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Circuitos de corriente alterna
Problema
2024 · Extraordinaria · Titular
7
Examen

En el circuito eléctrico representado en el esquema, determine:

Imagen del ejercicio
a) La expresión temporal de la corriente que circula por el generador, tomando como origen de fases la tensión del generador.b) El valor eficaz de la tensión en bornes de la resistencia R1R_1.

R1=40 Ω;R2=16 Ω;L1=80 mH;L2=150 mH;C1=150 μF;C2=280 μF;E=230 V (valor eficaz),50 HzR_1=40 \ \Omega; R_2=16 \ \Omega; L_1= 80 \text{ mH}; L_2=150 \text{ mH}; C_1=150 \ \mu\text{F}; C_2=280 \ \mu\text{F}; E=230 \text{ V (valor eficaz)}, 50 \text{ Hz}

Circuitos RLCImpedanciaValor eficaz
Resolución del Ejercicio de Corriente Alterna
a) La expresión temporal de la corriente que circula por el generador, tomando como origen de fases la tensión del generador.

Primero, se calculan la frecuencia angular y las reactancias de cada componente.Datos:

R1=40 ΩR_1=40 \ \Omega
R2=16 ΩR_2=16 \ \Omega
L1=80 mH=0.08 HL_1= 80 \text{ mH} = 0.08 \text{ H}
L2=150 mH=0.15 HL_2=150 \text{ mH} = 0.15 \text{ H}
C1=150 μF=150×10−6 FC_1=150 \ \mu\text{F} = 150 \times 10^{-6} \text{ F}
C2=280 μF=280×10−6 FC_2=280 \ \mu\text{F} = 280 \times 10^{-6} \text{ F}
Eeficaz=230 VE_{\text{eficaz}}=230 \text{ V}
f=50 Hzf=50 \text{ Hz}

Fórmulas:

ω=2πf\omega = 2\pi f
XL=ωLX_L = \omega L
XC=1ωCX_C = \frac{1}{\omega C}

Sustitución:

ω=2π⋅50 Hz=100π rad/s≈314.16 rad/s\omega = 2\pi \cdot 50 \text{ Hz} = 100\pi \text{ rad/s} \approx 314.16 \text{ rad/s}
XL1=(100π rad/s)⋅(0.08 H)=8π Ω≈25.13 ΩX_{L1} = (100\pi \text{ rad/s}) \cdot (0.08 \text{ H}) = 8\pi \ \Omega \approx 25.13 \ \Omega
XL2=(100π rad/s)⋅(0.15 H)=15π Ω≈47.12 ΩX_{L2} = (100\pi \text{ rad/s}) \cdot (0.15 \text{ H}) = 15\pi \ \Omega \approx 47.12 \ \Omega
XC1=1(100π rad/s)⋅(150×10−6 F)=10.015π=2003π Ω≈21.22 ΩX_{C1} = \frac{1}{(100\pi \text{ rad/s}) \cdot (150 \times 10^{-6} \text{ F})} = \frac{1}{0.015\pi} = \frac{200}{3\pi} \ \Omega \approx 21.22 \ \Omega
XC2=1(100π rad/s)⋅(280×10−6 F)=10.028π=2507π Ω≈11.37 ΩX_{C2} = \frac{1}{(100\pi \text{ rad/s}) \cdot (280 \times 10^{-6} \text{ F})} = \frac{1}{0.028\pi} = \frac{250}{7\pi} \ \Omega \approx 11.37 \ \Omega

Ahora se calculan las impedancias equivalentes para cada rama en paralelo.Datos:

XL1=8π ΩX_{L1} = 8\pi \ \Omega
XL2=15π ΩX_{L2} = 15\pi \ \Omega
R1=40 ΩR_1 = 40 \ \Omega
R2=16 ΩR_2 = 16 \ \Omega
XC1=2003π ΩX_{C1} = \frac{200}{3\pi} \ \Omega
XC2=2507π ΩX_{C2} = \frac{250}{7\pi} \ \Omega

Fórmulas:

Zeq=Z1Z2Z1+Z2Z_{\text{eq}} = \frac{Z_1 Z_2}{Z_1 + Z_2}
ZL=jXLZ_L = jX_L
ZC=−jXCZ_C = -jX_C

Sustitución:

ZL_eq=(j8π)(j15π)j8π+j15π=−120π2j23π=j120π23 Ω≈j16.36 ΩZ_{L\_\text{eq}} = \frac{(j8\pi)(j15\pi)}{j8\pi + j15\pi} = \frac{-120\pi^2}{j23\pi} = j\frac{120\pi}{23} \ \Omega \approx j16.36 \ \Omega
ZR_eq=40⋅1640+16=64056=807 Ω≈11.43 ΩZ_{R\_\text{eq}} = \frac{40 \cdot 16}{40 + 16} = \frac{640}{56} = \frac{80}{7} \ \Omega \approx 11.43 \ \Omega
ZC_eq=(−j2003π)(−j2507π)−j2003π−j2507π=−5000021π2−j(1400+75021π)=−5000021π2−j215021π=−j500002150π=−j100043π Ω≈−j7.42 ΩZ_{C\_\text{eq}} = \frac{(-j\frac{200}{3\pi})(-j\frac{250}{7\pi})}{-j\frac{200}{3\pi} - j\frac{250}{7\pi}} = \frac{-\frac{50000}{21\pi^2}}{-j\left(\frac{1400+750}{21\pi}\right)} = \frac{-\frac{50000}{21\pi^2}}{-j\frac{2150}{21\pi}} = -j\frac{50000}{2150\pi} = -j\frac{1000}{43\pi} \ \Omega \approx -j7.42 \ \Omega

Se calcula la impedancia total del circuito, que es la suma de las impedancias equivalentes en serie.Datos:

ZR_eq=807 ΩZ_{R\_\text{eq}} = \frac{80}{7} \ \Omega
ZL_eq=j120π23 ΩZ_{L\_\text{eq}} = j\frac{120\pi}{23} \ \Omega
ZC_eq=−j100043π ΩZ_{C\_\text{eq}} = -j\frac{1000}{43\pi} \ \Omega

Fórmulas:

Ztotal=ZR_eq+ZL_eq+ZC_eqZ_{\text{total}} = Z_{R\_\text{eq}} + Z_{L\_\text{eq}} + Z_{C\_\text{eq}}

Sustitución:

Ztotal=807+j120π23−j100043πZ_{\text{total}} = \frac{80}{7} + j\frac{120\pi}{23} - j\frac{1000}{43\pi}
Ztotal=807+j(120π23−100043π) ΩZ_{\text{total}} = \frac{80}{7} + j\left(\frac{120\pi}{23} - \frac{1000}{43\pi}\right) \ \Omega
Ztotal≈11.4286+j(16.3638−7.4243) ΩZ_{\text{total}} \approx 11.4286 + j(16.3638 - 7.4243) \ \Omega
Ztotal≈11.4286+j8.9395 ΩZ_{\text{total}} \approx 11.4286 + j8.9395 \ \Omega
∣Ztotal∣=(11.4286)2+(8.9395)2=130.612+79.914=210.526≈14.510 Ω|Z_{\text{total}}| = \sqrt{(11.4286)^2 + (8.9395)^2} = \sqrt{130.612 + 79.914} = \sqrt{210.526} \approx 14.510 \ \Omega
ϕZ=arctan⁡(8.939511.4286)≈38.03∘\phi_Z = \arctan\left(\frac{8.9395}{11.4286}\right) \approx 38.03^{\circ}
Ztotal≈14.510∠38.03∘ ΩZ_{\text{total}} \approx 14.510 \angle 38.03^{\circ} \ \Omega

Finalmente, se calcula la corriente total eficaz y se convierte a su expresión temporal.Datos:

Eeficaz=230∠0∘ VE_{\text{eficaz}} = 230 \angle 0^{\circ} \text{ V}
Ztotal≈14.510∠38.03∘ ΩZ_{\text{total}} \approx 14.510 \angle 38.03^{\circ} \ \Omega
ω=100π rad/s\omega = 100\pi \text{ rad/s}

Fórmulas:

Ieficaz=EeficazZtotalI_{\text{eficaz}} = \frac{E_{\text{eficaz}}}{Z_{\text{total}}}
Imaˊximo=Ieficaz2I_{\text{máximo}} = I_{\text{eficaz}} \sqrt{2}
i(t)=Imaˊximosin⁡(ωt+ϕI)i(t) = I_{\text{máximo}} \sin(\omega t + \phi_I)

Sustitución:

Ieficaz=230∠0∘14.510∠38.03∘≈15.85∠−38.03∘ AI_{\text{eficaz}} = \frac{230 \angle 0^{\circ}}{14.510 \angle 38.03^{\circ}} \approx 15.85 \angle -38.03^{\circ} \text{ A}
Imaˊximo=15.85 A⋅2≈22.42 AI_{\text{máximo}} = 15.85 \text{ A} \cdot \sqrt{2} \approx 22.42 \text{ A}
ϕI=−38.03∘\phi_I = -38.03^{\circ}

Resultado:

i(t)=22.42sin⁡(100πt−38.03∘) Ai(t) = 22.42 \sin(100\pi t - 38.03^{\circ}) \text{ A}
b) El valor eficaz de la tensión en bornes de la resistencia R1R_1.

La tensión en bornes de la resistencia R1R_1 es la tensión eficaz a través de la rama paralela de las resistencias R1R_1 y R2R_2.Datos:

Ieficaz≈15.85∠−38.03∘ AI_{\text{eficaz}} \approx 15.85 \angle -38.03^{\circ} \text{ A}
ZR_eq=807 Ω≈11.43 ΩZ_{R\_\text{eq}} = \frac{80}{7} \ \Omega \approx 11.43 \ \Omega

Fórmula:

VR1eficaz=Ieficaz⋅∣ZR_eq∣V_{R1_{\text{eficaz}}} = I_{\text{eficaz}} \cdot |Z_{R\_\text{eq}}|

Sustitución:

V_{R1_{\text{eficaz}}} = (15.85 \text{ A}) \cdot (11.4286 \ \Omega) \approx 181.16 \text{ V}

Resultado:

VR1eficaz=181.16 VV_{R1_{\text{eficaz}}} = 181.16 \text{ V}