TENSÕES E CORRENTES TRANSITÓRIAS E TRANSFORMADA DE LAPLACE PRINCIPAIS SINAIS NÃO SENOIDAIS Degrau de amplitude E - É um sinal que vale 0 volt para t < 0 e vale E volt, constante, para t >0. Ver fig. 1-a. v E E 0 0 R v t (a) (b) Fig. 1 A fig. 1-b mostra um exemplo da geração desse sinal. Com a chave aberta, a tensão em R é igual a zero volt. Com a chave fechada tem-se, em R, a tensão E volt. Supondo que a chave fechou no instante t = 0, tem-se o sinal na forma de degrau mostrado na fig. 1.a. Degrau unitário – É o degrau em que o valor para t > 0 é 1. Neste caso ele é designado por u (t ) . Ver fig. 2. u (t ) 1 0 0 − 0 t 0+ Fig. 2 Uma dúvida que se poderia ter seria sobre o valor da função para t = 0, uma vez que, pela figura 2, vemos que o valor pode ser qualquer um entre zero e 1. Por convenção, em t = 0, a função u (t ) é descrita analiticamente pelas expressões: Para t = (0 − ) u (t ) = 0 Para t = (0 + ) u (t ) = 1 O sinal degrau representado na fig. 1-a é designado por: v = E × u (t ) 1 Sinal impulso unitário É um sinal que é zero para qualquer t ≠ 0 e é infinito para t = 0 . Entretanto sua área é igual a 1. Ver fig. 3. ∞ δ (t ) Área = 1 0 0 t Fig. 3 Este sinal é, também, chamado de função Dirac e é representado por δ (t ) . Uma das maneiras matemáticas de descrevê-lo se refere à fig. 4. h= 0 1 τ t 0 τ Fig. 4 Nessa figura temos um pulso f (t ) de duração τ e amplitude h = Sua área fica: A =τ × 1 τ =1 Portanto, a área é igual a 1 independentemente do valor de τ . Neste caso poderíamos dizer que 1 δ (t ) = lim f (t ) = lim h = lim = ∞ τ τ →0 τ →0 τ →0 Portanto, tem-se para δ (t ) : τ =0 h→∞ área = 1 2 1 τ . A função E × δ (t ) representa um impulso com área E. Rampa unitária É também chamada de rampa de inclinação unitária. Ela é definida como sendo a função f (t ) que obedece as seguintes características: Para t<0 f (t ) = 0 Para t≥0 f (t ) = t Matematicamente, designa-se este tipo de função como sendo u −1 (t ) A fig. 5-a mostra essa função. A fig. 5-b mostra o sinal a × u −1 (t ) que vem a ser uma rampa com inclinação igual a a . a × u −1 (t ) u −1 (t ) a 1 0 0 1 (a) 0 0 t Fig. 5 3 (b) 1 t TRANSFORMADA DE LAPLACE Aplicação A transformada de Laplace é um algoritmo matemático que permite a resolução de equações diferenciais de uma maneira puramente algébrica. É muito útil para o cálculo de tensões e correntes transitórias em circuitos elétricos. Definição Define-se como transformada de Laplace, de uma função temporal f (t ) , a igualdade: [ f (t )] = ∞ 0 f (t )e − st dt Esta operação transforma uma função da variável tempo em outra função que depende apenas da variável s. Por isto, é comum dizer: Função Transformada de Laplace dessa função F (s ) = onde ∞ 0 f (t ) F (s ) f (t )e − st dt (1) --------------------------------------------------------------------------------------------Exemplo 1 : Determinação da transformada de Laplace de um degrau unitário u (t ) . Ver fig. 6. u (t ) 1 0 0 t Fig. 6 Neste caso F (s ) = ∞ 0 ∞ 1 1 × e dt = − e − st s − st = 0 =− ( ) 1 −∞ 0 1 1 e − e = − (0 − 1) = s s s 4 u (t ) = F (s ) = 1 s (2) ----------------------------------------------------------------------------------------------Teorema 1: A multiplicação de uma função temporal, por uma constante, equivale a multiplicação, de sua transformada de Laplace, pela mesma constante Seja Neste caso, ∞ 0 F (s ) = ∞ 0 f (t )e − st dt a × f (t )e − st dt = a ∞ 0 f (t )e − st dt = a × F (s ) --------------------------------------------------------------------------------------------------Exemplo 2 – Determinação da transformada de Laplace de um degrau de amplitude E. Ver fig. 7. f (t ) E t 0 Fig. 7 Neste caso, f (t ) = E × u (t ) De acordo com o teorema 1, tem-se: E × u (t ) = E × u (t ) = E × 1 E = s s E (3) s ---------------------------------------------------------------------------------------------------------E × u (t ) = Exemplo 3 - Determinação da transformada de Laplace da função: ∞ ∞ 0 0 F (s ) = e −αt e − st dt = e −(α + s )t dt Portanto: 5 f (t ) = e −αt F (s ) = − ∞ 1 −(α + s )t e s +α = 0− − 1 1 = s +α s +α 0 -------------------------------------------------------------------------------------------------------Exemplo - 3 - Determinação da transformada de Laplace da derivada de uma função: df (t ) dt Sabemos que d (U × V ) = U × dV + V × dU dt dt dt Multiplicando, os dois lados da igualdade, por dt fica: d (U × V ) = U × dV + V × dU Integrando os dois lados da igualdade tem-se: U × V = UdV + Vdu ou UdV = UV − VdU ∞ Sabemos que 0 (4) f (t )e − st dt = F (s ) f (t ) = U 1 Neste caso, V = − e − st s Vamos fazer e (5) dV = e − st dt Vamos aplicar estas igualdades na equação (4) ∞ ∞ 0 f (t )e − st dt = − 1 f (t ) × e − st s + 0 6 1 s ∞ 0 e − st d [ f (t )] ou ∞ 0 ( ) f (t )e − st dt = f 0+ 1 + s s F (s ) = f 0+ 1 + s s ∞ 0 ( ) df (t ) − st e dt dt ou df (t ) dt ou df (t ) = sF (s ) − f (0 + ) dt (6) -------------------------------------------------------------------------------------------------Exemplo 4 – Transformada de Laplace da integral de uma função f (t ) . Supondo que F (s ) é a transformada de Laplace de f (t ) é demonstrável que se v(t ) = A × t 0 f (t )dt então v(t ) = A × ( ) F (s ) v 0 + + s s (7) --------------------------------------------------------------------------------------------Exemplo 5 - Transformada de um impulso de área A. É, também, demonstrável que: Aδ (t ) = A (8) --------------------------------------------------------------------------------------------------Exemplo 6 – Transformada de Laplace de uma rampa de inclinação C. f (t ) = 0 para t < 0 f (t ) = Ct para t ≥ 0 C s2 ----------------------------------------------------------------------------------------------------- Resultado: F (s ) = 7 Exemplo 7 - Transformada de Laplace de uma senoide f (t ) = A sen βt Resultado: F (s ) = A β s +β2 2 -----------------------------------------------------------------------------------------------------Exemplo 8 – Transformada de Laplace de uma co-senoide f (t ) = A cos β t Resultado: s s +β2 --------------------------------------------------------------------------------------------------------F (s ) = A 2 Anti-transformada de Laplace Se a transformada de Laplace de f (t ) é F (s ) , então a anti-transformada de Laplace de F (s ) , é f (t ) , ou seja: [ f (t )] = F (s ) se então −1 [F (s )] = f (t ) (9) É costume designar a função no tempo com letra minúscula e a transformada com letra maiúscula. Exemplo: i ⇔ I Equivale a i(t ) ⇔ I (s ) 8 Aplicação da transformada de Laplace para a determinação de tensões e correntes em circuitos elétricos. Exercício 1: - Determinar a corrente i no circuito da fig. 8, após o fechamento da chave. Suponha que o capacitor está descarregado. i R C E Fig. 8 Solução: Após o fechamento da chave, tem-se um circuito fechado. Neste caso, pode-se aplicar a segunda lei de ohm: − E + Ri + 1 C t 0 i × dt = 0 (10) Vamos aplicar a transformada de Laplace a todos os termos, lembrando que a fonte de alimentação excita o circuito na forma de degrau. Portanto sua transformada é E (s ) = E s Ver equação (3). A tensão no capacitor é vc (t ) = 1 C t 0 i × dt Sua transformada é: V c (s ) = ( ) I Vc 0 + + Cs s Ver expressão (7) Como, em nosso caso, a tensão no capacitor, no instante inicial, é zero, resulta: V c (s ) = I Cs Portanto, a transformada de Laplace da expressão (10) fica: 9 − E I + RI + =0 s Cs (11) Nesta expressão, I representa a transformada de Laplace da corrente i (t ) . A seguir, determina-se, algebricamente, a expressão de I: I R+ I= E 1 E = Cs s = 1 s +R Cs I= E ou 1 + Rs C E × R 1 (12) 1 s+ RC Finalmente, faz-se a anti-transformada de I. Dessa maneira, obtém-se a expressão da corrente i em função do tempo. Para a anti-transformação usa-se tabelamentos, das transformadas de Laplace, publicados em manuais ou em livros didáticos que tratam do estudo de transitórios em circuitos elétricos. Nas últimas páginas desta apostila temos reproduções parciais desse tabelamento. 1 Para o caso deste exercício precisamos anti-transformar a expressão . 1 s+ RC A linha 1.102 da tabela mostra que −1 1 = e −αt s +α Por comparação concluímos que: 1 −1 =e − 1 t RC 1 RC Portanto, a corrente i (t ) fica representada pela expressão: s+ i (t ) = 1 E − RC t e R (13) A fig. 4 mostra como varia essa corrente ao longo do tempo. 10 i (t ) E R t 0 Fig. 9 ----------------------------------------------------------------------------------------------Exercício 2: - Determinar a corrente i e a tensão v, no circuito da fig. 10, logo após o fechamento da chave. i R E L v Fig. 10 Solução: a) Determinação da corrente i. Após o fechamento da chave, aplica-se a segunda lei de ohm: − E + Ri + L di =0 dt (14) Aplica-se a transformada de Laplace a todos os termos, lembrando que a excitação é um degrau de amplitude E. Portanto sua transformada é dada pela igualdade (3). Para di transformar o termo aplica-se a expressão (6), lembrando que a corrente no indutor, dt no instante inicial, é zero. − E + RI + LsI = 0 s (15) Nesta expressão, I representa a transformada de Laplace da corrente i (t ) . A seguir, determina-se, algebricamente, a expressão de I: 11 E s I (R + Ls ) = I= E s(Ls + R ) I= E × L ou 1 (16) R s s+ L Precisamos determinar a anti transformada da expressão 1 R s s+ L No tabelamento, fornecido, não encontramos nenhuma expressão semelhante a essa. Entretanto, a linha 1.105 informa que a anti-transformada de 1 e −αt − e −γt γ −α é (s + α )(s + γ ) Se fizermos α = 0 concluiremos que a anti-transformada de 1 s (s + γ ) 1 − e −γt é γ Fazendo a identidade com o resultado do nosso problema, tem-se: 1 s (s + γ ) Concluímos que 1 ≡ s s+ R L R ≡γ L Portanto, a anti-transformada da função E 1 I= × R L s s+ L resulta: i (t ) = L − t R E 1− e × R L L 12 R ou − t E i (t ) = 1− e L R (17) A fig. 11 mostra esta corrente em função do tempo. i (t ) E R t 0 Fig. 11 a) Determinação da tensão no indutor Pela expressão (13) sabemos que a tensão no indutor é dada pela expressão: v(t ) = L di dt Pela expressão (6) sabemos que, quando a corrente inicial é nula, a transformada de Laplace desta tensão é: V ( s) = LsI Substituindo o valor de I pelo valor fornecido pela expressão (16), tem-se: V (s ) = Ls V (s ) = E E × L 1 s s+ R L 1 = E× s+ R L 1 s+ R L A anti-transformada resulta: v(t ) = Ee R − t L (18) A fig. 12 mostra a variação dessa tensão no indutor ao longo do tempo. 13 v(t ) E t 0 Fig. 12 Exercício 3: - Determinar a corrente i, no circuito da fig. 13, logo após o fechamento da chave. Supõe-se que, tanto a corrente inicial da bobina quanto a tensão inicial no capacitor, são nulos. R C E L vL Fig. 13 Equação diferencial: − E + Ri + 1 C t 0 idt + L di =0 dt Transformadas de Laplace: − E I + RI + + LsI = 0 s Cs onde I representa a transformada de Laplace de i (t ) , ou seja, I = I (s ) Determinando, algebricamente, o valor de I, encontra-se: I (s ) = E L 1 R 1 s2 + s + L LC 19 Precisamos achar a anti-transformada da expressão: 14 1 R 1 s2 + s + L LC A tabela não fornece a anti-transformada da forma com que essa expressão se apresenta. Precisamos mudar sua forma para se enquadrar na tabela. Vamos fazer R = 2α L 1 = ω 02 LC e Portanto 1 1 = 2 R 1 s + 2αs + ω 02 s2 + s + L LC Vamos somar e subtrair, ao denominador, o termo α 2 Resulta: 1 1 1 = 2 = 2 2 2 2 2 s + 2αs + ω 0 s + 2αs + α + ω 0 − α (s + α ) + ω 02 − α 2 ( 2 Caso a Se ω 02 − α 2 ≥ 0 (s + α ) então podemos usar a identidade 1 2 ( + ω −α 2 0 2 ≡ 1 ) (s + α ) 2 21 +β2 β 2 = ω 02 − α 2 Caso b Se ω 02 − α 2 < 0 então podemos usar a identidade (s + α ) onde 1 2 ( + ω −α 2 0 2 ≡ 1 ) (s + α ) − β 2 = ω 02 − α 2 2 22 −β2 ou β 2 = α 2 − ω 02 Solução para o caso a A linha 1.301 da tabela fornece: 15 ) 20 1 −1 (s + α ) 2 +β 2 = 1 β e −αt sen βt Neste caso E e −αt sen βt L β i (t ) = 23 Substituindo os valores: α= R 2L 1 R2 − 2 LC 4 L β = ω 02 − α 2 = chega-se ao resultado final i (t ) = E L R2 − C 4 e − R t 2L sen 1 R2 − 2 t LC 4 L 24 A fig. 14 mostra como varia essa corrente em função do tempo. i (t ) t 0 Solução para o caso b Fig. 14 Seguindo procedimento semelhante chega-se ao resultado: 16 i (t ) = E R2 L − 4 C e − R t 2L senh R2 1 − t 2 LC 4L 25 onde senh θ significa seno hiperbólico de θ . A fig. 15 mostra esta corrente versus variação do tempo. i(t ) t 0 Fig. 15 Maneira prática de resolução do circuito quando as condições iniciais são nulas. Desenha-se o circuito no domínio da transformada de Laplace com as seguintes relações: Impedância de resistor Impedância de indutor Impedância de capacitor R Ls 1 Cs Exemplo: Circuito RLC série. Ver fig. 16. R I (s ) E (s ) 1 Cs Ls Fig. 16 Calculando a corrente, resulta 17 I (s ) = E (s ) R + Ls + 1 Cs Supondo excitação em degrau, tem-se: I (s ) = ou E s R + Ls + I (s ) = E L 1 Cs 1 R 1 s2 + s + L LC 26 Comparando (26) com (19), vemos que são idênticas. --------------------------------------------------------------------------------------------------------Exercício 4 - Determinar a tensão v L (t ) no indutor do circuito da fig. 13. Solução: Supondo que a transformada de Laplace de v L (t ) é V L (s ) , utilizamos, para esse cálculo, o circuito mostrado na fig. 17, cujos parâmetros estão enquadrados no domínio das transformadas de Laplace. Considere ω 02 − α 2 ≥ 0 R I (s ) E (s ) Ls Fig. 17 Pela lei de ohm tem-se: V L ( s ) = I (s ) × Ls Vimos que I (s ) = 1 Cs E L 1 R 1 s2 + s + L LC Portanto: 18 VL ( s ) V L (s ) = E ω 02 − α 2 ≥ 0 Como s s2 + R 1 s+ L LC ≡ s s2 + R 1 s+ L LC então podemos usar a identidade s (s + α )2 + β 2 R onde α = 2L β= e 1 R − LC 2L 2 Determinação da Anti-transformada de F (s ) = s (s + α )2 + β 2 Na linha 1.303, se fizermos a 0 = 0 , teremos f (t ) = onde (α β 1 2 ) 1 + β 2 2 e −αt sen (βt + ψ ) ψ = tg −1 β −α Após algumas operações e simplificações algébricas chega-se ao resultado da tensão no indutor: vL (t ) = E 1 R 2C 1− 4L e − R t 2L sen 1 R2 − t +ψ LC 4 L2 19 onde 4L −1 R 2C ψ = tg −1 Casos onde se tem valores iniciais não nulos Seja o caso de um indutor de valor L, com uma corrente inicial I 0 . Ver fig. 18-a. I0 C L V0 (b) (a) Fig. 18 Neste caso, quando a bobina é percorrida por uma corrente I, a tensão equivalente nesse um indutor fica: V L (s ) = LsI − LI 0 A segunda parcela corresponde a uma fonte de tensão cuja força eletromotriz possui valor LI 0 . A representação, no circuito, está mostrada na fig.19-a. 1 Cs VL (s ) Ls VC (s ) V0 s LI 0 (b) (a) Fig. 19 Seja o caso onde se tem uma tensão inicial, de valor V0 , no capacitor. Ver fig. 19-b. Quando este capacitor é percorrido por uma corrente I, a tensão equivalente neste componente fica: VC ( s ) = I V0 + Cs s 20 A segunda parcela corresponde a uma fonte de tensão cuja força eletromotriz possui o V valor 0 . A representação no circuito está mostrada na fig. 19-b. s -----------------------------------------------------------------------------------------------------Exercício 5 Dado o circuito da fig. 20, a) Determinar a corrente i (t ) após o fechamento da chave. b) Determinar a tenção vC (t ) após o fechamento da chave. i R C E V0 vC Fig. 20 Solução: A fig. 21 mostra o circuito no domínio da transformada de Laplace: R I (s ) 1 Cs E s V0 s VC (s ) Fig. 21 a) − E I V0 + IR + + =0 s Cs s E − V0 E − V0 E − V0 1 s I= = = × 1 1 1 R R+ Rs + s+ Cs C RC A linha 1.102, da tabela, nos fornece a anti transformanda. Resulta: i (t ) = 1 E − V0 − RC t e R 21 b) VC (s ) = I × ou ou VC (s ) = 1 V0 + Cs s E − V0 × R 1 1 RC Cs s + VC (s ) = (E − V )0 × 1 RC s s+ + V0 s + 1 RC V0 s As linhas 1.101 fornece a anti-transformada da segunda parcela. A linha 1.105, quando se faz α = 0 , fornece a anti-transformada da primeira parcela. Resulta: 1 vc (t ) = (E − V0 ) 1 − e RC ou vc (t ) = E 1 − e 1 t RC t + V0 + V0 e − 1 t RC --------------------------------------------------------------------------------------------------------Exercício 6 Dado o circuito da fig. 22, a) Determinar a corrente i (t ) após a chave mudar do ponto A para o ponto B. b) Determinar a tensão v L (t ) após a chave mudar do ponto A para o ponto B. R1 A I0 B E1 R2 L E2 Fig. 22 Solução: Antes de mudar a chave de A para B: Corrente contínua através do indutor: I0 = 22 E1 R1 vL Após a mudança de A para B: Corrente inicial no indutor: I 0 = E1 R a) A fig. 23 mostra o circuito equivalente no domínio da transformada de Laplace: I (s ) R2 VL ( s ) Ls E2 s LI 0 Fig. 23 Aplicando a segunda lei de Ohm, tem-se: − E2 + R2 I + LsI − LI 0 =0 s E2 × L 1 R R s+ 2 s s+ 2 L L Usando as anti-transformações da linha 1.105 ( fazendo α = 0 ) e da linha 1.102, resulta: I= 1 i (t ) = + I0 R R − 2t − 2t E2 1 − e L + I 0e L R2 onde b) V L (s ) = LsI − LI 0 1 s + I0L − I0L R2 R2 s+ s+ L L ou V L (s ) = E 2 × ou V L (s ) = ( E 2 − I 0 R 2 ) 1 R s+ 2 L Anti transformando (linha 1.102 da tabela), resulta: 23 I0 = E1 R1 V L (s ) = (E 2 − I 0 R2 )e − R2 t L onde I0 = E1 R1 Teoremas dos valores iniciais e finais. Sendo F (s ) a transformada de Laplace de f (t ) , o teorema do valor inicial afirma: lim f (t ) = lim sF (s ) s→∞ t→0 Portanto, podemos calcular o valor inicial de uma função temporal utilizando sua transformada de Laplace. Basta multiplicar F (s ) por s e calcular o valor de seu limite quando s tende para o infinito. Da mesma forma, o teorema do valor final afirma: lim f (t ) = lim sF (s ) t→∞ s→0 Portanto, podemos calcular o valor final de uma função temporal utilizando sua transformada de Laplace. Basta multiplicar F (s ) por s e calcular o valor de seu limite quando s tende a zero. Vamos verificar as afirmações utilizando o resultado do exercícios 5. Vimos, no exercício 5 que a corrente no circuito resultou i (t ) = 1 E − V0 − RC t e R Valor inicial Podemos ver que lim i (t ) = t→0 E − V0 R No domínio da transformada de Laplace tínhamos: I (s ) = E − V0 × R 1 s+ 1 RC Podemos ver que 24 E − V0 s E − V0 lim sI (s ) = lim = × 1 R R s→∞ s→∞ s+ RC Isto confirma a validade do teorema do valor inicial Valor final Voltando à expressão de i (t ) 1 E − V0 − RC t e R i (t ) = Podemos ver que lim i (t ) = 0 t→∞ No domínio da transformada de Laplace tínhamos: I (s ) = E − V0 × R 1 s+ 1 RC Podemos ver que s lim sI (s ) = lim E − V0 × =0 1 R s→0 s→0 s+ RC Isto confirma a validade do teorema do valor final ---------------------------------------------------------------------------------------------------------Exercício 7 Trabalhando apenas no domínio da transformada de Laplace , determinar os valores inicial e final da corrente no indutor do circuito do exercício 6 Solução: I (s ) = E2 × L 1 s s+ R2 L + I0 1 R s+ 2 L 25 sI (s ) = E2 × L s 1 + I0 R R s+ 2 s+ 2 L L Valor inicial E2 1 s = 0 + I0 = I0 lim sI (s ) = lim × + I0 R R L s→∞ s→∞ s+ 2 s+ 2 L L Portanto lim i(t ) = I 0 t →0 (valor inicial) Valor final E2 s 1 lim sI (s ) = lim × + I0 R R s→0 s→0 L s+ 2 s+ 2 L L Portanto E lim i (t ) = 2 t → ∞ R2 = E2 E +0= 2 R2 R2 (valor final) Por inspeção no circuito do exercício 6, pode-se confirmar sem dificuldades os resultados deste exercício 7. ------------------------------------------------------------------------------------------------------Utilização dos teoremas dos valores iniciais e finais. Muitas vezes , quando se trabalha com circuitos muito complicados, a obtenção da antitransformada de Laplace fica extremamente trabalhosa. Se estamos interessados, apenas, em conhecer os valores iniciais e finais das tensões e correntes, nos diversos pontos do circuito, não teremos a necessidade de calcular as anti-transformadas. 26