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Circuito Equivalente de Thevenin e Norton 1. Introdução Em muitos casos práticos existe a necessidade de determinar a tensão, corrente e potência em apenas um ramo (componente) do circuito. Assim, não existe a necessidade de determinação das tensões e correntes em todos os ramos do circuito. Neste contexto, os Teoremas de Thevenin e Norton permitem que seja determinado um circuito equivalente simples a partir de dois terminais, o qual pode substituir uma rede complexa e simplificar a resolução. 2. Circuito Equivalente de Thevenin Considerando um circuito linear, pode-se representá-lo a partir de dois terminais por meio de uma fonte de tensão independente em série com uma resistência, conforme ilustrado na Figura 1. O valor da tensão da fonte é a tensão obtida nos terminais a-b quando estes estão em circuito aberto (Tensão de Thevenin, Thab VV = ) e a Resistência de Thevenin( ThR ) é a resistência equivalente obtida a partir dos terminas a-b, com todas as fonte independentes consideradas nulas. 3. Circuito Equivalente de Norton Circuitos lineares podem também ser representados a partir de dois terminais por meio de uma fonte de corrente em paralelo com uma resistência, conforme mostrado na Figura 2. O valor da corrente da fonte é a corrente que circula do terminal a para b quando estes são curto-circuitados (Corrente de Norton, NI ). A Resistência de Norton ( NR ) é aquela obtida dos terminais a-b quando todas as fontes são anuladas. Considerando que a resistência a partir de dois terminais só possui um valor, a resistência dos circuitos de Thevenin e Norton são, portanto, idênticas, bastando que esta seja determinada para um dos circuitos equivalentes ( NTh RR = ). 4. Resistência dos Circuitos Equivalentes de Thevenin e Norton A determinação da resistência dos circuitos equivalentes deve ser feita da forma já vista anteriormente, sendo que os seguintes casos devem ser diferenciados: Caso 1: o circuito contém somente fontes independentes. As fontes são anuladas e a resistência é calculada a partir dos terminais de onde se deseja obter o circuito equivalente. Circuito Linear e Invariante a b a b ThV ( a ) ( b ) ThR Figura 1 - (a) circuito linear invariante, (b) circuito equivalente de Thevenin PUCRS- FENG - DEE - Disciplina de Circuitos Elétricos I - Prof. Luís Alberto Pereira - versão de 1/10/2004 página 2/4 Para tanto devem ser utilizadas as técnicas de associação série e paralela e também as transformações estrela-triângulo. Caso 2: o circuito contém fontes independentes e fontes controladas. A resistência equivalente é obtida a partir da corrente de curto-circuito (Corrente de Norton, NI ) e da tensão de circuito aberto (Tensão de Thevenin, ThV ), a partir da seguinte relação: N Th NTh I V RR == (1) Caso 3: o circuito contém, além de resistências, somente fontes controladas. Neste caso, a resistência dos circuitos equivalentes deve ser determinada aplicando-se uma fonte de corrente aos terminais a-b e determinando-se a tensão. Alternativamente, pode-se também aplicar uma fonte de tensão e determinando-se a corrente. A resistência será determinada dividindo-se a tensão pela corrente. Deve-se atentar também para o fato de que quando o circuito contiver fontes controladas, a resistência equivalente pode assumir valores negativos, significando que o circuito está fornecendo potência. Fontes dependentes são também utilizadas para simular o efeito de resistências negativas. Finalmente, o procedimento delineado para caso 3 é geral e pode ser empregado também nos casos 1 e 2, tomando-se o cuidado de anular as fontes independentes. 5. Exemplo de Aplicação Deseja-se determinar o circuito equivalente de Norton e Thevenin para o circuito mostrado na Figura 3b. O exemplo recai no caso 2 citado anteriormente e os circuitos equivalentes serão determinados a partir da tensão de Thevenin e da corrente de Norton. A análise pode ser simplificada transformando-se a fonte de corrente de 10 A em paralelo com a resistência de Ω6 para uma fonte de tensão de 60 V em série com a resistência de Ω6 . conforme mostrado na figura 3b. A tensão de Thevenin é a tensão com os terminais a-b em circuito aberto, podendo ser calculada pela Lei de Kirchhoff das Tensões (LKT) para a única malha do circuito, cuja corrente é 0i . A equação de malha do circuito será, portanto (vide Figura 3b): ( ) 0000xx0 i12i2i22i6vv2i660 ⋅=⋅+⋅⋅+⋅=+⋅+⋅= Da última equação resulta: A5 12 60 i0 == Circuito Linear e Invariante a b a ( a ) ( b ) ThRNI b Figura 1 - (a) circuito linear invariante, (b) circuito equivalente de Thevenin PUCRS- FENG - DEE - Disciplina de Circuitos Elétricos I - Prof. Luís Alberto Pereira - versão de 1/10/2004 página 3/4 Assim, a tensão de Thevenin será: V10i2vV 0abTh =⋅== A corrente de Norton será obtida colocando-se um curto-circuito nos terminais a-b e determinando-se a corrente que circula do terminal a para o b, conforme indicado na Figura 3c. Neste caso a corrente que circula no resistor de Ω2 na saída é zero, pois o mesmo encontra-se em curto-circuito. Desta forma, a tensão xv também será zero ( 0vx = ). A corrente de curto-circuito será dada pela equação de malha: 00i6vv2i660 NxxN ++⋅=+⋅+⋅= A10 6 60 iN == A resistência de Thevenin (idêntica à resistência de Norton) será dada pela relação: a b + _ + - xv2 ⋅ xv ( a ) 10 Ω6 Ω2 ( b ) a b + _ + - xv2 ⋅ xv ( c ) V60 Ω6 Ω2 NI a b + _ + - xv2 ⋅ xvV60 Ω6 Ω2 + - ThV 0I Figura 3 - Determinação dos circuitos equivalentes de Thevenin e Norton PUCRS- FENG - DEE - Disciplina de Circuitos Elétricos I - Prof. Luís Alberto Pereira - versão de 1/10/2004 página 4/4 Ω==== 1 10 10 I V RR N Th NTh Os circuitos equivalentes de Thevenin e Norton são mostrados na Figura 4. 6. Exercício Proposto a) Determine os circuitos equivalentes de Thevenin e Norton para o circuito mostrado na Figura 5 a partir dos terminais a-b. (Solução: V67,166VTh = , Ω= 10RTh e A67,16IN = ) b) Determine a potência dissipada em um resistor de 15 ohms conectado ao circuito nos terminais a-b. c) Altere o valor da fonte de tensão para 100 V e determine novamente os circuitos equivalentes de Thevenin e Norton. d) Utilize um programa de simulação para conferir os resultados obtidos. 7. Exercícios Recomendados A lista de exercícios abaixo foi selecionada da bibliografia da disciplina. Recomenda-se que todos os exercícios sejam resolvidos. Charles K. Alexander e Matthew N. O. Sadiku (2003). Fundamentos de circuitos elétricos. Bookman (Central 20, Edição 2000) - Capítulo 4. Problemas: 4.27, 4.30, 4.33, 4.34, 4.40, 4.41, 4.42, 4.44, 4.46, 4.50, 4.51. James W. Nilsson e Susan A. Riedel (2003). Circuitos elétricos. LTC Editora. 621.3192 N712c (Central 15, Edição 1999): Capítulo 4. Problemas 4.62, 4.63, 4.64, 4.67,4.68. a b V10 ( b ) Ω1 a ( a ) Ω110 b Figura 4 - Circuitos equivalentes de Thevenin (a) e Norton (b) a b V50 Ω3 Ω10 + + - xv Ω2 Ω6 5,0vx ⋅ Figura 5 - Circuitos equivalentes de Thevenin (a) e Norton (b)