Usa el análisis nodal para hallar la corriente IR1 por R1 en el sentido de la flecha.
V1 = 9 VIs = 3 AR1 = 2 ΩR2 = 12 ΩR3 = 2 ΩR4 = 2 Ω
IR1 = A
4.Análisis nodalDifícil
La fuente de corriente se ajusta hasta que la tensión de nodo en A es VA = 10 V. Usa el análisis nodal para hallar la corriente de la fuente Is (con el sentido indicado).
La bobina no lleva corriente antes de que el interruptor se cierre en t = 0. Halla la energía W almacenada en la bobina en t = 5 ms, en mJ.
Vs = 9 VR = 47 ΩL = 150 mHt = 5 ms
W = mJ
8.Transitorios RC y RLDifícil
Justo antes de que el interruptor se cierre en t = 0, el condensador tiene 8 V con la polaridad indicada. ¿Cuánto tarda vC en llegar a 6,4 V? Halla t.
Vs = 6 VR = 10 kΩC = 220 µFvC(0) = 8 V
t = ms
9.Impedancia y fasores en alternaMedia
Un circuito RLC en serie está conectado a una alimentación de 100 V (eficaces) y 200 Hz. Halla la corriente eficaz I.
V = 100 V (rms)f = 200 HzR = 15 ΩL = 50 mHC = 22 µF
I = A
10.Impedancia y fasores en alternaDifícil
Un circuito RLC en serie está conectado a una alimentación de 24 V (eficaces) y 100 Hz. Halla la tensión eficaz VC en el condensador.
V = 24 V (rms)f = 100 HzR = 30 ΩL = 100 mHC = 47 µF
VC = V
11.Potencia en alterna y factor de potenciaMedia
Una carga inductiva consume 8 A y 1380 W de una alimentación monofásica de 230 V (eficaces). Modélala como una resistencia R en serie con una reactancia X. Halla X.
V = 230 VI = 8 AP = 1380 W
X = Ω
12.Potencia en alterna y factor de potenciaDifícil
Una carga monofásica consume 21 kW con un factor de potencia de 0,6 inductivo de una alimentación de 230 V y 60 Hz. Se conecta un condensador de 220 µF en paralelo con la carga. Halla la nueva corriente de línea I.
P = 21 kWpf1 = 0,6V = 230 Vf = 60 HzC = 220 µF
I = A
13.Potencia trifásicaMedia
Una carga equilibrada conectada en triángulo, con una impedancia de 5 + j12 Ω por fase, se conecta a una alimentación trifásica equilibrada con una tensión de línea de 208 V. Halla la potencia activa total P que absorbe la carga en kW.
VL = 208 VZ = 5 + j12 Ω por fase
P = kW
14.Potencia trifásicaDifícil
Una carga trifásica equilibrada consume 250 kW con un factor de potencia de 0,72 inductivo de una alimentación de 415 V (de línea) y 50 Hz. Una batería trifásica de condensadores en paralelo con la carga debe elevar el factor de potencia total a 0,9 inductivo. La potencia activa no cambia. Halla la potencia reactiva total QC que debe aportar la batería de condensadores, en kvar.
P = 250 kWpf1 = 0,72pf2 = 0,9VL = 415 Vf = 50 Hz
QC = kvar
15.TransformadoresMedia
Un transformador monofásico de 50 kVA, 2400/240 V, funciona a su carga nominal. Considéralo ideal. Halla la corriente ILV en el devanado de baja tensión.
S = 50 kVAV1 = 2400 VV2 = 240 V
ILV = A
16.TransformadoresDifícil
Un transformador monofásico de 25 kVA tiene unas pérdidas en el hierro de 75 W y unas pérdidas en el cobre de 300 W a carga nominal. Suministra el 50 % de sus kVA nominales con un factor de potencia de 0,85 inductivo. Halla las pérdidas totales Ploss en vatios con esta carga.
Resistencias en serie y en paralelo: en serie, la misma corriente pasa por cada resistencia y R = R₁ + R₂ + …. En paralelo, cada resistencia tiene la misma tensión y 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …. Una red en escalera se reduce por parejas hasta que queda una sola resistencia equivalente.
Combina las resistencias desde el extremo más lejano
Empieza por el extremo más alejado de la fuente y avanza hacia ella. Las resistencias con la misma corriente están en serie; las que están entre los mismos dos nodos, en paralelo.
R3 + R4 = 5 + 15 = 20 Ω
R2 ∥ 20 = 10·20/(10+20) = 6,667 Ω
Req = R1 + 6,667 = 3 + 6,667 = 9,667 Ω
Respuesta
Req = 9,667 Ω
2.Resistencias en serie y en paralelo
Respuesta: IR2 = 0,8108 A
Resistencias en serie y en paralelo: en serie, la misma corriente pasa por cada resistencia y R = R₁ + R₂ + …. En paralelo, cada resistencia tiene la misma tensión y 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …. Una red en escalera se reduce por parejas hasta que queda una sola resistencia equivalente.
Combina las resistencias desde el extremo más lejano
Empieza por el extremo más alejado de la fuente y avanza hacia ella. Las resistencias con la misma corriente están en serie; las que están entre los mismos dos nodos, en paralelo.
R5 + R6 = 10 + 8 = 18 Ω
R4 ∥ 18 = 8,182 Ω
R3 + 8,182 = 18,18 Ω
R2 ∥ 18,18 = 5,556 Ω
Req = R1 + 5,556 = 15 + 5,556 = 20,56 Ω
Corriente de la fuente
La fuente solo ve Req, así que la ley de Ohm da la corriente que entrega. Esa corriente pasa por R₁.
IR1 = V1/Req = 24/20,56 = 1,168 A
Corriente por R₂
Resta la caída en R₁ para obtener la tensión en el nodo A, que es la tensión en R₂.
VA = V1 − IR1·R1 = 24 − 1,168·15 = 6,486 V
IR2 = VA/R2 = 6,486/8 = 0,8108 A
Respuesta
IR2 = 0,8108 A
3.Análisis nodal
Respuesta: IR1 = 0,9 A
Análisis nodal: elige un nodo de referencia, nombra las tensiones de nodo desconocidas, escribe la ley de corrientes de Kirchhoff en cada nodo desconocido usando la ley de Ohm (I = ΔV/R) y resuelve las ecuaciones resultantes.
Plantea los nodos
La tierra es el cable inferior. Las tensiones de nodo conocidas salen directamente de las fuentes (V1 = 9 V). Incógnitas: VA, VB.
LCK en el nodo A
Las corrientes que salen de A por las resistencias igualan la corriente que las fuentes inyectan en A.
VA/R2 + (VA − V1)/R1 + (VA − VB)/R3 = 0
VA/12 + (VA − 9)/2 + (VA − VB)/2 = 0
1,083·VA − 0,5·VB = 4,5
LCK en el nodo B
Las corrientes que salen de B por las resistencias igualan la corriente que las fuentes inyectan en B.
VB/R4 + (VB − VA)/R3 = Is
VB/2 + (VB − VA)/2 = 3
−0,5·VA + VB = 3
Resuelve
Δ = (1,083)(1) − (−0,5)(−0,5) = 0,8333
VA = Δ1/Δ = 6/0,8333 = 7,2 V
VB = Δ2/Δ = 5,5/0,8333 = 6,6 V
Respuesta
IR1 = (V1 − VA)/R1 = (9 − 7,2)/2 = 0,9 A
4.Análisis nodal
Respuesta: Is = 6,222 A
Análisis nodal: elige un nodo de referencia, nombra las tensiones de nodo desconocidas, escribe la ley de corrientes de Kirchhoff en cada nodo desconocido usando la ley de Ohm (I = ΔV/R) y resuelve las ecuaciones resultantes.
LCK en el nodo A
VA es conocida, así que esta ecuación da VB.
(VA − V1)/R1 + VA/R2 + (VA − VB)/R3 = 0
(10 − 5)/3 + 10/6 = (VB − 10)/10
3,333 = (VB − 10)/10 → VB = 43,33 V
LCK en el nodo B
Las corrientes que salen de B por las resistencias son iguales a la corriente que las fuentes inyectan en B.
Is = (VB − VA)/R3 + VB/R4 = (43,33 − 10)/10 + 43,33/15 = 6,222 A
Respuesta
Is = 6,222 A
5.Thévenin y Norton
Respuesta: Rth = 6,765 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.
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 = 15·2/(15+2) = 1,765 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,765 + 5 = 6,765 Ω
6.Thévenin y Norton
Respuesta: IL = 1,564 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.
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 = 12·8/(12+8) = 4,8 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 4,8 + 5 = 9,8 Ω
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) = 9,6 + 2,5·4,8 = 21,6 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 21,6 + 2,5·5 = 34,1 V
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) = 34,1/(9,8 + 12) = 1,564 A
7.Transitorios RC y RL
Respuesta: W = 1,722 mJ
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 = 150 mH / 47 Ω = 3,191 ms
i(∞) = Vs/R = 9/47 = 0,1915 A
Corriente en el instante dado
i(t) = 0,1915·(1 − e−5/3,191) = 0,1515 A
Energía almacenada
W = ½·L·i² = ½·150·0,1515² = 1,722 mJ
Respuesta
W = 1,722 mJ
8.Transitorios RC y RL
Respuesta: t = 3541 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
La tensión del condensador no puede saltar, así que parte de su valor almacenado y tiende a la tensión de la fuente.
t = τ·ln((8 − 6)/(6,4 − 6)) = 2200·ln(5) = 3541 ms
Respuesta
t = 3541 ms
9.Impedancia y fasores en alterna
Respuesta: I = 3,269 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 = 1257·0,05 = 62,83 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(1257·22·10⁻⁶) = 36,17 Ω
Impedancia
En serie, las impedancias se suman como números complejos: Z = R + j(XL − XC).
La misma corriente pasa por todos los elementos de un circuito en serie.
I = V/|Z| = 100/30,59 = 3,269 A
Respuesta
I = 3,269 A
10.Impedancia y fasores en alterna
Respuesta: VC = 19,49 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 = 628,3·0,1 = 62,83 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(628,3·47·10⁻⁶) = 33,86 Ω
Impedancia
En serie, las impedancias se suman como números complejos: Z = R + j(XL − XC).
La misma corriente pasa por todos los elementos de un circuito en serie.
I = V/|Z| = 24/41,7 = 0,5755 A
Tensión en el condensador
VC = I·XC = 0,5755·33,86 = 19,49 V
Respuesta
VC = 19,49 V
11.Potencia en alterna y factor de potencia
Respuesta: X = 19,02 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 = 1380/8² = 21,56 Ω
Reactancia a partir de la impedancia
|Z| = V/I = 230/8 = 28,75 Ω
X = √(|Z|² − R²) = √(28,75² − 21,56²) = 19,02 Ω
Respuesta
X = 19,02 Ω
12.Potencia en alterna y factor de potencia
Respuesta: I = 137,4 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 = 21·tan(arccos 0,6) = 28 kvar
QC = V²·2πf·C = 230²·2π·60·220·10⁻⁶ = 4387 var = 4,387 kvar
Q2 = 28 − 4,387 = 23,61 kvar
Nueva potencia aparente
S2 = √(21² + 23,61²) = 31,6 kVA
Nueva corriente de línea
I = S2/V = 31600/230 = 137,4 A
Respuesta
I = 137,4 A
13.Potencia trifásica
Respuesta: P = 3,84 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 = 208 V
Corriente de fase
|Z| = √(5² + 12²) = 13 Ω
Iph = 208/13 = 16 A
Potencia activa total
Solo la parte resistiva de cada impedancia absorbe potencia activa.
P = 3·Iph²·R = 3·16²·5 = 3,84 kW
Respuesta
P = 3,84 kW
Comprobación: cos φ = R/|Z| = 0,3846, y √3·VL·IL·cos φ da la misma potencia.
14.Potencia trifásica
Respuesta: QC = 119,9 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 0,72) = 250·0,9639 = 241 kvar
Q2 = 250·tan(acos 0,9) = 250·0,4843 = 121,1 kvar
Potencia reactiva de los condensadores
QC = Q1 − Q2 = 119,9 kvar
Respuesta
QC = 119,9 kvar
15.Transformadores
Respuesta: ILV = 208,3 A
Transformador ideal: las tensiones están en la relación de las espiras y las corrientes en la relación inversa: V₁/V₂ = N₁/N₂ = a e I₁/I₂ = N₂/N₁ = 1/a, así que la potencia de entrada es igual a la de salida, V₁·I₁ = V₂·I₂. Una impedancia de carga Z en el secundario se ve como a²·Z desde el primario.
Corriente nominal
Los dos devanados transportan la misma potencia aparente.
ILV = S/V = 50000/240 = 208,3 A
Respuesta
ILV = 208,3 A
16.Transformadores
Respuesta: Ploss = 150 W
Pérdidas del transformador: las pérdidas en el hierro (histéresis y corrientes de Foucault) dependen de la tensión y son las mismas con cualquier carga. Las pérdidas en el cobre de los devanados van con el cuadrado de la corriente, así que a una fracción x de la carga nominal valen x²·Pcu,fl. Rendimiento η = Pout/(Pout + Pcore + Pcu), con Pout = x·S·pf. El rendimiento es máximo con la carga a la que las pérdidas en el cobre igualan a las pérdidas en el hierro.
Pérdidas en el cobre con esta carga
Pcu = x²·Pcu,fl = 0,25·300 = 75 W
Pérdidas totales
Las pérdidas en el hierro son las mismas con cualquier carga.