2​R4​ = 6 Ω+−V1​36 VR3​8 ΩAIs​0,5 AB+−V2​6 V

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

V1 = 36 VIs = 0,5 AV2 = 6 VR1 = 15 ΩR2 = 8 ΩR3 = 8 ΩR4 = 6 Ω
IR2 = A
9.Thévenin e NortonMédia
R1​ = 15 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​15 VR2​2 ΩAab

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

V1 = 15 VR1 = 15 ΩR2 = 2 ΩR3 = 4 Ω
IN = A
10.Thévenin e NortonDifícil
R1​ = 6 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​36 VR2​30 ΩAIs​3 ABab

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

V1 = 36 VIs = 3 AR1 = 6 ΩR2 = 30 ΩR3 = 4 Ω
Vth = V
11.Transitórios RC e RLMédia
+−Vs​24 Vt = 0R = 47 ΩL220 mHi(t)

O indutor não conduz corrente antes de a chave fechar em t = 0. Encontre a tensão vL no indutor em t = 10 ms.

Vs = 24 VR = 47 ΩL = 220 mHt = 10 ms
vL = V
12.Transitórios RC e RLDifícil
+−Vs​15 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. Quanto tempo após t = 0 a corrente do indutor atinge 0,85 A? Encontre t.

Vs = 15 VR1 = 15 ΩR2 = 5 ΩL = 150 mH
t = ms
13.Impedância CA e fasoresMédia
50 V60 HzR = 25 ΩL = 150 mHC = 100 µFI

Um circuito RLC série está ligado a uma fonte de 50 V (rms), 60 Hz. Encontre o fator de potência cos φ do circuito.

V = 50 V (rms)f = 60 HzR = 25 ΩL = 150 mHC = 100 µF
cos φ =
14.Impedância CA e fasoresDifícil
120 V500 HzR = 40 ΩL = 250 mHC = 10 µF+−VC​

Um circuito RLC série está ligado a uma fonte de 120 V (rms), 500 Hz. Encontre a tensão rms VC no capacitor.

V = 120 V (rms)f = 500 HzR = 40 ΩL = 250 mHC = 10 µF
VC = V
15.Potência CA e fator de potênciaMédia
240 V115 kW, 0,65220 kW, 1I

Duas cargas estão ligadas em paralelo a uma fonte monofásica de 240 V: uma carga de 15 kW com fator de potência 0,65 indutivo e um aquecedor de 20 kW (fator de potência unitário). Encontre o fator de potência global cos φ visto pela fonte.

V = 240 VP1 = 15 kW, pf1 = 0,65 indutivoP2 = 20 kW, pf2 = 1
cos φ =
16.Potência CA e fator de potênciaDifícil
120 V1000 HzRs​ = 10 ΩXs​ = j5 ΩZL​ = ?

Uma fonte de 120 V (eficaz), 1000 Hz tem impedância interna Zs = 10 + j5 Ω. A impedância de carga ZL pode ser escolhida livremente. Encontre a potência ativa máxima Pmax que pode ser entregue à carga.

Vs = 120 V (rms)f = 1000 HzZs = 10 + j5 Ω
Pmax = W
17.Potência trifásicaMédia
ABCVL​ = 415 VIL​ = 150 Acos φ = 0,92indutivo

Uma carga trifásica equilibrada consome uma corrente de linha de 150 A de uma alimentação com tensão de linha de 415 V. O fator de potência é 0,92 indutivo. Encontre a potência ativa total P consumida pela carga em kW.

VL = 415 VIL = 150 Acos φ = 0,92
P = kW
18.Potência trifásicaDifícil
P = 60 kWφ1​S1​Q2​QC​

Uma carga trifásica equilibrada consome 60 kW com fator de potência 0,65 indutivo de uma alimentação de 690 V (tensão de linha), 60 Hz. Um banco de capacitores trifásico em paralelo com a carga deve elevar o fator de potência total para 0,95 indutivo. A potência ativa permanece a mesma. Os capacitores estão ligados em Y. Encontre a capacitância Cph de cada capacitor em µF.

P = 60 kWpf1 = 0,65pf2 = 0,95VL = 690 Vf = 60 Hz
Cph = µF
19.TransformadoresMédia
RL​ = 40 Ω2014600 VV2​I1​ = ?I2​

Um transformador ideal com relação de espiras N₁:N₂ = 20:1 tem 4600 V aplicados ao enrolamento primário. Um resistor de 40 Ω está ligado ao enrolamento secundário. Encontre a corrente no primário I1.

N1:N2 = 20:1V1 = 4600 VRL = 40 Ω
I1 = A
20.TransformadoresDifícil
pf 0,975 kVA, 25% carga

Um transformador monofásico de 75 kVA tem perdas no núcleo de 300 W e perdas no cobre de 750 W na carga nominal. Ele fornece 25% dos seus kVA nominais com fator de potência 0,9 indutivo. Encontre as perdas totais Ploss em watts nessa carga.

S = 75 kVAPcore = 300 WPcu,fl = 750 Wx = 0,25pf = 0,9
Ploss = W
21.Circuitos com amplificadores operacionaisMédia
−+Vout​Rf​ = 100 kΩR1​ = 47 kΩVin​ = −0,9 V

O amplificador operacional é ideal e alimentado com ±15 V. Encontre a tensão de saída Vout.

Vin = −0,9 VR1 = 47 kΩRf = 100 kΩ
Vout = V
22.Circuitos com amplificadores operacionaisDifícil
−+Vout​C = 0,22 µFVin​ = 0,6 VR = 10 kΩ

O integrador usa um amplificador operacional ideal alimentado com ±15 V; sua saída satura em ±13 V. O capacitor está descarregado quando uma entrada constante Vin = 0,6 V é aplicada em t = 0. Encontre a tensão de saída Vout em t = 10 ms.

Vin = 0,6 VR = 10 kΩC = 0,22 µFVsat = ±13 Vt = 10 ms
Vout = V
23.Diodos e transistoresMédia
RC​ = 2,2 kΩβ = 100VCC​ = 10 VRB​ = 330 kΩ

Um transistor NPN com β = 100 é polarizado por um resistor de base RB = 330 kΩ a partir da alimentação VCC = 10 V. O resistor de coletor é RC = 2,2 kΩ e o emissor está aterrado. Considere VBE = 0,7 V e suponha que o transistor está na região ativa. Encontre a tensão coletor–emissor VCE.

VCC = 10 VRB = 330 kΩRC = 2,2 kΩβ = 100VBE = 0,7 V
VCE = V
24.Diodos e transistoresDifícil
+−≤ 14 V150 Ω5,6 V

Um regulador Zener de 5,6 V tem um resistor em série de 150 Ω. A entrada pode subir a 14 V, e a carga pode ser desconectada. Encontre a maior potência PZ,max que o Zener deve dissipar.

Vin,max = 14 VVZ = 5,6 VR = 150 Ω
PZ,max = mW
25.Sistemas de numeraçãoMédia
pesos em complemento para dois1−12816403201618141211

O padrão de 8 bits 1100 1111 guarda um inteiro com sinal em complemento para dois. Qual é o seu valor N em decimal?

1100 11118 bit
N =
26.Sistemas de numeraçãoDifícil
Complemento de dois de 16 bits, N = ??sinal???????????????

Qual é o inteiro mais negativo N que se pode guardar em complemento para dois de 16 bits?

16 bit
N =
27.Lógica digital: portas, mapas de Karnaugh e flip-flopsMédia
ABC000111100101324576

Simplifique F = A′C + ABC + A′BC′ até a sua forma mínima em soma de produtos. Quantos literais L a expressão simplificada contém?

F = A′C + ABC + A′BC′
L =
28.Lógica digital: portas, mapas de Karnaugh e flip-flopsDifícil
CLKT123456

Um flip-flop T acionado na borda de subida começa com Q = 0 e recebe as entradas mostradas em 6 bordas de subida do clock. Quantas vezes N Q muda de estado?

Q₀ = 0T
N =
29.Transformadas de LaplaceMédia
ReIm−2−4−6−8−10−12

F(s) = (2s + 23)/(s² + 12s + 35). Sua transformada inversa tem a forma f(t) = A·e−5t + B·e−7t. Encontre o coeficiente A por frações parciais.

F(s) = (2s + 23)/(s² + 12s + 35)
A =
30.Transformadas de LaplaceDifícil
t (s)y(t)t = 0,3y(0,3) = ?

Resolva y″ + 9y′ + 20y = 0 com y(0) = −1 e y′(0) = −1 usando a transformada de Laplace e encontre y(0,3).

y″ + 9y′ + 20y = 0y(0) = −1y′(0) = −1t = 0,3 s
y(0.3) =
31.Diagramas de blocosMédia
R(s)+Ks(s + 8)G(s)C(s)−

A planta G(s) = K/(s(s + 8)) está em uma malha de realimentação negativa unitária. Encontre o ganho K para o qual a malha fechada é criticamente amortecida (dois polos reais iguais).

G(s) = K/(s(s + 8))realimentação negativa unitária
K =
32.Diagramas de blocosDifícil
R(s)+4s + 3G₁+4s + 5G₂C(s)0,5H₁−0,25H₂−

Reduza o diagrama de blocos com G₁ = 4/(s + 3), G₂ = 4/(s + 5), uma realimentação negativa interna H₁ = 0,5 em torno de G₂ e uma realimentação negativa externa H₂ = 0,25. Encontre o ganho CC T(0) de C(s)/R(s).

G₁ = 4/(s + 3)G₂ = 4/(s + 5)H₁ = 0,5H₂ = 0,25
T(0) =
33.Resposta ao degrauMédia
t (s)y(t)1ts​ = ?

Um sistema tem a função de transferência G(s) = 73/(s² + 9s + 73) e recebe uma entrada em degrau unitário. Encontre o tempo de acomodação de 2 % ts da resposta ao degrau, usando ts ≈ 4/(ζωₙ).

G(s) = 73/(s² + 9s + 73)
ts = s
34.Resposta ao degrauDifícil
k = 800 N/mc = 17 N·s/mm = 4 kgF = 25 Nx(t)

Uma massa m = 4 kg está pendurada em uma mola k = 800 N/m com um amortecedor viscoso c = 17 N·s/m (m·x″ + c·x′ + k·x = F). Em repouso, em equilíbrio, uma força constante F = 25 N é aplicada de repente. Encontre o fator de amortecimento ζ.

m = 4 kgk = 800 N/mc = 17 N·s/mF = 25 N
ζ =
35.Diagramas de Bode e margensMédia
vin​L = 50 mHC = 0,22 µFR = 100 Ωvout​

No filtro passa-faixa RLC série mostrado, a saída é tomada sobre R = 100 Ω, com L = 50 mH e C = 0,22 µF. Encontre o fator de qualidade Q.

R = 100 ΩL = 50 mHC = 0,22 µF
Q =
36.Diagramas de Bode e margensDifícil
|H| (dB)0,10,1111010100100−60−40−200204060ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−270−180−900ω180​ = ?

Uma malha com realimentação unitária tem a função de transferência de malha aberta L(s) = 530/(s(s + 5)(s + 10)). Encontre a frequência de cruzamento de fase ω180, onde ∠L(jω) = −180°.

L(s) = 530/(s(s + 5)(s + 10))
ω180 = rad/s
37.Estabilidade: Routh–Hurwitz e lugar das raízesMédia
R(s)+K1s(s + 3)(s + 5)C(s)−

A malha do diagrama tem a função de transferência de malha aberta L(s) = K/(s(s + 3)(s + 5)). Encontre o maior ganho Kmax para o qual a malha fechada é estável.

L(s) = K/(s(s + 3)(s + 5))
Kmax =
38.Estabilidade: Routh–Hurwitz e lugar das raízesDifícil
ReIm−2−4−6−8−10−12j2sb​

O lugar das raízes de L(s) = K/((s + 6)(s + 10)) é mostrado. Encontre o ganho K no ponto de saída sb, onde os dois polos de malha fechada se encontram no eixo real.

L(s) = K/((s + 6)(s + 10))
K =
39.Erro em regime permanente e controle PIDMédia
r(t) = 10 + 5t+10(s + 2)s(s + 4)(s + 5)C(s)−

A entrada r(t) = 10 + 5t (um degrau mais uma rampa) é aplicada a uma malha com realimentação unitária com G(s) = 10(s + 2)/(s(s + 4)(s + 5)). Encontre o erro em regime permanente ess.

G(s) = 10(s + 2)/(s(s + 4)(s + 5))r(t) = 10 + 5t
ess =
40.Erro em regime permanente e controle PIDDifícil
R(s)+Kp​ + Ki​/s5s + 2C(s)−

Um controlador PI C(s) = Kp + Ki/s controla a planta G(s) = 5/(s + 2) em uma malha com realimentação unitária. A malha fechada deve ter ωₙ = 3 rad/s e ζ = 0,8. Encontre o ganho proporcional Kp.

G(s) = 5/(s + 2)ωₙ = 3 rad/sζ = 0,8
Kp =

3Soluções

1.Resistores em série e paralelo

Resposta: IR2 = 1,239 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​ = 8 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​24 VR2​8 ΩAR4​4 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 + 4 = 19 Ω
R2 ∥ 19 = 8·19/(8+19) = 5,63 Ω
Req = R1 + 5,63 = 8 + 5,63 = 13,63 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 = 24/13,63 = 1,761 A

Corrente em R₂

Subtraia a queda em R₁ para obter a tensão no nó A, que é a tensão sobre R₂.

VA = V1 − IR1·R1 = 24 − 1,761·8 = 9,913 V
IR2 = VA/R2 = 9,913/8 = 1,239 A

Resposta

IR2 = 1,239 A
2.Resistores em série e paralelo

Resposta: IR2 = 1,481 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​ = 8 ΩR3​ = 2 ΩR5​ = 10 Ω+−V1​24 VR2​5 ΩAR4​20 ΩBR6​12 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 = 10 + 12 = 22 Ω
R4 ∥ 22 = 10,48 Ω
R3 + 10,48 = 12,48 Ω
R2 ∥ 12,48 = 3,569 Ω
Req = R1 + 3,569 = 8 + 3,569 = 11,57 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 = 24/11,57 = 2,074 A

Corrente em R₂

Subtraia a queda em R₁ para obter a tensão no nó A, que é a tensão sobre R₂.

VA = V1 − IR1·R1 = 24 − 2,074·8 = 7,405 V
IR2 = VA/R2 = 7,405/5 = 1,481 A

Resposta

IR2 = 1,481 A
3.Análise nodal

Resposta: I1 = −0,4923 A

Análise nodal: escolha um nó de referência, nomeie as tensões de nó desconhecidas, escreva a lei das correntes de Kirchhoff em cada nó desconhecido usando a lei de Ohm (I = ΔV/R) e resolva as equações.

LKC no nó A

Tome o fio inferior como terra. Cada ramo conduz (VA − Vk)/Rk saindo de A, onde Vk é a tensão da sua fonte (zero para um resistor simples). As correntes que saem de A somam zero.

(VA − 6)/15 + (VA − 18)/6 + (VA − 12)/5 = 0

Resolver para VA

VA = (6/15 + 18/6 + 12/5) / (1/15 + 1/6 + 1/5) = 5,8/0,4333 = 13,38 V

Corrente de ramo

A seta aponta para cima no ramo, entrando no nó A.

I1 = (6 − VA)/R1 = (6 − 13,38)/15 = −0,4923 A

Resposta

I1 = −0,4923 A

Um resultado negativo significa que a corrente real flui contra a seta.

4.Análise nodal

Resposta: IR4 = 3,042 A

Análise nodal: escolha um nó de referência, nomeie as tensões de nó desconhecidas, escreva a lei das correntes de Kirchhoff em cada nó desconhecido usando a lei de Ohm (I = ΔV/R) e resolva as equações.

R1​ = 20 ΩR2​ = 8 ΩR4​ = 2 Ω+−V1​18 VR3​15 ΩAR5​6 ΩBIs​6 A+−V2​9 V

Defina os nós

O terra é o fio de baixo. As tensões de nó conhecidas vêm direto das fontes (V1 = 18 V, V2 = 9 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/15 + (VA − 18)/20 + (VA − VB)/8 = 0
0,2417·VA − 0,125·VB = 0,9

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/6 + (VB − VA)/8 + (VB − 9)/2 = 6
−0,125·VA + 0,7917·VB = 10,5

Resolva

Δ = (0,2417)(0,7917) − (−0,125)(−0,125) = 0,1757
VA = Δ1/Δ = 2,025/0,1757 = 11,53 V
VB = Δ2/Δ = 2,65/0,1757 = 15,08 V

Resposta

IR4 = (VB − V2)/R4 = (15,08 − 9)/2 = 3,042 A
5.Análise de malhas

Resposta: I2 = −0,2946 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​ = 8 Ω+−V1​15 VR3​10 ΩA+−V2​12 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
8·I1 + 10(I1 − I2) = 15
18·I1 − 10·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 + R3(I2 − I1) = −V2
8·I2 + 10(I2 − I1) = (−12)
−10·I1 + 18·I2 = −12

Resolva

Δ = (18)(18) − (−10)(−10) = 224
I1 = Δ1/Δ = 150/224 = 0,6696 A
I2 = Δ2/Δ = −66/224 = −0,2946 A

Resposta

I2 = −0,2946 A

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

6.Análise de malhas

Resposta: IR5 = 0,2216 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​ = 4 ΩR2​ = 5 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​6 VR4​20 ΩAR5​30 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
4·I1 + 20(I1 − I2) = 6
24·I1 − 20·I2 = 6

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
5·I2 + 20(I2 − I1) + 30(I2 − I3) = 0
−20·I1 + 55·I2 − 30·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 + 30(I3 − I2) = (−10)
−30·I2 + 38·I3 = −10

Resolva

Δ = determinante da matriz de coeficientes = 13360
I1 = Δ1/Δ = 1140/13360 = 0,08533 A
I2 = Δ2/Δ = −2640/13360 = −0,1976 A
I3 = Δ3/Δ = −5600/13360 = −0,4192 A

Resposta

IR5 = I2 − I3 = 0,2216 A

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

7.Superposição

Resposta: PR1 = 35,65 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​ = 6 ΩR3​ = 2 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 = 2+2 = 4 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 4·4/(4+4) = 2 Ω
VA = 18·2/(6+2) = 4,5 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 4,5·2/4 = 2,25 V
IR1′ = (V1 − VA)/R1 = (18 − 4,5)/6 = 2,25 A
R1​ = 6 ΩR3​ = 2 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. A seta de Iₛ aponta para baixo, saindo do seu nó, então Iₛ retira corrente desse nó: seu termo entra com sinal de menos.

R1 ∥ R2 = 6·4/(6+4) = 2,4 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 2 ∥ 4,4 = 1,375 Ω
VB = −Is·Req = −1,5·1,375 = −2,063 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = −2,063·2,4/4,4 = −1,125 V
IR1″ = (V1 − VA)/R1 = (0 − −1,125)/6 = 0,1875 A

Some as contribuições de corrente

IR1 = IR1′ + IR1″ = 2,25 + 0,1875 = 2,438 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 = 2,438²·6 = 35,65 W

Resposta

PR1 = 35,65 W

Somar as potências dos casos separados daria 30,59 W, o que está errado.

8.Superposição

Resposta: IR2 = 0,1833 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​ = 15 ΩR2​ = 8 ΩR4​ = 6 Ω+−V1​36 VR3​8 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) = 8 ∥ 14 = 5,091 Ω
VA = 36·5,091/(15+5,091) = 9,122 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 9,122·6/14 = 3,91 V
IR2′ = (VA − VB)/R2 = (9,122 − 3,91)/8 = 0,6516 A
R1​ = 15 ΩR2​ = 8 ΩR4​ = 6 ΩCURTOR3​8 ΩAIs​0,5 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 = 5,217 Ω, então o caminho da esquerda é R2+5,217 = 13,22 Ω
Req = R4 ∥ 13,22 = 4,127 Ω
VB = Is·Req = 0,5·4,127 = 2,063 V
VA = VB·5,217/13,22 = 0,8145 V
IR2″ = (VA − VB)/R2 = (0,8145 − 2,063)/8 = −0,1561 A
R1​ = 15 ΩR2​ = 8 ΩR4​ = 6 ΩCURTOR3​8 ΩAABERTOB+−V2​6 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 = 15·8/(15+8) = 5,217 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = 6·13,22/19,22 = 4,127 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = 4,127·5,217/13,22 = 1,629 V
IR2‴ = (VA − VB)/R2 = (1,629 − 4,127)/8 = −0,3122 A

Some as contribuições

IR2 = IR2′ + IR2″ + IR2‴
IR2 = 0,6516 + (−0,1561) + (−0,3122) = 0,1833 A

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

9.Thévenin e Norton

Resposta: IN = 0,3061 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​ = 15 ΩR3​ = 4 ΩCURTOR2​2 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 = 15·2/(15+2) = 1,765 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,765 + 4 = 5,765 Ω
R1​ = 15 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​15 VR2​2 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) = 15·2/(15+2) = 1,765 V
IN​0,3061 ARth​5,765 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 = 1,765/5,765 = 0,3061 A
10.Thévenin e Norton

Resposta: Vth = 57 V

Teorema de Thévenin: qualquer rede linear de dois terminais se comporta como uma única fonte de tensão Vth em série com uma resistência Rth. O teorema de Norton dá a mesma rede como uma fonte de corrente IN = Vth/Rth em paralelo com Rth.

R1​ = 6 ΩR3​ = 4 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 = 6·30/(6+30) = 5 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 5 + 4 = 9 Ω
R1​ = 6 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​36 VR2​30 ΩAIs​3 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) = 30 + 3·5 = 45 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 45 + 3·4 = 57 V
11.Transitórios RC e RL

Resposta: vL = 2,834 V

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

Constante de tempo e corrente final

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

τ = L/R = 220 mH / 47 Ω = 4,681 ms
i(∞) = Vs/R = 24/47 = 0,5106 A

Tensão no indutor

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

vL(t) = Vs·e−t/τ = 24·e−10/4,681 = 2,834 V

Resposta

vL = 2,834 V
12.Transitórios RC e RL

Resposta: t = 5,108 ms

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

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) = 15/(15 + 5) = 0,75 A
i(∞) = 15/15 = 1 A
τ = L/R = 150/15 = 10 ms
i(t) = 1 + (0,75 − 1)·e−t/τ

Resolva para o tempo

e−t/τ = (0,85 − 1)/(0,75 − 1) = 0,6
t = 10·ln(1,667) = 5,108 ms

Resposta

t = 5,108 ms
13.Impedância CA e fasores

Resposta: cos φ = 0,6399

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

Reatâncias

XL = 56,55 Ω, XC = 26,53 Ω

Impedância

|Z| = √(25² + (30,02)²) = 39,07 Ω

Fator de potência

cos φ = R/|Z| = 25/39,07 = 0,6399
O circuito é indutivo, então o fator de potência é indutivo (atrasado).

Resposta

cos φ = 0,6399
14.Impedância CA e fasores

Resposta: VC = 5,062 V

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

Corrente

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

I = V/|Z| = 120/754,6 = 0,159 A

Tensão no capacitor

VC = I·XC = 0,159·31,83 = 5,062 V

Resposta

VC = 5,062 V
15.Potência CA e fator de potência

Resposta: cos φ = 0,894

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 = 15·tan(arccos 0,65) = 17,54 kvar
Q2 = 0 = 0 kvar

Totais

P = 15 + 20 = 35 kW
Q = 17,54 + 0 = 17,54 kvar
S = √(35² + 17,54²) = 39,15 kVA

Fator de potência global

cos φ = P/S = 35/39,15 = 0,894 indutivo

Resposta

cos φ = 0,894
16.Potência CA e fator de potência

Resposta: Pmax = 360 W

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.

Casamento conjugado

A reatância da carga anula a reatância da fonte, e a resistência da carga é igual à resistência da fonte.

ZL = Zs* = 10 − j5 Ω

Potência máxima

I = Vs/(2Rs) = 120/20 = 6 A
Pmax = I²·RL = Vs²/(4Rs) = 120²/(4·10) = 360 W

Resposta

Pmax = 360 W
17.Potência trifásica

Resposta: P = 99,19 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 = √3·415·150 = 107,8 kVA

Potência ativa

P = S·cos φ = 107,8·0,92 = 99,19 kW

Resposta

P = 99,19 kW
18.Potência trifásica

Resposta: Cph = 281 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 = 60·tan(acos 0,65) = 60·1,169 = 70,15 kvar
Q2 = 60·tan(acos 0,95) = 60·0,3287 = 19,72 kvar

Potência reativa dos capacitores

QC = Q1 − Q2 = 50,43 kvar

Capacitância por fase

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

V = 690/√3 = 398,4 V, ω = 2π·60 = 377 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 16809/(377·398,4²) = 281 µF

Resposta

Cph = 281 µF
19.Transformadores

Resposta: I1 = 0,2875 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.

Tensão e corrente no secundário

V2 = 4600/20 = 230 V
I2 = 230/40 = 5,75 A

Corrente no primário

Um transformador ideal não tem perdas: V₁·I₁ = V₂·I₂.

I1 = I2/20 = 0,2875 A

Resposta

I1 = 0,2875 A

Verificação: a carga vista do primário é a²·RL = 16000 Ω, e 4600/16000 dá a mesma corrente.

20.Transformadores

Resposta: Ploss = 346,9 W

Perdas no transformador: as perdas no núcleo (histerese e correntes parasitas) dependem da tensão e são as mesmas em qualquer carga. As perdas no cobre dos enrolamentos variam com o quadrado da corrente, então a uma fração x da carga nominal valem x²·Pcu,fl. Rendimento η = Pout/(Pout + Pcore + Pcu), com Pout = x·S·pf. O rendimento é máximo na carga em que as perdas no cobre são iguais às perdas no núcleo.

Perdas no cobre nesta carga

Pcu = x²·Pcu,fl = 0,0625·750 = 46,88 W

Perdas totais

As perdas no núcleo são as mesmas em qualquer carga.

Ploss = 300 + 46,88 = 346,9 W

Resposta

Ploss = 346,9 W

O rendimento nesta carga é η = 97,99%.

21.Circuitos com amplificadores operacionais

Resposta: Vout = −2,815 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.

A entrada inversora segue a entrada

V₋ = V₊ = −0,9 V
I = V₋/R1 = −0,9/47 = −0,01915 mA

Tensão de saída

A corrente em R₁ também passa por Rf.

Vout = V₋ + I·Rf = −0,9 + (−0,01915)·100 = −2,815 V

Resposta

Vout = −2,815 V
22.Circuitos com amplificadores operacionais

Resposta: Vout = −2,727 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.

Corrente de entrada e taxa da rampa

kΩ vezes µF dá milissegundos.

RC = 10 kΩ · 0,22 µF = 2,2 ms
taxa da rampa = −Vin/(RC) = −0,6/2,2 = −0,2727 V/ms

Saída no instante dado

O valor ideal fica dentro de ±Vsat, então o integrador ainda não saturou.

Vout = −Vin·t/(RC) = −0,6·10/2,2 = −2,727 V

Resposta

Vout = −2,727 V
23.Diodos e transistores

Resposta: VCE = 3,8 V

Ponto de polarização do TBJ: na região ativa VBE = 0,7 V, IC = β·IB e IE = (β + 1)·IB. Encontre IB pela malha da base com a LKT, depois IC e então VCE pela malha coletor–emissor. Um divisor de tensão na base é substituído por seu equivalente de Thévenin VTH = VCC·R₂/(R₁ + R₂), RTH = R₁∥R₂; um resistor de emissor aparece (β + 1) vezes maior na malha da base.

Corrente de base

IB = (VCC − VBE)/RB = (10 − 0,7)/330 kΩ = 28,18 µA

Corrente de coletor

IC = β·IB = 100·28,18 µA = 2,818 mA

Tensão coletor–emissor

VCE = 10 − 2,818 mA·2,2 kΩ = 3,8 V

Resposta

VCE = 3,8 V
24.Diodos e transistores

Resposta: PZ,max = 313,6 mW

Regulador Zener: um diodo Zener polarizado reversamente mantém sua tensão VZ enquanto sua corrente permanece acima de um mínimo IZ,min. O resistor em série R assume a diferença entre a entrada e a saída: IR = (Vin − VZ)/R. Essa corrente se divide entre a carga, IL = VZ/RL, e o Zener: IZ = IR − IL. Projete para os piores casos: a menor entrada com a maior carga ainda deve deixar IZ,min, e a maior entrada sem carga dá a maior potência no Zener PZ = VZ·IZ.

Corrente do Zener no pior caso

IZ = 8,4/150 = 56 mA

Potência do Zener

PZ = 5,6·56 = 313,6 mW

Resposta

PZ,max = 313,6 mW
25.Sistemas de numeração

Resposta: N = −49

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 + 8 + 4 + 2 + 1 = −49

Resposta

N = −49
26.Sistemas de numeração

Resposta: N = −32768

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.

Valor mais negativo

−215 = −32768

Resposta

N = −32768
27.Lógica digital: portas, mapas de Karnaugh e flip-flops

Resposta: L = 6

Álgebra booleana: as regras que simplificam expressões são X + X′ = 1 e X·X′ = 0, X + X = X, a absorção X + X·Y = X, a regra de combinação X·Y + X·Y′ = X, X + X′Y = X + Y e o teorema do consenso XY + X′Z + YZ = XY + X′Z. As leis de De Morgan transformam (X·Y)′ em X′ + Y′ e (X + Y)′ em X′·Y′. Um mapa de Karnaugh aplica essas regras graficamente: cada grupo de duas células vizinhas é um uso de XY + XY′ = X.

Mintermos da expressão

A′C → m(1, 3)
ABC → m(7)
A′BC′ → m(2)
ABC00011110010011131204051706

Agrupe e leia

F = BC + A′C + A′B

Conte os literais

L = 6

Resposta

L = 6
28.Lógica digital: portas, mapas de Karnaugh e flip-flops

Resposta: N = 2

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 T inverte em cada borda de subida com T = 1 e mantém com T = 0.

1: T = 1 → Q = 1
2: T = 0 → Q = 1
3: T = 0 → Q = 1
4: T = 0 → Q = 1
5: T = 0 → Q = 1
6: T = 1 → Q = 0

Conte as mudanças

0 → 1 → 1 → 1 → 1 → 1 → 0
N = 2

Resposta

N = 2
29.Transformadas de Laplace

Resposta: A = 6,5

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).

Fatore o denominador

s² + 12s + 35 = (s + 5)(s + 7)
F(s) = A/(s + 5) + B/(s + 7)

Regra de cobertura

Multiplique por (s + 5) e faça s = −5: o termo em B desaparece.

A = (2s + 23)/(s + 7) |s = −5 = 13/2 = 6,5

Resposta

A = 6,5
(B = −4,5, então f(t) = 6,5·e−5t − 4,5·e−7t)
30.Transformadas de Laplace

Resposta: y(0.3) = −0,6915

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 − (−1)s − (−1) + 9(sY − (−1)) + 20Y = 0
Y(s) = (−s − 10)/((s + 4)(s + 5))

Frações parciais

A = −6/1 = −6
B = −5/(−1) = 5

Resultado

y(t) = −6·e−4t + 5·e−5t
y(0,3) = −0,6915

Resposta

y(0,3) = −0,6915

Verificação: y(0) = A + B = −1.

31.Diagramas de blocos

Resposta: K = 16

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

1 + K/(s(s + 8)) = 0 → s² + 8s + K = 0

Raiz repetida

Um polinômio s² + βs + γ tem uma raiz dupla quando β² = 4γ.

8² = 4K → K = 64/4 = 16

Resposta

K = 16
Os dois polos de malha fechada ficam então em s = −4.
32.Diagramas de blocos

Resposta: T(0) = 0,64

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).

Malha interna

Gᵢ = G₂/(1 + G₂H₁) = 4/(s + 7)

Malha externa

T(s) = G₁Gᵢ/(1 + G₁GᵢH₂) = 16/((s + 3)(s + 7) + 4)

Ganho CC

T(0) = 16/(3·7 + 4) = 16/25 = 0,64

Resposta

T(0) = 0,64
33.Resposta ao degrau

Resposta: ts = 0,8889 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 = 73 → ωₙ = 8,544 rad/s
2ζωₙ = 9 → ζ = 9/(2·8,544) = 0,5267

Resultado

ζωₙ = 4,5 → ts ≈ 4/4,5 = 0,8889 s

Resposta

ts = 0,8889 s
34.Resposta ao degrau

Resposta: ζ = 0,1503

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) = √(800/4) = 14,14 rad/s
ζ = c/(2√(km)) = 17/(2·√(800·4)) = 0,1503

Resultado

ζ = 0,1503

Resposta

ζ = 0,1503
35.Diagramas de Bode e margens

Resposta: Q = 4,767

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

Frequência de ressonância

ω₀ = 1/√(LC) = 1/√(0,05·2,2 × 10⁻⁷) = 9535 rad/s
f₀ = ω₀/(2π) = 1517 Hz

Fator de qualidade

BW = R/L = 100/0,05 = 2000 rad/s = 318,3 Hz
Q = ω₀/BW = 9535/2000 = 4,767

Resposta

Q = 4,767
36.Diagramas de Bode e margens

Resposta: ω180 = 7,071 rad/s

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

Cruzamento de fase

(ω/5)·(ω/10) = 1 → ω180 = √(5·10) = 7,071 rad/s

Resposta

ω180 = 7,071 rad/s
37.Estabilidade: Routh–Hurwitz e lugar das raízes

Resposta: Kmax = 120

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.

Equação característica

s³ + 8s² + 15s + K = 0

Tabela de Routh

s³: 1, 15
s²: 8, K
s¹: (8·15 − K)/8
s⁰: K

Condições

Todos os elementos da primeira coluna devem ser positivos.

K > 0
8·15 − K > 0 → K < 120

Resposta

Kmax = 120

Em K = 120 a malha fechada oscila em ω = √15 = 3,873 rad/s.

38.Estabilidade: Routh–Hurwitz e lugar das raízes

Resposta: K = 4

Lugar das raízes: quando o ganho K vai de 0 a ∞, os polos de malha fechada, as raízes de 1 + K·G(s) = 0, movem-se dos polos de malha aberta para os zeros de malha aberta ou para o infinito. Um ponto do eixo real pertence ao lugar das raízes quando o número de polos e zeros reais à sua direita é ímpar. Os n − m ramos que vão ao infinito seguem assíntotas nos ângulos (2q + 1)·180°/(n − m), que partem do centroide σₐ = (Σ polos − Σ zeros)/(n − m). Os ramos saem do eixo real ou chegam a ele onde dK/ds = 0. A condição de ângulo ∠G(s) = 180° fixa a forma, e a condição de módulo K = 1/|G(s)| dá o ganho em qualquer ponto do lugar das raízes.

Ponto de saída

dK/ds = 0 para K = −(s + 6)(s + 10) dá 2s + 16 = 0.

sb = −8

Condição de módulo

K = |−8 + 6|·|−8 + 10| = 2·2 = 4

Resposta

K = 4

Para este ganho a malha fechada é criticamente amortecida (ζ = 1).

39.Erro em regime permanente e controle PID

Resposta: ess = 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

Parte do degrau

Kp = ∞ → estep = 0

Erro de rampa

ess = 5/1 = 5

Resposta

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

Resposta: Kp = 0,56

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 + 2).

s² + (2 + 5Kp)s + 5Ki

Polinômio desejado

s² + 2·0,8·3s + 3² = s² + 4,8s + 9

Iguale os coeficientes

2 + 5Kp = 4,8 → Kp = 0,56

Resposta

Kp = 0,56

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

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