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

Escribe z = −9 − j8 en forma exponencial r·ejθ. Da θ en radianes, entre −π y π.

z = −9 − j8
θ = rad
2.Números complejosDifícil
ReIm11−1−122−2−2z₀z₁

Las raíces de zⁿ = w con n = 2 y w = 4∠−90° son zk = R1/n∠((φ + 360°·k)/n), k = 0, 1. Halla el argumento de z₁ en grados, entre −180° y 180°.

w = 4∠−90°n = 2k = 1
θ₁ = °
3.Impedancia y fasores en alternaMedia
12 V100 HzR = 20 ΩL = 50 mHC = 100 µFI

Un circuito RLC en serie está conectado a una alimentación de 12 V (eficaces) y 100 Hz. Halla la corriente eficaz I.

V = 12 V (rms)f = 100 HzR = 20 ΩL = 50 mHC = 100 µF
I = A
4.Impedancia y fasores en alternaDifícil
10 V500 HzR = 30 ΩL = 100 mHC = 4,7 µFI

Un circuito RLC en serie está conectado a una alimentación de 10 V (eficaces) y 500 Hz. Halla la corriente eficaz I.

V = 10 V (rms)f = 500 HzR = 30 ΩL = 100 mHC = 4,7 µF
I = A
5.Potencia en alterna y factor de potenciaMedia
240 V17 kW, 0,6226 kW, 0,95I = ?

Dos cargas están conectadas en paralelo a una alimentación monofásica de 240 V: una carga de 7 kW con un factor de potencia de 0,6 inductivo y una carga de 26 kW con un factor de potencia de 0,95 inductivo. Halla la corriente total I que se toma de la alimentación.

V = 240 VP1 = 7 kW, pf1 = 0,6 inductivoP2 = 26 kW, pf2 = 0,95 inductivo
I = A
6.Potencia en alterna y factor de potenciaDifícil
240 V60 Hzcarga28 kW, 0,75C470 µFI = ?

Una carga monofásica consume 28 kW con un factor de potencia de 0,75 inductivo de una alimentación de 240 V y 60 Hz. Se conecta un condensador de 470 µF en paralelo con la carga. Halla la nueva corriente de línea I.

P = 28 kWpf1 = 0,75V = 240 Vf = 60 HzC = 470 µF
I = A
7.Resonancia LC, factor Q y ancho de bandaMedia
f|I|0,7071200 kHzf1​ = ?f2​BW

Un circuito RLC serie resuena a 200 kHz con Q = 2,5. Halla con exactitud la frecuencia de media potencia inferior f1, en kHz.

f0 = 200 kHzQ = 2,5
f1 = kHz
8.Resonancia LC, factor Q y ancho de bandaDifícil
C = 10 nFr = 5 ΩL = 22 mH

Un circuito tanque paralelo está formado por un condensador de 10 nF y una bobina de 22 mH con una resistencia de devanado de 5 Ω. En la resonancia se comporta como una resistencia, su resistencia dinámica RD = L/(C·r). Halla RD en kΩ.

L = 22 mHC = 10 nFr = 5 Ω
RD = kΩ
9.Potencia trifásicaMedia
ABCVL​ = 208 VZ = 12 + j9 Ωpor fase

Una carga equilibrada conectada en triángulo, con una impedancia de 12 + j9 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 = 12 + j9 Ω por fase
P = kW
10.Potencia trifásicaDifícil
P = 50 kWφ1​S1​Q2​QC​

Una carga trifásica equilibrada consume 50 kW con un factor de potencia de 0,78 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 0,9 inductivo. La potencia activa no cambia. Los condensadores están conectados en triángulo. Halla la capacidad Cph de cada condensador en µF.

P = 50 kWpf1 = 0,78pf2 = 0,9VL = 690 Vf = 50 Hz
Cph = µF
11.Transitorios RC y RLMedia
+−Vs​9 Vt = 0R = 22 ΩL100 mHi(t)

La bobina no lleva corriente antes de que el interruptor se cierre en t = 0. Halla la tensión vL en la bobina en t = 10 ms.

Vs = 9 VR = 22 ΩL = 100 mHt = 10 ms
vL = V
12.Transitorios RC y RLDifícil
+−Vs​6 Vse abre en t = 0R1​ = 10 kΩR2​ = 3,3 kΩC10 µF+−vC​

El interruptor lleva mucho tiempo cerrado, así que el circuito está en régimen permanente. En t = 0 se abre el interruptor. Halla la tensión del condensador vC en t = 15 ms.

Vs = 6 VR1 = 10 kΩR2 = 3,3 kΩC = 10 µFt = 15 ms
vC = V
13.Thévenin y NortonMedia
R1​ = 3 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​24 VR2​4 ΩAab

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

V1 = 24 VR1 = 3 ΩR2 = 4 ΩR3 = 20 Ω
Vth = V
14.Thévenin y NortonDifícil
R1​ = 25 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​10 VR2​25 ΩAIs​2 ABab

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

V1 = 10 VIs = 2 AR1 = 25 ΩR2 = 25 ΩR3 = 12 Ω
Vth = V
15.Diagramas de Bode y márgenesMedia
vin​L = 10 mHC = 4,7 µFR = 10 Ωvout​

En el filtro paso banda RLC serie mostrado, la salida se toma en R = 10 Ω, con L = 10 mH y C = 4,7 µF. Halla la frecuencia central (de resonancia) f0 en Hz.

R = 10 ΩL = 10 mHC = 4,7 µF
f0 = Hz
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) = 234/(s(s + 5)(s + 6)). Halla el margen de ganancia GM en dB.

L(s) = 234/(s(s + 5)(s + 6))
GM = dB

3Disoluciones

1.Números complejos

Respuesta: θ = −2,415 rad

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

r = √(81 + 64) = 12,04

Argumento en radianes

θ = −138,4° = −138,4·π/180 = −2,415 rad

Forma exponencial

z = 12,04·e−j2,415

Respuesta

θ = −2,415 rad
2.Números complejos

Respuesta: θ₁ = 135 °

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

41/2 = 2

Argumento de la raíz

θ₁ = (−90° + 360°·1)/2 = 135°

Argumento

θ₁ = 135°

Respuesta

θ₁ = 135°

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

3.Impedancia y fasores en alterna

Respuesta: I = 0,4742 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·100 = 628,3 rad/s
XL = ωL = 628,3·0,05 = 31,42 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(628,3·100·10⁻⁶) = 15,92 Ω

Impedancia

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

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(20² + (15,5)²) = 25,3 Ω

Corriente

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

I = V/|Z| = 12/25,3 = 0,4742 A

Respuesta

I = 0,4742 A
4.Impedancia y fasores en alterna

Respuesta: I = 0,04028 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·500 = 3142 rad/s
XL = ωL = 3142·0,1 = 314,2 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(3142·4,7·10⁻⁶) = 67,73 Ω

Impedancia

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

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(30² + (246,4)²) = 248,3 Ω

Corriente

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

I = V/|Z| = 10/248,3 = 0,04028 A

Respuesta

I = 0,04028 A
5.Potencia en alterna y factor de potencia

Respuesta: I = 156,4 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 = 7·tan(arccos 0,6) = 9,333 kvar
Q2 = 26·tan(arccos 0,95) = 8,546 kvar

Totales

P = 7 + 26 = 33 kW
Q = 9,333 + 8,546 = 17,88 kvar
S = √(33² + 17,88²) = 37,53 kVA

Corriente total

I = S/V = 37532/240 = 156,4 A

Respuesta

I = 156,4 A
6.Potencia en alterna y factor de potencia

Respuesta: I = 131,4 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 antes y después

La potencia activa P no cambia; solo cambia la potencia reactiva que se toma de la red.

Q1 = 28·tan(arccos 0,75) = 24,69 kvar
QC = V²·2πf·C = 240²·2π·60·470·10⁻⁶ = 10206 var = 10,21 kvar
Q2 = 24,69 − 10,21 = 14,49 kvar

Nueva potencia aparente

S2 = √(28² + 14,49²) = 31,53 kVA

Nueva corriente de línea

I = S2/V = 31526/240 = 131,4 A

Respuesta

I = 131,4 A
7.Resonancia LC, factor Q y ancho de banda

Respuesta: f1 = 164 kHz

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).

Término de la raíz cuadrada

√(1 + 1/(4·2,5²)) = 1,02

Frecuencia de media potencia inferior

f1 = 200000·(1,02 − 0,2) = 163961 Hz = 164 kHz

Respuesta

f1 = 164 kHz

La superior es f₂ = 244 kHz; comprobación: f₂ − f₁ = 80 kHz = f₀/Q.

8.Resonancia LC, factor Q y ancho de banda

Respuesta: RD = 440 kΩ

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).

Resistencia dinámica

RD = 0,022/(1 × 10⁻⁸·5) = 440000 Ω = 440 kΩ

Comprobación con Q

Q = (1/r)·√(L/C) = 296,6, Q²·r = 440000 Ω

Respuesta

RD = 440 kΩ
9.Potencia trifásica

Respuesta: P = 6,922 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 = VL = 208 V

Corriente de fase

|Z| = √(12² + 9²) = 15 Ω
Iph = 208/15 = 13,87 A

Potencia activa total

Solo la parte resistiva de cada impedancia absorbe potencia activa.

P = 3·Iph²·R = 3·13,87²·12 = 6,922 kW

Respuesta

P = 6,922 kW

Comprobación: cos φ = R/|Z| = 0,8, y √3·VL·IL·cos φ da la misma potencia.

10.Potencia trifásica

Respuesta: Cph = 35,43 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 = 50·tan(acos 0,78) = 50·0,8023 = 40,11 kvar
Q2 = 50·tan(acos 0,9) = 50·0,4843 = 24,22 kvar

Potencia reactiva de los condensadores

QC = Q1 − Q2 = 15,9 kvar

Capacidad por fase

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

V = 690 V, ω = 2π·50 = 314,2 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 5299/(314,2·690²) = 35,43 µF

Respuesta

Cph = 35,43 µF
11.Transitorios RC y RL

Respuesta: vL = 0,9972 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 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 = 100 mH / 22 Ω = 4,545 ms
i(∞) = Vs/R = 9/22 = 0,4091 A

Tensión en la bobina

En t = 0 toda la tensión de alimentación aparece en la bobina; después cae a cero.

vL(t) = Vs·e−t/τ = 9·e−10/4,545 = 0,9972 V

Respuesta

vL = 0,9972 V
12.Transitorios RC y RL

Respuesta: vC = 0,9449 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.

Tensión inicial del condensador

En régimen permanente el condensador es un circuito abierto, así que R₁ y R₂ forman un divisor de tensión. La tensión del condensador no puede saltar al abrirse el interruptor.

vC(0) = 6·3,3/(10 + 3,3) = 1,489 V

Constante de tiempo tras abrirse el interruptor

τ = R2·C = 3,3·10 = 33 ms

Descarga

vC(t) = 1,489·e−15/33 = 0,9449 V

Respuesta

vC = 0,9449 V
13.Thévenin y Norton

Respuesta: Vth = 13,71 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​ = 3 ΩR3​ = 20 ΩCORTOR2​4 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 = 3·4/(3+4) = 1,714 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,714 + 20 = 21,71 Ω
R1​ = 3 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​24 VR2​4 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) = 24·4/(3+4) = 13,71 V
14.Thévenin y Norton

Respuesta: Vth = 54 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​ = 25 ΩR3​ = 12 ΩCORTOR2​25 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 = 25·25/(25+25) = 12,5 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 12,5 + 12 = 24,5 Ω
R1​ = 25 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​10 VR2​25 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) = 5 + 2·12,5 = 30 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 30 + 2·12 = 54 V
15.Diagramas de Bode y márgenes

Respuesta: f0 = 734,1 Hz

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/√(0,01·4,7 × 10⁻⁶) = 4613 rad/s
f₀ = ω₀/(2π) = 734,1 Hz

Respuesta

f0 = 734,1 Hz
16.Diagramas de Bode y márgenes

Respuesta: GM = 2,986 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/5)·(ω/6) = 1 → ω180 = √(5·6) = 5,477 rad/s

Módulo en el cruce de fase

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 25)·√(ω² + 36)) = K/(5·6·(5 + 6)) = K/330

Margen de ganancia

GM = 20·log₁₀(330/234) = 2,986 dB

Respuesta

GM = 2,986 dB

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