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1
1. TRANSFOMADA DE LAPLACE
1.1. TRANSFORMADA DE LAPLACE - FUNÇÕES COMPLEXAS
Seja f(t) uma função tempo que é diferente de zero para t 0. Então, a
transformada direta de Laplace de f(t), indicada por L [f(t)], é definida por
dtetfsFtfL
t
0
)()()]([ [01]
Assim, a operação L[ ] transforma f(t), que está no domínio do tempo, em F(s),
que está no domínio da frequência complexa, ou simplesmente no domínio s, onde s é a
variável complexa + j. Embora pareça que a integração possa ser difícil, logo ficará
claro que a aplicação do método da transformada de Laplace utiliza tabelas que abrangem
todas as funções possíveis de serem encontradas em teoria elementar de circuitos.
Existe uma unicidade nos pares de transformada; ou seja, se f1(t) e f2(t) tiverem a
mesma imagem no domínio s, F(s), então f1(t) = f2(t). Isso permite retornar em outra
direção, do domínio s para o domínio no tempo, um processo chamado transformada
inversa de Laplace, L-1 [F(s)] = f(t). A transformada inversa de Laplace pode também ser
expressa como uma integral, a integral de inversão complexa
j
j
st dsesF
j
tfsFL 0
0
)(
2
1)()]([1
[02]
Basicamente, a transformada de Laplace é uma ferramenta matemática, utilizada,
por exemplo, para resolver equações diferenciais (ou sistemas de equações diferenciais).
Portanto, pode ser utilizada para resolução de circuitos elétricos. A T.L. transforma
equações íntegro-diferenciais (no domínio tempo) em equações algébricas simples em s
(no domínio frequência), que podem então ser resolvidas a partir de métodos de resolução
de sistemas de equações. Após a resolução do sistema de equações, aplica-se a anti-
transformada (ou transformada inversa), retornando ao domínio tempo. Esta solução, é a
mesma solução que seria obtida, se a equação íntegro-diferencial fosse resolvida
diretamente por algum outro método.
1.2. PLANO “S” - DIAGRAMAS DE PÓLOS E ZEROS
Seja uma equação diferencial no domínio tempo f(t), obtido a partir de um circuito
elétrico qualquer. Passando esta equação para o domínio s (aplicando a transformada),
resulta numa outra equação em s. Alguns termos desta equação em s podem ser na forma
de frações. Neste caso, pode-se encontrar o mínimo múltiplo comum, resultando então
numa única equação na forma de fração, ou seja
)(
)()()()()(
sD
sNsIsFLtitf [03]
2
onde N(s) é o numerador e D(s) o denominador e ambos são polinomiais.
As raízes de N(s) também são conhecidas como Zeros do sistema, e os valores das
raízes, são aqueles valores que tornam a função nula. Os valores destas raízes são
representados por círculos no plano complexo s = + j.
As raízes de D(s) também são conhecidas como Pólos do sistema, e os valores das
raízes, são aqueles valores que tornam a função infinita. Os valores destas raízes são
representados por cruzes (ou xis) no plano complexo s = + j.
Salienta-se que uma função F(s), pode dar algumas características do circuito que
esta função representa, sem a necessidade de se encontrar a anti-transformada.
1.3. PROPRIEDADES E EXEMPLOS DA TRANSFORMADA DE LAPLACE
A Tab. 01 mostra a transformada de Laplace para algumas funções.
Tab. 01 - Transformada de Laplace para algumas funções
1.4. TEOREMA DO VALOR INICIAL E FINAL
Tomando o limite de s (por valores reais) da transformada direta de Laplace
da derivada df(t)/dt.
3
)}0()({
)()(
0limlim
fssFdte
dt
tdf
dt
tdfL St
SS
[04]
Mas e-st no integrando se aproxima de zero, à medida que s . Assim
0)}0()({lim
fssF
S
[05]
Uma vez que f(0+) é uma constante, pode-se escrever
)}({)0( lim ssFf
S
[06]
que é a expressão do teorema do valor inicial. Da mesma forma o teorema do valor final
resulta em
)}({)( lim
0
ssFf
S
[07]
1.5. APLICAÇÕES NA SOLUÇÃO DE CIRCUITOS
Para resolver um circuito elétrico qualquer a partir da T.L., não é necessário
montar as equações no domínio tempo a partir da leis de Kirchoff e encontrar a
transformada a partir deste equações. Antes, pode representar os componentes, como
impedâncias e fontes já em s (domínio frequência), e montar as equações a partir das leis
de Kirchoff diretamente no domínio frequência. A Tab. 02 mostra alguns componentes e a
sua transformada de Laplace.
1.6. DETERMINAÇÃO DA TRANSFORMADA INVERSA
Para encontrar a função no domínio tempo, parte-se da função no domínio s, e
aplica-se a antitransformada. Entretanto, não é usual partir-se da integral representada na
Eq. 02. O mais prático, é separar o polinômio fracionário que representa F(s) em frações
parciais, de tal forma que cada parcela, já possua tabelado a sua antitransformada.
Considere Y(s), uma função no domínio s. A primeira etapa, consiste em encontrar
as raízes do denominador, e representá-lo fatorado. A seguir, analisa-se as raízes de
acordo com o que segue:
Raizes não repetidas reais
)()())((
)(
)(
)()(
bs
B
as
A
bsas
sQ
sD
sNsF
[08]
aplicando-se a antitransformada a partir da Tab. 01 resulta
4
btat BeAetf )( [09]
Tab. 02 - Transformada de Laplace para alguns componentes
Raizes repetidas
)()()(
)()( 1
2
2
2 as
A
as
A
as
sQsF
[10]
aplicando-se a antitransformada a partir da Tab. 01 resulta
)()( 12 AtAetf at [11]
Raizes repetidas e não repetidas
)()()()()(
)()( 1
2
2
2 bs
B
as
A
as
A
bsas
sQsF
[12]
aplicando-se a antitransformada a partir da Tab. 01 resulta
btat BeAtAetf )()( 12 [13]
5
Raizes complexas
Conservar o polinômio parcial destas raízes na ordem 2. Se D(S) de F(S) for
representado por somente um polinômio de ordem 2, aplicar direto a tabela 1.1, e cuidar
que F(S) deve ser representado da mesma forma da tabela.
Supondo uma função F(S) representada como
222 )()())((
)()(
s
B
as
A
dcssas
sQsF [14]
onde a é uma raiz real e s = + j é a raiz complexa conjugada do polinômio de ordem 2.
Entretanto, para aplicar a antitransformada de tabela para o segundo termo da fração
parcial, esta deve ser representada como
2222 )()(
S
K
s
B [15]
aplicando-se a antitransformada a partir da Tab. 01 resulta
)()( . tsenKeAetf tat [16]
Se os termos das frações parciais da Eq. 14 não for solução, refazer como
222 )()())((
)()(
s
CBs
as
A
dcssas
sQsF [17]
Para aplicar a antitransformada de tabela para o segundo termo da fração parcial,
esta deve ser representada como
2222 )(
)(
)(
s
sK
s
CBs [18]
aplicando-se a antitransformada a partir da Tab. 01 resulta
)cos()( tKeAetf tat [19]
Sistemas de segunda ordem
A corrente que circula num circuito elétrico R,L,C é representa por uma equação
diferencial de segunda ordem elétrico, representada no domínio tempo como
6
)()()(2)()(1)()( 2
002
2
2
2
tvti
dt
tdi
dt
tidti
LCdt
tdi
L
R
dt
tid
[20]
A solução para a equação diferencial acima, é uma expressão i(t) que satisfaz esta
equação. Esta solução possui duas partes, a resposta homogênea, que depende do circuito
e representa os transitórios do sistema, e uma resposta particular, que depende da fonte de
alimentação e representa o regime permanente do sistema.
Entretanto, partindo-se de uma expressão F(S), no domínio frequência
(transformada de Laplace), pode-se analisar os transitórios do sistema, sem a necessidade
de antitransformar a função. Isto é possível, analisando-se os pólos e zeros da função.
Uma equação semelhante a Eq. 20, está representada a seguir
2
00
2
0
2)(
)()(
SssD
sNsF [21]
onde0 é a frequência natural de oscilação, calculada como
LC
1
0 [22]
= = 0 é o coeficiente de amortecimento, calculado como
)(
2
serie
L
R
)(
2
1 paralelo
RC
[23]
d é a frequência natural do sistema amortecido, calculado como
22
0 d [24]
= é a razão de amorcimento.
As raizes de S podem ser calculadas, a partir destes termos, como
s 0 0
2
0
2 2
0
2
0 0
2 1( ) [25]
A Fig. 01 mostra a representação destas grandezas no plano complexo s
O comportamento do circuito pode ser analisado a partir da equação
características, assim:
Se > 1 ambos os pólos são reais e negativos - hiperamortecido
Se = 1 ambos os pólos são reais, negativos e iguais - criticamente amortecido
7
Se 0
6
1
6
4
1226
10
6
1
6
1
146
12210
)(
)(
)(
2
2
2
2
1
SS
SS
SSS
SS
SSZ
SV
SI i
1
2
2
1
2
12 1
1
//
1
//1)( R
SL
SC
SCR
xSL
SC
SCR
RSL
SC
SCRRSL
SC
RSZ
1
212
212
12//1212//12)(
S
S
S
Sx
S
S
S
S
SS
S
SZ
1
2
2
2
2
12
2
2
1)1(
)1(
)( R
SCRLCS
SLLCRSR
SC
LCSSCR
SC
xSLSCR
SZ
122
)122(241
122
241
2)12(
2)12(
)( 2
22
2
2
2
SS
SSSS
SS
SS
S
SS
S
SxS
SZ
1
)(
1
)1(
)(
2
2
12112
2
2
2
2
2
12
2
SCRLCS
RRCRLSLCRLCRS
SCRLCS
SCRLCSRSLLCRS
SZ
LCL
R
SS
LC
R
L
RR
C
SRRS
LC
LC
SCRLCS
RRCRLSLCRLCRS
SZ
1
1
1
1
1
)(
)(
22
121
12
2
2
2
12112
2
Atribuindo os respectivos valores:
17
122
146)( 2
2
SS
SSSZ
a) Determinação de i1(t):
I1(S) pode ser determinado de duas maneiras:
6
1
6
4
1226
10
122
146
110
)(
1)()(
2
2
2
21
SS
SS
S
SS
SS
x
SSZ
xSVSI i
a.1.) Diretamente a partir de Z(S) já determinado em valores
6
1
6
4
1226
10
122
146
110
)(
1)()(
2
2
2
21
SS
SS
S
SS
SS
x
SSZ
xSVSI i
a.2) Por desenvolvimento algébrico:
21
21
121
12
2
22
1 1
1
1
1
)(
)()(
RR
RRx
LC
R
L
RR
C
SRRS
LCL
RSS
x
S
V
SZ
SVSI ii
21
1
21
212
2121
2
21
2
1
.
11
1
.
)(
RRLC
R
RR
x
L
RR
C
SS
RRLCRRL
RS
RR
S
x
S
VSI i
21
1
21
212
2121
2
21
2
1
.
11
.
..
)(
RRLC
R
RR
x
L
RR
C
SSS
RRLC
V
RRL
RVS
RR
SV
SI
iii
Atribuindo os valores resulta:
6
1
6
4
1226
10
)(
2
2
1
SS
SS
S
SI
18
Observe que as duas maneiras resultam na mesma expressão.
I. Teorema do Valor Inicial: Cálculo de i1(0+)
St SFStf |)(.|)( 0
SS
St SS
SS
SS
SS
S
SSISiti
6
1
6
4
122
6
10
6
1
6
4
1226
10
.|)(.)0(|)(
2
2
2
2
1101
Para resolução da equação acima, deve-ser aplicar L´Hospital, ou seja
3
1
43
21
)]([
)]([
)(
)(|)(
K
K
dX
XDd
dX
XNd
KXK
KXK
XD
XNXF X
Assim
SS
S
S
dS
SDd
dS
SNd
SS
SS
SD
SNi
6
42
24
6
10
)]([
)]([
6
1
6
4
122
6
10
)(
)()0(
2
2
1
A
dS
SDd
dS
SNd
S
S
dS
SDd
dS
SNd
i
S
S
33,3
12
40
2
4
6
10
)]([
)]([
6
42
24
6
10
)]([
)]([
)0(1
II. Teorema do Valor Final. Cálculo de i1()
0|)(.|)( St SFStf
A
SS
SS
S
SSISiti
SS
St 10
6
1
6
10
6
1
6
4.00
10.20.2
6
10
6
1
6
4
1226
10
.|)(.)(|)(
0
2
2
0
2
2
0111
b) Determinação de vR1(t):
I. Cálculo de vR1(0+)
VxxRivtv RtR 33,3133,3)0()0(|)( 11101
19
II. Cálculo de vR1()
VxxRivtv RtR 10110)()(|)( 1111
c) Determinação de vL(t):
Analisando a malha (1), observa-se:
146
)122()146(10
146
1221010)()()( 2
22
2
2
1 SS
SSSS
SSS
SS
SS
SVSVSV RiL
146
2040
146
2410
146
2410)( 222
2
SS
S
SS
S
SS
SS
S
SVL
Do desenvolvimento anterior, observa-se:
Não é necessário que D(S) de VL(S) tenha como coeficiente UM para o termo de
maior grau
VR1(S) = I1(S) x R1 = I1(S) x 1 = I1(S)
Observa-se que, VL(S) também pode ser desenvolvido algebricamente, ou seja:
111 )()()()()( xRSISVSVSVSV iRiL
21
1
21
212
2121
2
21
2
1
.
11
1
..)(
RRLC
R
RR
x
L
RR
C
SS
RRLCRRL
RS
RR
S
x
S
VR
S
VSV ii
L
21
1
21
212
2121
2
21
2
1
.
11
1
.
.1)(
RRLC
R
RR
x
L
RR
C
SS
RRLCRRL
RS
RR
S
xRx
S
VSV i
L
21
1
21
212
21
1
21
21
21
2
1
21
1
21
212
.
11
.
..
.
11
RRLC
R
RR
x
L
RR
C
SS
RRLC
R
RRL
RRS
RR
SR
RRLC
R
RR
x
L
RR
C
SS
20
21
1
21
212
21
21
21
21
21
12
.
11
.
.111
)(
RRLC
R
RR
x
L
RR
C
SS
RRL
RR
RR
x
L
RR
C
S
RR
RS
x
S
VSV i
L
21
1
21
212
2121
12
.
11
.
11
)(
RRLC
R
RR
x
L
RR
C
SS
RRC
S
RR
RS
x
S
VSV i
L
21
1
21
212
2121
1
.
11
.
1.1..
)(
RRLC
R
RR
x
L
RR
C
SS
RRC
V
RR
RVS
SV
ii
L
Atribuindo os valores irá resultar na mesma expressão desenvolvida anteriormente, exceto
pelo fato de que, no ultimo caso, o maior grau do denominador esta igualado a UM.
I. Teorema do Valor Inicial: Cálculo de vL(0+)
SS
SLLtL SS
SS
SS
SSSVSvtv
146
2040
146
2040|)(.)0(|)( 2
2
20
Aplicando L´Hospital duas vezes, ou derivando duas vezes:
V
dS
SDd
dS
SNd
SS
SSv
S
L 67,6
12
80
)]([
)]([
146
2040)0(
2
2
2
2
2
2
II. Teorema do Valor Final. Cálculo de vL()
V
SS
SSSVSvtv
S
SLLtL 0
10.40.6
0.200.40
146
2040|)(.)(|)( 2
2
0
2
2
0
d) Determinação de i2(t):
)146(
1020
2
1
146
2040
)(
)()( 222
SSS
S
SSS
S
SZ
SVSI
L
L
21
Observa-se que, I2(S) também pode ser desenvolvido algebricamente, ou seja:
LS
x
RRLC
R
RR
x
L
RR
C
SS
RRC
V
RR
RVS
SZ
SVSI
ii
L
L
.
1
.
11
.
1.1..
)(
)()(
21
1
21
212
2121
1
2
21
1
21
212
2121
1
2
.
11.
.
1.1..
)(
RRLC
R
RR
x
L
RR
C
SSS
RRCL
V
RR
R
L
VS
SI
ii
Atribuindo os valores irá resultar na mesma expressão desenvolvida anteriormente, exceto
pelo fato de que, no ultimo caso, o maior grau do denominador esta igualado a UM.
I. Teorema do Valor Inicial: Cálculo de i2(0+)
SS
St SS
S
SSS
SSSISiti
146
1020
)146(
1020|)(.)0(|)( 222202
AplicandoL´Hospital, ou derivando:
A
S
dS
SDd
dS
SNd
SS
Si
SS
0
4.12
20
412
20
)]([
)]([
146
1020)0( 22
II. Teorema do Valor Final. Cálculo de i2()
A
SSS
SSSISiti
S
St 10
10.40.6
100.20
)146(
1020.|)(.)(|)( 2
0
20222
e) Determinação de i3(t):
Analisando o nó na parte central do circuito, observa-se
)146(
1020102020
)146(
1020
)146(
102020)()()( 2
2
22
2
213
SSS
SSS
SSS
S
SSS
SSSISISI
22
146
20
)146(
20)( 22
2
3
SS
S
SSS
SSI
Observa-se que, I3(S) também pode ser desenvolvido algebricamente, ou seja:
21
1
21
212
2121
2
21
2
1
.
11
1
.
)(
RRLC
R
RR
x
L
RR
C
SS
RRLCRRL
RS
RR
S
x
S
VSI i
21
1
21
212
2121
1
2
.
11.
.
1.1..
)(
RRLC
R
RR
x
L
RR
C
SSS
RRCL
V
RR
R
L
VS
SI
ii
)()()( 213 SISISI
21
1
21
212
2121
2
21
2
3
.
11
1
.
)(
RRLC
R
RR
x
L
RR
C
SS
RRLCRRL
RS
RR
S
x
S
VSI i
21
1
21
212
2121
1
.
11
.
111
RRLC
R
RR
x
L
RR
C
SS
RRC
x
LRR
Rx
L
S
S
Vi
21
1
21
212
21
1
21
2
21
2
3
.
11
1
..
)(
RRLC
R
RR
x
L
RR
C
SS
LRRL
R
RRL
RS
RR
S
x
S
VSI i
21
1
21
212
21
1
21
2
21
3
.
11
1
..
.
)(
RRLC
R
RR
x
L
RR
C
SS
LRRL
R
RRL
RxV
RR
SV
SI
i
i
23
21
1
21
212
21
12
21
3
.
11
1
.
.
)(
RRLC
R
RR
x
L
RR
C
SS
LRRL
RRxV
RR
SV
SI
i
i
21
1
21
212
21
3
.
11
.
)(
RRLC
R
RR
x
L
RR
C
SS
RR
SV
SI
i
Atribuindo os valores irá resultar na mesma expressão desenvolvida anteriormente, exceto
pelo fato de que, no ultimo caso, o maior grau do denominador esta igualado a UM.
I. Teorema do Valor Inicial: Cálculo de i3(0+)
SS
St SS
S
SS
SSSISiti
146
20
146
20|)(.)0(|)( 2
2
23303
Aplicando L´Hospital duas vezes, ou derivando duas vezes:
A
dS
SDd
dS
SNd
SS
Si
S
33,3
6
20
)]([
)]([
146
20)0(
2
2
2
2
2
2
3
II. Teorema do Valor Final. Cálculo de i3()
A
SS
SSSISiti
S
St 0
10.40.6
0.20
146
20.|)(.)(|)( 2
2
0
20333
g) Determinação de vC(t):
146
201
146
20)()()( 223
SSSSS
SSxZSISV CC
Observa-se que, VC(S) também pode ser desenvolvido algebricamente, ou seja:
24
SC
x
RRLC
R
RR
x
L
RR
C
SS
RR
SV
SxZSISV
i
CC
1
.
11
.
)()()(
21
1
21
212
21
3
Atribuindo os valores irá resultar na mesma expressão desenvolvida anteriormente, exceto
pelo fato de que, no ultimo caso, o maior grau do denominador esta igualado a UM.
I. Teorema do Valor Inicial: Cálculo de vC(0+)
SS
SCCtC SS
S
SS
SSVSvtv
146
20
146
20|)(.)0(|)( 220
Aplicando L´Hospital, ou derivando:
V
S
dS
SDd
dS
SNd
SS
Sv
SS
c 0
4.12
20
412
20
)]([
)]([
146
20)0( 2
II. Teorema do Valor Final. Cálculo de vC()
V
SS
SSVSvtv
S
SCCtC 0
10.40.6
0.20
146
20|)(.)(|)( 2
0
20
g) Determinação de vR2 (t):
I. Cálculo de vR2 (0+)
VxxRivtv RtR 66,6233,3)0()0(|)( 23202
II. Cálculo de vR2()
VxxRivtv RtR 020)()(|)( 2322
h) Confirmando os valores encontrados
I. Condições Iniciais: t = 0+ .
25
A
RR
v
ii i 33,3
21
10)0(
)0()0(
21
31
Ai 0)0(2 VvC 0)0(
VxxRivR 33,3133,3)0()0( 111
VxxRivv RL 66,6233,3)0()0()0( 232
II. Condições de Regime Permanente: t .
A
R
vii i 10
1
10)(
)()(
1
21
Ai 0)(3
VxxRivR 10110)()( 111 Vvvv RCL 0)()()( 2
3. Determine i(t), vR(t), vL(t), vC(t) no domínio do tempo aplicando a T.L.
26
Representação do circuito no Domínio Freqüência Complexa S, ou a T.L.do circuito.
a) Determinação de i(t):
15
5
2
2
1022
110
)(
)(
)( 2
SSS
S
SSSSZ
SV
SI i
Raízes de D(S) : S1 = - 0,21
S2 = - 4,79
)79,4)(21,0(
)21,0()79,4(
)79,4()21,0()79,4)(21,0(
5)(
SS
SBSA
S
B
S
A
SS
SI
Por Semelhança:
5 = A(S + 4,79) + B(S + 0,21) = AS + 4,79A + BS + 0,21B
S1.0 + S0.5 = S1.(A + B) + S0.(4,79A + 0,21B)
S1 1,00 A + 1,00 B = 0 A = +1,09
S0 4,79 A + 0,21 B = 5 B = - 1,09
)79,4(
09,1
)21,0(
09,1)(
SS
SI
De Tabela
atKtf
aS
KSF
)()(
ttti 79,421,0 09,109,1)(
27
b) Determinação de vR(t):
tt
RR tvxtixRtitv 79,421,0 9,109,10)(10)()()(
c) Determinação de vL(t):
15
102.
15
5)()()( 22
SS
SS
SS
SxZSISV LL
Raízes de D(S) : S1 = - 0,21
S2 = - 4,79
)79,4)(21,0(
)21,0()79,4(
)79,4()21,0()79,4)(21,0(
10)(
SS
SBSA
S
B
S
A
SS
SSVL
Por Semelhança:
28
10S = A(S + 4,79) + B(S + 0,21) = AS + 4,79A + BS + 0,21B
S1.10 + S0.0 = S1.(A + B) + S0.(4,79A + 0,21B)
S1 1,00 A + 1,00 B = 10 A = - 0,45
S0 4,79 A + 0,21 B = 0 B = 10,45
)79,4(
45,10
)21,0(
45,0)(
SS
SVL
tt
L tv 21,079,4 45,0459,10)(
d) Determinação de vC(t):
)15(
102.
15
5)()()( 22
SSSSSS
SxZSISV CC
Raízes de D(S) : S1 = 0
S2 = - 0,21
S3 = - 4,79
)79,4()21,0()79,4)(21,0(
10)(
S
C
S
B
S
A
SSS
SVC
)79,4)(21,0(
)21,0()79,4()21,0)(79,4()(
SSS
SCSSBSSSASVC
Por Semelhança:
10 = AS2 + 0,21AS + 4,79AS + 1,006A + BS2 + 4,79BS + CS2 + 0,21CS
29
S2.0 + S1.0 + S0.10 = S2.(A + B + C) + S1.(5A – 4,79B + 0,21C) + S0.(1,006A)
S2 1,00 A + 1,00 B + 1,00 C = 0 A = 10,00
S1 5,00 A + 4,79 B + 0,21 C = 0 B = -10,45
S0 1,006 A + 0,00 B + 0,00 C = 10 C = 0,45
)79,4(
45,0
)21,0(
45,1010)(
SSS
SVC
tt
C tv 79,421,0 45,0459,1010)(
Os gráficos foram gerados a partir do excel como:
tempo i(t)
0 0
0,1 0,3922
0,2 0,626979
... ...
9,5 0,148255
tempo vR(t)
0 0
0,1 3,922
0,2 6,269793
... ...
9,5 1,482549
tempo vL(t)
0 10
0,1 6,032107
0,2 3,577749
... ...
9,5 -0,061206
tempo vC(t)
0 0
0,1 0,045892
0,2 0,152457
... ...
19,4 9,822253
i(t) = 1,09*EXP(-0,21*A1)-1,09*EXP(-4,79*A1)
vR(t) = 10,9*EXP(-0,21*A1)-10,9*EXP(-4,79*A1)
vL(t) = 10,45*EXP(-4,79*A1)-0,45*EXP(-0,21*A1)
vC(t) = 10-10,45*EXP(-0,21*A1)+0,45*EXP(-4,79*A1)
4. Determine i(t), vR(t), vL(t), vC(t) no domínio do tempo aplicando a T.L.
30
Representação do circuito no Domínio Freqüência Complexa S, ou a T.L.do circuito.
a) Determinação de i(t):
222 97,0)25,0(
5
15,0
5
2
2
122
110
)(
)(
)(
SSSS
S
SSSSZ
SV
SI iRaízes de D(S) : S1 = - 0,25 + j0,97
S2 = - 0,25 - j0,97
Onde S = + j : = - 0,25 : = 0,97
Obs: Quando as raízes são um complexo conjugado, devem ser representadas como:
D(S) = S2 + 0,5S +1 = (S - )2 + 2 = (S + 0,25)2 + 0,97 2
De Tabela
attsenKtf
aS
KSF
)..(.)(
)(
)( 22
Reestruturando I(S) para a forma da Tabela, resulta
222222 97,0)25,0(
97,015,5
97,0)25,0(
97,0
97,0)25,0(
5)(
SS
K
S
SI
31
onde K x 0,97 = 5 K = 5,15
ttsenti 25,0).97,0(.15,5)(
Observa-se que i(t) pode ser representado como o produto de duas funções, ou seja
tt tftsentftxftftsenti 25,0
2121
25,0 .1)()97,0(.15,5)()()().97,0(.15,5)(
Os gráficos das duas funções e de i(t) estão representados a seguir.
b) Determinação de vR(t):
tt
R tsenxtsenxRtitv 25,025,0 ).97,0(.15,51]).97,0(.15,5[)()(
Observa-se que i(t) pode ser representado como o produto de duas funções, ou seja
32
tt tftsentftftftsenti 25,0
2121
25,0 .1)()97,0(.15,5)()(*)().97,0(.15,5)(
Os gráficos de vR(t) são idênticos a i(t).
c) Determinação de vC(t):
15,0
102
15,0
5)()()( 22
SSSSSS
SxZSISV CC
Raízes de D(S) : S1 = 0
S2 = - 0,25 + j0,97
S3 = - 0,25 - j0,97
Por Frações Parciais
15,0
10
15,0
)( 22
SSSSS
B
S
ASVC
o sistema acima resulta: A = 0 e A = 10 ???
Ocorre que, a transformada inversa do segundo termo da fração parcial acima resultará
num cosseno e uma exponencial decrescente. Porém das Tabelas observa-se que, esta
função, deve conter um termo em S no Numerador. Assim, refazer como:
15,0
)15,0(
15,0
10
15,0
)( 2
22
22
SSS
CSBSSSA
SSSSS
CBS
S
ASVC
S2 1,00 A + 1,00 B + 0,00 C = 0 A = 10,00
S1 0,50 A + 0,00 B + 1,00 C = 0 B = -10,00
S0 1,00 A + 0,00 B + 0,00 C = 10 C = -5,00
222 97,0)25,0(
)5,0(1010
15,0
51010)(
S
S
SSS
S
S
SVC
De Tabela
attKtf
aS
aSKSF
)..cos(.)(
)(
)()( 22
Observa-se acima que, o segundo termo de VC(S) não está na forma da tabela. Assim,
utiliza-se um artifício, ou seja
222222 97,0)25,0(
5,2
97,0)25,0(
)25,0(1010
97,0)25,0(
)25,025,0(1010)(
SS
S
SS
S
S
SVC
33
Observa-se agora que o terceiro termo de VC(S) não está na forma da tabela, assim:
222222 97,0)25,0(
97,057,2
97,0)25,0(
97,0
97,0)25,0(
5,2
SS
K
S
onde K x 0,97 = 2,5 K = 2,57
2222 97,0)25,0(
97,057,2
97,0)25,0(
)25,0(1010)(
SS
S
S
SVC
tt
C tsenttv 25,025,0 ).97,0(.57,2).97,0cos(.1010)(
d) Determinação de vL(t):
2222 97,0)25,0(
)25,025,0(10
15,0
102
15,0
5)()()(
S
S
SS
SS
SS
SxZSISV LL
2222 97,0)25,0(
97,057,2
97,0)25,0(
)25,0(10)(
SS
SSVL
tt
L tsenttv 25,025,0 ).97,0(.57,2).97,0cos(.10)(
34
Os gráficos foram gerados a partir do excel como:
tempo i(t)
0 0
0,2 0,94442
0,4 1,76302
... ...
19 -0,01815
tempo vR(t)
0 0
0,2 0,944423
0,4 1,763021
... ...
19 -0,01815
tempo vL(t)
0 10
0,2 8,862558
0,4 7,495988
... ...
19 0,088071
tempo vC(t)
0 0
0,2 0,194852
0,4 0,744414
... 0
19 9,930044
i(t) = vR(t) = 5,15*SEN(0,97*A1)*EXP(-0,25*A1)
vL(t) = 10*COS(0,97*A1)*EXP(-0,25*A1)-2,57*SEN(0,97*A1)*EXP(-0,25*A1)
vC(t) = 10-10*COS(0,97*A1)*EXP(-0,25*A1)-2,57*SEN(0,97*A1)*EXP(-0,25*A1)
5. Para o circuito abaixo, determine os pólos variando R = - a + .
35
15,0
5
2
2
22
110
)(
)(
)( 2
RSSS
S
RSSSSZ
SV
SI i
R Raízes D(S) = S2 + 0,5RS + 1
S1 = 0– S2 = –
100 S1 = – 2 x 10-2 S2 = – 50
( I ) 10 S1 = – 0,21 S2 = – 4,79
(II) 4 S1 = – 1 S2 = – 1
(III) 1 S1 = – 0,25 + j0,97 S2 = – 0,25 – j0,97
(IV) 0 S1 = + J S2 = – j
(V) – 1 S1 = + 0,25 + j0,97 S2 = + 0,25 – j0,97
(VI) – 4 S1 = + 1 S2 = + 1
(VII) – 10 S1 = + 0,21 S2 = + 4,79
– S1 = 0+ S2 = +
O gráfico a seguir, ilustra a representação do Lugar Geométrico das Raízes ou Root
Locus no plano complexo:
S = + j
36
( I ) – Hiperamortecido – Raízes Reais, Negativas e Diferentes
(II) – Criticamente Amortecido – Raízes Reais, Negativas e Iguais
Gráfico muito semelhante ao ( I ) porém com decaimento mais acentuado
(III) – Hipoamortecido – Raízes Complexo Conjugado, com parte Real Negativa
(IV) – Oscilação Constante – Raízes Complexo Conjugado puramente imaginária
37
(V) – Oscilação Crescente (Sistema Instável) – Raízes Complexo Conjugado com parte
Real Positiva
(VI) e (VII) – Exponenciais Crescente (Sistema Instável) – Raízes Reais e Positivas
Observações:
As respostas ( I ) – (II) e (III) representam circuitos estáveis, ou seja, a corrente
tende a um valor real quando o tempo tende a infinito. Neste caso, observa-se que
as raízes sempre tem parte Real Negativa e encontram-se no Semi-Plano Esquerdo
do Plano Complexo S.
As respostas (V) – (VI) e (VII) representam circuitos instáveis, ou seja, a corrente
tende a um valor infinito quando o tempo tende a infinito. Neste caso, observa-se
que as raízes sempre tem parte Real Positiva e encontram-se no Semi-Plano
Direito do Plano Complexo S.
Das considerações anteriores, observa-se que o eixo j é a fronteira entre circuitos
instáveis e estáveis. De fato, o critério do Lugar Geométrico das Raízes ou Root Locus é
utilizado para identificar se um circuito é estável ou instável. Maiores considerações
podem ser encontradas no estudo de Análise de Sistemas ou Sistemas de Controle.
6. Determine a resposta completa no domínio do tempo para todas as tensões e correntes
indicadas.
Representação do circuito no Domínio Freqüência Complexa S, ou a T.L.do circuito.
38
Obs: A determinação das expressões das grandezas (equações) podem ser realizadas a
partir do exposto a seguir, ou considerando o DESENVOLVIMENTO ALGÉBRICO do
EXEMPLO 2. Observa-se que a topologia do circuito é a mesma mudando somente o
valor do capacitor.
a) Determinação de i1(t)
O circuito foi representado da seguinte forma
)33,0(
133,3
)3
1(
1
3
10
3
1
1
3
110
)(
)(
)(
)(
)( 2
2
2
2
2
2
11
1 SSS
SS
SSS
SS
SS
SSx
SSZ
SV
SZR
SV
SI
Tot
ii
A determinação de Z1(S) foi realizada como
S
S
S
Sx
S
S
S
S
SS
S
SZ
222
222
2//222//22)(1
1
)(2
222
44
2)22(
2)22(
)( 2
2
2
2
21
SS
SS
SS
SS
S
SS
S
SxS
SZ
1
)3
1(3
1
133
1
)1()22(1
1
)(2)()( 2
2
2
2
2
22
2
2
11
SS
SS
SS
SS
SS
SSSS
SS
SSRSZSZTot
Raízes de D(S): S1 = 0
S2 = - 0,5 + j0,28
S3 = - 0,5 - j0,28
39
)33,0(
33,0
33,0)33,0(
133,3)(
2
22
22
2
1
SSS
CSBSAASAS
SS
CBS
S
A
SSS
SSSI
Por Semelhança:
S2 1,00 A + 1,00 B + 0,00 C = 3,33 A = 10,00
S1 1,00 A + 0,00 B + 1,00 C = 3,33 B = - 20/3 = - 6,66
S0 0,33 A + 0,00 B + 0,00 C = 3,33 C = - 20/3 = - 6,66
22221 28,0)5,0(
5,0)5,0(66,610
28,0)5,0(
166,610)(
S
S
SS
S
S
SI
22221 28,0)5,0(
5,066,6
28,0)5,0(
5,066,610)(
SS
S
S
SI
O último termo de I1(S) deve ser reescrito como:
89,1128,05,066,6
28,0)5,0(
28,0
28,0)5,0(
5,066,6
2222
KKxx
S
K
S
tt tsentti 5,05,0
1 ).28,0(.89,11).28,0cos(.66,610)(
b) Determinação de vR1(t)Como R1 = 1 vR1(t) i1(t)
tt
R tsenttv 5,05,0
1 ).28,0(.89,11).28,0cos(.66,610)(
40
c) Determinação de vL(t)
Por malha, considerando o circuito original:
)()()(0)()()( 11 SVSVSVSVSVSV RiLLRi
Por malha, considerando o circuito simplificado:
)()()(0)()()( 1111 SVSVSVSVSVSV RiZZRi
Das considerações acima, percebe-se que VL(S) VZ1(S) e VR1(S) I1(S)
22221 28,0)5,0(
28,089,11
28,0)5,0(
)5,0(66,61010)()()(
SS
S
SS
SVSVSV RiL
3
1
)1(
3
20
28,0)5,0(
28,089,11
28,0)5,0(
)5,0(66,6)(
22222 SS
S
SS
SSVL
tt
L tsenttv 5,05,0 ).28,0(.89,11).28,0cos(.66,6)(
41
d) Determinação de i2(t)
)3
1(
)1(
3
10
2
1
3
1
)1(
3
20
)(
)(
)(
222
SSS
S
S
x
SS
S
SZ
SV
SI
L
L
)33,0(
33,0
33,0)33,0(
)1(
3
10)( 2
22
222
SSS
CSBSAASAS
SS
CBS
S
A
SSS
SSI
Por Semelhança:
S2 1,00 A + 1,00 B + 0,00 C = 0,00 A = 10,00
S1 1,00 A + 0,00 B + 1,00 C = 3,33 B = - 10,00
S0 0,33 A + 0,00 B + 0,00 C = 3,33 C = - 20/3 = - 6,66
222222 28,0)5,0(
66,6
28,0)5,0(
1010
3
1
3
201010)(
SS
S
SSS
S
S
SI
22222 28,0)5,0(
66,6
28,0)5,0(
)5,05,0(1010)(
SS
S
S
SI
2222222 28,0)5,0(
66,6
28,0)5,0(
)5,0(10
28,0)5,0(
)5,0(1010)(
SSS
S
S
SI
222222222 28,0)5,0(
66,1
28,0)5,0(
)5,0(1010
28,0)5,0(
566,6
28,0)5,0(
)5,0(1010)(
SS
S
SSS
S
S
SI
O último termo de I2(S) deve ser reescrito como:
42
93,528,066,1
28,0)5,0(
28,0
28,0)5,0(
66,1
2222
KKx
S
K
S
tt tsentti 5,05,0
2 ).28,0(.93,5).28,0cos(1010)(
e) Determinação de i3(t)
33,0
33,3
)33,0(
133,3
)33,0(
133,3)()()(
222
2
213
SS
S
SSS
S
SSS
SSSISISI
2222223 28,0)5,0(
)5,0(33,3
28,0)5,0(
)5,0(33,3
28,0)5,0(
)5,05,0(33,3)(
SS
S
S
SSI
O último termo de I3(S) deve ser reescrito como:
93,528,0)5,0(33,3
28,0)5,0(
28,0
28,0)5,0(
)5,0(33,3
2222
KKxx
S
K
S
x
tt tsentti 5,05,0
3 ).28,0(.93,5).28,0cos(33,3)(
43
f) Determinação de vC(t)
22223 28,0)5,0(
66,6
33,0
66,62
33,0
33,3)()()(
SSSS
x
SS
SSxZSISV CC
79,2328,066,6
28,0)5,0(
28,0
28,0)5,0(
66,6)( 2222
KKx
S
K
S
SVC
t
C tsentv 5,0).28,0(.79,23)(
g) Determinação de vR2(t)
Como R2 = 2 vR2(t) 2.i3(t)
tt
R tsenttv 5,05,0
2 ).28,0(.89,11).28,0cos(.66,6)(
44
Os gráficos foram gerados a partir do excel como:
tempo i1(t)
0 3,340000
0,2 3,381067
0,4 3,493407
... ...
19 10,00044
tempo i2(t)
0 0
0,2 0,665488
0,4 1,321357
... ...
19 9,999937
tempo i3(t)
0 3,330000
0,2 2,708063
0,4 2,166659
... ...
19 0,000506
tempo vR2(t)
0 6,660000
0,2 5,414608
0,4 4,330573
... ...
19 0,001015
tempo vL(t)
0 6,660000
0,2 6,618932
0,4 6,506592
... ...
19 -0,00044
tempo vC(t)
0 0
0,2 1,204830
0,4 2,176933
... ...
19 -0,001462
i1(t) = vR1(t) = 10 - 6,66*COS(0,28*A1)*EXP(-0,5*A1)-11,89*SEN(0,28*A1)*EXP(-0,5*A1)
i2(t) = 10-10*COS(0,28*A1)*EXP(-0,5*A1)-5,93*SEN(0,28*A1)*EXP(-0,5*A1)
i3(t) = 3,33*COS(0,28*A1)*EXP(-0,5*A1)-5,93*SEN(0,28*A1)*EXP(-0,5*A1)
vR2(t) = 6,66*COS(0,28*A1)*EXP(-0,5*A1)-11,89*SEN(0,28*A1)*EXP(-0,5*A1)
vL(t) = + 6,66*COS(0,28*A1)*EXP(-0,5*A1)+11,89*SEN(0,28*A1)*EXP(-0,5*A1)
vC(t) = 23,79*SEN(0,28*A1)*EXP(-0,5*A1)
45
7. Determine i(t).
Representação do circuito no Domínio Freqüência Complexa S, ou a T.L.do circuito.
O circuito acima foi representado genericamente. Isto possibilita uma análise e cálculo
para qualquer circuito RLC série com carga no capacitor e indutor.
Por malha
0)(.1)(.)(..
22
S
VSI
SC
LISISLSIR
S
SVp o
o
22
2222
22
][..1)(
S
S
VxSSLISVp
S
VLI
S
SVp
SC
SLRSI
o
oo
o
S
S
SC
SLR
S
S
VxSSLISVp
SI
o
o
1
][.
)(
22
2222
46
C
LSSR
S
VSVSLISLISVp
SI
oooo
1
.
)(
2
22
22232
L
L
C
RSLSS
VSLISVVpSLI
SI oooo
1
1
1
).(
)(
222
2223
LC
S
L
RSS
L
VSIS
L
VVpSI
SI
o
o
o
o
1
).(
)(
222
2
223
Caso a carga no capacitor esteja com polaridade invertida o termo - Vo2 / L terá sinal
positivo.
Caso a corrente no indutor esteja na direção oposta o termo + Io2 S terá sinal negativo.
Atribuindo os valores do exemplo proposto resulta
6262
9523
1093,829,714.5.10
1014,7105.71,285.645,0)(
xSSS
xSxSSSI
Raízes de D(S): S1 = + j1000
S2 = - j1000
S3 = - 2.857,14 + j874,53
S4 = - 2.857,14 - j874,53
Por Frações Parciais
62626262
9523
1093,829,714.5101093,829,714.5.10
1014,7105.71,285.645,0)(
xSS
DCS
S
BAS
xSSS
xSxSSSI
6262
6262
1093,829,714.5.10
10.1093,829,714.5.)(
xSSS
SDCSxSSBASSI
Fazendo as devidas multiplicações de N(S) da equação acima resulta:
)1028,714.543.571.928.8()28,714.5()( 6123 CBASDBASCAS
47
0912360 1014,7000.50071,285.645,0)1043.571.928.8( SxSSSDBS
Por Semelhança:
S3 1,00 A + 0,00 B + 1,00 C + 0,00 D = 0,50 A = 4,27
S2 5.714,28 A + 1,00 B + 0,00 C + 1,00 D = 64.285,71 B = - 5.929,17
S1 8.928.571,43 A + 5.714,28 B + 106 C + 0,00 D = 500.000,00 C = - 3,77
S0 0,00 A +8.928.571,43B + 0,00 C + 106 D = -7,14 x 109 D = 45.796,20
)()(
83,874)14,857.2(
20,796.4577,3
10
17,929.527,4)( 2262 SISI
S
S
S
SSI HP
Observa-se da expressão acima que a Solução Geral é composta por duas frações,
detalhadas a seguir:
IP Solução Particular Resposta em Regime Permanente Resposta Forçada
Depende da Fonte que alimenta o circuito
IH Solução Homogênea Resposta Transitória Resposta Natural Depende dos
Componentes RLC
62
3
6262 10
1093,5
10
27,4
10
17,929.527,4)(
SS
S
S
SSI P
2222 83,874)14,857.2(
)14,857.214,857.2
77,3
20,796.45(77,3
83,874)14,857.2(
20,796.4577,3)(
S
S
S
SSI H
2222 83,874)14,857.2(
)14,857.253,147.12(77,3
83,874)14,857.2(
)14,857.2(77,3)(
SS
SSI H
O último termo de IH(S) deve ser reescrito como:
2222 83,874)14,857.2(
83,874
83,874)14,857.2(
)14,857.253,147.12(77,3
S
K
S
66,64
83.874
)14,857.253,147.12(77,3)14,857.253,147.12(77,383.874
KKx
tt tsenttsentti 14,285714,2857 ).83,874(.66,64).83,874cos(.77,3)1000.(.93,5)1000cos(.27,4)(
Os gráficos a seguir mostram as soluções Homogênea, Particular e Geral respectivamente.
48
Os gráficos foram gerados a partir do excel como:
tempo iH(t)
0 -3,77000
0,0001 -7,06766
0,0002 -8,45276
... ...
0,0094 -1,2E-10
tempo iP(t)
0 4,270000
0,0001 3,656656
0,0002 3,006775
... ...
0,0094 -4,41561
tempo iG(t)
0 0,50000
0,0001 -3,41101
0,0002 -5,44599
... ...
0,0094 -4,41561
iH(t) = =-3,77*COS(874,83*A1)*EXP(-2857,14*A1)-64,66*SEN(874,83*A1)*EXP(-2857,14*A1)
iP(t) = =4,27*COS(1000*A1)-5,93*SEN(1000*A1)
iG(t) = iH(t) + iP(t)