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

Escribe z = 12∠110° en forma rectangular a + jb y da la parte imaginaria b.

r = 12θ = 110°
b =
2.Números complejosDifícil
ReIm11−1−122−2−233−3−3z₀z₁z₂z₃z₄

Las raíces de zⁿ = w con n = 5 y w = 243∠−90° son zk = R1/n∠((φ + 360°·k)/n), k = 0, 1, …, 4. Halla la parte real de z₁.

w = 243∠−90°n = 5k = 1
Re(z₁) =
3.Impedancia y fasores en alternaMedia
Vf0​ = 2000 HzRL = ?C = 0,47 µF

Un circuito RLC en serie con C = 0,47 µF debe resonar a 2000 Hz. Halla la inductancia L necesaria.

f0 = 2000 HzC = 0,47 µF
L = mH
4.Impedancia y fasores en alternaDifícil
24 Vf0​R = 10 ΩL = 10 mHC = 4,7 µF

Un circuito RLC en serie se alimenta con una fuente de 24 V (eficaces) cuya frecuencia se ajusta a la frecuencia de resonancia del circuito. Halla la tensión eficaz VL en la bobina.

V = 24 V (rms)R = 10 ΩL = 10 mHC = 4,7 µF
VL = V
5.Potencia en alterna y factor de potenciaMedia
240 VZ6 + j8 ΩI

Una carga de impedancia Z = 6 + j8 Ω está conectada a una alimentación monofásica de 240 V (eficaces). Halla la potencia activa P que absorbe.

V = 240 VZ = 6 + j8 Ω
P = W
6.Potencia en alterna y factor de potenciaDifícil
P = 10 kWQ1​S1​φ1​QC​

Una carga monofásica consume 10 kW con un factor de potencia de 0,75 inductivo de una alimentación de 230 V y 60 Hz. Un condensador conectado en paralelo eleva el factor de potencia a 0,92. Halla la nueva corriente de línea Inew.

P = 10 kWpf1 = 0,75pf2 = 0,92V = 230 Vf = 60 Hz
Inew = A
7.Resonancia LC, factor Q y ancho de bandaMedia
V22 Ω1 mH22 nF

Un circuito RLC serie tiene R = 22 Ω, L = 1 mH y C = 22 nF. Halla su ancho de banda BW en kHz.

R = 22 ΩL = 1 mHC = 22 nF
BW = kHz
8.Resonancia LC, factor Q y ancho de bandaDifícil
C = 220 pFr = 2 ΩL = 1 mH

Un circuito tanque paralelo está formado por un condensador de 220 pF y una bobina de 1 mH con una resistencia de devanado de 2 Ω. En la resonancia se comporta como una resistencia, su resistencia dinámica RD = L/(C·r). Halla RD en kΩ.

L = 1 mHC = 220 pFr = 2 Ω
RD = kΩ
9.Potencia trifásicaMedia
ABCVL​ = 690 VIL​ = ?M37 kW, η = 90%cos φ = 0,86

Un motor de inducción trifásico entrega 37 kW de potencia mecánica útil a plena carga. Con esta carga su rendimiento es del 90 % y su factor de potencia es 0,86 inductivo. La alimentación tiene una tensión de línea de 690 V. Halla la corriente de línea IL.

Pout = 37 kWη = 90%cos φ = 0,86VL = 690 V
IL = A
10.Potencia trifásicaDifícil
P = 80 kWφ1​S1​Q2​QC​

Una carga trifásica equilibrada consume 80 kW con un factor de potencia de 0,78 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 0,9 inductivo. La potencia activa no cambia. Los condensadores están conectados en estrella. Halla la capacidad Cph de cada condensador en µF.

P = 80 kWpf1 = 0,78pf2 = 0,9VL = 690 Vf = 60 Hz
Cph = µF
11.Transitorios RC y RLMedia
+−Vs​15 Vt = 0R = 68 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 95 % de su valor final? Halla t.

Vs = 15 VR = 68 ΩL = 33 mH
t = ms
12.Transitorios RC y RLDifícil
+−Vs​15 VR1​ = 47 ΩR2​ = 5 Ωse abre en t = 0L150 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 = 5 ms.

Vs = 15 VR1 = 47 ΩR2 = 5 ΩL = 150 mHt = 5 ms
i = A
13.Thévenin y NortonMedia
R1​ = 3 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​15 VR2​20 ΩAab

Halla la resistencia de Thévenin Rth vista desde los terminales a–b.

V1 = 15 VR1 = 3 ΩR2 = 20 ΩR3 = 5 Ω
Rth = Ω
14.Thévenin y NortonDifícil
R1​ = 20 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​15 VR2​5 ΩAIs​1,5 ABRL​2 ΩIL​

Se conecta una carga RL = 2 Ω entre a–b. Usa un equivalente de Thévenin para hallar la potencia PL entregada a la carga.

V1 = 15 VIs = 1,5 AR1 = 20 ΩR2 = 5 ΩR3 = 20 ΩRL = 2 Ω
PL = W
15.Diagramas de Bode y márgenesMedia
vin​R = 1000 ΩL = 100 mHvout​

El filtro paso alto RL mostrado tiene R = 1000 Ω, L = 100 mH. Se aplica una entrada sinusoidal de 8 kHz. Halla el desfase φ de vout respecto a vin, en grados.

R = 1000 ΩL = 100 mHf = 8 kHz
φ = °
16.Diagramas de Bode y márgenesDifícil
|H| (dB)0,10,111101010010010001000−60−40−200204060ω (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) = 128/(s(s + 4)). Halla la frecuencia de cruce de ganancia ωc, donde |L(jω)| = 1.

L(s) = 128/(s(s + 4))
ωc = rad/s

3Disoluciones

1.Números complejos

Respuesta: b = 11,28

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.

Componentes

a = 12·cos(110°) = −4,104
b = 12·sin(110°) = 11,28

Forma rectangular

z = −4,104 + j11,28
b = 11,28

Respuesta

b = 11,28
2.Números complejos

Respuesta: Re(z₁) = 1,763

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 de las raíces

2431/5 = 3

Argumento de la raíz

θ₁ = (−90° + 360°·1)/5 = 54°

Forma rectangular

z₁ = 3·(cos 54° + j sin 54°) = 1,763 + j2,427
Re(z₁) = 1,763

Respuesta

Re(z₁) = 1,763

Las 5 raíces están en la circunferencia de radio 3, separadas 72°.

3.Impedancia y fasores en alterna

Respuesta: L = 13,47 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/(12566²·0,47·10⁻⁶) = 13,47 mH

Respuesta

L = 13,47 mH
4.Impedancia y fasores en alterna

Respuesta: VL = 110,7 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/√(0,01·4,7·10⁻⁶) = 4613 rad/s
I = V/R = 24/10 = 2,4 A

Tensión en la bobina

XL = ω₀L = 4613·0,01 = 46,13 Ω
VL = I·XL = 2,4·46,13 = 110,7 V

Respuesta

VL = 110,7 V

Esto es Q = 4,613 veces la tensión de alimentación.

5.Potencia en alterna y factor de potencia

Respuesta: P = 3456 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| = √(6² + 8²) = 10 Ω
I = V/|Z| = 240/10 = 24 A

Potencia activa

P = I²·R = 24²·6 = 3456 W

Respuesta

P = 3456 W
6.Potencia en alterna y factor de potencia

Respuesta: Inew = 47,26 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.

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 = 10·tan(41,41°) = 8,819 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 10·tan(23,07°) = 4,26 kvar
QC = Q1 − Q2 = 4,559 kvar

Nueva corriente de línea

Inew = P/(V·cos φ2) = 10000/(230·0,92) = 47,26 A

Respuesta

Inew = 47,26 A
7.Resonancia LC, factor Q y ancho de banda

Respuesta: BW = 3,501 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 = 22/0,001 = 22000 rad/s

Ancho de banda en Hz

BW = 22000/(2π) = 3501 Hz = 3,501 kHz

Respuesta

BW = 3,501 kHz

Con f₀ = 33,93 kHz esto da Q = 9,691.

8.Resonancia LC, factor Q y ancho de banda

Respuesta: RD = 2273 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 = 0,001/(2,2 × 10⁻¹⁰·2) = 2,273 × 10⁶ Ω = 2273 kΩ

Comprobación con Q

Q = (1/r)·√(L/C) = 1066, Q²·r = 2,273 × 10⁶ Ω

Respuesta

RD = 2273 kΩ
9.Potencia trifásica

Respuesta: IL = 40 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 = 37/0,9 = 41,11 kW

Corriente de línea

IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 41111/(√3·690·0,86) = 40 A

Respuesta

IL = 40 A
10.Potencia trifásica

Respuesta: Cph = 141,7 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 = 80·tan(acos 0,78) = 80·0,8023 = 64,18 kvar
Q2 = 80·tan(acos 0,9) = 80·0,4843 = 38,75 kvar

Potencia reactiva de los condensadores

QC = Q1 − Q2 = 25,44 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) = 8479/(377·398,4²) = 141,7 µF

Respuesta

Cph = 141,7 µF
11.Transitorios RC y RL

Respuesta: t = 1,454 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 / 68 Ω = 0,4853 ms
i(∞) = Vs/R = 15/68 = 0,2206 A

Despeja el tiempo

0,95 = 1 − e−t/τ → t = −τ·ln(1 − 0,95)
t = −0,4853·ln(0,05) = 1,454 ms

Respuesta

t = 1,454 ms
12.Transitorios RC y RL

Respuesta: i = 0,2939 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) = 15/47 = 0,3191 A
i(∞) = 15/(47 + 5) = 0,2885 A
τ = L/R = 150/52 = 2,885 ms
i(t) = 0,2885 + (0,3191 − 0,2885)·e−t/τ

Corriente en el instante dado

i(5) = 0,2885 + (0,03069)·e−5/2,885 = 0,2939 A

Respuesta

i = 0,2939 A
13.Thévenin y Norton

Respuesta: Rth = 7,609 Ω

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​ = 5 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 = 3·20/(3+20) = 2,609 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,609 + 5 = 7,609 Ω
14.Thévenin y Norton

Respuesta: PL = 3,222 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​ = 20 ΩR3​ = 20 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 = 20·5/(20+5) = 4 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 4 + 20 = 24 Ω
R1​ = 20 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​15 VR2​5 ΩAIs​1,5 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) = 3 + (−1,5)·4 = −3 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = −3 + (−1,5)·20 = −33 V
Rth​ = 24 Ω−+Vth​33 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) = −33/(24 + 2) = −1,269 A
PL = IL²·RL = −1,269²·2 = 3,222 W
15.Diagramas de Bode y márgenes

Respuesta: φ = 11,25 °

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 = 1000/0,1 = 10000 rad/s
fc = 1592 Hz → f/fc = 8000/1592 = 5,027

Fase

φ = 90° − atan(5,027) = 11,25°

Respuesta

φ = 11,25°
16.Diagramas de Bode y márgenes

Respuesta: ωc = 10,97 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 ganancia

ω⁴ + 16ω² − 16384 = 0
ω² = (−16 + √(256 + 4·16384))/2 = 120,2
ωc = 10,97 rad/s

Respuesta

ωc = 10,97 rad/s

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