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
ReIm22−2−244−4−466−6−6z₁z₂w

Dados z₁ = 4∠40° y z₂ = 1,5∠45°, halla la parte real de w = z₁·z₂.

z₁ = 4∠40°z₂ = 1,5∠45°
Re(w) =
2.Números complejosDifícil
ReIm11−1−122−2−2θz

Usa el teorema de De Moivre para hallar la parte imaginaria de z⁵ para z = 1 − j√3.

z = 1 − j√3n = 5
Im(z⁵) =
3.Impedancia y fasores en alternaMedia
50 V200 HzR = 15 ΩL = 20 mHI

Una resistencia y una bobina están conectadas en paralelo a una alimentación de 50 V (eficaces) y 200 Hz. Halla el módulo de la impedancia |Z|.

V = 50 V (rms)f = 200 HzR = 15 ΩL = 20 mH
|Z| = Ω
4.Impedancia y fasores en alternaDifícil
120 V60 HzR = 60 ΩL = 200 mHC = 10 µF+−VC​

Un circuito RLC en serie está conectado a una alimentación de 120 V (eficaces) y 60 Hz. Halla la tensión eficaz VC en el condensador.

V = 120 V (rms)f = 60 HzR = 60 ΩL = 200 mHC = 10 µF
VC = V
5.Potencia en alterna y factor de potenciaMedia
P = 6 kWQ = ?Sφ

Un motor monofásico consume 6 kW con un factor de potencia de 0,7 inductivo de una alimentación de 230 V. Halla la potencia reactiva Q que consume.

P = 6 kWpf = 0,7V = 230 V
Q = kvar
6.Potencia en alterna y factor de potenciaDifícil
12 V60 HzRs​ = 25 ΩXs​ = j5 ΩZL​ = ?

Una fuente de 12 V (eficaces) y 60 Hz tiene una impedancia interna Zs = 25 + j5 Ω. La impedancia de carga ZL puede elegirse libremente. Halla la potencia activa máxima Pmax que puede entregarse a la carga.

Vs = 12 V (rms)f = 60 HzZs = 25 + j5 Ω
Pmax = W
7.Resonancia LC, factor Q y ancho de bandaMedia
tvC​iL​T/4 = ?T/2TL = 220 µHC = 4,7 nF

En un circuito LC ideal con L = 220 µH y C = 4,7 nF, el condensador está completamente cargado en t = 0. ¿Cuánto tarda en pasar toda la energía a la bobina? Da t en µs.

L = 220 µHC = 4,7 nF
t = µs
8.Resonancia LC, factor Q y ancho de bandaDifícil
VR = ?22 mHC

Un circuito resonante serie usa una bobina de 22 mH. ¿Qué resistencia total en serie R da un ancho de banda de 5 kHz?

L = 22 mHBW = 5 kHz
R = Ω
9.Potencia trifásicaMedia
ABCVL​ = 400 VIL​ = 25 Acos φ = 0,92inductivo

Una carga trifásica equilibrada consume una corriente de línea de 25 A de una alimentación con una tensión de línea de 400 V. El factor de potencia es 0,92 inductivo. Halla la potencia activa total P que consume la carga en kW.

VL = 400 VIL = 25 Acos φ = 0,92
P = kW
10.Potencia trifásicaDifícil
P = 60 kWφ1​S1​Q2​QC​

Una carga trifásica equilibrada consume 60 kW con un factor de potencia de 0,7 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 0,92 inductivo. La potencia activa no cambia. Los condensadores están conectados en estrella. Halla la capacidad Cph de cada condensador en µF.

P = 60 kWpf1 = 0,7pf2 = 0,92VL = 690 Vf = 60 Hz
Cph = µF
11.Transitorios RC y RLMedia
+−Vs​24 Vt = 0R = 22 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 90 % de su valor final? Halla t.

Vs = 24 VR = 22 ΩL = 33 mH
t = ms
12.Transitorios RC y RLDifícil
+−Vs​12 VR1​ = 20 ΩR2​ = 22 Ωse abre en t = 0L22 mHi(t)

El interruptor en paralelo con R2 lleva mucho tiempo cerrado, así que la corriente de la bobina es estacionaria. En t = 0 se abre el interruptor. Halla la corriente de la bobina i en t = 1 ms.

Vs = 12 VR1 = 20 ΩR2 = 22 ΩL = 22 mHt = 1 ms
i = A
13.Thévenin y NortonMedia
R1​ = 12 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​24 VR2​6 ΩARL​2 ΩIL​B

Se conecta una carga RL = 2 Ω entre a–b. Sustituye el resto del circuito por su equivalente de Thévenin y halla la corriente de carga IL.

V1 = 24 VR1 = 12 ΩR2 = 6 ΩR3 = 4 ΩRL = 2 Ω
IL = A
14.Thévenin y NortonDifícil
R1​ = 6 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​30 VR2​6 ΩAIs​1 ABab

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

V1 = 30 VIs = 1 AR1 = 6 ΩR2 = 6 ΩR3 = 4 Ω
IN = A
15.Diagramas de Bode y márgenesMedia
vin​C = 47 nFR = 4,7 kΩvout​

El filtro paso alto RC mostrado tiene R = 4,7 kΩ, C = 47 nF. Se aplica una entrada sinusoidal de 2,9 kHz. Halla el desfase φ de vout respecto a vin, en grados.

R = 4,7 kΩC = 47 nFf = 2,9 kHz
φ = °
16.Diagramas de Bode y márgenesDifícil
|H| (dB)0,10,1111010100100−60−40−2002040ω (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) = 24/(s(s + 8)). Halla el margen de fase PM en grados.

L(s) = 24/(s(s + 8))
PM = °

3Disoluciones

1.Números complejos

Respuesta: Re(w) = 0,5229

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 · 1,5 = 6
θ = 40° + 45° = 85°

Forma rectangular

Re(w) = 6·cos(85°) = 0,5229
Im(w) = 6·sin(85°) = 5,977
Re(w) = 0,5229

Respuesta

Re(w) = 0,5229
2.Números complejos

Respuesta: Im(z⁵) = 27,71

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.

Forma polar

z = 1 − j√3 = 2∠−60°

De Moivre

z⁵ = (2)⁵∠−300° = 32∠60°

Forma rectangular

z⁵ = 32·(cos 60° + j sin 60°) = 16 + j27,71
Im(z⁵) = 27,71

Respuesta

Im(z⁵) = 27,71
3.Impedancia y fasores en alterna

Respuesta: |Z| = 12,88 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

XL = ωL = 2π·200·0,02 = 25,13 Ω

Corrientes de rama

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

IR = V/R = 50/15 = 3,333 A
IX = V/XL = 50/25,13 = 1,989 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) = √(3,333² + 1,989²) = 3,882 A

Impedancia

|Z| = V/I = 50/3,882 = 12,88 Ω

Respuesta

|Z| = 12,88 Ω
4.Impedancia y fasores en alterna

Respuesta: VC = 159,9 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|.

Reactancias

ω = 2πf = 2π·60 = 377 rad/s
XL = ωL = 377·0,2 = 75,4 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(377·10·10⁻⁶) = 265,3 Ω

Impedancia

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

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(60² + (−189,9)²) = 199,1 Ω

Corriente

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

I = V/|Z| = 120/199,1 = 0,6027 A

Tensión en el condensador

VC = I·XC = 0,6027·265,3 = 159,9 V

Respuesta

VC = 159,9 V
5.Potencia en alterna y factor de potencia

Respuesta: Q = 6,121 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(0,7) = 45,57°, tan φ = 1,02

Potencia reactiva

Q = P·tan φ = 6·1,02 = 6,121 kvar

Respuesta

Q = 6,121 kvar
6.Potencia en alterna y factor de potencia

Respuesta: Pmax = 1,44 W

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.

Adaptación conjugada

La reactancia de la carga anula la reactancia de la fuente, y la resistencia de la carga es igual a la resistencia de la fuente.

ZL = Zs* = 25 − j5 Ω

Potencia máxima

I = Vs/(2Rs) = 12/50 = 0,24 A
Pmax = I²·RL = Vs²/(4Rs) = 12²/(4·25) = 1,44 W

Respuesta

Pmax = 1,44 W
7.Resonancia LC, factor Q y ancho de banda

Respuesta: t = 1,597 µs

Resonancia LC: un condensador cargado conectado a una bobina genera una corriente que lo carga en sentido contrario: la energía oscila entre el campo eléctrico de C (½Cv²) y el campo magnético de L (½Li²) a la frecuencia natural f0 = 1/(2π√(LC)). Sin resistencia, la energía total ½CV0² se mantiene constante, por lo que la corriente máxima es Imax = V0√(C/L). Un periodo es T = 1/f0; la energía pasa de C a L en un cuarto de él.

Periodo

T = 2π√(0,00022·4,7 × 10⁻⁹) = 6,389 µs

Cuarto de periodo

t = T/4 = 1,597 µs

Respuesta

t = 1,597 µs
8.Resonancia LC, factor Q y ancho de banda

Respuesta: R = 691,2 Ω

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 serie

BW = R/(2πL)

Resistencia

R = 2π·0,022·5000 = 691,2 Ω

Respuesta

R = 691,2 Ω
9.Potencia trifásica

Respuesta: P = 15,93 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 = √3·400·25 = 17,32 kVA

Potencia activa

P = S·cos φ = 17,32·0,92 = 15,93 kW

Respuesta

P = 15,93 kW
10.Potencia trifásica

Respuesta: Cph = 198,6 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 = 60·tan(acos 0,7) = 60·1,02 = 61,21 kvar
Q2 = 60·tan(acos 0,92) = 60·0,426 = 25,56 kvar

Potencia reactiva de los condensadores

QC = Q1 − Q2 = 35,65 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) = 11884/(377·398,4²) = 198,6 µF

Respuesta

Cph = 198,6 µF
11.Transitorios RC y RL

Respuesta: t = 3,454 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 / 22 Ω = 1,5 ms
i(∞) = Vs/R = 24/22 = 1,091 A

Despeja el tiempo

0,9 = 1 − e−t/τ → t = −τ·ln(1 − 0,9)
t = −1,5·ln(0,1) = 3,454 ms

Respuesta

t = 3,454 ms
12.Transitorios RC y RL

Respuesta: i = 0,3323 A

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

Antes de t = 0 el interruptor cerrado puentea R₂; después R₁ y R₂ están ambas en el lazo.

i(0) = 12/20 = 0,6 A
i(∞) = 12/(20 + 22) = 0,2857 A
τ = L/R = 22/42 = 0,5238 ms
i(t) = 0,2857 + (0,6 − 0,2857)·e−t/τ

Corriente en el instante dado

i(1) = 0,2857 + (0,3143)·e−1/0,5238 = 0,3323 A

Respuesta

i = 0,3323 A
13.Thévenin y Norton

Respuesta: IL = 0,8 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​ = 12 ΩR3​ = 4 ΩCORTOR2​6 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 = 12·6/(12+6) = 4 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 4 + 4 = 8 Ω
R1​ = 12 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​24 VR2​6 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) = 24·6/(12+6) = 8 V
Rth​ = 8 Ω+−Vth​8 VRL​2 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) = 8/(8 + 2) = 0,8 A
14.Thévenin y Norton

Respuesta: IN = 3,143 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​ = 6 ΩR3​ = 4 ΩCORTOR2​6 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 = 6·6/(6+6) = 3 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3 + 4 = 7 Ω
R1​ = 6 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​30 VR2​6 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) = 15 + 1·3 = 18 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 18 + 1·4 = 22 V
IN​3,143 ARth​7 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 = 22/7 = 3,143 A
15.Diagramas de Bode y márgenes

Respuesta: φ = 13,95 °

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/(4700·4,7 × 10⁻⁸) = 4527 rad/s
fc = 720,5 Hz → f/fc = 2900/720,5 = 4,025

Fase

φ = 90° − atan(4,025) = 13,95°

Respuesta

φ = 13,95°
16.Diagramas de Bode y márgenes

Respuesta: PM = 70,53 °

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 + 64ω² − 576 = 0
ω² = (−64 + √(4096 + 4·576))/2 = 8
ωc = 2,828 rad/s

Margen de fase

∠L(jωc) = −90° − atan(2,828/8) = −109,5°
PM = 180° + ∠L = 70,53°

Respuesta

PM = 70,53°

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