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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
Empieza por el extremo de la red más alejado de los terminales.
Combina las resistencias en serie sumándolas, y las resistencias en paralelo con 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …
Vuelve a dibujar el circuito después de cada paso.
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
Elige un nudo de referencia (tierra) y nombra las tensiones de los demás nudos.
Aplica la ley de corrientes de Kirchhoff en cada nudo desconocido: las corrientes que salen por cada rama igualan a las que entran.
Expresa cada corriente de rama como (Va − Vb)/R.
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
Dibuja una corriente en sentido horario en cada malla (ventana) del circuito.
Aplica la ley de tensiones de Kirchhoff en cada malla: la suma de las caídas de tensión es cero.
En una resistencia compartida por dos mallas, la corriente es la diferencia de las dos corrientes de malla.
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
Cuenta las fuentes independientes. Resolverás un circuito más sencillo por cada fuente.
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).
Resuelve el circuito más sencillo para la tensión o corriente que necesitas, sin perder de vista su sentido.
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
Quita la carga y marca los dos terminales a y b.
Halla la tensión en circuito abierto entre a y b: es Vth.
Anula todas las fuentes independientes y halla la resistencia vista desde a–b: es Rth.
Vuelve a conectar la carga al circuito equivalente: Vth en serie con Rth.
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
Halla el valor inicial justo después de la conmutación: la tensión de un condensador y la corriente de una bobina no pueden variar bruscamente.
Halla el valor final mucho después de la conmutación: un condensador se comporta como un circuito abierto y una bobina como un cortocircuito.
Halla la constante de tiempo: τ = RC o τ = L/R, usando la resistencia que ve el condensador o la bobina.
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
Convierte la frecuencia: ω = 2πf.
Halla cada reactancia: XL = ωL y XC = 1/(ωC).
Suma las impedancias como resistencias, con Z = R + jX.
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
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.
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.
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.
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
Escribe el polinomio característico de lazo cerrado: el denominador de 1 + K·G(s) = 0, desarrollado.
Coloca los coeficientes alternadamente en las dos primeras filas de la tabla de Routh y construye las filas restantes.
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.
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
Cuenta los polos del lazo abierto C(s)·G(s) en s = 0: ese es el tipo del sistema.
Calcula la constante de error que corresponde a la entrada: Kp para un escalón, Kv para una rampa, Ka para una parábola.
Aplica ess = A/(1 + Kp), A/Kv o A/Ka, o despeja la ganancia que necesitas.
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
Halla la corriente IR1 que entrega la fuente, que pasa por R1.
V1 = 12 VR1 = 15 ΩR2 = 6 ΩR3 = 15 ΩR4 = 12 Ω
IR1 = A
2.Resistencias en serie y en paraleloDifícil
Halla la corriente IR1 que entrega la fuente, que pasa por R1.
Hay tres ramas conectadas entre el nodo A y tierra, como se muestra. Usa el análisis nodal para hallar la corriente I2 en la rama 2, que sube hacia el nodo A en el sentido de la flecha.
La fuente de tensión Vₛ entre A y B tiene su borne + en A, así que impone VA − VB = Vₛ. Usa el análisis nodal con un supernodo para hallar la tensión de nodo VB (respecto a tierra).
La bobina no lleva corriente antes de que el interruptor se cierre en t = 0. ¿Cuánto tiempo después de cerrar el interruptor alcanza la corriente el 75 % de su valor final? Halla t.
Vs = 24 VR = 50 ΩL = 100 mH
t = ms
12.Transitorios RC y RLDifícil
El interruptor lleva mucho tiempo cerrado, así que el circuito está en régimen permanente. En t = 0 se abre el interruptor. Halla la tensión del condensador vC en t = 250 ms.
Vs = 20 VR1 = 2,2 kΩR2 = 2,2 kΩC = 220 µFt = 250 ms
vC = V
13.Impedancia y fasores en alternaMedia
Una resistencia y un condensador están conectados en paralelo a una alimentación de 120 V (eficaces) y 60 Hz. Halla el ángulo de fase φ de la impedancia, en grados (positivo cuando la corriente va retrasada respecto a la tensión).
V = 120 V (rms)f = 60 HzR = 80 ΩC = 100 µF
φ = °
14.Impedancia y fasores en alternaDifícil
Un circuito RLC en serie está conectado a una alimentación de 230 V (eficaces) y 60 Hz. Halla la corriente eficaz I.
V = 230 V (rms)f = 60 HzR = 80 ΩL = 100 mHC = 4,7 µF
I = A
15.Potencia en alterna y factor de potenciaMedia
Dos cargas están conectadas en paralelo a una alimentación monofásica de 240 V: una carga de 29 kW con un factor de potencia de 0,6 inductivo y un calefactor de 5 kW (factor de potencia unidad). Halla la corriente total I que se toma de la alimentación.
16.Potencia en alterna y factor de potenciaDifícil
Una carga monofásica consume 20 kW con un factor de potencia de 0,7 inductivo de una alimentación de 230 V y 60 Hz. Un condensador conectado en paralelo eleva el factor de potencia a 0,9. Halla la potencia reactiva QC que debe aportar el condensador.
P = 20 kWpf1 = 0,7pf2 = 0,9V = 230 Vf = 60 Hz
QC = kvar
17.Potencia trifásicaMedia
Un motor de inducción trifásico entrega 55 kW de potencia mecánica útil a plena carga. Con esta carga su rendimiento es del 88 % y su factor de potencia es 0,8 inductivo. La alimentación tiene una tensión de línea de 690 V. Halla la corriente de línea IL.
Pout = 55 kWη = 88%cos φ = 0,8VL = 690 V
IL = A
18.Potencia trifásicaDifícil
Una carga trifásica equilibrada consume 60 kW con un factor de potencia de 0,75 inductivo de una alimentación de 415 V (de línea) y 50 Hz. Una batería trifásica de condensadores en paralelo con la carga debe elevar el factor de potencia total a 0,9 inductivo. La potencia activa no cambia. Los condensadores están conectados en triángulo. Halla la capacidad Cph de cada condensador en µF.
P = 60 kWpf1 = 0,75pf2 = 0,9VL = 415 Vf = 50 Hz
Cph = µF
19.TransformadoresMedia
A un transformador ideal con una relación de transformación N₁:N₂ = 20:1 se le aplican 4800 V en el devanado primario. Se conecta una resistencia de 10 Ω en el devanado secundario. Halla la corriente del primario I1.
N1:N2 = 20:1V1 = 4800 VRL = 10 Ω
I1 = A
20.TransformadoresDifícil
Un transformador monofásico de 150 kVA tiene unas pérdidas en el hierro de 600 W. A carga nominal y con un factor de potencia de 0,8 inductivo su rendimiento es del 96,5 %. Halla las pérdidas en el cobre a plena carga Pcu,fl en vatios.
S = 150 kVAPcore = 600 Wpf = 0,8η = 96,5%
Pcu,fl = W
21.Circuitos con amplificador operacionalMedia
El amplificador operacional es ideal y se alimenta con ±15 V. Halla la tensión de salida Vout.
Vin = −1,7 VR1 = 1 kΩRf = 4,7 kΩ
Vout = V
22.Circuitos con amplificador operacionalDifícil
El amplificador sumador usa un amplificador operacional ideal alimentado con ±15 V. Halla la tensión de salida Vout.
Un transistor NPN con β = 200 tiene polarización por divisor de tensión desde VCC = 20 V: R₁ = 100 kΩ de VCC a la base y R₂ = 8,2 kΩ de la base a tierra. La resistencia de colector es RC = 2,2 kΩ y la resistencia de emisor es RE = 680 Ω. Toma VBE = 0,7 V y usa el equivalente de Thévenin del divisor (no desprecies la corriente de base). Halla la tensión colector–emisor VCE.
Un transistor NPN con β = 200 conmuta una resistencia de carga de 680 Ω conectada entre VCC = 9 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 = 1 kΩ. Toma VBE = 0,7 V y VCE(sat) = 0,2 V. Halla la corriente de colector IC en mA cuando la entrada está a nivel alto. Decide primero si el transistor está saturado.
El patrón de 8 bits 1101 1000 guarda un entero con signo en complemento a dos. ¿Cuál es su valor N en decimal?
1101 10008 bit
N =
26.Sistemas de numeraciónDifícil
Pon los bits al resultado de 8 bits de 0100 0110 AND 0101 1101. ¿Cuál es el valor R del resultado en decimal?
0100 0110AND0101 1101
R =
27.Lógica digital: puertas, mapas K y biestablesMedia
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(8, 10, 13, 14)
1AB = 00, CD = 00
2AB = 00, CD = 01
3AB = 00, CD = 11
4AB = 00, CD = 10
5AB = 01, CD = 00
6AB = 01, CD = 01
7AB = 01, CD = 11
8AB = 01, CD = 10
9AB = 11, CD = 00
10AB = 11, CD = 01
11AB = 11, CD = 11
12AB = 11, CD = 10
13AB = 10, CD = 00
14AB = 10, CD = 01
15AB = 10, CD = 11
16AB = 10, CD = 10
28.Lógica digital: puertas, mapas K y biestablesDifícil
Para F(A, B, C, D) = Σm(0, 1, 3, 7, 9, 10, 13, 15) + d(6, 8), donde d marca las condiciones indiferentes, halla el número N de implicantes primos esenciales.
Halla f(t) para F(s) = 60/(s(s + 5)(s + 6)) por fracciones parciales, y evalúa f(0,25).
F(s) = 60/(s(s + 5)(s + 6))t = 0,25 s
f(0.25) =
30.Transformadas de LaplaceDifícil
Resuelve y″ + 8y′ + 12y = 0 con y(0) = 10 y y′(0) = 12 usando la transformada de Laplace, y halla y(0,25).
y″ + 8y′ + 12y = 0y(0) = 10y′(0) = 12t = 0,25 s
y(0.25) =
31.Diagramas de bloquesMedia
Una planta G(s) = 39/(s + 1) se controla en un lazo de realimentación negativa cuyo sensor tiene ganancia H = 0,25. Halla la constante de tiempo τ del lazo cerrado.
G(s) = 39/(s + 1)H = 0,25
τ = s
32.Diagramas de bloquesDifícil
Un controlador proporcional K = 22 gobierna la planta G(s) = 8/(s + 7) 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 5 y un escalón de perturbación de tamaño 1. Halla la salida en régimen estacionario css.
K = 22G(s) = 8/(s + 7)D = 1R = 5
css =
33.Respuesta al escalónMedia
Un sistema tiene la función de transferencia G(s) = 76/(s² + 3s + 38) y recibe una entrada escalón unitario. Halla el sobreimpulso porcentual %OS de la respuesta al escalón.
G(s) = 76/(s² + 3s + 38)
%OS = %
34.Respuesta al escalónDifícil
Una masa m = 5 kg cuelga de un resorte k = 200 N/m con un amortiguador viscoso c = 32 N·s/m (m·x″ + c·x′ + k·x = F). En reposo, en equilibrio, se aplica de repente una fuerza constante F = 5 N. Halla el factor de amortiguamiento ζ.
m = 5 kgk = 200 N/mc = 32 N·s/mF = 5 N
ζ =
35.Diagramas de Bode y márgenesMedia
Halla el módulo exacto |G(jω)| de G(s) = 720/((s + 3)(s + 16)) en ω = 0,5 rad/s, en dB.
G(s) = 720/((s + 3)(s + 16))ω = 0,5 rad/s
|G(jω)| = dB
36.Diagramas de Bode y márgenesDifícil
Un lazo con realimentación unitaria tiene la función de transferencia en lazo abierto L(s) = 30/(s(s + 4)(s + 7)). Halla la frecuencia de cruce de fase ω180, donde ∠L(jω) = −180°.
L(s) = 30/(s(s + 4)(s + 7))
ω180 = rad/s
37.Estabilidad: Routh–Hurwitz y lugar de las raícesMedia
El lazo del diagrama usa realimentación positiva, con L(s) = 5/(s(s + 3)(s + 5)). ¿Cuántos polos de lazo cerrado N están en el semiplano derecho?
L(s) = 5/(s(s + 3)(s + 5))
N =
38.Estabilidad: Routh–Hurwitz y lugar de las raícesDifícil
Para L(s) = K/((s + 2)(s² + 2s + 10)), halla el ángulo de salida θd del lugar de las raíces desde el polo complejo del semiplano superior, medido desde el eje real positivo.
L(s) = K/((s + 2)(s² + 2s + 10))
θd = °
39.Error en régimen permanente y control PIDMedia
Un lazo con realimentación unitaria con G(s) = K/(s(s + 5)) debe seguir la rampa r(t) = 5t con un error en régimen permanente de 0,1. Halla la ganancia K.
G(s) = K/(s(s + 5))r(t) = 5tess = 0,1
K =
40.Error en régimen permanente y control PIDDifícil
Un controlador PI C(s) = Kp + Ki/s controla la planta G(s) = 1/(s + 5) en un lazo con realimentación unitaria. El lazo cerrado debe tener ωₙ = 8 rad/s y ζ = 0,5. Halla la ganancia proporcional Kp.
G(s) = 1/(s + 5)ωₙ = 8 rad/sζ = 0,5
Kp =
3Disoluciones
1.Resistencias en serie y en paralelo
Respuesta: IR1 = 0,6027 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.
Combina las resistencias desde el extremo más lejano
Empieza por el extremo más alejado de la fuente y avanza hacia ella. Las resistencias con la misma corriente están en serie; las que están entre los mismos dos nodos, en paralelo.
R3 + R4 = 15 + 12 = 27 Ω
R2 ∥ 27 = 6·27/(6+27) = 4,909 Ω
Req = R1 + 4,909 = 15 + 4,909 = 19,91 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 = 12/19,91 = 0,6027 A
Respuesta
IR1 = 0,6027 A
2.Resistencias en serie y en paralelo
Respuesta: IR1 = 0,3766 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.
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 = 30 + 6 = 36 Ω
R4 ∥ 36 = 1,895 Ω
R3 + 1,895 = 4,895 Ω
R2 ∥ 4,895 = 1,86 Ω
Req = R1 + 1,86 = 30 + 1,86 = 31,86 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 = 12/31,86 = 0,3766 A
Respuesta
IR1 = 0,3766 A
3.Análisis nodal
Respuesta: I2 = 2,174 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
Toma el conductor inferior como tierra. Cada rama lleva (VA − Vk)/Rk saliendo de A, donde Vk es la tensión de su fuente (cero para una resistencia sola). Las corrientes que salen de A suman cero.
(VA − (−10))/2 + (VA − 9)/6 + (VA − 12)/20 = 0
Despeja VA
VA = ((−10)/2 + 9/6 + 12/20) / (1/2 + 1/6 + 1/20) = −2,9/0,7167 = −4,047 V
Corriente de rama
La flecha apunta hacia arriba por la rama, hacia el nodo A.
I2 = (9 − VA)/R2 = (9 − (−4,047))/6 = 2,174 A
Respuesta
I2 = 2,174 A
Un resultado negativo significa que la corriente real circula en contra de la flecha.
4.Análisis nodal
Respuesta: VB = 16,86 V
Análisis nodal: elige un nodo de referencia, nombra las tensiones de nodo desconocidas, escribe la ley de corrientes de Kirchhoff en cada nodo desconocido usando la ley de Ohm (I = ΔV/R) y resuelve las ecuaciones resultantes.
Forma un supernodo
La fuente de tensión entre A y B conduce una corriente desconocida, así que no se puede escribir la LCK en A ni en B por separado. Encierra A, B y la fuente en un supernodo: la corriente que entra es igual a la que sale.
VB = VA − 3
(VA − V1)/R1 + VA/R2 + VB/R3 = Is
Resuelve
(VA − 5)/15 + VA/15 + (VA − 3)/10 = 4
VA·(1/15 + 1/15 + 1/10) = 4 + 5/15 + 3/10 = 4,633
VA = 4,633/0,2333 = 19,86 V
VB = 16,86 V
Respuesta
VB = 16,86 V
5.Análisis de mallas
Respuesta: IR3 = 0,9375 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.
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
10·I1 + 20(I1 − I2) = 15
30·I1 − 20·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
4·I2 + 20(I2 − I1) = (−24)
−20·I1 + 24·I2 = −24
Resuelve
Δ = (30)(24) − (−20)(−20) = 320
I1 = Δ1/Δ = −120/320 = −0,375 A
I2 = Δ2/Δ = −420/320 = −1,313 A
Respuesta
IR3 = I1 − I2 = 0,9375 A
Una corriente de malla negativa circula en sentido antihorario.
6.Análisis de mallas
Respuesta: IR4 = 0,5097 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.
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
10·I1 + 30(I1 − I2) = 24
40·I1 − 30·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
20·I2 + 30(I2 − I1) + 3(I2 − I3) = 0
−30·I1 + 53·I2 − 3·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
12·I3 + 3(I3 − I2) = (−36)
−3·I2 + 15·I3 = −36
Resuelve
Δ = determinante de la matriz de coeficientes = 17940
I1 = Δ1/Δ = 15624/17940 = 0,8709 A
I2 = Δ2/Δ = 6480/17940 = 0,3612 A
I3 = Δ3/Δ = −41760/17940 = −2,328 A
Respuesta
IR4 = I1 − I2 = 0,5097 A
Una corriente de malla negativa circula en sentido antihorario.
7.Superposición
Respuesta: VR2 = 4,912 V
Superposición: en un circuito lineal, cualquier tensión o corriente es la suma de las respuestas a cada fuente independiente actuando sola. Para apagar una fuente, sustituye una fuente de tensión ideal por un cortocircuito y una fuente de corriente ideal por un circuito abierto. Las resistencias se quedan donde están.
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 = 20+4 = 24 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 10·24/(10+24) = 7,059 Ω
VA = 6·7,059/(3+7,059) = 4,211 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 4,211·4/24 = 0,7018 V
VR2′ = VA − 0 = 4,211 − 0 = 4,211 V
Caso 2 · Is actuando sola
V₁ pasa a ser un cortocircuito, así que R₁ queda en paralelo con R₂. Iₛ se reparte en B entre R₄ y el camino por R₃.
R1 ∥ R2 = 3·10/(3+10) = 2,308 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 4 ∥ 22,31 = 3,392 Ω
VB = Is·Req = 2·3,392 = 6,784 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 6,784·2,308/22,31 = 0,7018 V
VR2″ = VA − 0 = 0,7018 − 0 = 0,7018 V
Suma las contribuciones
VR2 = VR2′ + VR2″
VR2 = 4,211 + 0,7018 = 4,912 V
Un resultado negativo significa que la polaridad real es la opuesta a la indicada.
8.Superposición
Respuesta: IR2 = −3,8 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.
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) = 12 ∥ 16 = 6,857 Ω
VA = 9·6,857/(6+6,857) = 4,8 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 4,8·10/16 = 3 V
IR2′ = (VB − VA)/R2 = (3 − 4,8)/6 = −0,3 A
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 = 4 Ω, así que el camino de la izquierda es R2+4 = 10 Ω
Req = R4 ∥ 10 = 5 Ω
VB = Is·Req = (−6)·5 = −30 V
VA = VB·4/10 = −12 V
IR2″ = (VB − VA)/R2 = (−30 − −12)/6 = −3 A
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 = 6·12/(6+12) = 4 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = (−10)·10/20 = −5 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = −5·4/10 = −2 V
IR2‴ = (VB − VA)/R2 = (−5 − −2)/6 = −0,5 A
Suma las contribuciones
IR2 = IR2′ + IR2″ + IR2‴
IR2 = (−0,3) + (−3) + (−0,5) = −3,8 A
Un resultado negativo significa que la corriente real circula en sentido contrario a la flecha.
9.Thévenin y Norton
Respuesta: Vth = 18 V
Teorema de Thévenin: toda red lineal de dos terminales se comporta como una única fuente de tensión Vth en serie con una resistencia Rth. El teorema de Norton da la misma red como una fuente de corriente IN = Vth/Rth en paralelo con Rth.
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 = 10·15/(10+15) = 6 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 6 + 20 = 26 Ω
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) = 30·15/(10+15) = 18 V
10.Thévenin y Norton
Respuesta: IL = −0,4476 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.
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 = 30·10/(30+10) = 7,5 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 7,5 + 25 = 32,5 Ω
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 + (−1)·7,5 = 1,5 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 1,5 + (−1)·25 = −23,5 V
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) = −23,5/(32,5 + 20) = −0,4476 A
11.Transitorios RC y RL
Respuesta: t = 2,773 ms
Transitorios de primer orden: en un circuito con un condensador o una bobina, cada tensión y corriente pasa de forma exponencial de su valor inicial a su valor final: x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ, con τ = RC o τ = L/R. Tras unos 5τ el circuito se ha estabilizado.
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 = 100 mH / 50 Ω = 2 ms
i(∞) = Vs/R = 24/50 = 0,48 A
Despeja el tiempo
0,75 = 1 − e−t/τ → t = −τ·ln(1 − 0,75)
t = −2·ln(0,25) = 2,773 ms
Respuesta
t = 2,773 ms
12.Transitorios RC y RL
Respuesta: vC = 5,966 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) = 20·2,2/(2,2 + 2,2) = 10 V
Constante de tiempo tras abrirse el interruptor
τ = R2·C = 2,2·220 = 484 ms
Descarga
vC(t) = 10·e−250/484 = 5,966 V
Respuesta
vC = 5,966 V
13.Impedancia y fasores en alterna
Respuesta: φ = −71,66 °
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|.
Reactancia
XC = 1/(ωC) = 1/(2π·60·100·10⁻⁶) = 26,53 Ω
Corrientes de rama
Ambas ramas están conectadas directamente a la alimentación, así que cada una ve la tensión completa V.
IR = V/R = 120/80 = 1,5 A
IX = V/XC = 120/26,53 = 4,524 A
Corriente total
La corriente de la resistencia está en fase con V y la corriente reactiva está desfasada 90°, así que se suman como los catetos de un triángulo rectángulo.
I = √(IR² + IX²) = √(1,5² + 4,524²) = 4,766 A
Ángulo de fase
La corriente del condensador va adelantada respecto a V, así que la corriente total va adelantada y el ángulo es negativo.
φ = −arctan(IX/IR) = −arctan(4,524/1,5) = −71,66°
Respuesta
φ = −71,66°
14.Impedancia y fasores en alterna
Respuesta: I = 0,4317 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·60 = 377 rad/s
XL = ωL = 377·0,1 = 37,7 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(377·4,7·10⁻⁶) = 564,4 Ω
Impedancia
En serie, las impedancias se suman como números complejos: Z = R + j(XL − XC).
La misma corriente pasa por todos los elementos de un circuito en serie.
I = V/|Z| = 230/532,7 = 0,4317 A
Respuesta
I = 0,4317 A
15.Potencia en alterna y factor de potencia
Respuesta: I = 214,5 A
Potencia en alterna: la potencia aparente S = V·I (VA) se divide en potencia activa P = S·cos φ (W), que hace trabajo útil, y potencia reactiva Q = S·sin φ (var), que va y viene entre fuente y carga. El factor de potencia es cos φ. Un condensador en paralelo aporta potencia reactiva en el propio punto, así que la corriente de línea baja para la misma potencia activa.
Potencia reactiva de cada carga
Una carga inductiva consume potencia reactiva (Q > 0); una carga capacitiva la entrega (Q < 0).
Q1 = 29·tan(arccos 0,6) = 38,67 kvar
Q2 = 0 = 0 kvar
Totales
P = 29 + 5 = 34 kW
Q = 38,67 + 0 = 38,67 kvar
S = √(34² + 38,67²) = 51,49 kVA
Corriente total
I = S/V = 51489/240 = 214,5 A
Respuesta
I = 214,5 A
16.Potencia en alterna y factor de potencia
Respuesta: QC = 10,72 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 = 20·tan(45,57°) = 20,4 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 20·tan(25,84°) = 9,686 kvar
QC = Q1 − Q2 = 10,72 kvar
Respuesta
QC = 10,72 kvar
17.Potencia trifásica
Respuesta: IL = 65,37 A
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 eléctrica absorbida
Pin = Pout/η = 55/0,88 = 62,5 kW
Corriente de línea
IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 62500/(√3·690·0,8) = 65,37 A
Respuesta
IL = 65,37 A
18.Potencia trifásica
Respuesta: Cph = 147 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 = 60·tan(acos 0,75) = 60·0,8819 = 52,92 kvar
Q2 = 60·tan(acos 0,9) = 60·0,4843 = 29,06 kvar
Potencia reactiva de los condensadores
QC = Q1 − Q2 = 23,86 kvar
Capacidad por fase
En una batería en triángulo cada condensador está conectado entre dos líneas.
V = 415 V, ω = 2π·50 = 314,2 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 7952/(314,2·415²) = 147 µF
Respuesta
Cph = 147 µF
19.Transformadores
Respuesta: I1 = 1,2 A
Transformador ideal: las tensiones están en la relación de las espiras y las corrientes en la relación inversa: V₁/V₂ = N₁/N₂ = a e I₁/I₂ = N₂/N₁ = 1/a, así que la potencia de entrada es igual a la de salida, V₁·I₁ = V₂·I₂. Una impedancia de carga Z en el secundario se ve como a²·Z desde el primario.
Tensión y corriente del secundario
V2 = 4800/20 = 240 V
I2 = 240/10 = 24 A
Corriente del primario
Un transformador ideal no tiene pérdidas: V₁·I₁ = V₂·I₂.
I1 = I2/20 = 1,2 A
Respuesta
I1 = 1,2 A
Comprobación: la carga vista desde el primario es a²·RL = 4000 Ω, y 4800/4000 da la misma corriente.
20.Transformadores
Respuesta: Pcu,fl = 3752 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 = 150·0,8 = 120 kW
Pin = 120000/0,965 = 124352 W
Pérdidas totales y en el cobre
Ploss = 124352 − 120000 = 4352 W
Pcu,fl = 4352 − 600 = 3752 W
Respuesta
Pcu,fl = 3752 W
21.Circuitos con amplificador operacional
Respuesta: Vout = −9,69 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₊ = −1,7 V
I = V₋/R1 = −1,7/1 = −1,7 mA
Tensión de salida
La corriente de R₁ también pasa por Rf.
Vout = V₋ + I·Rf = −1,7 + (−1,7)·4,7 = −9,69 V
Respuesta
Vout = −9,69 V
22.Circuitos con amplificador operacional
Respuesta: Vout = 0,559 V
Reglas del amplificador operacional ideal: con realimentación negativa, el amplificador ajusta su salida para que sus dos entradas estén a la misma tensión (V₋ = V₊), y no entra corriente por ninguna entrada. Aplicar la LCK en la entrada inversora con estos dos hechos da la salida.
Corrientes de entrada
V₋ = 0, así que cada resistencia de entrada tiene toda su tensión de entrada.
I1 = V1/R1 = −0,7/47 = −0,01489 mA
I2 = V2/R2 = 0,3/100 = 0,003 mA
If = I1 + I2 = −0,01189 mA
Tensión de salida
Vout = −Rf·If = −47·(−0,01189) = 0,559 V
Respuesta
Vout = 0,559 V
23.Diodos y transistores
Respuesta: VCE = 16,74 V
Punto de trabajo del BJT: en la región activa VBE = 0,7 V, IC = β·IB e IE = (β + 1)·IB. Halla IB en la malla de base con la LTK, luego IC y luego VCE en la malla colector–emisor. Un divisor de tensión en la base se sustituye por su equivalente de Thévenin VTH = VCC·R₂/(R₁ + R₂), RTH = R₁∥R₂; una resistencia de emisor aparece (β + 1) veces mayor en la malla de base.
Equivalente de Thévenin del divisor
VTH = 20·8,2/(100 + 8,2) = 1,516 V
RTH = 100·8,2/(100 + 8,2) = 7,579 kΩ
Corriente de base
LTK en la malla de base; la corriente de emisor es (β + 1)·IB.
IB = (1,516 − 0,7)/(7,579 + 201·0,68) = 5,655 µA
Corriente de colector
IC = 200·5,655 µA = 1,131 mA
IE = 201·5,655 µA = 1,137 mA
Tensión colector–emisor
VCE = 20 − 1,131·2,2 − 1,137·0,68 = 16,74 V
Respuesta
VCE = 16,74 V
24.Diodos y transistores
Respuesta: IC = 12,94 mA
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 base
IB = (3,3 − 0,7)/1 kΩ = 2600 µA
¿Saturado o en activa?
β·IB es mayor que IC(sat), así que el transistor se satura.
β·IB = 520 mA
IC(sat) = (9 − 0,2)/680 = 12,94 mA
Corriente de colector
IC = IC(sat) = 12,94 mA
Respuesta
IC = 12,94 mA
El transistor está saturado.
25.Sistemas de numeración
Respuesta: N = −40
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.
Sumar los valores posicionales
Los demás bits conservan sus valores positivos normales.
−128 + 64 + 16 + 8 = −40
Respuesta
N = −40
26.Sistemas de numeración
Respuesta: R = 68
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
AND da 1 solo donde ambos bits son 1.
0100 0110
AND 0101 1101
= 0100 0100
Valor del resultado
0100 0100₂ = 68
Respuesta
R = 68
27.Lógica digital: puertas, mapas K y biestables
Respuesta: AB = 11, CD = 01
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.
m13: m12, m15, m9, m5 → 0
El 1 aislado
m13 = ABC′D → AB = 11, CD = 01
Respuesta
AB = 11, CD = 01
28.Lógica digital: puertas, mapas K y biestables
Respuesta: N = 2
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′, BCD, A′CD, AC′D, A′B′D, AB′D′, ABD, A′BC
Implicantes primos esenciales
B′C′, AB′D′
N = 2
Respuesta
N = 2
29.Transformadas de Laplace
Respuesta: f(0.25) = 0,7932
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).
Fracciones parciales
F(s) = A/s + B/(s + 5) + C/(s + 6)
A = 60/(5·6) = 2
B = 60/((−5)·1) = −12
C = 60/((−6)·(−1)) = 10
Transformada inversa
f(t) = 2 − 12·e−5t + 10·e−6t
Evalúa
f(0,25) = 2 − 12·e−5·0,25 + 10·e−6·0,25 = 0,7932
Respuesta
f(0,25) = 0,7932
30.Transformadas de Laplace
Respuesta: y(0.25) = 9,133
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
s²Y − 10s − 12 + 8(sY − 10) + 12Y = 0
Y(s) = (10s + 92)/((s + 2)(s + 6))
Fracciones parciales
A = 72/4 = 18
B = 32/(−4) = −8
Resultado
y(t) = 18·e−2t − 8·e−6t
y(0,25) = 9,133
Respuesta
y(0,25) = 9,133
Comprueba: y(0) = A + B = 10.
31.Diagramas de bloques
Respuesta: τ = 0,09302 s
Álgebra de diagramas de bloques: los bloques en serie se multiplican (G₁·G₂), los bloques en paralelo se suman (G₁ + G₂), y un lazo con camino directo G y camino de realimentación H se reduce a T = G/(1 + G·H) para realimentación negativa y G/(1 − G·H) para realimentación positiva. Reduce primero los lazos internos y avanza hacia fuera. Los polos en lazo cerrado son las raíces de la ecuación característica 1 + G(s)H(s) = 0. Para un lazo estable, una entrada escalón de tamaño A da la salida en régimen estacionario A·T(0); con realimentación unitaria el error en régimen estacionario ante un escalón es A/(1 + Kp) con Kp = G(0).
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) = 8/(s + 7 + 176)
C/R = K·G/(1 + K·G) = 176/(s + 7 + 176)
Estado estacionario
css = 5·176/183 + 1·8/183 = 4,852
Respuesta
css = 4,852
Una K mayor reduce el efecto de la perturbación, pero nunca la anula con un controlador proporcional.
33.Respuesta al escalón
Respuesta: %OS = 45,47 %
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 = 38 → ωₙ = 6,164 rad/s
2ζωₙ = 3 → ζ = 3/(2·6,164) = 0,2433
Resultado
%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 100·e−0,7881 = 45,47 %
Respuesta
%OS = 45,47 %
34.Respuesta al escalón
Respuesta: ζ = 0,506
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) = √(200/5) = 6,325 rad/s
ζ = c/(2√(km)) = 32/(2·√(200·5)) = 0,506
Resultado
ζ = 0,506
Respuesta
ζ = 0,506
35.Diagramas de Bode y márgenes
Respuesta: |G(jω)| = 23,4 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.
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/4)·(ω/7) = 1 → ω180 = √(4·7) = 5,292 rad/s
Respuesta
ω180 = 5,292 rad/s
37.Estabilidad: Routh–Hurwitz y lugar de las raíces
Respuesta: N = 1
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
s³ + 8s² + 15s − 5 = 0
Tabla de Routh
s³: 1, 15
s²: 8, −5
s¹: 15,63
s⁰: −5
Cambios de signo en la primera columna
1 → 8 → 15,63 → −5
N = 1
Respuesta
N = 1
La realimentación positiva hace negativo el coeficiente constante: un polo real pasa siempre al semiplano derecho.
38.Estabilidad: Routh–Hurwitz y lugar de las raíces
Respuesta: θd = 18,43 °
Lugar de las raíces: cuando la ganancia K va de 0 a ∞, los polos de lazo cerrado, las raíces de 1 + K·G(s) = 0, se desplazan desde los polos de lazo abierto hasta los ceros de lazo abierto o hasta el infinito. Un punto del eje real pertenece al lugar cuando el número de polos y ceros reales situados a su derecha es impar. Las n − m ramas que van al infinito siguen asíntotas con los ángulos (2q + 1)·180°/(n − m), que parten del centroide σₐ = (Σ polos − Σ ceros)/(n − m). Las ramas salen del eje real o se unen a él donde dK/ds = 0. La condición de ángulo ∠G(s) = 180° fija la forma, y la condición de módulo K = 1/|G(s)| da la ganancia en cualquier punto del lugar.
Posiciones de los polos
s² + 2s + 10 = 0 → s = −1 ± j3
s = −2
Ángulos de los demás polos
∠(−1 + j3 + 2) = atan2(3, 1) = 71,57°
∠(−1 + j3 − (−1 − j3)) = ∠(j6) = 90°
Ángulo de salida
θd = 180° − 71,57° − 90° = 18,43°
Respuesta
θd = 18,43°
39.Error en régimen permanente y control PID
Respuesta: K = 250
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 requerida
Kv = A/ess = 5/0,1 = 50
Ganancia
K = 5·Kv = 250
Respuesta
K = 250
Una ganancia grande deja este lazo muy poco amortiguado: ζ = 0,1581. Ese conflicto es la razón de que se usen compensadores.
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 + 5).
s² + (5 + 1Kp)s + 1Ki
Polinomio objetivo
s² + 2·0,5·8s + 8² = s² + 8s + 64
Iguala los coeficientes
5 + 1Kp = 8 → 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.
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