Análise Nodal

Na aula anterior, de conteúdo, estudamos circuitos resistivos utilizando análise nodal. Agora vamos transformar as resistências em condutâncias e resolver esses mesmos circuitos da mesma forma de como se fossem resistências, retirando a questão das frações das equações.

Nota: Um circuito com três nós terá duas tensões incógnitas e duas equações; um circuito com dez nós terá nove tensões desconhecidas e nove equações; um circuito com N nós terá N-1 tensões incógnitas e N-1 equações.

Condutância

Vamos abrir um parênteses para falar sobre condutância. A ideia é que os circuitos fiquem em "termos" de multiplicação e não de divisão. A Figura 1 mostra um exemplo que permite escrever as equações de nós por inspeção direta em função da tensão dos nós.

Figura 1 - Exemplos de circuito resistivo x condutivo.

$V=V_{1}-V_{2}\,$

$i={\frac {V}{R}}={\frac {V_{1}-V_{2}}{R}}\,$ ou $i={\frac {V}{R}}=G(V_{1}-V_{2})\,$

Fórmula matemática da condutância

Para calcular a condutância de um determinado condutor, temos que saber o valor da sua resistência. Assim, e sabendo que a condutância é o inverso da resistência, chegamos à seguinte fórmula:

$G={\frac {1}{R}}\,$

Se tivermos por exemplo, um condutor em que a resistência seja igual a 10Ω, substituímos o R de resistência por 10Ω e obtemos o seguinte cálculo:

Então

$G={\frac {1}{R}}={\frac {1}{10}}=0,1S(siemens)\,$

Logo com este cálculo concluímos que um condutor com uma resistência de 10Ω, tem uma condutância de 0,1 siemens.

Exemplo 1

Tomemos esse exemplo para o qual faremos a mesma análise do dos exercícios anteriores. O exemplo que se segue é de um circuito com um único par de nós possuindo também fontes dependentes:

Figura 1 - Aplicação da lei dos nós a um circuito com fontes dependentes.

Como se pode verificar, a tensão $V_{1}$ aplicada sobre a condutância de 5 está também aplicada sobre todos os elementos do circuito. Considerando que a corrente sobre as condutâncias estão com a seta dirigida para o nó inferior e aplicamos a lei dos nós.

$5V_{1}-0,003+6V_{1}-20V_{1}+10V_{1}+0,013=0\,$

$1V_{1}=-0,003-0,013\,\to \,V_{1}=-0,01V$

Podemos agora determinar as correntes sobre as condutâncias assim como a potência fornecida ou consumida por cada um dos elementos.

Na condutância 5

$i_{5}=5V_{1}=-0,05A\,$

$P_{5}=5V_{1}^{2}=5(-0,01)^{2}=5.10^{-4}W$

Na condutância 6

$i_{6}=6V_{1}=-0,06A\,$

$P_{6}=6V_{1}^{2}=5(-0,01)^{2}=6.10^{-4}W$

Na condutância 10

$i_{10}=10V_{1}=-0,1A\,$

$P_{10}=10V_{1}^{2}=10(-0,01)^{2}=1.10^{-3}W$

Potência fornecida pela fonte de 3mA

$P_{f3ma}=0,003V_{1}=-0,3.10^{-4}W\,;\,P_{a}=0,3.10^{-4}W$

Potência fornecida pela fonte de 13mA

$P_{f13ma}=-0,013V_{1}=-1,3.10^{-4}W\,$

Potência fornecida pela fonte dependente

$P_{f20Vx}=20V_{1}.V_{1}=20V_{1}^{2}=20(-0,01)^{2}=20.10^{-4}W\,$

Por último, fazemos o balanço das potências

$\sum _{\,}^{\,}P_{f}=1,3.10^{-4}+20.10^{-4}=21,3.10^{-4}W$

$\sum _{\,}^{\,}P_{a}=5.10^{-4}+6.10^{-4}+0,3.10^{-4}=21,3.10^{-4}W$

Exemplo 2

Utilizando análise nodal encontre as tensões nos nós do circuito e encontre as correntes em todos os resistores.

Resolvendo o Circuito

Definindo os nós do circuito ( $V_{1}\,e\,V_{2}$ ).

Percebe-se que a condutância de 2 está curtocircuitada, portanto, não será considerada no sistema.

Outra definição importante é que devemos atribuir o sinal da corrente que chega e que sai do nó. Podendo ser negativas as correntes que chegam no nó e positivas as correntes que saem do nó. Lembrando, não há nenhum problema em arbitrar essas corrente de forma contrária, tendo como resultados os valores com troca de sinal.