Módulo 3 - peb.ufrj
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Universidade Federal do Rio de Janeiro Circuitos Elétricos I – EEL420 Módulo 3 Conteúdo 3 – Teoremas e análise sistemática de redes...............................................................................1 3.1 – Revisão de definições....................................................................................................1 3.2 – Análise de nós e malhas................................................................................................1 3.2.1 – Análise de nós........................................................................................................1 3.2.2 – Análise de malhas..................................................................................................3 3.3 – Teoremas de rede e transformações de fontes...............................................................5 3.3.1 – Teorema da superposição......................................................................................6 3.3.2 – Teorema de Thévenin-Norton................................................................................7 3.3.3 – Explosão (transformação ou deslocamento) de fontes..........................................9 3.4 – Grafos de rede e teorema de Tellegen.........................................................................11 3.4.1 – Conceito e definições de grafos...........................................................................11 3.4.2 – Cortes e lei das correntes de Kirchhoff................................................................12 3.4.3 – Teorema de Tellegen...........................................................................................14 3.5 – Grafos de rede aplicados a análise de nós...................................................................14 3.6 – Grafos de rede aplicados a análise de malhas..............................................................19 3.7 – Exercícios....................................................................................................................20 3.8 – Soluções.......................................................................................................................24 Circuitos Elétricos I – EEL420 – UFRJ – Apostila não é livro. Estude pelo livro! 2 3 Teoremas e análise sistemática de redes 3.1 Revisão de definições Revisando os conceitos anteriores podemos classificar os circuitos como: Circuitos Lineares, onde cada elemento do circuito é linear ou uma fonte independente; Circuito Invariante, onde cada elemento do circuito é invariante ou uma fonte independente; Circuito Linear e Invariante, onde cada elemento do circuito é linear e invariante ou uma fonte independente; além dos Circuitos Não Lineares ou dos Circuitos Variantes, que não são lineares ou não são invariantes. Nestas definições as fontes independentes precisam ser tratadas separadamente pois elas exercem um papel diferente dos demais elementos da rede. Além disto todas as fontes independentes são elementos não lineares (suas características v × i correspondem a uma linha reta que não passa pela origem). 3.2 Análise de nós e malhas A solução de problemas de pequeno tamanho pode ser feita facilmente obtida empregando-se sistematicamente as duas leis de Kirchhoff. Destes métodos resultam um sistema de equações de tamanho igual ao número de nós ou malhas independentes da rede. Por esta razão este método é apropriado para o cálculo computacional da solução ou para análise de problemas pequenos. 3.2.1 Análise de nós Para ilustrar esta técnica de resolução sistemática de circuitos considere a figura abaixo. Circuitos Elétricos I – EEL420 – UFRJ – Apostila não é livro. Estude pelo livro! 1 Primeiro deve-se contar os nós essenciais (nós A, B e C). Como as tensões V AC VBC e VAB se relacionam pela lei das tensões de Kirchhoff, apenas duas destas tensões são independentes, a terceira é uma combinação linear das anteriores. Sendo assim, é possível escrever duas equações independentes para as tensões de nós. Quaisquer duas tensões podem ser utilizadas, mas, normalmente, se escolhem as tensões com relação ao nó de referência (terra). Assim, chamamos de tensão de nó a diferença de potencial entre um determinado nó e a referência. No exemplo, as tensões dos nós serão V A e VB. Assim, para uma rede com n nós essenciais existe n-1 equações de tensões independentes. Resolvendo o problema para as tensões dos nós todas as tensões de braço também ficam determinadas. As correntes de braço podem ser especificadas em função das equações de braço impostas pelos elementos individualmente ou pelas leis de Kirchhoff (para o caso das fontes). Para escrever as equações dos nós usamos a lei das correntes de Kirchhoff. Assim para o exemplo em questão temos para o nó A i 1i 2is1=0 v A−0 v A – v B is1=0 , e R1 R2 para o nó B i 3i 4i 5=0 v B −v A v B −v 1 v B −0 =0 . R2 R4 R3 Reescrevendo as equações para os nós A e B, respectivamente, temos v A⋅ 1 1 1 −v B⋅ =−is1 R1 R2 R2 −v A⋅ 1 1 1 1 1 v B⋅ =v 1⋅ R2 R2 R3 R4 R4 Circuitos Elétricos I – EEL420 – UFRJ – Apostila não é livro. Estude pelo livro! 2 Desta forma obtemos um sistema de equações com duas incógnitas e duas equações que pode ser resolvido sem maiores problemas. Como solução para o problema obteremos as tensões em cada nó. As correntes de cada ramo ficam definidas pela tensão e pelo valor da resistência, ou pelo valor da fonte de corrente. As correntes nas fontes de tensão podem ser determinadas pela LCK. Observe que há uma lei de formação para o sistema de equações obtido. Isto significa que ele poderia ter sido obtido por inspeção da rede. Para um determinado nó N a equação é obtida da seguinte forma: A tensão do nó N multiplicada pelo somatório das condutâncias que vão do nó N aos nós J. Esta parcela é subtraída das tensões nos nós J multiplicadas pelas condutâncias que interligam os nós J ao nó N. O resultado é igual a soma das fontes de correntes que saem do nó N multiplicadas por –1. v N⋅∑ G NJ – ∑ v J⋅G JN =−∑ i N onde G XY é a condutância que liga o nó X ao nó Y. 3.2.2 Análise de malhas Um outro método de analisar uma rede genérica é o método das malhas. Para ilustrar sua aplicação considere a figura a seguir. Inicialmente contamos o número de malhas essenciais (malhas M1, M2 e M3). Para cada malha estipula-se uma corrente com sentido de referência arbitrário (IM1, IM2 e IM3). A Circuitos Elétricos I – EEL420 – UFRJ – Apostila não é livro. Estude pelo livro! 3 partir do sentido de referência arbitrado os sentidos das tensões de referência também ficam bem definidos. A partir dos sentidos de tensão e utilizando a lei das tensões de Kirchhoff podemos escrever as equações que regem as correntes de cada malha. Em elementos que pertencem a mais de uma malha, a corrente resultante será a soma algébrica das correntes de cada malha, levando-se em conta o sentido de cada corrente. Para o circuito acima, percorrendo as malhas no sentido horário, com ponto de partida inferior esquerdo, temos para a malha 1 −v1v R2v R3v2v R1=0 −v1R 2⋅ IM1−IM3 R3⋅ IM1− IM2v2R1⋅ IM1=0 , para a malha 2 −v2v R3v R4 v R5v R6 =0 −v2 R3⋅ IM2− IM1R4⋅ IM2−IM3R5⋅IM2 R6⋅IM2=0 , e para a malha 3 v R7 −v3v R4 v R2=0 R7⋅ IM3−v3R 4⋅ IM3− IM2R 2⋅ IM3−IM1=0 . Reescrevendo as equações temos IM1⋅ R1R2R 3−IM2⋅ R3 −IM3⋅ R 2=v1−v2 −IM1⋅ R3 IM2⋅ R3R 4R5 R6− IM3⋅ R 4=v2 −IM1⋅ R2 −IM2⋅ R4 IM3⋅ R2R4 R7 =v3 Que resulta num sistema com três equações e três incógnitas que pode ser resolvido de forma simples. As correntes de ramo podem ser determinadas por uma simples relação algébrica entre correntes de malha. i1=−IM1 , i2=IM2 Circuitos Elétricos I – EEL420 – UFRJ – Apostila não é livro. Estude pelo livro! 4 i3=−IM3 , i4=IM1− IM2 i5=IM2−IM3 As tensões de ramo podem ser obtidas a partir dos valores das fontes de tensão e das quedas de tensão sobre os resistores. As tensões sobre as fontes de corrente deve ser determinada pela LTK. Observe que há uma lei de formação para o sistema de equações que determinam as correntes de malha de modo que ele poderia ter sido obtido por simples inspeção da rede. Para uma determinada malha M a equação é obtida da seguinte maneira: A corrente da malha M multiplica o somatório de todas as resistências que compõe a malha. Esta parcela deve ser subtraída das demais correntes de malha multiplicas pelas resistências em comum com a malha M. O resultado é igual ao somatório das fontes de tensão da malha multiplicado por –1. i M⋅∑ RMJ – ∑ i J⋅R JM =−∑ v M onde R XY é a resistência da malha X que também pertence a malha Y. 3.3 Teoremas de rede e transformações de fontes Apesar das leis de Kirchhoff se aplicarem a todas as classes de problemas que serão estudados nesta disciplina nem sempre seu uso é simples. Algumas vezes é necessário montar grandes sistemas de equações para solucionar um determinado circuito. Computacionalmente falando isto não representa uma dificuldade, porém para análise manual de circuitos a solução de sistemas de equações com ordem superior a três pode se tornar bastante trabalhosa. Adicionalmente, durante o projeto de circuitos estas técnicas podem não ser de muita utilidade. Para nossa sorte, muitas vezes é possível calcular uma determinada variável de rede simplificando a rede original. Isto pode ser realizado utilizando-se alguns teoremas, associações e transformações de elementos. Estas simplificações podem ser aplicadas sem medo desde que a resposta desejada não se encontre junto aos elementos simplificados. Quando as simplificações forem realizadas eliminando ou modificando a resposta desejada deve se ter o cuidado de retornar ao problema original para desfazer as simplificações iniciais. Circuitos Elétricos I – EEL420 – UFRJ – Apostila não é livro. Estude pelo livro! 5 3.3.1 Teorema da superposição Seja uma rede linear, que apresente apenas uma resposta para o conjunto de excitação (conjunto de fontes independentes que excita o circuito), independente dos elementos serem variáveis ou não com o tempo, então a resposta da rede causada por várias fontes independentes é a soma das respostas devidas a cada fonte independente agindo sozinha. Em outras palavras, se desejarmos analisar um circuito que contenha muitas fontes independentes podemos analisar a resposta da rede (circuito) para cada fonte em separado (considerando que as demais fontes têm valor nulo – curto circuito para as fontes de tensão e circuito aberto para as fontes de corrente) e depois somar todas as respostas. Exemplo: Calcular V 1 e V 2 . Considerando como nó de referência o nó de baixo e equacionando o nó de cima (2) v 2−v s v – i s + 2 =0 R1 R2 ( ) v 2= i s + v s R 1⋅R 2 14 2 ⋅ = V , v 1=v s−v2 =− V 3 R 1 R 1+ R 2 3 Por superposição temos que v 2 (v s , i s)=v 2 (v s , i s=0)+ v 2 (v s =0,i s ) e v 1 v s , i s =v 1 v s ,i s=0v1 v s=0, i s então Circuitos Elétricos I – EEL420 – UFRJ – Apostila não é livro. Estude pelo livro! 6 [ vs 4 2 14 ⋅R2 [ i s⋅R EQ ]= ⋅23⋅ = V e R1R2 3 3 3 [ vs 4 2 2 ⋅R1 + [−i s⋅R EQ ]= ⋅1 – 3⋅ =− V R1 + R 2 3 3 3 v2= v 1= ] ] 3.3.2 Teorema de Thévenin-Norton Seja uma rede linear ligada a uma carga por dois de seus terminais de forma que a única interação entre rede e carga se dá através destes terminais, então o teorema de ThéveninNorton afirma que as formas de onda de tensão e corrente nestes terminais não se afetam se a rede for substituída por uma rede Thévenin equivalente ou Norton equivalente. Para se obter esta rede equivalente basta determinar a relação v × i nos terminais da rede. Isto pode ser realizado de forma genérica aplicando-se uma fonte de corrente de valor I nos terminais da rede e determinando a equação da tensão V sobre esta fonte. Qualquer outra forma de determinar a reta v × i pode ser utilizada. Por exemplo, quando a rede em análise apresenta apenas elementos lineares e fontes independentes podemos obter os equivalentes Thévenin ou Norton da seguinte maneira: 1) A determinação da tensão de Thévenin corresponde a tensão entre os terminais para os quais estamos buscando o equivalente (os terminais devem ser mantidos em circuito aberto). 2) A determinação da corrente de Norton corresponde a corrente que circularia pelos terminais para os quais se deseja determinar o equivalente caso eles estivessem curto circuitados. 3) A resistência pode ser calculada substituindo as fontes independentes pela sua resistência interna ( R=0 para fonte de tensão e R=∞ para fonte de corrente) e determinando a resistência equivalente nos terminais para os quais se deseja determinar o equivalente. Alternativamente a resistência poderia ser obtida pela divisão da tensão de Thévenin pela corrente de Norton. Exemplo: Determinar os equivalentes Thévenin e Norton entre os terminais A e B da rede abaixo. Circuitos Elétricos I – EEL420 – UFRJ – Apostila não é livro. Estude pelo livro! 7 Considerando o nó de baixo como a referência e aplicando uma corrente de teste de valor I entrando no terminal A podemos calcular a tensão V sobre a fonte de corrente (V AB). Considerando o nó de cima como o nó X temos Vx−(2⋅ix−vs) Vx Vx – V + + =0 (equação da LCK) R3 R4 R5 ix= Vx (equação auxiliar) R4 Substituindo a equação auxiliar na equação da LCK temos Vx 2⋅Vx vs Vx Vx V – + + + – =0 R3 R3⋅R 4 R3 R 4 R5 R5 0,1 Vx – 0,066 Vx+ 1,5+ 0,333 Vx+Vx – V =1,366 Vx+1,5−V =0 Vx=V −I⋅R 5=V −I (equação auxiliar para escrever V em função de I) 1,366 Vx+1,5−V =1,366 V −1,366 I +1,5−V =0 V =3,73 I – 4,098 Para o modelo Thévenin temos V = Rs⋅I + vo . Por comparação Circuitos Elétricos I – EEL420 – UFRJ – Apostila não é livro. Estude pelo livro! 8 Rs=3,73 Ω e vo=−4,098 V 3.3.3 Explosão (transformação ou deslocamento) de fontes Algumas vezes é interessante transformar uma fonte independente em muitas outras, pois isto pode simplificar a análise do restante do circuito. Quando isto é feito chamamos de explosão, transformação (pode ser usado com outro significado) ou deslocamento de fontes. Uma fonte de tensão independente que tenha um de seus terminais ligados a mais de um elemento de circuito pode ser desmembrada removendo este nó, desde que cada elemento permaneça interligado em série com uma fonte de tensão de mesmo valor e polaridade. A figura a seguir ilustra o fato. Uma fonte v se conecta aos resistores R1 e R2 . Ela pode ser desmembrada em duas fontes em paralelo de mesmo valor e polaridade e, finalmente, separadas de forma que cada uma fique em série com um dos resistores R1 ou R2 . Do ponto de vista do resto do circuito as formas de onda de tensão e corrente nos terminais A, B e C permanecem inalteradas. Circuitos Elétricos I – EEL420 – UFRJ – Apostila não é livro. Estude pelo livro! 9 Um procedimento semelhante pode ser realizado com as fontes de corrente. Neste caso uma fonte que interligue dois pontos de um circuito pode ser substituída por outras tantas desde que elas formem um caminho fechado que comece e termine nos mesmos nós da fonte original. A figura abaixo ilustra esta situação. Uma fonte de corrente faz circular uma corrente i1 do nó B para o nó A. Em paralelo com esta fonte há um outro caminho, formado pelos resistores R1 , R2 e R3 , interligando o nó B ao nó A. Então, a fonte de corrente original pode ser removida e outras podem ser colocadas em paralelo com estes resistores. Observe que a corrente i1 movimentada pela fonte em paralelo com R3 e deslocada pela fonte em paralelo com R2 e esta corrente é deslocada pela fonte em paralelo com R1 de forma que toda a corrente que saiu do nó B chegou ao nó A, sem alterar o restante do circuito. Exemplo de aplicação: No circuito abaixo deseja-se calcular o valor da corrente I, mas sem montar um sistema de equações pela LCK nem LTK. Mostre uma forma de fazer. Explodindo as fontes V 1 e I 1 e redesenhando o circuito obtemos Circuitos Elétricos I – EEL420 – UFRJ – Apostila não é livro. Estude pelo livro! 10 deste ponto em diante basta fazer transformações sucessivas de modelos Thévenin e Norton além de algumas associações de resistores. I =0,332 A 3.4 Grafos de rede e teorema de Tellegen Toda a análise de nós e malhas pode ser sistematizada ainda mais se for utilizada a teoria e grafos e notação matricial. As próximas secções apresentam esta abordagem mostrando como esta sistematização pode simplificar e muito a análise de redes. Como será visto todos as redes podem ser resolvidas a partir de uma só equação entretanto todo o trabalho de análise passa a ser um problema matemático. Esta abordagem, portanto, se aplica muito bem a simulação e análise computacional de redes. 3.4.1 Conceito e definições de grafos Um grafo é um conjunto de braços e nós com a condição de que cada braço comece e termine em um nó. Circuitos elétricos também são formados por braços e nós e por isso também podem ser representados por grafos. Como as leis de Kirchhoff não fazem exigência quanto a natureza dos elementos da rede, é natural desprezar a influência dessa natureza ao reduzir a rede a um grafo. Ideias teóricas de grafos são então usadas para formular de modo preciso a LTK e LCK. Isto é realizado para obter uma forma sistemática de análise de circuitos que sirva para redes de qualquer complexidade e tamanho e possa ser simulada em computadores. A representação de um circuito por um grafo pressupõe a substituição dos elementos de braço por um segmento de reta que pode estar orientado (grafo orientado) e que é Circuitos Elétricos I – EEL420 – UFRJ – Apostila não é livro. Estude pelo livro! 11 chamado de braço (ou ramo). Os nós do circuito são os nós do grafo e também podem ser chamados de vértices ou junções. Os nós delimitam o início e o fim de um braço. A orientação dos braços coincide com a orientação dos sentidos de referência associados de tensão e corrente, adotados pela convenção passiva. Definidos assim, grafos mais simples possuem apenas um nó ou um ramo e um nó. Os grafos também podem ser divididos em subgrafos (subconjunto de elementos do grafo) sendo o menor deles chamado de grafo degenerado (um grafo formado apenas por um nó). A figura abaixo apresenta um exemplo de grafo. 1 1 2 4 3 3 5 2 5 4 Os grafos também podem ser ligados se existir ao menos um braço entre quaisquer dois nós. Um grafo ligado é chamado de uma parte separada, assim os grafos não ligados possuem ao menos duas partes separadas. Um corte é um conjunto de braços que quando removidos do grafo original resultam em um grafo com uma parte separada a mais, porém, se um dos braços do conjunto for mantido, o grafo resultante mantém o mesmo número de partes separadas do grafo original. Um percurso fechado em um grafo é todo subgrafo ligado onde cada nó deste subgrafo está conectado a apenas dois braços. 3.4.2 Cortes e lei das correntes de Kirchhoff Usando a nomenclatura de grafos a lei das correntes de Kirchhoff pode ser enunciada como “Para qualquer rede de parâmetros concentrados, para qualquer de seus cortes, e a qualquer instante, a soma algébrica de todas as correntes através dos braços do corte é zero”. Circuitos Elétricos I – EEL420 – UFRJ – Apostila não é livro. Estude pelo livro! 12 A figura abaixo mostra um grafo ligado onde uma superfície S corta o grafo em duas partes separadas. Os braços 1, 2 e 3 formam este corte. Se ao menos um destes três braços não forem removidos então o grafo continua ligado. 4 S 8 1 5 1 7 2 2 8 3 3 Se adotarmos um sentido de referência associado a superfície S podemos aplicar a LCK. Adotaremos a seguinte convenção: positivo são as correntes cujos sentidos são do interior para o exterior da superfície. Neste caso, aplicando a LCK para os braços do corte temos i 1 t −i 2 t i 3 t =0 Se fossemos aplicar a LCK a todos os nós dentro da superfície S teríamos Nó 1: i 1 i 5 −i 6 =0 Nó 2: −i 2 −i 5−i 7i 8=0 Nó 3: i 3 −i 8 =0 Nó 4: i 6 i 7 =0 A soma de todas estas equações resulta em Circuitos Elétricos I – EEL420 – UFRJ – Apostila não é livro. Estude pelo livro! 13 i 1 −i 2 i 3 =0 Da mesma forma podemos definir lei das tensões de Kirchhoff usando a nomenclatura de grafos: “Para qualquer rede de parâmetros concentrados, para qualquer de seus percursos fechados, e a qualquer instante, a soma algébrica das tensões de braço ao longo de qualquer percurso fechado é zero”. 3.4.3 Teorema de Tellegen Para uma rede de parâmetros concentrados cujo grafo tenha b braços e n nós. Arbitremos para cada braço do grafo uma tensão de braço vK e uma corrente de braço iK e suponhamos que vK e iK sejam medidos a partir de um sentido de referência associado. Se as tensões e as correntes de braço satisfazem a LTK e a LCK respectivamente então: b ∑ v K⋅i K =0 K=1 ou seja, toda a potência fornecida pela rede é consumida na própria rede. Em outras palavras as leis de Kirchhoff implicam em conservação de energia. 3.5 Grafos de rede aplicados a análise de nós Dado um determinado grafo orientado é possível descrevê-lo listando todos os braços e nós e indicando qual braço está entrando e saindo de qual nó. Isto pode ser feito por uma matriz chamada matriz de incidência, onde os elementos aik desta matriz podem assumir valores +1 se o braço k sai do nó i; –1 se o braço k entra no nó i; 0 se o braço k não é incidente (não se conecta) com o nó i. Assim, para o grafo abaixo 1 1 2 4 3 3 5 2 5 4 a matriz que o descreve é Circuitos Elétricos I – EEL420 – UFRJ – Apostila não é livro. Estude pelo livro! 14 [ 1 1 0 −1 0 1 A= 0 0 0 0 0 0 0 −1 −1 0 0 0 −1 0 0 1 −1 0 0 1 1 0 0 −1 ] onde as colunas representam os braços e as linhas representam os nós. Considerando a matriz incidência reduzida (a matriz A sem a linha correspondente ao nó de referência do circuito) é possível escrever a LCK matricialmente como A⋅ j=0 e pela LTK a tensão v em cada braço da rede pode ser obtida matricialmente como v= AT⋅e onde e é um vetor com tensões de cada nó. Para concluir o equacionamento das tensões dos nós de uma rede será definido um braço genérico contendo uma resistência e um modelo Thévenin ou Norton conforme apresentado na figura abaixo. Para a continuidade da análise é imprescindível que haja ao menos uma resistência no ramo, mas se isto não ocorrer, o circuito original pode sr modificando utilizando-se explosão de fontes, por exemplo. A corrente no ramo genérico que está sendo definido nesta secção pode ser equacionado como Circuitos Elétricos I – EEL420 – UFRJ – Apostila não é livro. Estude pelo livro! 15 j k = j sk – G k⋅v sk G k⋅v k onde o índice k denota o k-ésimo ramo da rede. A mesma equação pode ser reescrita matricialmente para todos os ramos, assim a equação acima pode ser reescrita como j=G⋅v j s – G⋅v s Se ambos os lados da equação forem multiplicados por A a esquerda então A⋅ j=A⋅G⋅v A⋅j s – A⋅G⋅v s 0=A⋅G⋅v A⋅j s – A⋅G⋅v s e substituindo v por AT⋅e obtemos T 0=A⋅G⋅A ⋅e A⋅ j s – A⋅G⋅v s , ou A⋅G⋅AT⋅e= A⋅G⋅v s – A⋅ j s Exemplo: No circuito da figura abaixo foram numerados os nós e os braços sendo arbitrado um sentido para cada ramo. Os ramos foram escolhidos de tal forma que pudessem ser equacionados de acordo com o modelo acima. As fontes não são deixadas em ramos isolados. A LCK pode ser escrita como Circuitos Elétricos I – EEL420 – UFRJ – Apostila não é livro. Estude pelo livro! 16 [] j1 1 1 0 0 0 j2 0 A⋅ j= 0 −1 1 1 0 ⋅ j 3 = 0 0 0 0 −1 1 j 4 0 j5 [ ] [] e as tensões de braço como [ ][ ] 1 0 0 1 −1 0 e1 T v= A ⋅e= 0 1 0 ⋅ e2 0 1 −1 e 3 0 0 1 O equacionamento das correntes em cada ramo é dado por j=G⋅v j s−G⋅v s [ ] [ ][ ] [ ] [ ] [ ] j1 2 0 j2 0 1 j3 = 0 0 0 0 j4 0 0 j5 0 0 3 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0⋅ 0 1 v1 2 2 0 v2 0 0 1 v3 0 − 0 0 0 0 0 v4 0 0 0 v5 0 0 3 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 ⋅0 0 0 1 1 e as tensões de nó podem ser obtidas por A⋅G⋅AT⋅e= A⋅G⋅v s – A⋅ j s que pode ser reescrito como Y n⋅e=i s T onde Y n= A⋅G⋅A e i s=A⋅G⋅v s – A⋅ j s . Assim Circuitos Elétricos I – EEL420 – UFRJ – Apostila não é livro. Estude pelo livro! 17 [ ][ ] 2 1 1 0 0 0 0 Y n= 0 −1 1 1 0 ⋅ 0 0 0 0 −1 1 0 0 [ ] [ 0 1 0 0 0 0 0 3 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 −1 0 0 ⋅0 1 0 0 0 1 −1 1 0 0 1 ] 3 −1 0 Y n= −1 5 −1 e 0 −1 2 [] −2 i s= 0 1 Logo, as equações de nó, que podem ser obtidas diretamente pelas técnicas descritas no capítulo anterior, são ][ ] [ ] [ 3 −1 0 e 1 −2 −1 5 −1 ⋅ e 2 = 0 . 0 −1 2 e 3 1 Portanto e= [ ] 1 −17 ⋅ −1 25 12 Com estas informações pode-se calcular as tensões e correntes de cada ramo [] −17 −16 1 T v= A ⋅e= ⋅ −1 25 −13 12 e j=G⋅v j s−G⋅v s Circuitos Elétricos I – EEL420 – UFRJ – Apostila não é livro. Estude pelo livro! 18 [] 16 −16 1 j= ⋅ −3 25 −13 −13 3.6 Grafos de rede aplicados a análise de malhas Alternativamente é possível descrever um grafo orientado, ligado, inseparável e planar listando todos os braços e malhas e indicando os braços que pertencem a cada malha. Isto pode ser feito por uma matriz onde os elementos aik desta matriz podem assumir valores +1 se o braço k pertence a malha e tem o mesmo sentido estabelecido para ela; –1 se o braço k pertence a malha e tem sentido contrário ao estabelecido para a malha; 0 se o braço k não pertence a malha. Assim, para o grafo acima teríamos [ 1 −1 1 0 0 0 M = 0 0 −1 −1 −1 1 1 −1 0 −1 −1 1 ] onde as colunas representam os braços e as linhas representam os nós. Considerando a matriz M reduzida (matriz m sem a inclusão da malha externa – apenas com malhas essenciais), podemos escrever a LTK como M⋅v =0 e pela LCK as correntes de ramo podem ser obtidas pelas correntes de malha como j=M T⋅i onde i corresponde ao vetor de correntes de malha. Mais uma vez a abordagem que está sendo apresentada requer a definição de um ramo padrão de circuito como apresentado na figura abaixo. Circuitos Elétricos I – EEL420 – UFRJ – Apostila não é livro. Estude pelo livro! 19 A tensão sobre o ramo genérico pode ser equacionado como v k =v sk −Rk⋅ j sk R k⋅ j k onde o índice k define o k-ésimo ramo da rede. Esta equação pode ser reescrita para todos os ramos na forma matricial como v= Rb⋅j – Rb⋅ j sv s . Multiplicando por M dos dois lados da equação M⋅v =M⋅Rb⋅ j –⋅M ⋅Rb⋅ j sM ⋅v s 0=M ⋅Rb⋅ j –⋅M ⋅Rb⋅ j sM⋅v s Substituindo j por M T⋅i obtêm-se M⋅Rb⋅M T⋅i=M⋅Rb⋅ j s −v s 3.7 Exercícios 1) Para o circuito abaixo determine a tensão V sobre R3 . Circuitos Elétricos I – EEL420 – UFRJ – Apostila não é livro. Estude pelo livro! 20 2) A rede abaixo é o circuito equivalente de um amplificador transistorizado com emissor comum ligado a uma carga resistiva não linear. a) Determine a rede Thévenin equivalente do amplificador. b) Determine a tensão de saída sobre a carga. 3) Encontrar Vo em função de V1, V2 e dos resistores. Para os cálculos, redesenhar o circuito substituindo cada amplificador operacional pelo seu modelo ideal. 4) Determine a tensão V sobre o resistor R2 para as seguintes situações: a) i S =4 A e e S =10 V e b) i S =10 A e e S =−10V . É possível resolver este problema por superposição? 5) Encontre o equivalente Thévenin entre os terminais A e B da rede abaixo. Circuitos Elétricos I – EEL420 – UFRJ – Apostila não é livro. Estude pelo livro! 21 6) No circuito abaixo, calcular as potências das fontes de corrente. O braço X apresenta uma característica v x =10⋅i x 5 . 7) No circuito abaixo determine a potência dissipada pelo resistor R6. Para tanto, simplifique o circuito até obter apenas duas malhas. Após, resolva o problema utilizando o método das correntes de malha. Circuitos Elétricos I – EEL420 – UFRJ – Apostila não é livro. Estude pelo livro! 22 8) Para o circuito abaixo aplique uma fonte de tensão de V Volts entre os terminais A e B. Equacione o problema utilizando malhas e isole a tensão V em função da corrente pela fonte. Compare com o resultado obtido no exemplo de Thévenin-Norton. Repita o processo com uma fonte de corrente de I Amperes. 9) Escreva os sistemas de equações que resolvem os problemas abaixo pelos métodos das malhas e dos nós. Circuitos Elétricos I – EEL420 – UFRJ – Apostila não é livro. Estude pelo livro! 23 3.8 Soluções 1) Para o circuito abaixo determine a tensão V sobre R3 . Por superposição (única solução possível) G ⋅G3G4 I 1⋅ 2 I 1⋅G EQ G 2G3G 4 1 1 ⋅ = ⋅ Para I1: V I1= G1G EQ G3G4 G ⋅G3G4 G3G4 G 1 2 G2 G3G 4 Circuitos Elétricos I – EEL420 – UFRJ – Apostila não é livro. Estude pelo livro! 24 R R2 ⋅R3 V 1⋅ 1 V 1⋅REQ R1R2 R3 = Para V1: V V1= R4R EQ R R2 ⋅R3 R 4 1 R1 R2R3 V =V I1V V1 2) A rede abaixo é o circuito equivalente de um amplificador transistorizado com emissor comum ligado a uma carga resistiva não linear. a) Determine a rede Thévenin equivalente do amplificador. b) Determine a tensão de saída sobre a carga. a) Transformando o circuito Norton (B4-R3) em Thévenin obtemos uma fonte V 2 =I⋅R3 em série com R3. O positivo da fonte se conecta a R1 e R2. Assim, V 2 =100⋅i 1 . Substituindo a resistência dependente de tensão por uma fonte de tensão V ficamos com um circuito de duas malhas. Estipulando as correntes de malha em sentido horário: Malha da esquerda: −V 1R1⋅i 1R2⋅i 1−i=0 (1) Malha da direita: R2⋅i – i 1 V 2 R3⋅iV =0 (2) De 1: i 1= V 1+ R 2⋅i R 1+ R 2 (3) V + R 2⋅i e V 2=100⋅i 1=100⋅ 1 R 1+ R2 Substituindo 3 em 2: Circuitos Elétricos I – EEL420 – UFRJ – Apostila não é livro. Estude pelo livro! 25 ( R 2⋅ i – ) V 1 + R 2⋅i V + R 2⋅i +100⋅ 1 + R 3⋅i+V =0 R 1+ R 2 R 1+ R 2 ( ) ( ) R 2⋅V 1 V1 R 22 100⋅R 2 V= − −R 2−R 3 ⋅i+ – 100⋅ =−RTH⋅i +V TH R1+ R 2 R 1+ R 2 R1+ R 2 R 1+ R 2 RTH =2,99 Ω , V TH =−9,9 V b) O somatório de tensões no circuito equivalente Thévenin em série com a resistência dependente de corrente é dado por −V TH +i⋅RTH +26⋅i+10⋅i 3=0 . Determinar a corrente do circuito, 10⋅i 3 +26⋅i+ RTH⋅i – V TH =0 i real=−0,32919 A (as outras soluções são complexas) e V =26⋅i+10⋅i 3=−8,9157 V 3) Encontrar Vo em função de V1, V2 e dos resistores. Para os cálculos, redesenhar o circuito substituindo cada amplificador operacional pelo seu modelo ideal. Circuitos Elétricos I – EEL420 – UFRJ – Apostila não é livro. Estude pelo livro! 26 Equacionando as 4 incógnitas ( V X , V DOWN , V UP e V O ) pelo método das tensões de nós, bastaria resolver o sistema de equações abaixo. V X V X −V DOWN =0 R2 R1 V 2 – V DOWN V 2−V 1 =0 R3 R V 1−V 2 V 1−V UP =0 R R3 V X – V UP V X −V O =0 R1 R2 4) Determine a tensão V sobre o resistor R2 para as seguintes situações: a) i S =4 A e e S =10 V e b) i S =10 A e e S =−10V . É possível resolver este problema por superposição? Transformando o circuito Thévenin em Norton obtemos uma fonte de corrente I ES = es em paralelo com o resistor R1. O sentido da corrente I ES é para baixo. R1 a) i S =4A para cima e I ES =5A para baixo. O diodo estará cortado pois as correntes por R1 e R2 só poderiam circular de baixo para cima. Logo, o diodo é uma chave aberta e V =0V . Não é possível resolver por superposição, pois neste caso o diodo conduziria para i S b) i S =10A para cima e I ES =5A para cima. O diodo estará conduzindo pois as correntes por R1 e R2 circulam de cima para baixo. Logo, o diodo é uma chave fechada e a corrente se divide entre as resistências. Circuitos Elétricos I – EEL420 – UFRJ – Apostila não é livro. Estude pelo livro! 27 V =i R2⋅R2 , i R2= i TOT 15 ⋅G2= ⋅0,5=7,5 A , V =15V G1G2 0,50,5 5) Encontre o equivalente Thévenin entre os terminais A e B da rede abaixo. Simplificando o circuito: a) R4 pode ser retirado pois está em paralelo com V1; b) R1 e R2 estão em paralelo; c)R5 pode ser retirado pois está em série com I2; d) I2 e I3 ficam em paralelo e podem ser associados; e) I4 está em curto e pode ser retirado. Para calcular o equivalente Thévenin podemos colocar uma fonte de corrente I (sentido para cima) entre os terminais A e B. Equacionando as tensões de nós: Circuitos Elétricos I – EEL420 – UFRJ – Apostila não é livro. Estude pelo livro! 28 Nó A: −I VA I 23I V3=0 R8 −I VA V −V 3 I 23 I 5 A =0 R8 R12 V A= V3 R8⋅R12 R8⋅R12 ⋅i ⋅ – I 23−I 5 =RTH⋅iV TH R8R12 R8R12 R12 RTH = V R8⋅R12 R8⋅R12 ⋅ 3 – I 23−I 5 , V TH = R8R12 R8 R12 R12 6) No circuito abaixo, calcular as potências das fontes de corrente. O braço X apresenta uma característica v x =10⋅i x 5 . O braço X corresponde a uma fonte de tensão de 5V em série com uma resistência de 10 ou uma fonte de corrente de 0,5A em paralelo com uma resistência de 10. R4 e R3 estão em série e podem ser associados. R6 e R5 estão em série e podem ser associados. Equacionando por tensões de nós: Circuitos Elétricos I – EEL420 – UFRJ – Apostila não é livro. Estude pelo livro! 29 Nó B1: −I B1 −I B2 Nó R2x: −I X V B1V 2−−V R2 =0 R34 −V R2 −V R2 −V B1V 2 =0 R2x R34 Sabendo que I B1=0,5⋅V R2 , I B2=3⋅I R3 e I R3= V B1V 2 −−V R2 R34 P B1 =−V B1⋅I B1=−V B1⋅ 0,5⋅V R2 P B2 =−V B2⋅I B2 =V B1−2⋅I R3R56⋅3⋅I R3 ⋅3⋅I R3 7) No circuito abaixo determine a potência dissipada pelo resistor R6. Para tanto, simplifique o circuito até obter apenas duas malhas. Após, resolva o problema utilizando o método das correntes de malha. A fonte B1 pode ser explodida sobre V1, R2, R3 e R5 (explosões menores sobre R6 ou R4 podem ser realizadas mas é necessário mais atenção para não errar as reais correntes sobre estes resistores). Após a explosão é possível converter todos os modelos Norton em Thévenin. Assim, a fonte B1 e a resistência R1 em paralelo com V1 são simplificadas. B1 em paralelo com I1 podem ser somadas. O circuito final pode ser visto abaixo. Circuitos Elétricos I – EEL420 – UFRJ – Apostila não é livro. Estude pelo livro! 30 Equacionando por malhas e considerando as correntes em sentido horário: Malha da esquerda: −B 1⋅R5ib⋅ R5 R4ib−i2⋅R3 I 1⋅R3 – B1⋅R3=0 Malha da direita: − I 1⋅R3 – B 1⋅R3i2−ib⋅R3i2⋅R2B1⋅R2 – V 1i2⋅R6=0 P R6 =R6⋅∣i2∣2 8) Para o circuito abaixo aplique uma fonte de tensão de V Volts entre os terminais A e B. Equacione o problema utilizando malhas e isole a tensão V em função da corrente pela fonte. Compare com o resultado obtido no exemplo de Thévenin-Norton. Repita o processo com uma fonte de corrente de I Amperes. Aplicando uma fonte de tensão entre A e B. Positivo para cima. Correntes de malha em sentido anti-horário. Malha da esquerda: i 1⋅ R3R4 – i 2⋅R4V H1 – V S =0 Malha da direita: −V 1i 2⋅ R4R5 – i 1⋅R4=0 Circuitos Elétricos I – EEL420 – UFRJ – Apostila não é livro. Estude pelo livro! 31 Sabendo que V H1=2⋅i X , i X =i 2−i 1 e V 1=R TH⋅i 2V TH , basta resolver o sistema de equações. Aplicando uma fonte de corrente entre A e B. Corrente de baixo para cima. −i 2 V R4 V R4 −V H1−V S =0 R4 R3 V R4 e V H1=2⋅i X =2⋅ R4 V 1=R5⋅i 2 V R4=RTH⋅i 2V TH 9) Escreva os sistemas de equações que resolvem os problemas abaixo pelos métodos das malhas e dos nós. Circuitos Elétricos I – EEL420 – UFRJ – Apostila não é livro. Estude pelo livro! 32 Circuitos Elétricos I – EEL420 – UFRJ – Apostila não é livro. Estude pelo livro! 33
