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Figura 14.76 Uso do PSpice na análise da resposta de um capacitor a um sinal alternado senoidal. Figura 14.77 Gráficos da tensão, corrente e potência para o capacitor visto na Figura 14.76. Capítulo 14 Os dispositivos básicos e os fasores 525 tempo de 3 ms. A forma de onda da corrente no capacitor pode ser acrescentada ao gráfico selecionando - e escolhendo seguido do botão . O resultado é a forma de onda de que aparece com um deslocamento de fase de 90° a partir da tensão aplicada, sendo a corrente adiantada em relação à tensão (a corrente já está no valor de pico enquanto a tensão cruza o eixo em faixa de valor, o valor 5 que aparece na escala vertical pode ser usado para ambas. Por meio de uma análise teórica, teríamos XC IC = E/XC = 5 Para praticar, vamos obter a curva da potência for- necida para o capacitor ao longo do mesmo período de tempo. Primeiro selecione - para obter a caixa de diálogo . Então, escolha seguido de um asterisco (*) para multiplicação, e termine selecionando . O resultado é a expressão V no formato de p = i. Clique em e a curva da potência, vista na parte superior da Figura 14.77, aparecerá. Note que, ao longo dos três ciclos, as áreas acima e abaixo do eixo são iguais — não há uma transferência de potência ao longo de um intervalo de 3 ms. Note também que a curva da potência é senoidal (que é muito interessante) com o dobro da frequência do sinal aplicado. Usando o cursor, podemos determinar que a potência máxima (valor de realidade, foram acrescentados às curvas da parte inferior para mostrar os valores de pico da senoide aplicada e da corrente resultante. Após a seleção do ícone , clique com o botão esquerdo do mouse em torno de na parte de baixo da curva com uma linha tracejada para mostrar que o cursor está fornecendo os níveis daquela grandeza. caixa de diálogo . Colocando o cursor sobre o símbolo próximo a , na parte de baixo do gráfico, e clicando com o botão direito do mouse o cursor direito para a corrente será designado. Colocá-lo exatamente a 1 ms coincidindo com o valor calculado anteriormente. Para facilitar a distinção entre as curvas de tensão e a corrente, a cor e a espessura das linhas das curvas foram alteradas. Coloque o cursor da direita sobre a curva e clique com o botão direito do mouse. Em seguida, a opção aparecerá. Quando é selecionada, a caixa de diálogo aparece, na qual a cor amarela (yellow) pode ser selecionada e a largura aumentada para escolher o amarelo para e o verde para . Observe também que o eixo e a grade tiveram suas cores alteradas para tons mais visíveis por meio do mesmo procedimento. Multisim Como o PSpice revisou a resposta de um dispositivo capacitivo a uma tensão CA, o Multisim repete a análise para um dispositivo indutivo. A fonte de tensão CA foi derivada da aba , conforme descrito no Ca- pítulo 13, com os valores que aparecem na Figura 14.78 definidos na caixa de diálogo AC-Voltage. Quando o circuito tiver sido construído, a sequência resultará em uma caixa de diálogo em que é definida em 0 s e em 105 ms. Os 105 ms foram definidos como para dar ao circuito 100 ms para Figura 14.78 Uso do Multisim para rever a resposta de um dispositivo indutivo a um sinal alternado senoidal. 526 Introdução à análise de circuitos se estabelecer em seu modo de estado constante e 5 ms para cinco ciclos na tela de saída. foi definido em 10.000, para garantir uma boa exibição para as formas de onda que mudam rapidamente. Em seguida, o cabeçalho foi escolhido den- tro da caixa de diálogo e a tensão da fonte e a corrente da fonte foram movidos de para usando a opção Add. A escolha de resulta em uma forma de onda que se estende de 0 s a 105 ms. Embora planejemos salvar apenas a resposta que ocorre após 100 ms, o computador não conhece nosso interesse, e desenha a resposta para o período inteiro. Isso é corrigido selecionando o botão na barra de ferramentas no alto do gráfico (ele se parece com uma etiqueta e um lápis) para obter a caixa de diálogo . A seleção de permite a definição de desde um até um . Clique em e o período de tempo da Figura 14.78 será exibido. A estrutura de grade é acrescentada selecionando o botão , e a cor associada a cada curva é exi- bida se escolhermos o botão ao seu lado. Pelo gráfico, fica claro que a escala para a corrente da fonte precisa ser melhorada para que possamos ler seus valores de pico e negativo com clareza. Isso é feito primeiro clicando na curva para definir o na parte inferior do gráfico como . Um cli- que do botão direito possibilita a escolha da opção para obter a caixa de diálogo - . Sob , selecione para estabelecer o eixo direito como a escala a ser usada para e insira a , selecione no cabeçalho e finalmente escolha como 1. A é e o intervalo é –500E–3 a 500E–3 (–500 mA a 500 mA), com de 8 e resultado é o gráfico da Figura 14.78. O eixo da direita agora pode ser melhorado selecionando novamente, seguido por , onde a pode ser excluída. Podemos agora ver que a corrente da fonte tem um valor de pico de aproximadamente 160 mA. Para obter mais detalhes sobre as formas de onda, selecio- ne o botão para obter a caixa de diálogo com as caixas e listadas com os mesmos cabeçalhos coloridos que foram usados no gráfico. Clicando em um dos cursores e movendo-o na horizontal para o valor máximo da corrente resultará em = 101,0 ms, com em 158,91 mA. Na realidade, o aparece abaixo, em 159,07 mA, e poderia ter sido obtido se tivéssemos aumentado o número de pontos de dados. Mover o outro cursor para encontrar o valor mínimo da corrente resultará em mA (o mais próximo do valor 1 possível com essa defi- nição de nível). O valor máximo de aparece abaixo, máximo de e seu valor mínimo é do sinal aplicado. PROBLEMAS Seção 14.2 A derivada Faça o gráfico da expressão a seguir em função do tempo para um período completo. Em seguida, determine a de- rivada da função usando a Equação 14.1 e plote um ciclo completo da derivada no mesmo gráfico que a função original. Compare o valor da derivada em vários pontos em função da inclinação da função senoidal original. t Repita o Problema 1 para a função senoidal a seguir e das derivadas. t Qual é a derivada de cada uma das expressões senoidais a seguir? 10 sen 377t 2 Seção 14.3 Resposta dos dispositivos básicos R, L e C a uma tensão ou a uma corrente senoidal As expressões a seguir representam a tensão em um resistor i no mesmo gráfico. t 30 sen(377t + t + 10°) t + 40°) As expressões a seguir representam a corrente em um re- i no mesmo gráfico. 0,1 sen 1000t –3 sen(400t Corrente contínua 60 Hz 4 kHz Capítulo 14 Os dispositivos básicos e os fasores 527 f = 14,47 kHz. f = 5,3 kHz. A seguir, são dadas as expressões para a corrente em uma para a tensão em cada caso? Plote as formas de onda se- i no mesmo gráfico. i = 5 sen t i = –3 t + 60°) i t – 30°) A seguir, é dada a expressão da corrente em uma bobina de 0,1 H. Qual é a expressão senoidal para a tensão em cada caso? 10 sen 100t –6 sen(400t expressões a seguir. Qual a expressão senoidal para a i no mesmo gráfico. t t As expressões a seguir são relativas à tensão em um indutor cada caso? 1,5 sen 60t –3 sen(10t Calcule a reatância capacitiva (em ohms) de um capacitor de 5 μF em Corrente contínua 60 Hz f f = 34 kHz. seguir. Qual a expressão senoidal para a corrente em cada i no mesmo gráfico. t –3 t + 40°) A seguir, são apresentadas as expressões para a tensão apli- cada em um capacitor de 1 μF. Qual a expressão senoidal para a corrente em cada caso? t –3 sen 377t As expressões a seguir se referem à corrente em uma senoidais para a tensão em cada caso. Esboce as formas i no mesmo gráfico. i = –3 t i = –6 t + 60°) Algumas expressões para a corrente em um capacitor de 0,56 μF são dadas a seguir. Qual é, em cada caso, a expressãopara a tensão no capacitor? t –3 sen(377t – 30°) No caso dos pares de expressões para tensão e corrente dados a seguir, indique se o dispositivo envolvido é um capacitor, um indutor ou um resistor e os valores de C, L e R = 550 sen(377t + 50°) i = 11 sen(377t – 40°) = 36 sen(754t – 80°) i = 4 sen(754t – 170°) = t – 13°) i t – 13°) = t i t = 80 sen(157t + 150°) i t + 60°) = t – i t – 110°) Seção 14.4 Respostas em frequência dos dispositivos básicos Faça o gráfico de XL em função da frequência para um indutor de 3 mH, de zero a 100 kHz, usando uma escala linear. Faça o gráfico de XC em função da frequência para um capacitor de 1 μF, de zero a 10 kHz, utilizando uma escala linear. Em que frequência a reatância de um capacitor de 1 μF é A reatância de um indutor é igual à resistência de um resis- do indutor? indutor de 10 mH têm a mesma reatância. uma reatância capacitiva de mesmo valor que a de uma Seção 14.5 Potência média e fator de potência Calcule a perda média de potência e o fator de potência para os circuitos nos quais a corrente e a tensão de entrada t + 30°) i t + 60°) t i t t + 80°) i t t – 5°) i t + 35°) Se a corrente em um dispositivo for dada por i t t + 40°), calcule a potência pelas expressões I R, (VmIm/ ) VI - Qual é o fator de potência? Repita o problema para uma 528 Introdução à análise de circuitos O fator de potência de um circuito é de 0,5 atrasado. A t + 10°), determine a expressão senoidal para a corrente de entrada. Na Figura 14.79, e t Qual é a expressão senoidal para a corrente? Calcule a dissipação de potência no circuito. Qual o tempo necessário, em segundos, para que a corrente complete seis ciclos? Na Figura 14.80, e t + 60°). i. Calcule o valor da indutância L. Qual é o seu valor- -padrão provável em mH? Na Figura 14.81, i –3 t e. C em microfarads. Qual é o valor-padrão provável em μF? i1 e i . is combinando os dois capacitores paralelos. - s. i1 e i . Seção 14.9 Conversão entre as duas formas Converta os seguintes números na forma polar. 4 + j3 j 4 + j 1000 + j50 –1.000 + j4000 –0,4 + j0,08 Converta os seguintes números na forma polar. –8 – j16 +8 – j4 j0,003 –3 – j –3 j –1000 + j Converta os seguintes números na forma retangular. 6 ∠40° ∠ ° ∠–90° 0,0064 ∠ 48 ∠ –4 ∠ Converta os seguintes números na forma retangular. ∠0,15° ∠–60° 0,006 ∠ –3 ∠ 15 ∠+180° ∠–89,9° Seção 14.10 Operações matemáticas com números complexos j6,8) + (7,6 + j j7) + (9,8 + j j0,9) –6 + j –7 – j5) (9,8 + j j4,6) (167 + j j68) (–36,0 + j78) – (–4 – j6) + (10,8 – j e + – R = 6,8 i Figura 14.79 XL = 30 i e + – Figura 14.80 Problema 33. e i + – XC = 2,4 k Figura 14.81 Problema 34. e is + – e = 120 sen (104t + 60°) C2 10 FC1 2 F i1 i2 Figura 14.82 Problema 35. s + – L2 120 mHL1 i1 i2 is 60 mH is = 24 sen (103t + 30°) Figura 14.83 Problema 36. Capítulo 14 Os dispositivos básicos e os fasores 529 Efetue as seguintes operações com números polares e deixe 6 ∠ ∠80° ∠ ∠60° – 70 ∠ ∠ – 10 ∠–150° + 8 ∠ + 8 ∠ j3)(6 + j8) (7,8 + j1)(4 + j j6) (400 – j j0,5)(–1 + j3) ∠60°)(4 ∠–40°) (6,9 ∠ ∠ ∠ ∠ ∠+80°) ∠10°)/(7 ∠60°) (0,006 ∠ ∠+60°) (4.360 ∠ ∠ Efetue as seguintes divisões e deixe a resposta em forma (8 + j j (8 + j j4) (–4,5 – j6)/(0,1 – j0,8) Efetue as operações a seguir e expresse as respostas em 4 3 6 8 3 3 2 3 +( ) + −( ) +( ) − +( ) j j j j 8 60 2 0 100 400 ∠ ° ∠ °( ) + +( )j 6 20 120 40 3 8 2 30 ∠ °( ) ∠ − °( ) +( ) ∠ − ° j Efetue as operações a seguir e expresse as respostas em 0 4 60 300 40 3 9 2, ∠ °( ) ∠ °( ) + j 1 0 02 10 2 1 6 9002 3 2, ∠ °( ) ⎛ ⎝ ⎜ ⎞ ⎠ ⎟ ⎛ ⎝⎜ ⎞ ⎠⎟ − ⎛ ⎝⎜ ⎞ ⎠⎟j j x e y se (x + j4) + (3x + jy) – j7 = 16 ∠0° x se (10 ∠ x ∠–60°) = 30,64 – j x e y se (5x + j jy) = 90 – j70 80 0 20 3 464 2∠ ° ∠ = − θ , j Seção 14.12 Fasores 2 t + 30°) 2 –3) sen(157t – 40°) t – 90°) t – 180°) –6 t –6 cos(754t Expresse os seguintes fasores relativos a correntes e tensões senoidais de 60 Hz. I = 40 A ∠ V ∠10° = 8 10–3 A ∠–110° V V= ∠ − °6000 2 180 Para o sistema mostrado na Figura 14.84, determine a a sabendo ein = 60 sen(377t + 45°) b = t – 45°) Para o sistema mostrado na Figura 14.85, determine a ex- pressão senoidal para a corrente desconhecida i1 sabendo is = –6 t + 60°) i = 6 –6 t – 30°) a no sistema visto na Figura 14.86 se ein = t + 30°) b = t + 60°) c = t + i1 no cir- cuito da Figura 14.87 sabendo que is = 18 10–3 sen(377t + 180°) i = 8 –3 sen(377t – 180°) i3 = i + – + –a b + – ein Figura 14.84 Problema 55. is i1 i2 Figura 14.85 Problema 56. 530 Introdução à análise de circuitos is i1 i3 i2 Figura 14.87 Problema 58. Seção 14.13 Análise computacional PSpice ou Multisim Faça o gráfico de iC C em função do tempo para o circuito mostrado na Figura 14.76 para dois ciclos da frequência Faça o gráfico da magnitude e do ângulo de fase da cor- rente iC em função da frequência (100 Hz a 100 kHz) para o circuito visto na Figura 14.76. Faça o gráfico da impedância total da configuração do - quência (100 kHz a 100 MHz) para os seguintes valores C = 0,1 μF, Ls Rs RP ‘capacitivo’? Glossário Número complexo obtido a partir da troca de sinal da componente imaginária de um número complexo na forma retangular. Taxa instantânea de variação de uma função em relação ao tempo ou outra variável independente. Representação ‘instantânea’ dos fasores que representam formas de onda senoidais em t = 0 s. deter- minado ângulo a partir do eixo real positivo e que representa uma tensão ou uma corrente senoidal no domínio do vetor. FP Indicação de quanto um sistema elétrico é reativo ou resistivo. Quanto maior o fator de potência, maior a componente resistiva. Indicação da condição de que um circuito é capacitivo ou indutivo por natureza. Os fatores de potência adiantados estão associados a circuitos capacitivos, e os atrasados, a circuitos indutivos. Método que define um ponto em um plano com- plexo através de um módulo, que representa a distância da origem, e um ângulo, que expressa a distância do eixo real positivo no sentido horário. Método de definir um ponto em um plano complexo através dos valores das componentes real e imagi- nária, sendo esta última associada à letra j. Número que representa um ponto em um plano bidimensional referenciado a dois eixos distintos. Ele define um vetor desenhado da origem até o ponto. Potência fornecida a uma carga e por ela dissipada em um período completo. Oposição de um indutor ou de um capacitor à cor- rente que resulta em uma troca contínua de energia entre o circuito e o campo magnético de um indutor ou entre o circuito e o campo elétrico de um capacitor. Forma que é definida por 1 dividido pelo número complexo. + – + –a b + – ein – +c Figura 14.86 Problema 57. Capítulo 14 Os dispositivos básicos e os fasores 531 Circuitos de correntes alternadas em série e em paralelo Objetivos Familiarizar-se com as características dos circuitos CA em série e em paralelo e determinar os níveis de corrente, tensão e potência para cada elemento. Determinar a impedância total de qualquer série de circuitos CA em série ou em paralelo e criar o diagrama de impedância e admitância de cada um. Desenvolver segurança na aplicação das leis de Kirchhoff para correntes e tensões a qualquer configuração em série ou paralelo. Ser capaz de aplicar a regra dos divisores de tensão ou de corrente a qualquer circuito CA. Adquirir habilidade na descoberta da resposta em frequência de uma combinação de elementos em série ou em paralelo. 15.1 INTRODUÇÃO Neste capítulo, a álgebra dos fasores será usada para desenvolver um método de solução rápido e direto para problemas envolvendo circuitos CA em série e em paralelo. A estreita relação que existe entre esse método usado para o cálculo de grandezas desconhecidas e o mé-todo usado em circuitos de corrente contínua se tornará evidente após examinarmos alguns exemplos simples. Uma vez estabelecida essa associação, muitas das regras usadas em circuitos de corrente contínua (regra dos diviso- res de corrente, regra dos divisores de tensão etc.) podem ser facilmente aplicadas a circuitos de corrente alternada. 15.2 IMPEDÂNCIA E O DIAGRAMA DE FASORES Elementos resistivos No Capítulo 14, vimos que, para o circuito puramen- i estão em fase e suas amplitudes são dadas por: Im = Vm / R ou Vm = ImR Em forma fasorial: Vm t ⇒ V = V ∠0° onde V = 0,707 Vm. Aplicando a lei de Ohm por meio da utilização da álgebra dos fasores, temos: I = ∠ ° ∠ =V R V RR 0 θ R Como i i deve R tem de ser R = 0°, encontramos: I = ∠ ° ∠ ° =V R V R 0 0 ∠ 10°– 7° = V R ∠ °0 R Vm t + – i Im t Figura 15.1 Circuito resistivo de corrente alternada. de maneira que, no domínio do tempo: i V R t= ⎛ ⎝⎜ ⎞ ⎠⎟ 2 sen ω R = 0° ser empregado na forma polar a seguir garante uma relação de fase adequada entre a tensão e a corrente em um resistor: ZR = R ∠ 0° (15.1) A grandeza ZR em negrito, que tem um módulo e um ângulo associado, é denominada impedância do elemento resistivo. Ela é medida em ohms e indica quanto o elemen- to ‘impede’ a passagem de corrente no circuito. O formato usado acima se mostrará uma ‘ferramenta’ bastante útil quando analisarmos circuitos mais complexos e as relações de fase não forem tão óbvias. Entretanto, é importante entender que ZR não é um fasor, embora a notação R ∠0° seja semelhante à notação fasorial usada para correntes e tensões senoidais. O termo fasor é reservado a grandezas que variam no tempo, sendo R e o seu ângulo, associados de 0°, grandezas fixas. EXEMPLO 15.1 Usando a álgebra dos números complexos, determine a corrente i no circuito da Figura 15.2. Faça um esboço i. Solução: Observe a Figura 15.3: t ⇒ forma fasorial 70,71 V ∠0° I V Z = = ∠ ∠ ° = ∠ ° ∠ ° = ∠ ° R V R θ 0 70 71 0 5 0 14 14 0, ,V A Ω e i = 2 t = t EXEMPLO 15.2 Usando a álgebra dos números complexos, determine i. Solução: Observe a Figura 15.5: i t + 30°) ⇒ forma fasorial I = 2,828 A ∠30° V = IZR = (I ∠ R ∠0°) = (2,828 A ∠30°)(2 ∠0°) = 5,656 V ∠30° 2 t + 30°) Normalmente, é útil fazer a análise de um circuito tendo um , que dá uma visão imediata dos módulos e das relações de fase para as várias gran- dezas associadas ao circuito. Por exemplo, os diagramas de fasores considerados nos dois exemplos precedentes seriam os ilustrados na Figura 15.6. Em ambos os casos, i estão em fase, pois as duas quantidades têm o mesmo ângulo de fase. Reatância indutiva Aprendemos no Capítulo 13 que, no caso do indutor puro visto na Figura 15.7, a tensão está adiantada 90° em 5 = 100 sen t + – i Figura 15.2 Exemplo 15.1. 100 V 0 20 A 2 2 3 2 t i Figura 15.3 Formas de onda para o Exemplo 15.1. + – 2 ii = 4 sen( t + 30°) Figura 15.4 Exemplo 15.2. 8 V 0 4 A t i 30° 2 2 3 2 Figura 15.5 Formas de onda para o Exemplo 15.2. Capítulo 15 Circuitos de correntes alternadas em série e em paralelo 533 relação à corrente e que a reatância do indutor, XL, é dada L. Temos, então, = Vm sen t ⇒ forma fasorial = V ∠ 0° Pela lei de Ohm: I = ∠ ° ∠ =V X V XL L L 0 θ L i, a corrente deve ter um ângulo de –90° associado a ela. Para satisfazer L tem de ser igual a +90°. Substituindo esse valor na expressão acima, obtemos: I = ∠ ° ∠ ° =V X V XL L 0 90 ∠0°– 90° = V XL ∠ − °90 de maneira que, no domínio do tempo, i V X t L = ⎛ ⎝⎜ ⎞ ⎠⎟ − °( )2 90sen ω L = 90° será usado na notação em forma polar, para a reatância indutiva, para garantir a relação de fase apropriada entre a tensão e a corrente em um indutor: ZL = XL ∠ – 90° (15.2) A grandeza ZL, em negrito, que tem um módulo e um ângulo associado, é denominada impedância do indutor. É medida em ohms e indica quanto o indutor ‘controla ou impede’ a passagem de corrente no circuito (sempre tenha em mente que indutores puros só podem armazenar energia, nunca dissipá-la como os resistores). A notação acima, assim como no caso dos resistores, será uma ferramenta útil na análise de circuitos de corrente alternada. Novamente, é importante ressaltar que ZL não é uma grandeza fasorial pelos mesmos motivos indicados no caso de um elemento resistivo. EXEMPLO 15.3 Usando a álgebra dos números complexos, determine a corrente i no circuito visto na Figura 15.8. Esboce o i. Solução: Observe a Figura 15.9: t ⇒ forma fasorial V = 16,968 V ∠ 0° I V Z = = ∠ ∠ ° = ∠ ° ∠ ° = ∠ − ° L L V X θ 90 16 968 0 3 90 5 656 90, ,V A Ω e i = 2 t – 90°) = t EXEMPLO 15.4 Usando a álgebra dos números complexos, determine i. (a) + j 14,14 A 70,7 V I V (b) + j I V 5,5 65 V 2,8 28 A 30° Figura 15.6 Diagramas de fasores para os exemplos 15.1 e 15.2. XL = L Vm t + – i Figura 15.7 Circuito CA indutivo. t + – i XL Figura 15.8 Exemplo 15.3. 534 Introdução à análise de circuitos 15. CIRCUITOS DE CORRENTES ALTERNADAS EM SÉRIE E EM PARALELO 15.1 Introdução 15.2 Impedância e o diagrama de fasores