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
ReIm11−1−122−2−2θz

Escribe z = 2,5∠−75° en forma rectangular a + jb y da la parte real a.

r = 2,5θ = −75°
a =
2.Números complejosDifícil
ReIm11−1−122−2−233−3−3z₀z₁z₂

Las raíces de zⁿ = w con n = 3 y w = 27∠45° son zk = R1/n∠((φ + 360°·k)/n), k = 0, 1, 2. Halla la parte real de z₂.

w = 27∠45°n = 3k = 2
Re(z₂) =
3.Impedancia y fasores en alternaMedia
Vf0​ = 50 HzRL = 100 mHC = ?

Un circuito RLC en serie con L = 100 mH debe resonar a 50 Hz. Halla la capacidad C necesaria.

f0 = 50 HzL = 100 mH
C = µF
4.Impedancia y fasores en alternaDifícil
50 V100 HzR = 100 ΩL = 50 mHC = 1 µF+−VC​

Un circuito RLC en serie está conectado a una alimentación de 50 V (eficaces) y 100 Hz. Halla la tensión eficaz VC en el condensador.

V = 50 V (rms)f = 100 HzR = 100 ΩL = 50 mHC = 1 µF
VC = V
5.Potencia en alterna y factor de potenciaMedia
P = 4 kWQ = ?Sφ

Un motor monofásico consume 4 kW con un factor de potencia de 0,75 inductivo de una alimentación de 240 V. Halla la potencia reactiva Q que consume.

P = 4 kWpf = 0,75V = 240 V
Q = kvar
6.Potencia en alterna y factor de potenciaDifícil
100 V1000 HzRs​ = 4 ΩXs​ = j3 ΩZL​ = ?

Una fuente de 100 V (eficaces) y 1000 Hz tiene una impedancia interna Zs = 4 + j3 Ω. La impedancia de carga ZL puede elegirse libremente. La carga para máxima potencia está formada por una resistencia en serie con un condensador. Halla la capacidad C.

Vs = 100 V (rms)f = 1000 HzZs = 4 + j3 Ω
C = µF
7.Resonancia LC, factor Q y ancho de bandaMedia
V10 Ω1 mH22 nF

Un circuito RLC serie tiene R = 10 Ω, L = 1 mH y C = 22 nF. Halla su factor de calidad Q.

R = 10 ΩL = 1 mHC = 22 nF
Q =
8.Resonancia LC, factor Q y ancho de bandaDifícil
C = 4,7 nFr = 10 ΩL = 22 mH

Un circuito tanque paralelo está formado por un condensador de 4,7 nF y una bobina de 22 mH con una resistencia de devanado de 10 Ω. En la resonancia se comporta como una resistencia, su resistencia dinámica RD = L/(C·r). Halla RD en kΩ.

L = 22 mHC = 4,7 nFr = 10 Ω
RD = kΩ
9.Potencia trifásicaMedia
ABCVL​ = 480 VIL​ = 10 Acos φ = 0,85inductivo

Una carga trifásica equilibrada consume una corriente de línea de 10 A de una alimentación con una tensión de línea de 480 V. El factor de potencia es 0,85 inductivo. Halla la potencia activa total P que consume la carga en kW.

VL = 480 VIL = 10 Acos φ = 0,85
P = kW
10.Potencia trifásicaDifícil
P = 250 kWφ1​S1​Q2​QC​ = ?

Una carga trifásica equilibrada consume 250 kW con un factor de potencia de 0,8 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 0,95 inductivo. La potencia activa no cambia. Halla la potencia reactiva total QC que debe aportar la batería de condensadores, en kvar.

P = 250 kWpf1 = 0,8pf2 = 0,95VL = 690 Vf = 50 Hz
QC = kvar
11.Transitorios RC y RLMedia
+−Vs​30 Vt = 0R1​ = 10 kΩR2​ = 2,2 kΩC33 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 = 30 VR1 = 10 kΩR2 = 2,2 kΩC = 33 µFt = 40 ms
vC = V
12.Transitorios RC y RLDifícil
+−Vs​9 Vt = 0R = 2,2 kΩC?+−vC​

Un temporizador empieza a cargar en t = 0 un condensador descargado a través de una resistencia desde una alimentación de 9 V. Debe dispararse cuando la tensión del condensador llegue a 5,4 V, exactamente 25 ms después del inicio. Con R = 2,2 kΩ, halla la capacidad C necesaria.

Vs = 9 VVth = 5,4 VT = 25 msR = 2,2 kΩ
C = µF
13.Thévenin y NortonMedia
R1​ = 4 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​10 VR2​5 ΩAab

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

V1 = 10 VR1 = 4 ΩR2 = 5 ΩR3 = 20 Ω
IN = A
14.Thévenin y NortonDifícil
R1​ = 25 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​10 VR2​3 ΩAIs​4 ABab

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

V1 = 10 VIs = 4 AR1 = 25 ΩR2 = 3 ΩR3 = 2 Ω
Vth = V
15.Diagramas de Bode y márgenesMedia
vin​C = 10 nFR = 10 kΩvout​

El filtro paso alto RC mostrado tiene R = 10 kΩ, C = 10 nF. Se aplica una entrada sinusoidal de 4,8 kHz. Halla el desfase φ de vout respecto a vin, en grados.

R = 10 kΩC = 10 nFf = 4,8 kHz
φ = °
16.Diagramas de Bode y márgenesDifícil
|H| (dB)0,10,1111010100100−60−40−200204060ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−270−180−900ω180​

Un lazo con realimentación unitaria tiene la función de transferencia en lazo abierto L(s) = 842/(s(s + 7)(s + 10)). Halla el margen de ganancia GM en dB.

L(s) = 842/(s(s + 7)(s + 10))
GM = dB

3Disoluciones

1.Números complejos

Respuesta: a = 0,647

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 = 2,5·cos(−75°) = 0,647
b = 2,5·sin(−75°) = −2,415

Forma rectangular

z = 0,647 − j2,415
a = 0,647

Respuesta

a = 0,647
2.Números complejos

Respuesta: Re(z₂) = −0,7765

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

271/3 = 3

Argumento de la raíz

θ₂ = (45° + 360°·2)/3 = 255° → −105°

Forma rectangular

z₂ = 3·(cos −105° + j sin −105°) = −0,7765 − j2,898
Re(z₂) = −0,7765

Respuesta

Re(z₂) = −0,7765

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

3.Impedancia y fasores en alterna

Respuesta: C = 101,3 µF

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·50 = 314,2 rad/s
C = 1/(ω₀²·L) = 1/(314,2²·0,1) = 101,3 µF

Respuesta

C = 101,3 µF
4.Impedancia y fasores en alterna

Respuesta: VC = 50,9 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|.

Reactancias

ω = 2πf = 2π·100 = 628,3 rad/s
XL = ωL = 628,3·0,05 = 31,42 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(628,3·1·10⁻⁶) = 1592 Ω

Impedancia

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

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(100² + (−1560)²) = 1563 Ω

Corriente

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

I = V/|Z| = 50/1563 = 0,03198 A

Tensión en el condensador

VC = I·XC = 0,03198·1592 = 50,9 V

Respuesta

VC = 50,9 V
5.Potencia en alterna y factor de potencia

Respuesta: Q = 3,528 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.

Ángulo

φ = arccos(0,75) = 41,41°, tan φ = 0,8819

Potencia reactiva

Q = P·tan φ = 4·0,8819 = 3,528 kvar

Respuesta

Q = 3,528 kvar
6.Potencia en alterna y factor de potencia

Respuesta: C = 53,05 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.

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* = 4 − j3 Ω

Capacidad

XC = 3 Ω → C = 1/(2π·1000·3) = 53,05 µF

Respuesta

C = 53,05 µF
7.Resonancia LC, factor Q y ancho de banda

Respuesta: Q = 21,32

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).

Impedancia característica

√(L/C) = √(0,001/2,2 × 10⁻⁸) = 213,2 Ω

Factor de calidad

Q = 213,2/10 = 21,32

Respuesta

Q = 21,32

La frecuencia de resonancia es 33,93 kHz, así que BW = f₀/Q = 1,592 kHz.

8.Resonancia LC, factor Q y ancho de banda

Respuesta: RD = 468,1 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 = 0,022/(4,7 × 10⁻⁹·10) = 468085 Ω = 468,1 kΩ

Comprobación con Q

Q = (1/r)·√(L/C) = 216,4, Q²·r = 468085 Ω

Respuesta

RD = 468,1 kΩ
9.Potencia trifásica

Respuesta: P = 7,067 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 = √3·480·10 = 8,314 kVA

Potencia activa

P = S·cos φ = 8,314·0,85 = 7,067 kW

Respuesta

P = 7,067 kW
10.Potencia trifásica

Respuesta: QC = 105,3 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 = 250·tan(acos 0,8) = 250·0,75 = 187,5 kvar
Q2 = 250·tan(acos 0,95) = 250·0,3287 = 82,17 kvar

Potencia reactiva de los condensadores

QC = Q1 − Q2 = 105,3 kvar

Respuesta

QC = 105,3 kvar
11.Transitorios RC y RL

Respuesta: vC = 2,648 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 = 10·2,2/(10 + 2,2) = 1,803 kΩ
vC(∞) = 30·2,2/(10 + 2,2) = 5,41 V

Constante de tiempo

τ = Rth·C = 1,803·33 = 59,51 ms

Curva de carga

vC(t) = 5,41·(1 − e−40/59,51) = 2,648 V

Respuesta

vC = 2,648 V
12.Transitorios RC y RL

Respuesta: C = 12,4 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

5,4 = 9·(1 − e−25/τ) → τ = 25/ln(9/(9 − 5,4))
τ = 25/0,9163 = 27,28 ms

Capacidad

kΩ por µF da milisegundos.

C = τ/R = 27,28/2,2 = 12,4 µF

Respuesta

C = 12,4 µF
13.Thévenin y Norton

Respuesta: IN = 0,25 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​ = 4 ΩR3​ = 20 ΩCORTOR2​5 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 = 4·5/(4+5) = 2,222 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,222 + 20 = 22,22 Ω
R1​ = 4 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​10 VR2​5 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) = 10·5/(4+5) = 5,556 V
IN​0,25 ARth​22,22 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 = 5,556/22,22 = 0,25 A
14.Thévenin y Norton

Respuesta: Vth = −17,64 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​ = 25 ΩR3​ = 2 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 = 25·3/(25+3) = 2,679 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,679 + 2 = 4,679 Ω
R1​ = 25 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​10 VR2​3 ΩAIs​4 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) = 1,071 + (−4)·2,679 = −9,643 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = −9,643 + (−4)·2 = −17,64 V
15.Diagramas de Bode y márgenes

Respuesta: φ = 18,34 °

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/(10000·1 × 10⁻⁸) = 10000 rad/s
fc = 1592 Hz → f/fc = 4800/1592 = 3,016

Fase

φ = 90° − atan(3,016) = 18,34°

Respuesta

φ = 18,34°
16.Diagramas de Bode y márgenes

Respuesta: GM = 3,005 dB

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/7)·(ω/10) = 1 → ω180 = √(7·10) = 8,367 rad/s

Módulo en el cruce de fase

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 49)·√(ω² + 100)) = K/(7·10·(7 + 10)) = K/1190

Margen de ganancia

GM = 20·log₁₀(1190/842) = 3,005 dB

Respuesta

GM = 3,005 dB

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