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

Halla el argumento θ de z = −3 − j9 en grados, como valor principal entre −180° y 180°.

z = −3 − j9
θ = °
2.Números complejosDifícil
ReIm22−2−244−4−4z₁z₂

Resuelve z² − 8z + 20 = 0. Las raíces son a ± jb; halla la parte real a.

p = −8q = 20
a =
3.Impedancia y fasores en alternaMedia
10 V60 HzR = 25 ΩL = 250 mHC = 22 µF

Un circuito RLC en serie está conectado a una alimentación de 10 V (eficaces) y 60 Hz. Halla el ángulo de fase φ de la impedancia, en grados (positivo cuando la corriente va retrasada respecto a la tensión).

V = 10 V (rms)f = 60 HzR = 25 ΩL = 250 mHC = 22 µF
φ = °
4.Impedancia y fasores en alternaDifícil
1 Vf0​R = 50 ΩL = 200 mHC = 10 µF

Un circuito RLC en serie se alimenta con una fuente de 1 V (eficaces) cuya frecuencia se ajusta a la frecuencia de resonancia del circuito. Halla la tensión eficaz VL en la bobina.

V = 1 V (rms)R = 50 ΩL = 200 mHC = 10 µF
VL = V
5.Potencia en alterna y factor de potenciaMedia
240 VZ12 + j5 ΩI

Una carga de impedancia Z = 12 + j5 Ω está conectada a una alimentación monofásica de 240 V (eficaces). Halla la potencia activa P que absorbe.

V = 240 VZ = 12 + j5 Ω
P = W
6.Potencia en alterna y factor de potenciaDifícil
P1​ = 34 kWQ1​S1​φ

Un transformador monofásico de 150 kVA alimenta una carga de 34 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 = 34 kWpf1 = 0,6
ΔP = kW
7.Resonancia LC, factor Q y ancho de bandaMedia
V4,7 kΩ4,7 mH220 nF

Un circuito RLC paralelo tiene R = 4,7 kΩ, L = 4,7 mH y C = 220 nF. Halla su factor de calidad Q.

R = 4,7 kΩL = 4,7 mHC = 220 nF
Q =
8.Resonancia LC, factor Q y ancho de bandaDifícil
C = 1 nFr = 5 ΩL = 47 µH

Un circuito tanque paralelo está formado por un condensador de 1 nF y una bobina de 47 µH 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 = 47 µHC = 1 nFr = 5 Ω
RD = kΩ
9.Potencia trifásicaMedia
ABCVL​ = 415 VIL​ = ?M55 kW, η = 95%cos φ = 0,8

Un motor de inducción trifásico entrega 55 kW de potencia mecánica útil a plena carga. Con esta carga su rendimiento es del 95 % y su factor de potencia es 0,8 inductivo. La alimentación tiene una tensión de línea de 415 V. Halla la corriente de línea IL.

Pout = 55 kWη = 95%cos φ = 0,8VL = 415 V
IL = A
10.Potencia trifásicaDifícil
P = 75 kWφ1​S1​Q2​QC​ = ?

Una carga trifásica equilibrada consume 75 kW con un factor de potencia de 0,72 inductivo de una alimentación de 480 V (de línea) y 50 Hz. Una batería trifásica de condensadores en paralelo con la carga debe elevar el factor de potencia total a 0,92 inductivo. La potencia activa no cambia. Halla la potencia reactiva total QC que debe aportar la batería de condensadores, en kvar.

P = 75 kWpf1 = 0,72pf2 = 0,92VL = 480 Vf = 50 Hz
QC = kvar
11.Transitorios RC y RLMedia
+−Vs​15 Vt = 0R = 20 ΩL10 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 50 % de su valor final? Halla t.

Vs = 15 VR = 20 ΩL = 10 mH
t = ms
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 9 V, exactamente 500 ms después del inicio. Con C = 22 µF, halla la resistencia R necesaria.

Vs = 15 VVth = 9 VT = 500 msC = 22 µF
R = kΩ
13.Thévenin y NortonMedia
R1​ = 5 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​18 VR2​6 ΩARL​12 ΩIL​B

Se conecta una carga RL = 12 Ω entre a–b. Sustituye el resto del circuito por su equivalente de Thévenin y halla la corriente de carga IL.

V1 = 18 VR1 = 5 ΩR2 = 6 ΩR3 = 5 ΩRL = 12 Ω
IL = A
14.Thévenin y NortonDifícil
R1​ = 3 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​15 VR2​2 ΩAIs​2,5 ABRL​12 ΩIL​

Se conecta una carga RL = 12 Ω entre a–b. Usa un equivalente de Thévenin para hallar la potencia PL entregada a la carga.

V1 = 15 VIs = 2,5 AR1 = 3 ΩR2 = 2 ΩR3 = 20 ΩRL = 12 Ω
PL = W
15.Diagramas de Bode y márgenesMedia
vin​L = 10 mHC = 1 µFR = 5 Ωvout​

En el filtro paso banda RLC serie mostrado, la salida se toma en R = 5 Ω, con L = 10 mH y C = 1 µF. Halla el ancho de banda de −3 dB BW en Hz.

R = 5 ΩL = 10 mHC = 1 µF
BW = Hz
16.Diagramas de Bode y márgenesDifícil
|H| (dB)11101010010010001000−60−40−2002040ω (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) = 1120/(s(s + 20)). Halla el margen de fase PM en grados.

L(s) = 1120/(s(s + 20))
PM = °

3Disoluciones

1.Números complejos

Respuesta: θ = −108,4 °

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.

Cuadrante

a = −3, b = −9 → III

Ángulo de referencia

α = atan(9/3) = 71,57°

Argumento

θ = −(180° − α) = −108,4°

Respuesta

θ = −108,4°

En forma polar z = 9,487∠−108,4°.

2.Números complejos

Respuesta: a = 4

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.

Discriminante

p² − 4q = 64 − 80 = −16 < 0

Fórmula cuadrática

z = (8 ± j√16)/2 = 4 + j2, 4 − j2

Respuesta

a = 4

Respuesta

a = 4
3.Impedancia y fasores en alterna

Respuesta: φ = −46,48 °

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 = 377·0,25 = 94,25 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(377·22·10⁻⁶) = 120,6 Ω

Impedancia

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

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(25² + (−26,32)²) = 36,3 Ω

Ángulo de fase

φ = arctan((XL − XC)/R) = arctan(−26,32/25) = −46,48°

Respuesta

φ = −46,48°
4.Impedancia y fasores en alterna

Respuesta: VL = 2,828 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/√(0,2·10·10⁻⁶) = 707,1 rad/s
I = V/R = 1/50 = 0,02 A

Tensión en la bobina

XL = ω₀L = 707,1·0,2 = 141,4 Ω
VL = I·XL = 0,02·141,4 = 2,828 V

Respuesta

VL = 2,828 V

Esto es Q = 2,828 veces la tensión de alimentación.

5.Potencia en alterna y factor de potencia

Respuesta: P = 4090 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.

Corriente

|Z| = √(12² + 5²) = 13 Ω
I = V/|Z| = 240/13 = 18,46 A

Potencia activa

P = I²·R = 18,46²·12 = 4090 W

Respuesta

P = 4090 W
6.Potencia en alterna y factor de potencia

Respuesta: ΔP = 109 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 = 34·tan(arccos 0,6) = 45,33 kvar

Potencia activa total máxima

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

P = √(Smax² − Q1²) = √(150² − 45,33²) = 143 kW

Potencia activa adicional

ΔP = 143 − 34 = 109 kW

Respuesta

ΔP = 109 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) = 31099 rad/s

Factor de calidad

Q = R/(ω₀L) = 4700/(31099·0,0047) = 32,16

Respuesta

Q = 32,16

El ancho de banda es 1/(2πRC) = 153,9 Hz.

8.Resonancia LC, factor Q y ancho de banda

Respuesta: RD = 9,4 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 = 4,7 × 10⁻⁵/(1 × 10⁻⁹·5) = 9400 Ω = 9,4 kΩ

Comprobación con Q

Q = (1/r)·√(L/C) = 43,36, Q²·r = 9400 Ω

Respuesta

RD = 9,4 kΩ
9.Potencia trifásica

Respuesta: IL = 100,7 A

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 eléctrica absorbida

Pin = Pout/η = 55/0,95 = 57,89 kW

Corriente de línea

IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 57895/(√3·415·0,8) = 100,7 A

Respuesta

IL = 100,7 A
10.Potencia trifásica

Respuesta: QC = 40,34 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 = 75·tan(acos 0,72) = 75·0,9639 = 72,29 kvar
Q2 = 75·tan(acos 0,92) = 75·0,426 = 31,95 kvar

Potencia reactiva de los condensadores

QC = Q1 − Q2 = 40,34 kvar

Respuesta

QC = 40,34 kvar
11.Transitorios RC y RL

Respuesta: t = 0,3466 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 = 10 mH / 20 Ω = 0,5 ms
i(∞) = Vs/R = 15/20 = 0,75 A

Despeja el tiempo

0,5 = 1 − e−t/τ → t = −τ·ln(1 − 0,5)
t = −0,5·ln(0,5) = 0,3466 ms

Respuesta

t = 0,3466 ms
12.Transitorios RC y RL

Respuesta: R = 24,8 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

9 = 15·(1 − e−500/τ) → τ = 500/ln(15/(15 − 9))
τ = 500/0,9163 = 545,7 ms

Resistencia

kΩ por µF da milisegundos.

R = τ/C = 545,7/22 = 24,8 kΩ

Respuesta

R = 24,8 kΩ
13.Thévenin y Norton

Respuesta: IL = 0,4977 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​ = 5 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 = 5·6/(5+6) = 2,727 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,727 + 5 = 7,727 Ω
R1​ = 5 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​18 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) = 18·6/(5+6) = 9,818 V
Rth​ = 7,727 Ω+−Vth​9,818 VRL​12 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) = 9,818/(7,727 + 12) = 0,4977 A
14.Thévenin y Norton

Respuesta: PL = 37,9 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​ = 3 ΩR3​ = 20 ΩCORTOR2​2 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 = 3·2/(3+2) = 1,2 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,2 + 20 = 21,2 Ω
R1​ = 3 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​15 VR2​2 ΩAIs​2,5 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) = 6 + 2,5·1,2 = 9 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 9 + 2,5·20 = 59 V
Rth​ = 21,2 Ω+−Vth​59 VRL​12 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) = 59/(21,2 + 12) = 1,777 A
PL = IL²·RL = 1,777²·12 = 37,9 W
15.Diagramas de Bode y márgenes

Respuesta: BW = 79,58 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/√(0,01·1 × 10⁻⁶) = 10000 rad/s
f₀ = ω₀/(2π) = 1592 Hz

Ancho de banda

BW = R/L = 5/0,01 = 500 rad/s = 79,58 Hz

Respuesta

BW = 79,58 Hz
16.Diagramas de Bode y márgenes

Respuesta: PM = 33,15 °

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 + 400ω² − 1,254 × 10⁶ = 0
ω² = (−400 + √(160000 + 4·1,254 × 10⁶))/2 = 937,7
ωc = 30,62 rad/s

Margen de fase

∠L(jωc) = −90° − atan(30,62/20) = −146,9°
PM = 180° + ∠L = 33,15°

Respuesta

PM = 33,15°

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