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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 = 15 VR1 = 5 ΩR2 = 4 ΩR3 = 20 ΩR4 = 3 Ω
IR1 = A
2.Resistores em série e paraleloDifícil
Encontre a resistência equivalente Req vista pela fonte V1.
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
Use superposição para encontrar a corrente IR3 em R3 no sentido da seta.
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
O amplificador diferencial usa um amplificador operacional ideal alimentado com ±15 V, com R3 = R1 e R4 = R2. Encontre a tensão de saída Vout.
22.Circuitos com amplificadores operacionaisDifícil
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.
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.
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
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
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
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
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
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
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).
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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.
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.
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.
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.
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 = 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.
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.
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.
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
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
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.
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
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
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.
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
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
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.
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).
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.
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.
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₊.
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)
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).
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).
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.
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.