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​ = 3 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​6 VR2​3 ΩIR2​AR4​4 ΩB

Encontre a corrente IR2 em R2.

V1 = 6 VR1 = 3 ΩR2 = 3 ΩR3 = 4 ΩR4 = 4 Ω
IR2 = A
2.Resistores em série e paraleloDifícil
R1​ = 12 ΩIR1​R3​ = 10 ΩR5​ = 12 Ω+−V1​10 VR2​6 ΩAR4​10 ΩBR6​2 Ω

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

V1 = 10 VR1 = 12 ΩR2 = 6 ΩR3 = 10 ΩR4 = 10 ΩR5 = 12 ΩR6 = 2 Ω
IR1 = A
3.Análise nodalMédia
R1​5 Ω+−V1​12 VR2​2 Ω+−V2​30 VR3​8 Ω+−V3​30 VI3​A

Três ramos estão ligados entre o nó A e o terra, como mostrado. Use análise nodal para encontrar a corrente I3 no ramo 3, subindo para o nó A no sentido da seta.

V1 = 12 VR1 = 5 ΩV2 = 30 VR2 = 2 ΩV3 = 30 VR3 = 8 Ω
I3 = A
4.Análise nodalDifícil
R1​ = 4 ΩR2​ = 20 ΩR4​ = 15 ΩIR4​+−V1​30 VR3​15 ΩAR5​3 ΩBIs​0,5 A+−V2​10 V

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

V1 = 30 VIs = 0,5 AV2 = 10 VR1 = 4 ΩR2 = 20 ΩR3 = 15 ΩR4 = 15 ΩR5 = 3 Ω
IR4 = A
5.Análise de malhasMédia
R1​ = 2 ΩR2​ = 5 ΩIR2​+−V1​12 VR3​5 ΩA+−V2​30 VI1​I2​

Use análise de malhas para encontrar a corrente IR2 em R2 no sentido da seta.

V1 = 12 VV2 = 30 VR1 = 2 ΩR2 = 5 ΩR3 = 5 Ω
IR2 = A
6.Análise de malhasDifícil
R1​ = 2 ΩR2​ = 2 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​6 VR4​4 Ω+−VR4​AR5​30 ΩB+−V2​6 VI1​I2​I3​

Use análise de malhas para encontrar a tensão VR4 sobre R4 com a polaridade indicada.

V1 = 6 VV2 = 6 VR1 = 2 ΩR2 = 2 ΩR3 = 4 ΩR4 = 4 ΩR5 = 30 Ω
VR4 = V
7.SuperposiçãoMédia
R1​ = 5 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​12 VR2​20 ΩAR4​15 Ω−+VR4​BIs​2 A

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

V1 = 12 VIs = 2 AR1 = 5 ΩR2 = 20 ΩR3 = 8 ΩR4 = 15 Ω
VR4 = V
8.SuperposiçãoDifícil
R1​ = 15 ΩR2​ = 6 ΩR4​ = 20 Ω+−V1​30 VR3​2 ΩIR3​AIs​6 AB+−V2​12 V

Use superposição para encontrar a corrente IR3 em R3 no sentido da seta.

V1 = 30 VIs = 6 AV2 = 12 VR1 = 15 ΩR2 = 6 ΩR3 = 2 ΩR4 = 20 Ω
IR3 = A
9.Thévenin e NortonMédia
R1​ = 4 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​18 VR2​3 ΩAab

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

V1 = 18 VR1 = 4 ΩR2 = 3 ΩR3 = 15 Ω
Vth = V
10.Thévenin e NortonDifícil
R1​ = 25 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​18 VR2​12 ΩAIs​6 ABab

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

V1 = 18 VIs = 6 AR1 = 25 ΩR2 = 12 ΩR3 = 3 Ω
IN = A
11.Transitórios RC e RLMédia
+−Vs​9 Vt = 0R = 50 ΩL68 mHi(t)

O indutor não conduz corrente antes de a chave fechar em t = 0. Encontre a tensão vL no indutor em t = 1 ms.

Vs = 9 VR = 50 ΩL = 68 mHt = 1 ms
vL = V
12.Transitórios RC e RLDifícil
+−Vs​12 Vt = 0R = ?C1 µF+−vC​

Um temporizador começa a carregar um capacitor descarregado através de um resistor a partir de uma fonte de 12 V em t = 0. Ele deve disparar quando a tensão do capacitor atingir 7,58 V, exatamente 25 ms após o início. Com C = 1 µF, encontre a resistência R necessária.

Vs = 12 VVth = 7,58 VT = 25 msC = 1 µF
R = kΩ
13.Impedância CA e fasoresMédia
230 V500 HzR = 100 ΩL = 50 mHC = 10 µFI

Um circuito RLC série está ligado a uma fonte de 230 V (rms), 500 Hz. Encontre a potência ativa P absorvida da fonte.

V = 230 V (rms)f = 500 HzR = 100 ΩL = 50 mHC = 10 µF
P = W
14.Impedância CA e fasoresDifícil
230 V100 HzR1​ = 15 ΩR2​ = 100 ΩC = 4,7 µFI

Um resistor R1 está ligado em série com uma associação em paralelo de R2 e um capacitor C, a uma fonte de 230 V (eficaz), 100 Hz. Encontre a corrente rms I.

V = 230 V (rms)f = 100 HzR1 = 15 ΩR2 = 100 ΩC = 4,7 µF
I = A
15.Potência CA e fator de potênciaMédia
120 VZ6 + j8 ΩI

Uma carga com impedância Z = 6 + j8 Ω está ligada a uma fonte monofásica de 120 V (eficaz). Encontre a potência reativa Q que ela absorve.

V = 120 VZ = 6 + j8 Ω
Q = var
16.Potência CA e fator de potênciaDifícil
240 V50 Hzcarga6 kW, 0,8C220 µFI

Uma carga monofásica consome 6 kW com fator de potência 0,8 indutivo de uma fonte de 240 V, 50 Hz. Um capacitor de 220 µF é ligado em paralelo com a carga. Encontre o novo fator de potência cos φ visto pela fonte.

P = 6 kWpf1 = 0,8V = 240 Vf = 50 HzC = 220 µF
cos φ =
17.Potência trifásicaMédia
ABCVL​ = 208 VNZ = 12 + j5 Ωpor fase

Uma carga equilibrada ligada em Y com impedância de 12 + j5 Ω por fase está ligada a uma alimentação trifásica equilibrada com tensão de linha de 208 V. Encontre a potência ativa total P absorvida pela carga em kW.

VL = 208 VZ = 12 + j5 Ω por fase
P = kW
18.Potência trifásicaDifícil
P = 75 kWφ1​S1​Q2​QC​

Uma carga trifásica equilibrada consome 75 kW com fator de potência 0,72 indutivo de uma alimentação de 480 V (tensão de linha), 50 Hz. Um banco de capacitores trifásico em paralelo com a carga deve elevar o fator de potência total para 0,9 indutivo. A potência ativa permanece a mesma. Os capacitores estão ligados em Y. Encontre a capacitância Cph de cada capacitor em µF.

P = 75 kWpf1 = 0,72pf2 = 0,9VL = 480 Vf = 50 Hz
Cph = µF
19.TransformadoresMédia
8 Ω81

Um resistor de 8 Ω está ligado ao enrolamento secundário de um transformador ideal com relação de espiras N₁:N₂ = 8:1. Encontre a resistência R1′ vista a partir do enrolamento primário.

N1:N2 = 8:1RL = 8 Ω
R1′ = Ω
20.TransformadoresDifícil
pf 0,95100 kVA, 25% carga

Um transformador monofásico de 100 kVA tem perdas no núcleo de 800 W e perdas no cobre de 3200 W na carga nominal. Ele fornece 25% dos seus kVA nominais com fator de potência 0,95 indutivo. Encontre as perdas totais Ploss em watts nessa carga.

S = 100 kVAPcore = 800 WPcu,fl = 3200 Wx = 0,25pf = 0,95
Ploss = W
21.Circuitos com amplificadores operacionaisMédia
−+Vout​Rf​ = ?R1​ = 10 kΩVin​

Escolha o resistor de realimentação Rf que dá a este amplificador não inversor um ganho de tensão de 21.

R1 = 10 kΩAv = 21
Rf = kΩ
22.Circuitos com amplificadores operacionaisDifícil
−+Vout​Rf​ = 4,7 kΩV1​ = −1,1 VR1​ = 10 kΩV2​ = 1 VR2​ = 4,7 kΩIf​

O amplificador somador usa um amplificador operacional ideal alimentado com ±15 V. Encontre a corrente If no resistor de realimentação, fluindo em direção à saída.

V1 = −1,1 VV2 = 1 VR1 = 10 kΩR2 = 4,7 kΩRf = 4,7 kΩ
If = mA
23.Diodos e transistoresMédia
RC​ = 1 kΩβ = 150IC​ = ?VCC​ = 15 VRB​ = 820 kΩ

Um transistor NPN com β = 150 é polarizado por um resistor de base RB = 820 kΩ a partir da alimentação VCC = 15 V. O resistor de coletor é RC = 1 kΩ e o emissor está aterrado. Considere VBE = 0,7 V e suponha que o transistor está na região ativa. Encontre a corrente de coletor IC em mA.

VCC = 15 VRB = 820 kΩRC = 1 kΩβ = 150VBE = 0,7 V
IC = mA
24.Diodos e transistoresDifícil
RC​ = 470 Ωβ = 50IC​ = ?VCC​ = 9 V3,3 VRB​ = 220 kΩ

Um transistor NPN com β = 50 chaveia um resistor de carga de 470 Ω ligado entre VCC = 9 V e o seu coletor. O emissor está aterrado. A base é acionada por uma saída lógica de 3,3 V através de um resistor de base RB = 220 kΩ. Considere VBE = 0,7 V e VCE(sat) = 0,2 V. Encontre a corrente de coletor IC em mA quando a entrada está em nível alto. Decida primeiro se o transistor está saturado.

VCC = 9 VRC = 470 Ωβ = 50Vin = 3,3 VVBE = 0,7 VVCE(sat) = 0,2 VRB = 220 kΩ
IC = mA
25.Sistemas de numeraçãoMédia
pesos em complemento para dois1−12806413211618041211

O padrão de 8 bits 1011 1011 guarda um inteiro com sinal em complemento para dois. Qual é o seu valor N em decimal?

1011 10118 bit
N =
26.Sistemas de numeraçãoDifícil
clique nos bits para defini-los012806403201608040201

Defina os bits com o resultado de 8 bits de 1011 0010 << 2. Qual é o valor R do resultado em decimal?

1011 0010<< 2
R =
27.Lógica digital: portas, mapas de Karnaugh e flip-flopsMédia
ABCD000111100001111010010302041517060120131150141809011010

Use o mapa de Karnaugh para encontrar a forma mínima em soma de produtos (SOP) de F(A, B, C, D) = Σm(0, 5, 7, 8, 15). Quantos literais L ela contém no total (uma variável com apóstrofo conta como um literal)?

F(A, B, C, D) = Σm(0, 5, 7, 8, 15)
L =
28.Lógica digital: portas, mapas de Karnaugh e flip-flopsDifícil
CLKJK1234567

Um flip-flop JK 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 = 0JK
  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 = 0,1f(0,1) = ?

Encontre f(t) para F(s) = (2s + 14)/(s² + 8s + 16) e calcule f(0,1).

F(s) = (2s + 14)/(s² + 8s + 16)t = 0,1 s
f(0.1) =
30.Transformadas de LaplaceDifícil
t (s)y(t)t = 0,5y(0,5) = ?

Resolva y″ + 3y′ + 2y = 0 com y(0) = 7 e y′(0) = −8 usando a transformada de Laplace e encontre y(0,5).

y″ + 3y′ + 2y = 0y(0) = 7y′(0) = −8t = 0,5 s
y(0.5) =
31.Diagramas de blocosMédia
R(s)+K(s + 1)(s + 9)G(s)C(s)−

A planta G(s) = K/((s + 1)(s + 9)) 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 + 1)(s + 9))realimentação negativa unitária
K =
32.Diagramas de blocosDifícil
R(s)+Ks(s + 8)(s + 9)G(s)C(s)−

A planta G(s) = K/(s(s + 8)(s + 9)) está em uma malha de realimentação negativa unitária. No maior ganho estável a malha oscila. Encontre a frequência de oscilação ω em rad/s.

G(s) = K/(s(s + 8)(s + 9))realimentação negativa unitária
ω = rad/s
33.Resposta ao degrauMédia
t (s)y(t)1

Um sistema tem a função de transferência G(s) = 96/(s² + 15s + 96) e recebe uma entrada em degrau unitário. Os polos são s = σ ± jωd. Encontre a parte real σ.

G(s) = 96/(s² + 15s + 96)
σ =
34.Resposta ao degrauDifícil
t (s)y(t)1tp​ = 0,25 s2 %

A resposta ao degrau de um sistema de segunda ordem sem zeros mostra 2 % de sobressinal, e o primeiro pico ocorre em t = 0,25 s. Encontre a frequência natural ωn.

%OS = 2 %tp = 0,25 s
ωn = rad/s
35.Diagramas de Bode e margensMédia
vin​L = 1 mHR = 1000 Ωvout​

O Filtro passa-baixas RL mostrado tem R = 1000 Ω, L = 1 mH. Aplica-se uma entrada senoidal de 80 kHz. Encontre o ganho |H| = |vout/vin| em dB.

R = 1000 ΩL = 1 mHf = 80 kHz
|H| = dB
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) = 48/(s(s + 3)(s + 4)). Encontre a frequência de cruzamento de fase ω180, onde ∠L(jω) = −180°.

L(s) = 48/(s(s + 3)(s + 4))
ω180 = rad/s
37.Estabilidade: Routh–Hurwitz e lugar das raízesMédia
R(s)+51s(s + 6)(s + 8)C(s)+

A malha do diagrama usa realimentação positiva, com L(s) = 5/(s(s + 6)(s + 8)). Quantos polos de malha fechada N estão no semiplano direito?

L(s) = 5/(s(s + 6)(s + 8))
N =
38.Estabilidade: Routh–Hurwitz e lugar das raízesDifícil
ReIm−1−2−3−4−5−6j1

O lugar das raízes de L(s) = K/(s(s + 1)(s + 5)) sai do eixo real entre s = 0 e s = −1. Encontre o ponto de saída sb.

L(s) = K/(s(s + 1)(s + 5))
sb =
39.Erro em regime permanente e controle PIDMédia
r(t) = 1t+50s(s + 1)(s + 5)C(s)−

Uma rampa r(t) = 1t é aplicada a uma malha com realimentação unitária com G(s) = 50/(s(s + 1)(s + 5)). Encontre o erro em regime permanente ess.

G(s) = 50/(s(s + 1)(s + 5))r(t) = 1t
ess =
40.Erro em regime permanente e controle PIDDifícil
R(s)+Kp​ + Ki​/s5s + 1C(s)−

Um controlador PI C(s) = Kp + Ki/s controla a planta G(s) = 5/(s + 1) em uma malha com realimentação unitária. A malha fechada deve ter ωₙ = 10 rad/s e ζ = 0,8. Encontre o ganho proporcional Kp.

G(s) = 5/(s + 1)ωₙ = 10 rad/sζ = 0,8
Kp =

3Soluções

1.Resistores em série e paralelo

Resposta: IR2 = 0,8421 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​ = 3 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​6 VR2​3 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 = 4 + 4 = 8 Ω
R2 ∥ 8 = 3·8/(3+8) = 2,182 Ω
Req = R1 + 2,182 = 3 + 2,182 = 5,182 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 = 6/5,182 = 1,158 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 = 6 − 1,158·3 = 2,526 V
IR2 = VA/R2 = 2,526/3 = 0,8421 A

Resposta

IR2 = 0,8421 A
2.Resistores em série e paralelo

Resposta: IR1 = 0,6116 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​ = 12 ΩR3​ = 10 ΩR5​ = 12 Ω+−V1​10 VR2​6 ΩAR4​10 ΩBR6​2 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 = 12 + 2 = 14 Ω
R4 ∥ 14 = 5,833 Ω
R3 + 5,833 = 15,83 Ω
R2 ∥ 15,83 = 4,351 Ω
Req = R1 + 4,351 = 12 + 4,351 = 16,35 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 = 10/16,35 = 0,6116 A

Resposta

IR1 = 0,6116 A
3.Análise nodal

Resposta: I3 = 0,5455 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 − 12)/5 + (VA − 30)/2 + (VA − 30)/8 = 0

Resolver para VA

VA = (12/5 + 30/2 + 30/8) / (1/5 + 1/2 + 1/8) = 21,15/0,825 = 25,64 V

Corrente de ramo

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

I3 = (30 − VA)/R3 = (30 − 25,64)/8 = 0,5455 A

Resposta

I3 = 0,5455 A

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

4.Análise nodal

Resposta: IR4 = −0,3373 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​ = 4 ΩR2​ = 20 ΩR4​ = 15 Ω+−V1​30 VR3​15 ΩAR5​3 ΩBIs​0,5 A+−V2​10 V

Defina os nós

O terra é o fio de baixo. As tensões de nó conhecidas vêm direto das fontes (V1 = 30 V, V2 = 10 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 − 30)/4 + (VA − VB)/20 = 0
0,3667·VA − 0,05·VB = 7,5

LKC no nó B

As correntes que saem de B pelos resistores são iguais à corrente injetada em B pelas fontes.

VB/R5 + (VB − VA)/R2 + (VB − V2)/R4 = Is
VB/3 + (VB − VA)/20 + (VB − 10)/15 = 0,5
−0,05·VA + 0,45·VB = 1,167

Resolva

Δ = (0,3667)(0,45) − (−0,05)(−0,05) = 0,1625
VA = Δ1/Δ = 3,433/0,1625 = 21,13 V
VB = Δ2/Δ = 0,8028/0,1625 = 4,94 V

Resposta

IR4 = (VB − V2)/R4 = (4,94 − 10)/15 = −0,3373 A
5.Análise de malhas

Resposta: IR2 = −3,333 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​ = 2 ΩR2​ = 5 Ω+−V1​12 VR3​5 ΩA+−V2​30 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
2·I1 + 5(I1 − I2) = 12
7·I1 − 5·I2 = 12

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
5·I2 + 5(I2 − I1) = (−30)
−5·I1 + 10·I2 = −30

Resolva

Δ = (7)(10) − (−5)(−5) = 45
I1 = Δ1/Δ = −30/45 = −0,6667 A
I2 = Δ2/Δ = −150/45 = −3,333 A

Resposta

IR2 = I2 = −3,333 A

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

6.Análise de malhas

Resposta: VR4 = 4,251 V

Análise de malhas: dê a cada janela de um circuito planar sua própria corrente de laço, escreva a lei das tensões de Kirchhoff em cada laço (soma das quedas = soma das elevações) e resolva. As correntes de ramo são a corrente de malha, ou a diferença de duas correntes de malha em um ramo compartilhado.

R1​ = 2 ΩR2​ = 2 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​6 VR4​4 ΩAR5​30 ΩB+−V2​6 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
2·I1 + 4(I1 − I2) = 6
6·I1 − 4·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
2·I2 + 4(I2 − I1) + 30(I2 − I3) = 0
−4·I1 + 36·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
4·I3 + 30(I3 − I2) = (−6)
−30·I2 + 34·I3 = −6

Resolva

Δ = determinante da matriz de coeficientes = 1400
I1 = Δ1/Δ = 1224/1400 = 0,8743 A
I2 = Δ2/Δ = −264/1400 = −0,1886 A
I3 = Δ3/Δ = −480/1400 = −0,3429 A

Resposta

IR4 = I1 − I2 = 1,063 A
VR4 = IR4·R4 = 1,063·4 = 4,251 V

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

7.Superposição

Resposta: VR4 = 8 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​ = 5 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​12 VR2​20 ΩAR4​15 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 = 8+15 = 23 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 20·23/(20+23) = 10,7 Ω
VA = 12·10,7/(5+10,7) = 8,178 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 8,178·15/23 = 5,333 V
VR4′ = 0 − VB = 0 − 5,333 = −5,333 V
R1​ = 5 ΩR3​ = 8 ΩCURTOR2​20 ΩAR4​15 ΩBIs​2 A

Caso 2 · Is agindo sozinha

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

R1 ∥ R2 = 5·20/(5+20) = 4 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 15 ∥ 12 = 6,667 Ω
VB = Is·Req = (−2)·6,667 = −13,33 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = −13,33·4/12 = −4,444 V
VR4″ = 0 − VB = 0 − −13,33 = 13,33 V

Some as contribuições

VR4 = VR4′ + VR4″
VR4 = (−5,333) + 13,33 = 8 V

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

8.Superposição

Resposta: IR3 = −1,78 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​ = 6 ΩR4​ = 20 Ω+−V1​30 VR3​2 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) = 2 ∥ 26 = 1,857 Ω
VA = 30·1,857/(15+1,857) = 3,305 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 3,305·20/26 = 2,542 V
IR3′ = (VA − 0)/R3 = (3,305 − 0)/2 = 1,653 A
R1​ = 15 ΩR2​ = 6 ΩR4​ = 20 ΩCURTOR3​2 ΩAIs​6 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 = 1,765 Ω, então o caminho da esquerda é R2+1,765 = 7,765 Ω
Req = R4 ∥ 7,765 = 5,593 Ω
VB = Is·Req = (−6)·5,593 = −33,56 V
VA = VB·1,765/7,765 = −7,627 V
IR3″ = (VA − 0)/R3 = (−7,627 − 0)/2 = −3,814 A
R1​ = 15 ΩR2​ = 6 ΩR4​ = 20 ΩCURTOR3​2 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 = 15·2/(15+2) = 1,765 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = 12·7,765/27,76 = 3,356 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = 3,356·1,765/7,765 = 0,7627 V
IR3‴ = (VA − 0)/R3 = (0,7627 − 0)/2 = 0,3814 A

Some as contribuições

IR3 = IR3′ + IR3″ + IR3‴
IR3 = 1,653 + (−3,814) + 0,3814 = −1,78 A

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

9.Thévenin e Norton

Resposta: Vth = 7,714 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​ = 4 ΩR3​ = 15 ΩCURTOR2​3 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 = 4·3/(4+3) = 1,714 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,714 + 15 = 16,71 Ω
R1​ = 4 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​18 VR2​3 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) = 18·3/(4+3) = 7,714 V
10.Thévenin e Norton

Resposta: IN = 6,526 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​ = 3 ΩCURTOR2​12 ΩAABERTOBabRth​

Encontre Rth com todas as fontes desligadas

Substitua fontes de tensão por curtos e fontes de corrente por circuitos abertos, depois olhe para o circuito a partir de a–b.

R1 ∥ R2 = 25·12/(25+12) = 8,108 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 8,108 + 3 = 11,11 Ω
R1​ = 25 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​18 VR2​12 ΩAIs​6 ABab+−Vth​

Encontre Vth, a tensão de circuito aberto

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

VA = V1·R2/(R1+R2) + Is·(R1∥R2) = 5,838 + 6·8,108 = 54,49 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 54,49 + 6·3 = 72,49 V
IN​6,526 ARth​11,11 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 = 72,49/11,11 = 6,526 A
11.Transitórios RC e RL

Resposta: vL = 4,314 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 = 68 mH / 50 Ω = 1,36 ms
i(∞) = Vs/R = 9/50 = 0,18 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 = 9·e−1/1,36 = 4,314 V

Resposta

vL = 4,314 V
12.Transitórios RC e RL

Resposta: R = 25,03 kΩ

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

Constante de tempo necessária

7,58 = 12·(1 − e−25/τ) → τ = 25/ln(12/(12 − 7,58))
τ = 25/0,9988 = 25,03 ms

Resistência

kΩ vezes µF dá milissegundos.

R = τ/C = 25,03/1 = 25,03 kΩ

Resposta

R = 25,03 kΩ
13.Impedância CA e fasores

Resposta: P = 205,9 W

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 = 157,1 Ω, XC = 31,83 Ω

Impedância

|Z| = √(100² + (125,2)²) = 160,3 Ω

Potência ativa

Indutores e capacitores só armazenam e devolvem energia; o resistor absorve toda a potência ativa.

I = 230/160,3 = 1,435 A
P = I²·R = 1,435²·100 = 205,9 W

Resposta

P = 205,9 W
14.Impedância CA e fasores

Resposta: I = 2,084 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|.

Reatância

XC = 1/(2π·100·4,7·10⁻⁶) = 338,6 Ω

Associação em paralelo

Multiplique numerador e denominador pelo complexo conjugado para separar Zp em partes real e imaginária.

Zp = R₂·(−jXC)/(R₂ − jXC) = (R₂·XC² − jR₂²·XC)/(R₂² + XC²)
Zp = 91,98 − j27,16 Ω

Impedância total

Z = 15 + 91,98 − j27,16 = 107 − j27,16 Ω
|Z| = √(107² + 27,16²) = 110,4 Ω

Corrente

I = V/|Z| = 230/110,4 = 2,084 A

Resposta

I = 2,084 A
15.Potência CA e fator de potência

Resposta: Q = 1152 var

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.

Corrente

|Z| = √(6² + 8²) = 10 Ω
I = V/|Z| = 120/10 = 12 A

Potência reativa

Q = I²·X = 12²·8 = 1152 var

Resposta

Q = 1152 var
16.Potência CA e fator de potência

Resposta: cos φ = 0,9963

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 = 6·tan(arccos 0,8) = 4,5 kvar
QC = V²·2πf·C = 240²·2π·50·220·10⁻⁶ = 3981 var = 3,981 kvar
Q2 = 4,5 − 3,981 = 0,519 kvar

Nova potência aparente

S2 = √(6² + 0,519²) = 6,022 kVA

Novo fator de potência

cos φ = P/S2 = 6/6,022 = 0,9963

Resposta

cos φ = 0,9963
17.Potência trifásica

Resposta: P = 3,072 kW

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

Tensão de fase

Vph = 208/√3 = 120,1 V

Corrente de fase

|Z| = √(12² + 5²) = 13 Ω
Iph = 120,1/13 = 9,238 A

Potência ativa total

Só a parte resistiva de cada impedância absorve potência ativa.

P = 3·Iph²·R = 3·9,238²·12 = 3,072 kW

Resposta

P = 3,072 kW

Verificação: cos φ = R/|Z| = 0,9231, e √3·VL·IL·cos φ dá a mesma potência.

18.Potência trifásica

Resposta: Cph = 496,9 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 = 75·tan(acos 0,72) = 75·0,9639 = 72,29 kvar
Q2 = 75·tan(acos 0,9) = 75·0,4843 = 36,32 kvar

Potência reativa dos capacitores

QC = Q1 − Q2 = 35,96 kvar

Capacitância por fase

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

V = 480/√3 = 277,1 V, ω = 2π·50 = 314,2 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 11988/(314,2·277,1²) = 496,9 µF

Resposta

Cph = 496,9 µF
19.Transformadores

Resposta: R1′ = 512 Ω

Transformador ideal: as tensões estão na razão das espiras e as correntes na razão inversa: V₁/V₂ = N₁/N₂ = a e I₁/I₂ = N₂/N₁ = 1/a, então a potência de entrada é igual à de saída, V₁·I₁ = V₂·I₂. Uma impedância de carga Z no secundário aparece como a²·Z vista do primário.

Resistência referida

A tensão aumenta por um fator a e a corrente diminui por um fator a, então a razão V/I aumenta por a².

R1′ = a²·RL = 8²·8 = 512 Ω

Resposta

R1′ = 512 Ω
20.Transformadores

Resposta: Ploss = 1000 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 = 0,0625·3200 = 200 W

Perdas totais

As perdas no núcleo são as mesmas em qualquer carga.

Ploss = 800 + 200 = 1000 W

Resposta

Ploss = 1000 W

O rendimento nesta carga é η = 95,96%.

21.Circuitos com amplificadores operacionais

Resposta: Rf = 200 kΩ

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 de um amplificador não inversor

V₋ = V₊ = Vin, e a corrente em R₁ também passa por Rf, então Vout = Vin·(1 + Rf/R₁).

Av = 1 + Rf/R1
Rf = (21 − 1)·10 = 200 kΩ

Resposta

Rf = 200 kΩ
22.Circuitos com amplificadores operacionais

Resposta: If = 0,1028 mA

Regras do amplificador operacional ideal: com realimentação negativa, o amplificador ajusta sua saída para que as duas entradas fiquem na mesma tensão (V₋ = V₊), e nenhuma corrente entra em qualquer entrada. Escrever a LKC na entrada inversora com esses dois fatos dá a saída.

Correntes de entrada

V₋ = 0, então cada resistor de entrada tem toda a sua tensão de entrada sobre ele.

I1 = V1/R1 = −1,1/10 = −0,11 mA
I2 = V2/R2 = 1/4,7 = 0,2128 mA
If = I1 + I2 = 0,1028 mA

Resposta

If = 0,1028 mA
23.Diodos e transistores

Resposta: IC = 2,616 mA

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 = (15 − 0,7)/820 kΩ = 17,44 µA

Corrente de coletor

IC = β·IB = 150·17,44 µA = 2,616 mA

Resposta

IC = 2,616 mA

Verificação: VCE = 12,38 V está bem acima de 0,2 V, então o transistor está de fato na região ativa.

24.Diodos e transistores

Resposta: IC = 0,5909 mA

TBJ como chave: para ligar totalmente uma carga, o transistor é levado à saturação, onde VCE = VCE(sat) e a corrente de coletor é definida pela carga: IC(sat) = (VCC − VCE(sat))/RC. A saturação exige no mínimo IB = IC(sat)/β. Se a corrente de base for menor, o transistor permanece na região ativa e IC = β·IB.

Corrente de base

IB = (3,3 − 0,7)/220 kΩ = 11,82 µA

Saturado ou ativo?

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

β·IB = 0,5909 mA
IC(sat) = (9 − 0,2)/470 = 18,72 mA

Corrente de coletor

IC = β·IB = 0,5909 mA

Resposta

IC = 0,5909 mA

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

25.Sistemas de numeração

Resposta: N = −69

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 + 32 + 16 + 8 + 2 + 1 = −69

Resposta

N = −69
26.Sistemas de numeração

Resposta: R = 200

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

Bit a bit

Deslocar para a esquerda por 2 move cada bit 2 posições para a esquerda; os bits que saem pela extremidade esquerda se perdem e entram zeros pela direita.

1011 0010 << 2
= 1100 1000

Valor do resultado

1100 1000₂ = 200

Resposta

R = 200
27.Lógica digital: portas, mapas de Karnaugh e flip-flops

Resposta: L = 9

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.

ABCD000111100001111010010302041517060120131150141809011010

Agrupe os 1s

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

B′C′D′
BCD
A′BD

Forma SOP mínima

F = B′C′D′ + BCD + A′BD
L = 9

Resposta

L = 9
28.Lógica digital: portas, mapas de Karnaugh e flip-flops

Resposta: borda do clock 6

Flip-flops e contadores: um flip-flop muda apenas na borda ativa do clock. D copia a sua entrada (Q⁺ = D); T inverte quando T = 1; JK mantém para 00, zera para 01, seta para 10 e inverte para 11. Um contador binário de n bits tem 2ⁿ estados e conta módulo 2ⁿ; um contador módulo N conta 0, 1, …, N − 1 e volta a 0, e precisa de flip-flops em número igual ao menor n com 2ⁿ ≥ N. Cada estágio de um contador assíncrono (ripple) divide a frequência por dois, de modo que a última saída de um contador módulo N funciona a fclk/N. Um contador Johnson de n flip-flops tem 2n estados, um contador em anel n.

Q após cada borda

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

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

Primeira mudança de 1 para 0

borda do clock 6

Resposta

borda do clock 6
29.Transformadas de Laplace

Resposta: f(0.1) = 1,743

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 + 8s + 16 = (s + 4)²

Frações parciais

2s + 14 = 2(s + 4) + 6
F(s) = 2/(s + 4) + 6/(s + 4)²

Transformada inversa

f(t) = 2·e−4t + 6·t·e−4t
f(0,1) = (2 + 6·0,1)·e−4·0,1 = 1,743

Resposta

f(0,1) = 1,743
30.Transformadas de Laplace

Resposta: y(0.5) = 4,007

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 − 7s − (−8) + 3(sY − 7) + 2Y = 0
Y(s) = (7s + 13)/((s + 1)(s + 2))

Frações parciais

A = 6/1 = 6
B = −1/(−1) = 1

Resultado

y(t) = 6·e−t + e−2t
y(0,5) = 4,007

Resposta

y(0,5) = 4,007

Verificação: y(0) = A + B = 7.

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 + 1)(s + 9)) = 0 → s² + 10s + 9 + K = 0

Raiz repetida

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

10² = 4(9 + K) → K = 100/4 − 9 = 16

Resposta

K = 16
Os dois polos de malha fechada ficam então em s = −5.
32.Diagramas de blocos

Resposta: ω = 8,485 rad/s

Álgebra de diagramas de blocos: blocos em série se multiplicam (G₁·G₂), blocos em paralelo se somam (G₁ + G₂), e uma malha com caminho direto G e caminho de realimentação H se reduz a T = G/(1 + G·H) para realimentação negativa e G/(1 − G·H) para realimentação positiva. Reduza primeiro as malhas internas e depois avance para fora. Os polos de malha fechada são as raízes da equação característica 1 + G(s)H(s) = 0. Para uma malha estável, uma entrada em degrau de tamanho A dá a saída em regime permanente A·T(0); com realimentação unitária, o erro em regime permanente para um degrau é A/(1 + Kp) com Kp = G(0).

Equação característica

s³ + 17s² + 72s + K = 0

Tabela de Routh

s³ | 1 72
s² | 17 K
s¹ | (17·72 − K)/17
s⁰ | K

Limite de estabilidade

Todos os elementos da primeira coluna devem ser positivos.

Kmax = 17·72 = 1224

Frequência de oscilação

17·(jω)² + 1224 = 0 → ω² = 1224/17 = 72
ω = 8,485 rad/s

Resposta

ω = 8,485 rad/s
33.Resposta ao degrau

Resposta: σ = −7,5

Resposta ao degrau: um sistema de primeira ordem G(s) = K/(τs + 1) responde a um degrau de tamanho U com y(t) = K·U·(1 − e−t/τ): ele atinge 63,2 % do valor final K·U após uma constante de tempo τ e 98 % após 4τ. Um sistema de segunda ordem G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) tem os polos s = −ζωₙ ± jωd com ωd = ωₙ√(1 − ζ²). Para 0 < ζ < 1 a resposta ao degrau tem sobressinal: sobressinal percentual %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), tempo de pico tp = π/ωd e tempo de acomodação de 2 % ts ≈ 4/(ζωₙ). Compare o denominador com s² + 2ζωₙs + ωₙ² para obter ωₙ e ζ. Para um sistema massa–mola–amortecedor, ωₙ = √(k/m) e ζ = c/(2√(km)); para um circuito RLC série, ωₙ = 1/√(LC) e ζ = (R/2)·√(C/L).

Compare com a forma padrão

O denominador deve coincidir com s² + 2ζωₙs + ωₙ².

ωₙ² = 96 → ωₙ = 9,798 rad/s
2ζωₙ = 15 → ζ = 15/(2·9,798) = 0,7655

Resultado

σ = −ζωₙ = −15/2 = −7,5

Resposta

σ = −7,5
34.Resposta ao degrau

Resposta: ωn = 20,07 rad/s

Resposta ao degrau: um sistema de primeira ordem G(s) = K/(τs + 1) responde a um degrau de tamanho U com y(t) = K·U·(1 − e−t/τ): ele atinge 63,2 % do valor final K·U após uma constante de tempo τ e 98 % após 4τ. Um sistema de segunda ordem G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) tem os polos s = −ζωₙ ± jωd com ωd = ωₙ√(1 − ζ²). Para 0 < ζ < 1 a resposta ao degrau tem sobressinal: sobressinal percentual %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), tempo de pico tp = π/ωd e tempo de acomodação de 2 % ts ≈ 4/(ζωₙ). Compare o denominador com s² + 2ζωₙs + ωₙ² para obter ωₙ e ζ. Para um sistema massa–mola–amortecedor, ωₙ = √(k/m) e ζ = c/(2√(km)); para um circuito RLC série, ωₙ = 1/√(LC) e ζ = (R/2)·√(C/L).

Fator de amortecimento

ζ = −ln(0,02)/√(π² + ln²(0,02)) = 3,912/√(9,87 + 15,3) = 0,7797

Frequência natural

ωd = π/tp = π/0,25 = 12,57 rad/s
ωₙ = ωd/√(1 − ζ²) = 12,57/0,6261 = 20,07 rad/s

Resposta

ωn = 20,07 rad/s
35.Diagramas de Bode e margens

Resposta: |H| = −0,9783 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.

Frequência de corte

ωc = R/L = 1000/0,001 = 1 × 10⁶ rad/s
fc = 159155 Hz → f/fc = 80000/159155 = 0,5027

Ganho

|H| = 1/√(1 + 0,5027²) = 0,8935
20·log₁₀(0,8935) = −0,9783 dB

Resposta

|H| = −0,9783 dB
36.Diagramas de Bode e margens

Resposta: ω180 = 3,464 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/3)·(ω/4) = 1 → ω180 = √(3·4) = 3,464 rad/s

Resposta

ω180 = 3,464 rad/s
37.Estabilidade: Routh–Hurwitz e lugar das raízes

Resposta: N = 1

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

s³ + 14s² + 48s − 5 = 0

Tabela de Routh

s³: 1, 48
s²: 14, −5
s¹: 48,36
s⁰: −5

Trocas de sinal na primeira coluna

1 → 14 → 48,36 → −5
N = 1

Resposta

N = 1

A realimentação positiva torna negativo o coeficiente constante: um polo real sempre passa para o semiplano direito.

38.Estabilidade: Routh–Hurwitz e lugar das raízes

Resposta: sb = −0,4725

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 + 1)(s + 5) = −(s³ + 6s² + 5s)

Pontos estacionários

dK/ds = −(3s² + 12s + 5) = 0
s = (−12 ± √(144 − 60))/6 = −0,4725, −3,528

Escolha o ponto que está no lugar das raízes

O lugar das raízes está no eixo real entre 0 e −1; a outra raiz não pertence a ele.

sb = −0,4725

Resposta

sb = −0,4725
39.Erro em regime permanente e controle PID

Resposta: ess = 0,1

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) = 10

Erro de rampa

ess = 1/10 = 0,1

Resposta

ess = 0,1
40.Erro em regime permanente e controle PID

Resposta: Kp = 3

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 + 1).

s² + (1 + 5Kp)s + 5Ki

Polinômio desejado

s² + 2·0,8·10s + 10² = s² + 16s + 100

Iguale os coeficientes

1 + 5Kp = 16 → Kp = 3

Resposta

Kp = 3

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

Este é um material de prática independente. O ExamProblems não é afiliado nem endossado pela organização que aplica este exame, e o nome do exame é usado apenas para descrever o conteúdo. O FE exam é realizado por NCEES, que não é afiliado ao ExamProblems e não o endossa.

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