Práctica para el examen FE Electrical and Computer: pack de repaso

Hojas de fórmulas, los pasos clave de los métodos de cada tema y 40 problemas de práctica, con las soluciones completas al final.

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1Fórmulas y métodos

Resistencias en serie y en paralelo

Resistencias en serie
Req = R1 + R2 + …
Resistencias en paralelo
1/Req = 1/R1 + 1/R2 + …
Dos en paralelo
Req = R1R2 / (R1 + R2)
Ley de Ohm
V = I·R
Potencia
P = V·I = I²R = V²/R

Método

  1. Empieza por el extremo de la red más alejado de los terminales.
  2. Combina las resistencias en serie sumándolas, y las resistencias en paralelo con 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …
  3. Vuelve a dibujar el circuito después de cada paso.
  4. Repite hasta que quede una sola resistencia entre los terminales.

Análisis nodal

Ley de corrientes de Kirchhoff
ΣIin = ΣIout
Corriente de rama
I = (Va − Vb)/R
Nodo de referencia
Vground = 0

Método

  1. Elige un nudo de referencia (tierra) y nombra las tensiones de los demás nudos.
  2. Aplica la ley de corrientes de Kirchhoff en cada nudo desconocido: las corrientes que salen por cada rama igualan a las que entran.
  3. Expresa cada corriente de rama como (Va − Vb)/R.
  4. Resuelve el sistema de ecuaciones y luego halla la corriente que necesites.

Análisis de mallas

Ley de tensiones de Kirchhoff
ΣV = 0 en cada malla
Resistencia compartida
corriente = I1 − I2
Fuente de corriente en una malla
fija esa corriente de malla

Método

  1. Dibuja una corriente en sentido horario en cada malla (ventana) del circuito.
  2. Aplica la ley de tensiones de Kirchhoff en cada malla: la suma de las caídas de tensión es cero.
  3. En una resistencia compartida por dos mallas, la corriente es la diferencia de las dos corrientes de malla.
  4. Resuelve las ecuaciones; un resultado negativo significa que la corriente circula en sentido contrario.

Superposición

Superposición
x = x1 + x2 + … (one source at a time)
Fuente de tensión apagada
cortocircuito (0 V)
Fuente de corriente apagada
circuito abierto (0 A)
Divisor de tensión
V2 = V·R2/(R1 + R2)
Divisor de corriente
I1 = I·R2/(R1 + R2)

Método

  1. Cuenta las fuentes independientes. Resolverás un circuito más sencillo por cada fuente.
  2. Deja una fuente y anula las demás: una fuente de tensión se convierte en un cortocircuito (un cable) y una fuente de corriente en un circuito abierto (un hueco).
  3. Resuelve el circuito más sencillo para la tensión o corriente que necesitas, sin perder de vista su sentido.
  4. Repite con cada fuente y luego suma las contribuciones con sus signos.

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.

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.

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)

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

Transformadores

Relación de transformación
a = N1/N2 = V1/V2
Relación de corrientes
I1/I2 = N2/N1 = 1/a
Corriente nominal
I = S/V
Impedancia referida
Z1′ = a²·ZL
Pérdidas en el cobre a carga parcial
Pcu = x²·Pcu,fl
Rendimiento
η = x·S·pf/(x·S·pf + Pcore + x²·Pcu,fl)
Rendimiento máximo
x = √(Pcore/Pcu,fl)

Circuitos con amplificador operacional

Amplificador inversor
Vout = −(Rf/Rin)·Vin
Amplificador no inversor
Vout = (1 + Rf/R1)·Vin
Amplificador sumador
Vout = −Rf(V1/R1 + V2/R2)
Amplificador operacional ideal
V+ = V−, Iin = 0

Diodos y transistores

Diodo (caída constante)
VD = 0,7 V when conducting
Región activa
VBE = 0,7 V, IC = β·IB, IE = (β + 1)·IB
Polarización fija
IB = (VCC − 0,7)/RB
Polarización por divisor de tensión
IB = (VTH − 0,7)/(RTH + (β + 1)RE)
Thévenin del divisor
VTH = VCC·R2/(R1 + R2), RTH = R1∥R2
Malla de colector
VCE = VCC − ICRC − IERE
Saturación
IC(sat) = (VCC − VCE(sat))/RC, IB ≥ IC(sat)/β

Sistemas de numeración

Valores posicionales
binario 2k, octal 8k, hexadecimal 16k
A decimal
Σ dk·bk
Desde decimal
divide entre la base y lee los restos de abajo arriba
Hexadecimal ↔ binario
un dígito hexadecimal = 4 bits
Complemento a dos
invierte los bits y suma 1

Lógica digital: puertas, mapas K y biestables

Puertas básicas
A·B, A + B, A′, (A·B)′, (A + B)′, A ⊕ B
Reglas de Boole
X + X′ = 1, X·X′ = 0, X + XY = X, XY + XY′ = X
De Morgan
(X·Y)′ = X′ + Y′, (X + Y)′ = X′·Y′
Orden del mapa de Karnaugh
00, 01, 11, 10 (Gray code)
Grupo de 2ᵏ celdas
pierde k variables
Multiplexor de 4 a 1
F = A′B′I0 + A′BI1 + AB′I2 + ABI3
Biestables
D: Q⁺ = D, T: Q⁺ = T ⊕ Q, JK: Q⁺ = JQ′ + K′Q
Contadores
n bits: 2ⁿ estados; módulo N: el menor n con 2ⁿ ≥ N; fsal = fclk/N
Contador asíncrono
fmax = 1/(n·tpd)
Contadores en anillo y Johnson
n y 2n estados

Método

  1. En un circuito, trabaja desde las entradas hasta la salida puerta por puerta y escribe el valor en cada hilo, o escribe su expresión y rellena la tabla de verdad.
  2. Para simplificar, coloca los 1 (y las indiferencias como X) en un mapa de Karnaugh con filas y columnas en código Gray: 00, 01, 11, 10.
  3. Cubre los 1 con los menos grupos posibles y lo más grandes posible, de 1, 2, 4, 8 o 16 celdas, envolviendo los bordes; cada grupo es un término producto formado por las variables que permanecen constantes. Agrupa los 0 para la forma POS.
  4. En biestables y contadores, lee las entradas en cada flanco activo del reloj, anota el estado tras cada flanco y recuerda que un contador de n bits da la vuelta tras 2ⁿ estados.

Estabilidad: Routh–Hurwitz y lugar de las raíces

Estabilidad
todas las raíces del polinomio característico en el semiplano izquierdo
tabla de Routh, elemento s¹ de un polinomio cúbico
b1 = (a2a1 − a3a0)/a2
Raíces del semiplano derecho
número de cambios de signo en la primera columna
Cúbico s³ + a₂s² + a₁s + a₀
estable cuando todos los a > 0 y a₂·a₁ > a₀
K/(s(s + a)(s + b))
Kmax = ab(a + b), ω = √(ab)
Ecuación característica
1 + K·G(s) = 0
Asíntotas
σa = (Σp − Σz)/(n − m), θ = (2q + 1)·180°/(n − m)
Puntos de salida y de entrada
dK/ds = 0
Condición de módulo
K = 1/|G(s)|
Ángulo de salida
θd = 180° − Σ∠(from other poles) + Σ∠(from zeros)

Método

  1. Escribe el polinomio característico de lazo cerrado: el denominador de 1 + K·G(s) = 0, desarrollado.
  2. Coloca los coeficientes alternadamente en las dos primeras filas de la tabla de Routh y construye las filas restantes.
  3. Cuenta los cambios de signo de la primera columna: cada uno es un polo en el semiplano derecho. Con K en la tabla, exige que todos los elementos de la primera columna sigan siendo positivos.
  4. Para un lugar de las raíces, marca los polos y los ceros, los tramos del eje real, las asíntotas desde el centroide y los puntos de ruptura donde dK/ds = 0. Usa K = 1/|G(s)| para la ganancia en un punto.

Error en régimen permanente y control PID

Tipo de sistema
número de polos de G(s) en s = 0
Constantes de error
Kp = lim G(s), Kv = lim s·G(s), Ka = lim s²·G(s) (s → 0)
Escalón A
ess = A/(1 + Kp)
Rampa A·t
ess = A/Kv
Parábola A·t²/2
ess = A/Ka
Controlador PID
C(s) = Kp + Ki/s + Kd·s
Objetivo de segundo orden
s² + 2ζωns + ωn²
Sobreimpulso y tiempos
%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), tp = π/ωd, ts ≈ 4/(ζωn)

Método

  1. Cuenta los polos del lazo abierto C(s)·G(s) en s = 0: ese es el tipo del sistema.
  2. Calcula la constante de error que corresponde a la entrada: Kp para un escalón, Kv para una rampa, Ka para una parábola.
  3. Aplica ess = A/(1 + Kp), A/Kv o A/Ka, o despeja la ganancia que necesitas.
  4. Para una especificación de amortiguamiento o de velocidad, escribe el polinomio característico de lazo cerrado e identifícalo con s² + 2ζω_n·s + ω_n².

2Problemas de práctica

1.Resistencias en serie y en paraleloMedia
R1​ = 10 ΩIR1​R3​ = 15 Ω+−V1​24 VR2​4 ΩAR4​12 ΩB

Halla la corriente IR1 que entrega la fuente, que pasa por R1.

V1 = 24 VR1 = 10 ΩR2 = 4 ΩR3 = 15 ΩR4 = 12 Ω
IR1 = A
2.Resistencias en serie y en paraleloDifícil
R1​ = 2 ΩR3​ = 6 ΩR5​ = 4 Ω+−V1​18 VR2​30 ΩIR2​AR4​25 ΩBR6​8 Ω

Halla la corriente IR2 por R2.

V1 = 18 VR1 = 2 ΩR2 = 30 ΩR3 = 6 ΩR4 = 25 ΩR5 = 4 ΩR6 = 8 Ω
IR2 = A
3.Análisis nodalMedia
R1​ = 8 ΩIR1​R3​ = 12 Ω+−V1​9 VR2​12 ΩAR4​2 ΩBIs​5 A

Usa el análisis nodal para hallar la corriente IR1 por R1 en el sentido de la flecha.

V1 = 9 VIs = 5 AR1 = 8 ΩR2 = 12 ΩR3 = 12 ΩR4 = 2 Ω
IR1 = A
4.Análisis nodalDifícil
R1​ = 8 ΩR3​ = 25 Ω+−V1​6 VR2​2 ΩAR4​5 ΩIR4​B0,4·VA​

El rombo es una fuente de corriente controlada por tensión que inyecta una corriente de 0,4·VA (en A, con VA en V) hacia arriba al nodo B. Usa el análisis nodal para hallar la corriente IR4 por R4 en el sentido de la flecha.

V1 = 6 VR1 = 8 ΩR2 = 2 ΩR3 = 25 ΩR4 = 5 Ωg = 0,4 A/V
IR4 = A
5.Análisis de mallasMedia
R1​ = 15 ΩR2​ = 5 Ω+−V1​12 VR3​10 ΩA+−V2​24 VI1​I2​

Usa el análisis de mallas para hallar la corriente de malla I1 (sentido horario).

V1 = 12 VV2 = 24 VR1 = 15 ΩR2 = 5 ΩR3 = 10 Ω
I1 = A
6.Análisis de mallasDifícil
R1​ = 5 ΩR2​ = 2 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​9 VR4​25 ΩAR5​2 ΩB+−V2​12 VI1​I2​I3​

Usa el análisis de mallas para hallar la corriente de malla I1 (sentido horario).

V1 = 9 VV2 = 12 VR1 = 5 ΩR2 = 2 ΩR3 = 2 ΩR4 = 25 ΩR5 = 2 Ω
I1 = A
7.SuperposiciónMedia
R1​ = 8 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​15 VR2​2 Ω−+VR2​AR4​3 ΩBIs​2 A

Usa el principio de superposición para hallar la tensión VR2 en R2 con la polaridad indicada.

V1 = 15 VIs = 2 AR1 = 8 ΩR2 = 2 ΩR3 = 6 ΩR4 = 3 Ω
VR2 = V
8.SuperposiciónDifícil
circuito linealV1​V2​Is​IRL​

Un circuito resistivo lineal contiene tres fuentes independientes: V1, V2 y Is. La corriente I por una carga se mide tres veces. Con todas las fuentes en sus valores normales, I = 20,5 mA. Con V1 duplicada y las otras dos sin cambios, I = 26 mA. Con el sentido de Is invertido y las otras dos sin cambios, I = −1,5 mA. Halla la corriente de carga I cuando V2 está apagada y V1 y Is tienen sus valores normales.

normal: I = 20,5 mA2·V1: I = 26 mA−Is: I = −1,5 mA
I = mA
9.Thévenin y NortonMedia
R1​ = 8 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​15 VR2​3 ΩAab

Halla la resistencia de Thévenin Rth vista desde los terminales a–b.

V1 = 15 VR1 = 8 ΩR2 = 3 ΩR3 = 4 Ω
Rth = Ω
10.Thévenin y NortonDifícil
R1​ = 8 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​9 VR2​10 ΩAIs​1 ABRL​30 ΩIL​

Se conecta una carga RL = 30 Ω entre a–b. Sustituye el resto del circuito por su equivalente de Thévenin y halla la corriente de carga IL.

V1 = 9 VIs = 1 AR1 = 8 ΩR2 = 10 ΩR3 = 12 ΩRL = 30 Ω
IL = A
11.Transitorios RC y RLMedia
+−Vs​20 Vt = 0R = 47 ΩL33 mHi(t)

La bobina no lleva corriente antes de que el interruptor se cierre en t = 0. Halla la energía W(∞) almacenada en la bobina una vez estabilizado el circuito, en mJ.

Vs = 20 VR = 47 ΩL = 33 mH
W(∞) = mJ
12.Transitorios RC y RLDifícil
+−Vs​24 Vt = 0R = 4,7 kΩC68 µF+−vC​vC​(0) = 4 V

Justo antes de que el interruptor se cierre en t = 0, el condensador tiene 4 V con la polaridad indicada. ¿Cuánto tarda vC en llegar a 12 V? Halla t.

Vs = 24 VR = 4,7 kΩC = 68 µFvC(0) = 4 V
t = ms
13.Impedancia y fasores en alternaMedia
Vf0​ = 50 HzRL = ?C = 47 µF

Un circuito RLC en serie con C = 47 µF debe resonar a 50 Hz. Halla la inductancia L necesaria.

f0 = 50 HzC = 47 µF
L = mH
14.Impedancia y fasores en alternaDifícil
5 Vf0​R = 50 ΩL = 10 mHC = 1 µF

Un circuito RLC en serie se alimenta con una fuente de 5 V (eficaces) cuya frecuencia se ajusta a la frecuencia de resonancia del circuito. Halla la tensión eficaz VL en la bobina.

V = 5 V (rms)R = 50 ΩL = 10 mHC = 1 µF
VL = V
15.Potencia en alterna y factor de potenciaMedia
P = 29 kWQSφ

Un motor monofásico consume 29 kW con un factor de potencia de 0,9 inductivo de una alimentación de 230 V. Halla la corriente de línea I.

P = 29 kWpf = 0,9V = 230 V
I = A
16.Potencia en alterna y factor de potenciaDifícil
P1​ = 94 kWQ1​S1​φ

Un transformador monofásico de 150 kVA alimenta una carga de 94 kW con un factor de potencia de 0,8 inductivo. ¿Cuánta potencia activa adicional ΔP se puede añadir como carga resistiva (factor de potencia unidad) antes de que el transformador alcance su potencia nominal en kVA?

Smax = 150 kVAP1 = 94 kWpf1 = 0,8
ΔP = kW
17.Potencia trifásicaMedia
ABCVL​ = 480 VIL​ = 80 Acos φ = 0,85inductivo

Una carga trifásica equilibrada consume una corriente de línea de 80 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 = 80 Acos φ = 0,85
P = kW
18.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 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. Los condensadores están conectados en estrella. Halla la capacidad Cph de cada condensador en µF.

P = 100 kWpf1 = 0,72pf2 = 0,9VL = 690 Vf = 50 Hz
Cph = µF
19.TransformadoresMedia
RL​ = 15 Ω21480 VV2​I1​ = ?I2​

A un transformador ideal con una relación de transformación N₁:N₂ = 2:1 se le aplican 480 V en el devanado primario. Se conecta una resistencia de 15 Ω en el devanado secundario. Halla la corriente del primario I1.

N1:N2 = 2:1V1 = 480 VRL = 15 Ω
I1 = A
20.TransformadoresDifícil
50 kVA

Un transformador monofásico de 50 kVA tiene unas pérdidas en el hierro de 250 W y unas pérdidas en el cobre de 375 W a carga nominal. ¿Con qué carga Sη,max, en kVA, es máximo su rendimiento?

S = 50 kVAPcore = 250 WPcu,fl = 375 W
Sη,max = kVA
21.Circuitos con amplificador operacionalMedia
−+Vout​Rf​ = 100 kΩR1​ = 10 kΩVin​ = −0,4 V

El amplificador operacional es ideal y se alimenta con ±15 V. Halla la tensión de salida Vout.

Vin = −0,4 VR1 = 10 kΩRf = 100 kΩ
Vout = V
22.Circuitos con amplificador operacionalDifícil
−+Vout​Rf​ = 10 kΩV1​ = 2 VR1​ = 10 kΩV2​ = 1,3 VR2​ = 47 kΩ

El amplificador sumador usa un amplificador operacional ideal alimentado con ±15 V. Halla la tensión de salida Vout.

V1 = 2 VV2 = 1,3 VR1 = 10 kΩR2 = 47 kΩRf = 10 kΩ
Vout = V
23.Diodos y transistoresMedia
+−12 V330 Ω3,3 V3300 ΩIZ​ = ?

Un regulador Zener de 3,3 V se alimenta desde 12 V a través de 330 Ω y suministra una carga de 3300 Ω. Halla la corriente IZ del Zener.

Vin = 12 VVZ = 3,3 VR = 330 ΩRL = 3300 Ω
IZ = mA
24.Diodos y transistoresDifícil
RC​ = 470 Ωβ = 200VCC​ = 5 V3,3 VRB​ = ?

Un transistor NPN con β = 200 conmuta una resistencia de carga de 470 Ω conectada entre VCC = 5 V y su colector. El emisor está a tierra. La base se excita desde una salida lógica de 3,3 V a través de una resistencia de base RB. Toma VBE = 0,7 V y VCE(sat) = 0,2 V. Halla la mayor resistencia de base RB, en kΩ, que todavía lleva el transistor justo a saturación.

VCC = 5 VRC = 470 Ωβ = 200Vin = 3,3 VVBE = 0,7 VVCE(sat) = 0,2 V
RB = kΩ
25.Sistemas de numeraciónMedia
complemento a dos de 8 bits0−12806403201608040201

Pon los bits para que almacenen −87 en complemento a dos de 8 bits. Leído como un número sin signo, ¿cuál es el valor U del patrón?

N = −878 bit
U =
26.Sistemas de numeraciónDifícil
haz clic en los bits para ponerlos012806403201608040201

Pon los bits al resultado de 8 bits de 1001 1101 >> 1. ¿Cuál es el valor R del resultado en decimal?

1001 1101>> 1
R =
27.Lógica digital: puertas, mapas K y biestablesMedia
ABCD000111100001111000010312041507060121130150140809011110

Usa el mapa de Karnaugh para hallar la forma mínima de producto de sumas (POS) de F(A, B, C, D) = Σm(2, 5, 10, 13). ¿Cuántos términos suma (factores), N, tiene?

F(A, B, C, D) = Σm(2, 5, 10, 13)
N =
28.Lógica digital: puertas, mapas K y biestablesDifícil
ABCD000111100001111010010302X4150716012013115114X819011010

Para F(A, B, C, D) = Σm(0, 5, 6, 9, 14, 15) + d(4, 8), donde d marca las condiciones indiferentes, halla el número N de implicantes primos esenciales.

F(A, B, C, D) = Σm(0, 5, 6, 9, 14, 15) + d(4, 8)
N =
29.Transformadas de LaplaceMedia
ReIm−2−4−6−8

F(s) = (3s + 26)/(s² + 9s + 18). Su transformada inversa tiene la forma f(t) = A·e−3t + B·e−6t. Halla el coeficiente A por fracciones parciales.

F(s) = (3s + 26)/(s² + 9s + 18)
A =
30.Transformadas de LaplaceDifícil
ReIm−1−2−3−4−51

Un sistema se describe con la ecuación diferencial y″ + 6y′ + 5y = 6u, con entrada u(t) y salida y(t). Halla su función de transferencia G(s) = Y(s)/U(s) (condiciones iniciales nulas) y evalúa la respuesta al impulso g(t) en t = 1,2 s. Halla g(1,2).

y″ + 6y′ + 5y = 6ut = 1,2 s
g(1.2) =
31.Diagramas de bloquesMedia
R(s)+11s + 2G(s)C(s)0,5H−

Una planta G(s) = 11/(s + 2) se controla en un lazo de realimentación negativa cuyo sensor tiene ganancia H = 0,5. Halla la constante de tiempo τ del lazo cerrado.

G(s) = 11/(s + 2)H = 0,5
τ = s
32.Diagramas de bloquesDifícil
R(s)+4controlador+D(s)+7s + 3plantaC(s)−

Un controlador proporcional K = 4 gobierna la planta G(s) = 7/(s + 3) en un lazo de realimentación negativa unitaria. Una perturbación D entra a la entrada de la planta (se suma a la salida del controlador). Con R = 0, se aplica un escalón de perturbación de tamaño 1. Halla la salida en régimen estacionario css.

K = 4G(s) = 7/(s + 3)D = 1R = 0
css =
33.Respuesta al escalónMedia
t (s)y(t)1

Un sistema tiene la función de transferencia G(s) = 33/(s² + 6s + 33) y recibe una entrada escalón unitario. Halla la frecuencia natural ωn en rad/s.

G(s) = 33/(s² + 6s + 33)
ωn = rad/s
34.Respuesta al escalónDifícil
R(s)+Ks(s + 2)G(s)C(s)−

Un lazo de realimentación negativa unitaria tiene G(s) = K/(s(s + 2)). Halla la ganancia K que da una respuesta al escalón con un sobreimpulso del 15 %.

G(s) = K/(s(s + 2))%OS = 15 %
K =
35.Diagramas de Bode y márgenesMedia
vin​C = 10 nFR = 3,3 kΩvout​

El filtro paso alto RC mostrado tiene R = 3,3 kΩ, C = 10 nF. Se aplica una entrada sinusoidal de 1,2 kHz. Halla el desfase φ de vout respecto a vin, en grados.

R = 3,3 kΩC = 10 nFf = 1,2 kHz
φ = °
36.Diagramas de Bode y márgenesDifícil
|H| (dB)0,10,1111010100100−80−60−40−2002040ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−270−180−900ω180​

Un lazo con realimentación unitaria tiene la función de transferencia en lazo abierto L(s) = K/(s(s + 6)(s + 10)). Halla la ganancia K que da un margen de ganancia de 8 dB.

L(s) = K/(s(s + 6)(s + 10))GM = 8 dB
K =
37.Estabilidad: Routh–Hurwitz y lugar de las raícesMedia
R(s)+K = 961s(s + 4)(s + 8)C(s)−

El lazo del diagrama funciona con K = 96 y L(s) = K/(s(s + 4)(s + 8)). ¿Por qué factor m se puede aumentar la ganancia antes de que el lazo cerrado se vuelva inestable?

L(s) = K/(s(s + 4)(s + 8))K = 96
m =
38.Estabilidad: Routh–Hurwitz y lugar de las raícesDifícil
ReIm−1−2−3−4−5−6j1

Para L(s) = K/((s + 5)(s² + 2s + 2)), halla el ángulo de salida θd del lugar de las raíces desde el polo complejo del semiplano superior, medido desde el eje real positivo.

L(s) = K/((s + 5)(s² + 2s + 2))
θd = °
39.Error en régimen permanente y control PIDMedia
r(t) = 4·t²/2+4(s + 4)s²(s + 4)C(s)−

Se aplica la entrada parabólica r(t) = 4·t²/2 a un lazo con realimentación unitaria con G(s) = 4(s + 4)/(s²(s + 4)). Halla el error en régimen permanente ess.

G(s) = 4(s + 4)/(s²(s + 4))r(t) = 4·t²/2
ess =
40.Error en régimen permanente y control PIDDifícil
r(t) = 5t+2 + 5/s10(s + 2)(s + 10)C(s)−

Un controlador PI C(s) = 2 + 5/s controla la planta G(s) = 10/((s + 2)(s + 10)) en un lazo con realimentación unitaria. Halla el error en régimen permanente ess para la entrada en rampa r(t) = 5t.

C(s) = 2 + 5/sG(s) = 10/((s + 2)(s + 10))r(t) = 5t
ess =

3Disoluciones

1.Resistencias en serie y en paralelo

Respuesta: IR1 = 1,78 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.

R1​ = 10 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​24 VR2​4 ΩAR4​12 ΩB

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 = 15 + 12 = 27 Ω
R2 ∥ 27 = 4·27/(4+27) = 3,484 Ω
Req = R1 + 3,484 = 10 + 3,484 = 13,48 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 = 24/13,48 = 1,78 A

Respuesta

IR1 = 1,78 A
2.Resistencias en serie y en paralelo

Respuesta: IR2 = 0,4965 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.

R1​ = 2 ΩR3​ = 6 ΩR5​ = 4 Ω+−V1​18 VR2​30 ΩAR4​25 ΩBR6​8 Ω

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 = 4 + 8 = 12 Ω
R4 ∥ 12 = 8,108 Ω
R3 + 8,108 = 14,11 Ω
R2 ∥ 14,11 = 9,596 Ω
Req = R1 + 9,596 = 2 + 9,596 = 11,6 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 = 18/11,6 = 1,552 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 = 18 − 1,552·2 = 14,9 V
IR2 = VA/R2 = 14,9/30 = 0,4965 A

Respuesta

IR2 = 0,4965 A
3.Análisis nodal

Respuesta: IR1 = 0,3032 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.

R1​ = 8 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​9 VR2​12 ΩAR4​2 ΩBIs​5 A

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)/8 + (VA − VB)/12 = 0
0,2917·VA − 0,08333·VB = 1,125

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)/12 = 5
−0,08333·VA + 0,5833·VB = 5

Resuelve

Δ = (0,2917)(0,5833) − (−0,08333)(−0,08333) = 0,1632
VA = Δ1/Δ = 1,073/0,1632 = 6,574 V
VB = Δ2/Δ = 1,552/0,1632 = 9,511 V

Respuesta

IR1 = (V1 − VA)/R1 = (9 − 6,574)/8 = 0,3032 A
4.Análisis nodal

Respuesta: IR4 = 0,4648 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

Las corrientes que salen de A por las resistencias son iguales a la corriente que las fuentes inyectan en A.

(VA − V1)/R1 + VA/R2 + (VA − VB)/R3 = 0
0,665·VA − 0,04·VB = 0,75

LCK en el nodo B

La fuente dependiente inyecta g·VA en el nodo B. Trátala como una fuente independiente y luego pasa el término en VA al lado izquierdo.

(VB − VA)/R3 + VB/R4 = 0,4·VA
−0,44·VA + 0,24·VB = 0

Resuelve

Δ = (0,665)(0,24) − (−0,04)(−0,44) = 0,142
VA = Δ1/Δ = 0,18/0,142 = 1,268 V
VB = Δ2/Δ = 0,33/0,142 = 2,324 V

Corriente por R₄

IR4 = VB/R4 = 2,324/5 = 0,4648 A

Respuesta

IR4 = 0,4648 A
5.Análisis de mallas

Respuesta: I1 = −0,2182 A

Análisis de mallas: asigna a cada ventana de un circuito plano su propia corriente de lazo, escribe la ley de tensiones de Kirchhoff en cada lazo (suma de caídas = suma de subidas) y resuelve. Las corrientes de rama son la corriente de malla o la diferencia de dos corrientes de malla en una rama compartida.

R1​ = 15 ΩR2​ = 5 Ω+−V1​12 VR3​10 ΩA+−V2​24 VI1​I2​

Asigna las corrientes de malla

Dibuja una corriente en sentido horario en cada ventana: I1, I2. Una resistencia compartida por dos mallas lleva la diferencia de sus corrientes.

LTK en la malla 1

Recorriendo en sentido horario, las caídas en las resistencias igualan a las subidas de tensión de las fuentes (de − a + en el sentido del recorrido).

R1·I1 + R3(I1 − I2) = V1
15·I1 + 10(I1 − I2) = 12
25·I1 − 10·I2 = 12

LTK en la malla 2

Recorriendo en sentido horario, las caídas en las resistencias igualan a las subidas de tensión de las fuentes (de − a + en el sentido del recorrido).

R2·I2 + R3(I2 − I1) = −V2
5·I2 + 10(I2 − I1) = (−24)
−10·I1 + 15·I2 = −24

Resuelve

Δ = (25)(15) − (−10)(−10) = 275
I1 = Δ1/Δ = −60/275 = −0,2182 A
I2 = Δ2/Δ = −480/275 = −1,745 A

Respuesta

I1 = −0,2182 A

Una corriente de malla negativa circula en sentido antihorario.

6.Análisis de mallas

Respuesta: I1 = 0,4744 A

Análisis de mallas: asigna a cada ventana de un circuito plano su propia corriente de lazo, escribe la ley de tensiones de Kirchhoff en cada lazo (suma de caídas = suma de subidas) y resuelve. Las corrientes de rama son la corriente de malla o la diferencia de dos corrientes de malla en una rama compartida.

R1​ = 5 ΩR2​ = 2 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​9 VR4​25 ΩAR5​2 ΩB+−V2​12 VI1​I2​I3​

Asigna las corrientes de malla

Dibuja una corriente en sentido horario en cada ventana: I1, I2, I3. Una resistencia compartida por dos mallas lleva la diferencia de sus corrientes.

LTK en la malla 1

Recorriendo en sentido horario, las caídas en las resistencias igualan a las subidas de tensión de las fuentes (de − a + en el sentido del recorrido).

R1·I1 + R4(I1 − I2) = V1
5·I1 + 25(I1 − I2) = 9
30·I1 − 25·I2 = 9

LTK en la malla 2

Recorriendo en sentido horario, las caídas en las resistencias igualan a las subidas de tensión de las fuentes (de − a + en el sentido del recorrido).

R2·I2 + R4(I2 − I1) + R5(I2 − I3) = 0
2·I2 + 25(I2 − I1) + 2(I2 − I3) = 0
−25·I1 + 29·I2 − 2·I3 = 0

LTK en la malla 3

Recorriendo en sentido horario, las caídas en las resistencias igualan a las subidas de tensión de las fuentes (de − a + en el sentido del recorrido).

R3·I3 + R5(I3 − I2) = −V2
2·I3 + 2(I3 − I2) = (−12)
−2·I2 + 4·I3 = −12

Resuelve

Δ = determinante de la matriz de coeficientes = 860
I1 = Δ1/Δ = 408/860 = 0,4744 A
I2 = Δ2/Δ = 180/860 = 0,2093 A
I3 = Δ3/Δ = −2490/860 = −2,895 A

Respuesta

I1 = 0,4744 A

Una corriente de malla negativa circula en sentido antihorario.

7.Superposición

Respuesta: VR2 = −1,642 V

Superposición: en un circuito lineal, cualquier tensión o corriente es la suma de las respuestas a cada fuente independiente actuando sola. Para apagar una fuente, sustituye una fuente de tensión ideal por un cortocircuito y una fuente de corriente ideal por un circuito abierto. Las resistencias se quedan donde están.

R1​ = 8 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​15 VR2​2 ΩAR4​3 ΩBABIERTO

Caso 1 · V1 actuando sola

Iₛ pasa a ser un circuito abierto, así que R₃ y R₄ forman una rama en serie de A a tierra, en paralelo con R₂.

R3+R4 = 6+3 = 9 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 2·9/(2+9) = 1,636 Ω
VA = 15·1,636/(8+1,636) = 2,547 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 2,547·3/9 = 0,8491 V
VR2′ = 0 − VA = 0 − 2,547 = −2,547 V
R1​ = 8 ΩR3​ = 6 ΩCORTOR2​2 ΩAR4​3 ΩBIs​2 A

Caso 2 · Is actuando sola

V₁ pasa a ser un cortocircuito, así que R₁ queda en paralelo con R₂. Iₛ se reparte en B entre R₄ y el camino por R₃.

R1 ∥ R2 = 8·2/(8+2) = 1,6 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 3 ∥ 7,6 = 2,151 Ω
VB = Is·Req = (−2)·2,151 = −4,302 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = −4,302·1,6/7,6 = −0,9057 V
VR2″ = 0 − VA = 0 − −0,9057 = 0,9057 V

Suma las contribuciones

VR2 = VR2′ + VR2″
VR2 = (−2,547) + 0,9057 = −1,642 V

Un resultado negativo significa que la polaridad real es la opuesta a la indicada.

8.Superposición

Respuesta: I = 16,5 mA

Superposición: en un circuito lineal, cualquier tensión o corriente es la suma de las respuestas a cada fuente independiente actuando sola. Para apagar una fuente, sustituye una fuente de tensión ideal por un cortocircuito y una fuente de corriente ideal por un circuito abierto. Las resistencias se quedan donde están.

Escribe las medidas con las contribuciones

Cada contribución es proporcional a su propia fuente.

I₁ + I₂ + I₃ = 20,5
2·I₁ + I₂ + I₃ = 26
I₁ + I₂ − I₃ = −1,5

Despeja las contribuciones

I₁ = 26 − 20,5 = 5,5 mA
I₃ = (20,5 − (−1,5))/2 = 11 mA
I₂ = 20,5 − 5,5 − 11 = 4 mA

Apaga V₂

I = I₁ + I₃ = 5,5 + 11 = 16,5 mA

Respuesta

I = 16,5 mA
9.Thévenin y Norton

Respuesta: Rth = 6,182 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.

R1​ = 8 ΩR3​ = 4 ΩCORTOR2​3 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 = 8·3/(8+3) = 2,182 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,182 + 4 = 6,182 Ω
10.Thévenin y Norton

Respuesta: IL = 0,4617 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​ = 8 ΩR3​ = 12 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 = 8·10/(8+10) = 4,444 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 4,444 + 12 = 16,44 Ω
R1​ = 8 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​9 VR2​10 ΩAIs​1 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) = 5 + 1·4,444 = 9,444 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 9,444 + 1·12 = 21,44 V
Rth​ = 16,44 Ω+−Vth​21,44 VRL​30 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) = 21,44/(16,44 + 30) = 0,4617 A
11.Transitorios RC y RL

Respuesta: W(∞) = 2,988 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 = 33 mH / 47 Ω = 0,7021 ms
i(∞) = Vs/R = 20/47 = 0,4255 A

Energía almacenada

W(∞) = ½·L·i(∞)² = ½·33·0,4255² = 2,988 mJ

Respuesta

W(∞) = 2,988 mJ
12.Transitorios RC y RL

Respuesta: t = 163,3 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.

vC(0) = 4 V, vC(∞) = Vs = 24 V
τ = R·C = 4,7 kΩ · 68 µF = 319,6 ms
vC(t) = 24 + (4 − 24)·e−t/τ

Despeja el tiempo

12 = 24 + (−20)·e−t/τ → e−t/τ = (12 − 24)/(4 − 24) = 0,6
t = τ·ln((4 − 24)/(12 − 24)) = 319,6·ln(1,667) = 163,3 ms

Respuesta

t = 163,3 ms
13.Impedancia y fasores en alterna

Respuesta: L = 215,6 mH

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
L = 1/(ω₀²·C) = 1/(314,2²·47·10⁻⁶) = 215,6 mH

Respuesta

L = 215,6 mH
14.Impedancia y fasores en alterna

Respuesta: VL = 10 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|.

Resonancia

En resonancia las reactancias se anulan, así que la impedancia es simplemente R.

ω₀ = 1/√(LC) = 1/√(0,01·1·10⁻⁶) = 10000 rad/s
I = V/R = 5/50 = 0,1 A

Tensión en la bobina

XL = ω₀L = 10000·0,01 = 100 Ω
VL = I·XL = 0,1·100 = 10 V

Respuesta

VL = 10 V

Esto es Q = 2 veces la tensión de alimentación.

15.Potencia en alterna y factor de potencia

Respuesta: I = 140,1 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.

Corriente de línea

Solo la parte activa de la potencia hace trabajo, así que divide entre el factor de potencia.

I = P/(V·cos φ) = 29000/(230·0,9) = 140,1 A

Respuesta

I = 140,1 A
16.Potencia en alterna y factor de potencia

Respuesta: ΔP = 38,4 kW

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 la carga existente

Q1 = 94·tan(arccos 0,8) = 70,5 kvar

Potencia activa total máxima

A plena carga nominal S = Smax, y la carga resistiva no cambia Q.

P = √(Smax² − Q1²) = √(150² − 70,5²) = 132,4 kW

Potencia activa adicional

ΔP = 132,4 − 94 = 38,4 kW

Respuesta

ΔP = 38,4 kW
17.Potencia trifásica

Respuesta: P = 56,53 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 = √3·480·80 = 66,51 kVA

Potencia activa

P = S·cos φ = 66,51·0,85 = 56,53 kW

Respuesta

P = 56,53 kW
18.Potencia trifásica

Respuesta: Cph = 320,6 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 0,9) = 100·0,4843 = 48,43 kvar

Potencia reactiva de los condensadores

QC = Q1 − Q2 = 47,95 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) = 15984/(314,2·398,4²) = 320,6 µF

Respuesta

Cph = 320,6 µF
19.Transformadores

Respuesta: I1 = 8 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.

Tensión y corriente del secundario

V2 = 480/2 = 240 V
I2 = 240/15 = 16 A

Corriente del primario

Un transformador ideal no tiene pérdidas: V₁·I₁ = V₂·I₂.

I1 = I2/2 = 8 A

Respuesta

I1 = 8 A

Comprobación: la carga vista desde el primario es a²·RL = 60 Ω, y 480/60 da la misma corriente.

20.Transformadores

Respuesta: Sη,max = 40,82 kVA

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 iguales a las pérdidas en el hierro

x²·375 = 250 → x = √(250/375) = 0,8165

Carga de rendimiento máximo

Sη,max = x·S = 0,8165·50 = 40,82 kVA

Respuesta

Sη,max = 40,82 kVA
21.Circuitos con amplificador operacional

Respuesta: Vout = −4,4 V

Reglas del amplificador operacional ideal: con realimentación negativa, el amplificador ajusta su salida para que sus dos entradas estén a la misma tensión (V₋ = V₊), y no entra corriente por ninguna entrada. Aplicar la LCK en la entrada inversora con estos dos hechos da la salida.

La entrada inversora sigue a la entrada

V₋ = V₊ = −0,4 V
I = V₋/R1 = −0,4/10 = −0,04 mA

Tensión de salida

La corriente de R₁ también pasa por Rf.

Vout = V₋ + I·Rf = −0,4 + (−0,04)·100 = −4,4 V

Respuesta

Vout = −4,4 V
22.Circuitos con amplificador operacional

Respuesta: Vout = −2,277 V

Reglas del amplificador operacional ideal: con realimentación negativa, el amplificador ajusta su salida para que sus dos entradas estén a la misma tensión (V₋ = V₊), y no entra corriente por ninguna entrada. Aplicar la LCK en la entrada inversora con estos dos hechos da la salida.

Corrientes de entrada

V₋ = 0, así que cada resistencia de entrada tiene toda su tensión de entrada.

I1 = V1/R1 = 2/10 = 0,2 mA
I2 = V2/R2 = 1,3/47 = 0,02766 mA
If = I1 + I2 = 0,2277 mA

Tensión de salida

Vout = −Rf·If = −10·0,2277 = −2,277 V

Respuesta

Vout = −2,277 V
23.Diodos y transistores

Respuesta: IZ = 25,36 mA

Regulador Zener: un diodo Zener polarizado en inversa mantiene su tensión VZ mientras su corriente se mantenga por encima de un mínimo IZ,min. La resistencia en serie R absorbe la diferencia entre la entrada y la salida: IR = (Vin − VZ)/R. Esa corriente se reparte entre la carga, IL = VZ/RL, y el Zener: IZ = IR − IL. Diseña para los peores casos: la entrada más baja con la mayor carga debe dejar aún IZ,min, y la entrada más alta sin carga da la mayor potencia en el Zener PZ = VZ·IZ.

Corriente de la resistencia

IR = 8,7/330 = 26,36 mA

Corriente en la carga

IL = 3,3/3300 = 1 mA

Corriente del Zener

IZ = 26,36 − 1 = 25,36 mA

Respuesta

IZ = 25,36 mA
24.Diodos y transistores

Respuesta: RB = 50,92 kΩ

El BJT como interruptor: para activar del todo una carga, el transistor se lleva a saturación, donde VCE = VCE(sat) y la corriente de colector la fija la carga: IC(sat) = (VCC − VCE(sat))/RC. La saturación necesita al menos IB = IC(sat)/β. Si la corriente de base es menor, el transistor sigue en activa e IC = β·IB.

Corriente de colector en saturación

IC(sat) = (5 − 0,2)/470 = 10,21 mA

Corriente de base mínima

IB(min) = IC(sat)/β = 10,21/200 = 51,06 µA

Resistencia de base

RB = (3,3 − 0,7)/IB = 2,6 V/0,05106 mA = 50,92 kΩ

Respuesta

RB = 50,92 kΩ

Cualquier resistencia de base menor también satura el transistor; en la práctica se elige una varias veces menor.

25.Sistemas de numeración

Respuesta: U = 169

Poner bits: cada bit vale una potencia de dos (128, 64, …, 1). Un dígito hexadecimal son exactamente cuatro bits, y en complemento a dos de 8 bits el bit de más a la izquierda vale −128. Las operaciones bit a bit actúan sobre cada posición de bit por separado.

Invertir y sumar uno

87 = 0101 0111
invertido: 1010 1000
+1 → 1010 1001

Leerlo sin signo

1010 1001₂ = 256 − 87 = 169

Respuesta

U = 169
26.Sistemas de numeración

Respuesta: R = 78

Poner bits: cada bit vale una potencia de dos (128, 64, …, 1). Un dígito hexadecimal son exactamente cuatro bits, y en complemento a dos de 8 bits el bit de más a la izquierda vale −128. Las operaciones bit a bit actúan sobre cada posición de bit por separado.

Bit a bit

Desplazar a la derecha 1 mueve cada bit 1 posiciones a la derecha; los bits que salen por el extremo derecho se pierden y entran ceros por la izquierda.

1001 1101 >> 1
= 0100 1110

Valor del resultado

0100 1110₂ = 78

Respuesta

R = 78
27.Lógica digital: puertas, mapas K y biestables

Respuesta: N = 3

Mapas de Karnaugh: las celdas están ordenadas en código Gray (00, 01, 11, 10), por lo que las celdas vecinas, incluidas las que están a través de los bordes, difieren en exactamente una variable. Agrupa los 1 en rectángulos de 1, 2, 4, 8 o 16 celdas, lo más grandes y los menos posibles, hasta cubrir todos los 1. Cada grupo es un término producto: las variables que permanecen constantes dentro de él. Un grupo de 2ᵏ celdas pierde k variables. Las indiferencias (X) pueden usarse para agrandar grupos, pero nunca hace falta cubrirlas. Agrupar los 0 en su lugar da la forma POS mínima.

ABCD000111100001111000010312041507060121130150140809011110

Agrupa los 0

Todo grupo es un rectángulo de 2ᵏ celdas; las celdas del borde son vecinas de las celdas del borde opuesto.

(C′ + D′)
(B′ + D)
(B + C)

Forma POS mínima

F = (C′ + D′)(B′ + D)(B + C)
N = 3

Respuesta

N = 3

Existe otra agrupación del mismo tamaño; tiene el mismo número de términos y de literales.

28.Lógica digital: puertas, mapas K y biestables

Respuesta: N = 3

Mapas de Karnaugh: las celdas están ordenadas en código Gray (00, 01, 11, 10), por lo que las celdas vecinas, incluidas las que están a través de los bordes, difieren en exactamente una variable. Agrupa los 1 en rectángulos de 1, 2, 4, 8 o 16 celdas, lo más grandes y los menos posibles, hasta cubrir todos los 1. Cada grupo es un término producto: las variables que permanecen constantes dentro de él. Un grupo de 2ᵏ celdas pierde k variables. Las indiferencias (X) pueden usarse para agrandar grupos, pero nunca hace falta cubrirlas. Agrupar los 0 en su lugar da la forma POS mínima.

Implicantes primos

Los grupos más grandes que se pueden formar con 1 y X.

B′C′D′, BCD′, A′C′D′, A′BD′, A′BC′, AB′C′, ABC
ABCD000111100001111010010302X4150716012013115114X819011010

Implicantes primos esenciales

A′BC′, AB′C′, ABC
N = 3

Respuesta

N = 3
29.Transformadas de Laplace

Respuesta: A = 5,667

Transformada de Laplace: F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt convierte las derivadas en multiplicaciones por s: ℒ{f′} = sF(s) − f(0), ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0). Pares estándar: 1 ↔ 1/s, e−at ↔ 1/(s + a), t·e−at ↔ 1/(s + a)², sin ωt ↔ ω/(s² + ω²), cos ωt ↔ s/(s² + ω²), y un desplazamiento s → s + σ multiplica la función temporal por e−σt. Para invertir una F(s) racional, descomponla en fracciones parciales: el residuo de un polo simple p es A = [(s − p)·F(s)] en s = p. Teorema del valor final: f(∞) = lims→0 s·F(s), válido solo cuando todos los polos de s·F(s) están en el semiplano izquierdo. Teorema del valor inicial: f(0⁺) = lims→∞ s·F(s).

Factoriza el denominador

s² + 9s + 18 = (s + 3)(s + 6)
F(s) = A/(s + 3) + B/(s + 6)

Regla del tapado

Multiplica por (s + 3) y haz s = −3: el término de B se anula.

A = (3s + 26)/(s + 6) |s = −3 = 17/3 = 5,667

Respuesta

A = 5,667
(B = −2,667, así que f(t) = 5,667·e−3t − 2,667·e−6t)
30.Transformadas de Laplace

Respuesta: g(1.2) = 0,4481

Transformada de Laplace: F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt convierte las derivadas en multiplicaciones por s: ℒ{f′} = sF(s) − f(0), ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0). Pares estándar: 1 ↔ 1/s, e−at ↔ 1/(s + a), t·e−at ↔ 1/(s + a)², sin ωt ↔ ω/(s² + ω²), cos ωt ↔ s/(s² + ω²), y un desplazamiento s → s + σ multiplica la función temporal por e−σt. Para invertir una F(s) racional, descomponla en fracciones parciales: el residuo de un polo simple p es A = [(s − p)·F(s)] en s = p. Teorema del valor final: f(∞) = lims→0 s·F(s), válido solo cuando todos los polos de s·F(s) están en el semiplano izquierdo. Teorema del valor inicial: f(0⁺) = lims→∞ s·F(s).

Función de transferencia

G(s) = Y(s)/U(s) = 6/(s² + 6s + 5)

Fracciones parciales

s² + 6s + 5 = (s + 1)(s + 5)
A = 1,5, B = −1,5

Respuesta al impulso

g(t) = 1,5·e−t − 1,5·e−5t
g(1,2) = 0,4481

Respuesta

g(1,2) = 0,4481
31.Diagramas de bloques

Respuesta: τ = 0,1333 s

Álgebra de diagramas de bloques: los bloques en serie se multiplican (G₁·G₂), los bloques en paralelo se suman (G₁ + G₂), y un lazo con camino directo G y camino de realimentación H se reduce a T = G/(1 + G·H) para realimentación negativa y G/(1 − G·H) para realimentación positiva. Reduce primero los lazos internos y avanza hacia fuera. Los polos en lazo cerrado son las raíces de la ecuación característica 1 + G(s)H(s) = 0. Para un lazo estable, una entrada escalón de tamaño A da la salida en régimen estacionario A·T(0); con realimentación unitaria el error en régimen estacionario ante un escalón es A/(1 + Kp) con Kp = G(0).

Función de transferencia en lazo cerrado

T(s) = G/(1 + G·H) = 11/(s + 2 + 5,5) = 11/(s + 7,5)

Resultado

τ = 1/7,5 = 0,1333 s

Respuesta

τ = 0,1333 s
32.Diagramas de bloques

Respuesta: css = 0,2258

Álgebra de diagramas de bloques: los bloques en serie se multiplican (G₁·G₂), los bloques en paralelo se suman (G₁ + G₂), y un lazo con camino directo G y camino de realimentación H se reduce a T = G/(1 + G·H) para realimentación negativa y G/(1 − G·H) para realimentación positiva. Reduce primero los lazos internos y avanza hacia fuera. Los polos en lazo cerrado son las raíces de la ecuación característica 1 + G(s)H(s) = 0. Para un lazo estable, una entrada escalón de tamaño A da la salida en régimen estacionario A·T(0); con realimentación unitaria el error en régimen estacionario ante un escalón es A/(1 + Kp) con Kp = G(0).

Funciones de transferencia

C/D = G/(1 + K·G) = 7/(s + 3 + 28)

Estado estacionario

css = 1·7/31 = 0,2258

Respuesta

css = 0,2258

Una K mayor reduce el efecto de la perturbación, pero nunca la anula con un controlador proporcional.

33.Respuesta al escalón

Respuesta: ωn = 5,745 rad/s

Respuesta al escalón: un sistema de primer orden G(s) = K/(τs + 1) responde a un escalón de tamaño U con y(t) = K·U·(1 − e−t/τ): alcanza el 63,2 % del valor final K·U después de una constante de tiempo τ y el 98 % después de 4τ. Un sistema de segundo orden G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) tiene los polos s = −ζωₙ ± jωd con ωd = ωₙ√(1 − ζ²). Para 0 < ζ < 1 la respuesta al escalón tiene sobreimpulso: sobreimpulso porcentual %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), tiempo de pico tp = π/ωd y tiempo de establecimiento al 2 % ts ≈ 4/(ζωₙ). Compara el denominador con s² + 2ζωₙs + ωₙ² para obtener ωₙ y ζ. Para un sistema masa–resorte–amortiguador ωₙ = √(k/m) y ζ = c/(2√(km)); para un circuito RLC serie ωₙ = 1/√(LC) y ζ = (R/2)·√(C/L).

Compara con la forma estándar

El denominador debe coincidir con s² + 2ζωₙs + ωₙ².

ωₙ² = 33 → ωₙ = 5,745 rad/s
2ζωₙ = 6 → ζ = 6/(2·5,745) = 0,5222

Resultado

ωₙ = 5,745 rad/s

Respuesta

ωn = 5,745 rad/s
34.Respuesta al escalón

Respuesta: K = 3,742

Respuesta al escalón: un sistema de primer orden G(s) = K/(τs + 1) responde a un escalón de tamaño U con y(t) = K·U·(1 − e−t/τ): alcanza el 63,2 % del valor final K·U después de una constante de tiempo τ y el 98 % después de 4τ. Un sistema de segundo orden G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) tiene los polos s = −ζωₙ ± jωd con ωd = ωₙ√(1 − ζ²). Para 0 < ζ < 1 la respuesta al escalón tiene sobreimpulso: sobreimpulso porcentual %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), tiempo de pico tp = π/ωd y tiempo de establecimiento al 2 % ts ≈ 4/(ζωₙ). Compara el denominador con s² + 2ζωₙs + ωₙ² para obtener ωₙ y ζ. Para un sistema masa–resorte–amortiguador ωₙ = √(k/m) y ζ = c/(2√(km)); para un circuito RLC serie ωₙ = 1/√(LC) y ζ = (R/2)·√(C/L).

Función de transferencia en lazo cerrado

T(s) = K/(s² + 2s + K)

Razón de amortiguamiento a partir del sobreimpulso

ζ = −ln(0,15)/√(π² + ln²(0,15)) = 0,5169

Ganancia

ωₙ = 2/(2ζ) = 1,934 rad/s
K = ωₙ² = 3,742

Respuesta

K = 3,742
35.Diagramas de Bode y márgenes

Respuesta: φ = 76,03 °

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/(3300·1 × 10⁻⁸) = 30303 rad/s
fc = 4823 Hz → f/fc = 1200/4823 = 0,2488

Fase

φ = 90° − atan(0,2488) = 76,03°

Respuesta

φ = 76,03°
36.Diagramas de Bode y márgenes

Respuesta: K = 382,2

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/6)·(ω/10) = 1 → ω180 = √(6·10) = 7,746 rad/s

Módulo en el cruce de fase

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 36)·√(ω² + 100)) = K/(6·10·(6 + 10)) = K/960

Ganancia necesaria

960/K = 108/20 = 2,512
K = 960/2,512 = 382,2

Respuesta

K = 382,2
37.Estabilidad: Routh–Hurwitz y lugar de las raíces

Respuesta: m = 4

Criterio de Routh–Hurwitz: un sistema lineal es estable cuando todas las raíces de su polinomio característico están en el semiplano izquierdo del plano s. Escribe los coeficientes alternadamente en las dos primeras filas de la tabla de Routh. Cada elemento de una fila nueva sale de las dos filas de encima; para un polinomio cúbico a₃s³ + a₂s² + a₁s + a₀ el elemento de s¹ es b₁ = (a₂·a₁ − a₃·a₀)/a₂. El número de cambios de signo en la primera columna es igual al número de raíces en el semiplano derecho. Con una ganancia K en los coeficientes, todos los elementos de la primera columna deben seguir siendo positivos: la ganancia que anula el elemento de s¹ es el límite de estabilidad, y la fila de s² da entonces la frecuencia de la oscilación sostenida.

Tabla de Routh

s³ + 12s² + 32s + K = 0
s³: 1, 32
s²: 12, K
s¹: (12·32 − K)/12
s⁰: K

Mayor ganancia estable

Kmax = 12·32 = 384

Factor

m = 384/96 = 4

Respuesta

m = 4

Este factor es el margen de ganancia como cociente: 12,04 dB.

38.Estabilidad: Routh–Hurwitz y lugar de las raíces

Respuesta: θd = 75,96 °

Lugar de las raíces: cuando la ganancia K va de 0 a ∞, los polos de lazo cerrado, las raíces de 1 + K·G(s) = 0, se desplazan desde los polos de lazo abierto hasta los ceros de lazo abierto o hasta el infinito. Un punto del eje real pertenece al lugar cuando el número de polos y ceros reales situados a su derecha es impar. Las n − m ramas que van al infinito siguen asíntotas con los ángulos (2q + 1)·180°/(n − m), que parten del centroide σₐ = (Σ polos − Σ ceros)/(n − m). Las ramas salen del eje real o se unen a él donde dK/ds = 0. La condición de ángulo ∠G(s) = 180° fija la forma, y la condición de módulo K = 1/|G(s)| da la ganancia en cualquier punto del lugar.

Posiciones de los polos

s² + 2s + 2 = 0 → s = −1 ± j1
s = −5

Ángulos de los demás polos

∠(−1 + j1 + 5) = atan2(1, 4) = 14,04°
∠(−1 + j1 − (−1 − j1)) = ∠(j2) = 90°

Ángulo de salida

θd = 180° − 14,04° − 90° = 75,96°

Respuesta

θd = 75,96°
39.Error en régimen permanente y control PID

Respuesta: ess = 1

Error en régimen permanente: en un lazo con realimentación unitaria y función de transferencia de lazo abierto G(s) el error es E(s) = R(s)/(1 + G(s)), y por el teorema del valor final ess = lims→0 s·E(s). El tipo del sistema es el número de polos de G(s) en s = 0. Las constantes de error son Kp = lim G(s), Kv = lim s·G(s) y Ka = lim s²·G(s), todas para s → 0. Un escalón de tamaño A da ess = A/(1 + Kp), una rampa A·t da A/Kv y una parábola A·t²/2 da A/Ka. Un lazo de tipo 0 sigue un escalón con un error finito, un lazo de tipo 1 lo sigue exactamente y sigue una rampa con un error finito.

Constante de aceleración

Ka = 4·4/4 = 4

Error ante parábola

ess = 4/4 = 1

Respuesta

ess = 1
40.Error en régimen permanente y control PID

Respuesta: ess = 2

Control P, PI y PID: el controlador C(s) = Kp + Ki/s + Kd·s actúa sobre el error. Una ganancia proporcional hace el lazo más rápido y reduce el error de una planta de tipo 0, pero nunca lo elimina. El término integral añade un polo en s = 0: el tipo del sistema sube una unidad y un escalón se sigue sin error. El término derivativo añade amortiguamiento. Para elegir las ganancias, escribe el polinomio característico de lazo cerrado y compáralo con s² + 2ζωns + ωn². Entonces %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), tp = π/ωd con ωd = ωn√(1 − ζ²), y ts ≈ 4/(ζωn).

Constante de velocidad

s·C(s) = 2s + 5 → 5 cuando s → 0.

Kv = 5·10/20 = 2,5

Error ante rampa

ess = 5/2,5 = 2

Respuesta

ess = 2

El controlador PI elimina por completo el error ante escalón; una rampa se sigue con un retardo constante.

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