Circuitos resistivos

Nós, malhas, fontes ideais, divisores, Thévenin, Norton e potência máxima.

TLDR

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Uma fonte de 12 V12\,\mathrm V pode alimentar duas resistências em série e criar uma tensão menor entre elas. Ao ligar uma carga nesse ponto, surge outro caminho para a corrente e a tensão muda. Vamos calcular essa mudança por Kirchhoff e por um equivalente de Thévenin.

Usamos o modelo de parâmetros concentrados: desprezamos o tempo de propagação entre elementos e descrevemos cada um pela tensão e corrente nos seus terminais. Quando esse atraso importar, precisamos de linhas de transmissão.

Nós, ramos e referências

Um nó reúne terminais ligados por condutores ideais. Um ramo liga dois nós e pode conter mais de um elemento. Um anel é um caminho fechado sem repetir nós; numa rede planar, uma malha é um anel sem outros anéis no seu interior. Um cruzamento desenhado só é uma ligação se o esquema o indicar.

Escolhe um nó de referência com potencial zero. Para a tensão de aa para bb, usamos uab=Va−Vbu_{ab}=V_a-V_b. Na convenção passiva, a corrente de referência entra no terminal positivo. Então p=uabip=u_{ab}i é a potência absorvida. Uma fonte que entrega energia tem potência absorvida negativa.

Uma fonte ideal de tensão fixa uu e deixa a corrente ser determinada pela rede. Uma fonte ideal de corrente fixa ii e deixa a tensão ser determinada pela rede. Fontes ideais de tensões diferentes em paralelo, ou correntes diferentes em série, impõem condições incompatíveis.

Leis de Kirchhoff

A lei dos nós é ∑ik=0\sum i_k=0, com sinais coerentes: não há acumulação de carga no nó ideal. A lei das malhas é ∑uk=0\sum u_k=0 ao longo de um caminho fechado orientado. Fluxos magnéticos variáveis externos não modelados podem invalidar esta aplicação direta, porque o modelo não os inclui. Os efeitos próprios de uma bobina já estão no seu modelo de tensão.

Um resultado negativo só indica que o sentido real é oposto ao de referência. Não troques os sinais a meio das equações para o evitar.

Série, paralelo e divisores

Resistências em série transportam a mesma corrente, sem derivações no nó intermédio: Req=∑RkR_{\rm eq}=\sum R_k. Resistências em paralelo partilham os dois nós: 1/Req=∑1/Rk1/R_{\rm eq}=\sum1/R_k.

Para R1,R2R_1,R_2 em série com fonte UsU_s, a tensão em R2R_2 é UsR2/(R1+R2)U_sR_2/(R_1+R_2). Com carga RLR_L ligada em paralelo com R2R_2, substitui R2R_2 por R2∥RLR_2\parallel R_L. O divisor sem carga não promete manter a tensão quando ligamos um dispositivo.

Em dois ramos paralelos, I1=IR2/(R1+R2)I_1=I R_2/(R_1+R_2). O ramo de menor resistência recebe mais corrente. Numa ponte de Wheatstone com dois divisores R1,R2R_1,R_2 e R3,R4R_3,R_4, os pontos médios ficam ao mesmo potencial quando R1/R2=R3/R4R_1/R_2=R_3/R_4, logo a corrente entre eles é zero.

Limites de potência dos resistores

A resistência equivalente conserva a relação entre tensão e corrente nos terminais. Não identifica, sozinha, qual componente atinge primeiro o seu limite térmico. Para resistores em série, a corrente é comum e cada potência nominal impõe I2Rk≤Pk,max⁡I^2R_k\le P_{k,\max}:

Imax⁡2=min⁡kPk,max⁡Rk.I_{\max}^2=\min_k\frac{P_{k,\max}}{R_k}.

Dois resistores de 1 kΩ1\,\mathrm{k\Omega} e 4 kΩ4\,\mathrm{k\Omega}, ambos classificados para 0,25 W0{,}25\,\mathrm W, têm Req=5 kΩR_{\rm eq}=5\,\mathrm{k\Omega}. O segundo limita a corrente a 0,25/4000≃7,91 mA\sqrt{0{,}25/4000}\simeq7{,}91\,\mathrm{mA}. Nessa corrente, o primeiro dissipa 0,0625 W0{,}0625\,\mathrm W e o segundo 0,25 W0{,}25\,\mathrm W: o conjunto suporta 0,3125 W0{,}3125\,\mathrm W neste modelo, não a soma 0,50 W0{,}50\,\mathrm W das classificações.

Em paralelo, a tensão é comum e usa-se Umax⁡2=min⁡k(Pk,max⁡Rk)U_{\max}^2=\min_k(P_{k,\max}R_k). Temperatura e montagem também condicionam as classificações reais. Confere o limite de cada ramo antes de usar a potência total.

Método dos nós

Num nó desconhecido AA, ligado a uma fonte de 12 V12\,\mathrm V por 2 kΩ2\,\mathrm{k\Omega} e à terra por duas resistências de 4 kΩ4\,\mathrm{k\Omega}, escrevemos as correntes a sair:

Divisor de tensão com cargaFonte de 12 volts ligada a R1 de 2 quilo-ohms em série com o paralelo de R2 e da carga RL, ambas de 4 quilo-ohms. A é o nó de saída e B o retorno.+−12 VR₁ 2 kΩR₂4 kΩRₗ4 kΩAB
A carga altera o divisor: R₂ e Rₗ partilham os nós A e B.
VA−122000+VA4000+VA4000=0.\frac{V_A-12}{2000}+\frac{V_A}{4000}+\frac{V_A}{4000}=0.

Multiplicar por 40004000 dá 2VA−24+VA+VA=02V_A-24+V_A+V_A=0, logo VA=6 VV_A=6\,\mathrm V. A corrente da fonte para o nó é 3 mA3\,\mathrm{mA}; cada ramo para a terra recebe 1,5 mA1{,}5\,\mathrm{mA}. As correntes fecham.

Método das malhas

Numa rede planar, atribui uma corrente por malha, por exemplo todas horárias, e marca no esquema o sentido de cada malha antes de escrever equações. Num resistor partilhado por duas malhas, a corrente de ramo é a diferença das correntes de malha, com o sinal dado pelos sentidos marcados.

Percorre cada malha no seu sentido e soma quedas na convenção passiva: −Us-U_s ao atravessar a fonte do −- para o ++, +RI+RI em cada resistor no sentido do percurso, com o resistor comum a ver R(ia−ib)R(i_a-i_b).

Considera duas malhas: a esquerda tem fonte 10 V10\,\mathrm V e resistor exclusivo 2 Ω2\,\Omega; a direita tem resistor exclusivo 4 Ω4\,\Omega, sem fonte. Partilham 2 Ω2\,\Omega. Para correntes horárias i1,i2i_1,i_2,

4i1−2i2=10,−2i1+6i2=0.4i_1-2i_2=10,\qquad -2i_1+6i_2=0.

A segunda dá i2=i1/3i_2=i_1/3. A primeira dá i1=3 Ai_1=3\,\mathrm A e i2=1 Ai_2=1\,\mathrm A. O resistor comum conduz 2 A2\,\mathrm A. As potências são 1818, 44 e 8 W8\,\mathrm W, que somam os 30 W30\,\mathrm W fornecidos.

Uma fonte de corrente entre malhas pede uma equação adicional de corrente, não uma queda de tensão inventada.

Thévenin e Norton

Uma rede linear vista de um porto, um par de terminais com correntes iguais e opostas, pode ser substituída por:

  • Thévenin: tensão em aberto UThU_{\rm Th} em série com RThR_{\rm Th}.
  • Norton: corrente de curto-circuito INI_N em paralelo com RN=RThR_N=R_{\rm Th}, com IN=UTh/RThI_N=U_{\rm Th}/R_{\rm Th} na orientação coerente.

Para calcular RThR_{\rm Th}, anula apenas fontes independentes: tensão ideal vira curto e corrente ideal vira aberto. Se existirem fontes dependentes, mantém-nas e aplica uma fonte de teste. A sobreposição também anula as outras fontes independentes para calcular uma contribuição; aplica-se a tensões e correntes, não diretamente a potências.

Retomamos o circuito do método dos nós e vemos a rede pelos terminais A e B. Sem a carga de 4 kΩ4\,\mathrm{k\Omega}, UTh=12×4/(2+4)=8 VU_{\rm Th}=12\times4/(2+4)=8\,\mathrm V. Anulando a fonte, RTh=2∥4=4/3 kΩR_{\rm Th}=2\parallel4=4/3\,\mathrm{k\Omega}. Logo IN=6 mAI_N=6\,\mathrm{mA}.

Com a carga, IL=8/(4000+4000/3)=1,5 mAI_L=8/(4000+4000/3)=1{,}5\,\mathrm{mA} e UL=6 VU_L=6\,\mathrm V. A potência na carga é UL2/RL=9 mWU_L^2/R_L=9\,\mathrm{mW}. Na rede original, a fonte fornece 36 mW36\,\mathrm{mW} e os resistores dissipam 18+9+9 mW18+9+9\,\mathrm{mW}. Esta verificação usa um cálculo diferente do equivalente.

Potência máxima

Para uma fonte de Thévenin fixa e carga resistiva positiva,

PL=UTh2RL(RTh+RL)2.P_L=\frac{U_{\rm Th}^2R_L}{(R_{\rm Th}+R_L)^2}.

A derivada em RLR_L anula-se em RL=RTh>0R_L=R_{\rm Th}>0, onde Pmax=UTh2/(4RTh)P_{\rm max}=U_{\rm Th}^2/(4R_{\rm Th}). No exemplo, dá 12 mW12\,\mathrm{mW}. No equivalente de Thévenin, RThR_{\rm Th} dissipa a mesma potência que a carga. A eficiência desse circuito equivalente é 50%50\%, mas o equivalente conserva o comportamento nos terminais, não a potência interna da rede original.

Na rede desenhada, com a carga ótima RL=4/3 kΩR_L=4/3\,\mathrm{k\Omega}, a tensão de saída é 4 V4\,\mathrm V. A fonte original entrega 12(12−4)/2000=48 mW12(12-4)/2000=48\,\mathrm{mW}; R1R_1, R2R_2 e a carga dissipam 3232, 44 e 12 mW12\,\mathrm{mW}. A eficiência original é 12/48=25%12/48=25\%. Máxima potência entregue não é máxima eficiência.

Uma fonte de tensão aproxima-se do ideal quando RTh≪RLR_{\rm Th}\ll R_L. Uma fonte de corrente aproxima-se do ideal quando RN≫RLR_N\gg R_L. A condição depende da carga e da tolerância aceitável.

Exercícios

Ligar uma carga ao divisor

Uma fonte de 12 V12\,\mathrm V alimenta R1=1 kΩR_1=1\,\mathrm{k\Omega} em série com R2=2 kΩR_2=2\,\mathrm{k\Omega}. Ligamos uma carga RL=2 kΩR_L=2\,\mathrm{k\Omega} em paralelo com R₂. Calcula a tensão na carga.

Pista

Antes do divisor, simplifica o paralelo inferior.

Solução

O divisor carregado tem 1 kΩ1\,\mathrm{k\Omega} em cima e 1 kΩ1\,\mathrm{k\Omega} em baixo: UL=12/2=6 VU_L=12/2=6\,\mathrm V. Sem carga daria 8 V8\,\mathrm V, por isso a carga altera a saída.

Erros frequentes

Aplicar o divisor original sem incluir a carga ignora uma corrente de ramo.

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Escolher a carga para potência máxima

Uma fonte de Thévenin tem UTh=6 VU_{\rm Th}=6\,\mathrm V e RTh=300 ΩR_{\rm Th}=300\,\Omega. Escolhemos a carga resistiva que maximiza a potência entregue. Quanto vale essa potência em mW?

Pista

A carga ótima iguala a resistência interna positiva.

Solução

A carga é 300 Ω300\,\Omega e Pmax=36/1200=0,030 W=30 mWP_{\rm max}=36/1200=0{,}030\,\mathrm W=30\,\mathrm{mW}. A tensão na carga é 3 V3\,\mathrm V, confirmando P=32/300P=3^2/300. A resistência interna dissipa a mesma potência.

Erros frequentes

Igualar resistências maximiza potência, mas não eficiência.

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Correntes de malha e balanço de potência

Uma fonte ideal mantém o nó SS a +10 V+10\,\mathrm V em relação ao retorno BB. Uma resistência de 2 Ω2\,\Omega liga SS a AA. Entre AA e BB há dois ramos, um de 2 Ω2\,\Omega e outro de 4 Ω4\,\Omega.

Desenha o circuito com o ramo de 2 Ω2\,\Omega ao centro. Define corrente horária i1i_1 na malha da fonte e i2i_2 na malha entre os dois ramos. Calcula as correntes de malha, a corrente descendente no resistor central e a potência fornecida e dissipada.

Pista

Marca no desenho os dois sentidos no ramo central antes de escrever a sua queda.

Solução

No ramo central, i1i_1 desce e i2i_2 sobe; a corrente descendente é i1−i2i_1-i_2. Kirchhoff dá

−10+2i1+2(i1−i2)=0,4i2+2(i2−i1)=0.-10+2i_1+2(i_1-i_2)=0,\qquad 4i_2+2(i_2-i_1)=0.

A segunda equação dá i2=i1/3i_2=i_1/3. Substituir na primeira dá (4−2/3)i1=10(4-2/3)i_1=10, logo i1=3 Ai_1=3\,\mathrm A e i2=1 Ai_2=1\,\mathrm A. O ramo central conduz 2 A2\,\mathrm A para BB.

As potências são 2(3)2=18 W2(3)^2=18\,\mathrm W no resistor de entrada, 2(2)2=8 W2(2)^2=8\,\mathrm W no central e 4(1)2=4 W4(1)^2=4\,\mathrm W no direito. Somam 30 W30\,\mathrm W, iguais aos 10(3)10(3) fornecidos. O potencial VA=2(2)=4 VV_A=2(2)=4\,\mathrm V também dá 4/4=1 A4/4=1\,\mathrm A no ramo direito.

Confere a tua resposta:

  • Escreve as quedas no resistor comum com i1 − i2.
  • Obtém i1 = 3 A, i2 = 1 A e corrente comum 2 A.
  • Verifica que as potências dissipadas somam 30 W.
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A potência que o conjunto suporta

Dois resistores de 2 kΩ2\,\mathrm{k\Omega} e 10 kΩ10\,\mathrm{k\Omega} são ligados em série. Cada um suporta no máximo 0,25 W0{,}25\,\mathrm W nas condições da montagem. Trata as resistências como constantes.

Calcula a corrente máxima, a tensão total correspondente e a potência máxima do conjunto sem exceder nenhum limite individual.

Pista

A corrente é comum. Impõe o limite de potência separadamente a cada resistor.

Solução

As restrições são I2≤0,25/2000I^2\le0{,}25/2000 e I2≤0,25/10000I^2\le0{,}25/10000. A segunda é mais apertada, dando Imax⁡=5 mAI_{\max}=5\,\mathrm{mA}.

A tensão total é Imax⁡(2000+10000)=60 VI_{\max}(2000+10000)=60\,\mathrm V. As potências são 2000(0,005)2=0,05 W2000(0{,}005)^2=0{,}05\,\mathrm W e 10000(0,005)2=0,25 W10000(0{,}005)^2=0{,}25\,\mathrm W. A soma dá 0,30 W0{,}30\,\mathrm W, também igual a UI=60(0,005)UI=60(0{,}005).

O resistor menor ainda não atingiu a sua classificação quando o maior chegou ao limite. A potência equivalente não pode usar toda a margem dos dois componentes simultaneamente.

Confere a tua resposta:

  • Obtém corrente máxima de 5 mA pelo resistor de 10 kΩ.
  • Obtém potências de 0,05 W e 0,25 W.
  • Obtém limite total de 0,30 W e explica por que não é 0,50 W.
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