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
ReIm22−2−244−4−4z₁z₂w

Dados z₁ = 4∠70° y z₂ = 4∠−140°, halla el argumento θ de w = z₁/z₂ en grados, entre −180° y 180°.

z₁ = 4∠70°z₂ = 4∠−140°
θ = °
2.Números complejosDifícil
ReIm22−2−244−4−4z₀z₁

Las raíces de zⁿ = w con n = 2 y w = 25∠90° son zk = R1/n∠((φ + 360°·k)/n), k = 0, 1. Halla la parte real de z₀.

w = 25∠90°n = 2k = 0
Re(z₀) =
3.Impedancia y fasores en alternaMedia
Vf0​ = 60 HzRL = ?C = 0,22 µF

Un circuito RLC en serie con C = 0,22 µF debe resonar a 60 Hz. Halla la inductancia L necesaria.

f0 = 60 HzC = 0,22 µF
L = mH
4.Impedancia y fasores en alternaDifícil
230 V100 HzR1​ = 25 ΩR2​ = 80 ΩC = 22 µFI

Una resistencia R1 está conectada en serie con una combinación en paralelo de R2 y un condensador C, a una alimentación de 230 V (eficaces) y 100 Hz. Halla la corriente eficaz I.

V = 230 V (rms)f = 100 HzR1 = 25 ΩR2 = 80 ΩC = 22 µF
I = A
5.Potencia en alterna y factor de potenciaMedia
P = 12 kWQ = ?Sφ

Un motor monofásico consume 12 kW con un factor de potencia de 0,75 inductivo de una alimentación de 240 V. Halla la potencia reactiva Q que consume.

P = 12 kWpf = 0,75V = 240 V
Q = kvar
6.Potencia en alterna y factor de potenciaDifícil
P = 25 kWQ1​S1​φ1​QC​

Una carga monofásica consume 25 kW con un factor de potencia de 0,6 inductivo de una alimentación de 400 V y 50 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 = 25 kWpf1 = 0,6pf2 = 0,92V = 400 Vf = 50 Hz
QC = kvar
7.Resonancia LC, factor Q y ancho de bandaMedia
V2 Ω4,7 mH100 nF

Un circuito RLC serie tiene R = 2 Ω, L = 4,7 mH y C = 100 nF. Halla su ancho de banda BW en Hz.

R = 2 ΩL = 4,7 mHC = 100 nF
BW = Hz
8.Resonancia LC, factor Q y ancho de bandaDifícil
V5 Ω100 mH220 nF200 mA

Un circuito RLC serie (R = 5 Ω, L = 100 mH, C = 220 nF) se excita en resonancia con una amplitud de corriente de 200 mA. Halla la energía Ecycle disipada en R durante un ciclo, en µJ.

R = 5 ΩL = 100 mHC = 220 nFIm = 200 mA
Ecycle = µJ
9.Potencia trifásicaMedia
ABCVL​ = 415 VIL​ = 25 Acos φ = 0,7inductivo

Una carga trifásica equilibrada consume una corriente de línea de 25 A de una alimentación con una tensión de línea de 415 V. El factor de potencia es 0,7 inductivo. Halla la potencia activa total P que consume la carga en kW.

VL = 415 VIL = 25 Acos φ = 0,7
P = kW
10.Potencia trifásicaDifícil
P = 200 kWφ1​S1​Q2​QC​

Una carga trifásica equilibrada consume 200 kW con un factor de potencia de 0,72 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 0,95 inductivo. La potencia activa no cambia. Los condensadores están conectados en estrella. Halla la capacidad Cph de cada condensador en µF.

P = 200 kWpf1 = 0,72pf2 = 0,95VL = 690 Vf = 60 Hz
Cph = µF
11.Transitorios RC y RLMedia
+−Vs​12 Vt = 0R = 22 ΩL68 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 = 12 VR = 22 ΩL = 68 mHt = 5 ms
W = mJ
12.Transitorios RC y RLDifícil
+−Vs​20 Vt = 0R = 4,7 kΩC100 µF+−vC​vC​(0) = 5 V

Justo antes de que el interruptor se cierre en t = 0, el condensador tiene 5 V con la polaridad indicada. ¿Cuánto tarda vC en llegar a 12,5 V? Halla t.

Vs = 20 VR = 4,7 kΩC = 100 µFvC(0) = 5 V
t = ms
13.Thévenin y NortonMedia
R1​ = 10 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​12 VR2​5 ΩAab

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

V1 = 12 VR1 = 10 ΩR2 = 5 ΩR3 = 4 Ω
Rth = Ω
14.Thévenin y NortonDifícil
R1​ = 5 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​10 VR2​30 ΩAIs​3 ABab

Halla la corriente de Norton IN: la corriente que circula de a a b si se cortocircuitan los terminales.

V1 = 10 VIs = 3 AR1 = 5 ΩR2 = 30 ΩR3 = 8 Ω
IN = A
15.Diagramas de Bode y márgenesMedia
|H| (dB)0,11101001000−80−60−40−2002040ω (rad/s)ω = 2

Halla el módulo exacto |G(jω)| de G(s) = 800/((s + 2)(s + 20)) en ω = 2 rad/s, en dB.

G(s) = 800/((s + 2)(s + 20))ω = 2 rad/s
|G(jω)| = dB
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) = K/(s(s + 8)(s + 9)). Halla la ganancia K que da un margen de ganancia de 2 dB.

L(s) = K/(s(s + 8)(s + 9))GM = 2 dB
K =

3Disoluciones

1.Números complejos

Respuesta: θ = −150 °

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| = 4 / 4 = 1
θ = 70° − (−140)° = 210° → −150°

Argumento

θ = −150°

Respuesta

θ = −150°
2.Números complejos

Respuesta: Re(z₀) = 3,536

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

θ₀ = (90° + 360°·0)/2 = 45°

Forma rectangular

z₀ = 5·(cos 45° + j sin 45°) = 3,536 + j3,536
Re(z₀) = 3,536

Respuesta

Re(z₀) = 3,536

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

3.Impedancia y fasores en alterna

Respuesta: L = 31983 mH

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|.

Condición de resonancia

En resonancia, las reactancias inductiva y capacitiva se anulan: ωL = 1/(ωC).

ω₀ = 2π·60 = 377 rad/s
L = 1/(ω₀²·C) = 1/(377²·0,22·10⁻⁶) = 31983 mH

Respuesta

L = 31983 mH
4.Impedancia y fasores en alterna

Respuesta: I = 3,158 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·100·22·10⁻⁶) = 72,34 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 = 35,99 − j39,8 Ω

Impedancia total

Z = 25 + 35,99 − j39,8 = 60,99 − j39,8 Ω
|Z| = √(60,99² + 39,8²) = 72,83 Ω

Corriente

I = V/|Z| = 230/72,83 = 3,158 A

Respuesta

I = 3,158 A
5.Potencia en alterna y factor de potencia

Respuesta: Q = 10,58 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.

Ángulo

φ = arccos(0,75) = 41,41°, tan φ = 0,8819

Potencia reactiva

Q = P·tan φ = 12·0,8819 = 10,58 kvar

Respuesta

Q = 10,58 kvar
6.Potencia en alterna y factor de potencia

Respuesta: QC = 22,68 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 = 25·tan(53,13°) = 33,33 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 25·tan(23,07°) = 10,65 kvar
QC = Q1 − Q2 = 22,68 kvar

Respuesta

QC = 22,68 kvar
7.Resonancia LC, factor Q y ancho de banda

Respuesta: BW = 67,73 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 = 2/0,0047 = 425,5 rad/s

Ancho de banda en Hz

BW = 425,5/(2π) = 67,73 Hz = 67,73 Hz

Respuesta

BW = 67,73 Hz

Con f₀ = 7,341 kHz esto da Q = 108,4.

8.Resonancia LC, factor Q y ancho de banda

Respuesta: Ecycle = 93,19 µJ

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).

Energía almacenada

W = ½·0,1·0,2² = 0,002 J

Factor de calidad

Q = (1/5)·√(0,1/2,2 × 10⁻⁷) = 134,8

Energía perdida por ciclo

Ecycle = 2π·W/Q = 2π·0,002/134,8 = 9,319 × 10⁻⁵ J = 93,19 µJ
comprobación: ½·0,2²·5/1073 = 9,319 × 10⁻⁵ J

Respuesta

Ecycle = 93,19 µJ
9.Potencia trifásica

Respuesta: P = 12,58 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 = √3·415·25 = 17,97 kVA

Potencia activa

P = S·cos φ = 17,97·0,7 = 12,58 kW

Respuesta

P = 12,58 kW
10.Potencia trifásica

Respuesta: Cph = 707,8 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 = 200·tan(acos 0,72) = 200·0,9639 = 192,8 kvar
Q2 = 200·tan(acos 0,95) = 200·0,3287 = 65,74 kvar

Potencia reactiva de los condensadores

QC = Q1 − Q2 = 127 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·60 = 377 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 42345/(377·398,4²) = 707,8 µF

Respuesta

Cph = 707,8 µF
11.Transitorios RC y RL

Respuesta: W = 6,501 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 = 68 mH / 22 Ω = 3,091 ms
i(∞) = Vs/R = 12/22 = 0,5455 A

Corriente en el instante dado

i(t) = 0,5455·(1 − e−5/3,091) = 0,4373 A

Energía almacenada

W = ½·L·i² = ½·68·0,4373² = 6,501 mJ

Respuesta

W = 6,501 mJ
12.Transitorios RC y RL

Respuesta: t = 325,8 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) = 5 V, vC(∞) = Vs = 20 V
τ = R·C = 4,7 kΩ · 100 µF = 470 ms
vC(t) = 20 + (5 − 20)·e−t/τ

Despeja el tiempo

12,5 = 20 + (−15)·e−t/τ → e−t/τ = (12,5 − 20)/(5 − 20) = 0,5
t = τ·ln((5 − 20)/(12,5 − 20)) = 470·ln(2) = 325,8 ms

Respuesta

t = 325,8 ms
13.Thévenin y Norton

Respuesta: Rth = 7,333 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​ = 10 ΩR3​ = 4 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 = 10·5/(10+5) = 3,333 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3,333 + 4 = 7,333 Ω
14.Thévenin y Norton

Respuesta: IN = 3,698 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​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 = 5·30/(5+30) = 4,286 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 4,286 + 8 = 12,29 Ω
R1​ = 5 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​10 VR2​30 ΩAIs​3 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) = 8,571 + 3·4,286 = 21,43 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 21,43 + 3·8 = 45,43 V
IN​3,698 ARth​12,29 Ωab

Equivalente de Norton

Una fuente de Norton es el mismo circuito visto como una fuente de corriente en paralelo con R_th. Su corriente es la corriente de cortocircuito en a–b.

IN = Vth/Rth = 45,43/12,29 = 3,698 A
15.Diagramas de Bode y márgenes

Respuesta: |G(jω)| = 22,97 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.

Multiplica los módulos

|G(j2)| = 800/(√(2² + 2²)·√(2² + 20²)) = 800/(2,828·20,1) = 14,07

Resultado

20·log₁₀(14,07) = 22,97 dB

Respuesta

|G(jω)| = 22,97 dB
16.Diagramas de Bode y márgenes

Respuesta: K = 972,3

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

Ganancia necesaria

1224/K = 102/20 = 1,259
K = 1224/1,259 = 972,3

Respuesta

K = 972,3

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