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
ReIm11−1−122−2−2θz

Escribe z = 2∠−20° en forma rectangular a + jb y da la parte imaginaria b.

r = 2θ = −20°
b =
2.Números complejosDifícil
ReIm22−2−244−4−4z₁z₂

Una raíz de z³ + 9z² + 40z + 32 = 0 es z₁ = −4 + j4. Los coeficientes son reales. Halla la raíz real r.

z₁ = −4 + j4
r =
3.Impedancia y fasores en alternaMedia
100 V200 HzR = 25 ΩL = 150 mHC = 4,7 µFI

Un circuito RLC en serie está conectado a una alimentación de 100 V (eficaces) y 200 Hz. Halla la potencia activa P que se toma de la alimentación.

V = 100 V (rms)f = 200 HzR = 25 ΩL = 150 mHC = 4,7 µF
P = W
4.Impedancia y fasores en alternaDifícil
100 V500 HzR1​ = 50 ΩR2​ = 80 ΩC = 4,7 µF

Una resistencia R1 está conectada en serie con una combinación en paralelo de R2 y un condensador C, a una alimentación de 100 V (eficaces) y 500 Hz. Halla el módulo de la impedancia |Z|.

V = 100 V (rms)f = 500 HzR1 = 50 ΩR2 = 80 ΩC = 4,7 µF
|Z| = Ω
5.Potencia en alterna y factor de potenciaMedia
230 VZ4 + j3 ΩI

Una carga de impedancia Z = 4 + j3 Ω está conectada a una alimentación monofásica de 230 V (eficaces). Halla la potencia aparente S.

V = 230 VZ = 4 + j3 Ω
S = VA
6.Potencia en alterna y factor de potenciaDifícil
P = 50 kWQ1​S1​φ1​QC​

Una carga monofásica consume 50 kW con un factor de potencia de 0,75 inductivo de una alimentación de 240 V y 50 Hz. Un condensador conectado en paralelo eleva el factor de potencia a 0,9. Halla la potencia reactiva QC que debe aportar el condensador.

P = 50 kWpf1 = 0,75pf2 = 0,9V = 240 Vf = 50 Hz
QC = kvar
7.Resonancia LC, factor Q y ancho de bandaMedia
V47 Ω4,7 mH100 pF

Un circuito RLC serie tiene R = 47 Ω, L = 4,7 mH y C = 100 pF. Halla su factor de calidad Q.

R = 47 ΩL = 4,7 mHC = 100 pF
Q =
8.Resonancia LC, factor Q y ancho de bandaDifícil
C = 2,2 µFR = 1 ΩL = 4,7 mH

Un condensador de 2,2 µF cargado se descarga a través de una bobina de 4,7 mH con una resistencia total en serie de 1 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 = 4,7 mHC = 2,2 µFR = 1 Ω
n =
9.Potencia trifásicaMedia
ABCVL​ = 480 VIL​ = 60 Acos φ = 0,9inductivo

Una carga trifásica equilibrada consume una corriente de línea de 60 A de una alimentación con una tensión de línea de 480 V. El factor de potencia es 0,9 inductivo. Halla la potencia activa total P que consume la carga en kW.

VL = 480 VIL = 60 Acos φ = 0,9
P = kW
10.Potencia trifásicaDifícil
P = 300 kWφ1​S1​Q2​QC​

Una carga trifásica equilibrada consume 300 kW con un factor de potencia de 0,7 inductivo de una alimentación de 690 V (de línea) y 50 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 estrella. Halla la capacidad Cph de cada condensador en µF.

P = 300 kWpf1 = 0,7pf2 = 0,92VL = 690 Vf = 50 Hz
Cph = µF
11.Transitorios RC y RLMedia
+−Vs​15 Vt = 0R = 47 ΩL33 mHi(t)

La bobina no lleva corriente antes de que el interruptor se cierre en t = 0. ¿Cuánto tiempo después de cerrar el interruptor alcanza la corriente el 99 % de su valor final? Halla t.

Vs = 15 VR = 47 ΩL = 33 mH
t = ms
12.Transitorios RC y RLDifícil
+−Vs​10 Vt = 0R = 4,7 kΩC68 µF+−vC​vC​(0) = 12 V

Justo antes de que el interruptor se cierre en t = 0, el condensador tiene 12 V con la polaridad indicada. ¿Cuánto tarda vC en llegar a 11 V? Halla t.

Vs = 10 VR = 4,7 kΩC = 68 µFvC(0) = 12 V
t = ms
13.Thévenin y NortonMedia
R1​ = 8 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​6 VR2​3 ΩAab

Halla la resistencia de Thévenin Rth vista desde los terminales a–b.

V1 = 6 VR1 = 8 ΩR2 = 3 ΩR3 = 5 Ω
Rth = Ω
14.Thévenin y NortonDifícil
R1​ = 15 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​6 VR2​2 ΩAIs​2,5 ABRL​12 ΩIL​

Se conecta una carga RL = 12 Ω entre a–b. Usa un equivalente de Thévenin para hallar la potencia PL entregada a la carga.

V1 = 6 VIs = 2,5 AR1 = 15 ΩR2 = 2 ΩR3 = 10 ΩRL = 12 Ω
PL = W
15.Diagramas de Bode y márgenesMedia
vin​R = 3,3 kΩC = 47 nFvout​

El filtro paso bajo RC mostrado tiene R = 3,3 kΩ, C = 47 nF. Se aplica una entrada sinusoidal de 5,1 kHz. Halla el desfase φ de vout respecto a vin, en grados.

R = 3,3 kΩC = 47 nFf = 5,1 kHz
φ = °
16.Diagramas de Bode y márgenesDifícil
|H| (dB)0,10,1111010100100−100−80−60−40−20020ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−270−180−900ω180​

Un lazo con realimentación unitaria tiene la función de transferencia en lazo abierto L(s) = K/(s(s + 1)(s + 3)). Halla la ganancia K que da un margen de ganancia de 15 dB.

L(s) = K/(s(s + 1)(s + 3))GM = 15 dB
K =

3Disoluciones

1.Números complejos

Respuesta: b = −0,684

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 = 2·cos(−20°) = 1,879
b = 2·sin(−20°) = −0,684

Forma rectangular

z = 1,879 − j0,684
b = −0,684

Respuesta

b = −0,684
2.Números complejos

Respuesta: r = −1

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.

Par conjugado

z₂ = −4 − j4
(z − z₁)(z − z₂) = z² − 2·(−4)·z + ((−4)² + 4²) = z² + 8z + 32

Saca factor común la cuadrática

z³ + 9z² + 40z + 32 = (z² + 8z + 32)(z + 1)

Raíz real

r = −1

Respuesta

r = −1

Comprueba con la suma de las raíces: z₁ + z₂ + r = −8 + (−1) = −9 = −(9).

3.Impedancia y fasores en alterna

Respuesta: P = 251,8 W

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

XL = 188,5 Ω, XC = 169,3 Ω

Impedancia

|Z| = √(25² + (19,18)²) = 31,51 Ω

Potencia activa

Las bobinas y los condensadores solo almacenan y devuelven energía; la resistencia absorbe toda la potencia activa.

I = 100/31,51 = 3,173 A
P = I²·R = 3,173²·25 = 251,8 W

Respuesta

P = 251,8 W
4.Impedancia y fasores en alterna

Respuesta: |Z| = 92,26 Ω

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·500·4,7·10⁻⁶) = 67,73 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 = 33,4 − j39,45 Ω

Impedancia total

Z = 50 + 33,4 − j39,45 = 83,4 − j39,45 Ω
|Z| = √(83,4² + 39,45²) = 92,26 Ω

Respuesta

|Z| = 92,26 Ω
5.Potencia en alterna y factor de potencia

Respuesta: S = 10580 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| = √(4² + 3²) = 5 Ω
I = V/|Z| = 230/5 = 46 A

Potencia aparente

S = V·I = 230·46 = 10580 VA

Respuesta

S = 10580 VA
6.Potencia en alterna y factor de potencia

Respuesta: QC = 19,88 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 = 50·tan(41,41°) = 44,1 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 50·tan(25,84°) = 24,22 kvar
QC = Q1 − Q2 = 19,88 kvar

Respuesta

QC = 19,88 kvar
7.Resonancia LC, factor Q y ancho de banda

Respuesta: Q = 145,9

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) = √(0,0047/1 × 10⁻¹⁰) = 6856 Ω

Factor de calidad

Q = 6856/47 = 145,9

Respuesta

Q = 145,9

La frecuencia de resonancia es 232,2 kHz, así que BW = f₀/Q = 1,592 kHz.

8.Resonancia LC, factor Q y ancho de banda

Respuesta: n = 10,2

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 = 2·0,0047·ln 2/1 = 0,006516 s

Número de ciclos

n = t·f0 = 0,006516·1565 = 10,2

Respuesta

n = 10,2

Atajo: n = Q·ln 2/π con Q = 46,22.

9.Potencia trifásica

Respuesta: P = 44,89 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.

Potencia aparente

S = √3·VL·IL = √3·480·60 = 49,88 kVA

Potencia activa

P = S·cos φ = 49,88·0,9 = 44,89 kW

Respuesta

P = 44,89 kW
10.Potencia trifásica

Respuesta: Cph = 1192 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 0,7) = 300·1,02 = 306,1 kvar
Q2 = 300·tan(acos 0,92) = 300·0,426 = 127,8 kvar

Potencia reactiva de los condensadores

QC = Q1 − Q2 = 178,3 kvar

Capacidad por fase

En una batería en estrella cada condensador está conectado entre una línea y el centro de la estrella.

V = 690/√3 = 398,4 V, ω = 2π·50 = 314,2 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 59421/(314,2·398,4²) = 1192 µF

Respuesta

Cph = 1192 µF
11.Transitorios RC y RL

Respuesta: t = 3,233 ms

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 = 33 mH / 47 Ω = 0,7021 ms
i(∞) = Vs/R = 15/47 = 0,3191 A

Despeja el tiempo

0,99 = 1 − e−t/τ → t = −τ·ln(1 − 0,99)
t = −0,7021·ln(0,01) = 3,233 ms

Respuesta

t = 3,233 ms
12.Transitorios RC y RL

Respuesta: t = 221,5 ms

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.

Valor inicial, valor final, constante de tiempo

La tensión del condensador no puede saltar, así que parte de su valor almacenado y tiende a la tensión de la fuente.

vC(0) = 12 V, vC(∞) = Vs = 10 V
τ = R·C = 4,7 kΩ · 68 µF = 319,6 ms
vC(t) = 10 + (12 − 10)·e−t/τ

Despeja el tiempo

11 = 10 + (2)·e−t/τ → e−t/τ = (11 − 10)/(12 − 10) = 0,5
t = τ·ln((12 − 10)/(11 − 10)) = 319,6·ln(2) = 221,5 ms

Respuesta

t = 221,5 ms
13.Thévenin y Norton

Respuesta: Rth = 7,182 Ω

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​ = 8 ΩR3​ = 5 ΩCORTOR2​3 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 = 8·3/(8+3) = 2,182 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,182 + 5 = 7,182 Ω
14.Thévenin y Norton

Respuesta: PL = 19,27 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​ = 15 ΩR3​ = 10 ΩCORTOR2​2 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 = 15·2/(15+2) = 1,765 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,765 + 10 = 11,76 Ω
R1​ = 15 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​6 VR2​2 ΩAIs​2,5 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) = 0,7059 + 2,5·1,765 = 5,118 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 5,118 + 2,5·10 = 30,12 V
Rth​ = 11,76 Ω+−Vth​30,12 VRL​12 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) = 30,12/(11,76 + 12) = 1,267 A
PL = IL²·RL = 1,267²·12 = 19,27 W
15.Diagramas de Bode y márgenes

Respuesta: φ = −78,62 °

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 = 1/(RC) = 1/(3300·4,7 × 10⁻⁸) = 6447 rad/s
fc = 1026 Hz → f/fc = 5100/1026 = 4,97

Fase

φ = − atan(4,97) = −78,62°

Respuesta

φ = −78,62°
16.Diagramas de Bode y márgenes

Respuesta: K = 2,134

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/1)·(ω/3) = 1 → ω180 = √(1·3) = 1,732 rad/s

Módulo en el cruce de fase

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 1)·√(ω² + 9)) = K/(1·3·(1 + 3)) = K/12

Ganancia necesaria

12/K = 1015/20 = 5,623
K = 12/5,623 = 2,134

Respuesta

K = 2,134

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