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​ = 15 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​6 VR2​12 ΩAR4​15 ΩB

Halla la resistencia equivalente Req que ve la fuente V1.

V1 = 6 VR1 = 15 ΩR2 = 12 ΩR3 = 12 ΩR4 = 15 Ω
Req = Ω
2.Resistencias en serie y en paraleloDifícil
R1​ = 12 ΩR3​ = 6 ΩR5​ = 8 Ω+−V1​15 VR2​12 ΩAR4​12 ΩBR6​25 Ω

Halla la resistencia equivalente Req que ve la fuente V1.

V1 = 15 VR1 = 12 ΩR2 = 12 ΩR3 = 6 ΩR4 = 12 ΩR5 = 8 ΩR6 = 25 Ω
Req = Ω
3.Análisis nodalMedia
R1​ = 4 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​15 VR2​5 ΩAR4​12 ΩBIs​1,5 A

Usa el análisis nodal para hallar la potencia PIs entregada por la fuente de corriente Is.

V1 = 15 VIs = 1,5 AR1 = 4 ΩR2 = 5 ΩR3 = 4 ΩR4 = 12 Ω
PIs = W
4.Análisis nodalDifícil
R1​ = 20 Ω−+Vs​ = 5 VIx​+−V1​36 VR2​5 ΩAR3​2 ΩBIs​0,5 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 corriente Ix por la fuente de tensión, de A a B como indica la flecha.

V1 = 36 VIs = 0,5 AVs = 5 VR1 = 20 ΩR2 = 5 ΩR3 = 2 Ω
Ix = A
5.Análisis de mallasMedia
R1​ = 4 ΩR2​ = 12 Ω+−V1​15 VR3​2 ΩA+−V2​9 VI1​I2​

Usa el análisis de mallas para hallar la corriente de malla I2 (sentido horario).

V1 = 15 VV2 = 9 VR1 = 4 ΩR2 = 12 ΩR3 = 2 Ω
I2 = A
6.Análisis de mallasDifícil
R1​ = 4 ΩR2​ = 2 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​18 VR4​4 ΩAR5​20 ΩB+−V2​36 VI1​I2​I3​

Usa el análisis de mallas para hallar la corriente de malla I3 (sentido horario).

V1 = 18 VV2 = 36 VR1 = 4 ΩR2 = 2 ΩR3 = 10 ΩR4 = 4 ΩR5 = 20 Ω
I3 = A
7.SuperposiciónMedia
circuito linealVs​Is​IRL​

Un circuito resistivo lineal contiene una fuente de tensión Vs y una fuente de corriente Is. La corriente I por una resistencia de carga se mide dos veces: con Vs = 6 V y Is = 3 mA, I = 1,8 mA; con Vs = 5 V y Is = 10 mA, I = 2,25 mA. Halla la corriente de carga I cuando Vs = 6 V y Is = 5 mA.

6 V, 3 mA → 1,8 mA5 V, 10 mA → 2,25 mAVs = 6 V, Is = 5 mA
I = mA
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 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 = 2 mA. Halla la corriente de carga I cuando V2 está apagada y V1 y Is tienen sus valores normales.

normal: I = 20 mA2·V1: I = 26 mA−Is: I = 2 mA
I = mA
9.Thévenin y NortonMedia
R1​ = 8 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​6 VR2​6 ΩAab

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

V1 = 6 VR1 = 8 ΩR2 = 6 ΩR3 = 6 Ω
IN = A
10.Thévenin y NortonDifícil
R1​ = 15 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​24 VR2​30 ΩAIs​6 ABRL​25 ΩIL​

Se conecta una carga RL = 25 Ω entre a–b. Sustituye el resto del circuito por su equivalente de Thévenin y halla la corriente de carga IL.

V1 = 24 VIs = 6 AR1 = 15 ΩR2 = 30 ΩR3 = 15 ΩRL = 25 Ω
IL = A
11.Transitorios RC y RLMedia
+−Vs​12 Vt = 0R = 33 ΩL220 mHi(t)

La bobina no lleva corriente antes de que el interruptor se cierre en t = 0. Halla la tensión vL en la bobina en t = 15 ms.

Vs = 12 VR = 33 ΩL = 220 mHt = 15 ms
vL = V
12.Transitorios RC y RLDifícil
+−Vs​20 Vse abre en t = 0R1​ = 4,7 kΩR2​ = 3,3 kΩC10 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 = 30 ms.

Vs = 20 VR1 = 4,7 kΩR2 = 3,3 kΩC = 10 µFt = 30 ms
vC = V
13.Impedancia y fasores en alternaMedia
100 V200 HzR = 60 ΩL = 100 mHC = 4,7 µF

Un circuito RLC en serie está conectado a una alimentación de 100 V (eficaces) y 200 Hz. Halla el ángulo de fase φ de la impedancia, en grados (positivo cuando la corriente va retrasada respecto a la tensión).

V = 100 V (rms)f = 200 HzR = 60 ΩL = 100 mHC = 4,7 µF
φ = °
14.Impedancia y fasores en alternaDifícil
230 V50 HzR = 100 ΩL = 250 mHC = 2,2 µFI

Un circuito RLC en serie está conectado a una alimentación de 230 V (eficaces) y 50 Hz. Halla la corriente eficaz I.

V = 230 V (rms)f = 50 HzR = 100 ΩL = 250 mHC = 2,2 µF
I = A
15.Potencia en alterna y factor de potenciaMedia
120 VR + jXP = 1152 W12 A

Una carga inductiva consume 12 A y 1152 W de una alimentación monofásica de 120 V (eficaces). Modélala como una resistencia R en serie con una reactancia X. Halla X.

V = 120 VI = 12 AP = 1152 W
X = Ω
16.Potencia en alterna y factor de potenciaDifícil
P = 40 kWQ1​S1​φ1​QC​

Una carga monofásica consume 40 kW con un factor de potencia de 0,65 inductivo de una alimentación de 230 V y 50 Hz. Un condensador conectado en paralelo eleva el factor de potencia a 0,92. Halla la potencia reactiva QC que debe aportar el condensador.

P = 40 kWpf1 = 0,65pf2 = 0,92V = 230 Vf = 50 Hz
QC = kvar
17.Potencia trifásicaMedia
ABCVL​ = 400 VNZ = 3 + j4 Ωpor fase

Una carga equilibrada conectada en estrella, con una impedancia de 3 + j4 Ω por fase, se conecta a una alimentación trifásica equilibrada con una tensión de línea de 400 V. Halla la potencia activa total P que absorbe la carga en kW.

VL = 400 VZ = 3 + j4 Ω por fase
P = kW
18.Potencia trifásicaDifícil
P = 50 kWφ1​S1​Q2​QC​ = ?

Una carga trifásica equilibrada consume 50 kW con un factor de potencia de 0,78 inductivo de una alimentación de 415 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 = 50 kWpf1 = 0,78pf2 = 0,95VL = 415 Vf = 60 Hz
QC = kvar
19.TransformadoresMedia
6600 V230 VIHV​ILV​ = ?15 kVA

Un transformador monofásico de 15 kVA, 6600/230 V, funciona a su carga nominal. Considéralo ideal. Halla la corriente ILV en el devanado de baja tensión.

S = 15 kVAV1 = 6600 VV2 = 230 V
ILV = A
20.TransformadoresDifícil
pf 0,95150 kVA, 75% carga

Un transformador monofásico de 150 kVA tiene unas pérdidas en el hierro de 1200 W y unas pérdidas en el cobre de 1800 W a carga nominal. Suministra el 75 % de sus kVA nominales con un factor de potencia de 0,95 inductivo. Halla las pérdidas totales Ploss en vatios con esta carga.

S = 150 kVAPcore = 1200 WPcu,fl = 1800 Wx = 0,75pf = 0,95
Ploss = W
21.Circuitos con amplificador operacionalMedia
−+Vout​Rf​ = 100 kΩR1​ = 100 kΩVin​ = 4 VRa​ = 10 kΩRb​ = 1 kΩ

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

Vin = 4 VRa = 10 kΩRb = 1 kΩR1 = 100 kΩRf = 100 kΩ
Vout = V
22.Circuitos con amplificador operacionalDifícil
−+Vout​Rf​ = 10 kΩV1​ = −0,5 VR1​ = 100 kΩV2​ = 0,7 VR2​ = 1 kΩIf​

El amplificador sumador usa un amplificador operacional ideal alimentado con ±15 V. Halla la corriente If por la resistencia de realimentación, en sentido hacia la salida.

V1 = −0,5 VV2 = 0,7 VR1 = 100 kΩR2 = 1 kΩRf = 10 kΩ
If = mA
23.Diodos y transistoresMedia
+−18 V270 Ω5,6 V3300 ΩIZ​ = ?

Un regulador Zener de 5,6 V se alimenta desde 18 V a través de 270 Ω y suministra una carga de 3300 Ω. Halla la corriente IZ del Zener.

Vin = 18 VVZ = 5,6 VR = 270 ΩRL = 3300 Ω
IZ = mA
24.Diodos y transistoresDifícil
V (V)I (mA)0,65320Q = ?

Un diodo se modela como 0,65 V en serie con 25 Ω (conduce por encima de 0,65 V). Está en serie con una resistencia de 150 Ω en una fuente de 3 V. Halla la corriente de funcionamiento ID donde la recta del diodo corta a la recta de carga.

Vs = 3 VR = 150 ΩV0 = 0,65 Vrd = 25 Ω
ID = mA
25.Sistemas de numeraciónMedia
complemento a dos de 8 bits?−128?64?32?16?8?4?2?1

Escribe −30 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 = −308 bit
U =
26.Sistemas de numeraciónDifícil
haz clic en los bits para ponerlos012806403201608040201

Pon los bits al resultado de 8 bits de 1110 1011 XOR 1001 1000. ¿Cuál es el valor R del resultado en decimal?

1110 1011XOR1001 1000
R =
27.Lógica digital: puertas, mapas K y biestablesMedia
ABC000111100101324576

Simplifica F = ABC′ + BC + A′BC + A′C a su forma mínima de suma de productos. ¿Cuántos literales, L, contiene la expresión simplificada?

F = ABC′ + BC + A′BC + A′C
L =
28.Lógica digital: puertas, mapas K y biestablesDifícil
ABCD00011110000111101001030204151706012113X15X140809011010

Halla la forma SOP mínima de F(A, B, C, D) = Σm(0, 5, 7, 13) + d(14, 15), donde d marca las condiciones indiferentes. ¿Cuántos literales, L, contiene?

F(A, B, C, D) = Σm(0, 5, 7, 13) + d(14, 15)
L =
29.Transformadas de LaplaceMedia
t (s)f(t)t = 0,2f(0,2) = ?

Halla f(t) para F(s) = (6s + 30)/(s² + 8s + 16) y evalúa f(0,2).

F(s) = (6s + 30)/(s² + 8s + 16)t = 0,2 s
f(0.2) =
30.Transformadas de LaplaceDifícil
ReIm−2−4−6−8−10−12−14−16

Un sistema se describe con la ecuación diferencial y″ + 2y′ + 2y = u′ + 14u, 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 = 1,5 s. Halla g(1,5).

y″ + 2y′ + 2y = u′ + 14ut = 1,5 s
g(1.5) =
31.Diagramas de bloquesMedia
R(s)+16K+6s + 2G(s)C(s)1H₁−−

La planta G(s) = 6/(s + 2) tiene un lazo interno (menor) de realimentación negativa con ganancia H₁ = 1. Una ganancia de controlador K = 16 y un lazo externo de realimentación negativa unitaria cierran el sistema. Halla el polo en lazo cerrado p.

G(s) = 6/(s + 2)H₁ = 1K = 16
p =
32.Diagramas de bloquesDifícil
R(s)+24controlador+D(s)+9s + 8plantaC(s)−

Un controlador proporcional K = 24 gobierna la planta G(s) = 9/(s + 8) en un lazo de realimentación negativa unitaria. Una perturbación D entra a la entrada de la planta (se suma a la salida del controlador). Se aplican a la vez un escalón de referencia de tamaño 1 y un escalón de perturbación de tamaño 10. Halla la salida en régimen estacionario css.

K = 24G(s) = 9/(s + 8)D = 10R = 1
css =
33.Respuesta al escalónMedia
t (s)y(t)1?

Un sistema tiene la función de transferencia G(s) = 13/(s² + 5s + 13) y recibe una entrada escalón unitario. Halla el sobreimpulso porcentual %OS de la respuesta al escalón.

G(s) = 13/(s² + 5s + 13)
%OS = %
34.Respuesta al escalónDifícil
+−24 VR = 11 ΩL = 20 mHC = 100 µFvC​

Un circuito RLC serie con R = 11 Ω, L = 20 mH y C = 100 µF se conecta a un escalón de 24 V en t = 0. El condensador está descargado y no circula corriente antes del escalón. Halla el instante tp del primer pico de tensión, en ms.

R = 11 ΩL = 20 mHC = 100 µFV = 24 V
tp = ms
35.Diagramas de Bode y márgenesMedia
vin​L = 22 mHR = 47 Ωvout​

El filtro paso bajo RL mostrado tiene R = 47 Ω, L = 22 mH. Se aplica una entrada sinusoidal de 68 Hz. Halla el desfase φ de vout respecto a vin, en grados.

R = 47 ΩL = 22 mHf = 68 Hz
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) = 48/(s(s + 3)(s + 5)). Halla el margen de ganancia GM en dB.

L(s) = 48/(s(s + 3)(s + 5))
GM = dB
37.Estabilidad: Routh–Hurwitz y lugar de las raícesMedia
R(s)+Ks + 1(s − 2)(s + 5)C(s)−

La planta G(s) = (s + 1)/((s − 2)(s + 5)) tiene un polo inestable en s = 2. Una ganancia proporcional K cierra un lazo con realimentación unitaria a su alrededor. Halla la menor ganancia Kmin que hace estable el lazo cerrado.

G(s) = (s + 1)/((s − 2)(s + 5))
Kmin =
38.Estabilidad: Routh–Hurwitz y lugar de las raícesDifícil
ReIm−5j5

Se ha esbozado el lugar de las raíces de L(s) = K/((s + 3)(s + 4)(s + 5)). Halla la frecuencia ω a la que el lugar cruza el eje imaginario.

L(s) = K/((s + 3)(s + 4)(s + 5))
ω = rad/s
39.Error en régimen permanente y control PIDMedia
R(s)+K = 1045s + 1C(s)−

Un proceso G(s) = 4/(5s + 1) se controla con una ganancia proporcional K = 10 en un lazo con realimentación unitaria. Halla el error en régimen permanente ess ante un escalón, como porcentaje del tamaño del escalón.

G(s) = 4/(5s + 1)K = 10
ess = %
40.Error en régimen permanente y control PIDDifícil
R(s)+Kp​ + Ki​/s5s + 1C(s)−

Un controlador PI C(s) = Kp + Ki/s controla la planta G(s) = 5/(s + 1) en un lazo con realimentación unitaria. El lazo cerrado debe tener ωₙ = 5 rad/s y ζ = 0,6. Halla la ganancia integral Ki.

G(s) = 5/(s + 1)ωₙ = 5 rad/sζ = 0,6
Ki =

3Disoluciones

1.Resistencias en serie y en paralelo

Respuesta: Req = 23,31 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​ = 15 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​6 VR2​12 ΩAR4​15 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 = 12 + 15 = 27 Ω
R2 ∥ 27 = 12·27/(12+27) = 8,308 Ω
Req = R1 + 8,308 = 15 + 8,308 = 23,31 Ω

Respuesta

Req = 23,31 Ω
2.Resistencias en serie y en paralelo

Respuesta: Req = 18,63 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​ = 12 ΩR3​ = 6 ΩR5​ = 8 Ω+−V1​15 VR2​12 ΩAR4​12 ΩBR6​25 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 = 8 + 25 = 33 Ω
R4 ∥ 33 = 8,8 Ω
R3 + 8,8 = 14,8 Ω
R2 ∥ 14,8 = 6,627 Ω
Req = R1 + 6,627 = 12 + 6,627 = 18,63 Ω

Respuesta

Req = 18,63 Ω
3.Análisis nodal

Respuesta: PIs = 17,45 W

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 igualan la corriente que las fuentes inyectan en A.

VA/R2 + (VA − V1)/R1 + (VA − VB)/R3 = 0
VA/5 + (VA − 15)/4 + (VA − VB)/4 = 0
0,7·VA − 0,25·VB = 3,75

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/12 + (VB − VA)/4 = 1,5
−0,25·VA + 0,3333·VB = 1,5

Resuelve

Δ = (0,7)(0,3333) − (−0,25)(−0,25) = 0,1708
VA = Δ1/Δ = 1,625/0,1708 = 9,512 V
VB = Δ2/Δ = 1,987/0,1708 = 11,63 V

Potencia entregada por la fuente de corriente

La fuente impulsa Iₛ hacia arriba al nodo B, desde tierra (0 V) hasta VB. Una fuente cuya corriente sale por su borne + entrega P = V·I.

PIs = VB·Is = 11,63·1,5 = 17,45 W

Respuesta

PIs = 17,45 W
4.Análisis nodal

Respuesta: Ix = 1,867 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.

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 + 5
(VA − V1)/R1 + VA/R2 + VB/R3 = Is

Resuelve

(VA − 36)/20 + VA/5 + (VA + 5)/2 = 0,5
VA·(1/20 + 1/5 + 1/2) = 0,5 + 36/20 − 5/2 = −0,2
VA = −0,2/0,75 = −0,2667 V
VB = 4,733 V

Corriente por la fuente de tensión

LCK solo en el nodo A: la corriente que llega por R₁ sale por R₂ y por la fuente de tensión.

IR1 = (36 − (−0,2667))/20 = 1,813 A
Ix = IR1 − VA/R2 = 1,813 − (−0,2667)/5 = 1,867 A

Respuesta

Ix = 1,867 A

Un resultado negativo significa que la corriente real circula en contra de la flecha.

5.Análisis de mallas

Respuesta: I2 = −0,3 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​ = 4 ΩR2​ = 12 Ω+−V1​15 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
4·I1 + 2(I1 − I2) = 15
6·I1 − 2·I2 = 15

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
12·I2 + 2(I2 − I1) = (−9)
−2·I1 + 14·I2 = −9

Resuelve

Δ = (6)(14) − (−2)(−2) = 80
I1 = Δ1/Δ = 192/80 = 2,4 A
I2 = Δ2/Δ = −24/80 = −0,3 A

Respuesta

I2 = −0,3 A

Una corriente de malla negativa circula en sentido antihorario.

6.Análisis de mallas

Respuesta: I3 = −2,138 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​ = 4 ΩR2​ = 2 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​18 VR4​4 ΩAR5​20 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
4·I1 + 4(I1 − I2) = 18
8·I1 − 4·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
2·I2 + 4(I2 − I1) + 20(I2 − I3) = 0
−4·I1 + 26·I2 − 20·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
10·I3 + 20(I3 − I2) = (−36)
−20·I2 + 30·I3 = −36

Resuelve

Δ = determinante de la matriz de coeficientes = 2560
I1 = Δ1/Δ = 3960/2560 = 1,547 A
I2 = Δ2/Δ = −3600/2560 = −1,406 A
I3 = Δ3/Δ = −5472/2560 = −2,138 A

Respuesta

I3 = −2,138 A

Una corriente de malla negativa circula en sentido antihorario.

7.Superposición

Respuesta: I = 2 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 la respuesta como suma de contribuciones

Cada contribución es proporcional a su propia fuente, con una constante que depende solo de las resistencias.

I = k₁·Vs + k₂·Is
6·k₁ + 3·k₂ = 1,8
5·k₁ + 10·k₂ = 2,25

Despeja las constantes

Δ = (6)(10) − (3)(5) = 45
k₁ = Δ1/Δ = 11,25/45 = 0,25
k₂ = Δ2/Δ = 4,5/45 = 0,1
k₁ = 0,25 mA/V, k₂ = 0,1

Predice la nueva corriente

I = 0,25·6 + 0,1·5 = 2 mA

Respuesta

I = 2 mA
8.Superposición

Respuesta: I = 15 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
2·I₁ + I₂ + I₃ = 26
I₁ + I₂ − I₃ = 2

Despeja las contribuciones

I₁ = 26 − 20 = 6 mA
I₃ = (20 − 2)/2 = 9 mA
I₂ = 20 − 6 − 9 = 5 mA

Apaga V₂

I = I₁ + I₃ = 6 + 9 = 15 mA

Respuesta

I = 15 mA
9.Thévenin y Norton

Respuesta: IN = 0,2727 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​ = 6 ΩCORTOR2​6 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 = 8·6/(8+6) = 3,429 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3,429 + 6 = 9,429 Ω
R1​ = 8 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​6 VR2​6 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) = 6·6/(8+6) = 2,571 V
IN​0,2727 ARth​9,429 Ωab

Equivalente de Norton

Una fuente de Norton es el mismo circuito visto como una fuente de corriente en paralelo con R_th. Su corriente es la corriente de cortocircuito en a–b.

IN = Vth/Rth = 2,571/9,429 = 0,2727 A
10.Thévenin y Norton

Respuesta: IL = 3,32 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​ = 15 ΩR3​ = 15 ΩCORTOR2​30 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 = 15·30/(15+30) = 10 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 10 + 15 = 25 Ω
R1​ = 15 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​24 VR2​30 ΩAIs​6 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) = 16 + 6·10 = 76 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 76 + 6·15 = 166 V
Rth​ = 25 Ω+−Vth​166 VRL​25 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) = 166/(25 + 25) = 3,32 A
11.Transitorios RC y RL

Respuesta: vL = 1,265 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.

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 = 220 mH / 33 Ω = 6,667 ms
i(∞) = Vs/R = 12/33 = 0,3636 A

Tensión en la bobina

En t = 0 toda la tensión de alimentación aparece en la bobina; después cae a cero.

vL(t) = Vs·e−t/τ = 12·e−15/6,667 = 1,265 V

Respuesta

vL = 1,265 V
12.Transitorios RC y RL

Respuesta: vC = 3,324 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) = 20·3,3/(4,7 + 3,3) = 8,25 V

Constante de tiempo tras abrirse el interruptor

τ = R2·C = 3,3·10 = 33 ms

Descarga

vC(t) = 8,25·e−30/33 = 3,324 V

Respuesta

vC = 3,324 V
13.Impedancia y fasores en alterna

Respuesta: φ = −36,04 °

Circuitos de alterna con fasores: resistencias, bobinas y condensadores tienen impedancias R, jωL y 1/(jωC), con ω = 2πf. En serie, las impedancias se suman como resistencias, pero como números complejos. La corriente y la tensión eficaces siguen la ley de Ohm con |Z|.

Reactancias

ω = 2πf = 2π·200 = 1257 rad/s
XL = ωL = 1257·0,1 = 125,7 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(1257·4,7·10⁻⁶) = 169,3 Ω

Impedancia

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

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(60² + (−43,65)²) = 74,2 Ω

Ángulo de fase

φ = arctan((XL − XC)/R) = arctan(−43,65/60) = −36,04°

Respuesta

φ = −36,04°
14.Impedancia y fasores en alterna

Respuesta: I = 0,1676 A

Circuitos de alterna con fasores: resistencias, bobinas y condensadores tienen impedancias R, jωL y 1/(jωC), con ω = 2πf. En serie, las impedancias se suman como resistencias, pero como números complejos. La corriente y la tensión eficaces siguen la ley de Ohm con |Z|.

Reactancias

ω = 2πf = 2π·50 = 314,2 rad/s
XL = ωL = 314,2·0,25 = 78,54 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(314,2·2,2·10⁻⁶) = 1447 Ω

Impedancia

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

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(100² + (−1368)²) = 1372 Ω

Corriente

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

I = V/|Z| = 230/1372 = 0,1676 A

Respuesta

I = 0,1676 A
15.Potencia en alterna y factor de potencia

Respuesta: X = 6 Ω

Potencia en alterna: la potencia aparente S = V·I (VA) se divide en potencia activa P = S·cos φ (W), que hace trabajo útil, y potencia reactiva Q = S·sin φ (var), que va y viene entre fuente y carga. El factor de potencia es cos φ. Un condensador en paralelo aporta potencia reactiva en el propio punto, así que la corriente de línea baja para la misma potencia activa.

Resistencia a partir de la potencia activa

R = P/I² = 1152/12² = 8 Ω

Reactancia a partir de la impedancia

|Z| = V/I = 120/12 = 10 Ω
X = √(|Z|² − R²) = √(10² − 8²) = 6 Ω

Respuesta

X = 6 Ω
16.Potencia en alterna y factor de potencia

Respuesta: QC = 29,73 kvar

Potencia en alterna: la potencia aparente S = V·I (VA) se divide en potencia activa P = S·cos φ (W), que hace trabajo útil, y potencia reactiva Q = S·sin φ (var), que va y viene entre fuente y carga. El factor de potencia es cos φ. Un condensador en paralelo aporta potencia reactiva en el propio punto, así que la corriente de línea baja para la misma potencia activa.

Potencia reactiva antes y después

La potencia activa P no cambia; solo cambia la potencia reactiva que se toma de la red.

Q1 = P·tan φ1 = 40·tan(49,46°) = 46,77 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 40·tan(23,07°) = 17,04 kvar
QC = Q1 − Q2 = 29,73 kvar

Respuesta

QC = 29,73 kvar
17.Potencia trifásica

Respuesta: P = 19,2 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 = 400/√3 = 230,9 V

Corriente de fase

|Z| = √(3² + 4²) = 5 Ω
Iph = 230,9/5 = 46,19 A

Potencia activa total

Solo la parte resistiva de cada impedancia absorbe potencia activa.

P = 3·Iph²·R = 3·46,19²·3 = 19,2 kW

Respuesta

P = 19,2 kW

Comprobación: cos φ = R/|Z| = 0,6, y √3·VL·IL·cos φ da la misma potencia.

18.Potencia trifásica

Respuesta: QC = 23,68 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 = 50·tan(acos 0,78) = 50·0,8023 = 40,11 kvar
Q2 = 50·tan(acos 0,95) = 50·0,3287 = 16,43 kvar

Potencia reactiva de los condensadores

QC = Q1 − Q2 = 23,68 kvar

Respuesta

QC = 23,68 kvar
19.Transformadores

Respuesta: ILV = 65,22 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 = 15000/230 = 65,22 A

Respuesta

ILV = 65,22 A
20.Transformadores

Respuesta: Ploss = 2213 W

Pérdidas del transformador: las pérdidas en el hierro (histéresis y corrientes de Foucault) dependen de la tensión y son las mismas con cualquier carga. Las pérdidas en el cobre de los devanados van con el cuadrado de la corriente, así que a una fracción x de la carga nominal valen x²·Pcu,fl. Rendimiento η = Pout/(Pout + Pcore + Pcu), con Pout = x·S·pf. El rendimiento es máximo con la carga a la que las pérdidas en el cobre igualan a las pérdidas en el hierro.

Pérdidas en el cobre con esta carga

Pcu = x²·Pcu,fl = 0,5625·1800 = 1013 W

Pérdidas totales

Las pérdidas en el hierro son las mismas con cualquier carga.

Ploss = 1200 + 1013 = 2213 W

Respuesta

Ploss = 2213 W

El rendimiento con esta carga es η = 97,97%.

21.Circuitos con amplificador operacional

Respuesta: Vout = 0,7273 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 la entrada +

V₊ = Vin·Rb/(Ra + Rb) = 4·1/(10 + 1) = 0,3636 V

Ganancia no inversora

V₋ = V₊, y la corriente por R₁ también circula por Rf.

Vout = V₊·(1 + Rf/R1) = 0,3636·(1 + 100/100) = 0,7273 V

Respuesta

Vout = 0,7273 V
22.Circuitos con amplificador operacional

Respuesta: If = 0,695 mA

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 = −0,5/100 = −0,005 mA
I2 = V2/R2 = 0,7/1 = 0,7 mA
If = I1 + I2 = 0,695 mA

Respuesta

If = 0,695 mA
23.Diodos y transistores

Respuesta: IZ = 44,23 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 = 12,4/270 = 45,93 mA

Corriente en la carga

IL = 5,6/3300 = 1,697 mA

Corriente del Zener

IZ = 45,93 − 1,697 = 44,23 mA

Respuesta

IZ = 44,23 mA
24.Diodos y transistores

Respuesta: ID = 13,43 mA

Circuitos con LED y diodos: un LED polarizado en directa cae aproximadamente su tensión directa VF (unos 2 V para el rojo, 3 V para el azul o el blanco), sea cual sea la corriente. Una resistencia en serie fija la corriente: R = (Vs − n·VF)/I para n LED en serie. Con un modelo de diodo más exacto V = V₀ + I·rd, el punto de funcionamiento está donde la recta del diodo corta a la recta de carga I = (Vs − V)/R, así que I = (Vs − V₀)/(R + rd).

Combina las dos ecuaciones

3 = 0,65 + I·(150 + 25)

Corriente de funcionamiento

ID = 2,35/175 = 13,43 mA
VD = 0,65 + 0,01343·25 = 0,9857 V

Respuesta

ID = 13,43 mA
25.Sistemas de numeración

Respuesta: U = 226

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

30 = 0001 1110
invertido: 1110 0001
+1 → 1110 0010

Leerlo sin signo

1110 0010₂ = 256 − 30 = 226

Respuesta

U = 226
26.Sistemas de numeración

Respuesta: R = 115

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

XOR da 1 donde los dos bits son distintos.

1110 1011
XOR 1001 1000
= 0111 0011

Valor del resultado

0111 0011₂ = 115

Respuesta

R = 115
27.Lógica digital: puertas, mapas K y biestables

Respuesta: L = 4

Álgebra de Boole: las reglas que simplifican expresiones son X + X′ = 1 y X·X′ = 0, X + X = X, la absorción X + X·Y = X, la regla de combinación X·Y + X·Y′ = X, X + X′Y = X + Y y el teorema del consenso XY + X′Z + YZ = XY + X′Z. Las leyes de De Morgan convierten (X·Y)′ en X′ + Y′ y (X + Y)′ en X′·Y′. Un mapa de Karnaugh aplica estas reglas de forma gráfica: cada grupo de dos celdas vecinas es un uso de XY + XY′ = X.

Minitérminos de la expresión

ABC′ → m(6)
BC → m(3, 7)
A′BC → m(3)
A′C → m(1, 3)
ABC00011110010011130204051716

Agrupa y lee

F = A′C + AB

Cuenta los literales

L = 4

Respuesta

L = 4
28.Lógica digital: puertas, mapas K y biestables

Respuesta: L = 6

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.

BD, A′B′C′D′
ABCD00011110000111101001030204151706012113X15X140809011010

Cobertura mínima

F = BD + A′B′C′D′
L = 6

Respuesta

L = 6
29.Transformadas de Laplace

Respuesta: f(0.2) = 3,235

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 + 8s + 16 = (s + 4)²

Fracciones parciales

6s + 30 = 6(s + 4) + 6
F(s) = 6/(s + 4) + 6/(s + 4)²

Transformada inversa

f(t) = 6·e−4t + 6·t·e−4t
f(0,2) = (6 + 6·0,2)·e−4·0,2 = 3,235

Respuesta

f(0,2) = 3,235
30.Transformadas de Laplace

Respuesta: g(1.5) = 2,909

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) = (s + 14)/(s² + 2s + 2)

Fracciones parciales

s² + 2s + 2 = (s + 1)² + 1²
G(s) = 1·(s + 1)/((s + 1)² + 1²) + (13/1)·1/((s + 1)² + 1²)

Respuesta al impulso

g(t) = e−t·(cos 1t + 13·sin 1t)
g(1,5) = 2,909

Respuesta

g(1,5) = 2,909
31.Diagramas de bloques

Respuesta: p = −104

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).

Lazo interno

Gᵢ = G/(1 + G·H₁) = 6/(s + 2 + 6·1) = 6/(s + 8)

Lazo externo

T(s) = K·Gᵢ/(1 + K·Gᵢ) = 96/(s + 8 + 96) = 96/(s + 104)

Resultado

p = −104

Respuesta

p = −104
32.Diagramas de bloques

Respuesta: css = 1,366

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) = 9/(s + 8 + 216)
C/R = K·G/(1 + K·G) = 216/(s + 8 + 216)

Estado estacionario

css = 1·216/224 + 10·9/224 = 1,366

Respuesta

css = 1,366

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

33.Respuesta al escalón

Respuesta: %OS = 4,866 %

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 = 13 → ωₙ = 3,606 rad/s
2ζωₙ = 5 → ζ = 5/(2·3,606) = 0,6934

Resultado

%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 100·e−3,023 = 4,866 %

Respuesta

%OS = 4,866 %
34.Respuesta al escalón

Respuesta: tp = 4,823 ms

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 = 1/√(LC) = 1/√(0,02·1 × 10⁻⁴) = 707,1 rad/s
ζ = (R/2)·√(C/L) = (11/2)·√(1 × 10⁻⁴/0,02) = 0,3889

Resultado

ωd = 651,4 rad/s
tp = π/ωd = 4,823 ms

Respuesta

tp = 4,823 ms
35.Diagramas de Bode y márgenes

Respuesta: φ = −11,31 °

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 = R/L = 47/0,022 = 2136 rad/s
fc = 340 Hz → f/fc = 68/340 = 0,2

Fase

φ = − atan(0,2) = −11,31°

Respuesta

φ = −11,31°
36.Diagramas de Bode y márgenes

Respuesta: GM = 7,959 dB

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

Cruce de fase

(ω/3)·(ω/5) = 1 → ω180 = √(3·5) = 3,873 rad/s

Módulo en el cruce de fase

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 9)·√(ω² + 25)) = K/(3·5·(3 + 5)) = K/120

Margen de ganancia

GM = 20·log₁₀(120/48) = 7,959 dB

Respuesta

GM = 7,959 dB
37.Estabilidad: Routh–Hurwitz y lugar de las raíces

Respuesta: Kmin = 10

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.

Polinomio característico

(s − 2)(s + 5) + K(s + 1) = s² + (3 + K)s + (1K − 10)

Condiciones

Para s² + c₁s + c₀ todas las raíces están en el semiplano izquierdo exactamente cuando c₁ > 0 y c₀ > 0.

3 + K > 0 → K > −3
1K − 10 > 0 → K > 10
Kmin = 10

Respuesta

Kmin = 10
38.Estabilidad: Routh–Hurwitz y lugar de las raíces

Respuesta: ω = 6,856 rad/s

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.

Ganancia crítica

s³ + 12s² + 47s + 60 + K = 0
s¹: (12·47 − 60 − K)/12 = 0 → K = 504

Frecuencia de cruce

12s² + 60 + 504 = 12s² + 564 = 0 → s² = −47
ω = √47 = 6,856 rad/s

Respuesta

ω = 6,856 rad/s
39.Error en régimen permanente y control PID

Respuesta: ess = 2,439 %

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 posición

Kp = 10·4 = 40

Error ante escalón

ess = 100/(1 + 40) = 2,439 %

Respuesta

ess = 2,439 %
40.Error en régimen permanente y control PID

Respuesta: Ki = 5

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

1 + C(s)G(s) = 0, multiplicado por s(s + 1).

s² + (1 + 5Kp)s + 5Ki

Polinomio objetivo

s² + 2·0,6·5s + 5² = s² + 6s + 25

Iguala los coeficientes

5Ki = 25 → Ki = 5

Respuesta

Ki = 5

El término integral hace que el lazo sea de tipo 1, así que un escalón se sigue sin error en régimen permanente.

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