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

Escribe z = −1 − j7 en forma exponencial r·ejθ. Da θ en radianes, entre −π y π.

z = −1 − j7
θ = rad
2.Números complejosDifícil
ReIm11−1−122−2−233−3−3z₁z₂

La ecuación z² − 6z + 18 = 0 tiene dos raíces complejas. Halla su módulo |z|.

p = −6q = 18
|z| =
3.Impedancia y fasores en alternaMedia
120 V60 HzR = 40 ΩL = 200 mHC = 4,7 µFI

Un circuito RLC en serie está conectado a una alimentación de 120 V (eficaces) y 60 Hz. Halla la corriente eficaz I.

V = 120 V (rms)f = 60 HzR = 40 ΩL = 200 mHC = 4,7 µF
I = A
4.Impedancia y fasores en alternaDifícil
VfR = 15 ΩL = 50 mHC = 2,2 µF

Un circuito RLC en serie tiene R = 15 Ω, L = 50 mH y C = 2,2 µF. Halla su factor de calidad Q en resonancia.

R = 15 ΩL = 50 mHC = 2,2 µF
Q =
5.Potencia en alterna y factor de potenciaMedia
230 V121 kW, 0,627 kW, 1I = ?

Dos cargas están conectadas en paralelo a una alimentación monofásica de 230 V: una carga de 21 kW con un factor de potencia de 0,6 inductivo y un calefactor de 7 kW (factor de potencia unidad). Halla la corriente total I que se toma de la alimentación.

V = 230 VP1 = 21 kW, pf1 = 0,6 inductivoP2 = 7 kW, pf2 = 1
I = A
6.Potencia en alterna y factor de potenciaDifícil
P = 50 kWQ1​S1​φ1​QC​

Una carga monofásica consume 50 kW con un factor de potencia de 0,75 inductivo de una alimentación de 240 V y 60 Hz. Un condensador conectado en paralelo eleva el factor de potencia a 0,92. Halla la capacidad C necesaria.

P = 50 kWpf1 = 0,75pf2 = 0,92V = 240 Vf = 60 Hz
C = µF
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 = 2,5. Halla con exactitud la frecuencia de media potencia inferior f1, en kHz.

f0 = 500 kHzQ = 2,5
f1 = kHz
8.Resonancia LC, factor Q y ancho de bandaDifícil
C = 10 µFR = 0,5 ΩL = 470 µH

Un condensador de 10 µF cargado se descarga a través de una bobina de 470 µH con una resistencia total en serie de 0,5 Ω, así que la oscilación se va extinguiendo lentamente. Su amplitud decae como e−Rt/(2L). ¿Cuántos ciclos de oscilación n transcurren antes de que la amplitud se reduzca a la mitad? (Las pérdidas son pequeñas, así que la frecuencia es f₀.)

L = 470 µHC = 10 µFR = 0,5 Ω
n =
9.Potencia trifásicaMedia
ABCVL​ = 400 VIL​ = 10 Acos φ = 0,75inductivo

Una carga trifásica equilibrada consume una corriente de línea de 10 A de una alimentación con una tensión de línea de 400 V. El factor de potencia es 0,75 inductivo. Halla la potencia activa total P que consume la carga en kW.

VL = 400 VIL = 10 Acos φ = 0,75
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 690 V (de línea) y 50 Hz. Una batería trifásica de condensadores en paralelo con la carga debe elevar el factor de potencia total a 0,98 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 = 0,98VL = 690 Vf = 50 Hz
Cph = µF
11.Transitorios RC y RLMedia
+−Vs​10 Vt = 0R1​ = 6,8 kΩR2​ = 10 kΩC22 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 = 40 ms.

Vs = 10 VR1 = 6,8 kΩR2 = 10 kΩC = 22 µFt = 40 ms
vC = V
12.Transitorios RC y RLDifícil
+−Vs​15 VR1​ = 47 ΩR2​ = 22 Ωse abre en t = 0L47 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. ¿Cuánto tiempo después de t = 0 alcanza la corriente de la bobina 0,248 A? Halla t.

Vs = 15 VR1 = 47 ΩR2 = 22 ΩL = 47 mH
t = ms
13.Thévenin y NortonMedia
R1​ = 2 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​9 VR2​2 ΩARL​3 ΩIL​B

Se conecta una carga RL = 3 Ω entre a–b. Sustituye el resto del circuito por su equivalente de Thévenin y halla la corriente de carga IL.

V1 = 9 VR1 = 2 ΩR2 = 2 ΩR3 = 2 ΩRL = 3 Ω
IL = A
14.Thévenin y NortonDifícil
R1​ = 20 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​5 VR2​3 ΩAIs​2 ABRL​15 ΩIL​

Se conecta una carga RL = 15 Ω entre a–b. Sustituye el resto del circuito por su equivalente de Thévenin y halla la corriente de carga IL.

V1 = 5 VIs = 2 AR1 = 20 ΩR2 = 3 ΩR3 = 6 ΩRL = 15 Ω
IL = A
15.Diagramas de Bode y márgenesMedia
vin​C = 47 nFR = 22 kΩvout​

El filtro paso alto RC mostrado tiene R = 22 kΩ, C = 47 nF. Se aplica una entrada sinusoidal de 460 Hz. Halla el desfase φ de vout respecto a vin, en grados.

R = 22 kΩC = 47 nFf = 460 Hz
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) = 144/(s(s + 4)). Halla la frecuencia de cruce de ganancia ωc, donde |L(jω)| = 1.

L(s) = 144/(s(s + 4))
ωc = rad/s

3Disoluciones

1.Números complejos

Respuesta: θ = −1,713 rad

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

r = √(1 + 49) = 7,071

Argumento en radianes

θ = −98,13° = −98,13·π/180 = −1,713 rad

Forma exponencial

z = 7,071·e−j1,713

Respuesta

θ = −1,713 rad
2.Números complejos

Respuesta: |z| = 4,243

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.

Discriminante

p² − 4q = 36 − 72 = −36 < 0

Fórmula cuadrática

z = (6 ± j√36)/2 = 3 + j3, 3 − j3

Respuesta

|z| = √(3² + 3²) = √18 = 4,243

Respuesta

|z| = 4,243
3.Impedancia y fasores en alterna

Respuesta: I = 0,2446 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·60 = 377 rad/s
XL = ωL = 377·0,2 = 75,4 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(377·4,7·10⁻⁶) = 564,4 Ω

Impedancia

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

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(40² + (−489)²) = 490,6 Ω

Corriente

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

I = V/|Z| = 120/490,6 = 0,2446 A

Respuesta

I = 0,2446 A
4.Impedancia y fasores en alterna

Respuesta: Q = 10,05

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·√(0,05·2,2·10⁻⁶)) = 479,9 Hz

Factor de calidad

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

Q = (1/R)·√(L/C) = (1/15)·√(0,05/(2,2·10⁻⁶)) = 10,05

Respuesta

Q = 10,05
5.Potencia en alterna y factor de potencia

Respuesta: I = 172,2 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 de cada carga

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

Q1 = 21·tan(arccos 0,6) = 28 kvar
Q2 = 0 = 0 kvar

Totales

P = 21 + 7 = 28 kW
Q = 28 + 0 = 28 kvar
S = √(28² + 28²) = 39,6 kVA

Corriente total

I = S/V = 39598/230 = 172,2 A

Respuesta

I = 172,2 A
6.Potencia en alterna y factor de potencia

Respuesta: C = 1050 µF

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 = 50·tan(41,41°) = 44,1 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 50·tan(23,07°) = 21,3 kvar
QC = Q1 − Q2 = 22,8 kvar

Capacidad

Un condensador conectado a la red aporta Q = V²·ωC.

C = QC/(2πf·V²) = 22796/(2π·60·240²) = 1050 µF

Respuesta

C = 1050 µF
7.Resonancia LC, factor Q y ancho de banda

Respuesta: f1 = 409,9 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/(4·2,5²)) = 1,02

Frecuencia de media potencia inferior

f1 = 500000·(1,02 − 0,2) = 409902 Hz = 409,9 kHz

Respuesta

f1 = 409,9 kHz

La superior es f₂ = 609,9 kHz; comprobación: f₂ − f₁ = 200 kHz = f₀/Q.

8.Resonancia LC, factor Q y ancho de banda

Respuesta: n = 3,025

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).

Semivida de la amplitud

t = 2·0,00047·ln 2/0,5 = 0,001303 s

Número de ciclos

n = t·f0 = 0,001303·2322 = 3,025

Respuesta

n = 3,025

Atajo: n = Q·ln 2/π con Q = 13,71.

9.Potencia trifásica

Respuesta: P = 5,196 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 = √3·400·10 = 6,928 kVA

Potencia activa

P = S·cos φ = 6,928·0,75 = 5,196 kW

Respuesta

P = 5,196 kW
10.Potencia trifásica

Respuesta: Cph = 322,9 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 0,98) = 50·0,2031 = 10,15 kvar

Potencia reactiva de los condensadores

QC = Q1 − Q2 = 48,3 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·50 = 314,2 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 16101/(314,2·398,4²) = 322,9 µF

Respuesta

Cph = 322,9 µF
11.Transitorios RC y RL

Respuesta: vC = 2,154 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 = 6,8·10/(6,8 + 10) = 4,048 kΩ
vC(∞) = 10·10/(6,8 + 10) = 5,952 V

Constante de tiempo

τ = Rth·C = 4,048·22 = 89,05 ms

Curva de carga

vC(t) = 5,952·(1 − e−40/89,05) = 2,154 V

Respuesta

vC = 2,154 V
12.Transitorios RC y RL

Respuesta: t = 0,8183 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.

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 + 22) = 0,2174 A
τ = L/R = 47/69 = 0,6812 ms
i(t) = 0,2174 + (0,3191 − 0,2174)·e−t/τ

Despeja el tiempo

e−t/τ = (0,248 − 0,2174)/(0,3191 − 0,2174) = 0,3008
t = 0,6812·ln(3,324) = 0,8183 ms

Respuesta

t = 0,8183 ms
13.Thévenin y Norton

Respuesta: IL = 0,75 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​ = 2 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 = 2·2/(2+2) = 1 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1 + 2 = 3 Ω
R1​ = 2 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​9 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) = 9·2/(2+2) = 4,5 V
Rth​ = 3 Ω+−Vth​4,5 VRL​3 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) = 4,5/(3 + 3) = 0,75 A
14.Thévenin y Norton

Respuesta: IL = 0,7569 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​ = 20 ΩR3​ = 6 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 = 20·3/(20+3) = 2,609 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,609 + 6 = 8,609 Ω
R1​ = 20 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​5 VR2​3 ΩAIs​2 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) = 0,6522 + 2·2,609 = 5,87 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 5,87 + 2·6 = 17,87 V
Rth​ = 8,609 Ω+−Vth​17,87 VRL​15 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) = 17,87/(8,609 + 15) = 0,7569 A
15.Diagramas de Bode y márgenes

Respuesta: φ = 18,5 °

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 = 1/(RC) = 1/(22000·4,7 × 10⁻⁸) = 967,1 rad/s
fc = 153,9 Hz → f/fc = 460/153,9 = 2,989

Fase

φ = 90° − atan(2,989) = 18,5°

Respuesta

φ = 18,5°
16.Diagramas de Bode y márgenes

Respuesta: ωc = 11,67 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 − 20736 = 0
ω² = (−16 + √(256 + 4·20736))/2 = 136,2
ωc = 11,67 rad/s

Respuesta

ωc = 11,67 rad/s

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