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
ReIm55−5−51010−10−10z₁z₂w

Dados z₁ = 3∠−35° y z₂ = 3∠−140°, halla la parte real de w = z₁·z₂.

z₁ = 3∠−35°z₂ = 3∠−140°
Re(w) =
2.Números complejosDifícil
ReIm22−2−244−4−4z₀z₁

Las raíces de zⁿ = w con n = 2 y w = 25∠−60° son zk = R1/n∠((φ + 360°·k)/n), k = 0, 1. Halla la parte real de z₁.

w = 25∠−60°n = 2k = 1
Re(z₁) =
3.Impedancia y fasores en alternaMedia
120 V1000 HzR = 100 ΩL = 200 mHC = 22 µFI

Un circuito RLC en serie está conectado a una alimentación de 120 V (eficaces) y 1000 Hz. Halla la corriente eficaz I.

V = 120 V (rms)f = 1000 HzR = 100 ΩL = 200 mHC = 22 µF
I = A
4.Impedancia y fasores en alternaDifícil
24 Vf0​R = 10 ΩL = 20 mHC = 4,7 µF

Un circuito RLC en serie se alimenta con una fuente de 24 V (eficaces) cuya frecuencia se ajusta a la frecuencia de resonancia del circuito. Halla la tensión eficaz VL en la bobina.

V = 24 V (rms)R = 10 ΩL = 20 mHC = 4,7 µF
VL = V
5.Potencia en alterna y factor de potenciaMedia
120 VZ12 + j9 ΩI

Una carga de impedancia Z = 12 + j9 Ω está conectada a una alimentación monofásica de 120 V (eficaces). Halla la potencia reactiva Q que absorbe.

V = 120 VZ = 12 + j9 Ω
Q = var
6.Potencia en alterna y factor de potenciaDifícil
P1​ = 47 kWQ1​S1​φ

Un transformador monofásico de 150 kVA alimenta una carga de 47 kW con un factor de potencia de 0,6 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 = 150 kVAP1 = 47 kWpf1 = 0,6
ΔP = kW
7.Resonancia LC, factor Q y ancho de bandaMedia
V2 Ω1 mH47 nF

Un circuito RLC serie tiene R = 2 Ω, L = 1 mH y C = 47 nF. Halla su ancho de banda BW en Hz.

R = 2 ΩL = 1 mHC = 47 nF
BW = Hz
8.Resonancia LC, factor Q y ancho de bandaDifícil
f|I|0,7071f0​ = ?20 kHz50 kHzBW

Las frecuencias de media potencia de una curva de resonancia son 20 kHz y 50 kHz. Halla la frecuencia de resonancia como su media geométrica y después el factor de calidad Q.

f1 = 20 kHzf2 = 50 kHz
Q =
9.Potencia trifásicaMedia
ABCVL​ = 480 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 480 V. El factor de potencia es 0,95 inductivo. Halla la potencia activa total P que consume la carga en kW.

VL = 480 VIL = 30 Acos φ = 0,95
P = kW
10.Potencia trifásicaDifícil
P = 250 kWφ1​S1​Q2​QC​

Una carga trifásica equilibrada consume 250 kW con un factor de potencia de 0,65 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 estrella. Halla la capacidad Cph de cada condensador en µF.

P = 250 kWpf1 = 0,65pf2 = 0,9VL = 415 Vf = 60 Hz
Cph = µF
11.Transitorios RC y RLMedia
+−Vs​30 Vt = 0R1​ = 10 kΩR2​ = 10 kΩC10 µF+−vC​

La fuente Vₛ carga el condensador a través de R₁, y R₂ está conectada en paralelo con C. El condensador está descargado cuando el interruptor se cierra en t = 0. Halla la constante de tiempo τ del circuito después de cerrar el interruptor.

Vs = 30 VR1 = 10 kΩR2 = 10 kΩC = 10 µF
τ = ms
12.Transitorios RC y RLDifícil
+−Vs​12 Vt = 0R = 1 kΩC?+−vC​

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 9 V, exactamente 100 ms después del inicio. Con R = 1 kΩ, halla la capacidad C necesaria.

Vs = 12 VVth = 9 VT = 100 msR = 1 kΩ
C = µF
13.Thévenin y NortonMedia
R1​ = 4 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​24 VR2​5 ΩAab

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

V1 = 24 VR1 = 4 ΩR2 = 5 ΩR3 = 3 Ω
Rth = Ω
14.Thévenin y NortonDifícil
R1​ = 20 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​5 VR2​10 ΩAIs​1 ABRL​3 ΩIL​

Se conecta una carga RL = 3 Ω entre a–b. Usa un equivalente de Thévenin para hallar la potencia PL entregada a la carga.

V1 = 5 VIs = 1 AR1 = 20 ΩR2 = 10 ΩR3 = 12 ΩRL = 3 Ω
PL = W
15.Diagramas de Bode y márgenesMedia
vin​L = 47 mHR = 220 Ωvout​

El filtro paso bajo RL mostrado tiene R = 220 Ω, L = 47 mH. Se aplica una entrada sinusoidal de 150 Hz. Halla el desfase φ de vout respecto a vin, en grados.

R = 220 ΩL = 47 mHf = 150 Hz
φ = °
16.Diagramas de Bode y márgenesDifícil
|H| (dB)0,10,1111010100100−60−40−200204060ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−270−180−900ω180​

Un lazo con realimentación unitaria tiene la función de transferencia en lazo abierto L(s) = 972/(s(s + 8)(s + 9)). Halla el margen de ganancia GM en dB.

L(s) = 972/(s(s + 8)(s + 9))
GM = dB

3Disoluciones

1.Números complejos

Respuesta: Re(w) = −8,966

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.

Módulo y argumento de w

|w| = 3 · 3 = 9
θ = −35° + (−140)° = −175°

Forma rectangular

Re(w) = 9·cos(−175°) = −8,966
Im(w) = 9·sin(−175°) = −0,7844
Re(w) = −8,966

Respuesta

Re(w) = −8,966
2.Números complejos

Respuesta: Re(z₁) = −4,33

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 de las raíces

251/2 = 5

Argumento de la raíz

θ₁ = (−60° + 360°·1)/2 = 150°

Forma rectangular

z₁ = 5·(cos 150° + j sin 150°) = −4,33 + j2,5
Re(z₁) = −4,33

Respuesta

Re(z₁) = −4,33

Las 2 raíces están en la circunferencia de radio 5, separadas 180°.

3.Impedancia y fasores en alterna

Respuesta: I = 0,09574 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|.

Reactancias

ω = 2πf = 2π·1000 = 6283 rad/s
XL = ωL = 6283·0,2 = 1257 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(6283·22·10⁻⁶) = 7,234 Ω

Impedancia

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

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(100² + (1249)²) = 1253 Ω

Corriente

La misma corriente pasa por todos los elementos de un circuito en serie.

I = V/|Z| = 120/1253 = 0,09574 A

Respuesta

I = 0,09574 A
4.Impedancia y fasores en alterna

Respuesta: VL = 156,6 V

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/√(0,02·4,7·10⁻⁶) = 3262 rad/s
I = V/R = 24/10 = 2,4 A

Tensión en la bobina

XL = ω₀L = 3262·0,02 = 65,23 Ω
VL = I·XL = 2,4·65,23 = 156,6 V

Respuesta

VL = 156,6 V

Esto es Q = 6,523 veces la tensión de alimentación.

5.Potencia en alterna y factor de potencia

Respuesta: Q = 576 var

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 + 9²) = 15 Ω
I = V/|Z| = 120/15 = 8 A

Potencia reactiva

Q = I²·X = 8²·9 = 576 var

Respuesta

Q = 576 var
6.Potencia en alterna y factor de potencia

Respuesta: ΔP = 89,28 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 = 47·tan(arccos 0,6) = 62,67 kvar

Potencia activa total máxima

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

P = √(Smax² − Q1²) = √(150² − 62,67²) = 136,3 kW

Potencia activa adicional

ΔP = 136,3 − 47 = 89,28 kW

Respuesta

ΔP = 89,28 kW
7.Resonancia LC, factor Q y ancho de banda

Respuesta: BW = 318,3 Hz

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).

Ancho de banda en rad/s

R/L = 2/0,001 = 2000 rad/s

Ancho de banda en Hz

BW = 2000/(2π) = 318,3 Hz = 318,3 Hz

Respuesta

BW = 318,3 Hz

Con f₀ = 23,22 kHz esto da Q = 72,93.

8.Resonancia LC, factor Q y ancho de banda

Respuesta: Q = 1,054

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

f0 = √(20000·50000) = 31623 Hz

Ancho de banda

BW = 50000 − 20000 = 30000 Hz

Factor de calidad

Q = 31623/30000 = 1,054

Respuesta

Q = 1,054
9.Potencia trifásica

Respuesta: P = 23,69 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 = √3·480·30 = 24,94 kVA

Potencia activa

P = S·cos φ = 24,94·0,95 = 23,69 kW

Respuesta

P = 23,69 kW
10.Potencia trifásica

Respuesta: Cph = 2637 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 = 250·tan(acos 0,65) = 250·1,169 = 292,3 kvar
Q2 = 250·tan(acos 0,9) = 250·0,4843 = 121,1 kvar

Potencia reactiva de los condensadores

QC = Q1 − Q2 = 171,2 kvar

Capacidad por fase

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

V = 415/√3 = 239,6 V, ω = 2π·60 = 377 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 57067/(377·239,6²) = 2637 µF

Respuesta

Cph = 2637 µF
11.Transitorios RC y RL

Respuesta: τ = 50 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.

Equivalente de Thévenin visto por el condensador

Cortocircuita la fuente para hallar Rth; deja abierto el condensador para hallar la tensión a la que se estabilizará.

Rth = R1 ∥ R2 = 10·10/(10 + 10) = 5 kΩ
vC(∞) = 30·10/(10 + 10) = 15 V

Constante de tiempo

τ = Rth·C = 5·10 = 50 ms

Respuesta

τ = 50 ms
12.Transitorios RC y RL

Respuesta: C = 72,13 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.

Constante de tiempo necesaria

9 = 12·(1 − e−100/τ) → τ = 100/ln(12/(12 − 9))
τ = 100/1,386 = 72,13 ms

Capacidad

kΩ por µF da milisegundos.

C = τ/R = 72,13/1 = 72,13 µF

Respuesta

C = 72,13 µF
13.Thévenin y Norton

Respuesta: Rth = 5,222 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​ = 4 ΩR3​ = 3 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 = 4·5/(4+5) = 2,222 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,222 + 3 = 5,222 Ω
14.Thévenin y Norton

Respuesta: PL = 2,642 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​ = 20 ΩR3​ = 12 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 = 20·10/(20+10) = 6,667 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 6,667 + 12 = 18,67 Ω
R1​ = 20 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​5 VR2​10 ΩAIs​1 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) = 1,667 + 1·6,667 = 8,333 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 8,333 + 1·12 = 20,33 V
Rth​ = 18,67 Ω+−Vth​20,33 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) = 20,33/(18,67 + 3) = 0,9385 A
PL = IL²·RL = 0,9385²·3 = 2,642 W
15.Diagramas de Bode y márgenes

Respuesta: φ = −11,38 °

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 = 220/0,047 = 4681 rad/s
fc = 745 Hz → f/fc = 150/745 = 0,2013

Fase

φ = − atan(0,2013) = −11,38°

Respuesta

φ = −11,38°
16.Diagramas de Bode y márgenes

Respuesta: GM = 2,002 dB

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/8)·(ω/9) = 1 → ω180 = √(8·9) = 8,485 rad/s

Módulo en el cruce de fase

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 64)·√(ω² + 81)) = K/(8·9·(8 + 9)) = K/1224

Margen de ganancia

GM = 20·log₁₀(1224/972) = 2,002 dB

Respuesta

GM = 2,002 dB

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