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.
Desarrolla con j² = −1; divide multiplicando numerador y denominador por el conjugado del denominador.
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.
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
Convierte la frecuencia: ω = 2πf.
Halla cada reactancia: XL = ωL y XC = 1/(ωC).
Suma las impedancias como resistencias, con Z = R + jX.
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
Halla primero la frecuencia de resonancia: ω₀ = 1/√(LC) y f₀ = ω₀/(2π).
Decide si el circuito es serie o paralelo: en serie Q = (1/R)√(L/C), en paralelo Q = R√(C/L).
Usa BW = f₀/Q para el ancho de banda, o los atajos R/(2πL) (serie) y 1/(2πRC) (paralelo).
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
Halla el valor inicial justo después de la conmutación: la tensión de un condensador y la corriente de una bobina no pueden variar bruscamente.
Halla el valor final mucho después de la conmutación: un condensador se comporta como un circuito abierto y una bobina como un cortocircuito.
Halla la constante de tiempo: τ = RC o τ = L/R, usando la resistencia que ve el condensador o la bobina.
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
Quita la carga y marca los dos terminales a y b.
Halla la tensión en circuito abierto entre a y b: es Vth.
Anula todas las fuentes independientes y halla la resistencia vista desde a–b: es Rth.
Vuelve a conectar la carga al circuito equivalente: Vth en serie con Rth.
Para el equivalente de Norton, convierte: IN = Vth/Rth, con RN = Rth en paralelo.
2Problemas de práctica
1.Números complejosMedia
Escribe z = 3 − j en forma exponencial r·ejθ. Da θ en radianes, entre −π y π.
z = 3 − j
θ = rad
2.Números complejosDifícil
Resuelve z² + 8z + 32 = 0. Las raíces son a ± jb; halla b > 0.
p = 8q = 32
b =
3.Impedancia y fasores en alternaMedia
Un circuito RLC en serie está conectado a una alimentación de 100 V (eficaces) y 60 Hz. Halla el factor de potencia cos φ del circuito.
V = 100 V (rms)f = 60 HzR = 40 ΩL = 20 mHC = 47 µF
cos φ =
4.Impedancia y fasores en alternaDifícil
Una resistencia R1 está conectada en serie con una combinación en paralelo de R2 y un condensador C, a una alimentación de 120 V (eficaces) y 60 Hz. Halla el módulo de la impedancia |Z|.
V = 120 V (rms)f = 60 HzR1 = 20 ΩR2 = 80 ΩC = 100 µF
|Z| = Ω
5.Potencia en alterna y factor de potenciaMedia
Una carga de impedancia Z = 24 + j7 Ω está conectada a una alimentación monofásica de 230 V (eficaces). Halla la potencia activa P que absorbe.
V = 230 VZ = 24 + j7 Ω
P = W
6.Potencia en alterna y factor de potenciaDifícil
Una carga monofásica consume 20 kW con un factor de potencia de 0,8 inductivo de una alimentación de 400 V y 60 Hz. Un condensador conectado en paralelo eleva el factor de potencia a 0,92. Halla la capacidad C necesaria.
P = 20 kWpf1 = 0,8pf2 = 0,92V = 400 Vf = 60 Hz
C = µF
7.Resonancia LC, factor Q y ancho de bandaMedia
En un circuito LC ideal con L = 22 mH y C = 1 nF, el condensador está completamente cargado en t = 0. ¿Cuánto tarda en pasar toda la energía a la bobina? Da t en µs.
L = 22 mHC = 1 nF
t = µs
8.Resonancia LC, factor Q y ancho de bandaDifícil
Las frecuencias de media potencia de una curva de resonancia son 8 kHz y 10 kHz. Halla la frecuencia de resonancia como su media geométrica y después el factor de calidad Q.
f1 = 8 kHzf2 = 10 kHz
Q =
9.Potencia trifásicaMedia
Una carga equilibrada conectada en triángulo, con una impedancia de 9 + j12 Ω por fase, se conecta a una alimentación trifásica equilibrada con una tensión de línea de 480 V. Halla la potencia activa total P que absorbe la carga en kW.
VL = 480 VZ = 9 + j12 Ω por fase
P = kW
10.Potencia trifásicaDifícil
Una carga trifásica equilibrada consume 60 kW con un factor de potencia de 0,75 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 = 0,75pf2 = 0,92VL = 690 Vf = 60 Hz
Cph = µF
11.Transitorios RC y RLMedia
La bobina conduce una corriente estacionaria de 1,5 A. En t = 0 el interruptor cierra el lazo a través de R y se retira la fuente, así que la corriente de la bobina decae a través de R. Halla la corriente i en t = 10 ms.
i(0) = 1,5 AR = 50 ΩL = 220 mHt = 10 ms
i = A
12.Transitorios RC y RLDifícil
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 = 5 ms.
Vs = 9 VR1 = 47 ΩR2 = 5 ΩL = 150 mHt = 5 ms
i = A
13.Thévenin y NortonMedia
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 = 30 VR1 = 12 ΩR2 = 8 ΩR3 = 15 ΩRL = 2 Ω
IL = A
14.Thévenin y NortonDifícil
Halla la corriente de Norton IN: la corriente que circula de a a b si se cortocircuitan los terminales.
V1 = 18 VIs = 6 AR1 = 3 ΩR2 = 4 ΩR3 = 5 Ω
IN = A
15.Diagramas de Bode y márgenesMedia
Halla la fase ∠G(jω) de G(s) = 49(s + 5)/(s(s + 2)) en ω = 4 rad/s, en grados.
G(s) = 49(s + 5)/(s(s + 2))ω = 4 rad/s
∠G(jω) = °
16.Diagramas de Bode y márgenesDifícil
Un lazo con realimentación unitaria tiene la función de transferencia en lazo abierto L(s) = 2,1/(s(s + 1)). Halla la frecuencia de cruce de ganancia ωc, donde |L(jω)| = 1.
L(s) = 2,1/(s(s + 1))
ωc = rad/s
3Disoluciones
1.Números complejos
Respuesta: θ = −0,3218 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 = √(9 + 1) = 3,162
Argumento en radianes
θ = −18,43° = −18,43·π/180 = −0,3218 rad
Forma exponencial
z = 3,162·e−j0,3218
Respuesta
θ = −0,3218 rad
2.Números complejos
Respuesta: b = 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 − 128 = −64 < 0
Fórmula cuadrática
z = (−8 ± j√64)/2 = −4 + j4, −4 − j4
Respuesta
b = 4
Respuesta
b = 4
3.Impedancia y fasores en alterna
Respuesta: cos φ = 0,6332
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
XL = 7,54 Ω, XC = 56,44 Ω
Impedancia
|Z| = √(40² + (−48,9)²) = 63,17 Ω
Factor de potencia
cos φ = R/|Z| = 40/63,17 = 0,6332
El circuito es capacitivo, así que el factor de potencia es capacitivo (en adelanto).
Respuesta
cos φ = 0,6332
4.Impedancia y fasores en alterna
Respuesta: |Z| = 36,75 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
XC = 1/(2π·60·100·10⁻⁶) = 26,53 Ω
Combinación en paralelo
Multiplica numerador y denominador por el conjugado complejo para separar Zp en parte real e imaginaria.
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| = √(24² + 7²) = 25 Ω
I = V/|Z| = 230/25 = 9,2 A
Potencia activa
P = I²·R = 9,2²·24 = 2031 W
Respuesta
P = 2031 W
6.Potencia en alterna y factor de potencia
Respuesta: C = 107,4 µF
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 = 20·tan(36,87°) = 15 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 20·tan(23,07°) = 8,52 kvar
QC = Q1 − Q2 = 6,48 kvar
Capacidad
Un condensador conectado a la red aporta Q = V²·ωC.
C = QC/(2πf·V²) = 6480/(2π·60·400²) = 107,4 µF
Respuesta
C = 107,4 µF
7.Resonancia LC, factor Q y ancho de banda
Respuesta: t = 7,368 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√(0,022·1 × 10⁻⁹) = 29,47 µs
Cuarto de periodo
t = T/4 = 7,368 µs
Respuesta
t = 7,368 µs
8.Resonancia LC, factor Q y ancho de banda
Respuesta: Q = 4,472
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 = √(8000·10000) = 8944 Hz
Ancho de banda
BW = 10000 − 8000 = 2000 Hz
Factor de calidad
Q = 8944/2000 = 4,472
Respuesta
Q = 4,472
9.Potencia trifásica
Respuesta: P = 27,65 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 = 480 V
Corriente de fase
|Z| = √(9² + 12²) = 15 Ω
Iph = 480/15 = 32 A
Potencia activa total
Solo la parte resistiva de cada impedancia absorbe potencia activa.
P = 3·Iph²·R = 3·32²·9 = 27,65 kW
Respuesta
P = 27,65 kW
Comprobación: cos φ = R/|Z| = 0,6, y √3·VL·IL·cos φ da la misma potencia.
10.Potencia trifásica
Respuesta: Cph = 152,4 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 0,75) = 60·0,8819 = 52,92 kvar
Q2 = 60·tan(acos 0,92) = 60·0,426 = 25,56 kvar
Potencia reactiva de los condensadores
QC = Q1 − Q2 = 27,36 kvar
Capacidad por fase
En una batería en estrella cada condensador está conectado entre una línea y el centro de la estrella.
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
τ = L/R = 220 mH / 50 Ω = 4,4 ms
Decaimiento de la corriente
i(t) = 1,5·e−10/4,4 = 0,1545 A
Respuesta
i = 0,1545 A
12.Transitorios RC y RL
Respuesta: i = 0,1763 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) = 9/47 = 0,1915 A
i(∞) = 9/(47 + 5) = 0,1731 A
τ = L/R = 150/52 = 2,885 ms
i(t) = 0,1731 + (0,1915 − 0,1731)·e−t/τ
Corriente en el instante dado
i(5) = 0,1731 + (0,01841)·e−5/2,885 = 0,1763 A
Respuesta
i = 0,1763 A
13.Thévenin y Norton
Respuesta: IL = 0,5505 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.
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 = 12·8/(12+8) = 4,8 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 4,8 + 15 = 19,8 Ω
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) = 30·8/(12+8) = 12 V
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) = 12/(19,8 + 2) = 0,5505 A
14.Thévenin y Norton
Respuesta: IN = −4,468 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.
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 + 5 = 6,714 Ω
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) = 10,29 + (−6)·1,714 = 0 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 0 + (−6)·5 = −30 V
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 = −30/6,714 = −4,468 A
15.Diagramas de Bode y márgenes
Respuesta: ∠G(jω) = −114,8 °
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.
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.