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1Fórmulas e métodos
Resistores em série e paralelo
Resistências em série
Req = R1 + R2 + …
Resistências em paralelo
1/Req = 1/R1 + 1/R2 + …
Dois em paralelo
Req = R1R2 / (R1 + R2)
Lei de Ohm
V = I·R
Potência
P = V·I = I²R = V²/R
Método
Comece pela extremidade da rede mais distante dos terminais.
Combine resistores em série somando-os, e resistores em paralelo com 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …
Redesenhe o circuito após cada passo.
Repita até sobrar um único resistor entre os terminais.
Análise nodal
Lei das correntes de Kirchhoff
ΣIin = ΣIout
Corrente de ramo
I = (Va − Vb)/R
Nó de referência
Vground = 0
Método
Escolha um nó de referência (terra) e nomeie as tensões dos outros nós.
Escreva a lei das correntes de Kirchhoff em cada nó desconhecido: as correntes que saem por cada ramo são iguais às correntes que entram.
Expresse cada corrente de ramo como (Va − Vb)/R.
Resolva o sistema de equações e depois encontre qualquer corrente de que precisar.
Análise de malhas
Lei das tensões de Kirchhoff
ΣV = 0 em cada malha
Resistor compartilhado
corrente = I1 − I2
Fonte de corrente em uma malha
fixa essa corrente de malha
Método
Desenhe uma corrente no sentido horário em cada malha (janela) do circuito.
Aplique a lei das tensões de Kirchhoff em cada malha: a soma das quedas de tensão é zero.
Em um resistor compartilhado por duas malhas, a corrente é a diferença entre as duas correntes de malha.
Resolva as equações; um resultado negativo significa que a corrente circula no sentido oposto.
Superposição
Superposição
x = x1 + x2 + … (one source at a time)
Fonte de tensão desligada
curto-circuito (0 V)
Fonte de corrente desligada
circuito aberto (0 A)
Divisor de tensão
V2 = V·R2/(R1 + R2)
Divisor de corrente
I1 = I·R2/(R1 + R2)
Método
Conte as fontes independentes. Você vai resolver um circuito mais simples por fonte.
Mantenha uma fonte e desligue as outras: uma fonte de tensão vira um curto-circuito (um fio), uma fonte de corrente vira um circuito aberto (uma interrupção).
Resolva o circuito mais simples para a tensão ou corrente de que você precisa, prestando atenção ao seu sentido.
Repita para cada fonte e depois some as contribuições com seus sinais.
Thévenin e Norton
Tensão de Thévenin
Vth = Vopen circuit
Resistência de Thévenin
Rth: todas as fontes desligadas, vista de a–b
Corrente de Norton
IN = Vth/Rth
Corrente na carga
IL = Vth/(Rth + RL)
Máxima transferência de potência
RL = Rth, Pmax = Vth²/(4Rth)
Método
Retire a carga e marque os dois terminais a e b.
Encontre a tensão de circuito aberto entre a e b: essa é Vth.
Desligue todas as fontes independentes e encontre a resistência vista de a–b: essa é Rth.
Recoloque a carga no circuito equivalente: Vth em série com Rth.
Para o equivalente de Norton, converta: IN = Vth/Rth, com RN = Rth em paralelo.
Transitórios RC e RL
Constante de tempo
τ = RC | τ = L/R
Resposta
x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ
Capacitor em CC
circuito aberto; vC não pode saltar
Indutor em CC
curto-circuito; iL não pode saltar
Regime permanente
t ≈ 5τ
Método
Encontre o valor inicial logo após a comutação: a tensão em um capacitor e a corrente em um indutor não podem saltar.
Encontre o valor final muito tempo depois da comutação: um capacitor se comporta como circuito aberto e um indutor como curto-circuito.
Encontre a constante de tempo: τ = RC ou τ = L/R, usando a resistência vista pelo capacitor ou indutor.
Use x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ.
Impedância CA e fasores
Impedâncias
ZR = R, ZL = jωL, ZC = 1/(jωC)
Frequência angular
ω = 2πf
Módulo e ângulo
|Z| = √(R² + X²), φ = atan(X/R)
Lei de Ohm fasorial
V = I·Z
Método
Converta a frequência: ω = 2πf.
Encontre cada reatância: XL = ωL e XC = 1/(ωC).
Some as impedâncias como resistores, com Z = R + jX.
Encontre o módulo |Z| = √(R² + X²) e o ângulo φ = atan(X/R), e depois use a lei de Ohm com fasores.
Potência CA e fator de potência
Potência ativa
P = V·I·cos φ
Potência reativa
Q = V·I·sin φ
Potência aparente
S = V·I = √(P² + Q²)
Fator de potência
pf = cos φ = P/S
Capacitor de correção
QC = P(tan φ1 − tan φ2), C = QC/(ωV²)
Potência trifásica
Ligação em Y
VL = √3·Vph, IL = Iph
Ligação em Δ
VL = Vph, IL = √3·Iph
Potência ativa total
P = √3·VL·IL·cos φ = 3·Iph²·R
Potência aparente e reativa
S = √3·VL·IL, Q = P·tan φ
Capacitores de correção
QC = P(tan φ1 − tan φ2), C = QC/(3ωV²)
Tensão sobre cada capacitor
Δ: VL Y: VL/√3
Potência de entrada do motor
Pin = Pout/η
Transformadores
Relação de espiras
a = N1/N2 = V1/V2
Relação de correntes
I1/I2 = N2/N1 = 1/a
Corrente nominal
I = S/V
Impedância referida
Z1′ = a²·ZL
Perdas no cobre com carga parcial
Pcu = x²·Pcu,fl
Rendimento
η = x·S·pf/(x·S·pf + Pcore + x²·Pcu,fl)
Rendimento máximo
x = √(Pcore/Pcu,fl)
Circuitos com amplificadores operacionais
Amplificador inversor
Vout = −(Rf/Rin)·Vin
Amplificador não inversor
Vout = (1 + Rf/R1)·Vin
Amplificador somador
Vout = −Rf(V1/R1 + V2/R2)
Amplificador operacional ideal
V+ = V−, Iin = 0
Diodos e transistores
Diodo (queda constante)
VD = 0,7 V when conducting
Região ativa
VBE = 0,7 V, IC = β·IB, IE = (β + 1)·IB
Polarização fixa
IB = (VCC − 0,7)/RB
Polarização por divisor de tensão
IB = (VTH − 0,7)/(RTH + (β + 1)RE)
Thévenin do divisor
VTH = VCC·R2/(R1 + R2), RTH = R1∥R2
Malha do coletor
VCE = VCC − ICRC − IERE
Saturação
IC(sat) = (VCC − VCE(sat))/RC, IB ≥ IC(sat)/β
Sistemas de numeração
Pesos das posições
binário 2k, octal 8k, hexadecimal 16k
Para decimal
Σ dk·bk
A partir de decimal
divida pela base e leia os restos de baixo para cima
Hexadecimal ↔ binário
um dígito hexadecimal = 4 bits
Complemento para dois
inverta os bits e some 1
Lógica digital: portas, mapas de Karnaugh e flip-flops
Portas básicas
A·B, A + B, A′, (A·B)′, (A + B)′, A ⊕ B
Regras booleanas
X + X′ = 1, X·X′ = 0, X + XY = X, XY + XY′ = X
De Morgan
(X·Y)′ = X′ + Y′, (X + Y)′ = X′·Y′
Ordem do mapa de Karnaugh
00, 01, 11, 10 (Gray code)
Grupo de 2ᵏ células
perde k variáveis
Multiplexador 4-para-1
F = A′B′I0 + A′BI1 + AB′I2 + ABI3
Flip-flops
D: Q⁺ = D, T: Q⁺ = T ⊕ Q, JK: Q⁺ = JQ′ + K′Q
Contadores
n bits: 2ⁿ estados; mod-N: menor n com 2ⁿ ≥ N; fout = fclk/N
Contador assíncrono (ripple)
fmax = 1/(n·tpd)
Contadores em anel e Johnson
n e 2n estados
Método
Para um circuito, trabalhe das entradas até a saída, uma porta de cada vez, e escreva o valor em cada fio, ou escreva a sua expressão e preencha a tabela-verdade.
Para simplificar, coloque os 1s (e as condições irrelevantes como X) num mapa de Karnaugh com linhas e colunas em código Gray: 00, 01, 11, 10.
Cubra os 1s com o menor número possível de grupos, os maiores possíveis, de 1, 2, 4, 8 ou 16 células, dando a volta pelas bordas; cada grupo é um termo produto formado pelas variáveis que permanecem constantes. Agrupe os 0s para a forma POS.
Para flip-flops e contadores, leia as entradas em cada borda ativa do clock, escreva o estado após cada borda e lembre-se de que um contador de n bits dá a volta após 2ⁿ estados.
Estabilidade: Routh–Hurwitz e lugar das raízes
Estabilidade
todas as raízes do polinômio característico no semiplano esquerdo
tabela de Routh, elemento de s¹ de um polinômio cúbico
b1 = (a2a1 − a3a0)/a2
Raízes no semiplano direito
número de trocas de sinal na primeira coluna
Cúbico s³ + a₂s² + a₁s + a₀
estável quando todos os a > 0 e a₂·a₁ > a₀
K/(s(s + a)(s + b))
Kmax = ab(a + b), ω = √(ab)
Equação característica
1 + K·G(s) = 0
Assíntotas
σa = (Σp − Σz)/(n − m), θ = (2q + 1)·180°/(n − m)
Pontos de saída e de chegada
dK/ds = 0
Condição de módulo
K = 1/|G(s)|
Ângulo de partida
θd = 180° − Σ∠(from other poles) + Σ∠(from zeros)
Método
Escreva o polinômio característico de malha fechada: o denominador de 1 + K·G(s) = 0, desenvolvido.
Coloque os coeficientes alternadamente nas duas primeiras linhas da tabela de Routh e construa as demais linhas.
Conte as trocas de sinal na primeira coluna: cada uma é um polo no semiplano direito. Com K na tabela, exija que todos os elementos da primeira coluna permaneçam positivos.
Para um lugar das raízes, marque os polos e zeros, os segmentos do eixo real, as assíntotas a partir do centroide e os pontos de ruptura onde dK/ds = 0. Use K = 1/|G(s)| para o ganho em um ponto.
Erro em regime permanente e controle PID
Tipo do sistema
número de polos de G(s) em s = 0
Constantes de erro
Kp = lim G(s), Kv = lim s·G(s), Ka = lim s²·G(s) (s → 0)
Degrau A
ess = A/(1 + Kp)
Rampa A·t
ess = A/Kv
Parábola A·t²/2
ess = A/Ka
Controlador PID
C(s) = Kp + Ki/s + Kd·s
Alvo de segunda ordem
s² + 2ζωns + ωn²
Sobressinal e tempos
%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), tp = π/ωd, ts ≈ 4/(ζωn)
Método
Conte os polos da malha aberta C(s)·G(s) em s = 0: esse é o tipo do sistema.
Calcule a constante de erro que corresponde à entrada: Kp para um degrau, Kv para uma rampa, Ka para uma parábola.
Aplique ess = A/(1 + Kp), A/Kv ou A/Ka, ou resolva-a para o ganho de que você precisa.
Para uma especificação de amortecimento ou velocidade, escreva o polinômio característico de malha fechada e compare-o com s² + 2ζω_n·s + ω_n².
2Exercícios
1.Resistores em série e paraleloMédia
Encontre a corrente IR1 fornecida pela fonte, que passa por R1.
V1 = 30 VR1 = 6 ΩR2 = 4 ΩR3 = 4 ΩR4 = 6 Ω
IR1 = A
2.Resistores em série e paraleloDifícil
Encontre a resistência equivalente Req vista pela fonte V1.
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.
Uma carga RL = 8 Ω é ligada entre a–b. Substitua o resto do circuito pelo seu equivalente de Thévenin e encontre a corrente na carga IL.
V1 = 18 VR1 = 20 ΩR2 = 6 ΩR3 = 5 ΩRL = 8 Ω
IL = A
10.Thévenin e NortonDifícil
Encontre a tensão de Thévenin Vth vista dos terminais a–b.
V1 = 10 VIs = 3 AR1 = 8 ΩR2 = 20 ΩR3 = 2 Ω
Vth = V
11.Transitórios RC e RLMédia
O indutor não conduz corrente antes de a chave fechar em t = 0. Encontre a tensão vL no indutor em t = 1 ms.
Vs = 6 VR = 47 ΩL = 10 mHt = 1 ms
vL = V
12.Transitórios RC e RLDifícil
Logo antes de a chave fechar em t = 0, o capacitor tem 2 V com a polaridade indicada. Encontre a tensão no capacitor vC em t = 300 ms.
Vs = 12 VR = 10 kΩC = 68 µFvC(0) = 2 Vt = 300 ms
vC = V
13.Impedância CA e fasoresMédia
Um circuito RLC série com L = 20 mH deve ressoar a 5000 Hz. Encontre a capacitância C necessária.
f0 = 5000 HzL = 20 mH
C = µF
14.Impedância CA e fasoresDifícil
Um circuito RLC série está ligado a uma fonte de 100 V (rms), 60 Hz. Encontre a tensão rms VC no capacitor.
V = 100 V (rms)f = 60 HzR = 100 ΩL = 250 mHC = 22 µF
VC = V
15.Potência CA e fator de potênciaMédia
Um motor monofásico consome 10 kW com fator de potência 0,7 indutivo de uma fonte de 400 V. Encontre a potência reativa Q que ele consome.
P = 10 kWpf = 0,7V = 400 V
Q = kvar
16.Potência CA e fator de potênciaDifícil
Um transformador monofásico de 25 kVA alimenta uma carga de 9 kW com fator de potência 0,7 indutivo. Quanta potência ativa adicional ΔP pode ser acrescentada como carga resistiva (fator de potência unitário) antes que o transformador atinja sua potência nominal em kVA?
Smax = 25 kVAP1 = 9 kWpf1 = 0,7
ΔP = kW
17.Potência trifásicaMédia
Um motor de indução trifásico fornece 18,5 kW de potência mecânica de saída a plena carga. Nessa carga seu rendimento é 91% e seu fator de potência é 0,9 indutivo. A alimentação tem tensão de linha de 400 V. Encontre a corrente de linha IL.
Pout = 18,5 kWη = 91%cos φ = 0,9VL = 400 V
IL = A
18.Potência trifásicaDifícil
Uma carga trifásica equilibrada consome 80 kW com fator de potência 0,8 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. Encontre a potência reativa total QC que o banco de capacitores deve fornecer, em kvar.
P = 80 kWpf1 = 0,8pf2 = 0,95VL = 690 Vf = 60 Hz
QC = kvar
19.TransformadoresMédia
Um transformador monofásico de 100 kVA, 480/240 V opera na carga nominal. Considere-o ideal. Encontre a corrente ILV no enrolamento de baixa tensão.
S = 100 kVAV1 = 480 VV2 = 240 V
ILV = A
20.TransformadoresDifícil
Um transformador monofásico de 50 kVA tem perdas no núcleo de 400 W. Na carga nominal e com fator de potência 0,85 indutivo, seu rendimento é 98,5%. Encontre as perdas no cobre a plena carga Pcu,fl em watts.
S = 50 kVAPcore = 400 Wpf = 0,85η = 98,5%
Pcu,fl = W
21.Circuitos com amplificadores operacionaisMédia
Escolha o resistor de realimentação Rf que dá a este amplificador não inversor um ganho de tensão de 4.
R1 = 1 kΩAv = 4
Rf = kΩ
22.Circuitos com amplificadores operacionaisDifícil
O amplificador operacional é ideal e alimentado com ±15 V. As razões dos resistores não estão casadas. Encontre a tensão de saída Vout.
Um transistor NPN com β = 50 é polarizado por um resistor de base RB = 330 kΩ a partir da alimentação VCC = 12 V. O resistor de coletor é RC = 2,7 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 = 12 VRB = 330 kΩRC = 2,7 kΩβ = 50VBE = 0,7 V
IC = mA
24.Diodos e transistoresDifícil
Um transistor NPN com β = 200 chaveia um resistor de carga de 1 kΩ ligado entre VCC = 5 V e o seu coletor. O emissor está aterrado. A base é acionada por uma saída lógica de 5 V através de um resistor de base RB = 33 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.
Defina os bits para armazenar −104 em complemento de dois de 8 bits. Lido como um número sem sinal, qual é o valor U do padrão?
N = −1048 bit
U =
26.Sistemas de numeraçãoDifícil
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
Use o mapa de Karnaugh para encontrar a forma mínima em produto de somas (POS) de F(A, B, C, D) = Σm(2, 6, 8, 9, 11). Quantos termos soma (fatores) N ela tem?
F(A, B, C, D) = Σm(2, 6, 8, 9, 11)
N =
28.Lógica digital: portas, mapas de Karnaugh e flip-flopsDifícil
Um contador Johnson de 4 bits Q₃Q₂Q₁Q₀ começa em 0000. A cada borda do clock os bits se deslocam uma posição para a direita (Q₃ → Q₂ → Q₁ → Q₀) e Q₃ recebe o inverso de Q₀. Dê o estado Q = Q₃Q₂Q₁Q₀ como número decimal após 11 bordas do clock.
Q₃Q₂Q₁Q₀ = 000011
Q =
29.Transformadas de LaplaceMédia
Encontre f(t) para F(s) = 40/(s(s + 2)(s + 5)) por frações parciais e calcule f(0,75).
F(s) = 40/(s(s + 2)(s + 5))t = 0,75 s
f(0.75) =
30.Transformadas de LaplaceDifícil
Um sistema obedece a y″ + 6y′ + 8y = 8·u(t). Ele parte do repouso (y(0) = 0, y′(0) = 0) e a entrada é um degrau u(t) = 5 para t ≥ 0. Use a transformada de Laplace para encontrar a saída y(0,5).
A planta G(s) = K/((s + 2)(s + 7)) está em uma malha de realimentação negativa unitária. Encontre o ganho K para o qual a malha fechada é criticamente amortecida (dois polos reais iguais).
Um controlador proporcional K comanda a planta G(s) = 4/(s + 2) em uma malha de realimentação negativa unitária. Um degrau de perturbação de tamanho 5 entra na entrada da planta com R = 0. Encontre o menor ganho K que mantém a saída em regime permanente igual ou inferior a 0,1.
G(s) = 4/(s + 2)D = 5css ≤ 0,1
K =
33.Resposta ao degrauMédia
Um sistema tem a função de transferência G(s) = 36,5/(s² + 11s + 73) e recebe uma entrada em degrau unitário. Encontre o tempo de pico tp da resposta ao degrau.
G(s) = 36,5/(s² + 11s + 73)
tp = s
34.Resposta ao degrauDifícil
Uma malha de realimentação negativa unitária tem G(s) = 115/(s(s + 12)). Encontre o tempo de acomodação de 2 % ts da resposta ao degrau de malha fechada, usando ts ≈ 4/(ζωₙ).
G(s) = 115/(s(s + 12))
ts = s
35.Diagramas de Bode e margensMédia
Encontre o módulo exato |G(jω)| de G(s) = 90/((s + 9)(s + 10)) em ω = 30 rad/s, em dB.
G(s) = 90/((s + 9)(s + 10))ω = 30 rad/s
|G(jω)| = dB
36.Diagramas de Bode e margensDifícil
Uma malha com realimentação unitária tem a função de transferência de malha aberta L(s) = 620/(s(s + 20)). Encontre a margem de fase PM em graus.
L(s) = 620/(s(s + 20))
PM = °
37.Estabilidade: Routh–Hurwitz e lugar das raízesMédia
Uma malha com realimentação unitária tem L(s) = K(s + 8)/(s(s + 2)(s + 3)), com K > 0. Encontre o maior ganho Kmax para o qual a malha fechada é estável.
L(s) = K(s + 8)/(s(s + 2)(s + 3))
Kmax =
38.Estabilidade: Routh–Hurwitz e lugar das raízesDifícil
Uma malha com realimentação unitária tem L(s) = K(s + 5)/((s + 3)(s + 4)(s + 2)). Encontre o ponto σa em que as assíntotas do lugar das raízes cruzam o eixo real.
L(s) = K(s + 5)/((s + 3)(s + 4)(s + 2))
σa =
39.Erro em regime permanente e controle PIDMédia
A entrada parabólica r(t) = 10·t²/2 é aplicada a uma malha com realimentação unitária com G(s) = 5(s + 1)/(s²(s + 1)). Encontre o erro em regime permanente ess.
G(s) = 5(s + 1)/(s²(s + 1))r(t) = 10·t²/2
ess =
40.Erro em regime permanente e controle PIDDifícil
Um controlador proporcional K = 20 controla a planta G(s) = 10/(s(s + 4)) em uma malha com realimentação unitária. Encontre o tempo de pico tp da resposta ao degrau.
G(s) = 10/(s(s + 4))K = 20
tp = s
3Soluções
1.Resistores em série e paralelo
Resposta: IR1 = 3,387 A
Resistores em série e em paralelo: em série a mesma corrente passa por cada resistor e R = R₁ + R₂ + …. Em paralelo cada resistor tem a mesma tensão e 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …. Uma rede em escada é reduzida um par por vez até restar uma única resistência equivalente.
Combine os resistores a partir da extremidade mais distante
Comece pela extremidade mais distante da fonte e volte em direção a ela. Resistores com a mesma corrente estão em série; resistores entre os mesmos dois nós estão em paralelo.
R3 + R4 = 4 + 6 = 10 Ω
R2 ∥ 10 = 4·10/(4+10) = 2,857 Ω
Req = R1 + 2,857 = 6 + 2,857 = 8,857 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 = 30/8,857 = 3,387 A
Resposta
IR1 = 3,387 A
2.Resistores em série e paralelo
Resposta: Req = 15,63 Ω
Resistores em série e em paralelo: em série a mesma corrente passa por cada resistor e R = R₁ + R₂ + …. Em paralelo cada resistor tem a mesma tensão e 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …. Uma rede em escada é reduzida um par por vez até restar uma única resistência equivalente.
Combine os resistores a partir da extremidade mais distante
Comece pela extremidade mais distante da fonte e volte em direção a ela. Resistores com a mesma corrente estão em série; resistores entre os mesmos dois nós estão em paralelo.
R5 + R6 = 2 + 25 = 27 Ω
R4 ∥ 27 = 6,171 Ω
R3 + 6,171 = 9,171 Ω
R2 ∥ 9,171 = 3,627 Ω
Req = R1 + 3,627 = 12 + 3,627 = 15,63 Ω
Resposta
Req = 15,63 Ω
3.Análise nodal
Resposta: I3 = 0,3636 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)/4 + (VA − (−10))/4 + (VA − 9)/20 = 0
Resolver para VA
VA = (12/4 + (−10)/4 + 9/20) / (1/4 + 1/4 + 1/20) = 0,95/0,55 = 1,727 V
Corrente de ramo
A seta aponta para cima no ramo, entrando no nó A.
I3 = (9 − VA)/R3 = (9 − 1,727)/20 = 0,3636 A
Resposta
I3 = 0,3636 A
Um resultado negativo significa que a corrente real flui contra a seta.
4.Análise nodal
Resposta: IR4 = −0,2557 A
Análise nodal: escolha um nó de referência, nomeie as tensões de nó desconhecidas, escreva a lei das correntes de Kirchhoff em cada nó desconhecido usando a lei de Ohm (I = ΔV/R) e resolva as equações.
Defina os nós
O terra é o fio de baixo. As tensões de nó conhecidas vêm direto das fontes (V1 = 10 V, V2 = 12 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/3 + (VA − 10)/2 + (VA − VB)/8 = 0
0,9583·VA − 0,125·VB = 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/8 + (VB − VA)/8 + (VB − 12)/15 = 1
−0,125·VA + 0,3167·VB = 1,8
Resolva
Δ = (0,9583)(0,3167) − (−0,125)(−0,125) = 0,2878
VA = Δ1/Δ = 1,808/0,2878 = 6,282 V
VB = Δ2/Δ = 2,35/0,2878 = 8,164 V
Resposta
IR4 = (VB − V2)/R4 = (8,164 − 12)/15 = −0,2557 A
5.Análise de malhas
Resposta: IR2 = −0,5714 A
Análise de malhas: dê a cada janela de um circuito planar sua própria corrente de laço, escreva a lei das tensões de Kirchhoff em cada laço (soma das quedas = soma das elevações) e resolva. As correntes de ramo são a corrente de malha, ou a diferença de duas correntes de malha em um ramo compartilhado.
Defina as correntes de malha
Desenhe uma corrente no sentido horário em cada janela: I1, I2. Um resistor compartilhado por duas malhas conduz a diferença entre suas correntes.
LKT na malha 1
No sentido horário, as quedas de tensão nos resistores são iguais às elevações de tensão das fontes (de − para + no sentido do percurso).
R1·I1 + R3(I1 − I2) = V1
12·I1 + 12(I1 − I2) = 6
24·I1 − 12·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 + R3(I2 − I1) = −V2
15·I2 + 12(I2 − I1) = (−15)
−12·I1 + 27·I2 = −15
Resolva
Δ = (24)(27) − (−12)(−12) = 504
I1 = Δ1/Δ = −18/504 = −0,03571 A
I2 = Δ2/Δ = −288/504 = −0,5714 A
Resposta
IR2 = I2 = −0,5714 A
Uma corrente de malha negativa flui no sentido anti-horário.
6.Análise de malhas
Resposta: VR2 = −6,774 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.
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
10·I1 + 3(I1 − I2) = 12
13·I1 − 3·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 + R4(I2 − I1) + R5(I2 − I3) = 0
20·I2 + 3(I2 − I1) + 15(I2 − I3) = 0
−3·I1 + 38·I2 − 15·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
25·I3 + 15(I3 − I2) = (−36)
−15·I2 + 40·I3 = −36
Resolva
Δ = determinante da matriz de coeficientes = 16475
I1 = Δ1/Δ = 13920/16475 = 0,8449 A
I2 = Δ2/Δ = −5580/16475 = −0,3387 A
I3 = Δ3/Δ = −16920/16475 = −1,027 A
Resposta
IR2 = I2 = −0,3387 A
VR2 = IR2·R2 = −0,3387·20 = −6,774 V
Uma corrente de malha negativa flui no sentido anti-horário.
7.Superposição
Resposta: IR3 = −1,333 A
Superposição: em um circuito linear, qualquer tensão ou corrente é a soma das respostas a cada fonte independente agindo sozinha. Para desligar uma fonte, substitua uma fonte de tensão ideal por um curto-circuito e uma fonte de corrente ideal por um circuito aberto. Os resistores ficam onde estão.
Caso 1 · V1 agindo sozinha
Iₛ vira um circuito aberto, então R₃ e R₄ formam um único ramo em série de A ao terra, em paralelo com R₂.
R3+R4 = 2+12 = 14 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 8·14/(8+14) = 5,091 Ω
VA = 12·5,091/(8+5,091) = 4,667 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 4,667·12/14 = 4 V
IR3′ = (VA − VB)/R3 = (4,667 − 4)/2 = 0,3333 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 = 8·8/(8+8) = 4 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 12 ∥ 6 = 4 Ω
VB = Is·Req = 2,5·4 = 10 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 10·4/6 = 6,667 V
IR3″ = (VA − VB)/R3 = (6,667 − 10)/2 = −1,667 A
Some as contribuições
IR3 = IR3′ + IR3″
IR3 = 0,3333 + (−1,667) = −1,333 A
Um resultado negativo significa que, na verdade, a corrente flui contra a seta.
8.Superposição
Resposta: VR2 = −57,4 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.
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) = 10 ∥ 45 = 8,182 Ω
VA = 5·8,182/(8+8,182) = 2,528 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 2,528·30/45 = 1,685 V
VR2′ = VA − VB = 2,528 − 1,685 = 0,8427 V
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 = 4,444 Ω, então o caminho da esquerda é R2+4,444 = 19,44 Ω
Req = R4 ∥ 19,44 = 11,8 Ω
VB = Is·Req = 6·11,8 = 70,79 V
VA = VB·4,444/19,44 = 16,18 V
VR2″ = VA − VB = 16,18 − 70,79 = −54,61 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 = 8·10/(8+10) = 4,444 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = 12·19,44/49,44 = 4,719 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = 4,719·4,444/19,44 = 1,079 V
VR2‴ = VA − VB = 1,079 − 4,719 = −3,64 V
Some as contribuições
VR2 = VR2′ + VR2″ + VR2‴
VR2 = 0,8427 + (−54,61) + (−3,64) = −57,4 V
Um resultado negativo significa que, na verdade, a polaridade é oposta à marcada.
9.Thévenin e Norton
Resposta: IL = 0,2358 A
Teorema de Thévenin: qualquer rede linear de dois terminais se comporta como uma única fonte de tensão Vth em série com uma resistência Rth. O teorema de Norton dá a mesma rede como uma fonte de corrente IN = Vth/Rth em paralelo com Rth.
Encontre Rth com todas as fontes desligadas
Substitua fontes de tensão por curtos e fontes de corrente por circuitos abertos, depois olhe para o circuito a partir de a–b.
R1 ∥ R2 = 20·6/(20+6) = 4,615 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 4,615 + 5 = 9,615 Ω
Encontre Vth, a tensão de circuito aberto
Com a–b aberto, não passa corrente por R₃, então não há queda nele e V_b = V_A. R₁ e R₂ formam um divisor de tensão.
Vth = V1·R2/(R1+R2) = 18·6/(20+6) = 4,154 V
Ligue a carga ao equivalente de Thévenin
A fonte de Thévenin e R_th em série se comportam exatamente como o circuito original em a–b, então a carga vê uma malha simples em série.
IL = Vth/(Rth + RL) = 4,154/(9,615 + 8) = 0,2358 A
10.Thévenin e Norton
Resposta: Vth = 30,29 V
Teorema de Thévenin: qualquer rede linear de dois terminais se comporta como uma única fonte de tensão Vth em série com uma resistência Rth. O teorema de Norton dá a mesma rede como uma fonte de corrente IN = Vth/Rth em paralelo com Rth.
Encontre Rth com todas as fontes desligadas
Substitua fontes de tensão por curtos e fontes de corrente por circuitos abertos, depois olhe para o circuito a partir de a–b.
R1 ∥ R2 = 8·20/(8+20) = 5,714 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 5,714 + 2 = 7,714 Ω
Encontre Vth, a tensão de circuito aberto
Com a–b aberto, o único caminho para Iₛ é por R₃ até o nó A. Encontre V_A por superposição de V₁ e Iₛ, depois some a queda em R₃.
VA = V1·R2/(R1+R2) + Is·(R1∥R2) = 7,143 + 3·5,714 = 24,29 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 24,29 + 3·2 = 30,29 V
11.Transitórios RC e RL
Resposta: vL = 0,05457 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 = 10 mH / 47 Ω = 0,2128 ms
i(∞) = Vs/R = 6/47 = 0,1277 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 = 6·e−1/0,2128 = 0,05457 V
Resposta
vL = 0,05457 V
12.Transitórios RC e RL
Resposta: vC = 5,567 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.
Valor inicial, valor final, constante de tempo
A tensão no capacitor não pode saltar, então começa no valor armazenado e vai em direção à tensão da fonte.
vC(0) = 2 V, vC(∞) = Vs = 12 V
τ = R·C = 10 kΩ · 68 µF = 680 ms
vC(t) = 12 + (2 − 12)·e−t/τ
Tensão no instante dado
vC(300) = 12 + (−10)·e−300/680 = 5,567 V
Resposta
vC = 5,567 V
13.Impedância CA e fasores
Resposta: C = 0,05066 µF
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|.
Condição de ressonância
Na ressonância as reatâncias indutiva e capacitiva se anulam: ωL = 1/(ωC).
ω₀ = 2π·5000 = 31416 rad/s
C = 1/(ω₀²·L) = 1/(31416²·0,02) = 0,05066 µF
Resposta
C = 0,05066 µF
14.Impedância CA e fasores
Resposta: VC = 116,6 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·60 = 377 rad/s
XL = ωL = 377·0,25 = 94,25 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(377·22·10⁻⁶) = 120,6 Ω
Impedância
Em série as impedâncias se somam como números complexos: Z = R + j(XL − XC).
A mesma corrente passa por todos os elementos de um circuito série.
I = V/|Z| = 100/103,4 = 0,9671 A
Tensão no capacitor
VC = I·XC = 0,9671·120,6 = 116,6 V
Resposta
VC = 116,6 V
15.Potência CA e fator de potência
Resposta: Q = 10,2 kvar
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.
Ângulo
φ = arccos(0,7) = 45,57°, tan φ = 1,02
Potência reativa
Q = P·tan φ = 10·1,02 = 10,2 kvar
Resposta
Q = 10,2 kvar
16.Potência CA e fator de potência
Resposta: ΔP = 14,25 kW
Potência CA: a potência aparente S = V·I (VA) se divide em potência ativa P = S·cos φ (W), que realiza trabalho útil, e potência reativa Q = S·sin φ (var), que vai e volta entre fonte e carga. O fator de potência é cos φ. Um capacitor em paralelo fornece potência reativa localmente, então a corrente de linha cai para a mesma potência ativa.
Potência reativa da carga existente
Q1 = 9·tan(arccos 0,7) = 9,182 kvar
Maior potência ativa total
Na potência nominal S = Smax, e Q não é alterada pela carga resistiva.
P = √(Smax² − Q1²) = √(25² − 9,182²) = 23,25 kW
Potência ativa adicional
ΔP = 23,25 − 9 = 14,25 kW
Resposta
ΔP = 14,25 kW
17.Potência trifásica
Resposta: IL = 32,6 A
Sistemas trifásicos equilibrados: em uma ligação Y (estrela) a tensão de linha é √3 vezes a tensão de fase, VL = √3·Vph, e a corrente de linha é igual à corrente de fase. Em uma ligação Δ (triângulo) a tensão de linha é igual à tensão de fase e a corrente de linha é √3 vezes a corrente de fase, IL = √3·Iph. A potência total é três vezes a potência de uma fase: P = 3·Vph·Iph·cos φ = √3·VL·IL·cos φ.
Potência elétrica de entrada
Pin = Pout/η = 18,5/0,91 = 20,33 kW
Corrente de linha
IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 20330/(√3·400·0,9) = 32,6 A
Resposta
IL = 32,6 A
18.Potência trifásica
Resposta: QC = 33,71 kvar
Sistemas trifásicos equilibrados: em uma ligação Y (estrela) a tensão de linha é √3 vezes a tensão de fase, VL = √3·Vph, e a corrente de linha é igual à corrente de fase. Em uma ligação Δ (triângulo) a tensão de linha é igual à tensão de fase e a corrente de linha é √3 vezes a corrente de fase, IL = √3·Iph. A potência total é três vezes a potência de uma fase: P = 3·Vph·Iph·cos φ = √3·VL·IL·cos φ. Correção do fator de potência: os capacitores fornecem potência reativa localmente, QC = P·(tan φ1 − tan φ2). Cada um dos três capacitores fornece QC/3 = V²·ω·C, onde V é a tensão sobre aquele capacitor: VL em um banco em Δ, VL/√3 em um banco em Y.
Potência reativa antes e depois
A potência ativa não muda, então cada fator de potência fixa a potência reativa: Q = P·tan φ.
Q1 = 80·tan(acos 0,8) = 80·0,75 = 60 kvar
Q2 = 80·tan(acos 0,95) = 80·0,3287 = 26,29 kvar
Potência reativa dos capacitores
QC = Q1 − Q2 = 33,71 kvar
Resposta
QC = 33,71 kvar
19.Transformadores
Resposta: ILV = 416,7 A
Transformador ideal: as tensões estão na razão das espiras e as correntes na razão inversa: V₁/V₂ = N₁/N₂ = a e I₁/I₂ = N₂/N₁ = 1/a, então a potência de entrada é igual à de saída, V₁·I₁ = V₂·I₂. Uma impedância de carga Z no secundário aparece como a²·Z vista do primário.
Corrente nominal
Os dois enrolamentos conduzem a mesma potência aparente.
ILV = S/V = 100000/240 = 416,7 A
Resposta
ILV = 416,7 A
20.Transformadores
Resposta: Pcu,fl = 247,2 W
Perdas no transformador: as perdas no núcleo (histerese e correntes parasitas) dependem da tensão e são as mesmas em qualquer carga. As perdas no cobre dos enrolamentos variam com o quadrado da corrente, então a uma fração x da carga nominal valem x²·Pcu,fl. Rendimento η = Pout/(Pout + Pcore + Pcu), com Pout = x·S·pf. O rendimento é máximo na carga em que as perdas no cobre são iguais às perdas no núcleo.
Potência de saída e de entrada
Pout = 50·0,85 = 42,5 kW
Pin = 42500/0,985 = 43147 W
Perdas totais e no cobre
Ploss = 43147 − 42500 = 647,2 W
Pcu,fl = 647,2 − 400 = 247,2 W
Resposta
Pcu,fl = 247,2 W
21.Circuitos com amplificadores operacionais
Resposta: Rf = 3 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 = (4 − 1)·1 = 3 kΩ
Resposta
Rf = 3 kΩ
22.Circuitos com amplificadores operacionais
Resposta: Vout = 0,76 V
Regras do amplificador operacional ideal: com realimentação negativa, o amplificador ajusta sua saída para que as duas entradas fiquem na mesma tensão (V₋ = V₊), e nenhuma corrente entra em qualquer entrada. Escrever a LKC na entrada inversora com esses dois fatos dá a saída.
Tensão na entrada +
V₊ = V2·R4/(R3 + R4) = 0,8·10/(10 + 10) = 0,4 V
Superponha as duas entradas
Com V₂ = 0, V₁ vê um amplificador inversor. Com V₁ = 0, V₊ é amplificada pelo ganho não inversor 1 + R₂/R₁.
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.
Verificação: VCE = 7,377 V está bem acima de 0,2 V, então o transistor está de fato na região ativa.
24.Diodos e transistores
Resposta: IC = 4,8 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 = (5 − 0,7)/33 kΩ = 130,3 µA
Saturado ou ativo?
β·IB é maior que IC(sat), então o transistor satura.
β·IB = 26,06 mA
IC(sat) = (5 − 0,2)/1000 = 4,8 mA
Corrente de coletor
IC = IC(sat) = 4,8 mA
Resposta
IC = 4,8 mA
O transistor está saturado.
25.Sistemas de numeração
Resposta: U = 152
Definir bits: cada bit vale uma potência de dois (128, 64, …, 1). Um dígito hexadecimal são exatamente quatro bits, e em complemento de dois de 8 bits o bit mais à esquerda vale −128. As operações bit a bit atuam em cada posição de bit separadamente.
Inverter e somar um
104 = 0110 1000
invertido: 1001 0111
+1 → 1001 1000
Ler sem sinal
1001 1000₂ = 256 − 104 = 152
Resposta
U = 152
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: N = 4
Mapas de Karnaugh: as células são ordenadas em código Gray (00, 01, 11, 10), de modo que células vizinhas, inclusive as que ficam nas bordas opostas, diferem em exatamente uma variável. Agrupe os 1s em retângulos de 1, 2, 4, 8 ou 16 células, o maior possível e o menor número possível, até que todo 1 esteja coberto. Cada grupo é um termo produto: as variáveis que permanecem constantes dentro dele. Um grupo de 2ᵏ células perde k variáveis. As condições irrelevantes (X) podem ser usadas para aumentar grupos, mas nunca precisam ser cobertas. Agrupar os 0s dá a forma POS mínima.
Agrupe os 0s
Todo grupo é um retângulo de 2ᵏ células; as células das bordas são vizinhas das células da borda oposta.
(A + D′)
(A + C)
(A′ + C′ + D)
(A′ + B′)
Forma POS mínima
F = (A + D′)(A + C)(A′ + C′ + D)(A′ + B′)
N = 4
Resposta
N = 4
28.Lógica digital: portas, mapas de Karnaugh e flip-flops
Resposta: Q = 14
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.
Transformada de Laplace: F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt transforma derivadas em multiplicações por s: ℒ{f′} = sF(s) − f(0), ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0). Pares usuais: 1 ↔ 1/s, e−at ↔ 1/(s + a), t·e−at ↔ 1/(s + a)², sin ωt ↔ ω/(s² + ω²), cos ωt ↔ s/(s² + ω²), e um deslocamento s → s + σ multiplica a função do tempo por e−σt. Para inverter uma F(s) racional, decomponha-a em frações parciais: o resíduo de um polo simples p é A = [(s − p)·F(s)] em s = p. Teorema do valor final: f(∞) = lims→0 s·F(s), válido apenas quando todos os polos de s·F(s) estão no semiplano esquerdo. Teorema do valor inicial: f(0⁺) = lims→∞ s·F(s).
Transformada de Laplace: F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt transforma derivadas em multiplicações por s: ℒ{f′} = sF(s) − f(0), ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0). Pares usuais: 1 ↔ 1/s, e−at ↔ 1/(s + a), t·e−at ↔ 1/(s + a)², sin ωt ↔ ω/(s² + ω²), cos ωt ↔ s/(s² + ω²), e um deslocamento s → s + σ multiplica a função do tempo por e−σt. Para inverter uma F(s) racional, decomponha-a em frações parciais: o resíduo de um polo simples p é A = [(s − p)·F(s)] em s = p. Teorema do valor final: f(∞) = lims→0 s·F(s), válido apenas quando todos os polos de s·F(s) estão no semiplano esquerdo. Teorema do valor inicial: f(0⁺) = lims→∞ s·F(s).
Transforme a equação
Y(s) = 40/(s(s + 2)(s + 4))
Frações parciais
A = 40/(2·4) = 5
B = 40/((−2)·2) = −10
C = 40/((−4)·(−2)) = 5
Saídas
y(t) = 5 − 10·e−2t + 5·e−4t
y(0,5) = 1,998
Resposta
y(0,5) = 1,998
31.Diagramas de blocos
Resposta: K = 6,25
Álgebra de diagramas de blocos: blocos em série se multiplicam (G₁·G₂), blocos em paralelo se somam (G₁ + G₂), e uma malha com caminho direto G e caminho de realimentação H se reduz a T = G/(1 + G·H) para realimentação negativa e G/(1 − G·H) para realimentação positiva. Reduza primeiro as malhas internas e depois avance para fora. Os polos de malha fechada são as raízes da equação característica 1 + G(s)H(s) = 0. Para uma malha estável, uma entrada em degrau de tamanho A dá a saída em regime permanente A·T(0); com realimentação unitária, o erro em regime permanente para um degrau é A/(1 + Kp) com Kp = G(0).
Equação característica
1 + K/((s + 2)(s + 7)) = 0 → s² + 9s + 14 + K = 0
Raiz repetida
Um polinômio s² + βs + γ tem uma raiz dupla quando β² = 4γ.
9² = 4(14 + K) → K = 81/4 − 14 = 6,25
Resposta
K = 6,25
Os dois polos de malha fechada ficam então em s = −4,5.
32.Diagramas de blocos
Resposta: K = 49,5
Álgebra de diagramas de blocos: blocos em série se multiplicam (G₁·G₂), blocos em paralelo se somam (G₁ + G₂), e uma malha com caminho direto G e caminho de realimentação H se reduz a T = G/(1 + G·H) para realimentação negativa e G/(1 − G·H) para realimentação positiva. Reduza primeiro as malhas internas e depois avance para fora. Os polos de malha fechada são as raízes da equação característica 1 + G(s)H(s) = 0. Para uma malha estável, uma entrada em degrau de tamanho A dá a saída em regime permanente A·T(0); com realimentação unitária, o erro em regime permanente para um degrau é A/(1 + Kp) com Kp = G(0).
Resposta à perturbação
css = D·G(0)/(1 + K·G(0)) = 5·4/(2 + 4K)
Resolva para K
2 + 4K = 5·4/0,1 = 200
K = (200 − 2)/4 = 49,5
Resposta
K = 49,5
33.Resposta ao degrau
Resposta: tp = 0,4805 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.
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).
Nesta malha ζωₙ = a/2 seja qual for K: aumentar K aumenta o sobressinal, mas não encurta o tempo de acomodação.
35.Diagramas de Bode e margens
Resposta: |G(jω)| = −20,83 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.
Resposta em frequência: substitua s = jω na função de transferência. O módulo em decibéis é 20·log₁₀|H(jω)| e a fase é a soma dos ângulos dos fatores do numerador menos os do denominador. Um filtro RC ou RL de primeira ordem tem sua frequência de corte (−3 dB) em ωc = 1/(RC) ou R/L, e fc = ωc/(2π); um filtro passa-baixas dá |H| = 1/√(1 + (ω/ωc)²) e φ = −atan(ω/ωc). No diagrama de Bode assintótico (de retas), cada polo inclina o módulo para baixo em 20 dB/década na sua frequência de canto, cada zero o inclina para cima em 20 dB/década, e um integrador 1/s dá −20 dB/década em todas as frequências. Cruzamento de ganho ωc: |L(jω)| = 1 (0 dB); margem de fase MF = 180° + ∠L(jωc). Cruzamento de fase ω180: ∠L(jω) = −180°; margem de ganho MG = −20·log₁₀|L(jω180)| dB. A malha fechada é estável quando as duas margens são positivas.
Cruzamento de ganho
ω⁴ + 400ω² − 384400 = 0
ω² = (−400 + √(160000 + 4·384400))/2 = 451,5
ωc = 21,25 rad/s
Margem de fase
∠L(jωc) = −90° − atan(21,25/20) = −136,7°
PM = 180° + ∠L = 43,27°
Resposta
PM = 43,27°
37.Estabilidade: Routh–Hurwitz e lugar das raízes
Resposta: Kmax = 10
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.
Com o zero à direita de s = −5, a malha permaneceria estável para todo K > 0.
38.Estabilidade: Routh–Hurwitz e lugar das raízes
Resposta: σa = −2
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.
Polos e zeros
polos: −3, −4, −2
zeros: −5
n − m = 3 − 1 = 2
Centroide
σa = (−9 − (−5))/2 = −2
Resposta
σa = −2
As 2 assíntotas saem do centroide nos ângulos 90°, 270°.
39.Erro em regime permanente e controle PID
Resposta: ess = 2
Erro em regime permanente: em uma malha com realimentação unitária e função de transferência de malha aberta G(s), o erro é E(s) = R(s)/(1 + G(s)), e pelo teorema do valor final ess = lims→0 s·E(s). O tipo do sistema é o número de polos de G(s) em s = 0. As constantes de erro são Kp = lim G(s), Kv = lim s·G(s) e Ka = lim s²·G(s), todas para s → 0. Um degrau de tamanho A dá ess = A/(1 + Kp), uma rampa A·t dá A/Kv e uma parábola A·t²/2 dá A/Ka. Uma malha do tipo 0 segue um degrau com erro finito, uma malha do tipo 1 o segue exatamente e segue uma rampa com erro finito.
Constante de aceleração
Ka = 5·1/1 = 5
Erro de parábola
ess = 10/5 = 2
Resposta
ess = 2
40.Erro em regime permanente e controle PID
Resposta: tp = 0,2244 s
Controle P, PI e PID: o controlador C(s) = Kp + Ki/s + Kd·s atua sobre o erro. Um ganho proporcional torna a malha mais rápida e reduz o erro de uma planta do tipo 0, mas nunca o elimina. O termo integral acrescenta um polo em s = 0: o tipo do sistema sobe uma unidade, e um degrau é seguido sem erro. O termo derivativo acrescenta amortecimento. Para escolher os ganhos, escreva o polinômio característico de malha fechada e compare-o com s² + 2ζωns + ωn². Então %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), tp = π/ωd com ωd = ωn√(1 − ζ²), e ts ≈ 4/(ζωn).
Polinômio característico
s(s + 4) + 20·10 = s² + 4s + 200
ωₙ e ζ
ωₙ = √200 = 14,14 rad/s
ζ = 4/(2·14,14) = 0,1414
Tempo de pico
ωd = 14,14·√(1 − 0,1414²) = 14 rad/s
tp = π/14 = 0,2244 s
Resposta
tp = 0,2244 s
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