Análisis de circuitos II: corriente alterna: pack de repaso

Hojas de fórmulas, los pasos clave de los métodos de cada tema y 16 problemas de práctica, con las soluciones completas al final.

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1Fórmulas y métodos

Números complejos

Forma rectangular
z = a + jb, j² = −1, z̄ = a − jb
Módulo y argumento
|z| = √(a² + b²), tan θ = b/a (check the quadrant)
Forma polar y exponencial
z = r∠θ = r(cos θ + j sin θ) = r·ejθ
División
z₁/z₂ = z₁z̄₂/|z₂|²
Producto y cociente
r₁∠θ₁ · r₂∠θ₂ = r₁r₂∠(θ₁ + θ₂), r₁∠θ₁ / r₂∠θ₂ = (r₁/r₂)∠(θ₁ − θ₂)
De Moivre
(r∠θ)ⁿ = rⁿ∠nθ
Raíces n-ésimas
zk = R1/n∠((φ + 360°·k)/n), k = 0 … n − 1
Ecuación cuadrática con p² < 4q
z = −p/2 ± j√(q − p²/4)

Método

  1. 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.
  2. Desarrolla con j² = −1; divide multiplicando numerador y denominador por el conjugado del denominador.
  3. 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.
  4. 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

  1. Convierte la frecuencia: ω = 2πf.
  2. Halla cada reactancia: XL = ωL y XC = 1/(ωC).
  3. Suma las impedancias como resistencias, con Z = R + jX.
  4. 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

  1. Halla primero la frecuencia de resonancia: ω₀ = 1/√(LC) y f₀ = ω₀/(2π).
  2. Decide si el circuito es serie o paralelo: en serie Q = (1/R)√(L/C), en paralelo Q = R√(C/L).
  3. Usa BW = f₀/Q para el ancho de banda, o los atajos R/(2πL) (serie) y 1/(2πRC) (paralelo).
  4. 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

  1. Halla el valor inicial justo después de la conmutación: la tensión de un condensador y la corriente de una bobina no pueden variar bruscamente.
  2. Halla el valor final mucho después de la conmutación: un condensador se comporta como un circuito abierto y una bobina como un cortocircuito.
  3. Halla la constante de tiempo: τ = RC o τ = L/R, usando la resistencia que ve el condensador o la bobina.
  4. 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

  1. Quita la carga y marca los dos terminales a y b.
  2. Halla la tensión en circuito abierto entre a y b: es Vth.
  3. Anula todas las fuentes independientes y halla la resistencia vista desde a–b: es Rth.
  4. Vuelve a conectar la carga al circuito equivalente: Vth en serie con Rth.
  5. Para el equivalente de Norton, convierte: IN = Vth/Rth, con RN = Rth en paralelo.

2Problemas de práctica

1.Números complejosMedia
ReIm55−5−51010−10−10θz

Halla el argumento θ de z = −1 + j9 en grados, como valor principal entre −180° y 180°.

z = −1 + j9
θ = °
2.Números complejosDifícil
ReIm0,50,5−0,5−0,511−1−1z₁z₂

La ecuación z² − 2z + 2 = 0 tiene dos raíces complejas. Halla su módulo |z|.

p = −2q = 2
|z| =
3.Impedancia y fasores en alternaMedia
24 V500 HzR = 40 ΩL = 150 mHC = 100 µF

Un circuito RLC en serie está conectado a una alimentación de 24 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 = 24 V (rms)f = 500 HzR = 40 ΩL = 150 mHC = 100 µF
φ = °
4.Impedancia y fasores en alternaDifícil
50 V50 HzR1​ = 10 ΩR2​ = 150 ΩC = 10 µFI

Una resistencia R1 está conectada en serie con una combinación en paralelo de R2 y un condensador C, a una alimentación de 50 V (eficaces) y 50 Hz. Halla la corriente eficaz I.

V = 50 V (rms)f = 50 HzR1 = 10 ΩR2 = 150 ΩC = 10 µF
I = A
5.Potencia en alterna y factor de potenciaMedia
230 V14 kW, 0,8223 kW, 0,9I = ?

Dos cargas están conectadas en paralelo a una alimentación monofásica de 230 V: una carga de 4 kW con un factor de potencia de 0,8 inductivo y una carga de 23 kW con un factor de potencia de 0,9 inductivo. Halla la corriente total I que se toma de la alimentación.

V = 230 VP1 = 4 kW, pf1 = 0,8 inductivoP2 = 23 kW, pf2 = 0,9 inductivo
I = A
6.Potencia en alterna y factor de potenciaDifícil
P = 20 kWQ1​S1​φ1​QC​

Una carga monofásica consume 20 kW con un factor de potencia de 0,8 inductivo de una alimentación de 240 V y 60 Hz. Un condensador conectado en paralelo eleva el factor de potencia a 0,92. Halla la potencia reactiva QC que debe aportar el condensador.

P = 20 kWpf1 = 0,8pf2 = 0,92V = 240 Vf = 60 Hz
QC = kvar
7.Resonancia LC, factor Q y ancho de bandaMedia
V22 Ω220 µH4,7 nF

Un circuito RLC serie tiene R = 22 Ω, L = 220 µH y C = 4,7 nF. Halla su factor de calidad Q.

R = 22 ΩL = 220 µHC = 4,7 nF
Q =
8.Resonancia LC, factor Q y ancho de bandaDifícil
C = 47 nFR = 20 ΩL = 22 mH

Un condensador de 47 nF cargado se descarga a través de una bobina de 22 mH con una resistencia total en serie de 20 Ω, así que la oscilación se va extinguiendo lentamente. Su amplitud decae como e−Rt/(2L). ¿Cuántos ciclos de oscilación n transcurren antes de que la amplitud se reduzca a la mitad? (Las pérdidas son pequeñas, así que la frecuencia es f₀.)

L = 22 mHC = 47 nFR = 20 Ω
n =
9.Potencia trifásicaMedia
ABCVL​ = 208 VNZ = 7 + j24 Ωpor fase

Una carga equilibrada conectada en estrella, con una impedancia de 7 + j24 Ω por fase, se conecta a una alimentación trifásica equilibrada con una tensión de línea de 208 V. Halla la potencia activa total P que absorbe la carga en kW.

VL = 208 VZ = 7 + j24 Ω por fase
P = kW
10.Potencia trifásicaDifícil
P = 300 kWφ1​S1​Q2​QC​

Una carga trifásica equilibrada consume 300 kW con un factor de potencia de 0,65 inductivo de una alimentación de 690 V (de línea) y 60 Hz. Una batería trifásica de condensadores en paralelo con la carga debe elevar el factor de potencia total a 0,92 inductivo. La potencia activa no cambia. Los condensadores están conectados en triángulo. Halla la capacidad Cph de cada condensador en µF.

P = 300 kWpf1 = 0,65pf2 = 0,92VL = 690 Vf = 60 Hz
Cph = µF
11.Transitorios RC y RLMedia
+−Vs​15 Vt = 0R = 47 ΩL150 mHi(t)

La bobina no lleva corriente antes de que el interruptor se cierre en t = 0. Halla la energía W almacenada en la bobina en t = 5 ms, en mJ.

Vs = 15 VR = 47 ΩL = 150 mHt = 5 ms
W = mJ
12.Transitorios RC y RLDifícil
+−Vs​9 Vt = 0R = ?C4,7 µF+−vC​

Un temporizador empieza a cargar en t = 0 un condensador descargado a través de una resistencia desde una alimentación de 9 V. Debe dispararse cuando la tensión del condensador llegue a 5,4 V, exactamente 500 ms después del inicio. Con C = 4,7 µF, halla la resistencia R necesaria.

Vs = 9 VVth = 5,4 VT = 500 msC = 4,7 µF
R = kΩ
13.Thévenin y NortonMedia
R1​ = 5 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​6 VR2​5 ΩARL​3 ΩIL​B

Se conecta una carga RL = 3 Ω entre a–b. Sustituye el resto del circuito por su equivalente de Thévenin y halla la corriente de carga IL.

V1 = 6 VR1 = 5 ΩR2 = 5 ΩR3 = 8 ΩRL = 3 Ω
IL = A
14.Thévenin y NortonDifícil
R1​ = 25 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​9 VR2​30 ΩAIs​5 ABRL​5 ΩIL​

Se conecta una carga RL = 5 Ω entre a–b. Usa un equivalente de Thévenin para hallar la potencia PL entregada a la carga.

V1 = 9 VIs = 5 AR1 = 25 ΩR2 = 30 ΩR3 = 12 ΩRL = 5 Ω
PL = W
15.Diagramas de Bode y márgenesMedia
vin​R = 470 ΩL = 47 mHvout​

El filtro paso alto RL mostrado tiene R = 470 Ω, L = 47 mH. Se aplica una entrada sinusoidal de 16 kHz. Halla el desfase φ de vout respecto a vin, en grados.

R = 470 ΩL = 47 mHf = 16 kHz
φ = °
16.Diagramas de Bode y márgenesDifícil
|H| (dB)0,10,1111010100100−80−60−40−2002040ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−270−180−900ω180​ = ?

Un lazo con realimentación unitaria tiene la función de transferencia en lazo abierto L(s) = 50/(s(s + 2)(s + 5)). Halla la frecuencia de cruce de fase ω180, donde ∠L(jω) = −180°.

L(s) = 50/(s(s + 2)(s + 5))
ω180 = rad/s

3Disoluciones

1.Números complejos

Respuesta: θ = 96,34 °

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.

Cuadrante

a = −1, b = 9 → II

Ángulo de referencia

α = atan(9/1) = 83,66°

Argumento

θ = 180° − α = 96,34°

Respuesta

θ = 96,34°

En forma polar z = 9,055∠96,34°.

2.Números complejos

Respuesta: |z| = 1,414

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.

Discriminante

p² − 4q = 4 − 8 = −4 < 0

Fórmula cuadrática

z = (2 ± j√4)/2 = 1 + j, 1 − j

Respuesta

|z| = √(1² + 1²) = √2 = 1,414

Respuesta

|z| = 1,414
3.Impedancia y fasores en alterna

Respuesta: φ = 85,12 °

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 = 3142·0,15 = 471,2 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(3142·100·10⁻⁶) = 3,183 Ω

Impedancia

En serie, las impedancias se suman como números complejos: Z = R + j(XL − XC).

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(40² + (468,1)²) = 469,8 Ω

Ángulo de fase

φ = arctan((XL − XC)/R) = arctan(468,1/40) = 85,12°

Respuesta

φ = 85,12°
4.Impedancia y fasores en alterna

Respuesta: I = 0,3453 A

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|.

Reactancia

XC = 1/(2π·50·10·10⁻⁶) = 318,3 Ω

Combinación en paralelo

Multiplica numerador y denominador por el conjugado complejo para separar Zp en parte real e imaginaria.

Zp = R₂·(−jXC)/(R₂ − jXC) = (R₂·XC² − jR₂²·XC)/(R₂² + XC²)
Zp = 122,7 − j57,84 Ω

Impedancia total

Z = 10 + 122,7 − j57,84 = 132,7 − j57,84 Ω
|Z| = √(132,7² + 57,84²) = 144,8 Ω

Corriente

I = V/|Z| = 50/144,8 = 0,3453 A

Respuesta

I = 0,3453 A
5.Potencia en alterna y factor de potencia

Respuesta: I = 132,5 A

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 de cada carga

Una carga inductiva consume potencia reactiva (Q > 0); una carga capacitiva la entrega (Q < 0).

Q1 = 4·tan(arccos 0,8) = 3 kvar
Q2 = 23·tan(arccos 0,9) = 11,14 kvar

Totales

P = 4 + 23 = 27 kW
Q = 3 + 11,14 = 14,14 kvar
S = √(27² + 14,14²) = 30,48 kVA

Corriente total

I = S/V = 30478/230 = 132,5 A

Respuesta

I = 132,5 A
6.Potencia en alterna y factor de potencia

Respuesta: QC = 6,48 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(36,87°) = 15 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 20·tan(23,07°) = 8,52 kvar
QC = Q1 − Q2 = 6,48 kvar

Respuesta

QC = 6,48 kvar
7.Resonancia LC, factor Q y ancho de banda

Respuesta: Q = 9,834

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).

Impedancia característica

√(L/C) = √(0,00022/4,7 × 10⁻⁹) = 216,4 Ω

Factor de calidad

Q = 216,4/22 = 9,834

Respuesta

Q = 9,834

La frecuencia de resonancia es 156,5 kHz, así que BW = f₀/Q = 15,92 kHz.

8.Resonancia LC, factor Q y ancho de banda

Respuesta: n = 7,548

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).

Semivida de la amplitud

t = 2·0,022·ln 2/20 = 0,001525 s

Número de ciclos

n = t·f0 = 0,001525·4949 = 7,548

Respuesta

n = 7,548

Atajo: n = Q·ln 2/π con Q = 34,21.

9.Potencia trifásica

Respuesta: P = 0,4846 kW

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 = 208/√3 = 120,1 V

Corriente de fase

|Z| = √(7² + 24²) = 25 Ω
Iph = 120,1/25 = 4,804 A

Potencia activa total

Solo la parte resistiva de cada impedancia absorbe potencia activa.

P = 3·Iph²·R = 3·4,804²·7 = 0,4846 kW

Respuesta

P = 0,4846 kW

Comprobación: cos φ = R/|Z| = 0,28, y √3·VL·IL·cos φ da la misma potencia.

10.Potencia trifásica

Respuesta: Cph = 414 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 = 300·tan(acos 0,65) = 300·1,169 = 350,7 kvar
Q2 = 300·tan(acos 0,92) = 300·0,426 = 127,8 kvar

Potencia reactiva de los condensadores

QC = Q1 − Q2 = 222,9 kvar

Capacidad por fase

En una batería en triángulo cada condensador está conectado entre dos líneas.

V = 690 V, ω = 2π·60 = 377 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 74313/(377·690²) = 414 µF

Respuesta

Cph = 414 µF
11.Transitorios RC y RL

Respuesta: W = 4,783 mJ

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 y corriente final

Mucho después de cerrar el interruptor la bobina se comporta como un cortocircuito, así que la corriente final la fija solo R.

τ = L/R = 150 mH / 47 Ω = 3,191 ms
i(∞) = Vs/R = 15/47 = 0,3191 A

Corriente en el instante dado

i(t) = 0,3191·(1 − e−5/3,191) = 0,2525 A

Energía almacenada

W = ½·L·i² = ½·150·0,2525² = 4,783 mJ

Respuesta

W = 4,783 mJ
12.Transitorios RC y RL

Respuesta: R = 116,1 kΩ

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 necesaria

5,4 = 9·(1 − e−500/τ) → τ = 500/ln(9/(9 − 5,4))
τ = 500/0,9163 = 545,7 ms

Resistencia

kΩ por µF da milisegundos.

R = τ/C = 545,7/4,7 = 116,1 kΩ

Respuesta

R = 116,1 kΩ
13.Thévenin y Norton

Respuesta: IL = 0,2222 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.

R1​ = 5 ΩR3​ = 8 ΩCORTOR2​5 ΩAabRth​

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 = 5·5/(5+5) = 2,5 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,5 + 8 = 10,5 Ω
R1​ = 5 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​6 VR2​5 ΩAab+−Vth​

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) = 6·5/(5+5) = 3 V
Rth​ = 10,5 Ω+−Vth​3 VRL​3 ΩIL​

Conecta la carga al equivalente de Thévenin

La fuente de Thévenin y R_th en serie se comportan exactamente como el circuito original en a–b, así que la carga ve un simple lazo en serie.

IL = Vth/(Rth + RL) = 3/(10,5 + 3) = 0,2222 A
14.Thévenin y Norton

Respuesta: PL = 94,36 W

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.

R1​ = 25 ΩR3​ = 12 ΩCORTOR2​30 ΩAABIERTOBabRth​

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 = 25·30/(25+30) = 13,64 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 13,64 + 12 = 25,64 Ω
R1​ = 25 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​9 VR2​30 ΩAIs​5 ABab+−Vth​

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) = 4,909 + 5·13,64 = 73,09 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 73,09 + 5·12 = 133,1 V
Rth​ = 25,64 Ω+−Vth​133,1 VRL​5 ΩIL​

Conecta la carga al equivalente de Thévenin

La fuente de Thévenin y R_th en serie se comportan exactamente como el circuito original en a–b, así que la carga ve un simple lazo en serie.

IL = Vth/(Rth + RL) = 133,1/(25,64 + 5) = 4,344 A
PL = IL²·RL = 4,344²·5 = 94,36 W
15.Diagramas de Bode y márgenes

Respuesta: φ = 5,681 °

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 corte

ωc = R/L = 470/0,047 = 10000 rad/s
fc = 1592 Hz → f/fc = 16000/1592 = 10,05

Fase

φ = 90° − atan(10,05) = 5,681°

Respuesta

φ = 5,681°
16.Diagramas de Bode y márgenes

Respuesta: ω180 = 3,162 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.

Cruce de fase

(ω/2)·(ω/5) = 1 → ω180 = √(2·5) = 3,162 rad/s

Respuesta

ω180 = 3,162 rad/s

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