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
ReIm22−2−244−4−4θz

Escribe z = 4∠110° en forma rectangular a + jb y da la parte imaginaria b.

r = 4θ = 110°
b =
2.Números complejosDifícil
ReIm22−2−244−4−466−6−6ABCD

Exactamente uno de los puntos A–D es una raíz de z³ = 27∠120°. Haz clic en él.

w = 27∠120°n = 3
  1. 1A (5,4∠−80°)
  2. 2B (3∠−80°)
  3. 3C (3∠−50°)
  4. 4D (3∠−20°)
3.Impedancia y fasores en alternaMedia
120 V60 HzR = 80 ΩC = 22 µFI

Una resistencia y un condensador están conectados en paralelo a una alimentación de 120 V (eficaces) y 60 Hz. Halla el módulo de la impedancia |Z|.

V = 120 V (rms)f = 60 HzR = 80 ΩC = 22 µF
|Z| = Ω
4.Impedancia y fasores en alternaDifícil
12 V200 HzR1​ = 15 ΩR2​ = 60 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 12 V (eficaces) y 200 Hz. Halla la corriente eficaz I.

V = 12 V (rms)f = 200 HzR1 = 15 ΩR2 = 60 ΩC = 10 µF
I = A
5.Potencia en alterna y factor de potenciaMedia
240 VR + jXP = 4104 W19 A

Una carga inductiva consume 19 A y 4104 W de una alimentación monofásica de 240 V (eficaces). Modélala como una resistencia R en serie con una reactancia X. Halla X.

V = 240 VI = 19 AP = 4104 W
X = Ω
6.Potencia en alterna y factor de potenciaDifícil
P1​ = 128 kWQ1​S1​φ

Un transformador monofásico de 200 kVA alimenta una carga de 128 kW con un factor de potencia de 0,85 inductivo. ¿Cuánta potencia activa adicional ΔP se puede añadir como carga resistiva (factor de potencia unidad) antes de que el transformador alcance su potencia nominal en kVA?

Smax = 200 kVAP1 = 128 kWpf1 = 0,85
ΔP = kW
7.Resonancia LC, factor Q y ancho de bandaMedia
V47 kΩ470 µH220 pF

Un circuito RLC paralelo tiene R = 47 kΩ, L = 470 µH y C = 220 pF. Halla su factor de calidad Q.

R = 47 kΩL = 470 µHC = 220 pF
Q =
8.Resonancia LC, factor Q y ancho de bandaDifícil
V20 ΩLC = ?

Diseña un filtro RLC serie con una resistencia total de 20 Ω, una frecuencia de resonancia de 455 kHz y un ancho de banda de 22,75 kHz. Halla la capacidad C en nF.

R = 20 Ωf0 = 455 kHzBW = 22,75 kHz
C = nF
9.Potencia trifásicaMedia
ABCVL​ = 690 VIL​ = 30 Acos φ = 0,95inductivo

Una carga trifásica equilibrada consume una corriente de línea de 30 A de una alimentación con una tensión de línea de 690 V. El factor de potencia es 0,95 inductivo. Halla la potencia activa total P que consume la carga en kW.

VL = 690 VIL = 30 Acos φ = 0,95
P = kW
10.Potencia trifásicaDifícil
P = 300 kWφ1​S1​Q2​QC​ = ?

Una carga trifásica equilibrada consume 300 kW con un factor de potencia de 0,72 inductivo de una alimentación de 480 V (de línea) y 60 Hz. Una batería trifásica de condensadores en paralelo con la carga debe elevar el factor de potencia total a 0,98 inductivo. La potencia activa no cambia. Halla la potencia reactiva total QC que debe aportar la batería de condensadores, en kvar.

P = 300 kWpf1 = 0,72pf2 = 0,98VL = 480 Vf = 60 Hz
QC = kvar
11.Transitorios RC y RLMedia
+−Vs​12 Vt = 0R = 10 ΩL220 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 = 15 ms, en mJ.

Vs = 12 VR = 10 ΩL = 220 mHt = 15 ms
W = mJ
12.Transitorios RC y RLDifícil
+−Vs​15 Vt = 0R = ?C22 µF+−vC​

Un temporizador empieza a cargar en t = 0 un condensador descargado a través de una resistencia desde una alimentación de 15 V. Debe dispararse cuando la tensión del condensador llegue a 7,5 V, exactamente 100 ms después del inicio. Con C = 22 µF, halla la resistencia R necesaria.

Vs = 15 VVth = 7,5 VT = 100 msC = 22 µF
R = kΩ
13.Thévenin y NortonMedia
R1​ = 4 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​10 VR2​2 ΩAab

Halla la tensión de Thévenin Vth vista desde los terminales a–b.

V1 = 10 VR1 = 4 ΩR2 = 2 ΩR3 = 5 Ω
Vth = V
14.Thévenin y NortonDifícil
R1​ = 4 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​15 VR2​10 ΩAIs​2 ABRL​4 ΩIL​

Se conecta una carga RL = 4 Ω entre a–b. Usa un equivalente de Thévenin para hallar la potencia PL entregada a la carga.

V1 = 15 VIs = 2 AR1 = 4 ΩR2 = 10 ΩR3 = 3 ΩRL = 4 Ω
PL = W
15.Diagramas de Bode y márgenesMedia
vin​L = 4,7 mHR = 10 Ωvout​

El filtro paso bajo RL mostrado tiene R = 10 Ω, L = 4,7 mH. Se aplica una entrada sinusoidal de 1,4 kHz. Halla el desfase φ de vout respecto a vin, en grados.

R = 10 ΩL = 4,7 mHf = 1,4 kHz
φ = °
16.Diagramas de Bode y márgenesDifícil
|H| (dB)0,010,010,10,1111010−60−40−2002040ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−180−135−90−450ωc​

Un lazo con realimentación unitaria tiene la función de transferencia en lazo abierto L(s) = 0,4/(s(s + 1)). Halla el margen de fase PM en grados.

L(s) = 0,4/(s(s + 1))
PM = °

3Disoluciones

1.Números complejos

Respuesta: b = 3,759

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 = 4·cos(110°) = −1,368
b = 4·sin(110°) = 3,759

Forma rectangular

z = −1,368 + j3,759
b = 3,759

Respuesta

b = 3,759
2.Números complejos

Respuesta: B (3∠−80°)

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.

Módulo y argumentos de las raíces

|z| = 3
θ = 40°, 160°, −80°

El punto

B = 3∠−80°

Respuesta

B (3∠−80°)
3.Impedancia y fasores en alterna

Respuesta: |Z| = 66,66 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/(ωC) = 1/(2π·60·22·10⁻⁶) = 120,6 Ω

Corrientes de rama

Ambas ramas están conectadas directamente a la alimentación, así que cada una ve la tensión completa V.

IR = V/R = 120/80 = 1,5 A
IX = V/XC = 120/120,6 = 0,9953 A

Corriente total

La corriente de la resistencia está en fase con V y la corriente reactiva está desfasada 90°, así que se suman como los catetos de un triángulo rectángulo.

I = √(IR² + IX²) = √(1,5² + 0,9953²) = 1,8 A

Impedancia

|Z| = V/I = 120/1,8 = 66,66 Ω

Respuesta

|Z| = 66,66 Ω
4.Impedancia y fasores en alterna

Respuesta: I = 0,1981 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·200·10·10⁻⁶) = 79,58 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 = 38,25 − j28,84 Ω

Impedancia total

Z = 15 + 38,25 − j28,84 = 53,25 − j28,84 Ω
|Z| = √(53,25² + 28,84²) = 60,56 Ω

Corriente

I = V/|Z| = 12/60,56 = 0,1981 A

Respuesta

I = 0,1981 A
5.Potencia en alterna y factor de potencia

Respuesta: X = 5,506 Ω

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.

Resistencia a partir de la potencia activa

R = P/I² = 4104/19² = 11,37 Ω

Reactancia a partir de la impedancia

|Z| = V/I = 240/19 = 12,63 Ω
X = √(|Z|² − R²) = √(12,63² − 11,37²) = 5,506 Ω

Respuesta

X = 5,506 Ω
6.Potencia en alterna y factor de potencia

Respuesta: ΔP = 55,6 kW

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 la carga existente

Q1 = 128·tan(arccos 0,85) = 79,33 kvar

Potencia activa total máxima

A plena carga nominal S = Smax, y la carga resistiva no cambia Q.

P = √(Smax² − Q1²) = √(200² − 79,33²) = 183,6 kW

Potencia activa adicional

ΔP = 183,6 − 128 = 55,6 kW

Respuesta

ΔP = 55,6 kW
7.Resonancia LC, factor Q y ancho de banda

Respuesta: Q = 32,16

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).

Frecuencia de resonancia

ω₀ = 1/√(LC) = 3,11 × 10⁶ rad/s

Factor de calidad

Q = R/(ω₀L) = 47000/(3,11 × 10⁶·0,00047) = 32,16

Respuesta

Q = 32,16

El ancho de banda es 1/(2πRC) = 15,39 kHz.

8.Resonancia LC, factor Q y ancho de banda

Respuesta: C = 0,8745 nF

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).

Inductancia a partir del ancho de banda

L = R/(2π·BW) = 20/(2π·22750) = 0,0001399 H

Capacidad a partir de la frecuencia de resonancia

C = 1/((2π·455000)²·0,0001399) = 8,745 × 10⁻¹⁰ F = 0,8745 nF

Respuesta

C = 0,8745 nF

Q = f₀/BW = 20.

9.Potencia trifásica

Respuesta: P = 34,06 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 = √3·690·30 = 35,85 kVA

Potencia activa

P = S·cos φ = 35,85·0,95 = 34,06 kW

Respuesta

P = 34,06 kW
10.Potencia trifásica

Respuesta: QC = 228,2 kvar

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 0,72) = 300·0,9639 = 289,2 kvar
Q2 = 300·tan(acos 0,98) = 300·0,2031 = 60,92 kvar

Potencia reactiva de los condensadores

QC = Q1 − Q2 = 228,2 kvar

Respuesta

QC = 228,2 kvar
11.Transitorios RC y RL

Respuesta: W = 38,7 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 = 220 mH / 10 Ω = 22 ms
i(∞) = Vs/R = 12/10 = 1,2 A

Corriente en el instante dado

i(t) = 1,2·(1 − e−15/22) = 0,5932 A

Energía almacenada

W = ½·L·i² = ½·220·0,5932² = 38,7 mJ

Respuesta

W = 38,7 mJ
12.Transitorios RC y RL

Respuesta: R = 6,558 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

7,5 = 15·(1 − e−100/τ) → τ = 100/ln(15/(15 − 7,5))
τ = 100/0,6931 = 144,3 ms

Resistencia

kΩ por µF da milisegundos.

R = τ/C = 144,3/22 = 6,558 kΩ

Respuesta

R = 6,558 kΩ
13.Thévenin y Norton

Respuesta: Vth = 3,333 V

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​ = 4 ΩR3​ = 5 ΩCORTOR2​2 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 = 4·2/(4+2) = 1,333 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,333 + 5 = 6,333 Ω
R1​ = 4 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​10 VR2​2 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) = 10·2/(4+2) = 3,333 V
14.Thévenin y Norton

Respuesta: PL = 20,71 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​ = 4 ΩR3​ = 3 ΩCORTOR2​10 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 = 4·10/(4+10) = 2,857 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,857 + 3 = 5,857 Ω
R1​ = 4 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​15 VR2​10 ΩAIs​2 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) = 10,71 + 2·2,857 = 16,43 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 16,43 + 2·3 = 22,43 V
Rth​ = 5,857 Ω+−Vth​22,43 VRL​4 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) = 22,43/(5,857 + 4) = 2,275 A
PL = IL²·RL = 2,275²·4 = 20,71 W
15.Diagramas de Bode y márgenes

Respuesta: φ = −76,4 °

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 = 10/0,0047 = 2128 rad/s
fc = 338,6 Hz → f/fc = 1400/338,6 = 4,134

Fase

φ = − atan(4,134) = −76,4°

Respuesta

φ = −76,4°
16.Diagramas de Bode y márgenes

Respuesta: PM = 69,46 °

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 ganancia

ω⁴ + 1ω² − 0,16 = 0
ω² = (−1 + √(1 + 4·0,16))/2 = 0,1403
ωc = 0,3746 rad/s

Margen de fase

∠L(jωc) = −90° − atan(0,3746/1) = −110,5°
PM = 180° + ∠L = 69,46°

Respuesta

PM = 69,46°

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