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

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

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1Fórmulas y métodos

Resistencias en serie y en paralelo

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

Método

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

Análisis nodal

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

Método

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

Análisis de mallas

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

Método

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

Superposición

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

Método

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

Thévenin y Norton

Tensión de Thévenin
Vth = Vopen circuit
Resistencia de Thévenin
Rth: todas las fuentes apagadas, vista desde a–b
Corriente de Norton
IN = Vth/Rth
Corriente en la carga
IL = Vth/(Rth + RL)
Máxima transferencia de potencia
RL = Rth, Pmax = Vth²/(4Rth)

Método

  1. Quita la carga y marca los dos terminales a y b.
  2. Halla la tensión en circuito abierto entre a y b: es Vth.
  3. Anula todas las fuentes independientes y halla la resistencia vista desde a–b: es Rth.
  4. Vuelve a conectar la carga al circuito equivalente: Vth en serie con Rth.
  5. Para el equivalente de Norton, convierte: IN = Vth/Rth, con RN = Rth en paralelo.

Transitorios RC y RL

Constante de tiempo
τ = RC | τ = L/R
Respuesta
x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ
Condensador en continua
circuito abierto; vC no puede saltar
Bobina en continua
cortocircuito; iL no puede saltar
Régimen permanente
t ≈ 5τ

Método

  1. Halla el valor inicial justo después de la conmutación: la tensión de un condensador y la corriente de una bobina no pueden variar bruscamente.
  2. Halla el valor final mucho después de la conmutación: un condensador se comporta como un circuito abierto y una bobina como un cortocircuito.
  3. Halla la constante de tiempo: τ = RC o τ = L/R, usando la resistencia que ve el condensador o la bobina.
  4. Usa x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ.

Impedancia y fasores en alterna

Impedancias
ZR = R, ZL = jωL, ZC = 1/(jωC)
Frecuencia angular
ω = 2πf
Módulo y ángulo
|Z| = √(R² + X²), φ = atan(X/R)
Ley de Ohm con fasores
V = I·Z

Método

  1. Convierte la frecuencia: ω = 2πf.
  2. Halla cada reactancia: XL = ωL y XC = 1/(ωC).
  3. Suma las impedancias como resistencias, con Z = R + jX.
  4. Halla el módulo |Z| = √(R² + X²) y el ángulo φ = atan(X/R), y luego aplica la ley de Ohm con fasores.

Potencia en alterna y factor de potencia

Potencia activa
P = V·I·cos φ
Potencia reactiva
Q = V·I·sin φ
Potencia aparente
S = V·I = √(P² + Q²)
Factor de potencia
pf = cos φ = P/S
Condensador de compensación
QC = P(tan φ1 − tan φ2), C = QC/(ωV²)

Potencia trifásica

Conexión en estrella (Y)
VL = √3·Vph, IL = Iph
Conexión en triángulo (Δ)
VL = Vph, IL = √3·Iph
Potencia activa total
P = √3·VL·IL·cos φ = 3·Iph²·R
Potencia aparente y reactiva
S = √3·VL·IL, Q = P·tan φ
Condensadores de compensación
QC = P(tan φ1 − tan φ2), C = QC/(3ωV²)
Tensión en cada condensador
Δ: VL Y: VL/√3
Potencia absorbida por el motor
Pin = Pout/η

Transformadores

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

Circuitos con amplificador operacional

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

Diodos y transistores

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

Sistemas de numeración

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

Lógica digital: puertas, mapas K y biestables

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

Método

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

Estabilidad: Routh–Hurwitz y lugar de las raíces

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

Método

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

Error en régimen permanente y control PID

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

Método

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

2Problemas de práctica

1.Resistencias en serie y en paraleloMedia
R1​ = 10 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​30 VR2​4 ΩIR2​AR4​15 ΩB

Halla la corriente IR2 por R2.

V1 = 30 VR1 = 10 ΩR2 = 4 ΩR3 = 6 ΩR4 = 15 Ω
IR2 = A
2.Resistencias en serie y en paraleloDifícil
R1​ = 4 ΩR3​ = 6 ΩR5​ = 10 Ω+−V1​15 VR2​2 ΩIR2​AR4​15 ΩBR6​2 Ω

Halla la corriente IR2 por R2.

V1 = 15 VR1 = 4 ΩR2 = 2 ΩR3 = 6 ΩR4 = 15 ΩR5 = 10 ΩR6 = 2 Ω
IR2 = A
3.Análisis nodalMedia
R1​ = 8 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​12 VR2​8 ΩAR4​6 ΩBIs​1,5 A

Usa el análisis nodal para hallar la tensión de nodo VA (respecto a tierra).

V1 = 12 VIs = 1,5 AR1 = 8 ΩR2 = 8 ΩR3 = 12 ΩR4 = 6 Ω
VA = V
4.Análisis nodalDifícil
R1​ = 25 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​12 VR2​30 ΩAR4​5 ΩBIs​?

La fuente de corriente se ajusta hasta que la tensión de nodo en A es VA = 14 V. Usa el análisis nodal para hallar la corriente de la fuente Is (con el sentido indicado).

V1 = 12 VR1 = 25 ΩR2 = 30 ΩR3 = 10 ΩR4 = 5 ΩVA = 14 V
Is = A
5.Análisis de mallasMedia
R1​ = 15 ΩR2​ = 12 ΩIR2​+−V1​6 VR3​4 ΩA+−V2​10 VI1​I2​

Usa el análisis de mallas para hallar la corriente IR2 por R2 en el sentido de la flecha.

V1 = 6 VV2 = 10 VR1 = 15 ΩR2 = 12 ΩR3 = 4 Ω
IR2 = A
6.Análisis de mallasDifícil
R1​ = 5 Ω+−VR1​R2​ = 12 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​24 VR4​2 ΩAR5​6 ΩB+−V2​12 VI1​I2​I3​

Usa el análisis de mallas para hallar la tensión VR1 en R1 con la polaridad indicada.

V1 = 24 VV2 = 12 VR1 = 5 ΩR2 = 12 ΩR3 = 10 ΩR4 = 2 ΩR5 = 6 Ω
VR1 = V
7.SuperposiciónMedia
R1​ = 4 ΩR3​ = 5 ΩIR3​+−V1​6 VR2​8 ΩAR4​15 ΩBIs​3 A

Usa el principio de superposición para hallar la corriente IR3 por R3 en el sentido de la flecha.

V1 = 6 VIs = 3 AR1 = 4 ΩR2 = 8 ΩR3 = 5 ΩR4 = 15 Ω
IR3 = A
8.SuperposiciónDifícil
R1​ = 8 ΩIR1​R2​ = 25 ΩR4​ = 10 Ω+−V1​9 VR3​30 ΩAIs​3 AB+−V2​12 V

Usa la superposición para hallar la potencia PR1 absorbida por R1.

V1 = 9 VIs = 3 AV2 = 12 VR1 = 8 ΩR2 = 25 ΩR3 = 30 ΩR4 = 10 Ω
PR1 = W
9.Thévenin y NortonMedia
R1​ = 20 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​18 VR2​3 ΩAab

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

V1 = 18 VR1 = 20 ΩR2 = 3 ΩR3 = 12 Ω
Rth = Ω
10.Thévenin y NortonDifícil
R1​ = 20 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​15 VR2​30 ΩAIs​5 ABRL​30 ΩIL​

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

V1 = 15 VIs = 5 AR1 = 20 ΩR2 = 30 ΩR3 = 12 ΩRL = 30 Ω
IL = A
11.Transitorios RC y RLMedia
+−Vs​20 Vt = 0R = 20 ΩL150 mHi(t)

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

Vs = 20 VR = 20 ΩL = 150 mHt = 15 ms
i = A
12.Transitorios RC y RLDifícil
+−Vs​24 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 = 60 ms.

Vs = 24 VR1 = 4,7 kΩR2 = 3,3 kΩC = 10 µFt = 60 ms
vC = V
13.Impedancia y fasores en alternaMedia
50 V500 HzR = 50 ΩL = 150 mHC = 4,7 µFI

Un circuito RLC en serie está conectado a una alimentación de 50 V (eficaces) y 500 Hz. Halla la corriente eficaz I.

V = 50 V (rms)f = 500 HzR = 50 ΩL = 150 mHC = 4,7 µF
I = A
14.Impedancia y fasores en alternaDifícil
10 V500 HzR = 15 ΩL = 20 mHC = 22 µF

Un circuito RLC en serie está conectado a una alimentación de 10 V (eficaces) y 500 Hz. Halla la frecuencia de resonancia f0 del circuito.

V = 10 V (rms)f = 500 HzR = 15 ΩL = 20 mHC = 22 µF
f0 = Hz
15.Potencia en alterna y factor de potenciaMedia
P = 19 kWQ = ?Sφ

Un motor monofásico consume 19 kW con un factor de potencia de 0,75 inductivo de una alimentación de 240 V. Halla la potencia reactiva Q que consume.

P = 19 kWpf = 0,75V = 240 V
Q = kvar
16.Potencia en alterna y factor de potenciaDifícil
240 V50 Hzcarga9 kW, 0,75C330 µFI

Una carga monofásica consume 9 kW con un factor de potencia de 0,75 inductivo de una alimentación de 240 V y 50 Hz. Se conecta un condensador de 330 µF en paralelo con la carga. Halla el nuevo factor de potencia cos φ que ve la alimentación.

P = 9 kWpf1 = 0,75V = 240 Vf = 50 HzC = 330 µF
cos φ =
17.Potencia trifásicaMedia
ABCVL​ = 480 VIL​ = 60 Acos φ = 0,7inductivo

Una carga trifásica equilibrada consume una corriente de línea de 60 A de una alimentación con una tensión de línea de 480 V. El factor de potencia es 0,7 inductivo. Halla la potencia activa total P que consume la carga en kW.

VL = 480 VIL = 60 Acos φ = 0,7
P = kW
18.Potencia trifásicaDifícil
P = 80 kWφ1​S1​Q2​QC​

Una carga trifásica equilibrada consume 80 kW con un factor de potencia de 0,8 inductivo de una alimentación de 400 V (de línea) y 50 Hz. Una batería trifásica de condensadores en paralelo con la carga debe elevar el factor de potencia total a 0,98 inductivo. La potencia activa no cambia. Los condensadores están conectados en estrella. Halla la capacidad Cph de cada condensador en µF.

P = 80 kWpf1 = 0,8pf2 = 0,98VL = 400 Vf = 50 Hz
Cph = µF
19.TransformadoresMedia
50 ΩN1​N2​1250 Ω

Un amplificador con una resistencia de salida de 1250 Ω alimenta un altavoz de 50 Ω a través de un transformador ideal. Para la máxima transferencia de potencia, el altavoz debe verse como 1250 Ω desde el amplificador. Halla la relación de transformación a = N₁/N₂.

Rs = 1250 ΩRL = 50 Ω
a =
20.TransformadoresDifícil
pf 0,8525 kVA, η = 97,5%

Un transformador monofásico de 25 kVA tiene unas pérdidas en el hierro de 200 W. A carga nominal y con un factor de potencia de 0,85 inductivo su rendimiento es del 97,5 %. Halla las pérdidas en el cobre a plena carga Pcu,fl en vatios.

S = 25 kVAPcore = 200 Wpf = 0,85η = 97,5%
Pcu,fl = W
21.Circuitos con amplificador operacionalMedia
−+Vout​Rf​ = 47 kΩR1​ = 22 kΩVin​ = −0,6 V

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

Vin = −0,6 VR1 = 22 kΩRf = 47 kΩ
Vout = V
22.Circuitos con amplificador operacionalDifícil
−+Vout​R2​ = 47 kΩV1​ = 1,4 VR1​ = 4,7 kΩV2​ = 0,6 VR3​ = 4,7 kΩR4​ = 22 kΩ

El amplificador operacional es ideal y se alimenta con ±15 V. Las relaciones de resistencias no están igualadas. Halla la tensión de salida Vout.

V1 = 1,4 VV2 = 0,6 VR1 = 4,7 kΩR2 = 47 kΩR3 = 4,7 kΩR4 = 22 kΩ
Vout = V
23.Diodos y transistoresMedia
RC​ = 2,2 kΩβ = 120VCC​ = 12 VRB​ = 560 kΩ

Un transistor NPN con β = 120 se polariza con una resistencia de base RB = 560 kΩ desde la alimentación VCC = 12 V. La resistencia de colector es RC = 2,2 kΩ y el emisor está a tierra. Toma VBE = 0,7 V y supón que el transistor está en la región activa. Halla la tensión colector–emisor VCE.

VCC = 12 VRB = 560 kΩRC = 2,2 kΩβ = 120VBE = 0,7 V
VCE = V
24.Diodos y transistoresDifícil
RC​ = 330 Ωβ = 150VCC​ = 12 V3,3 VRB​ = ?

Un transistor NPN con β = 150 conmuta una resistencia de carga de 330 Ω conectada entre VCC = 12 V y su colector. El emisor está a tierra. La base se excita desde una salida lógica de 3,3 V a través de una resistencia de base RB. Toma VBE = 0,7 V y VCE(sat) = 0,2 V. Halla la mayor resistencia de base RB, en kΩ, que todavía lleva el transistor justo a saturación.

VCC = 12 VRC = 330 Ωβ = 150Vin = 3,3 VVBE = 0,7 VVCE(sat) = 0,2 V
RB = kΩ
25.Sistemas de numeraciónMedia
complemento a dos de 8 bits?−128?64?32?16?8?4?2?1

Escribe −79 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 = −798 bit
U =
26.Sistemas de numeraciónDifícil
2967 códigos, b = ? bits?2ᵇ⁻¹…?4?2?1

Un sistema debe dar a cada uno de 2967 elementos su propio código binario de la misma longitud. ¿Cuál es el menor número de bits b necesario?

2967
b = bit
27.Lógica digital: puertas, mapas K y biestablesMedia
ABCD0001111000011110111111

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(2, 4, 6, 7, 8, 14)
  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
ABCD00011110000111101001X3X2040517060120130150140819111110

Halla la forma SOP mínima de F(A, B, C, D) = Σm(0, 7, 9, 10, 11) + d(2, 3), donde d marca las condiciones indiferentes. ¿Cuántos literales, L, contiene?

F(A, B, C, D) = Σm(0, 7, 9, 10, 11) + d(2, 3)
L =
29.Transformadas de LaplaceMedia
ReIm−1−2−3−4−5−6−7−8−91

F(s) = (4s + 24)/(s² + 11s + 24). Su transformada inversa tiene la forma f(t) = A·e−3t + B·e−8t. Halla el coeficiente A por fracciones parciales.

F(s) = (4s + 24)/(s² + 11s + 24)
A =
30.Transformadas de LaplaceDifícil
t (s)y(t)t = 1,2y(1,2) = ?

Un sistema cumple y″ + 5y′ + 4y = 20·u(t). Parte del reposo (y(0) = 0, y′(0) = 0) y la entrada es un escalón u(t) = 5 para t ≥ 0. Usa la transformada de Laplace para hallar la salida y(1,2).

y″ + 5y′ + 4y = 20·u(t)u(t) = 5y(0) = 0, y′(0) = 0t = 1,2 s
y(1.2) =
31.Diagramas de bloquesMedia
R(s)+17K+2s + 1G(s)C(s)4H₁−−

La planta G(s) = 2/(s + 1) tiene un lazo interno (menor) de realimentación negativa con ganancia H₁ = 4. Una ganancia de controlador K = 17 y un lazo externo de realimentación negativa unitaria cierran el sistema. Halla el polo en lazo cerrado p.

G(s) = 2/(s + 1)H₁ = 4K = 17
p =
32.Diagramas de bloquesDifícil
R(s)+29controlador+D(s)+6s + 4plantaC(s)−

Un controlador proporcional K = 29 gobierna la planta G(s) = 6/(s + 4) en un lazo de realimentación negativa unitaria. Una perturbación D entra a la entrada de la planta (se suma a la salida del controlador). Con R = 0, se aplica un escalón de perturbación de tamaño 5. Halla la salida en régimen estacionario css.

K = 29G(s) = 6/(s + 4)D = 5R = 0
css =
33.Respuesta al escalónMedia
t (s)y(t)3?

Un sistema tiene la función de transferencia G(s) = 189/(s² + 2s + 63) y recibe una entrada escalón unitario. Halla el sobreimpulso porcentual %OS de la respuesta al escalón.

G(s) = 189/(s² + 2s + 63)
%OS = %
34.Respuesta al escalónDifícil
k = 400 N/mc = 18 N·s/mm = 5 kgF = 50 Nx(t)

Una masa m = 5 kg cuelga de un resorte k = 400 N/m con un amortiguador viscoso c = 18 N·s/m (m·x″ + c·x′ + k·x = F). En reposo, en equilibrio, se aplica de repente una fuerza constante F = 50 N. Halla el factor de amortiguamiento ζ.

m = 5 kgk = 400 N/mc = 18 N·s/mF = 50 N
ζ =
35.Diagramas de Bode y márgenesMedia
vin​L = 1 mHC = 2,2 µFR = 10 Ωvout​

En el filtro paso banda RLC serie mostrado, la salida se toma en R = 10 Ω, con L = 1 mH y C = 2,2 µF. Halla el factor de calidad Q.

R = 10 ΩL = 1 mHC = 2,2 µF
Q =
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) = 90/(s(s + 2)(s + 8)). Halla el margen de ganancia GM en dB.

L(s) = 90/(s(s + 2)(s + 8))
GM = dB
37.Estabilidad: Routh–Hurwitz y lugar de las raícesMedia
R(s)+K1s(s + 4)(s + 6)C(s)−

El lazo del diagrama tiene la función de transferencia de lazo abierto L(s) = K/(s(s + 4)(s + 6)). Se aumenta la ganancia hasta que el lazo cerrado está en el límite de la estabilidad. Halla la frecuencia ω de la oscilación sostenida.

L(s) = K/(s(s + 4)(s + 6))
ω = rad/s
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 + 5)(s + 6)). Halla la frecuencia ω a la que el lugar cruza el eje imaginario.

L(s) = K/((s + 3)(s + 5)(s + 6))
ω = rad/s
39.Error en régimen permanente y control PIDMedia
r(t) = 5 + 2t+5(s + 4)s(s + 1)(s + 10)C(s)−

Se aplica la entrada r(t) = 5 + 2t (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 + 2t
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 = 10 rad/s y ζ = 0,8. Halla la ganancia proporcional Kp.

G(s) = 5/(s + 1)ωₙ = 10 rad/sζ = 0,8
Kp =

3Disoluciones

1.Resistencias en serie y en paralelo

Respuesta: IR2 = 1,886 A

Resistencias en serie y en paralelo: en serie, la misma corriente pasa por cada resistencia y R = R₁ + R₂ + …. En paralelo, cada resistencia tiene la misma tensión y 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …. Una red en escalera se reduce por parejas hasta que queda una sola resistencia equivalente.

R1​ = 10 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​30 VR2​4 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 = 6 + 15 = 21 Ω
R2 ∥ 21 = 4·21/(4+21) = 3,36 Ω
Req = R1 + 3,36 = 10 + 3,36 = 13,36 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 = 30/13,36 = 2,246 A

Corriente por R₂

Resta la caída en R₁ para obtener la tensión en el nodo A, que es la tensión en R₂.

VA = V1 − IR1·R1 = 30 − 2,246·10 = 7,545 V
IR2 = VA/R2 = 7,545/4 = 1,886 A

Respuesta

IR2 = 1,886 A
2.Resistencias en serie y en paralelo

Respuesta: IR2 = 2,262 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​ = 4 ΩR3​ = 6 ΩR5​ = 10 Ω+−V1​15 VR2​2 ΩAR4​15 ΩBR6​2 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 = 10 + 2 = 12 Ω
R4 ∥ 12 = 6,667 Ω
R3 + 6,667 = 12,67 Ω
R2 ∥ 12,67 = 1,727 Ω
Req = R1 + 1,727 = 4 + 1,727 = 5,727 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 = 15/5,727 = 2,619 A

Corriente por R₂

Resta la caída en R₁ para obtener la tensión en el nodo A, que es la tensión en R₂.

VA = V1 − IR1·R1 = 15 − 2,619·4 = 4,524 V
IR2 = VA/R2 = 4,524/2 = 2,262 A

Respuesta

IR2 = 2,262 A
3.Análisis nodal

Respuesta: VA = 3,273 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.

R1​ = 8 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​12 VR2​8 ΩAR4​6 ΩBIs​1,5 A

Plantea los nodos

La tierra es el cable inferior. Las tensiones de nodo conocidas salen directamente de las fuentes (V1 = 12 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/8 + (VA − 12)/8 + (VA − VB)/12 = 0
0,3333·VA − 0,08333·VB = 1,5

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/6 + (VB − VA)/12 = (−1,5)
−0,08333·VA + 0,25·VB = −1,5

Resuelve

Δ = (0,3333)(0,25) − (−0,08333)(−0,08333) = 0,07639
VA = Δ1/Δ = 0,25/0,07639 = 3,273 V
VB = Δ2/Δ = −0,375/0,07639 = −4,909 V

Respuesta

VA = 3,273 V
4.Análisis nodal

Respuesta: Is = 4,44 A

Análisis nodal: elige un nodo de referencia, nombra las tensiones de nodo desconocidas, escribe la ley de corrientes de Kirchhoff en cada nodo desconocido usando la ley de Ohm (I = ΔV/R) y resuelve las ecuaciones resultantes.

LCK en el nodo A

VA es conocida, así que esta ecuación da VB.

(VA − V1)/R1 + VA/R2 + (VA − VB)/R3 = 0
(14 − 12)/25 + 14/30 = (VB − 14)/10
0,5467 = (VB − 14)/10 → VB = 19,47 V

LCK en el nodo B

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

Is = (VB − VA)/R3 + VB/R4 = (19,47 − 14)/10 + 19,47/5 = 4,44 A

Respuesta

Is = 4,44 A
5.Análisis de mallas

Respuesta: IR2 = −0,5764 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​ = 12 Ω+−V1​6 VR3​4 ΩA+−V2​10 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 + 4(I1 − I2) = 6
19·I1 − 4·I2 = 6

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 + 4(I2 − I1) = (−10)
−4·I1 + 16·I2 = −10

Resuelve

Δ = (19)(16) − (−4)(−4) = 288
I1 = Δ1/Δ = 56/288 = 0,1944 A
I2 = Δ2/Δ = −166/288 = −0,5764 A

Respuesta

IR2 = I2 = −0,5764 A

Una corriente de malla negativa circula en sentido antihorario.

6.Análisis de mallas

Respuesta: VR1 = 17,34 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​ = 5 ΩR2​ = 12 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​24 VR4​2 ΩAR5​6 ΩB+−V2​12 VI1​I2​I3​

Asigna las corrientes de malla

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

LTK en la malla 1

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

R1·I1 + R4(I1 − I2) = V1
5·I1 + 2(I1 − I2) = 24
7·I1 − 2·I2 = 24

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
12·I2 + 2(I2 − I1) + 6(I2 − I3) = 0
−2·I1 + 20·I2 − 6·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 + 6(I3 − I2) = (−12)
−6·I2 + 16·I3 = −12

Resuelve

Δ = determinante de la matriz de coeficientes = 1924
I1 = Δ1/Δ = 6672/1924 = 3,468 A
I2 = Δ2/Δ = 264/1924 = 0,1372 A
I3 = Δ3/Δ = −1344/1924 = −0,6985 A

Respuesta

IR1 = I1 = 3,468 A
VR1 = IR1·R1 = 3,468·5 = 17,34 V

Una corriente de malla negativa circula en sentido antihorario.

7.Superposición

Respuesta: IR3 = 1,809 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​ = 4 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​6 VR2​8 ΩAR4​15 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 = 5+15 = 20 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 8·20/(8+20) = 5,714 Ω
VA = 6·5,714/(4+5,714) = 3,529 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 3,529·15/20 = 2,647 V
IR3′ = (VB − VA)/R3 = (2,647 − 3,529)/5 = −0,1765 A
R1​ = 4 ΩR3​ = 5 ΩCORTOR2​8 ΩAR4​15 ΩBIs​3 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 = 4·8/(4+8) = 2,667 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 15 ∥ 7,667 = 5,074 Ω
VB = Is·Req = 3·5,074 = 15,22 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 15,22·2,667/7,667 = 5,294 V
IR3″ = (VB − VA)/R3 = (15,22 − 5,294)/5 = 1,985 A

Suma las contribuciones

IR3 = IR3′ + IR3″
IR3 = (−0,1765) + 1,985 = 1,809 A

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

8.Superposición

Respuesta: PR1 = 1,479 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​ = 8 ΩR2​ = 25 ΩR4​ = 10 Ω+−V1​9 VR3​30 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) = 30 ∥ 35 = 16,15 Ω
VA = 9·16,15/(8+16,15) = 6,019 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 6,019·10/35 = 1,72 V
IR1′ = (V1 − VA)/R1 = (9 − 6,019)/8 = 0,3726 A
R1​ = 8 ΩR2​ = 25 ΩR4​ = 10 ΩCORTOR3​30 ΩAIs​3 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 = 6,316 Ω, así que el camino de la izquierda es R2+6,316 = 31,32 Ω
Req = R4 ∥ 31,32 = 7,58 Ω
VB = Is·Req = 3·7,58 = 22,74 V
VA = VB·6,316/31,32 = 4,586 V
IR1″ = (V1 − VA)/R1 = (0 − 4,586)/8 = −0,5732 A
R1​ = 8 ΩR2​ = 25 ΩR4​ = 10 ΩCORTOR3​30 ΩAABIERTOB+−V2​12 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 = 8·30/(8+30) = 6,316 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = 12·31,32/41,32 = 9,096 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = 9,096·6,316/31,32 = 1,834 V
IR1‴ = (V1 − VA)/R1 = (0 − 1,834)/8 = −0,2293 A

Suma las contribuciones de corriente

IR1 = IR1′ + IR1″ + IR1‴ = 0,3726 + (−0,5732) + (−0,2293) = −0,4299 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.

PR1 = IR1²·R1 = (−0,4299)²·8 = 1,479 W

Respuesta

PR1 = 1,479 W

Sumar las potencias de los casos por separado daría 4,16 W, lo cual es incorrecto.

9.Thévenin y Norton

Respuesta: Rth = 14,61 Ω

Teorema de Thévenin: toda red lineal de dos terminales se comporta como una única fuente de tensión Vth en serie con una resistencia Rth. El teorema de Norton da la misma red como una fuente de corriente IN = Vth/Rth en paralelo con Rth.

R1​ = 20 ΩR3​ = 12 ΩCORTOR2​3 ΩAabRth​

Halla Rth con todas las fuentes apagadas

Sustituye las fuentes de tensión por cortocircuitos y las de corriente por circuitos abiertos, y mira el circuito desde a–b.

R1 ∥ R2 = 20·3/(20+3) = 2,609 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,609 + 12 = 14,61 Ω
10.Thévenin y Norton

Respuesta: IL = 2,389 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​ = 20 ΩR3​ = 12 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 = 20·30/(20+30) = 12 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 12 + 12 = 24 Ω
R1​ = 20 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​15 VR2​30 ΩAIs​5 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 + 5·12 = 69 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 69 + 5·12 = 129 V
Rth​ = 24 Ω+−Vth​129 VRL​30 ΩIL​

Conecta la carga al equivalente de Thévenin

La fuente de Thévenin y R_th en serie se comportan exactamente como el circuito original en a–b, así que la carga ve un simple lazo en serie.

IL = Vth/(Rth + RL) = 129/(24 + 30) = 2,389 A
11.Transitorios RC y RL

Respuesta: i = 0,8647 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 = 150 mH / 20 Ω = 7,5 ms
i(∞) = Vs/R = 20/20 = 1 A

Corriente en el instante dado

i(t) = i(∞)·(1 − e−t/τ) = 1·(1 − e−15/7,5) = 0,8647 A

Respuesta

i = 0,8647 A
12.Transitorios RC y RL

Respuesta: vC = 1,607 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) = 24·3,3/(4,7 + 3,3) = 9,9 V

Constante de tiempo tras abrirse el interruptor

τ = R2·C = 3,3·10 = 33 ms

Descarga

vC(t) = 9,9·e−60/33 = 1,607 V

Respuesta

vC = 1,607 V
13.Impedancia y fasores en alterna

Respuesta: I = 0,123 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·500 = 3142 rad/s
XL = ωL = 3142·0,15 = 471,2 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(3142·4,7·10⁻⁶) = 67,73 Ω

Impedancia

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

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(50² + (403,5)²) = 406,6 Ω

Corriente

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

I = V/|Z| = 50/406,6 = 0,123 A

Respuesta

I = 0,123 A
14.Impedancia y fasores en alterna

Respuesta: f0 = 239,9 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·√(0,02·22·10⁻⁶)) = 239,9 Hz

Respuesta

f0 = 239,9 Hz
15.Potencia en alterna y factor de potencia

Respuesta: Q = 16,76 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.

Ángulo

φ = arccos(0,75) = 41,41°, tan φ = 0,8819

Potencia reactiva

Q = P·tan φ = 19·0,8819 = 16,76 kvar

Respuesta

Q = 16,76 kvar
16.Potencia en alterna y factor de potencia

Respuesta: cos φ = 0,977

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 = 9·tan(arccos 0,75) = 7,937 kvar
QC = V²·2πf·C = 240²·2π·50·330·10⁻⁶ = 5972 var = 5,972 kvar
Q2 = 7,937 − 5,972 = 1,966 kvar

Nueva potencia aparente

S2 = √(9² + 1,966²) = 9,212 kVA

Nuevo factor de potencia

cos φ = P/S2 = 9/9,212 = 0,977

Respuesta

cos φ = 0,977
17.Potencia trifásica

Respuesta: P = 34,92 kW

Sistemas trifásicos equilibrados: en una conexión en Y (estrella) la tensión de línea es √3 veces la tensión de fase, VL = √3·Vph, y la corriente de línea es igual a la corriente de fase. En una conexión en Δ (triángulo) la tensión de línea es igual a la tensión de fase y la corriente de línea es √3 veces la corriente de fase, IL = √3·Iph. La potencia total es tres veces la potencia de una fase: P = 3·Vph·Iph·cos φ = √3·VL·IL·cos φ.

Potencia aparente

S = √3·VL·IL = √3·480·60 = 49,88 kVA

Potencia activa

P = S·cos φ = 49,88·0,7 = 34,92 kW

Respuesta

P = 34,92 kW
18.Potencia trifásica

Respuesta: Cph = 870,5 µF

Sistemas trifásicos equilibrados: en una conexión en Y (estrella) la tensión de línea es √3 veces la tensión de fase, VL = √3·Vph, y la corriente de línea es igual a la corriente de fase. En una conexión en Δ (triángulo) la tensión de línea es igual a la tensión de fase y la corriente de línea es √3 veces la corriente de fase, IL = √3·Iph. La potencia total es tres veces la potencia de una fase: P = 3·Vph·Iph·cos φ = √3·VL·IL·cos φ. Corrección del factor de potencia: los condensadores aportan potencia reactiva en el propio punto, QC = P·(tan φ1 − tan φ2). Cada uno de los tres condensadores aporta QC/3 = V²·ω·C, donde V es la tensión en ese condensador: VL en una batería en triángulo, VL/√3 en una batería en estrella.

Potencia reactiva antes y después

La potencia activa no cambia, así que cada factor de potencia fija la potencia reactiva: Q = P·tan φ.

Q1 = 80·tan(acos 0,8) = 80·0,75 = 60 kvar
Q2 = 80·tan(acos 0,98) = 80·0,2031 = 16,24 kvar

Potencia reactiva de los condensadores

QC = Q1 − Q2 = 43,76 kvar

Capacidad por fase

En una batería en estrella cada condensador está conectado entre una línea y el centro de la estrella.

V = 400/√3 = 230,9 V, ω = 2π·50 = 314,2 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 14585/(314,2·230,9²) = 870,5 µF

Respuesta

Cph = 870,5 µF
19.Transformadores

Respuesta: a = 5

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.

Adapta la carga referida

a²·50 = 1250
a = √(1250/50) = √25 = 5

Respuesta

a = 5
20.Transformadores

Respuesta: Pcu,fl = 344,9 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.

Potencia útil y absorbida

Pout = 25·0,85 = 21,25 kW
Pin = 21250/0,975 = 21795 W

Pérdidas totales y en el cobre

Ploss = 21795 − 21250 = 544,9 W
Pcu,fl = 544,9 − 200 = 344,9 W

Respuesta

Pcu,fl = 344,9 W
21.Circuitos con amplificador operacional

Respuesta: Vout = −1,882 V

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

La entrada inversora sigue a la entrada

V₋ = V₊ = −0,6 V
I = V₋/R1 = −0,6/22 = −0,02727 mA

Tensión de salida

La corriente de R₁ también pasa por Rf.

Vout = V₋ + I·Rf = −0,6 + (−0,02727)·47 = −1,882 V

Respuesta

Vout = −1,882 V
22.Circuitos con amplificador operacional

Respuesta: Vout = −8,562 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₊ = V2·R4/(R3 + R4) = 0,6·22/(4,7 + 22) = 0,4944 V

Superpón las dos entradas

Con V₂ = 0, V₁ ve un amplificador inversor. Con V₁ = 0, V₊ se amplifica con la ganancia no inversora 1 + R₂/R₁.

Vout = −(47/4,7)·1,4 + (1 + 47/4,7)·0,4944 = −14 + 5,438 = −8,562 V

Respuesta

Vout = −8,562 V
23.Diodos y transistores

Respuesta: VCE = 6,673 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.

Corriente de base

IB = (VCC − VBE)/RB = (12 − 0,7)/560 kΩ = 20,18 µA

Corriente de colector

IC = β·IB = 120·20,18 µA = 2,421 mA

Tensión colector–emisor

VCE = 12 − 2,421 mA·2,2 kΩ = 6,673 V

Respuesta

VCE = 6,673 V
24.Diodos y transistores

Respuesta: RB = 10,91 kΩ

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

Corriente de colector en saturación

IC(sat) = (12 − 0,2)/330 = 35,76 mA

Corriente de base mínima

IB(min) = IC(sat)/β = 35,76/150 = 238,4 µA

Resistencia de base

RB = (3,3 − 0,7)/IB = 2,6 V/0,2384 mA = 10,91 kΩ

Respuesta

RB = 10,91 kΩ

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

25.Sistemas de numeración

Respuesta: U = 177

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

79 = 0100 1111
invertido: 1011 0000
+1 → 1011 0001

Leerlo sin signo

1011 0001₂ = 256 − 79 = 177

Respuesta

U = 177
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 < 2967
212 = 4096 ≥ 2967

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
ABCD0001111000011110111111

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: L = 11

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

Implicantes primos

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

B′C, A′CD, A′B′D′, AB′D
ABCD00011110000111101001X3X2040517060120130150140819111110

Cobertura mínima

F = B′C + A′CD + A′B′D′ + AB′D
L = 11

Respuesta

L = 11
29.Transformadas de Laplace

Respuesta: A = 2,4

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 + 11s + 24 = (s + 3)(s + 8)
F(s) = A/(s + 3) + B/(s + 8)

Regla del tapado

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

A = (4s + 24)/(s + 8) |s = −3 = 12/5 = 2,4

Respuesta

A = 2,4
(B = 1,6, así que f(t) = 2,4·e−3t + 1,6·e−8t)
30.Transformadas de Laplace

Respuesta: y(1.2) = 15,03

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

Y(s) = 100/(s(s + 1)(s + 4))

Fracciones parciales

A = 100/(1·4) = 25
B = 100/((−1)·3) = −33,33
C = 100/((−4)·(−3)) = 8,333

Pérdidas

y(t) = 25 − 33,33·e−t + 8,333·e−4t
y(1,2) = 15,03

Respuesta

y(1,2) = 15,03
31.Diagramas de bloques

Respuesta: p = −43

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) = 2/(s + 1 + 2·4) = 2/(s + 9)

Lazo externo

T(s) = K·Gᵢ/(1 + K·Gᵢ) = 34/(s + 9 + 34) = 34/(s + 43)

Resultado

p = −43

Respuesta

p = −43
32.Diagramas de bloques

Respuesta: css = 0,1685

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) = 6/(s + 4 + 174)

Estado estacionario

css = 5·6/178 = 0,1685

Respuesta

css = 0,1685

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

33.Respuesta al escalón

Respuesta: %OS = 67,1 %

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 = 63 → ωₙ = 7,937 rad/s
2ζωₙ = 2 → ζ = 2/(2·7,937) = 0,126

Resultado

%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 100·e−0,399 = 67,1 %

Respuesta

%OS = 67,1 %
34.Respuesta al escalón

Respuesta: ζ = 0,2012

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) = √(400/5) = 8,944 rad/s
ζ = c/(2√(km)) = 18/(2·√(400·5)) = 0,2012

Resultado

ζ = 0,2012

Respuesta

ζ = 0,2012
35.Diagramas de Bode y márgenes

Respuesta: Q = 2,132

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 resonancia

ω₀ = 1/√(LC) = 1/√(0,001·2,2 × 10⁻⁶) = 21320 rad/s
f₀ = ω₀/(2π) = 3393 Hz

Factor de calidad

BW = R/L = 10/0,001 = 10000 rad/s = 1592 Hz
Q = ω₀/BW = 21320/10000 = 2,132

Respuesta

Q = 2,132
36.Diagramas de Bode y márgenes

Respuesta: GM = 4,998 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/2)·(ω/8) = 1 → ω180 = √(2·8) = 4 rad/s

Módulo en el cruce de fase

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 4)·√(ω² + 64)) = K/(2·8·(2 + 8)) = K/160

Margen de ganancia

GM = 20·log₁₀(160/90) = 4,998 dB

Respuesta

GM = 4,998 dB
37.Estabilidad: Routh–Hurwitz y lugar de las raíces

Respuesta: ω = 4,899 rad/s

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

Ganancia crítica

K = 10·24 = 240

Ecuación auxiliar

Con la ganancia crítica la fila s¹ es cero; la fila s² da los polos sobre el eje imaginario.

10s² + 240 = 0 → s = ±j√24
ω = 4,899 rad/s

Respuesta

ω = 4,899 rad/s
38.Estabilidad: Routh–Hurwitz y lugar de las raíces

Respuesta: ω = 7,937 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 + 14s² + 63s + 90 + K = 0
s¹: (14·63 − 90 − K)/14 = 0 → K = 792

Frecuencia de cruce

14s² + 90 + 792 = 14s² + 882 = 0 → s² = −63
ω = √63 = 7,937 rad/s

Respuesta

ω = 7,937 rad/s
39.Error en régimen permanente y control PID

Respuesta: ess = 1

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

Constante de velocidad

Kv = lim s·G(s) = 2

Parte de escalón

Kp = ∞ → estep = 0

Error ante rampa

ess = 2/2 = 1

Respuesta

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

Respuesta: Kp = 3

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 + 2·0,8·10s + 10² = s² + 16s + 100

Iguala los coeficientes

1 + 5Kp = 16 → Kp = 3

Respuesta

Kp = 3

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

Este es material de práctica independiente. ExamProblems no está afiliado ni respaldado por la organización que gestiona este examen, y el nombre del examen se usa solo para describir el contenido. El FE exam lo organiza NCEES, que no está afiliado a ExamProblems ni lo respalda.

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