Decide qué forma conviene a la operación: la rectangular a + jb para sumar y restar, la polar r∠θ para multiplicar, dividir, potencias y raíces.
Desarrolla con j² = −1; divide multiplicando numerador y denominador por el conjugado del denominador.
Convierte con r = √(a² + b²) y θ a partir de un dibujo del punto (comprueba el cuadrante), y de vuelta con a = r cos θ, b = r sin θ.
Para las potencias usa De Moivre, (r∠θ)ⁿ = rⁿ∠nθ; para zⁿ = R∠φ enumera las n raíces R1/n∠((φ + 360°k)/n).
Impedancia y fasores en alterna
Impedancias
ZR = R, ZL = jωL, ZC = 1/(jωC)
Frecuencia angular
ω = 2πf
Módulo y ángulo
|Z| = √(R² + X²), φ = atan(X/R)
Ley de Ohm con fasores
V = I·Z
Método
Convierte la frecuencia: ω = 2πf.
Halla cada reactancia: XL = ωL y XC = 1/(ωC).
Suma las impedancias como resistencias, con Z = R + jX.
Halla el módulo |Z| = √(R² + X²) y el ángulo φ = atan(X/R), y luego aplica la ley de Ohm con fasores.
Potencia en alterna y factor de potencia
Potencia activa
P = V·I·cos φ
Potencia reactiva
Q = V·I·sin φ
Potencia aparente
S = V·I = √(P² + Q²)
Factor de potencia
pf = cos φ = P/S
Condensador de compensación
QC = P(tan φ1 − tan φ2), C = QC/(ωV²)
Resonancia LC, factor Q y ancho de banda
Frecuencia natural
ω0 = 1/√(LC), f0 = 1/(2π√(LC))
Energía
W = ½CV0² = ½Cv² + ½Li²
Corriente pico
Imax = V0√(C/L)
Factor de calidad
Q = 2π·(energy stored)/(energy lost per cycle)
RLC serie
Q = (1/R)√(L/C), BW = R/(2πL)
RLC paralelo
Q = R√(C/L), BW = 1/(2πRC)
Ancho de banda
BW = f2 − f1 = f0/Q, f0 = √(f1f2)
Frecuencias de media potencia
f1,2 = f0(√(1 + 1/(4Q²)) ∓ 1/(2Q))
Circuito tanque con resistencia de bobina r
RD = L/(C·r) = Q²·r
Decaimiento de la amplitud
e−Rt/(2L)
Método
Halla primero la frecuencia de resonancia: ω₀ = 1/√(LC) y f₀ = ω₀/(2π).
Decide si el circuito es serie o paralelo: en serie Q = (1/R)√(L/C), en paralelo Q = R√(C/L).
Usa BW = f₀/Q para el ancho de banda, o los atajos R/(2πL) (serie) y 1/(2πRC) (paralelo).
En las preguntas de energía, usa que la energía total ½CV₀² se mantiene constante en un circuito LC ideal y oscila entre C y L cada cuarto de periodo.
Potencia trifásica
Conexión en estrella (Y)
VL = √3·Vph, IL = Iph
Conexión en triángulo (Δ)
VL = Vph, IL = √3·Iph
Potencia activa total
P = √3·VL·IL·cos φ = 3·Iph²·R
Potencia aparente y reactiva
S = √3·VL·IL, Q = P·tan φ
Condensadores de compensación
QC = P(tan φ1 − tan φ2), C = QC/(3ωV²)
Tensión en cada condensador
Δ: VL Y: VL/√3
Potencia absorbida por el motor
Pin = Pout/η
Transitorios RC y RL
Constante de tiempo
τ = RC | τ = L/R
Respuesta
x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ
Condensador en continua
circuito abierto; vC no puede saltar
Bobina en continua
cortocircuito; iL no puede saltar
Régimen permanente
t ≈ 5τ
Método
Halla el valor inicial justo después de la conmutación: la tensión de un condensador y la corriente de una bobina no pueden variar bruscamente.
Halla el valor final mucho después de la conmutación: un condensador se comporta como un circuito abierto y una bobina como un cortocircuito.
Halla la constante de tiempo: τ = RC o τ = L/R, usando la resistencia que ve el condensador o la bobina.
Usa x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ.
Thévenin y Norton
Tensión de Thévenin
Vth = Vopen circuit
Resistencia de Thévenin
Rth: todas las fuentes apagadas, vista desde a–b
Corriente de Norton
IN = Vth/Rth
Corriente en la carga
IL = Vth/(Rth + RL)
Máxima transferencia de potencia
RL = Rth, Pmax = Vth²/(4Rth)
Método
Quita la carga y marca los dos terminales a y b.
Halla la tensión en circuito abierto entre a y b: es Vth.
Anula todas las fuentes independientes y halla la resistencia vista desde a–b: es Rth.
Vuelve a conectar la carga al circuito equivalente: Vth en serie con Rth.
Para el equivalente de Norton, convierte: IN = Vth/Rth, con RN = Rth en paralelo.
2Problemas de práctica
1.Números complejosMedia
Escribe z = 5∠−75° en forma rectangular a + jb y da la parte imaginaria b.
r = 5θ = −75°
b =
2.Números complejosDifícil
Una raíz de z³ + 13z − 34 = 0 es z₁ = −1 + j4. Los coeficientes son reales. Halla la raíz real r.
z₁ = −1 + j4
r =
3.Impedancia y fasores en alternaMedia
Un circuito RLC en serie está conectado a una alimentación de 10 V (eficaces) y 500 Hz. Halla el ángulo de fase φ de la impedancia, en grados (positivo cuando la corriente va retrasada respecto a la tensión).
V = 10 V (rms)f = 500 HzR = 40 ΩL = 20 mHC = 2,2 µF
φ = °
4.Impedancia y fasores en alternaDifícil
Un circuito RLC en serie se alimenta con una fuente de 5 V (eficaces) cuya frecuencia se ajusta a la frecuencia de resonancia del circuito. Halla la tensión eficaz VL en la bobina.
V = 5 V (rms)R = 2 ΩL = 10 mHC = 4,7 µF
VL = V
5.Potencia en alterna y factor de potenciaMedia
Una carga de impedancia Z = 12 + j5 Ω está conectada a una alimentación monofásica de 230 V (eficaces). Halla la potencia aparente S.
V = 230 VZ = 12 + j5 Ω
S = VA
6.Potencia en alterna y factor de potenciaDifícil
Una carga monofásica consume 20 kW con un factor de potencia de 0,65 inductivo de una alimentación de 240 V y 60 Hz. Un condensador conectado en paralelo eleva el factor de potencia a 0,98. Halla la potencia reactiva QC que debe aportar el condensador.
P = 20 kWpf1 = 0,65pf2 = 0,98V = 240 Vf = 60 Hz
QC = kvar
7.Resonancia LC, factor Q y ancho de bandaMedia
En un circuito LC ideal con L = 22 µH y C = 470 nF, el condensador está completamente cargado en t = 0. ¿Cuánto tarda en pasar toda la energía a la bobina? Da t en µs.
L = 22 µHC = 470 nF
t = µs
8.Resonancia LC, factor Q y ancho de bandaDifícil
Un circuito RLC serie (R = 1 Ω, L = 10 mH, C = 1 µF) se excita en resonancia con una amplitud de corriente de 100 mA. Halla la energía Ecycle disipada en R durante un ciclo, en µJ.
R = 1 ΩL = 10 mHC = 1 µFIm = 100 mA
Ecycle = µJ
9.Potencia trifásicaMedia
Una carga equilibrada conectada en estrella, con una impedancia de 16 + j12 Ω por fase, se conecta a una alimentación trifásica equilibrada con una tensión de línea de 480 V. Halla la potencia activa total P que absorbe la carga en kW.
VL = 480 VZ = 16 + j12 Ω por fase
P = kW
10.Potencia trifásicaDifícil
Una carga trifásica equilibrada consume 150 kW con un factor de potencia de 0,75 inductivo de una alimentación de 415 V (de línea) y 60 Hz. Una batería trifásica de condensadores en paralelo con la carga debe elevar el factor de potencia total a 0,9 inductivo. La potencia activa no cambia. Los condensadores están conectados en triángulo. Halla la capacidad Cph de cada condensador en µF.
P = 150 kWpf1 = 0,75pf2 = 0,9VL = 415 Vf = 60 Hz
Cph = µF
11.Transitorios RC y RLMedia
La bobina conduce una corriente estacionaria de 2,5 A. En t = 0 el interruptor cierra el lazo a través de R y se retira la fuente, así que la corriente de la bobina decae a través de R. Halla la tensión vR en R en t = 5 ms.
i(0) = 2,5 AR = 33 ΩL = 220 mHt = 5 ms
vR = V
12.Transitorios RC y RLDifícil
Un temporizador empieza a cargar en t = 0 un condensador descargado a través de una resistencia desde una alimentación de 12 V. Debe dispararse cuando la tensión del condensador llegue a 7,58 V, exactamente 500 ms después del inicio. Con R = 10 kΩ, halla la capacidad C necesaria.
Vs = 12 VVth = 7,58 VT = 500 msR = 10 kΩ
C = µF
13.Thévenin y NortonMedia
Halla la tensión de Thévenin Vth vista desde los terminales a–b.
V1 = 15 VR1 = 4 ΩR2 = 2 ΩR3 = 6 Ω
Vth = V
14.Thévenin y NortonDifícil
Halla la corriente de Norton IN: la corriente que circula de a a b si se cortocircuitan los terminales.
V1 = 15 VIs = 2,5 AR1 = 2 ΩR2 = 20 ΩR3 = 25 Ω
IN = A
15.Diagramas de Bode y márgenesMedia
En el filtro paso banda RLC serie mostrado, la salida se toma en R = 2 Ω, con L = 1 mH y C = 10 µF. Halla el factor de calidad Q.
R = 2 ΩL = 1 mHC = 10 µF
Q =
16.Diagramas de Bode y márgenesDifícil
Un lazo con realimentación unitaria tiene la función de transferencia en lazo abierto L(s) = 172/(s(s + 6)(s + 7)). Halla la frecuencia de cruce de fase ω180, donde ∠L(jω) = −180°.
L(s) = 172/(s(s + 6)(s + 7))
ω180 = rad/s
3Disoluciones
1.Números complejos
Respuesta: b = −4,83
Forma polar: z = r∠θ = r(cos θ + j sin θ) = r·ejθ, con r = |z| y θ = arg z. Para volver a la forma rectangular: a = r cos θ, b = r sin θ. El argumento necesita el cuadrante: θ = atan(b/a) solo cuando a > 0; para a < 0 suma o resta 180°. En forma polar multiplicar es fácil: se multiplican los módulos y se suman los argumentos; para dividir se dividen los módulos y se restan los argumentos.
Componentes
a = 5·cos(−75°) = 1,294
b = 5·sin(−75°) = −4,83
Forma rectangular
z = 1,294 − j4,83
b = −4,83
Respuesta
b = −4,83
2.Números complejos
Respuesta: r = 2
De Moivre y raíces: (r∠θ)ⁿ = rⁿ∠nθ. La ecuación zⁿ = R∠φ tiene exactamente n raíces, todas con módulo R1/n, en los argumentos (φ + 360°·k)/n para k = 0, 1, …, n − 1: están repartidas uniformemente en una circunferencia, separadas 360°/n. Una ecuación cuadrática z² + pz + q = 0 con p² < 4q tiene las raíces complejas z = −p/2 ± j√(q − p²/4); un polinomio con coeficientes reales siempre tiene sus raíces complejas en pares conjugados a ± jb.
Comprueba con la suma de las raíces: z₁ + z₂ + r = −2 + 2 = 0 = −(0).
3.Impedancia y fasores en alterna
Respuesta: φ = −63,96 °
Circuitos de alterna con fasores: resistencias, bobinas y condensadores tienen impedancias R, jωL y 1/(jωC), con ω = 2πf. En serie, las impedancias se suman como resistencias, pero como números complejos. La corriente y la tensión eficaces siguen la ley de Ohm con |Z|.
Reactancias
ω = 2πf = 2π·500 = 3142 rad/s
XL = ωL = 3142·0,02 = 62,83 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(3142·2,2·10⁻⁶) = 144,7 Ω
Impedancia
En serie, las impedancias se suman como números complejos: Z = R + j(XL − XC).
Circuitos de alterna con fasores: resistencias, bobinas y condensadores tienen impedancias R, jωL y 1/(jωC), con ω = 2πf. En serie, las impedancias se suman como resistencias, pero como números complejos. La corriente y la tensión eficaces siguen la ley de Ohm con |Z|.
Resonancia
En resonancia las reactancias se anulan, así que la impedancia es simplemente R.
ω₀ = 1/√(LC) = 1/√(0,01·4,7·10⁻⁶) = 4613 rad/s
I = V/R = 5/2 = 2,5 A
Tensión en la bobina
XL = ω₀L = 4613·0,01 = 46,13 Ω
VL = I·XL = 2,5·46,13 = 115,3 V
Respuesta
VL = 115,3 V
Esto es Q = 23,06 veces la tensión de alimentación.
5.Potencia en alterna y factor de potencia
Respuesta: S = 4069 VA
Potencia en alterna: la potencia aparente S = V·I (VA) se divide en potencia activa P = S·cos φ (W), que hace trabajo útil, y potencia reactiva Q = S·sin φ (var), que va y viene entre fuente y carga. El factor de potencia es cos φ. Un condensador en paralelo aporta potencia reactiva en el propio punto, así que la corriente de línea baja para la misma potencia activa.
Corriente
|Z| = √(12² + 5²) = 13 Ω
I = V/|Z| = 230/13 = 17,69 A
Potencia aparente
S = V·I = 230·17,69 = 4069 VA
Respuesta
S = 4069 VA
6.Potencia en alterna y factor de potencia
Respuesta: QC = 19,32 kvar
Potencia en alterna: la potencia aparente S = V·I (VA) se divide en potencia activa P = S·cos φ (W), que hace trabajo útil, y potencia reactiva Q = S·sin φ (var), que va y viene entre fuente y carga. El factor de potencia es cos φ. Un condensador en paralelo aporta potencia reactiva en el propio punto, así que la corriente de línea baja para la misma potencia activa.
Potencia reactiva antes y después
La potencia activa P no cambia; solo cambia la potencia reactiva que se toma de la red.
Q1 = P·tan φ1 = 20·tan(49,46°) = 23,38 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 20·tan(11,48°) = 4,061 kvar
QC = Q1 − Q2 = 19,32 kvar
Respuesta
QC = 19,32 kvar
7.Resonancia LC, factor Q y ancho de banda
Respuesta: t = 5,051 µs
Resonancia LC: un condensador cargado conectado a una bobina genera una corriente que lo carga en sentido contrario: la energía oscila entre el campo eléctrico de C (½Cv²) y el campo magnético de L (½Li²) a la frecuencia natural f0 = 1/(2π√(LC)). Sin resistencia, la energía total ½CV0² se mantiene constante, por lo que la corriente máxima es Imax = V0√(C/L). Un periodo es T = 1/f0; la energía pasa de C a L en un cuarto de él.
Periodo
T = 2π√(2,2 × 10⁻⁵·4,7 × 10⁻⁷) = 20,2 µs
Cuarto de periodo
t = T/4 = 5,051 µs
Respuesta
t = 5,051 µs
8.Resonancia LC, factor Q y ancho de banda
Respuesta: Ecycle = 3,142 µJ
Factor Q y ancho de banda: en un circuito resonante Q = 2π·(energía almacenada)/(energía perdida por ciclo). Para un RLC serie Q = ω0L/R = (1/R)√(L/C); para un RLC paralelo Q = R/(ω0L) = R√(C/L). El ancho de banda entre las frecuencias de media potencia f1 y f2 (donde la potencia es la mitad y la corriente o la tensión es 1/√2 de su valor máximo) es BW = f2 − f1 = f0/Q, que vale R/(2πL) en serie y 1/(2πRC) en paralelo. La frecuencia de resonancia es la media geométrica f0 = √(f1f2), y f1,2 = f0(√(1 + 1/(4Q²)) ∓ 1/(2Q)). Las pérdidas también hacen decaer la oscilación: en un RLC serie la amplitud cae como e−Rt/(2L).
Sistemas trifásicos equilibrados: en una conexión en Y (estrella) la tensión de línea es √3 veces la tensión de fase, VL = √3·Vph, y la corriente de línea es igual a la corriente de fase. En una conexión en Δ (triángulo) la tensión de línea es igual a la tensión de fase y la corriente de línea es √3 veces la corriente de fase, IL = √3·Iph. La potencia total es tres veces la potencia de una fase: P = 3·Vph·Iph·cos φ = √3·VL·IL·cos φ.
Tensión de fase
Vph = 480/√3 = 277,1 V
Corriente de fase
|Z| = √(16² + 12²) = 20 Ω
Iph = 277,1/20 = 13,86 A
Potencia activa total
Solo la parte resistiva de cada impedancia absorbe potencia activa.
P = 3·Iph²·R = 3·13,86²·16 = 9,216 kW
Respuesta
P = 9,216 kW
Comprobación: cos φ = R/|Z| = 0,8, y √3·VL·IL·cos φ da la misma potencia.
10.Potencia trifásica
Respuesta: Cph = 306,2 µF
Sistemas trifásicos equilibrados: en una conexión en Y (estrella) la tensión de línea es √3 veces la tensión de fase, VL = √3·Vph, y la corriente de línea es igual a la corriente de fase. En una conexión en Δ (triángulo) la tensión de línea es igual a la tensión de fase y la corriente de línea es √3 veces la corriente de fase, IL = √3·Iph. La potencia total es tres veces la potencia de una fase: P = 3·Vph·Iph·cos φ = √3·VL·IL·cos φ. Corrección del factor de potencia: los condensadores aportan potencia reactiva en el propio punto, QC = P·(tan φ1 − tan φ2). Cada uno de los tres condensadores aporta QC/3 = V²·ω·C, donde V es la tensión en ese condensador: VL en una batería en triángulo, VL/√3 en una batería en estrella.
Potencia reactiva antes y después
La potencia activa no cambia, así que cada factor de potencia fija la potencia reactiva: Q = P·tan φ.
Q1 = 150·tan(acos 0,75) = 150·0,8819 = 132,3 kvar
Q2 = 150·tan(acos 0,9) = 150·0,4843 = 72,65 kvar
Potencia reactiva de los condensadores
QC = Q1 − Q2 = 59,64 kvar
Capacidad por fase
En una batería en triángulo cada condensador está conectado entre dos líneas.
V = 415 V, ω = 2π·60 = 377 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 19880/(377·415²) = 306,2 µF
Respuesta
Cph = 306,2 µF
11.Transitorios RC y RL
Respuesta: vR = 38,97 V
Transitorios de primer orden: en un circuito con un condensador o una bobina, cada tensión y corriente pasa de forma exponencial de su valor inicial a su valor final: x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ, con τ = RC o τ = L/R. Tras unos 5τ el circuito se ha estabilizado.
Constante de tiempo
τ = L/R = 220 mH / 33 Ω = 6,667 ms
Decaimiento de la corriente
i(t) = 2,5·e−5/6,667 = 1,181 A
vR = R·i = 33·1,181 = 38,97 V
Respuesta
vR = 38,97 V
12.Transitorios RC y RL
Respuesta: C = 50,06 µF
Transitorios de primer orden: en un circuito con un condensador o una bobina, cada tensión y corriente pasa de forma exponencial de su valor inicial a su valor final: x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ, con τ = RC o τ = L/R. Tras unos 5τ el circuito se ha estabilizado.
Teorema de Thévenin: toda red lineal de dos terminales se comporta como una única fuente de tensión Vth en serie con una resistencia Rth. El teorema de Norton da la misma red como una fuente de corriente IN = Vth/Rth en paralelo con Rth.
Halla Rth con todas las fuentes apagadas
Sustituye las fuentes de tensión por cortocircuitos y las de corriente por circuitos abiertos, y mira el circuito desde a–b.
R1 ∥ R2 = 4·2/(4+2) = 1,333 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,333 + 6 = 7,333 Ω
Halla Vth, la tensión en circuito abierto
Con a–b abiertos, no circula corriente por R₃, así que no hay caída en ella y V_b = V_A. R₁ y R₂ forman un divisor de tensión.
Vth = V1·R2/(R1+R2) = 15·2/(4+2) = 5 V
14.Thévenin y Norton
Respuesta: IN = 3,008 A
Teorema de Thévenin: toda red lineal de dos terminales se comporta como una única fuente de tensión Vth en serie con una resistencia Rth. El teorema de Norton da la misma red como una fuente de corriente IN = Vth/Rth en paralelo con Rth.
Halla Rth con todas las fuentes apagadas
Sustituye las fuentes de tensión por cortocircuitos y las de corriente por circuitos abiertos, y mira el circuito desde a–b.
R1 ∥ R2 = 2·20/(2+20) = 1,818 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,818 + 25 = 26,82 Ω
Halla Vth, la tensión en circuito abierto
Con a–b abiertos, el único camino para Iₛ es por R₃ hacia el nodo A. Halla V_A por superposición de V₁ e Iₛ y luego suma la caída en R₃.
VA = V1·R2/(R1+R2) + Is·(R1∥R2) = 13,64 + 2,5·1,818 = 18,18 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 18,18 + 2,5·25 = 80,68 V
Equivalente de Norton
Una fuente de Norton es el mismo circuito visto como una fuente de corriente en paralelo con R_th. Su corriente es la corriente de cortocircuito en a–b.
IN = Vth/Rth = 80,68/26,82 = 3,008 A
15.Diagramas de Bode y márgenes
Respuesta: Q = 5
Respuesta en frecuencia: sustituye s = jω en la función de transferencia. El módulo en decibelios es 20·log₁₀|H(jω)| y la fase es la suma de los ángulos de los factores del numerador menos los del denominador. Un filtro RC o RL de primer orden tiene su frecuencia de corte (−3 dB) en ωc = 1/(RC) o R/L, y fc = ωc/(2π); un filtro paso bajo da |H| = 1/√(1 + (ω/ωc)²) y φ = −atan(ω/ωc). En el diagrama de Bode asintótico (de rectas) cada polo hace bajar el módulo 20 dB/década en su frecuencia de esquina, cada cero lo hace subir 20 dB/década, y un integrador 1/s da −20 dB/década en todas las frecuencias. Cruce de ganancia ωc: |L(jω)| = 1 (0 dB); margen de fase MF = 180° + ∠L(jωc). Cruce de fase ω180: ∠L(jω) = −180°; margen de ganancia MG = −20·log₁₀|L(jω180)| dB. El lazo cerrado es estable cuando ambos márgenes son positivos.
Frecuencia de resonancia
ω₀ = 1/√(LC) = 1/√(0,001·1 × 10⁻⁵) = 10000 rad/s
f₀ = ω₀/(2π) = 1592 Hz
Factor de calidad
BW = R/L = 2/0,001 = 2000 rad/s = 318,3 Hz
Q = ω₀/BW = 10000/2000 = 5
Respuesta
Q = 5
16.Diagramas de Bode y márgenes
Respuesta: ω180 = 6,481 rad/s
Respuesta en frecuencia: sustituye s = jω en la función de transferencia. El módulo en decibelios es 20·log₁₀|H(jω)| y la fase es la suma de los ángulos de los factores del numerador menos los del denominador. Un filtro RC o RL de primer orden tiene su frecuencia de corte (−3 dB) en ωc = 1/(RC) o R/L, y fc = ωc/(2π); un filtro paso bajo da |H| = 1/√(1 + (ω/ωc)²) y φ = −atan(ω/ωc). En el diagrama de Bode asintótico (de rectas) cada polo hace bajar el módulo 20 dB/década en su frecuencia de esquina, cada cero lo hace subir 20 dB/década, y un integrador 1/s da −20 dB/década en todas las frecuencias. Cruce de ganancia ωc: |L(jω)| = 1 (0 dB); margen de fase MF = 180° + ∠L(jωc). Cruce de fase ω180: ∠L(jω) = −180°; margen de ganancia MG = −20·log₁₀|L(jω180)| dB. El lazo cerrado es estable cuando ambos márgenes son positivos.