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 = 2∠40° y z₂ = 0,5∠110°, halla el argumento θ de w = z₁/z₂ en grados, entre −180° y 180°.

z₁ = 2∠40°z₂ = 0,5∠110°
θ = °
2.Números complejosDifícil
ReIm11−1−122−2−233−3−3ABCD

Exactamente uno de los puntos A–D es una raíz de z⁶ = 64∠60°. Haz clic en él.

w = 64∠60°n = 6
  1. 1A (3,6∠−50°)
  2. 2B (2∠−50°)
  3. 3C (2∠−20°)
  4. 4D (2∠60°)
3.Impedancia y fasores en alternaMedia
24 V200 HzR = 15 ΩL = 200 mHC = 2,2 µFI

Un circuito RLC en serie está conectado a una alimentación de 24 V (eficaces) y 200 Hz. Halla la potencia activa P que se toma de la alimentación.

V = 24 V (rms)f = 200 HzR = 15 ΩL = 200 mHC = 2,2 µF
P = W
4.Impedancia y fasores en alternaDifícil
VfR = 10 ΩL = 10 mHC = 0,22 µF

Un circuito RLC en serie tiene R = 10 Ω, L = 10 mH y C = 0,22 µF. Halla su ancho de banda B (la anchura de la banda entre las frecuencias de media potencia), en Hz.

R = 10 ΩL = 10 mHC = 0,22 µF
B = Hz
5.Potencia en alterna y factor de potenciaMedia
230 VR + jXP = 690 W6 A

Una carga inductiva consume 6 A y 690 W de una alimentación monofásica de 230 V (eficaces). Modélala como una resistencia R en serie con una reactancia X. Halla X.

V = 230 VI = 6 AP = 690 W
X = Ω
6.Potencia en alterna y factor de potenciaDifícil
50 V60 HzRs​ = 5 ΩXs​ = j30 ΩZL​ = ?

Una fuente de 50 V (eficaces) y 60 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 = 60 HzZs = 5 + j30 Ω
Pmax = W
7.Resonancia LC, factor Q y ancho de bandaMedia
V220 Ω22 mH220 pF

Un circuito RLC serie tiene R = 220 Ω, L = 22 mH y C = 220 pF. Halla su ancho de banda BW en kHz.

R = 220 ΩL = 22 mHC = 220 pF
BW = kHz
8.Resonancia LC, factor Q y ancho de bandaDifícil
V10 Ω22 mH10 nF100 mA

Un circuito RLC serie (R = 10 Ω, L = 22 mH, C = 10 nF) se excita en resonancia con una amplitud de corriente de 100 mA. Halla la energía Ecycle disipada en R durante un ciclo, en µJ.

R = 10 ΩL = 22 mHC = 10 nFIm = 100 mA
Ecycle = µJ
9.Potencia trifásicaMedia
ABCVL​ = 415 VIL​ = ?M18,5 kW, η = 88%cos φ = 0,8

Un motor de inducción trifásico entrega 18,5 kW de potencia mecánica útil a plena carga. Con esta carga su rendimiento es del 88 % 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 = 18,5 kWη = 88%cos φ = 0,8VL = 415 V
IL = A
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 415 V (de línea) y 60 Hz. Una batería trifásica de condensadores en paralelo con la carga debe elevar el factor de potencia total a 0,98 inductivo. La potencia activa no cambia. Halla la potencia reactiva total QC que debe aportar la batería de condensadores, en kvar.

P = 60 kWpf1 = 0,7pf2 = 0,98VL = 415 Vf = 60 Hz
QC = kvar
11.Transitorios RC y RLMedia
+−Vs​20 Vt = 0R = 15 ΩL220 mHi(t)

La bobina no lleva corriente antes de que el interruptor se cierre en t = 0. Halla la corriente i en t = 25 ms.

Vs = 20 VR = 15 ΩL = 220 mHt = 25 ms
i = A
12.Transitorios RC y RLDifícil
+−Vs​20 VR1​ = 33 ΩR2​ = 10 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 = 20 VR1 = 33 ΩR2 = 10 ΩL = 22 mHt = 1 ms
i = A
13.Thévenin y NortonMedia
R1​ = 2 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​9 VR2​6 ΩAab

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

V1 = 9 VR1 = 2 ΩR2 = 6 ΩR3 = 15 Ω
IN = A
14.Thévenin y NortonDifícil
R1​ = 4 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​10 VR2​12 ΩAIs​3 ABRL​10 ΩIL​

Se conecta una carga RL = 10 Ω entre a–b. Usa un equivalente de Thévenin para hallar la potencia PL entregada a la carga.

V1 = 10 VIs = 3 AR1 = 4 ΩR2 = 12 ΩR3 = 4 ΩRL = 10 Ω
PL = W
15.Diagramas de Bode y márgenesMedia
|H| (dB)0,10,111101010010010001000−40−200204060ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−135−90−450ω = 5

Halla la fase ∠G(jω) de G(s) = 12(s + 11)/(s(s + 3)) en ω = 5 rad/s, en grados.

G(s) = 12(s + 11)/(s(s + 3))ω = 5 rad/s
∠G(jω) = °
16.Diagramas de Bode y márgenesDifícil
|H| (dB)0,10,1111010100100−80−60−40−2002040ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−270−180−900ω180​ = ?

Un lazo con realimentación unitaria tiene la función de transferencia en lazo abierto L(s) = 52/(s(s + 3)(s + 6)). Halla la frecuencia de cruce de fase ω180, donde ∠L(jω) = −180°.

L(s) = 52/(s(s + 3)(s + 6))
ω180 = rad/s

3Disoluciones

1.Números complejos

Respuesta: θ = −70 °

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| = 2 / 0,5 = 4
θ = 40° − 110° = −70°

Argumento

θ = −70°

Respuesta

θ = −70°
2.Números complejos

Respuesta: B (2∠−50°)

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 y argumentos de las raíces

|z| = 2
θ = 10°, 70°, 130°, −170°, −110°, −50°

El punto

B = 2∠−50°

Respuesta

B (2∠−50°)
3.Impedancia y fasores en alterna

Respuesta: P = 0,6962 W

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 = 251,3 Ω, XC = 361,7 Ω

Impedancia

|Z| = √(15² + (−110,4)²) = 111,4 Ω

Potencia activa

Las bobinas y los condensadores solo almacenan y devuelven energía; la resistencia absorbe toda la potencia activa.

I = 24/111,4 = 0,2154 A
P = I²·R = 0,2154²·15 = 0,6962 W

Respuesta

P = 0,6962 W
4.Impedancia y fasores en alterna

Respuesta: B = 159,2 Hz

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|.

Frecuencia de resonancia

f0 = 1/(2π·√(0,01·0,22·10⁻⁶)) = 3393 Hz

Factor de calidad

Q compara la reactancia en resonancia con la resistencia: Q = ω₀L/R.

Q = (1/R)·√(L/C) = (1/10)·√(0,01/(0,22·10⁻⁶)) = 21,32

Ancho de banda

B = f0/Q = 3393/21,32 = 159,2 Hz

Respuesta

B = 159,2 Hz
5.Potencia en alterna y factor de potencia

Respuesta: X = 33,2 Ω

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.

Resistencia a partir de la potencia activa

R = P/I² = 690/6² = 19,17 Ω

Reactancia a partir de la impedancia

|Z| = V/I = 230/6 = 38,33 Ω
X = √(|Z|² − R²) = √(38,33² − 19,17²) = 33,2 Ω

Respuesta

X = 33,2 Ω
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: BW = 1,592 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).

Ancho de banda en rad/s

R/L = 220/0,022 = 10000 rad/s

Ancho de banda en Hz

BW = 10000/(2π) = 1592 Hz = 1,592 kHz

Respuesta

BW = 1,592 kHz

Con f₀ = 72,34 kHz esto da Q = 45,45.

8.Resonancia LC, factor Q y ancho de banda

Respuesta: Ecycle = 4,66 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 = ½·0,022·0,1² = 0,00011 J

Factor de calidad

Q = (1/10)·√(0,022/1 × 10⁻⁸) = 148,3

Energía perdida por ciclo

Ecycle = 2π·W/Q = 2π·0,00011/148,3 = 4,66 × 10⁻⁶ J = 4,66 µJ
comprobación: ½·0,1²·10/10730 = 4,66 × 10⁻⁶ J

Respuesta

Ecycle = 4,66 µJ
9.Potencia trifásica

Respuesta: IL = 36,56 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 = 18,5/0,88 = 21,02 kW

Corriente de línea

IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 21023/(√3·415·0,8) = 36,56 A

Respuesta

IL = 36,56 A
10.Potencia trifásica

Respuesta: QC = 49,03 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 = 60·tan(acos 0,7) = 60·1,02 = 61,21 kvar
Q2 = 60·tan(acos 0,98) = 60·0,2031 = 12,18 kvar

Potencia reactiva de los condensadores

QC = Q1 − Q2 = 49,03 kvar

Respuesta

QC = 49,03 kvar
11.Transitorios RC y RL

Respuesta: i = 1,091 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.

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 = 220 mH / 15 Ω = 14,67 ms
i(∞) = Vs/R = 20/15 = 1,333 A

Corriente en el instante dado

i(t) = i(∞)·(1 − e−t/τ) = 1,333·(1 − e−25/14,67) = 1,091 A

Respuesta

i = 1,091 A
12.Transitorios RC y RL

Respuesta: i = 0,4851 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) = 20/33 = 0,6061 A
i(∞) = 20/(33 + 10) = 0,4651 A
τ = L/R = 22/43 = 0,5116 ms
i(t) = 0,4651 + (0,6061 − 0,4651)·e−t/τ

Corriente en el instante dado

i(1) = 0,4651 + (0,1409)·e−1/0,5116 = 0,4851 A

Respuesta

i = 0,4851 A
13.Thévenin y Norton

Respuesta: IN = 0,4091 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​ = 2 ΩR3​ = 15 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 = 2·6/(2+6) = 1,5 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,5 + 15 = 16,5 Ω
R1​ = 2 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​9 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) = 9·6/(2+6) = 6,75 V
IN​0,4091 ARth​16,5 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 = 6,75/16,5 = 0,4091 A
14.Thévenin y Norton

Respuesta: PL = 28,11 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​ = 4 ΩR3​ = 4 ΩCORTOR2​12 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 = 4·12/(4+12) = 3 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3 + 4 = 7 Ω
R1​ = 4 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​10 VR2​12 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) = 7,5 + 3·3 = 16,5 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 16,5 + 3·4 = 28,5 V
Rth​ = 7 Ω+−Vth​28,5 VRL​10 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) = 28,5/(7 + 10) = 1,676 A
PL = IL²·RL = 1,676²·10 = 28,11 W
15.Diagramas de Bode y márgenes

Respuesta: ∠G(jω) = −124,6 °

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.

Suma los ángulos

∠G = atan(5/11) − 90° − atan(5/3) = 24,44° − 90° − 59,04°

Resultado

∠G(j5) = −124,6°

Respuesta

∠G(jω) = −124,6°
16.Diagramas de Bode y márgenes

Respuesta: ω180 = 4,243 rad/s

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/3)·(ω/6) = 1 → ω180 = √(3·6) = 4,243 rad/s

Respuesta

ω180 = 4,243 rad/s

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