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
ReIm55−5−5θz

Halla el argumento θ de z = −3 + j8 en grados, como valor principal entre −180° y 180°.

z = −3 + j8
θ = °
2.Números complejosDifícil
ReIm11−1−122−2−2θz

Usa el teorema de De Moivre para hallar la parte imaginaria de z⁷ para z = 1 − j√3.

z = 1 − j√3n = 7
Im(z⁷) =
3.Impedancia y fasores en alternaMedia
Vf0​ = 2000 HzRL = ?C = 0,22 µF

Un circuito RLC en serie con C = 0,22 µF debe resonar a 2000 Hz. Halla la inductancia L necesaria.

f0 = 2000 HzC = 0,22 µF
L = mH
4.Impedancia y fasores en alternaDifícil
2 Vf0​R = 2 ΩL = 50 mHC = 4,7 µF

Un circuito RLC en serie se alimenta con una fuente de 2 V (eficaces) cuya frecuencia se ajusta a la frecuencia de resonancia del circuito. Halla la tensión eficaz VL en la bobina.

V = 2 V (rms)R = 2 ΩL = 50 mHC = 4,7 µF
VL = V
5.Potencia en alterna y factor de potenciaMedia
P = 3 kWQSφ

Un motor monofásico consume 3 kW con un factor de potencia de 0,6 inductivo de una alimentación de 240 V. Halla la corriente de línea I.

P = 3 kWpf = 0,6V = 240 V
I = A
6.Potencia en alterna y factor de potenciaDifícil
50 V50 HzRs​ = 5 ΩXs​ = j30 ΩZL​ = ?

Una fuente de 50 V (eficaces) y 50 Hz tiene una impedancia interna Zs = 5 + j30 Ω. La impedancia de carga ZL puede elegirse libremente. Halla la potencia activa máxima Pmax que puede entregarse a la carga.

Vs = 50 V (rms)f = 50 HzZs = 5 + j30 Ω
Pmax = W
7.Resonancia LC, factor Q y ancho de bandaMedia
f|I|0,7071500 kHzf1​ = ?f2​BW

Un circuito RLC serie resuena a 500 kHz con Q = 5. Halla con exactitud la frecuencia de media potencia inferior f1, en kHz.

f0 = 500 kHzQ = 5
f1 = kHz
8.Resonancia LC, factor Q y ancho de bandaDifícil
C = 220 pFr = 1 ΩL = 100 µH

Un circuito tanque paralelo está formado por un condensador de 220 pF y una bobina de 100 µH con una resistencia de devanado de 1 Ω. En la resonancia se comporta como una resistencia, su resistencia dinámica RD = L/(C·r). Halla RD en kΩ.

L = 100 µHC = 220 pFr = 1 Ω
RD = kΩ
9.Potencia trifásicaMedia
ABCVL​ = 208 VIL​ = 20 Acos φ = 0,85inductivo

Una carga trifásica equilibrada consume una corriente de línea de 20 A de una alimentación con una tensión de línea de 208 V. El factor de potencia es 0,85 inductivo. Halla la potencia activa total P que consume la carga en kW.

VL = 208 VIL = 20 Acos φ = 0,85
P = kW
10.Potencia trifásicaDifícil
P = 50 kWφ1​S1​Q2​QC​

Una carga trifásica equilibrada consume 50 kW con un factor de potencia de 0,65 inductivo de una alimentación de 480 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 = 50 kWpf1 = 0,65pf2 = 0,95VL = 480 Vf = 60 Hz
Cph = µF
11.Transitorios RC y RLMedia
R = 50 Ωt = 0L150 mHi(t)

La bobina conduce una corriente estacionaria de 3 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. ¿Cuánto tiempo tarda la corriente en bajar a 0,3 A? Halla t.

i(0) = 3 AR = 50 ΩL = 150 mH
t = ms
12.Transitorios RC y RLDifícil
+−Vs​9 Vt = 0R = 2,2 kΩC68 µF+−vC​vC​(0) = 24 V

Justo antes de que el interruptor se cierre en t = 0, el condensador tiene 24 V con la polaridad indicada. Halla la tensión del condensador vC en t = 60 ms.

Vs = 9 VR = 2,2 kΩC = 68 µFvC(0) = 24 Vt = 60 ms
vC = V
13.Thévenin y NortonMedia
R1​ = 8 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​10 VR2​20 ΩAab

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

V1 = 10 VR1 = 8 ΩR2 = 20 ΩR3 = 4 Ω
IN = A
14.Thévenin y NortonDifícil
R1​ = 4 ΩR3​ = 30 Ω+−V1​10 VR2​5 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 = 4 ΩR2 = 5 ΩR3 = 30 Ω
IN = A
15.Diagramas de Bode y márgenesMedia
vin​L = 4,7 mHR = 470 Ωvout​

El filtro paso bajo RL mostrado tiene R = 470 Ω, L = 4,7 mH. Se aplica una entrada sinusoidal de 64 kHz. Halla la ganancia |H| = |vout/vin| en dB.

R = 470 ΩL = 4,7 mHf = 64 kHz
|H| = dB
16.Diagramas de Bode y márgenesDifícil
|H| (dB)0,10,1111010100100−100−80−60−40−20020ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−270−180−900ω180​

Un lazo con realimentación unitaria tiene la función de transferencia en lazo abierto L(s) = 2/(s(s + 1)(s + 3)). Halla el margen de ganancia GM en dB.

L(s) = 2/(s(s + 1)(s + 3))
GM = dB

3Disoluciones

1.Números complejos

Respuesta: θ = 110,6 °

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 = 8 → II

Ángulo de referencia

α = atan(8/3) = 69,44°

Argumento

θ = 180° − α = 110,6°

Respuesta

θ = 110,6°

En forma polar z = 8,544∠110,6°.

2.Números complejos

Respuesta: Im(z⁷) = −110,9

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

z⁷ = (2)⁷∠−420° = 128∠−60°

Forma rectangular

z⁷ = 128·(cos −60° + j sin −60°) = 64 − j110,9
Im(z⁷) = −110,9

Respuesta

Im(z⁷) = −110,9
3.Impedancia y fasores en alterna

Respuesta: L = 28,78 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·2000 = 12566 rad/s
L = 1/(ω₀²·C) = 1/(12566²·0,22·10⁻⁶) = 28,78 mH

Respuesta

L = 28,78 mH
4.Impedancia y fasores en alterna

Respuesta: VL = 103,1 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/√(0,05·4,7·10⁻⁶) = 2063 rad/s
I = V/R = 2/2 = 1 A

Tensión en la bobina

XL = ω₀L = 2063·0,05 = 103,1 Ω
VL = I·XL = 1·103,1 = 103,1 V

Respuesta

VL = 103,1 V

Esto es Q = 51,57 veces la tensión de alimentación.

5.Potencia en alterna y factor de potencia

Respuesta: I = 20,83 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.

Corriente de línea

Solo la parte activa de la potencia hace trabajo, así que divide entre el factor de potencia.

I = P/(V·cos φ) = 3000/(240·0,6) = 20,83 A

Respuesta

I = 20,83 A
6.Potencia en alterna y factor de potencia

Respuesta: Pmax = 125 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* = 5 − j30 Ω

Potencia máxima

I = Vs/(2Rs) = 50/10 = 5 A
Pmax = I²·RL = Vs²/(4Rs) = 50²/(4·5) = 125 W

Respuesta

Pmax = 125 W
7.Resonancia LC, factor Q y ancho de banda

Respuesta: f1 = 452,5 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/(4·5²)) = 1,005

Frecuencia de media potencia inferior

f1 = 500000·(1,005 − 0,1) = 452494 Hz = 452,5 kHz

Respuesta

f1 = 452,5 kHz

La superior es f₂ = 552,5 kHz; comprobación: f₂ − f₁ = 100 kHz = f₀/Q.

8.Resonancia LC, factor Q y ancho de banda

Respuesta: RD = 454,5 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 = 1 × 10⁻⁴/(2,2 × 10⁻¹⁰·1) = 454545 Ω = 454,5 kΩ

Comprobación con Q

Q = (1/r)·√(L/C) = 674,2, Q²·r = 454545 Ω

Respuesta

RD = 454,5 kΩ
9.Potencia trifásica

Respuesta: P = 6,125 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 = √3·208·20 = 7,205 kVA

Potencia activa

P = S·cos φ = 7,205·0,85 = 6,125 kW

Respuesta

P = 6,125 kW
10.Potencia trifásica

Respuesta: Cph = 483,8 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 = 50·tan(acos 0,65) = 50·1,169 = 58,46 kvar
Q2 = 50·tan(acos 0,95) = 50·0,3287 = 16,43 kvar

Potencia reactiva de los condensadores

QC = Q1 − Q2 = 42,02 kvar

Capacidad por fase

En una batería en estrella cada condensador está conectado entre una línea y el centro de la estrella.

V = 480/√3 = 277,1 V, ω = 2π·60 = 377 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 14007/(377·277,1²) = 483,8 µF

Respuesta

Cph = 483,8 µF
11.Transitorios RC y RL

Respuesta: t = 6,908 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

τ = L/R = 150 mH / 50 Ω = 3 ms

Despeja el tiempo

0,3 = 3·e−t/τ → t = τ·ln(3/0,3)
t = 3·ln(10) = 6,908 ms

Respuesta

t = 6,908 ms
12.Transitorios RC y RL

Respuesta: vC = 19,04 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.

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) = 24 V, vC(∞) = Vs = 9 V
τ = R·C = 2,2 kΩ · 68 µF = 149,6 ms
vC(t) = 9 + (24 − 9)·e−t/τ

Tensión en el instante dado

vC(60) = 9 + (15)·e−60/149,6 = 19,04 V

Respuesta

vC = 19,04 V
13.Thévenin y Norton

Respuesta: IN = 0,7353 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​ = 8 ΩR3​ = 4 ΩCORTOR2​20 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 = 8·20/(8+20) = 5,714 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 5,714 + 4 = 9,714 Ω
R1​ = 8 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​10 VR2​20 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) = 10·20/(8+20) = 7,143 V
IN​0,7353 ARth​9,714 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 = 7,143/9,714 = 0,7353 A
14.Thévenin y Norton

Respuesta: IN = 3,172 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​ = 4 ΩR3​ = 30 ΩCORTOR2​5 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 = 4·5/(4+5) = 2,222 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,222 + 30 = 32,22 Ω
R1​ = 4 ΩR3​ = 30 Ω+−V1​10 VR2​5 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) = 5,556 + 3·2,222 = 12,22 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 12,22 + 3·30 = 102,2 V
IN​3,172 ARth​32,22 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 = 102,2/32,22 = 3,172 A
15.Diagramas de Bode y márgenes

Respuesta: |H| = −12,35 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.

Frecuencia de corte

ωc = R/L = 470/0,0047 = 100000 rad/s
fc = 15915 Hz → f/fc = 64000/15915 = 4,021

Ganancia

|H| = 1/√(1 + 4,021²) = 0,2413
20·log₁₀(0,2413) = −12,35 dB

Respuesta

|H| = −12,35 dB
16.Diagramas de Bode y márgenes

Respuesta: GM = 15,56 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/1)·(ω/3) = 1 → ω180 = √(1·3) = 1,732 rad/s

Módulo en el cruce de fase

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 1)·√(ω² + 9)) = K/(1·3·(1 + 3)) = K/12

Margen de ganancia

GM = 20·log₁₀(12/2) = 15,56 dB

Respuesta

GM = 15,56 dB

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