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02/09/2023, 21:49 Ead.br https://ambienteacademico.com.br/mod/url/view.php?id=497671 1/28 CIRCUITOS ELÉTRICOS ICIRCUITOS ELÉTRICOS I CIRCUITOS DE SEGUNDACIRCUITOS DE SEGUNDA ORDEM E EM CORRENTEORDEM E EM CORRENTE ALTERNADAALTERNADA Autor: Esp. Afonso Genta Palandri Revisor : L isandro Mart ins IN IC IAR 02/09/2023, 21:49 Ead.br https://ambienteacademico.com.br/mod/url/view.php?id=497671 2/28 introdução Introdução Circuitos compostos por resistores e dois tipos de armazenadores de energia, indutores e capacitores são chamados de circuitos . Eles são denominados circuitos de segunda ordem, pois as equações que irão descrevê-los serão compostas por derivadas de segundo grau. Analisaremos a �m de obter a resposta ao degrau em circuitos cujos componentes estejam associados em série e circuitos em que os elementos estejam associados em paralelo. Faremos análises das respostas de circuitos , em regime transitório e em regime permanente. Faremos cálculos de potência e análises de circuitos quando os mesmos são submissos a uma corrente contínua ( ) e também a uma corrente alternada ( ). RLC RLC RLC cc ca 02/09/2023, 21:49 Ead.br https://ambienteacademico.com.br/mod/url/view.php?id=497671 3/28 A �m de iniciarmos nossos estudos em circuito de 2ª ordem, iniciaremos pela análise de circuito de em série, conforme a Figura 4.1, o qual contém um resistor , indutor e um capacitor . Circuitos de 2ªCircuitos de 2ª OrdemOrdem em Sérieem Série RLC R L C Figura 4.1 - Circuito em série sem fonte Fonte: Sadiku, Musa, Alexander (2014, p. 282). RLC 02/09/2023, 21:49 Ead.br https://ambienteacademico.com.br/mod/url/view.php?id=497671 4/28 O circuito apresentado é excitado pela energia inicialmente armazenada nos armazenadores de energia, sendo esses elementos o indutor e o capacitor, sendo representada pela tensão inicial no capacitor e pela corrente inicial no indutor. Aplicando a no circuito, fazendo a análise matemática, a �m de simpli�car e organizar a equação resultante, temos a seguinte equação: (4.1) Sendo esta a equação diferencial de segunda ordem, é o motivo para os circuitos serem chamados de circuitos de segunda ordem. A �m de resolvermos esta equação, é necessário termos duas condições iniciais: o valor de e sua primeira derivada ou os valores iniciais de alguma e . A �m de solucionar a Equação 4.1, vamos utilizar a forma exponencial. (4.2) Substituindo em 4.1 (4.3) em que e são constantes a serem determinadas, assim, podemos simpli�car e procurar somente a seguinte expressão: (4.4) Para Sadiku, Musa e Alexander (2014, p. 283), “A equação quadrática é conhecida como equação característica da equação diferencial”, sendo esta a Equação 4.1, uma vez que as raízes da equação ditam as características básicas de . As duas raízes são de�nidas de forma condensada como: (4.5) (4.6) Em que: V0 I0 LKT + + = 0id 2 dt2 R L di dt i LC RLC i i v i = Aest A + s + = 0s2 est AR L est A LC est A s + s + = 0s2 R L 1 LC i = α +s1 −α2 ω02 − −−−−−−√ = α −s2 −α2 ω02 − −−−−−−√ 02/09/2023, 21:49 Ead.br https://ambienteacademico.com.br/mod/url/view.php?id=497671 5/28 (4.7) (4.8) As raízes e naturais são chamadas de frequências naturais, medidas em nepers por segundo (Np/s), pois estão associadas à resposta natural do circuito; é conhecido como frequência ressonante ou frequência natural não amortecida expressa em radianos por segundo (rad/s); e é a frequência de neper ou fator de amortecimento expresso em nepers por segundo. Reescrevendo a Equação 4.4 em função de e , temos: (4.9) Sendo a Equação 4.1 uma equação linear, a combinação das soluções acima gera a solução completa desta, logo a resposta natural de um circuito em série é: (4.10) Em que e são determinadas a partir dos valores iniciais de i(0) e di(0)/dt. Dada as soluções e , temos três tipos de soluções: 1. Se , temos o caso de amortecimento supercrítico; 2. Se , temos o caso de amortecimento crítico; 3. Se , temos o caso de subamortecimento. Agora, podemos fazer a análise da resposta a um degrau de um circuito em série. α = R2L =ω0 1 LC√ s1 s2 ω0 α α ω0 + 2αs + = 0s2 ω02 RLC i (t) = +A1e ts1 A2e ts2 A1 A2 s1 s2 α > ω0 α = ω0 α < ω0 RLC 02/09/2023, 21:49 Ead.br https://ambienteacademico.com.br/mod/url/view.php?id=497671 6/28 Tendo como base a Figura 4.2, aplicamos a no circuito para . Fazendo as simpli�cações matemáticas, temos: (4.11) Ela tem a mesma forma da Equação 4.1. Os coe�cientes são os mesmos, no entanto a variável é diferente. Logo, a equação característica para o circuito em série não é afetada pela presença da fonte . Logo, a resposta da Equação 4.11 tem duas componentes: a resposta (ou componente) transitória e resposta de estado estável : (4.12) Sabendo que a resposta transiente é a componente da resposta total que se exige com o tempo, a solução é obtida conforme a Equação 4.10. A resposta de estado estável é o valor �nal de . Para o circuito da Figura 4.2, o valor �nal, então, é o mesmo da fonte . A solução completa para os casos é descrita conforme: (Amortecimento supercrítico) (4.13) Figura 4.2 - Tensão em degrau aplicada a circuito em série Fonte: Sadiku, Musa, Alexander (2014, p. 294). RLC LKT t > 0 + + =vd 2 dt2 R L dv dt v LC Vs LC RLC CC (t)vt (t)vss v (t) = (t) + (t)vt vss (t)vt v(t) vs v (t) = + +Vs A1e ts1 A2e ts2 02/09/2023, 21:49 Ead.br https://ambienteacademico.com.br/mod/url/view.php?id=497671 7/28 (Amortecimento crítico) (4.14) (Subamortecimento) (4.15) Sendo e constantes obtidas das condições iniciais: e . Dessa maneira, �nalizamos a obtenção da resposta de um circuito em série a um degrau de tensão. Um circuito em série é muito utilizado em sistemas de rádio e telecomunicações e também em sistemas de instrumentação. A característica de amortecimento e frequência de oscilação permite que o mesmo seja utilizado como um �ltro de corrente, bloqueando uma determinada faixa de frequência e permitindo a passagem de outra faixa de frequência. Sadiku, Musa e Alexander (2014) a�rmam que circuitos ressonantes, sejam em série e ou em paralelo são comumente usados em receptores de TV e rádio, para separar sinais de áudio da onda portadora de radiofrequência, por exemplo. v (t) = + ( + t)Vs A1 A2 e−αt v (t) = + ( cos ( t) + sen ( t))Vs A1 ωd A2 ωd e−αt A1 A2 v(0) dv(0)/dt RLC RLC saibamais Saiba mais Filtros RLC são usados principalmente em sistemas de telecomunicações, mas como e quando tudo isso começou e como foi o processo de evolução, dessa área tão presente nas nossas vidas hoje, como por exemplo, telecomunicações. Saiba mais acessando o material disponível no link a seguir. ASS IST IR 02/09/2023, 21:49 Ead.br https://ambienteacademico.com.br/mod/url/view.php?id=497671 8/28 praticar Vamos Praticar Filtros são usados principalmente em sistemas de telecomunicação, nos quais se deseja �ltrar ou atenuar certas faixas de frequências, sendo que essas podem estar acima, abaixo ou entre valores de range do �ltro. Dado o circuito conforme a Figura 4.1, em que = 40 , = 4 , = 1/4 , calcule as raízes características e do circuito. a) = 0,101 e = 9,899. b) = 0,010 e = -9,899. c) = -0,101 e = 8,998. d) = -0,1010 e = -9,899. e) = 18 e = 98. RLC R Ω L H C F 1s 2s S1 S2 S1 S2 S1 S2 S1 S2 S1 S2 02/09/2023, 21:49 Ead.br https://ambienteacademico.com.br/mod/url/view.php?id=497671 9/28 Circuitos em paralelo tem diversas aplicações, como em projetos de �ltros e redes de comunicações. Circuitos de 2ªCircuitos de 2ª OrdemOrdem em Paraleloem Paralelo RLC 02/09/2023, 21:49 Ead.br https://ambienteacademico.com.br/mod/url/view.php?id=497671 10/28 A Figura 4.3 mostra um circuito em paralelo, em que a resistência , o indutor e o capacitor estão associados em paralelo; todos os componentes têm a mesma diferença de potencial em seus nós. Figura 4.3 - Circuito em paralelo sem fonte Fonte:Sadiku, Musa e Alexander (2014, p. 288). Aplicando a ao nó superior e fazendo a análise matemática, a �m de simpli�car a equação resultante, chegamos à seguinte expressão: (4.16) Logo, fazendo as simpli�cações conforme usada a análise dos circuitos em série, chegamos à seguinte simpli�cação: (4.17) As raízes dessa equação podem ser expressas pelas seguintes equações: (4.18) (4.19) RLC R L C RLC LKC + + = 0vd 2 dt2 1 RC dv dt v LC RLC + s + = 0s2 1 RC 1 LC = α +s1 −α2 ω02 − −−−−−−√ = α −s2 −α2 ω02 − −−−−−−√ 02/09/2023, 21:49 Ead.br https://ambienteacademico.com.br/mod/url/view.php?id=497671 11/28 em que: (4.20) (4.21) Os nomes desses termos permanecem conforme já mencionado anteriormente. Repetindo a solução da equação de segundo grau, temos três soluções possíveis dependendo das relações de e . A �m de obtermos a resposta de um circuito em paralelo a um degrau, tomaremos como base a Figura 4.4. Queremos determinar , resultante da aplicação súbita de uma corrente . Aplicando a ao nó superior para e fazendo as análises e simpli�cações matemáticas, chegamos à seguinte equação: (4.16) A solução a essa equação consiste na soma da resposta transiente e da resposta de estado estável . (4.23) α = 1 2RC =ω0 1 LC√ α ω0 RLC Figura 4.4 - Circuito em paralelo com corrente aplicada Fonte: Sadiku, Musa e Alexander (2014, p. 299). RLC i CC LKC t > 0 + + =id 2 dt2 1 RC di dt i LC IS LC (t)it (t)Iss i (t) = (t) + (t)it iss 02/09/2023, 21:49 Ead.br https://ambienteacademico.com.br/mod/url/view.php?id=497671 12/28 Sabendo que a resposta transiente é a componente da resposta total que se exige com o tempo, a resposta de estado estável é o valor �nal de . Para o circuito da Figura 4.4, o valor �nal é o mesmo da fonte . A solução completa para os casos é descrita conforme: (Amortecimento supercrítico) (4.13) (Amortecimento crítico) (4.14) (Subamortecimento) (4.15) Sendo e constantes obtidas das condições iniciais: e . Dessa maneira, �nalizamos a obtenção da resposta de um circuito em paralelo a um degrau de tensão. O circuito paralelo é muito encontrado (como o circuito série) em sistemas de telecomunicações. Nos rádios antigos, era utilizado um arranjo paralelo para efetuar a sintonia da rádio desejada, por meio de um capacitor variável (para mudar as frequências do circuito). Posteriormente, tais capacitores variáveis foram substituídos por varicaps (que são diodos que possuem capacitância variável) e, por �m, no rádio digital, é comum que o processo de sintonia seja feito exclusivamente via software (rádios que apresentam esse sistema são chamados de SDR - Software De�ned Radio ou Rádio de�nido por Software (tradução livre). praticar Vamos Praticar (t)it (t)it iss i (t) = + +Is A1e ts1 A2e ts2 i (t) = + ( + t)Is A1 A2 e−αt i (t) = + ( cos ( t) + sen ( t))Is A1 ωd A2 ωd e−αt A1 A2 i(0) di(0)/dt RLC RLC RLC RLC 02/09/2023, 21:49 Ead.br https://ambienteacademico.com.br/mod/url/view.php?id=497671 13/28 Dado um circuito conforme o da �gura, com = 200 , = 50 mH e = 0,2 , determine se a resposta será superamortecida, subamortecida ou criticamente amortecida. Figura - Circuito RLC Fonte: Nilsson, Riedel (2009, p. 201). NILSSON, J. W.; RIEDEL, S. A. Circuitos elétricos . 8. ed. São Paulo: Pearson Prentice Hall, 2009. a) A resposta é criticamente amortecida. b) A resposta é subamortecida. c) A resposta é inexistente, pois o valor das variáveis não resolve as equações. d) A resposta é superamortecida. e) A resposta é imaginária. R Ω L C μF 02/09/2023, 21:49 Ead.br https://ambienteacademico.com.br/mod/url/view.php?id=497671 14/28 Para Sadiku, Musa e Alexander (2014), existem quatro etapas para determinarmos as respostas a um degrau , dado um circuito de segunda ordem, sendo esse método aplicado a circuitos em série ou em paralelo, com uma ou mais fontes independentes com valores constantes. Seguem os quatros passos para análise. 1. Primeiramente, determinamos as condições iniciais e e o valor �nal . 2. Desativamos as fontes independentes e encontramos a forma da resposta transiente , aplicando e . Assim que for obtida uma equação diferencial de segunda ordem, determinamos suas raízes características. Dependendo se a resposta for com amortecimento supercrítico, com amortecimento crítico ou subamortecimento, obtemos com duas constantes conhecidas, como �zemos anteriormente. 3. Obtemos a resposta de estado estável como = , em que o segundo termo é o valor �nal de , obtido na etapa 1. Circuito RLC emCircuito RLC em Corrente ContínuaCorrente Contínua x(t) RLC x(0) dx(0)/dt x(∞) (t)xt LKC LKT (t)xt (t)Xss X(∞) x 02/09/2023, 21:49 Ead.br https://ambienteacademico.com.br/mod/url/view.php?id=497671 15/28 4. A resposta total agora é encontrada com a soma das respostas transientes e de estado estável. Estabelecemos as constantes associadas com a resposta transiente impondo as condições iniciais e , determinadas no item 1. Dessa maneira, conseguimos encontrar a resposta a um degrau de um circuito de segunda ordem, inclusive aqueles com ampli�cadores operacionais. praticar Vamos Praticar x(0) dx(0)/dt Figura 4.5 - Exemplos de circuitos RLC em paralelo e série Fonte: Nilsson e Riedel (2009, p. 201). 02/09/2023, 21:49 Ead.br https://ambienteacademico.com.br/mod/url/view.php?id=497671 16/28 Vamos Praticar Dado um circuito, conforme o da �gura seguinte, com e , determine as raízes da equação característica. NILSSON, J.; RIEDEL, S. A. Circuitos elétricos . 8. ed. São Paulo: Pearson Prentice Hall, 2009. a) = 200 e = -200. b) = 979,80 e = -979,80. c) = 200 e = 200. d) = -200+j 979,80 e = -200-979,80. e) = 979,8 e = 979,8. V 0 = 0 I0 = −12, 5mA Figura - Circuito RLC paralelo Fonte: Nilsson e Riedel (2009, p. 208). S1 S2 S1 S2 S1 S2 S1 S2 S1 S2 02/09/2023, 21:49 Ead.br https://ambienteacademico.com.br/mod/url/view.php?id=497671 17/28 Até o presente momento, temos limitado nossos estudos a circuito de corrente contínua. Agora iniciaremos os conceitos de circuitos nos quais a tensão ou a corrente variam com o tempo. Abordaremos conceitos de circuitos com corrente alternada, cálculos de potencias e circuitos em corrente alternada de maneira rápida. Por meio do cálculo de potências de um circuito , podemos modelar o efeito observado nas linhas de transmissão de energia, em que parte da energia transmitida é perdida em forma de campo elétrico e magnético. Circuito de Corrente Alternada Estudaremos particularmente a excitação senoidal com variação no tempo ou simplesmente senoide. Sadiku, Musa e Alexander (2014) de�nem uma senoide com um sinal que possui a forma da função cosseno ou seno. Dessa maneira, uma corrente senoidal é conhecida como corrente alternada ( ). Circuito RLC emCircuito RLC em Corrente AlternadaCorrente Alternada RLC RLC CA 02/09/2023, 21:49 Ead.br https://ambienteacademico.com.br/mod/url/view.php?id=497671 18/28 Consideremos a tensão senoidal: (4.27) em que é a amplitude da senoide, é a frequência angular em radianos/s e é o argumento da senoide. Tendo um sinal senoidal, ela se repete em períodos; representaremos esse período da senoide pela letra , em que seu valor é equivalente a 2 . O inverso desse valor é conhecido com frequência cíclica, representado pela letra , sendo equivalente a e dada em hertz (Hz). Sadiku, Musa e Alexander (2014) a�rmam que senoides são expressas de maneira simples em termos de fasores, que são mais convenientes de serem trabalhados que as funções seno e cosseno, sendo que um fasor é de�nido pelo mesmo com um número complexo que representa a amplitude e a fase de uma senoide. Não é nosso objetivo entrar em todas as propriedades de um fasor, como também fazer operações com o mesmo, mas, sim, apresentar como as v (t) = sen (ωt)Vm V ω ωt T π/ω f T −1 Figura 4.6 - Esboço de uma senoide (a) em função de ; (b) em função de Fonte: Sadiku,Musa e Alexander (2014, p. 331). wt t 02/09/2023, 21:49 Ead.br https://ambienteacademico.com.br/mod/url/view.php?id=497671 19/28 técnicas já trabalhadas, associadas a técnicas que serão trabalhadas posteriormente, permitem a análise de circuitos sujeitos a corrente contínua e alternada. Para se realizar análises de circuitos com correntes alternadas, podemos utilizar a lei de ohm, leis de Kirchho� e outros métodos já descritos em outras unidades, aplicando conforme a necessidade, visto que essas leis são válidas para circuitos . Segundo Sadiku, Musa e Alexander (2014), a análise de circuitos normalmente requer três etapas: 1. transformar o circuito para o domínio de fasores ou da frequência; 2. solucionar o problema usando técnicas de circuitos; 3. transformar o fasor resultante para o domínio do tempo. Logo, os métodos e as leis já estudados podem ser usados para nossas futuras análises. Circuitos de corrente alternada estão presentes em toda a rede elétrica de distribuição, na grande maioria das indústrias e nos grandes sistemas elétricos de potência. Cálculos de Potência A potência é o valor mais importante em sistemas de energia elétrica, eletrônicos e de comunicação, pois envolve a transmissão de energia de um ponto para outro. CA CA 02/09/2023, 21:49 Ead.br https://ambienteacademico.com.br/mod/url/view.php?id=497671 20/28 Estudaremos a potência instantânea e a potência média de um sistema. Para Sadiku, Musa e Alexander (2014), a potência instantânea é a potência em qualquer instante, medida em watts, logo, ela é a taxa na qual um elemento absorve energia. Esta é dada pela seguinte equação: (4.28) sendo a tensão e a corrente elementos que variam com o tempo, a potência instantânea também apresenta esse comportamento, portanto, é difícil de ser medida. A potência média é a média da potência ao longo de um período, medida em watts, logo, fazendo a análise matemática do mesmo, em um período. Tendo os componentes em , chegaremos à seguinte equação: (4.29) Em que e são os ângulos de defasagem da tensão e corrente, respectivamente. reflita Re�ita Sabendo que existem correntes alternadas e correntes contínuas e que a análise de sistemas de correntes contínuas é mais simples, por que todo o sistema de distribuição de energia elétrica aos consumidores é baseado em corrente alternada? p (t) = v (t) i (t) v(t) i(t) CA P = Re [V I∗] = cos ( − )12 1 2 VmIm θv θi θv θi 02/09/2023, 21:49 Ead.br https://ambienteacademico.com.br/mod/url/view.php?id=497671 21/28 Sabendo que essa equação implica em um circuito puramente resistivo, pois esse tipo de carga sempre absorve potência, enquanto uma carga reativa ( ou ) não absorve nenhuma potência média. praticar Vamos Praticar Sabemos que a frequência mais comumente utilizada pelas concessionárias de energia no mundo são 50 Hz e 60 Hz, a COPEL, concessionária de energia elétrica do estado do Paraná, utiliza a frequência de 60 hz em suas redes e a tensão entre fase- fase para consumidores de baixa tensão de 220 volts. Dada uma tensão = 120 (377 +45°) e uma corrente = 10 (377 -10°) , determine a potência instantânea. a) = 344,2 + 377 (754 +35°) . b) = 344,2 + 344,2 (754 +35°) . c) = 377 + 377 (377 +35°) . d) = 344,2 + 600 (754 +35°) . e) = 344,2 + 377 (377 +377°) . L C v(t) cos t V i(t) cos t A P (t) cos t W P (t) cos t W P (t) cos t W P (t) cos t W P (t) cos t W 02/09/2023, 21:49 Ead.br https://ambienteacademico.com.br/mod/url/view.php?id=497671 22/28 indicações Material Complementar FILME O jogo da imitação Ano : 2014 Comentário : O �lme mostra como foi desenvolvido o primeiro computador. Esse é um princípio prático da aplicação de diversos tipos de circuitos elétricos; o mesmo ocorre durante a segunda guerra mundial. Para conhecer mais sobre o �lme, acesse o trailer a seguir. TRA ILER 02/09/2023, 21:49 Ead.br https://ambienteacademico.com.br/mod/url/view.php?id=497671 23/28 LIVRO Fundamentos de circuitos elétricos Editora : Bookman Autor : Sadiku ISBN : 978-85-8055-173-0 Comentário : Livro que contém análises profundas sobre diversos modelos de circuitos, que é extremamente necessário para um bom entendimento do tema. O aprofundamento do estudo de análises em corrente alternada é extremamente interessante, logo, deve-se focar a partir da parte 2 do livro. 02/09/2023, 21:49 Ead.br https://ambienteacademico.com.br/mod/url/view.php?id=497671 24/28 conclusão Conclusão Aprendemos como fazer associação de circuitos com dois armazenadores de energia diferentes, conseguindo identi�car que, para realizar a análise da resposta desses circuitos, chegamos a derivadas de segunda ordem, em que precisamos utilizar métodos matemáticos para solucionar. Após essa veri�cação, vimos as particularidades das associações em série ou em paralelo desses componentes e seguimos uma análise em que se gera um modelo genérico para a realização desses tipos de análises, e�cientes para ambos os casos. Depois, foram introduzidas análises de circuitos de corrente contínua, sendo apresentados a senoidal, os fasores e cálculos de potência instantânea e média nesses circuitos. referências Referências Bibliográ�cas ALEXANDER, C. K.; SADIKU, M. N. O. Fundamentos de Circuitos Elétricos . 5. ed. São Paulo: Editora Bookman, 2013. 02/09/2023, 21:49 Ead.br https://ambienteacademico.com.br/mod/url/view.php?id=497671 25/28 NILSSON, J. W.; RIEDEL, S. A. Circuitos elétricos . 8. ed. São Paulo: Pearson Prentice Hall, 2009. SADIKU, M. N. O.; MUSA S. M.; ALEXANDER C. K. Análise de circuitos elétricos com aplicações . 5. ed. São Paulo: Editora AMGH Editora, 2014. 02/09/2023, 21:49 Ead.br https://ambienteacademico.com.br/mod/url/view.php?id=497671 26/28 02/09/2023, 21:49 Ead.br https://ambienteacademico.com.br/mod/url/view.php?id=497671 27/28 02/09/2023, 21:49 Ead.br https://ambienteacademico.com.br/mod/url/view.php?id=497671 28/28