Circuitos Elétricos II — CA
Universidade Federal do Pará
Os mesmos teoremas de Circuitos Elétricos I se aplicam a CA, trocando resistências por impedâncias:
Pré-requisito dos teoremas
Todos exigem que o circuito seja linear. Em CA, exigem ainda que as fontes operem na mesma frequência \(\omega\), para que a soma de fasores tenha sentido.
Em um circuito linear com múltiplas fontes independentes, a resposta (tensão ou corrente) em qualquer elemento é a soma algébrica das respostas causadas por cada fonte atuando isoladamente, com as demais desativadas.
Regra de desativação de uma fonte independente:
Mesma frequência: some fasores
Se todas as fontes têm a mesma frequência \(\omega\), cada etapa gera um fasor e eles podem ser somados diretamente (como nos exemplos desta aula).
Frequências diferentes: some no tempo
Se as fontes têm frequências diferentes, os fasores de cada etapa não podem ser somados (não faz sentido somar números complexos associados a \(\omega\) distintos). Nesse caso, resolva cada etapa separadamente no domínio do tempo e some as formas de onda \(v(t)\) resultantes.
Dados: \(\mathbf{V}_s = 20\angle 0°\) V, \(\mathbf{I}_s = 3\angle 90°\) A, \(\mathbf{Z}_1 = 2\ \Omega\), \(\mathbf{Z}_2 = 4\ \Omega\), \(\mathbf{Z}_3 = -j2\ \Omega\). Objetivo: encontrar \(\mathbf{I}_3\).
Com \(\mathbf{I}_s\) desativada (circuito aberto), o circuito se reduz a \(\mathbf{V}_s\) e \(\mathbf{Z}_1\) em série com \(\mathbf{Z}_2 \| \mathbf{Z}_3\) — um divisor de tensão:
\[\mathbf{Z}_2\|\mathbf{Z}_3 = \frac{(4)(-j2)}{4-j2} = 0{,}8-j1{,}6\ \Omega\]
\[\mathbf{V}_A' = \mathbf{V}_s\cdot\frac{\mathbf{Z}_2\|\mathbf{Z}_3}{\mathbf{Z}_1+\mathbf{Z}_2\|\mathbf{Z}_3} = 20\cdot\frac{0{,}8-j1{,}6}{2{,}8-j1{,}6} = 11{,}09\angle{-33{,}7°}\ \text{V}\]
Com \(\mathbf{V}_s\) desativada (curto-circuito), \(\mathbf{Z}_1\), \(\mathbf{Z}_2\) e \(\mathbf{Z}_3\) ficam todos em paralelo, vistos pela fonte de corrente:
\[\mathbf{Z}_1\|\mathbf{Z}_2\|\mathbf{Z}_3 = \left(\frac{1}{2}+\frac{1}{4}+\frac{1}{-j2}\right)^{-1} = 0{,}92-j0{,}62\ \Omega\]
\[\mathbf{V}_A'' = \mathbf{I}_s\cdot(\mathbf{Z}_1\|\mathbf{Z}_2\|\mathbf{Z}_3) = (3\angle 90°)(1{,}11\angle{-33{,}7°}) = 3{,}33\angle 56{,}3°\ \text{V}\]
Somando as duas contribuições (mesma frequência \(\omega\), soma de fasores):
\[\mathbf{V}_A = \mathbf{V}_A'+\mathbf{V}_A'' = 11{,}58\angle{-17{,}0°}\ \text{V}\]
\[\boxed{\mathbf{I}_3 = \frac{\mathbf{V}_A}{\mathbf{Z}_3} = \frac{11{,}58\angle{-17{,}0°}}{2\angle{-90°}} = 5{,}79\angle 73{,}0°\ \text{A}}\]
Verificação
O mesmo resultado é obtido resolvendo o circuito de uma vez por análise nodal (sem superposição) — confira como exercício.
Dados: \(v_s(t) = 20\cos(4t)\) V e \(i_s(t) = 4\cos(2t)\) A. Objetivo: encontrar \(v_o(t)\) sobre o indutor.
As fontes têm frequências diferentes: cada contribuição usa sua própria impedância e a soma é feita no tempo.
Com \(i_s\) desativada (circuito aberto): \(Z_L = j\omega L = j4\ \Omega\), e o circuito vira um divisor de tensão:
\[\mathbf{V}_o' = \mathbf{V}_s\,\frac{Z_L}{R + Z_L} = 20\angle 0^\circ\cdot\frac{j4}{4 + j4} = \frac{20\,j}{1 + j} = 10 + j10 = 14{,}14\angle 45^\circ\ \text{V}\]
\[v_o'(t) = 14{,}14\cos(4t + 45^\circ)\ \text{V}\]
Com \(v_s\) desativada (curto-circuito): \(Z_L = j2\ \Omega\), e \(R\) fica em paralelo com \(L\):
\[R \,\|\, Z_L = \frac{4\,(j2)}{4 + j2} = \frac{j8\,(4 - j2)}{20} = 0{,}8 + j1{,}6\ \Omega\]
\[\mathbf{V}_o'' = \mathbf{I}_s\,(R\,\|\,Z_L) = 4\angle 0^\circ\,(0{,}8 + j1{,}6) = 3{,}2 + j6{,}4 = 7{,}16\angle 63{,}4^\circ\ \text{V}\]
\[v_o''(t) = 7{,}16\cos(2t + 63{,}4^\circ)\ \text{V}\]
Os fasores \(\mathbf{V}_o'\) e \(\mathbf{V}_o''\) giram em frequências diferentes e não podem ser somados. A soma é feita no tempo:
Resposta
\[v_o(t) = v_o'(t) + v_o''(t) = 14{,}14\cos(4t + 45^\circ) + 7{,}16\cos(2t + 63{,}4^\circ)\ \text{V}\]
Erro comum
Somar \(\mathbf{V}_o' + \mathbf{V}_o'' = 13{,}2 + j16{,}4\) V não tem significado físico: cada fasor pressupõe uma frequência \(\omega\) diferente.
Qualquer rede linear de dois terminais \(a\)-\(b\) pode ser substituída por uma fonte de tensão \(\mathbf{V}_{th}\) em série com uma impedância \(\mathbf{Z}_{th}\), onde:
Warning
Se a rede contém fontes dependentes, elas não podem ser desativadas — apenas as fontes independentes o são. Nesse caso, use o método da fonte de teste:
Dados: \(\mathbf{V}_s=40\angle 0°\) V, \(\mathbf{Z}_1=4\ \Omega\), \(\mathbf{Z}_2=j8\ \Omega\), \(\mathbf{Z}_3=3-j4\ \Omega\) (rede do slide anterior).
\(\mathbf{V}_{th}\) (tensão de circuito aberto): como não há corrente por \(\mathbf{Z}_3\) (terminal \(a\) aberto), \(\mathbf{V}_{th}\) é a tensão no nó entre \(\mathbf{Z}_1\) e \(\mathbf{Z}_2\) — um divisor de tensão simples:
\[\mathbf{V}_{th} = \mathbf{V}_s\cdot\frac{\mathbf{Z}_2}{\mathbf{Z}_1+\mathbf{Z}_2} = 40\cdot\frac{j8}{4+j8} = 32+j16 = 35{,}78\angle 26{,}6°\ \text{V}\]
\(\mathbf{Z}_{th}\) (fontes desativadas: \(\mathbf{V}_s\to\) curto): \(\mathbf{Z}_1\|\mathbf{Z}_2\) em série com \(\mathbf{Z}_3\):
\[\mathbf{Z}_{th} = \mathbf{Z}_3 + \mathbf{Z}_1\|\mathbf{Z}_2 = (3-j4) + \frac{(4)(j8)}{4+j8} = \boxed{6{,}2-j2{,}4\ \Omega}\]
Objetivo: encontrar o equivalente de Thévenin visto dos terminais \(a\)-\(b\) e a corrente em uma carga \(R_L = 5\ \Omega\) ligada entre \(a\) e \(b\).
\(\mathbf{V}_{th}\): com \(a\)-\(b\) aberto não há corrente em \(j5\ \Omega\), logo \(\mathbf{V}_{th} = \mathbf{V}_x\) (divisor de tensão):
\[\mathbf{V}_{th} = 50\angle 0^\circ\cdot\frac{-j10}{10 - j10} = \frac{50\,(-j)}{1 - j} = 25 - j25 = 35{,}36\angle{-45^\circ}\ \text{V}\]
\(\mathbf{Z}_{th}\): fonte de tensão em curto; \(10\ \Omega \,\|\, (-j10\ \Omega)\) em série com \(j5\ \Omega\):
\[\mathbf{Z}_{th} = j5 + \frac{10\,(-j10)}{10 - j10} = j5 + (5 - j5) = 5 + j0 = 5\angle 0^\circ\ \Omega\]
Observação
A reatância do indutor cancela a parte reativa do paralelo: neste caso, \(\mathbf{Z}_{th}\) é puramente resistiva.
\[ \begin{aligned} \mathbf{I}_L &= \frac{\mathbf{V}_{th}}{\mathbf{Z}_{th} + R_L} = \frac{25 - j25}{5 + 5} \\[4pt] &= 2{,}5 - j2{,}5 = 3{,}54\angle{-45^\circ}\ \text{A} \\[8pt] \mathbf{V}_L &= R_L\,\mathbf{I}_L = 12{,}5 - j12{,}5 = 17{,}68\angle{-45^\circ}\ \text{V} \end{aligned} \]
Resposta
\(\mathbf{V}_{th} = 25 - j25 = 35{,}36\angle{-45^\circ}\) V, \(\quad\mathbf{Z}_{th} = 5\ \Omega\), \(\quad\mathbf{I}_L = 2{,}5 - j2{,}5 = 3{,}54\angle{-45^\circ}\) A
Qualquer rede linear de dois terminais \(a\)-\(b\) pode ser substituída por uma fonte de corrente \(\mathbf{I}_n\) em paralelo com uma impedância \(\mathbf{Z}_n\), onde \(\mathbf{I}_n\) é a corrente de curto-circuito entre \(a\) e \(b\).
Relação direta com Thévenin: \(\mathbf{Z}_n = \mathbf{Z}_{th} \qquad\qquad \mathbf{I}_n = \dfrac{\mathbf{V}_{th}}{\mathbf{Z}_{th}}\)
Usando os valores do exemplo anterior (\(\mathbf{V}_{th}=35{,}78\angle 26{,}6°\) V, \(\mathbf{Z}_{th}=6{,}2-j2{,}4\ \Omega = 6{,}65\angle{-21{,}2°}\ \Omega\)):
\[\mathbf{Z}_n = \mathbf{Z}_{th} = 6{,}2-j2{,}4\ \Omega\]
\[\mathbf{I}_n = \frac{\mathbf{V}_{th}}{\mathbf{Z}_{th}} = \frac{35{,}78\angle 26{,}6°}{6{,}65\angle{-21{,}2°}} = \boxed{5{,}38\angle 47{,}7°\ \text{A}}\]
Tip
Essa é exatamente a transformação de fonte já conhecida de Circuitos Elétricos I, agora com impedâncias complexas no lugar de resistências.
Objetivo: encontrar o equivalente de Norton visto dos terminais \(a\)-\(b\) diretamente (corrente de curto-circuito) e a corrente em uma carga \(\mathbf{Z}_L = 4 + j4\ \Omega\) ligada entre \(a\) e \(b\).
\(\mathbf{I}_n\): curto-circuitando \(a\)-\(b\), o capacitor fica em curto e a fonte divide sua corrente entre \(4\ \Omega\) e \(j4\ \Omega\):
\[\mathbf{I}_n = 10\angle 0^\circ\cdot\frac{4}{4 + j4} = \frac{10}{1 + j} = 5 - j5 = 7{,}07\angle{-45^\circ}\ \text{A}\]
\(\mathbf{Z}_n\): fonte de corrente aberta; \((4 + j4)\) em paralelo com \(-j4\):
\[\mathbf{Z}_n = \frac{(4 + j4)(-j4)}{4 + j4 - j4} = \frac{16 - j16}{4} = 4 - j4 = 5{,}66\angle{-45^\circ}\ \Omega\]
Com \(\mathbf{Z}_L\) em paralelo com \(\mathbf{Z}_n\), divisor de corrente:
\[\mathbf{I}_L = \mathbf{I}_n\,\frac{\mathbf{Z}_n}{\mathbf{Z}_n + \mathbf{Z}_L} = (5 - j5)\,\frac{4 - j4}{8} = \frac{-j40}{8} = -j5\ \text{A}\]
Resposta
\(\mathbf{I}_n = 5 - j5 = 7{,}07\angle{-45^\circ}\) A, \(\quad\mathbf{Z}_n = 4 - j4 = 5{,}66\angle{-45^\circ}\ \Omega\), \(\quad\mathbf{I}_L = 0 - j5 = 5\angle{-90^\circ}\) A
Verificação por Thévenin
\(\mathbf{V}_{th} = \mathbf{I}_n\mathbf{Z}_n = (5 - j5)(4 - j4) = -j40\) V e \(\mathbf{I}_L = \dfrac{-j40}{(4 - j4) + (4 + j4)} = -j5\) A ✓. Note que \(\mathbf{Z}_L = \mathbf{Z}_n^{*}\): a carga está casada para máxima transferência de potência.
Uma fonte real (equivalente de Thévenin \(\mathbf{V}_{th}\), \(\mathbf{Z}_{th}=R_{th}+jX_{th}\)) alimenta uma carga \(\mathbf{Z}_L=R_L+jX_L\). A potência média entregue à carga é:
\[P_L = \frac{1}{2}|\mathbf{I}|^2 R_L, \qquad \mathbf{I} = \frac{\mathbf{V}_{th}}{\mathbf{Z}_{th}+\mathbf{Z}_L}\]
Maximizando \(P_L\) em relação a \(X_L\) e depois a \(R_L\) (derivadas parciais nulas), obtém-se a condição de casamento conjugado:
Casamento Conjugado
\[\mathbf{Z}_L = \mathbf{Z}_{th}^{*} = R_{th}-jX_{th}\]
Nessa condição, a potência máxima entregue é:
\[P_{max} = \frac{|\mathbf{V}_{th}|^2}{8R_{th}}\]
Com \(X_L=-X_{th}\) já casado, \(P_L\) varia com \(R_L\) e atinge o máximo exatamente em \(R_L=R_{th}\):
Usando o equivalente de Thévenin já calculado (\(\mathbf{V}_{th}=35{,}78\angle 26{,}6°\) V, \(\mathbf{Z}_{th}=6{,}2-j2{,}4\ \Omega\)):
\[\mathbf{Z}_L = \mathbf{Z}_{th}^{*} = 6{,}2+j2{,}4\ \Omega\]
\[P_{max} = \frac{|\mathbf{V}_{th}|^2}{8R_{th}} = \frac{35{,}78^2}{8(6{,}2)} = \boxed{25{,}8\ \text{W}}\]
Caso a carga seja restrita a puramente resistiva
Se \(\mathbf{Z}_L\) só puder ser real (\(X_L=0\), ex.: um resistor comum), o máximo ocorre em \(R_L=|\mathbf{Z}_{th}|\), com \(P_{max}=\dfrac{|\mathbf{V}_{th}|^2}{4\left(R_{th}+|\mathbf{Z}_{th}|\right)}\) — valor menor que o casamento conjugado (no exemplo anterior, \(24{,}9\) W em vez de \(25{,}8\) W).
| Teorema | Ideia central | Resultado |
|---|---|---|
| Superposição | Uma fonte por vez, some as respostas | Válido p/ tensão e corrente |
| Thévenin | Rede → fonte de tensão + impedância série | \(\mathbf{V}_{th}\), \(\mathbf{Z}_{th}\) |
| Norton | Rede → fonte de corrente + impedância paralela | \(\mathbf{I}_n=\mathbf{V}_{th}/\mathbf{Z}_{th}\), \(\mathbf{Z}_n=\mathbf{Z}_{th}\) |
| Máxima potência | Carga casada com a fonte | \(\mathbf{Z}_L=\mathbf{Z}_{th}^{*}\), \(P_{max}=|\mathbf{V}_{th}|^2/8R_{th}\) |