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​ = 5 ΩIR1​R3​ = 20 Ω+−V1​15 VR2​4 ΩAR4​3 ΩB

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

V1 = 15 VR1 = 5 ΩR2 = 4 ΩR3 = 20 ΩR4 = 3 Ω
IR1 = A
2.Resistores em série e paraleloDifícil
R1​ = 30 ΩR3​ = 6 ΩR5​ = 2 Ω+−V1​6 VR2​6 ΩAR4​15 ΩBR6​2 Ω

Encontre a resistência equivalente Req vista pela fonte V1.

V1 = 6 VR1 = 30 ΩR2 = 6 ΩR3 = 6 ΩR4 = 15 ΩR5 = 2 ΩR6 = 2 Ω
Req = Ω
3.Análise nodalMédia
R1​ = 12 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​24 VR2​15 ΩAR4​8 ΩBIs​2 A

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

V1 = 24 VIs = 2 AR1 = 12 ΩR2 = 15 ΩR3 = 15 ΩR4 = 8 Ω
VA = V
4.Análise nodalDifícil
R1​ = 20 ΩR2​ = 5 ΩR4​ = 15 Ω+−V1​24 VR3​6 ΩAR5​2 ΩBIs​5 A+−V2​10 V

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

V1 = 24 VIs = 5 AV2 = 10 VR1 = 20 ΩR2 = 5 ΩR3 = 6 ΩR4 = 15 ΩR5 = 2 Ω
VA = V
5.Análise de malhasMédia
R1​ = 6 ΩR2​ = 6 Ω+−V1​6 VR3​4 ΩA+−V2​18 VI1​I2​

Use análise de malhas para encontrar a corrente de malha I1 (sentido horário).

V1 = 6 VV2 = 18 VR1 = 6 ΩR2 = 6 ΩR3 = 4 Ω
I1 = A
6.Análise de malhasDifícil
R1​ = 30 ΩR2​ = 10 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​18 VR4​20 ΩAR5​30 ΩIR5​B+−V2​12 VI1​I2​I3​

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

V1 = 18 VV2 = 12 VR1 = 30 ΩR2 = 10 ΩR3 = 3 ΩR4 = 20 ΩR5 = 30 Ω
IR5 = A
7.SuperposiçãoMédia
circuito linearVs​Is​IRL​

Um circuito resistivo linear contém uma fonte de tensão Vs e uma fonte de corrente Is. A corrente I em um resistor de carga é medida duas vezes: com Vs = 6 V e Is = 10 mA, I = 1,6 mA; com Vs = 15 V e Is = 8 mA, I = 7,4 mA. Encontre a corrente de carga I quando Vs = 6 V e Is = 6 mA.

6 V, 10 mA → 1,6 mA15 V, 8 mA → 7,4 mAVs = 6 V, Is = 6 mA
I = mA
8.SuperposiçãoDifícil
R1​ = 8 ΩR2​ = 3 ΩR4​ = 2 Ω+−V1​30 VR3​15 ΩIR3​AIs​6 AB+−V2​15 V

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

V1 = 30 VIs = 6 AV2 = 15 VR1 = 8 ΩR2 = 3 ΩR3 = 15 ΩR4 = 2 Ω
IR3 = A
9.Thévenin e NortonMédia
R1​ = 8 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​9 VR2​3 ΩAab

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

V1 = 9 VR1 = 8 ΩR2 = 3 ΩR3 = 8 Ω
IN = A
10.Thévenin e NortonDifícil
R1​ = 2 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​36 VR2​15 ΩAIs​2,5 ABab

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

V1 = 36 VIs = 2,5 AR1 = 2 ΩR2 = 15 ΩR3 = 8 Ω
IN = A
11.Transitórios RC e RLMédia
+−Vs​20 Vt = 0R = 5 ΩL22 mHi(t)

O indutor não conduz corrente antes de a chave fechar em t = 0. Encontre a energia W(∞) armazenada no indutor depois que o circuito se estabiliza, em mJ.

Vs = 20 VR = 5 ΩL = 22 mH
W(∞) = mJ
12.Transitórios RC e RLDifícil
+−Vs​6 Vt = 0R = 2,2 kΩC220 µF+−vC​vC​(0) = 12 V

Logo antes de a chave fechar em t = 0, o capacitor tem 12 V com a polaridade indicada. Quanto tempo leva para vC chegar a 9 V? Encontre t.

Vs = 6 VR = 2,2 kΩC = 220 µFvC(0) = 12 V
t = ms
13.Impedância CA e fasoresMédia
10 V60 HzR = 80 ΩL = 200 mHC = 47 µFI

Um circuito RLC série está ligado a uma fonte de 10 V (rms), 60 Hz. Encontre a corrente rms I.

V = 10 V (rms)f = 60 HzR = 80 ΩL = 200 mHC = 47 µF
I = A
14.Impedância CA e fasoresDifícil
VfR = 50 ΩL = 100 mHC = 2,2 µF

Um circuito RLC série tem R = 50 Ω, L = 100 mH e C = 2,2 µF. Encontre seu fator de qualidade Q na ressonância.

R = 50 ΩL = 100 mHC = 2,2 µF
Q =
15.Potência CA e fator de potênciaMédia
240 VZ12 + j9 ΩI

Uma carga com impedância Z = 12 + j9 Ω está ligada a uma fonte monofásica de 240 V (eficaz). Encontre a potência reativa Q que ela absorve.

V = 240 VZ = 12 + j9 Ω
Q = var
16.Potência CA e fator de potênciaDifícil
P1​ = 61 kWQ1​S1​φ

Um transformador monofásico de 200 kVA alimenta uma carga de 61 kW com fator de potência 0,8 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 = 200 kVAP1 = 61 kWpf1 = 0,8
ΔP = kW
17.Potência trifásicaMédia
ABCVL​ = 415 VZ = 9 + j12 Ωpor fase

Uma carga equilibrada ligada em Δ com impedância de 9 + j12 Ω por fase está ligada a uma alimentação trifásica equilibrada com tensão de linha de 415 V. Encontre a potência ativa total P absorvida pela carga em kW.

VL = 415 VZ = 9 + j12 Ω por fase
P = kW
18.Potência trifásicaDifícil
P = 80 kWφ1​S1​Q2​QC​

Uma carga trifásica equilibrada consome 80 kW com fator de potência 0,8 indutivo de uma alimentação de 415 V (tensão de linha), 60 Hz. Um banco de capacitores trifásico em paralelo com a carga deve elevar o fator de potência total para 0,98 indutivo. A potência ativa permanece a mesma. Os capacitores estão ligados em Y. Encontre a capacitância Cph de cada capacitor em µF.

P = 80 kWpf1 = 0,8pf2 = 0,98VL = 415 Vf = 60 Hz
Cph = µF
19.TransformadoresMédia
RL​ = 6 Ω2014600 VV2​I1​ = ?I2​

Um transformador ideal com relação de espiras N₁:N₂ = 20:1 tem 4600 V aplicados ao enrolamento primário. Um resistor de 6 Ω está ligado ao enrolamento secundário. Encontre a corrente no primário I1.

N1:N2 = 20:1V1 = 4600 VRL = 6 Ω
I1 = A
20.TransformadoresDifícil
50 kVA

Um transformador monofásico de 50 kVA tem perdas no núcleo de 150 W e perdas no cobre de 600 W na carga nominal. Em que carga Sη,max, em kVA, o seu rendimento é máximo?

S = 50 kVAPcore = 150 WPcu,fl = 600 W
Sη,max = kVA
21.Circuitos com amplificadores operacionaisMédia
−+Vout​R2​ = 4,7 kΩV1​ = −0,4 VR1​ = 2 kΩV2​ = 0,9 VR3​ = 2 kΩR4​ = 4,7 kΩ

O amplificador diferencial usa um amplificador operacional ideal alimentado com ±15 V, com R3 = R1 e R4 = R2. Encontre a tensão de saída Vout.

V1 = −0,4 VV2 = 0,9 VR1 = R3 = 2 kΩR2 = R4 = 4,7 kΩ
Vout = V
22.Circuitos com amplificadores operacionaisDifícil
−+Vout​Rf​ = 10 kΩV1​ = 0,7 VR1​ = 22 kΩV2​ = 1,4 VR2​ = 47 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 = 0,7 VV2 = 1,4 VR1 = 22 kΩR2 = 47 kΩRf = 10 kΩ
If = mA
23.Diodos e transistoresMédia
RC​ = 1,5 kΩβ = 200RE​ = 1,5 kΩVCC​ = 18 VR1​ = 22 kΩR2​ = 22 kΩ

Um transistor NPN com β = 200 tem polarização por divisor de tensão a partir de VCC = 18 V: R₁ = 22 kΩ de VCC até a base e R₂ = 22 kΩ da base até o terra. O resistor de coletor é RC = 1,5 kΩ e o resistor de emissor é RE = 1,5 kΩ. Considere VBE = 0,7 V e use o equivalente de Thévenin do divisor (não despreze a corrente de base). Encontre a tensão coletor–emissor VCE.

VCC = 18 VR1 = 22 kΩR2 = 22 kΩRC = 1,5 kΩRE = 1,5 kΩβ = 200
VCE = V
24.Diodos e transistoresDifícil
+−≤ 15 V470 Ω5,6 V

Um regulador Zener de 5,6 V tem um resistor em série de 470 Ω. A entrada pode subir a 15 V, e a carga pode ser desconectada. Encontre a maior potência PZ,max que o Zener deve dissipar.

Vin,max = 15 VVZ = 5,6 VR = 470 Ω
PZ,max = mW
25.Sistemas de numeraçãoMédia
pesos em complemento para dois1−12806413201618140201

O padrão de 8 bits 1010 1100 guarda um inteiro com sinal em complemento para dois. Qual é o seu valor N em decimal?

1010 11008 bit
N =
26.Sistemas de numeraçãoDifícil
669 códigos, b = ? bits?2ᵇ⁻¹…?4?2?1

Um sistema tem de dar a cada um de 669 elementos um código binário próprio, todos com o mesmo comprimento. Qual é o menor número de bits b necessário?

669
b = bit
27.Lógica digital: portas, mapas de Karnaugh e flip-flopsMédia
ABC000111100101324576

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

F = AB′C′ + AC + A′BC
L =
28.Lógica digital: portas, mapas de Karnaugh e flip-flopsDifícil
DQ0​Q0​DQ1​Q1​DQ2​Q2​CLKJOHNSON

Um contador Johnson (em anel torcido) é feito de 3 flip-flops D, com a última saída invertida realimentada para a primeira entrada, e começa com todos os bits em zero. Por quantos estados diferentes N ele passa?

n = 3
N =
29.Transformadas de LaplaceMédia
ReIm−2−4−6−8−10−12−14−16

F(s) = (s + 14)/(s² + 6s + 8). Sua transformada inversa tem a forma f(t) = A·e−2t + B·e−4t. Encontre o coeficiente A por frações parciais.

F(s) = (s + 14)/(s² + 6s + 8)
A =
30.Transformadas de LaplaceDifícil
t (s)y(t)t = 0,5y(0,5) = ?

Um sistema obedece a y″ + 8y′ + 12y = 24·u(t). Ele parte do repouso (y(0) = 0, y′(0) = 0) e a entrada é um degrau u(t) = 1 para t ≥ 0. Use a transformada de Laplace para encontrar a saída y(0,5).

y″ + 8y′ + 12y = 24·u(t)u(t) = 1y(0) = 0, y′(0) = 0t = 0,5 s
y(0.5) =
31.Diagramas de blocosMédia
R(s)+3K+8s + 7G(s)C(s)3H₁−−

A planta G(s) = 8/(s + 7) tem uma malha interna (secundária) de realimentação negativa com ganho H₁ = 3. Um ganho de controlador K = 3 e uma malha externa de realimentação negativa unitária fecham o sistema. Encontre o ganho CC de malha fechada T(0).

G(s) = 8/(s + 7)H₁ = 3K = 3
T(0) =
32.Diagramas de blocosDifícil
R(s)+23controlador+D(s)+4s + 7plantaC(s)−

Um controlador proporcional K = 23 comanda a planta G(s) = 4/(s + 7) em uma malha de realimentação negativa unitária. Uma perturbação D entra na entrada da planta (é somada à saída do controlador). Com R = 0, é aplicado um degrau de perturbação de tamanho 10. Encontre a saída em regime permanente css.

K = 23G(s) = 4/(s + 7)D = 10R = 0
css =
33.Resposta ao degrauMédia
t (s)y(t)3?

Um sistema tem a função de transferência G(s) = 231/(s² + 13s + 77) e recebe uma entrada em degrau unitário. Encontre o sobressinal percentual %OS da resposta ao degrau.

G(s) = 231/(s² + 13s + 77)
%OS = %
34.Resposta ao degrauDifícil
t (s)y(t)14,3 %

Um sistema de segunda ordem sem zeros deve ter uma resposta ao degrau com 4,3 % de sobressinal. Encontre a razão de amortecimento ζ.

%OS = 4,3 %
ζ =
35.Diagramas de Bode e margensMédia
|H| (dB)0,11101001000−60−40−2002040ω (rad/s)ω = 8

Encontre o módulo exato |G(jω)| de G(s) = 3040/((s + 10)(s + 16)) em ω = 8 rad/s, em dB.

G(s) = 3040/((s + 10)(s + 16))ω = 8 rad/s
|G(jω)| = 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) = K/(s(s + 4)(s + 5)). Encontre o ganho K que dá uma margem de ganho de 3 dB.

L(s) = K/(s(s + 4)(s + 5))GM = 3 dB
K =
37.Estabilidade: Routh–Hurwitz e lugar das raízesMédia
R(s)+5401s(s + 4)(s + 5)C(s)−

A malha do diagrama tem realimentação negativa e L(s) = 540/(s(s + 4)(s + 5)). Quantos polos de malha fechada N estão no semiplano direito?

L(s) = 540/(s(s + 4)(s + 5))
N =
38.Estabilidade: Routh–Hurwitz e lugar das raízesDifícil
ReIm−1−2−3−4−5−6−71j1j2

Uma malha com realimentação unitária tem L(s) = K(s + 6)/(s(s + 1)(s + 4)). Encontre o ponto σa em que as assíntotas do lugar das raízes cruzam o eixo real.

L(s) = K(s + 6)/(s(s + 1)(s + 4))
σa =
39.Erro em regime permanente e controle PIDMédia
r(t) = 5 + 0,5t+10s(s + 1)(s + 5)C(s)−

A entrada r(t) = 5 + 0,5t (um degrau mais uma rampa) é aplicada a uma malha com realimentação unitária com G(s) = 10/(s(s + 1)(s + 5)). Encontre o erro em regime permanente ess.

G(s) = 10/(s(s + 1)(s + 5))r(t) = 5 + 0,5t
ess =
40.Erro em regime permanente e controle PIDDifícil
R(s)+K = 85s(s + 10)C(s)−

Um controlador proporcional K = 8 controla a planta G(s) = 5/(s(s + 10)) em uma malha com realimentação unitária. Encontre o tempo de acomodação de 2 % ts da resposta ao degrau, usando ts ≈ 4/(ζωₙ).

G(s) = 5/(s(s + 10))K = 8
ts = s

3Soluções

1.Resistores em série e paralelo

Resposta: IR1 = 1,784 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​ = 5 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​15 VR2​4 ΩAR4​3 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 = 20 + 3 = 23 Ω
R2 ∥ 23 = 4·23/(4+23) = 3,407 Ω
Req = R1 + 3,407 = 5 + 3,407 = 8,407 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 = 15/8,407 = 1,784 A

Resposta

IR1 = 1,784 A
2.Resistores em série e paralelo

Resposta: Req = 33,63 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.

R1​ = 30 ΩR3​ = 6 ΩR5​ = 2 Ω+−V1​6 VR2​6 ΩAR4​15 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 = 2 + 2 = 4 Ω
R4 ∥ 4 = 3,158 Ω
R3 + 3,158 = 9,158 Ω
R2 ∥ 9,158 = 3,625 Ω
Req = R1 + 3,625 = 30 + 3,625 = 33,63 Ω

Resposta

Req = 33,63 Ω
3.Análise nodal

Resposta: VA = 13,93 V

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

R1​ = 12 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​24 VR2​15 ΩAR4​8 ΩBIs​2 A

Defina os nós

O terra é o fio de baixo. As tensões de nó conhecidas vêm direto das fontes (V1 = 24 V). Incógnitas: VA, VB.

LKC no nó A

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

VA/R2 + (VA − V1)/R1 + (VA − VB)/R3 = 0
VA/15 + (VA − 24)/12 + (VA − VB)/15 = 0
0,2167·VA − 0,06667·VB = 2

LKC no nó B

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

VB/R4 + (VB − VA)/R3 = Is
VB/8 + (VB − VA)/15 = 2
−0,06667·VA + 0,1917·VB = 2

Resolva

Δ = (0,2167)(0,1917) − (−0,06667)(−0,06667) = 0,03708
VA = Δ1/Δ = 0,5167/0,03708 = 13,93 V
VB = Δ2/Δ = 0,5667/0,03708 = 15,28 V

Resposta

VA = 13,93 V
4.Análise nodal

Resposta: VA = 7,348 V

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

R1​ = 20 ΩR2​ = 5 ΩR4​ = 15 Ω+−V1​24 VR3​6 ΩAR5​2 ΩBIs​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 = 24 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/6 + (VA − 24)/20 + (VA − VB)/5 = 0
0,4167·VA − 0,2·VB = 1,2

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/2 + (VB − VA)/5 + (VB − 10)/15 = 5
−0,2·VA + 0,7667·VB = 5,667

Resolva

Δ = (0,4167)(0,7667) − (−0,2)(−0,2) = 0,2794
VA = Δ1/Δ = 2,053/0,2794 = 7,348 V
VB = Δ2/Δ = 2,601/0,2794 = 9,308 V

Resposta

VA = 7,348 V
5.Análise de malhas

Resposta: I1 = −0,1429 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​ = 6 ΩR2​ = 6 Ω+−V1​6 VR3​4 ΩA+−V2​18 VI1​I2​

Defina as correntes de malha

Desenhe uma corrente no sentido horário em cada janela: I1, I2. Um resistor compartilhado por duas malhas conduz a diferença entre suas correntes.

LKT na malha 1

No sentido horário, as quedas de tensão nos resistores são iguais às elevações de tensão das fontes (de − para + no sentido do percurso).

R1·I1 + R3(I1 − I2) = V1
6·I1 + 4(I1 − I2) = 6
10·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 + R3(I2 − I1) = −V2
6·I2 + 4(I2 − I1) = (−18)
−4·I1 + 10·I2 = −18

Resolva

Δ = (10)(10) − (−4)(−4) = 84
I1 = Δ1/Δ = −12/84 = −0,1429 A
I2 = Δ2/Δ = −156/84 = −1,857 A

Resposta

I1 = −0,1429 A

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

6.Análise de malhas

Resposta: IR5 = 0,35 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​ = 30 ΩR2​ = 10 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​18 VR4​20 ΩAR5​30 ΩB+−V2​12 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
30·I1 + 20(I1 − I2) = 18
50·I1 − 20·I2 = 18

LKT na malha 2

No sentido horário, as quedas de tensão nos resistores são iguais às elevações de tensão das fontes (de − para + no sentido do percurso).

R2·I2 + R4(I2 − I1) + R5(I2 − I3) = 0
10·I2 + 20(I2 − I1) + 30(I2 − I3) = 0
−20·I1 + 60·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
3·I3 + 30(I3 − I2) = (−12)
−30·I2 + 33·I3 = −12

Resolva

Δ = determinante da matriz de coeficientes = 40800
I1 = Δ1/Δ = 12240/40800 = 0,3 A
I2 = Δ2/Δ = −6120/40800 = −0,15 A
I3 = Δ3/Δ = −20400/40800 = −0,5 A

Resposta

IR5 = I2 − I3 = 0,35 A

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

7.Superposição

Resposta: I = 2,4 mA

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.

Escreva a resposta como soma de contribuições

Cada contribuição é proporcional à sua própria fonte, com uma constante que depende apenas dos resistores.

I = k₁·Vs + k₂·Is
6·k₁ + 10·k₂ = 1,6
15·k₁ + 8·k₂ = 7,4

Resolver para as constantes

Δ = (6)(8) − (10)(15) = −102
k₁ = Δ1/Δ = −61,2/−102 = 0,6
k₂ = Δ2/Δ = 20,4/−102 = −0,2
k₁ = 0,6 mA/V, k₂ = −0,2

Prever a nova corrente

I = 0,6·6 + (−0,2)·6 = 2,4 mA

Resposta

I = 2,4 mA
8.Superposição

Resposta: IR3 = −1,557 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​ = 8 ΩR2​ = 3 ΩR4​ = 2 Ω+−V1​30 VR3​15 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) = 15 ∥ 5 = 3,75 Ω
VA = 30·3,75/(8+3,75) = 9,574 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 9,574·2/5 = 3,83 V
IR3′ = (0 − VA)/R3 = (0 − 9,574)/15 = −0,6383 A
R1​ = 8 ΩR2​ = 3 ΩR4​ = 2 ΩCURTOR3​15 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 = 5,217 Ω, então o caminho da esquerda é R2+5,217 = 8,217 Ω
Req = R4 ∥ 8,217 = 1,609 Ω
VB = Is·Req = 6·1,609 = 9,651 V
VA = VB·5,217/8,217 = 6,128 V
IR3″ = (0 − VA)/R3 = (0 − 6,128)/15 = −0,4085 A
R1​ = 8 ΩR2​ = 3 ΩR4​ = 2 ΩCURTOR3​15 ΩAABERTOB+−V2​15 V

Caso 3 · V2 agindo sozinha

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

R1 ∥ R3 = 8·15/(8+15) = 5,217 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = 15·8,217/10,22 = 12,06 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = 12,06·5,217/8,217 = 7,66 V
IR3‴ = (0 − VA)/R3 = (0 − 7,66)/15 = −0,5106 A

Some as contribuições

IR3 = IR3′ + IR3″ + IR3‴
IR3 = (−0,6383) + (−0,4085) + (−0,5106) = −1,557 A

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

9.Thévenin e Norton

Resposta: IN = 0,2411 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​ = 8 ΩR3​ = 8 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 = 8·3/(8+3) = 2,182 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,182 + 8 = 10,18 Ω
R1​ = 8 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​9 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) = 9·3/(8+3) = 2,455 V
IN​0,2411 ARth​10,18 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 = 2,455/10,18 = 0,2411 A
10.Thévenin e Norton

Resposta: IN = 0,753 A

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

R1​ = 2 ΩR3​ = 8 ΩCURTOR2​15 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 = 2·15/(2+15) = 1,765 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,765 + 8 = 9,765 Ω
R1​ = 2 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​36 VR2​15 ΩAIs​2,5 ABab+−Vth​

Encontre Vth, a tensão de circuito aberto

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

VA = V1·R2/(R1+R2) + Is·(R1∥R2) = 31,76 + (−2,5)·1,765 = 27,35 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 27,35 + (−2,5)·8 = 7,353 V
IN​0,753 ARth​9,765 Ωab

Equivalente de Norton

Uma fonte de Norton é o mesmo circuito visto como uma fonte de corrente em paralelo com R_th. Sua corrente é a corrente de curto-circuito em a–b.

IN = Vth/Rth = 7,353/9,765 = 0,753 A
11.Transitórios RC e RL

Resposta: W(∞) = 176 mJ

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

Constante de tempo e corrente final

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

τ = L/R = 22 mH / 5 Ω = 4,4 ms
i(∞) = Vs/R = 20/5 = 4 A

Energia armazenada

W(∞) = ½·L·i(∞)² = ½·22·4² = 176 mJ

Resposta

W(∞) = 176 mJ
12.Transitórios RC e RL

Resposta: t = 335,5 ms

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

Valor inicial, valor final, constante de tempo

A tensão no capacitor não pode saltar, então começa no valor armazenado e vai em direção à tensão da fonte.

vC(0) = 12 V, vC(∞) = Vs = 6 V
τ = R·C = 2,2 kΩ · 220 µF = 484 ms
vC(t) = 6 + (12 − 6)·e−t/τ

Resolva para o tempo

9 = 6 + (6)·e−t/τ → e−t/τ = (9 − 6)/(12 − 6) = 0,5
t = τ·ln((12 − 6)/(9 − 6)) = 484·ln(2) = 335,5 ms

Resposta

t = 335,5 ms
13.Impedância CA e fasores

Resposta: I = 0,1216 A

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

Reatâncias

ω = 2πf = 2π·60 = 377 rad/s
XL = ωL = 377·0,2 = 75,4 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(377·47·10⁻⁶) = 56,44 Ω

Impedância

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

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(80² + (18,96)²) = 82,22 Ω

Corrente

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

I = V/|Z| = 10/82,22 = 0,1216 A

Resposta

I = 0,1216 A
14.Impedância CA e fasores

Resposta: Q = 4,264

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

Frequência de ressonância

f0 = 1/(2π·√(0,1·2,2·10⁻⁶)) = 339,3 Hz

Fator de qualidade

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

Q = (1/R)·√(L/C) = (1/50)·√(0,1/(2,2·10⁻⁶)) = 4,264

Resposta

Q = 4,264
15.Potência CA e fator de potência

Resposta: Q = 2304 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| = √(12² + 9²) = 15 Ω
I = V/|Z| = 240/15 = 16 A

Potência reativa

Q = I²·X = 16²·9 = 2304 var

Resposta

Q = 2304 var
16.Potência CA e fator de potência

Resposta: ΔP = 133,7 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 = 61·tan(arccos 0,8) = 45,75 kvar

Maior potência ativa total

Na potência nominal S = Smax, e Q não é alterada pela carga resistiva.

P = √(Smax² − Q1²) = √(200² − 45,75²) = 194,7 kW

Potência ativa adicional

ΔP = 194,7 − 61 = 133,7 kW

Resposta

ΔP = 133,7 kW
17.Potência trifásica

Resposta: P = 20,67 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 = VL = 415 V

Corrente de fase

|Z| = √(9² + 12²) = 15 Ω
Iph = 415/15 = 27,67 A

Potência ativa total

Só a parte resistiva de cada impedância absorve potência ativa.

P = 3·Iph²·R = 3·27,67²·9 = 20,67 kW

Resposta

P = 20,67 kW

Verificação: cos φ = R/|Z| = 0,6, e √3·VL·IL·cos φ dá a mesma potência.

18.Potência trifásica

Resposta: Cph = 673,9 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 = 80·tan(acos 0,8) = 80·0,75 = 60 kvar
Q2 = 80·tan(acos 0,98) = 80·0,2031 = 16,24 kvar

Potência reativa dos capacitores

QC = Q1 − Q2 = 43,76 kvar

Capacitância por fase

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

V = 415/√3 = 239,6 V, ω = 2π·60 = 377 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 14585/(377·239,6²) = 673,9 µF

Resposta

Cph = 673,9 µF
19.Transformadores

Resposta: I1 = 1,917 A

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

Tensão e corrente no secundário

V2 = 4600/20 = 230 V
I2 = 230/6 = 38,33 A

Corrente no primário

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

I1 = I2/20 = 1,917 A

Resposta

I1 = 1,917 A

Verificação: a carga vista do primário é a²·RL = 2400 Ω, e 4600/2400 dá a mesma corrente.

20.Transformadores

Resposta: Sη,max = 25 kVA

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

Perdas no cobre iguais às perdas no núcleo

x²·600 = 150 → x = √(150/600) = 0,5

Carga de rendimento máximo

Sη,max = x·S = 0,5·50 = 25 kVA

Resposta

Sη,max = 25 kVA
21.Circuitos com amplificadores operacionais

Resposta: Vout = 3,055 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 nas entradas

R₃ e R₄ conduzem a mesma corrente, então formam um divisor de tensão; a realimentação faz V₋ = V₊.

V₊ = V2·R4/(R3 + R4) = 0,9·4,7/(2 + 4,7) = 0,6313 V
V₋ = V₊

LKC na entrada inversora

(−0,4 − 0,6313)/2 = (0,6313 − Vout)/4,7
Vout = (R2/R1)·(V2 − V1) = (4,7/2)·(0,9 − (−0,4)) = 3,055 V

Resposta

Vout = 3,055 V
22.Circuitos com amplificadores operacionais

Resposta: If = 0,06161 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 = 0,7/22 = 0,03182 mA
I2 = V2/R2 = 1,4/47 = 0,02979 mA
If = I1 + I2 = 0,06161 mA

Resposta

If = 0,06161 mA
23.Diodos e transistores

Resposta: VCE = 2,024 V

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

Equivalente de Thévenin do divisor

VTH = 18·22/(22 + 22) = 9 V
RTH = 22·22/(22 + 22) = 11 kΩ

Corrente de base

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

IB = (9 − 0,7)/(11 + 201·1,5) = 26,56 µA

Corrente de coletor

IC = 200·26,56 µA = 5,312 mA
IE = 201·26,56 µA = 5,339 mA

Tensão coletor–emissor

VCE = 18 − 5,312·1,5 − 5,339·1,5 = 2,024 V

Resposta

VCE = 2,024 V
24.Diodos e transistores

Resposta: PZ,max = 112 mW

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

Corrente do Zener no pior caso

IZ = 9,4/470 = 20 mA

Potência do Zener

PZ = 5,6·20 = 112 mW

Resposta

PZ,max = 112 mW
25.Sistemas de numeração

Resposta: N = −84

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 + 8 + 4 = −84

Resposta

N = −84
26.Sistemas de numeração

Resposta: b = 10 bit

Sistemas de numeração posicionais: cada algarismo vale o seu valor vezes uma potência da base. Em binário as posições valem 1, 2, 4, 8, 16, …; em hexadecimal 1, 16, 256, …, com A–F para 10–15. No complemento para dois de 8 bits, o bit da esquerda vale −128 em vez de +128; é assim que se guardam os números negativos.

Potências de dois

29 = 512 < 669
210 = 1024 ≥ 669

Resposta

b = 10
27.Lógica digital: portas, mapas de Karnaugh e flip-flops

Resposta: L = 4

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

Mintermos da expressão

AB′C′ → m(4)
AC → m(5, 7)
A′BC → m(3)
ABC00011110010001130214151706

Agrupe e leia

F = BC + AB′

Conte os literais

L = 4

Resposta

L = 4
28.Lógica digital: portas, mapas de Karnaugh e flip-flops

Resposta: N = 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.

Sequência para 3 flip-flops

000 → 100 → 110 → 111 → 011 → 001

Número de estados

N = 6

Resposta

N = 6
29.Transformadas de Laplace

Resposta: A = 6

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 + 6s + 8 = (s + 2)(s + 4)
F(s) = A/(s + 2) + B/(s + 4)

Regra de cobertura

Multiplique por (s + 2) e faça s = −2: o termo em B desaparece.

A = (s + 14)/(s + 4) |s = −2 = 12/2 = 6

Resposta

A = 6
(B = −5, então f(t) = 6·e−2t − 5·e−4t)
30.Transformadas de Laplace

Resposta: y(0.5) = 0,9461

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) = 24/(s(s + 2)(s + 6))

Frações parciais

A = 24/(2·6) = 2
B = 24/((−2)·4) = −3
C = 24/((−6)·(−4)) = 1

Saídas

y(t) = 2 − 3·e−2t + e−6t
y(0,5) = 0,9461

Resposta

y(0,5) = 0,9461
31.Diagramas de blocos

Resposta: T(0) = 0,4364

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

Malha interna

Gᵢ = G/(1 + G·H₁) = 8/(s + 7 + 8·3) = 8/(s + 31)

Malha externa

T(s) = K·Gᵢ/(1 + K·Gᵢ) = 24/(s + 31 + 24) = 24/(s + 55)

Resultado

T(0) = 24/55 = 0,4364

Resposta

T(0) = 0,4364
32.Diagramas de blocos

Resposta: css = 0,404

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

Funções de transferência

C/D = G/(1 + K·G) = 4/(s + 7 + 92)

Regime permanente

css = 10·4/99 = 0,404

Resposta

css = 0,404

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

33.Resposta ao degrau

Resposta: %OS = 3,13 %

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 = 77 → ωₙ = 8,775 rad/s
2ζωₙ = 13 → ζ = 13/(2·8,775) = 0,7407

Resultado

%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 100·e−3,464 = 3,13 %

Resposta

%OS = 3,13 %
34.Resposta ao degrau

Resposta: ζ = 0,7077

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(0,043)/√(π² + ln²(0,043)) = 3,147/√(9,87 + 9,901) = 0,7077

Resposta

ζ = 0,7077
35.Diagramas de Bode e margens

Resposta: |G(jω)| = 22,46 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.

Multiplique os módulos

|G(j8)| = 3040/(√(8² + 10²)·√(8² + 16²)) = 3040/(12,81·17,89) = 13,27

Resultado

20·log₁₀(13,27) = 22,46 dB

Resposta

|G(jω)| = 22,46 dB
36.Diagramas de Bode e margens

Resposta: K = 127,4

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/4)·(ω/5) = 1 → ω180 = √(4·5) = 4,472 rad/s

Módulo no cruzamento de fase

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 16)·√(ω² + 25)) = K/(4·5·(4 + 5)) = K/180

Ganho necessário

180/K = 103/20 = 1,413
K = 180/1,413 = 127,4

Resposta

K = 127,4
37.Estabilidade: Routh–Hurwitz e lugar das raízes

Resposta: N = 2

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 + 9s² + 20s + 540 = 0

Tabela de Routh

s³: 1, 20
s²: 9, 540
s¹: −40
s⁰: 540

Trocas de sinal na primeira coluna

1 → 9 → −40 → 540
N = 2

Resposta

N = 2

O ganho está acima do limite K = 180, então um par complexo cruzou para o semiplano direito.

38.Estabilidade: Routh–Hurwitz e lugar das raízes

Resposta: σa = 0,5

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: 0, −1, −4
zeros: −6
n − m = 3 − 1 = 2

Centroide

σa = (−5 − (−6))/2 = 0,5

Resposta

σa = 0,5

As 2 assíntotas saem do centroide nos ângulos 90°, 270°.

39.Erro em regime permanente e controle PID

Resposta: ess = 0,25

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) = 2

Parte do degrau

Kp = ∞ → estep = 0

Erro de rampa

ess = 0,5/2 = 0,25

Resposta

ess = 0,25
40.Erro em regime permanente e controle PID

Resposta: ts = 0,8 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 + 10) + 8·5 = s² + 10s + 40

ωₙ e ζ

ωₙ = √40 = 6,325 rad/s
ζ = 10/(2·6,325) = 0,7906

Tempo de acomodação

ζωₙ = 10/2 = 5
ts ≈ 4/5 = 0,8 s

Resposta

ts = 0,8 s

O tempo de acomodação não depende de K aqui: aumentar K só faz a resposta oscilar mais rápido.

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