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CENTRO FEDERAL DE EDUCAÇÃO TECNOLÓGICA CELSO SUCKOW DA FONSECA - CEFET/ RJ - CAMPUS ANGRA DOS REIS CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA Laboratório de Circuitos Elétricos Experimento 1 - Teorema de Thévenin e Teorema Norton Professor: Profº. Dr. João Pedro Lopes Salvador Grupo: Amanda Pereira de Oliveira 1820370GEEL Luana Aragão Araújo dos Santos 1622134GEEL Nicole Gabriel da Silva 1713464GEEL Rayssa Paula Correia Lima 1713550GEEL Angra dos Reis – RJ 2021 2 SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO ..................................................................................................... 4 1.1 OBJETIVO ........................................................................................................ 4 1.2 RESUMO TEÓRICO ......................................................................................... 4 1.2.1 TEOREMA DE THÉVENIN .......................................................................... 4 1.2.2 TEOREMA DE NORTON.............................................................................. 5 1.2.3 MÁXIMA TRANSFERÊNCIA DE POTÊNCIA ............................................ 5 2. EXPERIMENTO ................................................................................................... 6 2.1 DESCRIÇÃO DO EXPERIMENTO .................................................................. 6 2.1.1 EQUIVALENTE DE THÉVENIN: TENSÃO E RESISTÊNCIA .................... 7 2.1.2 EQUIVALENTE DE NORTON: CORRENTE E RESISTÊNCIA .................. 8 2.1.3 MÁXIMA POTÊNCIA TRANSFERIDA ....................................................... 8 2.2 CÁLCULOS TEÓRICOS E GRÁFICOS ........................................................... 9 2.2.1 DETERMINANDO A TENSÃO DE THÉVENIN .......................................... 9 2.2.2 DETERMINANDO A RESISTÊNCIA DE THÉVENIN............................... 10 2.2.3 DETERMINANDO A CORRENTE DE NORTON ...................................... 11 2.2.4 DETERMINANDO A MÁXIMA POTÊNCIA TRANSFERIDA .................. 11 2.3 COMPONENTES E PROCEDIMENTOS ........................................................ 12 2.3.1 DESCRIÇÃO DAS COMPONENTES ......................................................... 12 2.3.2 DESCRIÇÃO DOS PROCEDIMENTOS...................................................... 12 3. RESULTADOS E DISCUSSÃO .......................................................................... 13 3.1 RESULTADOS OBTIDOS .............................................................................. 13 3.1.1 SIMULAÇÃO DA TENSÃO E RESISTÊNCIA DE THÉVENIN ................ 13 3.1.2 SIMULAÇÃO DA CORRENTE DE NORTON............................................ 14 3.1.3 SIMULAÇÃO DA MÁXIMA POTÊNCIA TRANSFERIDA ....................... 14 3.2 DISCUSSÃO E COMPARAÇÃO DOS RESULTADOS ................................. 18 4. CONCLUSÃO ..................................................................................................... 19 5. BIBLIOGRAFIA ................................................................................................. 19 3 ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1 Simplificação do Circuito Thévenin ................................................................ 4 Figura 2 Simplificação do Circuito Equivalente Norton ................................................ 5 Figura 3 Circuito usado para máxima transferência de potência. .................................... 6 Figura 4 Gráfico da potência liberada para a carga em função de RL. ............................ 6 Figura 5 Circuito do Experimento ................................................................................. 7 Figura 6 Representação das malhas usadas para os cálculos teóricos ............................. 9 Figura 7 Circuito para o cálculo da resistência de Thévenin ........................................ 10 Figura 8 Circuito após a conversão delta-estrela. ......................................................... 10 Figura 9 Medição da tensão de Thévenin após simulação ............................................ 13 Figura 10 Medição da resistência de Thévenin após simulação .................................... 14 Figura 11 Medição da corrente de Norton após simulação ........................................... 14 Figura 12 Queda de tensão sobre Rth. ......................................................................... 15 Figura 13 Corrente sobre Rth. ..................................................................................... 15 Figura 14 Gráfico da queda de tensão e corrente sobre Rth .......................................... 15 Figura 15 Queda de tensão sobre resistor de 1.6k ........................................................ 16 Figura 16 Corrente sobre resistir de 1.6k ..................................................................... 16 Figura 17 Gráfico da queda de tensão e corrente sobre resistor de 1.6k ........................ 16 Figura 18 Queda de tensão sobre o resistor de 14.7k ................................................... 17 Figura 19 Corrente sobre o resistor de 14.7k ............................................................... 17 Figura 20 Gráfico da queda de tensão e corrente sobre resistor de 14.7k ...................... 17 ÍNDICE DE TABELA Tabela 1 Comparação dos valores teóricos e simulados. .............................................. 18 4 1. INTRODUÇÃO Os teoremas de Thévenin e Norton trabalham com o conceito de circuito equivalente para facilitar a análise de circuitos complexos. Ambos os teoremas tratam basicamente com o conceito de circuitos equivalentes, com valores de corrente, tensão e resistência equivalentes ao circuito original. 1.1 OBJETIVO A partir da introdução apresentada, o objetivo deste experimento é validar os teoremas de Thévenin e de Norton, bem como identificar a máxima transferência de potência entre o circuito e uma carga de teste. 1.2 RESUMO TEÓRICO Antes de começar a apresentação do experimento, é importante relembrar 3 conteúdos importantes para a realização do mesmo: Teorema de Thévenin, Teorema de Norton e Máxima Potência Transferida. 1.2.1 TEOREMA DE THÉVENIN O teorema de Thévenin afirma que qualquer circuito de dois terminais pode ser substituído por um circuito equivalente com uma fonte de tensão em série com um resistor. Figura 1 Simplificação do Circuito Thévenin A tensão Vth do circuito equivalente é a tensão de circuito aberto entre os pontos a e b. A resistência Rth (impedância) é vista do par de terminais a e b, quando as fontes independentes são feitas inativas. 5 Pode ser usado para realizar: ▪ Análise de circuitos com fontes em série ou em paralelo; ▪ Reduzir o circuito original para um com a mesma equivalência; ▪ Fazer alterações nos valores do circuito sem ter que levar em consideração os efeitos das alterações em todas as malhas do circuito. 1.2.2 TEOREMA DE NORTON O teorema de Norton determina que qualquer circuito de corrente contínua linear bilateral de dois terminais pode ser substituído por um circuito equivalente, onde a fonte de corrente esteja em paralelo com o resistor. Figura 2 Simplificação do Circuito Equivalente Norton A corrente In do circuito equivalente flui entre os pontos a e b curto-circuitados. A condutância (admitância) é aquela vista do par de terminais a e b, quando as fontes independentes são feitas inativas. 1.2.3 MÁXIMA TRANSFERÊNCIA DE POTÊNCIA O teorema de máxima transferência de potência demonstra que para obter máxima potência sobre uma carga externa a partir de uma fonte com resistência interna finita, o valor de resistência da carga externa deve ser igual ao valor de resistência interna da fonte, visto a partir de seus terminais de saída. https://pt.wikipedia.org/w/index.php?title=Resist%C3%AAncia_interna&action=edit&redlink=1https://pt.wikipedia.org/w/index.php?title=Resist%C3%AAncia_interna&action=edit&redlink=1 6 Em diversas situações práticas, um circuito é projetado para fornecer potência a uma carga. Existem aplicações em áreas como comunicações em que é desejável maximizar a potência liberada a uma carga. Agora, pode-se tratar do problema de liberar a potência máxima a uma carga quando um sistema com perdas internas conhecidas for dado. Deve- se notar que isso resultará em perdas internas significativas maiores ou iguais à potência liberada à carga. Figura 3 Circuito usado para máxima transferência de potência. Figura 4 Gráfico da potência liberada para a carga em função de RL. 2. EXPERIMENTO A seguir será mostrado como foi realizada todas as etapas do experimento, como a descrição e passo a passo dos cálculos teórico, equipamentos e software usado e descrição dos procedimentos. 2.1 DESCRIÇÃO DO EXPERIMENTO A figura a seguir apresenta o circuito que será estudado neste experimento. O circuito possuiu uma fonte de tensão de 20V conectado em série com 𝑅1 = 1.2𝑘Ω, que se ramifica com 𝑅2 = 4.7𝑘Ω e 𝑅3 = 6.8𝑘Ω. Por sua vez, 𝑅2 e 𝑅3 estão em paralelo com 𝑅4 = 5.6𝑘Ω e 𝑅5 = 3.3𝑘Ω. 7 Figura 5 Circuito do Experimento 2.1.1 EQUIVALENTE DE THÉVENIN: TENSÃO E RESISTÊNCIA Para determinar a tensão e a resistência equivalente de Thévenin, tem-se os seguintes passos: ▪ Primeiro passo: determinar qual parte do circuito será substituída pelo circuito equivalente de Thévenin e a parte onde será feita a análise. ▪ Segundo passo: identificar os terminais a e b e retirar do circuito a parte que será feita a análise (RL). ▪ Terceiro passo: calcular a resistência equivalente de Thévenin colocando as fontes de tensão e de corrente em zero, ou seja, as fontes de tensão viram um curto-circuito e as fontes de corrente viram um circuito aberto. Utilizando a seguinte equação: 𝑅𝑒𝑞 = 𝑅𝑇𝐻 ▪ Quarto passo: calcular a tensão equivalente de Thévenin com os valores das fontes recolocados no circuito. Utilizando a seguinte equação: 𝑉𝑇𝐻 = 𝑅𝑁 𝑥 𝐼𝑁 ▪ Quinto passo: desenhar o circuito equivalente de Thévenin utilizando os valores de tensão e resistência calculados, logo após, conectar nos terminais a e b a parte do circuito que ficou intacta para análise. 8 2.1.2 EQUIVALENTE DE NORTON: CORRENTE E RESISTÊNCIA Já para determinar a corrente equivalente de Norton e a resistência equivalente de Norton, tem-se os seguintes passos: ▪ Primeiro passo: remover do circuito a parte que será transformada no circuito equivalente de Norton. ▪ Segundo passo: assinalar os pontos a e b do restante do circuito. ▪ Terceiro passo: substituir as fontes de tensão por curtos-circuitos, e as fontes de corrente por circuitos abertos para calcular a resistência equivalente de Norton. Utilizando a seguinte equação: 𝑅𝑁 = 𝑅𝑇𝐻 ▪ Quarto passo: para calcular a corrente equivalente de Norton, retornar com as fontes de tensão e corrente, em seguida, determinar a corrente nos terminais a e b. Utilizando a seguinte equação: 𝐼𝑁 = 𝑉𝑡ℎ 𝑅𝑡ℎ ▪ Quinto passo: desenhar o circuito equivalente de Norton com os valores equivalentes de corrente e resistência. Em seguida, colocar nos terminais a e b a parte intacta do circuito original. 2.1.3 MÁXIMA POTÊNCIA TRANSFERIDA Para determinar a máxima potência transferida, tem-se a seguinte equação: ▪ Primeiro passo: com o circuito ligado, medir a potência de um resistor entre a e b, para atestar a máxima potência transferida. Utilizando a seguinte equação: 𝑝𝑚𝑎𝑥 = 𝑉𝑡ℎ² 4𝑅𝑡ℎ A potência máxima é transferida a uma carga quando a resistência de carga for igual à resistência de Thèvenin quando vista da carga (RL = Rth). ▪ Segundo passo: Utilizar valores menores, igual e maiores que a Rth para obter a comprovação experimental. 9 2.2 CÁLCULOS TEÓRICOS E GRÁFICOS Nesse tópico serão mostrados os cálculos teóricos utilizados para efeito de comparação com a simulação feita. 2.2.1 DETERMINANDO A TENSÃO DE THÉVENIN O circuito da imagem mostra como foi analisado a lei de malhas. Figura 6 Representação das malhas usadas para os cálculos teóricos Passo 1: Cálculo de malhas do circuito Malha 1: Malha 2: 1.2𝐼1 + 11.5(𝐼1 − 𝐼2) = 20 (5.6 + 3.3 + 6.8 + 4.7)𝐼2 − 11.5 𝐼1 = 0 Resolvendo o sistema de equações: { 1.2𝐼1 + 11.5(𝐼1 − 𝐼2) = 20 20.4𝐼2 − 11.5 𝐼1 = 0 { 𝐼1 = 3.2169 𝑚𝐴 𝐼2 = 1.8134 𝑚𝐴 Aplicando a Lei de Kirchoff, tem-se: 6.8(𝐼2 − 𝐼1) + 𝑉𝐴𝐵 + 3.3𝐼2 = 0 𝑉𝐴𝐵 = −10.1𝐼2 + 6.8𝐼1 Substituindo os valores de 𝐼1 e 𝐼2: 𝑉𝐴𝐵 = 𝑉𝑇𝐻 = 3.56 𝑉 10 2.2.2 DETERMINANDO A RESISTÊNCIA DE THÉVENIN Após remover a fonte de tensão do circuito estudado é possível calcular a resistência de Thévenin. Figura 7 Circuito para o cálculo da resistência de Thévenin Passo 1: Fazer a conversão delta-estrela. 𝑅1 = 𝑅𝑏 𝑅𝑐 𝑅𝑎 + 𝑅𝑏 + 𝑅𝑐 = 4.7 ∗ 6.8 1.2 + 4.7 + 6.8 = 2.5165 𝑘Ω 𝑅2 = 𝑅𝑎 𝑅𝑏 𝑅𝑎 + 𝑅𝑏 + 𝑅𝑐 = 1.2 ∗ 4.7 1.2 + 4.7 + 6.8 = 0.4440 𝑘Ω 𝑅3 = 𝑅𝑎 𝑅𝑐 𝑅𝑎 + 𝑅𝑏 + 𝑅𝑐 = 1.2 ∗ 6.8 1.2 + 4.7 + 6.8 = 0.6425 𝑘Ω Figura 8 Circuito após a conversão delta-estrela. 11 Passo 2: Calcular a resistência equivalente. 𝑅𝑒𝑞 = 𝑅𝑇𝐻 = 2.5165 + 1 ( 1 (5.6 + 0.4440) + 1 (3.3 + 0.6425) ) = 4.90 𝑘Ω 2.2.3 DETERMINANDO A CORRENTE DE NORTON Sabendo que os teoremas de Thévenin e Norton se relacionam, é possível calcular 𝐼𝑁 . 𝐼𝑁 = 𝑉𝑇𝐻 𝑅𝑇𝐻 = (3,56) (4.90 ∗ 103) = 726.53 𝜇𝐴 2.2.4 DETERMINANDO A MÁXIMA POTÊNCIA TRANSFERIDA Com todos os resultados acima estabelecidos e sabendo que a potência máxima é transferida a uma carga quando a resistência de carga for igual à resistência de Thévenin, é possível calculá-la, como segue abaixo: 𝑃𝑚á𝑥 = 𝑉𝑇𝐻² 4𝑅𝑇𝐻 = (3.56)² 4 ∗ (4.90 ∗ 103) = 0,00065 = 0.65 𝑚𝑊 Para valores de carga menor e maior que 𝑅𝑇𝐻, pode-se calcular: Utilizando o desenvolvimento da fórmula de potência fornecida a carga: 𝑃 = 𝑉 ∗ 𝐼, temos: 𝑃𝑚á𝑥 = 𝑅 ∗ 𝑉𝑇𝐻 ² (𝑅 + 𝑅𝑇𝐻 )2 = (1.6𝑘) ∗ (3.56)² (1.6𝑘 + 4.9𝑘)2 = 0,00047 = 0.47 𝑚𝑊 𝑃𝑚á𝑥 = 𝑅 ∗ 𝑉𝑇𝐻 ² (𝑅 + 𝑅𝑇𝐻)2 = (14.7𝑘) ∗ (3.56)² (14.7𝑘 + 4.9𝑘)2 = 0,00048 = 0.48 𝑚𝑊 12 2.3 COMPONENTES E PROCEDIMENTOS Neste tópico é abordado os componentes utilizados durante o experimento e como ocorreram os procedimentos. 2.3.1 DESCRIÇÃO DAS COMPONENTES As componentes usadas para o experimento foram: 1 Fonte de tensão 20V; 1 Multímetro (modo: amperagem, tensão e resistência); 1 Wattímetro; Resistores: R1 = 1,2kΩ R3 = 6,8kΩ R5 = 3,3kΩ R2 = 4,7kΩ R4 = 5,6kΩ 2.3.2 DESCRIÇÃO DOS PROCEDIMENTOS Para a execução do experimento foi utilizado o software MultiSim. 1) Com a fonte de tensão desligada (curto-circuitada) medir a resistência entre A e B Inicialmente, é colocado R1 em paralelo com R2 e R3 e em seguida R2 e R3 em paralelo com R4 e R5. Em seguida, o terminal “a” é conectado no positivo do multímetro e o terminal “b” no negativo do multímetro. Por último, inicia-se a simulação com o multímetro no modo resistência. 2) Com a fonte de tensão ligada, medir a tensão de circuito aberto entre A e B Primeiro, é inserido uma fonte de tensão na bancada de 20V, conectado ao circuito. Depois, é conectado o terminal “a” com o positivo e o terminal “b” com o negativo do multímetro e do multímetro utilizado. 3) Com a fonte de tensão ligada, medir a corrente de curto-circuito entre A e B É utilizado a fonte de tensão 20V na bancada, conectado ao circuito. Depois, é conectado o terminal “a” com o positivo e o terminal “b” com o negativo do multímetro e do multímetro utilizado. Antes de iniciar a simulação, é precisoalterar o modo de operação do multímetro para amperagem. 13 4) Com o circuito ligado, medir a potência de um resistor entre A e B. Utilizar valores menores, igual e maiores que a 𝑅th Primeiramente é inserido a fonte de tensão de 20V conectado ao circuito. Posteriormente, o terminal “a” é conectado no positivo e o terminal “b” no negativo do wattímetro. Com o circuito ligado, é medido a potência de um resistor que é posto entre os terminais “a” e “b”. É utilizado um valor menor (Rth/3), igual e maior (Rth*3) a Rth. 3. RESULTADOS E DISCUSSÃO A seguir, é mostrado abaixo todos os resultados obtidos com as simulações feitas, e esses serão confrontados com a teoria mostrada anteriormente. 3.1 RESULTADOS OBTIDOS Nesse tópico será mostrado como foram realizadas as simulações e os valores obtidos nelas. 3.1.1 SIMULAÇÃO DA TENSÃO E RESISTÊNCIA DE THÉVENIN O circuito simulado é mostrado abaixo. Para descobrir o valor da tensão entre os pontos A e B, foi colocado um multímetro entre eles. Figura 9 Medição da tensão de Thévenin após simulação Para calcular a resistência, foi retirado a fonte de tensão de 20V e feito a medição entre os pontos A e B novamente. 14 Figura 10 Medição da resistência de Thévenin após simulação 3.1.2 SIMULAÇÃO DA CORRENTE DE NORTON Para essa simulação foi usado o mesmo circuito estudado, sem alterações, e medido a corrente entre os pontos A e B. Figura 11 Medição da corrente de Norton após simulação 3.1.3 SIMULAÇÃO DA MÁXIMA POTÊNCIA TRANSFERIDA Como proposto para esse experimento, foi medido a potência de um resistor entre os pontos A e B do circuito estudado para atestar a máxima potência transferida. Para obter a comprovação experimental foi usado valores menor, igual e maior a 𝑅𝑇𝐻. Para melhor entendimento da simulação, utilizamos dois parâmetros, tensão e corrente, que multiplicados dará a potência sobre os resistores. 1) Sobre o resistor de 4.9𝑘Ω: Queda de tensão: 𝑉 = 1.779 𝑉 Corrente: 𝐼 = 363.076 𝜇𝐴 Potência: 𝑃 = 𝑉 ∗ 𝐼 = (1.779) ∗ (363.076 ∗ 10−6) = 0.65 𝑚𝑊 15 Figura 12 Queda de tensão sobre Rth. Figura 13 Corrente sobre Rth. Com o auxílio do software Psim, foi possível traçar o gráfico desses parâmetros e comprovar que tanto para corrente contínua, quanto para corrente alternada a potência máxima é a mesma. Figura 14 Gráfico da queda de tensão e corrente sobre Rth 16 2) Sobre o resistor de 1.6𝑘Ω: Queda de tensão: 𝑉 = 0.875 𝑉 Corrente: 𝐼 = 547.332 𝜇𝐴 Potência: 𝑃 = 𝑉 ∗ 𝐼 = (0.875) ∗ (547.332 ∗ 10−6) = 0.47 𝑚𝑊 Figura 15 Queda de tensão sobre resistor de 1.6k Figura 16 Corrente sobre resistir de 1.6k Figura 17 Gráfico da queda de tensão e corrente sobre resistor de 1.6k 17 3) Sobre o resistor de 14.7𝑘Ω: Queda de tensão: 𝑉 = 2.669 𝑉 Corrente: 𝐼 = 181.562 𝜇𝐴 Potência: 𝑃 = 𝑉 ∗ 𝐼 = (2.669) ∗ (181.562 ∗ 10−6) = 0.48 𝑚𝑊 Figura 18 Queda de tensão sobre o resistor de 14.7k Figura 19 Corrente sobre o resistor de 14.7k Figura 20 Gráfico da queda de tensão e corrente sobre resistor de 14.7k 18 3.2 DISCUSSÃO E COMPARAÇÃO DOS RESULTADOS Na tabela 1, pode-se comparar os valores encontrados nos cálculos com os valores encontrados nas simulações. Tabela 1 Comparação dos valores teóricos e simulados. Thévenin Valor Vth Rth Calculado 3.56V 4.9KΩ Simulado 3.59V 4.903KΩ Norton Valor In Rn Calculado 726,53µA 4.9KΩ Simulado 726,25µA 4.903KΩ Potência Máxima Transferida Valor R(4.9k) Ω R(1.6k) Ω R(14.7k) Ω Calculado 0.65mW 0.47mW 0.48mW Simulado 0.646mW 0.478625mW 0.48146mW É possível observar que os valores obtidos através da simulação são semelhantes aos encontrados através dos cálculos, com uma margem de erro de até duas casas decimais, este erro, se dá devido ao arredondamento dos cálculos. As resistências Thevenin e Norton obtidas, tanto calculadas como simuladas apresentaram valor idêntico o que comprova a teoria descrita previamente no tópico 2.1.2 deste relatório. Já se tratando dos valores da tensão de Thévenin e corrente de Norton, foi comprovado que os valores obtidos são equivalentes. Dessa maneira podemos identificar que a corrente de Norton também está de acordo com os valores esperados a partir da teoria. Ao inserir o valor da resistência da carga como sendo igual a resistência Thévenin, obteve-se o valor de 0.65𝑚𝑊 que é o mesmo obtido na simulação. Obteve-se as potências fornecidas pela carga de 0.47𝑚𝑊 e 0.48𝑚𝑊, para os resistores de 1.6𝑘 e 14.7𝑘, respectivamente. Foi possível comprovar que tanto para corrente contínua, quanto para corrente alternada a potência máxima é a mesma. 19 4. CONCLUSÃO Com a realização deste experimento, por meio de cálculos teóricos e simulações através do software Multisim, foi possível concluir que os dois teoremas, de Norton e de Thévenin, se relacionam, já que seus circuitos podem ser equivalentes entre si, ou seja pode-se obter um equivalente Thévenin a partir de um circuito de Norton e vice-versa. Isto é, os dois teoremas se complementam, um é equivalente do outro. Esses teoremas, são de extrema utilidade pois facilitam os cálculos quando se trata de um circuito complexo em que a medição de interesse está entre dois terminais. Enquanto a o teorema da máxima transferência de potência é útil quando se quer transferir potência entre partes de um mesmo sistema ou entre sistemas diferentes. Esse teorema é muito utilizado na eletrônica em amplificadores de áudio, e em sistemas de transmissão ou distribuição de energia elétrica, para que este opere em capacidade máxima. 5. BIBLIOGRAFIA [1] Fundamentals of Electric Circuits, 5th Edition, I. Sadiku, Matthew N. O. [2] Teoremas de Thèvenin e Norton. Mundo da Elétrica. Disponível em: <Teoremas de Thévenin e Norton! - Mundo da Elétrica (mundodaeletrica.com.br)> [3] Teorema de Thévenin: o que é, aplicações e exemplos em: < https://maestrovirtuale.com/teorema-de-thevenin-o-que-e-aplicacoes-e-exemplos/>
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