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
ReIm22−2−244−4−4θz

Escribe z = 5∠50° en forma rectangular a + jb y da la parte imaginaria b.

r = 5θ = 50°
b =
2.Números complejosDifícil
ReIm11−1−122−2−2z₀z₁z₂

Las raíces de zⁿ = w con n = 3 y w = 8∠120° son zk = R1/n∠((φ + 360°·k)/n), k = 0, 1, 2. Halla la parte imaginaria de z₂.

w = 8∠120°n = 3k = 2
Im(z₂) =
3.Impedancia y fasores en alternaMedia
24 V200 HzR = 50 ΩL = 100 mHC = 100 µFI

Un circuito RLC en serie está conectado a una alimentación de 24 V (eficaces) y 200 Hz. Halla la corriente eficaz I.

V = 24 V (rms)f = 200 HzR = 50 ΩL = 100 mHC = 100 µF
I = A
4.Impedancia y fasores en alternaDifícil
VfR = 15 ΩL = 10 mHC = 0,022 µF

Un circuito RLC en serie tiene R = 15 Ω, L = 10 mH y C = 0,022 µF. Halla su factor de calidad Q en resonancia.

R = 15 ΩL = 10 mHC = 0,022 µF
Q =
5.Potencia en alterna y factor de potenciaMedia
230 V15 kW, 0,7523 kW, 1I

Dos cargas están conectadas en paralelo a una alimentación monofásica de 230 V: una carga de 5 kW con un factor de potencia de 0,75 inductivo y un calefactor de 3 kW (factor de potencia unidad). Halla el factor de potencia global cos φ que ve la alimentación.

V = 230 VP1 = 5 kW, pf1 = 0,75 inductivoP2 = 3 kW, pf2 = 1
cos φ =
6.Potencia en alterna y factor de potenciaDifícil
P = 15 kWQ1​S1​φ1​QC​

Una carga monofásica consume 15 kW con un factor de potencia de 0,6 inductivo de una alimentación de 240 V y 50 Hz. Un condensador conectado en paralelo eleva el factor de potencia a 0,95. Halla la potencia reactiva QC que debe aportar el condensador.

P = 15 kWpf1 = 0,6pf2 = 0,95V = 240 Vf = 50 Hz
QC = kvar
7.Resonancia LC, factor Q y ancho de bandaMedia
tvC​iL​T/4 = ?T/2TL = 2,2 mHC = 470 pF

En un circuito LC ideal con L = 2,2 mH y C = 470 pF, el condensador está completamente cargado en t = 0. ¿Cuánto tarda en pasar toda la energía a la bobina? Da t en µs.

L = 2,2 mHC = 470 pF
t = µs
8.Resonancia LC, factor Q y ancho de bandaDifícil
V10 Ω470 µH220 nF50 mA

Un circuito RLC serie (R = 10 Ω, L = 470 µH, C = 220 nF) se excita en resonancia con una amplitud de corriente de 50 mA. Halla la energía Ecycle disipada en R durante un ciclo, en nJ.

R = 10 ΩL = 470 µHC = 220 nFIm = 50 mA
Ecycle = nJ
9.Potencia trifásicaMedia
ABCVL​ = 480 VIL​ = ?M55 kW, η = 88%cos φ = 0,9

Un motor de inducción trifásico entrega 55 kW de potencia mecánica útil a plena carga. Con esta carga su rendimiento es del 88 % y su factor de potencia es 0,9 inductivo. La alimentación tiene una tensión de línea de 480 V. Halla la corriente de línea IL.

Pout = 55 kWη = 88%cos φ = 0,9VL = 480 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 0,72 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 0,95 inductivo. La potencia activa no cambia. Los condensadores están conectados en triángulo. Halla la capacidad Cph de cada condensador en µF.

P = 60 kWpf1 = 0,72pf2 = 0,95VL = 480 Vf = 50 Hz
Cph = µF
11.Transitorios RC y RLMedia
+−Vs​10 Vt = 0R1​ = 6,8 kΩR2​ = 1 kΩC68 µF+−vC​

La fuente Vₛ carga el condensador a través de R₁, y R₂ está conectada en paralelo con C. El condensador está descargado cuando el interruptor se cierra en t = 0. Halla la tensión del condensador vC en t = 120 ms.

Vs = 10 VR1 = 6,8 kΩR2 = 1 kΩC = 68 µFt = 120 ms
vC = V
12.Transitorios RC y RLDifícil
+−Vs​5 Vt = 0R = 4,7 kΩC?+−vC​

Un temporizador empieza a cargar en t = 0 un condensador descargado a través de una resistencia desde una alimentación de 5 V. Debe dispararse cuando la tensión del condensador llegue a 4,5 V, exactamente 500 ms después del inicio. Con R = 4,7 kΩ, halla la capacidad C necesaria.

Vs = 5 VVth = 4,5 VT = 500 msR = 4,7 kΩ
C = µF
13.Thévenin y NortonMedia
R1​ = 5 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​10 VR2​3 ΩAab

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

V1 = 10 VR1 = 5 ΩR2 = 3 ΩR3 = 3 Ω
IN = A
14.Thévenin y NortonDifícil
R1​ = 30 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​18 VR2​3 ΩAIs​6 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 = 18 VIs = 6 AR1 = 30 ΩR2 = 3 ΩR3 = 20 ΩRL = 12 Ω
PL = W
15.Diagramas de Bode y márgenesMedia
vin​L = 10 mHC = 0,22 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 = 0,22 µF. Halla la frecuencia central (de resonancia) f0 en Hz.

R = 5 ΩL = 10 mHC = 0,22 µF
f0 = Hz
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) = 170/(s(s + 4)(s + 6)). Halla la frecuencia de cruce de fase ω180, donde ∠L(jω) = −180°.

L(s) = 170/(s(s + 4)(s + 6))
ω180 = rad/s

3Disoluciones

1.Números complejos

Respuesta: b = 3,83

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 = 5·cos(50°) = 3,214
b = 5·sin(50°) = 3,83

Forma rectangular

z = 3,214 + j3,83
b = 3,83

Respuesta

b = 3,83
2.Números complejos

Respuesta: Im(z₂) = −1,97

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

81/3 = 2

Argumento de la raíz

θ₂ = (120° + 360°·2)/3 = 280° → −80°

Forma rectangular

z₂ = 2·(cos −80° + j sin −80°) = 0,3473 − j1,97
Im(z₂) = −1,97

Respuesta

Im(z₂) = −1,97

Las 3 raíces están en la circunferencia de radio 2, separadas 120°.

3.Impedancia y fasores en alterna

Respuesta: I = 0,1877 A

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·200 = 1257 rad/s
XL = ωL = 1257·0,1 = 125,7 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(1257·100·10⁻⁶) = 7,958 Ω

Impedancia

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

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(50² + (117,7)²) = 127,9 Ω

Corriente

La misma corriente pasa por todos los elementos de un circuito en serie.

I = V/|Z| = 24/127,9 = 0,1877 A

Respuesta

I = 0,1877 A
4.Impedancia y fasores en alterna

Respuesta: Q = 44,95

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·√(0,01·0,022·10⁻⁶)) = 10730 Hz

Factor de calidad

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

Q = (1/R)·√(L/C) = (1/15)·√(0,01/(0,022·10⁻⁶)) = 44,95

Respuesta

Q = 44,95
5.Potencia en alterna y factor de potencia

Respuesta: cos φ = 0,8758

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 cada carga

Una carga inductiva consume potencia reactiva (Q > 0); una carga capacitiva la entrega (Q < 0).

Q1 = 5·tan(arccos 0,75) = 4,41 kvar
Q2 = 0 = 0 kvar

Totales

P = 5 + 3 = 8 kW
Q = 4,41 + 0 = 4,41 kvar
S = √(8² + 4,41²) = 9,135 kVA

Factor de potencia global

cos φ = P/S = 8/9,135 = 0,8758 inductivo

Respuesta

cos φ = 0,8758
6.Potencia en alterna y factor de potencia

Respuesta: QC = 15,07 kvar

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 = 15·tan(53,13°) = 20 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 15·tan(18,19°) = 4,93 kvar
QC = Q1 − Q2 = 15,07 kvar

Respuesta

QC = 15,07 kvar
7.Resonancia LC, factor Q y ancho de banda

Respuesta: t = 1,597 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√(0,0022·4,7 × 10⁻¹⁰) = 6,389 µs

Cuarto de periodo

t = T/4 = 1,597 µs

Respuesta

t = 1,597 µs
8.Resonancia LC, factor Q y ancho de banda

Respuesta: Ecycle = 798,6 nJ

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 = ½·0,00047·0,05² = 5,875 × 10⁻⁷ J

Factor de calidad

Q = (1/10)·√(0,00047/2,2 × 10⁻⁷) = 4,622

Energía perdida por ciclo

Ecycle = 2π·W/Q = 2π·5,875 × 10⁻⁷/4,622 = 7,986 × 10⁻⁷ J = 798,6 nJ
comprobación: ½·0,05²·10/15652 = 7,986 × 10⁻⁷ J

Respuesta

Ecycle = 798,6 nJ
9.Potencia trifásica

Respuesta: IL = 83,53 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 = 55/0,88 = 62,5 kW

Corriente de línea

IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 62500/(√3·480·0,9) = 83,53 A

Respuesta

IL = 83,53 A
10.Potencia trifásica

Respuesta: Cph = 175,5 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 0,72) = 60·0,9639 = 57,83 kvar
Q2 = 60·tan(acos 0,95) = 60·0,3287 = 19,72 kvar

Potencia reactiva de los condensadores

QC = Q1 − Q2 = 38,11 kvar

Capacidad por fase

En una batería en triángulo cada condensador está conectado entre dos líneas.

V = 480 V, ω = 2π·50 = 314,2 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 12703/(314,2·480²) = 175,5 µF

Respuesta

Cph = 175,5 µF
11.Transitorios RC y RL

Respuesta: vC = 1,113 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.

Equivalente de Thévenin visto por el condensador

Cortocircuita la fuente para hallar Rth; deja abierto el condensador para hallar la tensión a la que se estabilizará.

Rth = R1 ∥ R2 = 6,8·1/(6,8 + 1) = 0,8718 kΩ
vC(∞) = 10·1/(6,8 + 1) = 1,282 V

Constante de tiempo

τ = Rth·C = 0,8718·68 = 59,28 ms

Curva de carga

vC(t) = 1,282·(1 − e−120/59,28) = 1,113 V

Respuesta

vC = 1,113 V
12.Transitorios RC y RL

Respuesta: C = 46,2 µF

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

4,5 = 5·(1 − e−500/τ) → τ = 500/ln(5/(5 − 4,5))
τ = 500/2,303 = 217,1 ms

Capacidad

kΩ por µF da milisegundos.

C = τ/R = 217,1/4,7 = 46,2 µF

Respuesta

C = 46,2 µF
13.Thévenin y Norton

Respuesta: IN = 0,7692 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​ = 3 ΩCORTOR2​3 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 = 5·3/(5+3) = 1,875 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,875 + 3 = 4,875 Ω
R1​ = 5 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​10 VR2​3 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) = 10·3/(5+3) = 3,75 V
IN​0,7692 ARth​4,875 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 = 3,75/4,875 = 0,7692 A
14.Thévenin y Norton

Respuesta: PL = 189,5 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​ = 30 ΩR3​ = 20 ΩCORTOR2​3 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 = 30·3/(30+3) = 2,727 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,727 + 20 = 22,73 Ω
R1​ = 30 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​18 VR2​3 ΩAIs​6 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) = 1,636 + 6·2,727 = 18 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 18 + 6·20 = 138 V
Rth​ = 22,73 Ω+−Vth​138 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) = 138/(22,73 + 12) = 3,974 A
PL = IL²·RL = 3,974²·12 = 189,5 W
15.Diagramas de Bode y márgenes

Respuesta: f0 = 3393 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/√(0,01·2,2 × 10⁻⁷) = 21320 rad/s
f₀ = ω₀/(2π) = 3393 Hz

Respuesta

f0 = 3393 Hz
16.Diagramas de Bode y márgenes

Respuesta: ω180 = 4,899 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/4)·(ω/6) = 1 → ω180 = √(4·6) = 4,899 rad/s

Respuesta

ω180 = 4,899 rad/s

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