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​ = 3 ΩIR1​R3​ = 2 Ω+−V1​9 VR2​4 ΩAR4​8 ΩB

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

V1 = 9 VR1 = 3 ΩR2 = 4 ΩR3 = 2 ΩR4 = 8 Ω
IR1 = A
2.Resistencias en serie y en paraleloDifícil
R1​ = 30 ΩR3​ = 6 ΩR5​ = 20 Ω+−V1​12 VR2​10 ΩAR4​20 ΩBR6​20 Ω

Halla la resistencia equivalente Req que ve la fuente V1.

V1 = 12 VR1 = 30 ΩR2 = 10 ΩR3 = 6 ΩR4 = 20 ΩR5 = 20 ΩR6 = 20 Ω
Req = Ω
3.Análisis nodalMedia
R1​ = 4 ΩIR1​R3​ = 12 Ω+−V1​10 VR2​4 ΩAR4​20 ΩBIs​2,5 A

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

V1 = 10 VIs = 2,5 AR1 = 4 ΩR2 = 4 ΩR3 = 12 ΩR4 = 20 Ω
IR1 = A
4.Análisis nodalDifícil
R1​ = 4 Ω−+Vs​ = 9 V+−V1​36 VR2​5 ΩAR3​25 ΩBIs​1 A

La fuente de tensión Vₛ entre A y B tiene su borne + en B, así que impone VB − VA = Vₛ. Usa el análisis nodal con un supernodo para hallar la tensión de nodo VB (respecto a tierra).

V1 = 36 VIs = 1 AVs = 9 VR1 = 4 ΩR2 = 5 ΩR3 = 25 Ω
VB = V
5.Análisis de mallasMedia
R1​ = 15 ΩR2​ = 6 Ω+−V1​9 VR3​2 ΩIR3​A+−V2​9 VI1​I2​

Usa el análisis de mallas para hallar la corriente IR3 por R3 en el sentido de la flecha.

V1 = 9 VV2 = 9 VR1 = 15 ΩR2 = 6 ΩR3 = 2 Ω
IR3 = A
6.Análisis de mallasDifícil
R1​ = 3 ΩR2​ = 3 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​18 VR4​8 ΩAR5​4 Ω+−VR5​B+−V2​36 VI1​I2​I3​

Usa el análisis de mallas para hallar la tensión VR5 en R5 con la polaridad indicada.

V1 = 18 VV2 = 36 VR1 = 3 ΩR2 = 3 ΩR3 = 6 ΩR4 = 8 ΩR5 = 4 Ω
VR5 = V
7.SuperposiciónMedia
R1​ = 3 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​18 VR2​10 ΩIR2​AR4​4 ΩBIs​4 A

Usa el principio de superposición para hallar la corriente IR2 por R2 en el sentido de la flecha.

V1 = 18 VIs = 4 AR1 = 3 ΩR2 = 10 ΩR3 = 6 ΩR4 = 4 Ω
IR2 = A
8.SuperposiciónDifícil
R1​ = 25 ΩR2​ = 2 ΩIR2​R4​ = 6 Ω+−V1​36 VR3​4 ΩAIs​6 AB−+V2​36 V

Usa la superposición para hallar la potencia PR2 absorbida por R2.

V1 = 36 VIs = 6 AV2 = 36 VR1 = 25 ΩR2 = 2 ΩR3 = 4 ΩR4 = 6 Ω
PR2 = W
9.Thévenin y NortonMedia
R1​ = 4 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​24 VR2​4 ΩAab

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

V1 = 24 VR1 = 4 ΩR2 = 4 ΩR3 = 2 Ω
Vth = V
10.Thévenin y NortonDifícil
R1​ = 25 ΩR3​ = 30 Ω+−V1​30 VR2​12 ΩAIs​2 ABab

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

V1 = 30 VIs = 2 AR1 = 25 ΩR2 = 12 ΩR3 = 30 Ω
Vth = V
11.Transitorios RC y RLMedia
+−Vs​6 Vt = 0R = 50 ΩL68 mHi(t)

La bobina no lleva corriente antes de que el interruptor se cierre en t = 0. Halla la corriente i en t = 1 ms.

Vs = 6 VR = 50 ΩL = 68 mHt = 1 ms
i = A
12.Transitorios RC y RLDifícil
+−Vs​24 Vse abre en t = 0R1​ = 1 kΩR2​ = 1 kΩC100 µF+−vC​

El interruptor lleva mucho tiempo cerrado, así que el circuito está en régimen permanente. En t = 0 se abre el interruptor. Halla la tensión del condensador vC en t = 250 ms.

Vs = 24 VR1 = 1 kΩR2 = 1 kΩC = 100 µFt = 250 ms
vC = V
13.Impedancia y fasores en alternaMedia
Vf0​ = 100 HzRL = ?C = 47 µF

Un circuito RLC en serie con C = 47 µF debe resonar a 100 Hz. Halla la inductancia L necesaria.

f0 = 100 HzC = 47 µF
L = mH
14.Impedancia y fasores en alternaDifícil
24 V100 HzR = 10 ΩL = 50 mHC = 100 µF

Un circuito RLC en serie está conectado a una alimentación de 24 V (eficaces) y 100 Hz. Halla la frecuencia de resonancia f0 del circuito.

V = 24 V (rms)f = 100 HzR = 10 ΩL = 50 mHC = 100 µF
f0 = Hz
15.Potencia en alterna y factor de potenciaMedia
P = 4 kWQSφ

Un motor monofásico consume 4 kW con un factor de potencia de 0,65 inductivo de una alimentación de 230 V. Halla la corriente de línea I.

P = 4 kWpf = 0,65V = 230 V
I = A
16.Potencia en alterna y factor de potenciaDifícil
P1​ = 77 kWQ1​S1​φ

Un transformador monofásico de 200 kVA alimenta una carga de 77 kW con un factor de potencia de 0,85 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 = 200 kVAP1 = 77 kWpf1 = 0,85
ΔP = kW
17.Potencia trifásicaMedia
ABCVL​ = 208 VNZ = 16 + j12 Ωpor fase

Una carga equilibrada conectada en estrella, con una impedancia de 16 + 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 = 16 + j12 Ω por fase
P = kW
18.Potencia trifásicaDifícil
P = 80 kWφ1​S1​Q2​QC​ = ?

Una carga trifásica equilibrada consume 80 kW con un factor de potencia de 0,78 inductivo de una alimentación de 690 V (de línea) y 60 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 = 80 kWpf1 = 0,78pf2 = 0,95VL = 690 Vf = 60 Hz
QC = kvar
19.TransformadoresMedia
10000 V400 VIHV​ILV​ = ?25 kVA

Un transformador monofásico de 25 kVA, 10000/400 V, funciona a su carga nominal. Considéralo ideal. Halla la corriente ILV en el devanado de baja tensión.

S = 25 kVAV1 = 10000 VV2 = 400 V
ILV = A
20.TransformadoresDifícil
150 kVA

Un transformador monofásico de 150 kVA tiene unas pérdidas en el hierro de 600 W y unas pérdidas en el cobre de 1200 W a carga nominal. ¿Con qué carga Sη,max, en kVA, es máximo su rendimiento?

S = 150 kVAPcore = 600 WPcu,fl = 1200 W
Sη,max = kVA
21.Circuitos con amplificador operacionalMedia
−+Vout​R2​ = 10 kΩV1​ = 0,2 VR1​ = 4,7 kΩV2​ = 0,5 VR3​ = 4,7 kΩR4​ = 10 kΩ

El amplificador diferencial usa un amplificador operacional ideal alimentado con ±15 V, con R3 = R1 y R4 = R2. Halla la tensión de salida Vout.

V1 = 0,2 VV2 = 0,5 VR1 = R3 = 4,7 kΩR2 = R4 = 10 kΩ
Vout = V
22.Circuitos con amplificador operacionalDifícil
Vin​V1​Vout​etapa 1: inversorR1​ = 4,7 kΩRf1​ = 4,7 kΩetapa 2: no inversorR2​ = 22 kΩRf2​ = 10 kΩ

Dos etapas con amplificadores operacionales ideales están conectadas en cascada: un amplificador inversor (R1, Rf1) seguido de un amplificador no inversor (R2 a tierra, Rf2 en la realimentación). Ambas se alimentan con ±15 V. La entrada es Vin = −0,35 V. Halla la tensión de salida Vout.

R1 = 4,7 kΩRf1 = 4,7 kΩR2 = 22 kΩRf2 = 10 kΩVin = −0,35 V
Vout = V
23.Diodos y transistoresMedia
RC​ = 4,7 kΩβ = 150RE​ = 1,5 kΩVCC​ = 15 VR1​ = 82 kΩR2​ = 10 kΩ

Un transistor NPN con β = 150 tiene polarización por divisor de tensión desde VCC = 15 V: R₁ = 82 kΩ de VCC a la base y R₂ = 10 kΩ de la base a tierra. La resistencia de colector es RC = 4,7 kΩ y la resistencia de emisor es RE = 1,5 kΩ. Toma VBE = 0,7 V y usa el equivalente de Thévenin del divisor (no desprecies la corriente de base). Halla la tensión colector–emisor VCE.

VCC = 15 VR1 = 82 kΩR2 = 10 kΩRC = 4,7 kΩRE = 1,5 kΩβ = 150
VCE = V
24.Diodos y transistoresDifícil
+−≥ 9 VR = ?5,1 V≤ 40 mA

Un regulador Zener de 5,1 V debe suministrar hasta 40 mA a una carga. La entrada puede bajar a 9 V, y el Zener necesita al menos 1 mA para regular. Halla la mayor resistencia en serie Rmax con la que sigue regulando.

Vin,min = 9 VVZ = 5,1 VIL,max = 40 mAIZ,min = 1 mA
Rmax = Ω
25.Sistemas de numeraciónMedia
complemento a dos de 8 bits?−128?64?32?16?8?4?2?1

Escribe −16 como patrón de 8 bits en complemento a dos. Lee el patrón como un número binario sin signo: ¿cuál es su valor U en decimal?

N = −168 bit
U =
26.Sistemas de numeraciónDifícil
2201 códigos, b = ? bits?2ᵇ⁻¹…?4?2?1

Un sistema debe dar a cada uno de 2201 elementos su propio código binario de la misma longitud. ¿Cuál es el menor número de bits b necesario?

2201
b = bit
27.Lógica digital: puertas, mapas K y biestablesMedia
ABCD000111100001111011111

En este mapa de Karnaugh exactamente un 1 no tiene ningún 1 vecino, así que queda como un grupo de una celda (un minitérmino completo de cuatro literales) en la forma SOP mínima. Cuentan los vecinos a través de los bordes del mapa. Haz clic en esa celda.

F = Σm(1, 3, 4, 6, 8)
  1. 1AB = 00, CD = 00
  2. 2AB = 00, CD = 01
  3. 3AB = 00, CD = 11
  4. 4AB = 00, CD = 10
  5. 5AB = 01, CD = 00
  6. 6AB = 01, CD = 01
  7. 7AB = 01, CD = 11
  8. 8AB = 01, CD = 10
  9. 9AB = 11, CD = 00
  10. 10AB = 11, CD = 01
  11. 11AB = 11, CD = 11
  12. 12AB = 11, CD = 10
  13. 13AB = 10, CD = 00
  14. 14AB = 10, CD = 01
  15. 15AB = 10, CD = 11
  16. 16AB = 10, CD = 10
28.Lógica digital: puertas, mapas K y biestablesDifícil
CLKJK12345678

Un biestable JK activado por flanco de subida empieza con Q = 0 y recibe las entradas mostradas. Haz clic en el primer flanco de reloj en el que Q pasa de 1 a 0.

Q₀ = 0JK
  1. 1flanco de reloj 1
  2. 2flanco de reloj 2
  3. 3flanco de reloj 3
  4. 4flanco de reloj 4
  5. 5flanco de reloj 5
  6. 6flanco de reloj 6
  7. 7flanco de reloj 7
  8. 8flanco de reloj 8
29.Transformadas de LaplaceMedia
ReIm−2−4−6−8−102

Halla f(t) para F(s) = (2s + 18)/(s² + 6s + 13) completando el cuadrado, y evalúa f(0,3).

F(s) = (2s + 18)/(s² + 6s + 13)t = 0,3 s
f(0.3) =
30.Transformadas de LaplaceDifícil
t (s)y(t)t = 0,8y(0,8) = ?

Un sistema cumple y″ + 3y′ + 2y = 8·u(t), con y(0) = 5 e y′(0) = 0. En t = 0 se aplica una entrada escalón u(t) = 1. Usa la transformada de Laplace para hallar y(0,8).

y″ + 3y′ + 2y = 8·u(t)y(0) = 5y′(0) = 0u(t) = 1t = 0,8 s
y(0.8) =
31.Diagramas de bloquesMedia
R(s)+20s + 9G(s)C(s)0,2H−

Una planta G(s) = 20/(s + 9) se controla en un lazo de realimentación negativa cuyo sensor tiene ganancia H = 0,2. Se aplica un escalón de tamaño 12 en R. Halla la salida en régimen estacionario css.

G(s) = 20/(s + 9)H = 0,2R = 12
css =
32.Diagramas de bloquesDifícil
R(s)+Kcontrolador+D(s)+6s + 2plantaC(s)−

Un controlador proporcional K gobierna la planta G(s) = 6/(s + 2) en un lazo de realimentación negativa unitaria. Un escalón de perturbación de tamaño 5 entra a la entrada de la planta con R = 0. Halla la menor ganancia K que mantiene la salida en régimen estacionario en 0,3 o menos.

G(s) = 6/(s + 2)D = 5css ≤ 0,3
K =
33.Respuesta al escalónMedia
t (s)y(t)3tp​ = ?

Un sistema tiene la función de transferencia G(s) = 84/(s² + 3s + 28) y recibe una entrada escalón unitario. Halla el tiempo de pico tp de la respuesta al escalón.

G(s) = 84/(s² + 3s + 28)
tp = s
34.Respuesta al escalónDifícil
k = 400 N/mc = 8 N·s/mm = 2 kgF = 100 Nx(t)

Una masa m = 2 kg cuelga de un resorte k = 400 N/m con un amortiguador viscoso c = 8 N·s/m (m·x″ + c·x′ + k·x = F). En reposo, en equilibrio, se aplica de repente una fuerza constante F = 100 N. Halla el factor de amortiguamiento ζ.

m = 2 kgk = 400 N/mc = 8 N·s/mF = 100 N
ζ =
35.Diagramas de Bode y márgenesMedia
|H| (dB)0,010,11101001000−80−60−40−20020ω (rad/s)ω = 0,5

Halla el módulo exacto |G(jω)| de G(s) = 168/((s + 7)(s + 12)) en ω = 0,5 rad/s, en dB.

G(s) = 168/((s + 7)(s + 12))ω = 0,5 rad/s
|G(jω)| = dB
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) = 24/(s(s + 1)(s + 6)). Halla la frecuencia de cruce de fase ω180, donde ∠L(jω) = −180°.

L(s) = 24/(s(s + 1)(s + 6))
ω180 = rad/s
37.Estabilidad: Routh–Hurwitz y lugar de las raícesMedia
R(s)+K = 401s(s + 4)(s + 6)C(s)−

El lazo del diagrama funciona con K = 40 y L(s) = K/(s(s + 4)(s + 6)). ¿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 + 6))K = 40
m =
38.Estabilidad: Routh–Hurwitz y lugar de las raícesDifícil
ReImζ = 0,8−1−2−3−4−5−6j1j2

Se muestra el lugar de las raíces de L(s) = K/(s(s + 5)). Halla la ganancia K para la que los polos de lazo cerrado tienen el coeficiente de amortiguamiento ζ = 0,8.

L(s) = K/(s(s + 5))ζ = 0,8
K =
39.Error en régimen permanente y control PIDMedia
r(t) = 5 + 3t+5(s + 4)s(s + 1)(s + 10)C(s)−

Se aplica la entrada r(t) = 5 + 3t (un escalón más una rampa) a un lazo con realimentación unitaria con G(s) = 5(s + 4)/(s(s + 1)(s + 10)). Halla el error en régimen permanente ess.

G(s) = 5(s + 4)/(s(s + 1)(s + 10))r(t) = 5 + 3t
ess =
40.Error en régimen permanente y control PIDDifícil
R(s)+K = 401s(s + 6)C(s)−

Un controlador proporcional K = 40 controla la planta G(s) = 1/(s(s + 6)) en un lazo con realimentación unitaria. Halla el tiempo de establecimiento al 2 % ts de la respuesta al escalón, usando ts ≈ 4/(ζωₙ).

G(s) = 1/(s(s + 6))K = 40
ts = s

3Disoluciones

1.Resistencias en serie y en paralelo

Respuesta: IR1 = 1,537 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​ = 3 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​9 VR2​4 ΩAR4​8 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 = 2 + 8 = 10 Ω
R2 ∥ 10 = 4·10/(4+10) = 2,857 Ω
Req = R1 + 2,857 = 3 + 2,857 = 5,857 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 = 9/5,857 = 1,537 A

Respuesta

IR1 = 1,537 A
2.Resistencias en serie y en paralelo

Respuesta: Req = 36,59 Ω

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​ = 30 ΩR3​ = 6 ΩR5​ = 20 Ω+−V1​12 VR2​10 ΩAR4​20 ΩBR6​20 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 = 20 + 20 = 40 Ω
R4 ∥ 40 = 13,33 Ω
R3 + 13,33 = 19,33 Ω
R2 ∥ 19,33 = 6,591 Ω
Req = R1 + 6,591 = 30 + 6,591 = 36,59 Ω

Respuesta

Req = 36,59 Ω
3.Análisis nodal

Respuesta: IR1 = 0,5882 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​ = 4 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​10 VR2​4 ΩAR4​20 ΩBIs​2,5 A

Plantea los nodos

La tierra es el cable inferior. Las tensiones de nodo conocidas salen directamente de las fuentes (V1 = 10 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/4 + (VA − 10)/4 + (VA − VB)/12 = 0
0,5833·VA − 0,08333·VB = 2,5

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/20 + (VB − VA)/12 = 2,5
−0,08333·VA + 0,1333·VB = 2,5

Resuelve

Δ = (0,5833)(0,1333) − (−0,08333)(−0,08333) = 0,07083
VA = Δ1/Δ = 0,5417/0,07083 = 7,647 V
VB = Δ2/Δ = 1,667/0,07083 = 23,53 V

Respuesta

IR1 = (V1 − VA)/R1 = (10 − 7,647)/4 = 0,5882 A
4.Análisis nodal

Respuesta: VB = 28,67 V

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.

Forma un supernodo

La fuente de tensión entre A y B conduce una corriente desconocida, así que no se puede escribir la LCK en A ni en B por separado. Encierra A, B y la fuente en un supernodo: la corriente que entra es igual a la que sale.

VB = VA + 9
(VA − V1)/R1 + VA/R2 + VB/R3 = Is

Resuelve

(VA − 36)/4 + VA/5 + (VA + 9)/25 = 1
VA·(1/4 + 1/5 + 1/25) = 1 + 36/4 − 9/25 = 9,64
VA = 9,64/0,49 = 19,67 V
VB = 28,67 V

Respuesta

VB = 28,67 V
5.Análisis de mallas

Respuesta: IR3 = 1,432 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​ = 6 Ω+−V1​9 VR3​2 ΩA+−V2​9 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 + 2(I1 − I2) = 9
17·I1 − 2·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 + R3(I2 − I1) = −V2
6·I2 + 2(I2 − I1) = (−9)
−2·I1 + 8·I2 = −9

Resuelve

Δ = (17)(8) − (−2)(−2) = 132
I1 = Δ1/Δ = 54/132 = 0,4091 A
I2 = Δ2/Δ = −135/132 = −1,023 A

Respuesta

IR3 = I1 − I2 = 1,432 A

Una corriente de malla negativa circula en sentido antihorario.

6.Análisis de mallas

Respuesta: VR5 = 13,99 V

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​ = 3 ΩR2​ = 3 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​18 VR4​8 ΩAR5​4 ΩB+−V2​36 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
3·I1 + 8(I1 − I2) = 18
11·I1 − 8·I2 = 18

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
3·I2 + 8(I2 − I1) + 4(I2 − I3) = 0
−8·I1 + 15·I2 − 4·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
6·I3 + 4(I3 − I2) = (−36)
−4·I2 + 10·I3 = −36

Resuelve

Δ = determinante de la matriz de coeficientes = 834
I1 = Δ1/Δ = 1260/834 = 1,511 A
I2 = Δ2/Δ = −144/834 = −0,1727 A
I3 = Δ3/Δ = −3060/834 = −3,669 A

Respuesta

IR5 = I2 − I3 = 3,496 A
VR5 = IR5·R5 = 3,496·4 = 13,99 V

Una corriente de malla negativa circula en sentido antihorario.

7.Superposición

Respuesta: IR2 = 1,425 A

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​ = 3 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​18 VR2​10 ΩAR4​4 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+4 = 10 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 10·10/(10+10) = 5 Ω
VA = 18·5/(3+5) = 11,25 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 11,25·4/10 = 4,5 V
IR2′ = (VA − 0)/R2 = (11,25 − 0)/10 = 1,125 A
R1​ = 3 ΩR3​ = 6 ΩCORTOR2​10 ΩAR4​4 ΩBIs​4 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 = 3·10/(3+10) = 2,308 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 4 ∥ 8,308 = 2,7 Ω
VB = Is·Req = 4·2,7 = 10,8 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 10,8·2,308/8,308 = 3 V
IR2″ = (VA − 0)/R2 = (3 − 0)/10 = 0,3 A

Suma las contribuciones

IR2 = IR2′ + IR2″
IR2 = 1,125 + 0,3 = 1,425 A

Un resultado negativo significa que la corriente real circula en sentido contrario a la flecha.

8.Superposición

Respuesta: PR2 = 0,3763 W

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​ = 25 ΩR2​ = 2 ΩR4​ = 6 Ω+−V1​36 VR3​4 ΩAABIERTOBCORTO

Caso 1 · V1 actuando sola

V₂ pasa a ser un cortocircuito e Iₛ un circuito abierto. Vista desde A, R₃ está en paralelo con la serie R₂+R₄.

R3 ∥ (R2+R4) = 4 ∥ 8 = 2,667 Ω
VA = 36·2,667/(25+2,667) = 3,47 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 3,47·6/8 = 2,602 V
IR2′ = (VA − VB)/R2 = (3,47 − 2,602)/2 = 0,4337 A
R1​ = 25 ΩR2​ = 2 ΩR4​ = 6 ΩCORTOR3​4 ΩAIs​6 ABCORTO

Caso 2 · Is actuando sola

Ambas fuentes de tensión pasan a ser cortocircuitos. Iₛ se reparte en B entre R₄ (ahora a tierra) y R₂ en serie con R₁ ∥ R₃.

R1 ∥ R3 = 3,448 Ω, así que el camino de la izquierda es R2+3,448 = 5,448 Ω
Req = R4 ∥ 5,448 = 2,855 Ω
VB = Is·Req = 6·2,855 = 17,13 V
VA = VB·3,448/5,448 = 10,84 V
IR2″ = (VA − VB)/R2 = (10,84 − 17,13)/2 = −3,145 A
R1​ = 25 ΩR2​ = 2 ΩR4​ = 6 ΩCORTOR3​4 ΩAABIERTOB−+V2​36 V

Caso 3 · V2 actuando sola

V₁ pasa a ser un cortocircuito e Iₛ un circuito abierto. R₁ ∥ R₃ cuelga de A, en serie con R₂ hasta B.

R1 ∥ R3 = 25·4/(25+4) = 3,448 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = (−36)·5,448/11,45 = −17,13 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = −17,13·3,448/5,448 = −10,84 V
IR2‴ = (VA − VB)/R2 = (−10,84 − −17,13)/2 = 3,145 A

Suma las contribuciones de corriente

IR2 = IR2′ + IR2″ + IR2‴ = 0,4337 + (−3,145) + 3,145 = 0,4337 A

Potencia en la resistencia

La potencia depende del cuadrado de la corriente, así que no cumple la superposición: suma primero las corrientes y luego eleva al cuadrado.

PR2 = IR2²·R2 = 0,4337²·2 = 0,3763 W

Respuesta

PR2 = 0,3763 W

Sumar las potencias de los casos por separado daría 39,93 W, lo cual es incorrecto.

9.Thévenin y Norton

Respuesta: Vth = 12 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​ = 4 ΩR3​ = 2 ΩCORTOR2​4 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 = 4·4/(4+4) = 2 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2 + 2 = 4 Ω
R1​ = 4 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​24 VR2​4 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) = 24·4/(4+4) = 12 V
10.Thévenin y Norton

Respuesta: Vth = −66,49 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​ = 30 ΩCORTOR2​12 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 = 25·12/(25+12) = 8,108 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 8,108 + 30 = 38,11 Ω
R1​ = 25 ΩR3​ = 30 Ω+−V1​30 VR2​12 ΩAIs​2 ABab+−Vth​

Halla Vth, la tensión en circuito abierto

Con a–b abiertos, el único camino para Iₛ es por R₃ hacia el nodo A. Halla V_A por superposición de V₁ e Iₛ y luego suma la caída en R₃.

VA = V1·R2/(R1+R2) + Is·(R1∥R2) = 9,73 + (−2)·8,108 = −6,486 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = −6,486 + (−2)·30 = −66,49 V
11.Transitorios RC y RL

Respuesta: i = 0,06248 A

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 = 68 mH / 50 Ω = 1,36 ms
i(∞) = Vs/R = 6/50 = 0,12 A

Corriente en el instante dado

i(t) = i(∞)·(1 − e−t/τ) = 0,12·(1 − e−1/1,36) = 0,06248 A

Respuesta

i = 0,06248 A
12.Transitorios RC y RL

Respuesta: vC = 0,985 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.

Tensión inicial del condensador

En régimen permanente el condensador es un circuito abierto, así que R₁ y R₂ forman un divisor de tensión. La tensión del condensador no puede saltar al abrirse el interruptor.

vC(0) = 24·1/(1 + 1) = 12 V

Constante de tiempo tras abrirse el interruptor

τ = R2·C = 1·100 = 100 ms

Descarga

vC(t) = 12·e−250/100 = 0,985 V

Respuesta

vC = 0,985 V
13.Impedancia y fasores en alterna

Respuesta: L = 53,89 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·100 = 628,3 rad/s
L = 1/(ω₀²·C) = 1/(628,3²·47·10⁻⁶) = 53,89 mH

Respuesta

L = 53,89 mH
14.Impedancia y fasores en alterna

Respuesta: f0 = 71,18 Hz

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 inductiva y capacitiva se anulan: ωL = 1/(ωC). La frecuencia de la alimentación no influye.

f0 = 1/(2π√(LC)) = 1/(2π·√(0,05·100·10⁻⁶)) = 71,18 Hz

Respuesta

f0 = 71,18 Hz
15.Potencia en alterna y factor de potencia

Respuesta: I = 26,76 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) = 4000/(230·0,65) = 26,76 A

Respuesta

I = 26,76 A
16.Potencia en alterna y factor de potencia

Respuesta: ΔP = 117,2 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 = 77·tan(arccos 0,85) = 47,72 kvar

Potencia activa total máxima

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

P = √(Smax² − Q1²) = √(200² − 47,72²) = 194,2 kW

Potencia activa adicional

ΔP = 194,2 − 77 = 117,2 kW

Respuesta

ΔP = 117,2 kW
17.Potencia trifásica

Respuesta: P = 1,731 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 = 208/√3 = 120,1 V

Corriente de fase

|Z| = √(16² + 12²) = 20 Ω
Iph = 120,1/20 = 6,004 A

Potencia activa total

Solo la parte resistiva de cada impedancia absorbe potencia activa.

P = 3·Iph²·R = 3·6,004²·16 = 1,731 kW

Respuesta

P = 1,731 kW

Comprobación: cos φ = R/|Z| = 0,8, y √3·VL·IL·cos φ da la misma potencia.

18.Potencia trifásica

Respuesta: QC = 37,89 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 = 80·tan(acos 0,78) = 80·0,8023 = 64,18 kvar
Q2 = 80·tan(acos 0,95) = 80·0,3287 = 26,29 kvar

Potencia reactiva de los condensadores

QC = Q1 − Q2 = 37,89 kvar

Respuesta

QC = 37,89 kvar
19.Transformadores

Respuesta: ILV = 62,5 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 = 25000/400 = 62,5 A

Respuesta

ILV = 62,5 A
20.Transformadores

Respuesta: Sη,max = 106,1 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

x²·1200 = 600 → x = √(600/1200) = 0,7071

Carga de rendimiento máximo

Sη,max = x·S = 0,7071·150 = 106,1 kVA

Respuesta

Sη,max = 106,1 kVA
21.Circuitos con amplificador operacional

Respuesta: Vout = 0,6383 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.

Tensión en las entradas

R₃ y R₄ conducen la misma corriente, así que forman un divisor de tensión; la realimentación hace que V₋ = V₊.

V₊ = V2·R4/(R3 + R4) = 0,5·10/(4,7 + 10) = 0,3401 V
V₋ = V₊

LCK en la entrada inversora

(0,2 − 0,3401)/4,7 = (0,3401 − Vout)/10
Vout = (R2/R1)·(V2 − V1) = (10/4,7)·(0,5 − 0,2) = 0,6383 V

Respuesta

Vout = 0,6383 V
22.Circuitos con amplificador operacional

Respuesta: Vout = 0,5091 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.

Ganancia de cada etapa

A1 = −Rf1/R1 = −4,7/4,7 = −1
A2 = 1 + Rf2/R2 = 1 + 10/22 = 1,455

Etapa a etapa

V1 = −1·(−0,35) = 0,35 V
Vout = 1,455·0,35 = 0,5091 V

Respuesta

Vout = 0,5091 V
23.Diodos y transistores

Respuesta: VCE = 11,32 V

Punto de trabajo del BJT: en la región activa VBE = 0,7 V, IC = β·IB e IE = (β + 1)·IB. Halla IB en la malla de base con la LTK, luego IC y luego VCE en la malla colector–emisor. Un divisor de tensión en la base se sustituye por su equivalente de Thévenin VTH = VCC·R₂/(R₁ + R₂), RTH = R₁∥R₂; una resistencia de emisor aparece (β + 1) veces mayor en la malla de base.

Equivalente de Thévenin del divisor

VTH = 15·10/(82 + 10) = 1,63 V
RTH = 82·10/(82 + 10) = 8,913 kΩ

Corriente de base

LTK en la malla de base; la corriente de emisor es (β + 1)·IB.

IB = (1,63 − 0,7)/(8,913 + 151·1,5) = 3,952 µA

Corriente de colector

IC = 150·3,952 µA = 0,5929 mA
IE = 151·3,952 µA = 0,5968 mA

Tensión colector–emisor

VCE = 15 − 0,5929·4,7 − 0,5968·1,5 = 11,32 V

Respuesta

VCE = 11,32 V
24.Diodos y transistores

Respuesta: Rmax = 95,12 Ω

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 en el peor caso

IR = 40 + 1 = 41 mA

Mayor resistencia

Rmax = 3,9/0,041 = 95,12 Ω

Respuesta

Rmax = 95,12 Ω
25.Sistemas de numeración

Respuesta: U = 240

Sistemas de numeración posicionales: cada dígito vale su valor por una potencia de la base. En binario las posiciones valen 1, 2, 4, 8, 16, …; en hexadecimal 1, 16, 256, …, con A–F para 10–15. En complemento a dos de 8 bits, el bit de la izquierda vale −128 en vez de +128; así se guardan los números negativos.

Invertir y sumar uno

16 = 0001 0000
invertido: 1110 1111
+1 → 1111 0000

Leerlo sin signo

1111 0000₂ = 256 − 16 = 240

Respuesta

U = 240
26.Sistemas de numeración

Respuesta: b = 12 bit

Sistemas de numeración posicionales: cada dígito vale su valor por una potencia de la base. En binario las posiciones valen 1, 2, 4, 8, 16, …; en hexadecimal 1, 16, 256, …, con A–F para 10–15. En complemento a dos de 8 bits, el bit de la izquierda vale −128 en vez de +128; así se guardan los números negativos.

Potencias de dos

211 = 2048 < 2201
212 = 4096 ≥ 2201

Respuesta

b = 12
27.Lógica digital: puertas, mapas K y biestables

Respuesta: AB = 10, CD = 00

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.

Vecinos de cada 1

Un 1 con un 1 vecino puede unirse a un grupo de dos o más.

m8: m9, m10, m12, m0 → 0
ABCD000111100001111011111

El 1 aislado

m8 = AB′C′D′ → AB = 10, CD = 00

Respuesta

AB = 10, CD = 00
28.Lógica digital: puertas, mapas K y biestables

Respuesta: flanco de reloj 3

Biestables y contadores: un biestable cambia solo en el flanco activo del reloj. D copia su entrada (Q⁺ = D); T conmuta cuando T = 1; JK mantiene con 00, pone a 0 con 01, pone a 1 con 10 y conmuta con 11. Un contador binario de n bits tiene 2ⁿ estados y cuenta módulo 2ⁿ; un contador módulo N cuenta 0, 1, …, N − 1 y vuelve a 0, y necesita el menor n con 2ⁿ ≥ N biestables. Cada etapa de un contador asíncrono divide la frecuencia a la mitad, así que la última salida de un contador módulo N funciona a fclk/N. Un contador Johnson de n biestables tiene 2n estados y un contador en anillo, n.

Q tras cada flanco

Un biestable JK: 00 mantiene, 01 pone a 0 (Q = 0), 10 pone a 1 (Q = 1), 11 conmuta.

1: J = 0, K = 0 → Q = 0
2: J = 1, K = 1 → Q = 1
3: J = 0, K = 1 → Q = 0
4: J = 0, K = 0 → Q = 0
5: J = 1, K = 0 → Q = 1
6: J = 1, K = 0 → Q = 1
7: J = 1, K = 1 → Q = 0
8: J = 1, K = 0 → Q = 1

Primer cambio de 1 a 0

flanco de reloj 3

Respuesta

flanco de reloj 3
29.Transformadas de Laplace

Respuesta: f(0.3) = 2,049

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).

Completar el cuadrado

s² + 6s + 13 = (s + 3)² + 4 = (s + 3)² + 2²

Igualar el numerador

F(s) = 2·(s + 3)/((s + 3)² + 2²) + (12/2)·2/((s + 3)² + 2²)

Transformada inversa

f(t) = e−3t·(2·cos 2t + 6·sin 2t)
f(0,3) = e−3·0,3·(2·cos(2·0,3) + 6·sin(2·0,3)) = 2,049

Respuesta

f(0,3) = 2,049
30.Transformadas de Laplace

Respuesta: y(0.8) = 4,697

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).

Transforma la ecuación

(s² + 3s + 2)·Y(s) = 5s + 15 + 8/s
Y(s) = (5s² + 15s + 8)/(s(s + 1)(s + 2))

Fracciones parciales

A = 8/(1·2) = 4
B = −2/((−1)·1) = 2
C = −2/((−2)·(−1)) = −1

Resultado

y(t) = 4 + 2·e−t − e−2t
y(0,8) = 4,697

Respuesta

y(0,8) = 4,697

Comprueba: y(0) = A + B + C = 5.

31.Diagramas de bloques

Respuesta: css = 18,46

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) = 20/(s + 9 + 4) = 20/(s + 13)

Resultado

css = R·T(0) = 12·20/13 = 18,46

Respuesta

css = 18,46
32.Diagramas de bloques

Respuesta: K = 16,33

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).

Respuesta a la perturbación

css = D·G(0)/(1 + K·G(0)) = 5·6/(2 + 6K)

Resolver para K

2 + 6K = 5·6/0,3 = 100
K = (100 − 2)/6 = 16,33

Respuesta

K = 16,33
33.Respuesta al escalón

Respuesta: tp = 0,6191 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 = 28 → ωₙ = 5,292 rad/s
2ζωₙ = 3 → ζ = 3/(2·5,292) = 0,2835

Resultado

ωd = 5,292·√(1 − 0,2835²) = 5,074 rad/s → tp = π/ωd = 0,6191 s

Respuesta

tp = 0,6191 s
34.Respuesta al escalón

Respuesta: ζ = 0,1414

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).

Frecuencia natural y razón de amortiguamiento

ωₙ = √(k/m) = √(400/2) = 14,14 rad/s
ζ = c/(2√(km)) = 8/(2·√(400·2)) = 0,1414

Resultado

ζ = 0,1414

Respuesta

ζ = 0,1414
35.Diagramas de Bode y márgenes

Respuesta: |G(jω)| = 5,991 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.

Multiplica los módulos

|G(j0,5)| = 168/(√(0,5² + 7²)·√(0,5² + 12²)) = 168/(7,018·12,01) = 1,993

Resultado

20·log₁₀(1,993) = 5,991 dB

Respuesta

|G(jω)| = 5,991 dB
36.Diagramas de Bode y márgenes

Respuesta: ω180 = 2,449 rad/s

Respuesta en frecuencia: sustituye s = jω en la función de transferencia. El módulo en decibelios es 20·log₁₀|H(jω)| y la fase es la suma de los ángulos de los factores del numerador menos los del denominador. Un filtro RC o RL de primer orden tiene su frecuencia de corte (−3 dB) en ωc = 1/(RC) o R/L, y fc = ωc/(2π); un filtro paso bajo da |H| = 1/√(1 + (ω/ωc)²) y φ = −atan(ω/ωc). En el diagrama de Bode asintótico (de rectas) cada polo hace bajar el módulo 20 dB/década en su frecuencia de esquina, cada cero lo hace subir 20 dB/década, y un integrador 1/s da −20 dB/década en todas las frecuencias. Cruce de ganancia ωc: |L(jω)| = 1 (0 dB); margen de fase MF = 180° + ∠L(jωc). Cruce de fase ω180: ∠L(jω) = −180°; margen de ganancia MG = −20·log₁₀|L(jω180)| dB. El lazo cerrado es estable cuando ambos márgenes son positivos.

Cruce de fase

(ω/1)·(ω/6) = 1 → ω180 = √(1·6) = 2,449 rad/s

Respuesta

ω180 = 2,449 rad/s
37.Estabilidad: Routh–Hurwitz y lugar de las raíces

Respuesta: m = 6

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 + 10s² + 24s + K = 0
s³: 1, 24
s²: 10, K
s¹: (10·24 − K)/10
s⁰: K

Mayor ganancia estable

Kmax = 10·24 = 240

Factor

m = 240/40 = 6

Respuesta

m = 6

Este factor es el margen de ganancia como cociente: 15,56 dB.

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

Respuesta: K = 9,766

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.

Compara con la forma estándar

s² + 5s + K = s² + 2ζωₙs + ωₙ²
2·0,8·ωₙ = 5 → ωₙ = 3,125 rad/s

Ganancia

K = ωₙ² = 3,125² = 9,766

Respuesta

K = 9,766

Los polos de lazo cerrado están donde la recta de ζ corta la rama vertical en s = −2,5.

39.Error en régimen permanente y control PID

Respuesta: ess = 1,5

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 velocidad

Kv = lim s·G(s) = 2

Parte de escalón

Kp = ∞ → estep = 0

Error ante rampa

ess = 3/2 = 1,5

Respuesta

ess = 1,5
40.Error en régimen permanente y control PID

Respuesta: ts = 1,333 s

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).

Polinomio característico

s(s + 6) + 40·1 = s² + 6s + 40

ωₙ y ζ

ωₙ = √40 = 6,325 rad/s
ζ = 6/(2·6,325) = 0,4743

Tiempo de establecimiento

ζωₙ = 6/2 = 3
ts ≈ 4/3 = 1,333 s

Respuesta

ts = 1,333 s

Aquí el tiempo de establecimiento no depende de K: aumentar K solo hace que la respuesta oscile más rápido.

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