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 = −8 − j3 en grados, como valor principal entre −180° y 180°.

z = −8 − j3
θ = °
2.Números complejosDifícil
ReIm11−1−122−2−2z₀z₁z₂z₃z₄z₅

Las raíces de zⁿ = w con n = 6 y w = 64∠−120° son zk = R1/n∠((φ + 360°·k)/n), k = 0, 1, …, 5. Halla la parte real de z₀.

w = 64∠−120°n = 6k = 0
Re(z₀) =
3.Impedancia y fasores en alternaMedia
120 V500 HzR = 80 ΩL = 250 mHC = 2,2 µF

Un circuito RLC en serie está conectado a una alimentación de 120 V (eficaces) y 500 Hz. Halla el ángulo de fase φ de la impedancia, en grados (positivo cuando la corriente va retrasada respecto a la tensión).

V = 120 V (rms)f = 500 HzR = 80 ΩL = 250 mHC = 2,2 µF
φ = °
4.Impedancia y fasores en alternaDifícil
10 V50 HzR = 30 ΩL = 200 mHC = 10 µF

Un circuito RLC en serie está conectado a una alimentación de 10 V (eficaces) y 50 Hz. Halla la frecuencia de resonancia f0 del circuito.

V = 10 V (rms)f = 50 HzR = 30 ΩL = 200 mHC = 10 µF
f0 = Hz
5.Potencia en alterna y factor de potenciaMedia
120 VR + jXP = 765 W7,5 A

Una carga inductiva consume 7,5 A y 765 W de una alimentación monofásica de 120 V (eficaces). Modélala como una resistencia R en serie con una reactancia X. Halla R.

V = 120 VI = 7,5 AP = 765 W
R = Ω
6.Potencia en alterna y factor de potenciaDifícil
240 V60 Hzcarga9 kW, 0,75C150 µFI

Una carga monofásica consume 9 kW con un factor de potencia de 0,75 inductivo de una alimentación de 240 V y 60 Hz. Se conecta un condensador de 150 µF en paralelo con la carga. Halla el nuevo factor de potencia cos φ que ve la alimentación.

P = 9 kWpf1 = 0,75V = 240 Vf = 60 HzC = 150 µF
cos φ =
7.Resonancia LC, factor Q y ancho de bandaMedia
C = 220 nF+−7,5 VL = 100 µHiL​

Un condensador de 220 nF cargado a 10 V oscila con una bobina ideal de 100 µH. Halla la energía WL almacenada en la bobina en el instante en que la tensión del condensador es 7,5 V, en µJ.

C = 220 nFV0 = 10 VvC = 7,5 V
WL = µJ
8.Resonancia LC, factor Q y ancho de bandaDifícil
f|I|0,7071f0​ = ?400 kHz1 MHzBW

Las frecuencias de media potencia de una curva de resonancia son 400 kHz y 1 MHz. Halla la frecuencia de resonancia como su media geométrica y después el factor de calidad Q.

f1 = 400 kHzf2 = 1 MHz
Q =
9.Potencia trifásicaMedia
ABCVL​ = 480 VZ = 12 + j5 Ωpor fase

Una carga equilibrada conectada en triángulo, con una impedancia de 12 + j5 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 = 12 + j5 Ω por fase
P = kW
10.Potencia trifásicaDifícil
P = 100 kWφ1​S1​Q2​QC​

Una carga trifásica equilibrada consume 100 kW con un factor de potencia de 0,72 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 = 100 kWpf1 = 0,72pf2 = 0,92VL = 690 Vf = 60 Hz
Cph = µF
11.Transitorios RC y RLMedia
R = 10 Ωt = 0L150 mHi(t)

La bobina conduce una corriente estacionaria de 1 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 0,25 A? Halla t.

i(0) = 1 AR = 10 ΩL = 150 mH
t = ms
12.Transitorios RC y RLDifícil
+−Vs​12 Vt = 0R = 1 kΩC100 µF+−vC​vC​(0) = 30 V

Justo antes de que el interruptor se cierre en t = 0, el condensador tiene 30 V con la polaridad indicada. Halla la tensión del condensador vC en t = 60 ms.

Vs = 12 VR = 1 kΩC = 100 µFvC(0) = 30 Vt = 60 ms
vC = V
13.Thévenin y NortonMedia
R1​ = 3 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​12 VR2​2 ΩAab

Halla la tensión de Thévenin Vth vista desde los terminales a–b.

V1 = 12 VR1 = 3 ΩR2 = 2 ΩR3 = 20 Ω
Vth = V
14.Thévenin y NortonDifícil
R1​ = 3 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​18 VR2​10 ΩAIs​0,5 ABab

Halla la tensión de Thévenin Vth vista desde los terminales a–b.

V1 = 18 VIs = 0,5 AR1 = 3 ΩR2 = 10 ΩR3 = 6 Ω
Vth = V
15.Diagramas de Bode y márgenesMedia
vin​L = 5 mHC = 0,1 µFR = 5 Ωvout​

En el filtro paso banda RLC serie mostrado, la salida se toma en R = 5 Ω, con L = 5 mH y C = 0,1 µF. Halla el factor de calidad Q.

R = 5 ΩL = 5 mHC = 0,1 µF
Q =
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) = 16/(s(s + 2)(s + 8)). Halla la frecuencia de cruce de fase ω180, donde ∠L(jω) = −180°.

L(s) = 16/(s(s + 2)(s + 8))
ω180 = rad/s

3Disoluciones

1.Números complejos

Respuesta: θ = −159,4 °

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 = −8, b = −3 → III

Ángulo de referencia

α = atan(3/8) = 20,56°

Argumento

θ = −(180° − α) = −159,4°

Respuesta

θ = −159,4°

En forma polar z = 8,544∠−159,4°.

2.Números complejos

Respuesta: Re(z₀) = 1,879

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

641/6 = 2

Argumento de la raíz

θ₀ = (−120° + 360°·0)/6 = −20°

Forma rectangular

z₀ = 2·(cos −20° + j sin −20°) = 1,879 − j0,684
Re(z₀) = 1,879

Respuesta

Re(z₀) = 1,879

Las 6 raíces están en la circunferencia de radio 2, separadas 60°.

3.Impedancia y fasores en alterna

Respuesta: φ = 82,88 °

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·500 = 3142 rad/s
XL = ωL = 3142·0,25 = 785,4 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(3142·2,2·10⁻⁶) = 144,7 Ω

Impedancia

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

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(80² + (640,7)²) = 645,7 Ω

Ángulo de fase

φ = arctan((XL − XC)/R) = arctan(640,7/80) = 82,88°

Respuesta

φ = 82,88°
4.Impedancia y fasores en alterna

Respuesta: f0 = 112,5 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|.

Resonancia

En resonancia, las reactancias inductiva y capacitiva se anulan: ωL = 1/(ωC). La frecuencia de la alimentación no influye.

f0 = 1/(2π√(LC)) = 1/(2π·√(0,2·10·10⁻⁶)) = 112,5 Hz

Respuesta

f0 = 112,5 Hz
5.Potencia en alterna y factor de potencia

Respuesta: R = 13,6 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 = 765/7,5² = 13,6 Ω

Respuesta

R = 13,6 Ω
6.Potencia en alterna y factor de potencia

Respuesta: cos φ = 0,8872

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 = 9·tan(arccos 0,75) = 7,937 kvar
QC = V²·2πf·C = 240²·2π·60·150·10⁻⁶ = 3257 var = 3,257 kvar
Q2 = 7,937 − 3,257 = 4,68 kvar

Nueva potencia aparente

S2 = √(9² + 4,68²) = 10,14 kVA

Nuevo factor de potencia

cos φ = P/S2 = 9/10,14 = 0,8872

Respuesta

cos φ = 0,8872
7.Resonancia LC, factor Q y ancho de banda

Respuesta: WL = 4,813 µJ

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.

Energía total

½·2,2 × 10⁻⁷·10² = 1,1 × 10⁻⁵ J

Energía restante en el condensador

½·2,2 × 10⁻⁷·7,5² = 6,188 × 10⁻⁶ J

Energía en la bobina

WL = 4,813 × 10⁻⁶ J = 4,813 µJ

Respuesta

WL = 4,813 µJ
8.Resonancia LC, factor Q y ancho de banda

Respuesta: Q = 1,054

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 = √(400000·1 × 10⁶) = 632456 Hz

Ancho de banda

BW = 1 × 10⁶ − 400000 = 600000 Hz

Factor de calidad

Q = 632456/600000 = 1,054

Respuesta

Q = 1,054
9.Potencia trifásica

Respuesta: P = 49,08 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| = √(12² + 5²) = 13 Ω
Iph = 480/13 = 36,92 A

Potencia activa total

Solo la parte resistiva de cada impedancia absorbe potencia activa.

P = 3·Iph²·R = 3·36,92²·12 = 49,08 kW

Respuesta

P = 49,08 kW

Comprobación: cos φ = R/|Z| = 0,9231, y √3·VL·IL·cos φ da la misma potencia.

10.Potencia trifásica

Respuesta: Cph = 299,7 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 = 100·tan(acos 0,72) = 100·0,9639 = 96,39 kvar
Q2 = 100·tan(acos 0,92) = 100·0,426 = 42,6 kvar

Potencia reactiva de los condensadores

QC = Q1 − Q2 = 53,79 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) = 17928/(377·398,4²) = 299,7 µF

Respuesta

Cph = 299,7 µF
11.Transitorios RC y RL

Respuesta: t = 20,79 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 / 10 Ω = 15 ms

Despeja el tiempo

0,25 = 1·e−t/τ → t = τ·ln(1/0,25)
t = 15·ln(4) = 20,79 ms

Respuesta

t = 20,79 ms
12.Transitorios RC y RL

Respuesta: vC = 21,88 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) = 30 V, vC(∞) = Vs = 12 V
τ = R·C = 1 kΩ · 100 µF = 100 ms
vC(t) = 12 + (30 − 12)·e−t/τ

Tensión en el instante dado

vC(60) = 12 + (18)·e−60/100 = 21,88 V

Respuesta

vC = 21,88 V
13.Thévenin y Norton

Respuesta: Vth = 4,8 V

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​ = 20 ΩCORTOR2​2 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 = 3·2/(3+2) = 1,2 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,2 + 20 = 21,2 Ω
R1​ = 3 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​12 VR2​2 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) = 12·2/(3+2) = 4,8 V
14.Thévenin y Norton

Respuesta: Vth = 9,692 V

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​ = 6 ΩCORTOR2​10 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 = 3·10/(3+10) = 2,308 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,308 + 6 = 8,308 Ω
R1​ = 3 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​18 VR2​10 ΩAIs​0,5 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) = 13,85 + (−0,5)·2,308 = 12,69 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 12,69 + (−0,5)·6 = 9,692 V
15.Diagramas de Bode y márgenes

Respuesta: Q = 44,72

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/√(0,005·1 × 10⁻⁷) = 44721 rad/s
f₀ = ω₀/(2π) = 7118 Hz

Factor de calidad

BW = R/L = 5/0,005 = 1000 rad/s = 159,2 Hz
Q = ω₀/BW = 44721/1000 = 44,72

Respuesta

Q = 44,72
16.Diagramas de Bode y márgenes

Respuesta: ω180 = 4 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/2)·(ω/8) = 1 → ω180 = √(2·8) = 4 rad/s

Respuesta

ω180 = 4 rad/s

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