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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 IR2 por R2.
V1 = 30 VR1 = 2 ΩR2 = 8 ΩR3 = 15 ΩR4 = 12 Ω
IR2 = A
2.Resistencias en serie y en paraleloDifícil
Halla la corriente IR1 que entrega la fuente, que pasa por R1.
La fuente de tensión Vₛ entre A y B tiene su borne + en B, así que impone VB − VA = Vₛ. Usa el análisis nodal con un supernodo para hallar la corriente Ix por la fuente de tensión, de A a B como indica la flecha.
Is = 2,5 AVs = 4 VR1 = 3 ΩR2 = 2 Ω
Ix = A
4.Análisis nodalDifícil
Usa el análisis nodal para hallar la tensión de nodo VA (respecto a tierra).
Halla la tensión de Thévenin Vth vista desde los terminales a–b.
V1 = 6 VR1 = 12 ΩR2 = 20 ΩR3 = 20 Ω
Vth = V
10.Thévenin y NortonDifícil
Halla la corriente de Norton IN: la corriente que circula de a a b si se cortocircuitan los terminales.
V1 = 9 VIs = 4 AR1 = 8 ΩR2 = 25 ΩR3 = 10 Ω
IN = A
11.Transitorios RC y RLMedia
La bobina conduce una corriente estacionaria de 2 A. En t = 0 el interruptor cierra el lazo a través de R y se retira la fuente, así que la corriente de la bobina decae a través de R. Halla la corriente i en t = 5 ms.
i(0) = 2 AR = 68 ΩL = 150 mHt = 5 ms
i = A
12.Transitorios RC y RLDifícil
El interruptor en paralelo con R2 lleva mucho tiempo cerrado, así que la corriente de la bobina es estacionaria. En t = 0 se abre el interruptor. Halla la corriente de la bobina i en t = 1 ms.
Vs = 6 VR1 = 20 ΩR2 = 33 ΩL = 22 mHt = 1 ms
i = A
13.Impedancia y fasores en alternaMedia
Un circuito RLC en serie está conectado a una alimentación de 230 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 = 230 V (rms)f = 60 HzR = 100 ΩL = 50 mHC = 100 µF
φ = °
14.Impedancia y fasores en alternaDifícil
Un circuito RLC en serie tiene R = 10 Ω, L = 200 mH y C = 0,1 µF. Halla su factor de calidad Q en resonancia.
R = 10 ΩL = 200 mHC = 0,1 µF
Q =
15.Potencia en alterna y factor de potenciaMedia
Una carga de impedancia Z = 12 + j16 Ω está conectada a una alimentación monofásica de 230 V (eficaces). Halla la potencia aparente S.
V = 230 VZ = 12 + j16 Ω
S = VA
16.Potencia en alterna y factor de potenciaDifícil
Una carga monofásica consume 40 kW con un factor de potencia de 0,65 inductivo de una alimentación de 240 V y 50 Hz. Un condensador conectado en paralelo eleva el factor de potencia a 0,92. Halla la potencia reactiva QC que debe aportar el condensador.
P = 40 kWpf1 = 0,65pf2 = 0,92V = 240 Vf = 50 Hz
QC = kvar
17.Potencia trifásicaMedia
Una carga trifásica equilibrada consume una corriente de línea de 40 A de una alimentación con una tensión de línea de 480 V. El factor de potencia es 0,88 inductivo. Halla la potencia activa total P que consume la carga en kW.
VL = 480 VIL = 40 Acos φ = 0,88
P = kW
18.Potencia trifásicaDifícil
Una carga trifásica equilibrada consume 75 kW con un factor de potencia de 0,72 inductivo de una alimentación de 400 V (de línea) y 60 Hz. Una batería trifásica de condensadores en paralelo con la carga debe elevar el factor de potencia total a 0,95 inductivo. La potencia activa no cambia. Halla la potencia reactiva total QC que debe aportar la batería de condensadores, en kvar.
P = 75 kWpf1 = 0,72pf2 = 0,95VL = 400 Vf = 60 Hz
QC = kvar
19.TransformadoresMedia
A un transformador ideal con una relación de transformación N₁:N₂ = 2:1 se le aplican 240 V en el devanado primario. Se conecta una resistencia de 10 Ω en el devanado secundario. Halla la corriente del primario I1.
N1:N2 = 2:1V1 = 240 VRL = 10 Ω
I1 = A
20.TransformadoresDifícil
Un transformador monofásico de 150 kVA tiene unas pérdidas en el hierro de 750 W. A carga nominal y con un factor de potencia de 0,85 inductivo su rendimiento es del 98,5 %. Halla las pérdidas en el cobre a plena carga Pcu,fl en vatios.
S = 150 kVAPcore = 750 Wpf = 0,85η = 98,5%
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.
Un transistor NPN con β = 80 tiene polarización por divisor de tensión desde VCC = 12 V: R₁ = 100 kΩ de VCC a la base y R₂ = 15 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 regulador Zener de 3,3 V tiene una resistencia en serie de 100 Ω. La entrada puede subir hasta 22 V, y la carga puede desconectarse. Halla la mayor potencia PZ,max que debe disipar el Zener.
Vin,max = 22 VVZ = 3,3 VR = 100 Ω
PZ,max = mW
25.Sistemas de numeraciónMedia
Pon los bits para que almacenen −46 en complemento a dos de 8 bits. Leído como un número sin signo, ¿cuál es el valor U del patrón?
N = −468 bit
U =
26.Sistemas de numeraciónDifícil
Pon los bits al resultado de 8 bits de 0100 0000 XOR 0010 0100. ¿Cuál es el valor R del resultado en decimal?
0100 0000XOR0010 0100
R =
27.Lógica digital: puertas, mapas K y biestablesMedia
Un multiplexor de 4 a 1 tiene sus entradas de selección S₁ = A y S₀ = B, y sus entradas de datos conectadas a I₀ = C′, I₁ = 0, I₂ = C, I₃ = 0. ¿Para cuántas de las 8 combinaciones de A, B y C la salida es F = 1? Halla N.
I₀ = C′I₁ = 0I₂ = CI₃ = 0
N =
28.Lógica digital: puertas, mapas K y biestablesDifícil
Un contador binario descendente de 3 bits empieza en 2 (decimal, Q = 010). ¿Qué cuenta Q (en decimal) muestra tras 14 pulsos de reloj?
Q0 = 214n = 3
Q =
29.Transformadas de LaplaceMedia
Halla f(t) para F(s) = 25/(s(s + 1)(s + 6)) por fracciones parciales, y evalúa f(1,5).
F(s) = 25/(s(s + 1)(s + 6))t = 1,5 s
f(1.5) =
30.Transformadas de LaplaceDifícil
Un sistema se describe con la ecuación diferencial y″ + 9y′ + 20y = u′ + 3u, con entrada u(t) y salida y(t). Halla su función de transferencia G(s) = Y(s)/U(s) (condiciones iniciales nulas) y evalúa la respuesta al impulso g(t) en t = 0,1 s. Halla g(0,1).
y″ + 9y′ + 20y = u′ + 3ut = 0,1 s
g(0.1) =
31.Diagramas de bloquesMedia
Una planta G(s) = 28/(s + 3) se controla en un lazo de realimentación negativa cuyo sensor tiene ganancia H = 0,5. Halla la constante de tiempo τ del lazo cerrado.
G(s) = 28/(s + 3)H = 0,5
τ = s
32.Diagramas de bloquesDifícil
Un controlador proporcional K = 5 gobierna la planta G(s) = 5/(s + 6) 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 10 y un escalón de perturbación de tamaño 0,5. Halla la salida en régimen estacionario css.
K = 5G(s) = 5/(s + 6)D = 0,5R = 10
css =
33.Respuesta al escalónMedia
Un sistema tiene la función de transferencia G(s) = 12/(s² + 4s + 6) y recibe una entrada escalón unitario. Halla el sobreimpulso porcentual %OS de la respuesta al escalón.
G(s) = 12/(s² + 4s + 6)
%OS = %
34.Respuesta al escalónDifícil
Un lazo de realimentación negativa unitaria tiene G(s) = 160/(s(s + 4)). Halla el tiempo de establecimiento al 2 % ts de la respuesta al escalón en lazo cerrado, usando ts ≈ 4/(ζωₙ).
G(s) = 160/(s(s + 4))
ts = s
35.Diagramas de Bode y márgenesMedia
El filtro paso alto RC mostrado tiene R = 22 kΩ, C = 1 nF. Se aplica una entrada sinusoidal de 22 kHz. Halla la ganancia |H| = |vout/vin| en dB.
R = 22 kΩC = 1 nFf = 22 kHz
|H| = dB
36.Diagramas de Bode y márgenesDifícil
Un lazo con realimentación unitaria tiene la función de transferencia en lazo abierto L(s) = 28/(s(s + 1)(s + 10)). Halla el margen de ganancia GM en dB.
L(s) = 28/(s(s + 1)(s + 10))
GM = dB
37.Estabilidad: Routh–Hurwitz y lugar de las raícesMedia
El lazo del diagrama usa realimentación positiva, con L(s) = 10/(s(s + 3)(s + 4)). ¿Cuántos polos de lazo cerrado N están en el semiplano derecho?
L(s) = 10/(s(s + 3)(s + 4))
N =
38.Estabilidad: Routh–Hurwitz y lugar de las raícesDifícil
Un lazo con realimentación unitaria tiene L(s) = K(s + 6)/((s + 5)(s + 4)(s + 10)(s + 2)). Halla el punto σa donde las asíntotas del lugar de las raíces cortan el eje real.
L(s) = K(s + 6)/((s + 5)(s + 4)(s + 10)(s + 2))
σa =
39.Error en régimen permanente y control PIDMedia
Un lazo con realimentación unitaria tiene G(s) = K/((s + 1)(s + 4)). Halla la ganancia K que da un error en régimen permanente del 4 % para una entrada en escalón.
G(s) = K/((s + 1)(s + 4))ess = 4 %
K =
40.Error en régimen permanente y control PIDDifícil
Un controlador proporcional K = 20 controla la planta G(s) = 4/(s(s + 8)) en un lazo con realimentación unitaria. Halla el tiempo de pico tp de la respuesta al escalón.
G(s) = 4/(s(s + 8))K = 20
tp = s
3Disoluciones
1.Resistencias en serie y en paralelo
Respuesta: IR2 = 2,832 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 = 8·27/(8+27) = 6,171 Ω
Req = R1 + 6,171 = 2 + 6,171 = 8,171 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 = 30/8,171 = 3,671 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 − 3,671·2 = 22,66 V
IR2 = VA/R2 = 22,66/8 = 2,832 A
Respuesta
IR2 = 2,832 A
2.Resistencias en serie y en paralelo
Respuesta: IR1 = 4,422 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 = 6 + 4 = 10 Ω
R4 ∥ 10 = 1,667 Ω
R3 + 1,667 = 4,667 Ω
R2 ∥ 4,667 = 3,784 Ω
Req = R1 + 3,784 = 3 + 3,784 = 6,784 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 = 30/6,784 = 4,422 A
Respuesta
IR1 = 4,422 A
3.Análisis nodal
Respuesta: Ix = 2,3 A
Análisis nodal: elige un nodo de referencia, nombra las tensiones de nodo desconocidas, escribe la ley de corrientes de Kirchhoff en cada nodo desconocido usando la ley de Ohm (I = ΔV/R) y resuelve las ecuaciones resultantes.
Forma un supernodo
La fuente de tensión entre A y B conduce una corriente desconocida, así que no se puede escribir la LCK en A ni en B por separado. Encierra A, B y la fuente en un supernodo: la corriente que entra es igual a la que sale.
VB = VA + Vs = VA + 4
VA/R1 + VB/R2 = Is
Resuelve
VA/3 + (VA + 4)/2 = 2,5
VA = (2,5 − 4/2)/(1/3 + 1/2) = 0,6 V
VB = 0,6 + 4 = 4,6 V
Corriente por la fuente de tensión
Todo lo que pasa por la fuente de A a B sale del nodo B por R₂.
Ix = VB/R2 = 4,6/2 = 2,3 A
Respuesta
Ix = 2,3 A
Un resultado negativo significa que la corriente real circula en contra de la flecha.
4.Análisis nodal
Respuesta: VA = 10,53 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.
Plantea los nodos
La tierra es el cable inferior. Las tensiones de nodo conocidas salen directamente de las fuentes (V1 = 18 V, V2 = 18 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/R3 + (VA − V1)/R1 + (VA − VB)/R2 = 0
VA/8 + (VA − 18)/10 + (VA − VB)/5 = 0
0,425·VA − 0,2·VB = 1,8
LCK en el nodo B
Las corrientes que salen de B por las resistencias igualan la corriente que las fuentes inyectan en B.
VB/R5 + (VB − VA)/R2 + (VB − V2)/R4 = Is
VB/12 + (VB − VA)/5 + (VB − 18)/25 = 1,5
−0,2·VA + 0,3233·VB = 2,22
Resuelve
Δ = (0,425)(0,3233) − (−0,2)(−0,2) = 0,09742
VA = Δ1/Δ = 1,026/0,09742 = 10,53 V
VB = Δ2/Δ = 1,304/0,09742 = 13,38 V
Respuesta
VA = 10,53 V
5.Análisis de mallas
Respuesta: IR1 = 0,6667 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
6·I1 + 6(I1 − I2) = 10
12·I1 − 6·I2 = 10
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 + 6(I2 − I1) = (−10)
−6·I1 + 18·I2 = −10
Resuelve
Δ = (12)(18) − (−6)(−6) = 180
I1 = Δ1/Δ = 120/180 = 0,6667 A
I2 = Δ2/Δ = −60/180 = −0,3333 A
Respuesta
IR1 = I1 = 0,6667 A
Una corriente de malla negativa circula en sentido antihorario.
6.Análisis de mallas
Respuesta: I2 = −0,157 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
8·I1 + 5(I1 − I2) = 36
13·I1 − 5·I2 = 36
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
25·I2 + 5(I2 − I1) + 25(I2 − I3) = 0
−5·I1 + 55·I2 − 25·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
20·I3 + 25(I3 − I2) = (−36)
−25·I2 + 45·I3 = −36
Resuelve
Δ = determinante de la matriz de coeficientes = 22925
I1 = Δ1/Δ = 62100/22925 = 2,709 A
I2 = Δ2/Δ = −3600/22925 = −0,157 A
I3 = Δ3/Δ = −20340/22925 = −0,8872 A
Respuesta
I2 = −0,157 A
Una corriente de malla negativa circula en sentido antihorario.
7.Superposición
Respuesta: IR2 = 1,403 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
Iₛ pasa a ser un circuito abierto, así que R₃ y R₄ forman una rama en serie de A a tierra, en paralelo con R₂.
R3+R4 = 6+10 = 16 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 4·16/(4+16) = 3,2 Ω
VA = 9·3,2/(3+3,2) = 4,645 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 4,645·10/16 = 2,903 V
IR2′ = (VA − 0)/R2 = (4,645 − 0)/4 = 1,161 A
Caso 2 · Is actuando sola
V₁ pasa a ser un cortocircuito, así que R₁ queda en paralelo con R₂. Iₛ se reparte en B entre R₄ y el camino por R₃.
R1 ∥ R2 = 3·4/(3+4) = 1,714 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 10 ∥ 7,714 = 4,355 Ω
VB = Is·Req = 1·4,355 = 4,355 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 4,355·1,714/7,714 = 0,9677 V
IR2″ = (VA − 0)/R2 = (0,9677 − 0)/4 = 0,2419 A
Suma las contribuciones
IR2 = IR2′ + IR2″
IR2 = 1,161 + 0,2419 = 1,403 A
Un resultado negativo significa que la corriente real circula en sentido contrario a la flecha.
8.Superposición
Respuesta: IR3 = −2,115 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) = 6 ∥ 18 = 4,5 Ω
VA = 30·4,5/(15+4,5) = 6,923 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 6,923·6/18 = 2,308 V
IR3′ = (0 − VA)/R3 = (0 − 6,923)/6 = −1,154 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 = 4,286 Ω, así que el camino de la izquierda es R2+4,286 = 16,29 Ω
Req = R4 ∥ 16,29 = 4,385 Ω
VB = Is·Req = 6·4,385 = 26,31 V
VA = VB·4,286/16,29 = 6,923 V
IR3″ = (0 − VA)/R3 = (0 − 6,923)/6 = −1,154 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 = 15·6/(15+6) = 4,286 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = (−6)·16,29/22,29 = −4,385 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = −4,385·4,286/16,29 = −1,154 V
IR3‴ = (0 − VA)/R3 = (0 − −1,154)/6 = 0,1923 A
Suma las contribuciones
IR3 = IR3′ + IR3″ + IR3‴
IR3 = (−1,154) + (−1,154) + 0,1923 = −2,115 A
Un resultado negativo significa que la corriente real circula en sentido contrario a la flecha.
9.Thévenin y Norton
Respuesta: Vth = 3,75 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 = 12·20/(12+20) = 7,5 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 7,5 + 20 = 27,5 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) = 6·20/(12+20) = 3,75 V
10.Thévenin y Norton
Respuesta: IN = 4,425 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 = 8·25/(8+25) = 6,061 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 6,061 + 10 = 16,06 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) = 6,818 + 4·6,061 = 31,06 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 31,06 + 4·10 = 71,06 V
Equivalente de Norton
Una fuente de Norton es el mismo circuito visto como una fuente de corriente en paralelo con R_th. Su corriente es la corriente de cortocircuito en a–b.
IN = Vth/Rth = 71,06/16,06 = 4,425 A
11.Transitorios RC y RL
Respuesta: i = 0,2073 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
τ = L/R = 150 mH / 68 Ω = 2,206 ms
Decaimiento de la corriente
i(t) = 2·e−5/2,206 = 0,2073 A
Respuesta
i = 0,2073 A
12.Transitorios RC y RL
Respuesta: i = 0,13 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.
Valor inicial, valor final, constante de tiempo
Antes de t = 0 el interruptor cerrado puentea R₂; después R₁ y R₂ están ambas en el lazo.
i(0) = 6/20 = 0,3 A
i(∞) = 6/(20 + 33) = 0,1132 A
τ = L/R = 22/53 = 0,4151 ms
i(t) = 0,1132 + (0,3 − 0,1132)·e−t/τ
Corriente en el instante dado
i(1) = 0,1132 + (0,1868)·e−1/0,4151 = 0,13 A
Respuesta
i = 0,13 A
13.Impedancia y fasores en alterna
Respuesta: φ = −4,39 °
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 = 377·0,05 = 18,85 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(377·100·10⁻⁶) = 26,53 Ω
Impedancia
En serie, las impedancias se suman como números complejos: Z = R + j(XL − XC).
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|.
Frecuencia de resonancia
f0 = 1/(2π·√(0,2·0,1·10⁻⁶)) = 1125 Hz
Factor de calidad
Q compara la reactancia en resonancia con la resistencia: Q = ω₀L/R.
Potencia en alterna: la potencia aparente S = V·I (VA) se divide en potencia activa P = S·cos φ (W), que hace trabajo útil, y potencia reactiva Q = S·sin φ (var), que va y viene entre fuente y carga. El factor de potencia es cos φ. Un condensador en paralelo aporta potencia reactiva en el propio punto, así que la corriente de línea baja para la misma potencia activa.
Corriente
|Z| = √(12² + 16²) = 20 Ω
I = V/|Z| = 230/20 = 11,5 A
Potencia aparente
S = V·I = 230·11,5 = 2645 VA
Respuesta
S = 2645 VA
16.Potencia en alterna y factor de potencia
Respuesta: QC = 29,73 kvar
Potencia en alterna: la potencia aparente S = V·I (VA) se divide en potencia activa P = S·cos φ (W), que hace trabajo útil, y potencia reactiva Q = S·sin φ (var), que va y viene entre fuente y carga. El factor de potencia es cos φ. Un condensador en paralelo aporta potencia reactiva en el propio punto, así que la corriente de línea baja para la misma potencia activa.
Potencia reactiva antes y después
La potencia activa P no cambia; solo cambia la potencia reactiva que se toma de la red.
Q1 = P·tan φ1 = 40·tan(49,46°) = 46,77 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 40·tan(23,07°) = 17,04 kvar
QC = Q1 − Q2 = 29,73 kvar
Respuesta
QC = 29,73 kvar
17.Potencia trifásica
Respuesta: P = 29,26 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 = √3·480·40 = 33,26 kVA
Potencia activa
P = S·cos φ = 33,26·0,88 = 29,26 kW
Respuesta
P = 29,26 kW
18.Potencia trifásica
Respuesta: QC = 47,64 kvar
Sistemas trifásicos equilibrados: en una conexión en Y (estrella) la tensión de línea es √3 veces la tensión de fase, VL = √3·Vph, y la corriente de línea es igual a la corriente de fase. En una conexión en Δ (triángulo) la tensión de línea es igual a la tensión de fase y la corriente de línea es √3 veces la corriente de fase, IL = √3·Iph. La potencia total es tres veces la potencia de una fase: P = 3·Vph·Iph·cos φ = √3·VL·IL·cos φ. Corrección del factor de potencia: los condensadores aportan potencia reactiva en el propio punto, QC = P·(tan φ1 − tan φ2). Cada uno de los tres condensadores aporta QC/3 = V²·ω·C, donde V es la tensión en ese condensador: VL en una batería en triángulo, VL/√3 en una batería en estrella.
Potencia reactiva antes y después
La potencia activa no cambia, así que cada factor de potencia fija la potencia reactiva: Q = P·tan φ.
Q1 = 75·tan(acos 0,72) = 75·0,9639 = 72,29 kvar
Q2 = 75·tan(acos 0,95) = 75·0,3287 = 24,65 kvar
Potencia reactiva de los condensadores
QC = Q1 − Q2 = 47,64 kvar
Respuesta
QC = 47,64 kvar
19.Transformadores
Respuesta: I1 = 6 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 = 240/2 = 120 V
I2 = 120/10 = 12 A
Corriente del primario
Un transformador ideal no tiene pérdidas: V₁·I₁ = V₂·I₂.
I1 = I2/2 = 6 A
Respuesta
I1 = 6 A
Comprobación: la carga vista desde el primario es a²·RL = 40 Ω, y 240/40 da la misma corriente.
20.Transformadores
Respuesta: Pcu,fl = 1192 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 = 150·0,85 = 127,5 kW
Pin = 127500/0,985 = 129442 W
Pérdidas totales y en el cobre
Ploss = 129442 − 127500 = 1942 W
Pcu,fl = 1942 − 750 = 1192 W
Respuesta
Pcu,fl = 1192 W
21.Circuitos con amplificador operacional
Respuesta: Vout = 0,5263 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.
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 = −1,8/10 = −0,18 mA
I2 = V2/R2 = 0,7/47 = 0,01489 mA
If = I1 + I2 = −0,1651 mA
Tensión de salida
Vout = −Rf·If = −22·(−0,1651) = 3,632 V
Respuesta
Vout = 3,632 V
23.Diodos y transistores
Respuesta: VCE = 9,065 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 = 12·15/(100 + 15) = 1,565 V
RTH = 100·15/(100 + 15) = 13,04 kΩ
Corriente de base
LTK en la malla de base; la corriente de emisor es (β + 1)·IB.
IB = (1,565 − 0,7)/(13,04 + 81·0,68) = 12,7 µA
Corriente de colector
IC = 80·12,7 µA = 1,016 mA
IE = 81·12,7 µA = 1,029 mA
Tensión colector–emisor
VCE = 12 − 1,016·2,2 − 1,029·0,68 = 9,065 V
Respuesta
VCE = 9,065 V
24.Diodos y transistores
Respuesta: PZ,max = 617,1 mW
Regulador Zener: un diodo Zener polarizado en inversa mantiene su tensión VZ mientras su corriente se mantenga por encima de un mínimo IZ,min. La resistencia en serie R absorbe la diferencia entre la entrada y la salida: IR = (Vin − VZ)/R. Esa corriente se reparte entre la carga, IL = VZ/RL, y el Zener: IZ = IR − IL. Diseña para los peores casos: la entrada más baja con la mayor carga debe dejar aún IZ,min, y la entrada más alta sin carga da la mayor potencia en el Zener PZ = VZ·IZ.
Corriente del Zener en el peor caso
IZ = 18,7/100 = 187 mA
Potencia del Zener
PZ = 3,3·187 = 617,1 mW
Respuesta
PZ,max = 617,1 mW
25.Sistemas de numeración
Respuesta: U = 210
Poner bits: cada bit vale una potencia de dos (128, 64, …, 1). Un dígito hexadecimal son exactamente cuatro bits, y en complemento a dos de 8 bits el bit de más a la izquierda vale −128. Las operaciones bit a bit actúan sobre cada posición de bit por separado.
Invertir y sumar uno
46 = 0010 1110
invertido: 1101 0001
+1 → 1101 0010
Leerlo sin signo
1101 0010₂ = 256 − 46 = 210
Respuesta
U = 210
26.Sistemas de numeración
Respuesta: R = 100
Poner bits: cada bit vale una potencia de dos (128, 64, …, 1). Un dígito hexadecimal son exactamente cuatro bits, y en complemento a dos de 8 bits el bit de más a la izquierda vale −128. Las operaciones bit a bit actúan sobre cada posición de bit por separado.
Bit a bit
XOR da 1 donde los dos bits son distintos.
0100 0000
XOR 0010 0100
= 0110 0100
Valor del resultado
0110 0100₂ = 100
Respuesta
R = 100
27.Lógica digital: puertas, mapas K y biestables
Respuesta: N = 2
Multiplexor: un multiplexor de 2ⁿ a 1 pasa una de sus entradas de datos a la salida; las líneas de selección, leídas como un número binario, eligen cuál. En un MUX de 4 a 1 con selecciones S₁S₀ = AB, F = A′B′·I₀ + A′B·I₁ + AB′·I₂ + AB·I₃. Conectar las entradas de datos a 0, 1, C o C′ hace que el MUX produzca cualquier función de A, B y C, lo que es una forma habitual de construir lógica con un solo chip.
Expresión de la salida
F = A′B′C′ + AB′C
Filas con F = 1
ABC = 000, 101
N = 2
Respuesta
N = 2
28.Lógica digital: puertas, mapas K y biestables
Respuesta: Q = 4
Biestables y contadores: un biestable cambia solo en el flanco activo del reloj. D copia su entrada (Q⁺ = D); T conmuta cuando T = 1; JK mantiene con 00, pone a 0 con 01, pone a 1 con 10 y conmuta con 11. Un contador binario de n bits tiene 2ⁿ estados y cuenta módulo 2ⁿ; un contador módulo N cuenta 0, 1, …, N − 1 y vuelve a 0, y necesita el menor n con 2ⁿ ≥ N biestables. Cada etapa de un contador asíncrono divide la frecuencia a la mitad, así que la última salida de un contador módulo N funciona a fclk/N. Un contador Johnson de n biestables tiene 2n estados y un contador en anillo, n.
Ciclos completos
Cada 8 pulsos devuelven el contador al mismo estado.
14 = 1·8 + 6
Cuenta tras los pulsos restantes
Q = (2 − 6) mod 8 = 4
Q = 100₂
Respuesta
Q = 4
29.Transformadas de Laplace
Respuesta: f(1.5) = 3,051
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 + 1) + C/(s + 6)
A = 25/(1·6) = 4,167
B = 25/((−1)·5) = −5
C = 25/((−6)·(−5)) = 0,8333
Transformada inversa
f(t) = 4,167 − 5·e−t + 0,8333·e−6t
Evalúa
f(1,5) = 4,167 − 5·e−1,5 + 0,8333·e−6·1,5 = 3,051
Respuesta
f(1,5) = 3,051
30.Transformadas de Laplace
Respuesta: g(0.1) = 0,5427
Transformada de Laplace: F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt convierte las derivadas en multiplicaciones por s: ℒ{f′} = sF(s) − f(0), ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0). Pares estándar: 1 ↔ 1/s, e−at ↔ 1/(s + a), t·e−at ↔ 1/(s + a)², sin ωt ↔ ω/(s² + ω²), cos ωt ↔ s/(s² + ω²), y un desplazamiento s → s + σ multiplica la función temporal por e−σt. Para invertir una F(s) racional, descomponla en fracciones parciales: el residuo de un polo simple p es A = [(s − p)·F(s)] en s = p. Teorema del valor final: f(∞) = lims→0 s·F(s), válido solo cuando todos los polos de s·F(s) están en el semiplano izquierdo. Teorema del valor inicial: f(0⁺) = lims→∞ s·F(s).
Función de transferencia
G(s) = Y(s)/U(s) = (s + 3)/(s² + 9s + 20)
Fracciones parciales
s² + 9s + 20 = (s + 4)(s + 5)
A = −1, B = 2
Respuesta al impulso
g(t) = −e−4t + 2·e−5t
g(0,1) = 0,5427
Respuesta
g(0,1) = 0,5427
31.Diagramas de bloques
Respuesta: τ = 0,05882 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) = 5/(s + 6 + 25)
C/R = K·G/(1 + K·G) = 25/(s + 6 + 25)
Estado estacionario
css = 10·25/31 + 0,5·5/31 = 8,145
Respuesta
css = 8,145
Una K mayor reduce el efecto de la perturbación, pero nunca la anula con un controlador proporcional.
33.Respuesta al escalón
Respuesta: %OS = 1,176 %
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 = 6 → ωₙ = 2,449 rad/s
2ζωₙ = 4 → ζ = 4/(2·2,449) = 0,8165
Resultado
%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 100·e−4,443 = 1,176 %
Respuesta
%OS = 1,176 %
34.Respuesta al escalón
Respuesta: ts = 2 s
Respuesta al escalón: un sistema de primer orden G(s) = K/(τs + 1) responde a un escalón de tamaño U con y(t) = K·U·(1 − e−t/τ): alcanza el 63,2 % del valor final K·U después de una constante de tiempo τ y el 98 % después de 4τ. Un sistema de segundo orden G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) tiene los polos s = −ζωₙ ± jωd con ωd = ωₙ√(1 − ζ²). Para 0 < ζ < 1 la respuesta al escalón tiene sobreimpulso: sobreimpulso porcentual %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), tiempo de pico tp = π/ωd y tiempo de establecimiento al 2 % ts ≈ 4/(ζωₙ). Compara el denominador con s² + 2ζωₙs + ωₙ² para obtener ωₙ y ζ. Para un sistema masa–resorte–amortiguador ωₙ = √(k/m) y ζ = c/(2√(km)); para un circuito RLC serie ωₙ = 1/√(LC) y ζ = (R/2)·√(C/L).
Para este lazo ζωₙ = a/2 sea cual sea K: aumentar K añade sobreimpulso pero no acorta el tiempo de establecimiento.
35.Diagramas de Bode y márgenes
Respuesta: |H| = −0,4459 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.
Frecuencia de corte
ωc = 1/(RC) = 1/(22000·1 × 10⁻⁹) = 45455 rad/s
fc = 7234 Hz → f/fc = 22000/7234 = 3,041
Ganancia
|H| = 3,041/√(1 + 3,041²) = 0,95
20·log₁₀(0,95) = −0,4459 dB
Respuesta
|H| = −0,4459 dB
36.Diagramas de Bode y márgenes
Respuesta: GM = 11,88 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.
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 + 7s² + 12s − 10 = 0
Tabla de Routh
s³: 1, 12
s²: 7, −10
s¹: 13,43
s⁰: −10
Cambios de signo en la primera columna
1 → 7 → 13,43 → −10
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: σa = −5
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.
Polos y ceros
polos: −5, −4, −10, −2
ceros: −6
n − m = 4 − 1 = 3
Centroide
σa = (−21 − (−6))/3 = −5
Respuesta
σa = −5
Las 3 asíntotas parten del centroide con ángulos de 60°, 180°, 300°.
39.Error en régimen permanente y control PID
Respuesta: K = 96
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 error requerida
1/(1 + Kp) = 0,04 → Kp = 24
Ganancia
K/4 = 24 → K = 96
Respuesta
K = 96
Comprueba también la estabilidad del lazo cerrado: en este lazo de segundo orden cualquier K > 0 es estable.
40.Error en régimen permanente y control PID
Respuesta: tp = 0,3927 s
Control P, PI y PID: el controlador C(s) = Kp + Ki/s + Kd·s actúa sobre el error. Una ganancia proporcional hace el lazo más rápido y reduce el error de una planta de tipo 0, pero nunca lo elimina. El término integral añade un polo en s = 0: el tipo del sistema sube una unidad y un escalón se sigue sin error. El término derivativo añade amortiguamiento. Para elegir las ganancias, escribe el polinomio característico de lazo cerrado y compáralo con s² + 2ζωns + ωn². Entonces %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), tp = π/ωd con ωd = ωn√(1 − ζ²), y ts ≈ 4/(ζωn).
Polinomio característico
s(s + 8) + 20·4 = s² + 8s + 80
ωₙ y ζ
ωₙ = √80 = 8,944 rad/s
ζ = 8/(2·8,944) = 0,4472
Tiempo de pico
ωd = 8,944·√(1 − 0,4472²) = 8 rad/s
tp = π/8 = 0,3927 s
Respuesta
tp = 0,3927 s
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