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

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

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1Fórmulas y métodos

Resistencias en serie y en paralelo

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

Método

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

Análisis nodal

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

Método

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

Análisis de mallas

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

Método

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

Superposición

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

Método

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

Thévenin y Norton

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

Método

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

Transitorios RC y RL

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

Método

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

Impedancia y fasores en alterna

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

Método

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

Potencia en alterna y factor de potencia

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

Potencia trifásica

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

Transformadores

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

Circuitos con amplificador operacional

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

Diodos y transistores

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

Sistemas de numeración

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

Lógica digital: puertas, mapas K y biestables

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

Método

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

Estabilidad: Routh–Hurwitz y lugar de las raíces

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

Método

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

Error en régimen permanente y control PID

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

Método

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

2Problemas de práctica

1.Resistencias en serie y en paraleloMedia
R1​ = 5 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​12 VR2​15 ΩAR4​5 ΩB

Halla la resistencia equivalente Req que ve la fuente V1.

V1 = 12 VR1 = 5 ΩR2 = 15 ΩR3 = 8 ΩR4 = 5 Ω
Req = Ω
2.Resistencias en serie y en paraleloDifícil
R1​ = 20 ΩR3​ = 30 ΩR5​ = 4 Ω+−V1​9 VR2​5 ΩAR4​8 ΩBR6​10 Ω

Halla la resistencia equivalente Req que ve la fuente V1.

V1 = 9 VR1 = 20 ΩR2 = 5 ΩR3 = 30 ΩR4 = 8 ΩR5 = 4 ΩR6 = 10 Ω
Req = Ω
3.Análisis nodalMedia
R1​ = 8 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​9 VR2​4 ΩAR4​2 ΩBIs​3 A

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

V1 = 9 VIs = 3 AR1 = 8 ΩR2 = 4 ΩR3 = 15 ΩR4 = 2 Ω
VA = V
4.Análisis nodalDifícil
R1​ = 25 ΩIR1​+−Vs​ = 12 V+−V1​36 VR2​20 ΩAR3​8 ΩBIs​1 A

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 corriente IR1 por R1 en el sentido de la flecha.

V1 = 36 VIs = 1 AVs = 12 VR1 = 25 ΩR2 = 20 ΩR3 = 8 Ω
IR1 = A
5.Análisis de mallasMedia
R1​ = 15 ΩR2​ = 8 Ω+−V1​30 VR3​15 Ω+−VR3​A+−V2​6 VI1​I2​

Usa el análisis de mallas para hallar la tensión VR3 en R3 con la polaridad indicada.

V1 = 30 VV2 = 6 VR1 = 15 ΩR2 = 8 ΩR3 = 15 Ω
VR3 = V
6.Análisis de mallasDifícil
R1​ = 10 ΩR2​ = 2 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​30 VR4​20 Ω+−VR4​AR5​25 ΩB+−V2​10 VI1​I2​I3​

Usa el análisis de mallas para hallar la tensión VR4 en R4 con la polaridad indicada.

V1 = 30 VV2 = 10 VR1 = 10 ΩR2 = 2 ΩR3 = 10 ΩR4 = 20 ΩR5 = 25 Ω
VR4 = V
7.SuperposiciónMedia
R1​ = 8 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​10 VR2​15 ΩAR4​15 Ω+−VR4​BIs​2 A

Usa el principio de superposición para hallar la tensión VR4 en R4 con la polaridad indicada.

V1 = 10 VIs = 2 AR1 = 8 ΩR2 = 15 ΩR3 = 10 ΩR4 = 15 Ω
VR4 = V
8.SuperposiciónDifícil
R1​ = 30 ΩR2​ = 3 ΩR4​ = 8 Ω+−V1​12 VR3​10 Ω+−VR3​AIs​5 AB+−V2​10 V

Usa el principio de superposición para hallar la tensión VR3 en R3 con la polaridad indicada.

V1 = 12 VIs = 5 AV2 = 10 VR1 = 30 ΩR2 = 3 ΩR3 = 10 ΩR4 = 8 Ω
VR3 = V
9.Thévenin y NortonMedia
R1​ = 10 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​18 VR2​2 ΩARL​2 ΩIL​B

Se conecta una carga RL = 2 Ω entre a–b. Sustituye el resto del circuito por su equivalente de Thévenin y halla la corriente de carga IL.

V1 = 18 VR1 = 10 ΩR2 = 2 ΩR3 = 5 ΩRL = 2 Ω
IL = A
10.Thévenin y NortonDifícil
R1​ = 25 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​24 VR2​8 ΩAIs​4 ABab

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

V1 = 24 VIs = 4 AR1 = 25 ΩR2 = 8 ΩR3 = 15 Ω
IN = A
11.Transitorios RC y RLMedia
+−Vs​30 Vt = 0R1​ = 2,2 kΩR2​ = 10 kΩC47 µF+−vC​

La fuente Vₛ carga el condensador a través de R₁, y R₂ está conectada en paralelo con C. El condensador está descargado cuando el interruptor se cierra en t = 0. Halla la tensión del condensador vC en t = 60 ms.

Vs = 30 VR1 = 2,2 kΩR2 = 10 kΩC = 47 µFt = 60 ms
vC = V
12.Transitorios RC y RLDifícil
+−Vs​12 VR1​ = 47 ΩR2​ = 47 Ωse abre en t = 0L47 mHi(t)

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. ¿Cuánto tiempo después de t = 0 alcanza la corriente de la bobina 0,204 A? Halla t.

Vs = 12 VR1 = 47 ΩR2 = 47 ΩL = 47 mH
t = ms
13.Impedancia y fasores en alternaMedia
230 V200 HzR = 80 ΩC = 2,2 µFI

Una resistencia y un condensador están conectados en paralelo a una alimentación de 230 V (eficaces) y 200 Hz. Halla el ángulo de fase φ de la impedancia, en grados (positivo cuando la corriente va retrasada respecto a la tensión).

V = 230 V (rms)f = 200 HzR = 80 ΩC = 2,2 µF
φ = °
14.Impedancia y fasores en alternaDifícil
230 V200 HzR = 80 ΩL = 50 mHC = 1 µFI

Un circuito RLC en serie está conectado a una alimentación de 230 V (eficaces) y 200 Hz. Halla la corriente eficaz I.

V = 230 V (rms)f = 200 HzR = 80 ΩL = 50 mHC = 1 µF
I = A
15.Potencia en alterna y factor de potenciaMedia
400 V111 kW, 0,8225 kW, 0,8I = ?

Dos cargas están conectadas en paralelo a una alimentación monofásica de 400 V: una carga de 11 kW con un factor de potencia de 0,8 inductivo y una carga de 25 kW con un factor de potencia de 0,8 capacitivo. Halla la corriente total I que se toma de la alimentación.

V = 400 VP1 = 11 kW, pf1 = 0,8 inductivoP2 = 25 kW, pf2 = 0,8 capacitivo
I = A
16.Potencia en alterna y factor de potenciaDifícil
P = 40 kWQ1​S1​φ1​QC​

Una carga monofásica consume 40 kW con un factor de potencia de 0,6 inductivo de una alimentación de 230 V y 50 Hz. Un condensador conectado en paralelo eleva el factor de potencia a 0,95. Halla la nueva corriente de línea Inew.

P = 40 kWpf1 = 0,6pf2 = 0,95V = 230 Vf = 50 Hz
Inew = A
17.Potencia trifásicaMedia
ABCVL​ = 400 VNZ = 5 + j12 Ωpor fase

Una carga equilibrada conectada en estrella, con una impedancia de 5 + j12 Ω por fase, se conecta a una alimentación trifásica equilibrada con una tensión de línea de 400 V. Halla la potencia activa total P que absorbe la carga en kW.

VL = 400 VZ = 5 + j12 Ω por fase
P = kW
18.Potencia trifásicaDifícil
P = 300 kWφ1​S1​Q2​QC​ = ?

Una carga trifásica equilibrada consume 300 kW con un factor de potencia de 0,7 inductivo de una alimentación de 480 V (de línea) y 50 Hz. Una batería trifásica de condensadores en paralelo con la carga debe elevar el factor de potencia total a 0,95 inductivo. La potencia activa no cambia. Halla la potencia reactiva total QC que debe aportar la batería de condensadores, en kvar.

P = 300 kWpf1 = 0,7pf2 = 0,95VL = 480 Vf = 50 Hz
QC = kvar
19.TransformadoresMedia
RL​ = 40 Ω21480 VV2​I1​ = ?I2​

A un transformador ideal con una relación de transformación N₁:N₂ = 2:1 se le aplican 480 V en el devanado primario. Se conecta una resistencia de 40 Ω en el devanado secundario. Halla la corriente del primario I1.

N1:N2 = 2:1V1 = 480 VRL = 40 Ω
I1 = A
20.TransformadoresDifícil
pf 0,8250 kVA, η = 98,2%

Un transformador monofásico de 250 kVA tiene unas pérdidas en el hierro de 750 W. A carga nominal y con un factor de potencia de 0,8 inductivo su rendimiento es del 98,2 %. Halla las pérdidas en el cobre a plena carga Pcu,fl en vatios.

S = 250 kVAPcore = 750 Wpf = 0,8η = 98,2%
Pcu,fl = W
21.Circuitos con amplificador operacionalMedia
−+Vout​R2​ = 100 kΩV1​ = −0,3 VR1​ = 47 kΩV2​ = −2,1 VR3​ = 47 kΩR4​ = 100 kΩ

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

V1 = −0,3 VV2 = −2,1 VR1 = R3 = 47 kΩR2 = R4 = 100 kΩ
Vout = V
22.Circuitos con amplificador operacionalDifícil
−+Vout​R2​ = 47 kΩV1​ = 0,8 VR1​ = 4,7 kΩV2​ = 1,6 VR3​ = 47 kΩR4​ = 1 kΩ

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

V1 = 0,8 VV2 = 1,6 VR1 = 4,7 kΩR2 = 47 kΩR3 = 47 kΩR4 = 1 kΩ
Vout = V
23.Diodos y transistoresMedia
RC​ = 3,3 kΩβ = 200VCC​ = 15 VRB​ = 820 kΩ

Un transistor NPN con β = 200 se polariza con una resistencia de base RB = 820 kΩ desde la alimentación VCC = 15 V. La resistencia de colector es RC = 3,3 kΩ y el emisor está a tierra. Toma VBE = 0,7 V y supón que el transistor está en la región activa. Halla la tensión colector–emisor VCE.

VCC = 15 VRB = 820 kΩRC = 3,3 kΩβ = 200VBE = 0,7 V
VCE = V
24.Diodos y transistoresDifícil
+−≤ 19 V680 Ω6,2 V

Un regulador Zener de 6,2 V tiene una resistencia en serie de 680 Ω. La entrada puede subir hasta 19 V, y la carga puede desconectarse. Halla la mayor potencia PZ,max que debe disipar el Zener.

Vin,max = 19 VVZ = 6,2 VR = 680 Ω
PZ,max = mW
25.Sistemas de numeraciónMedia
complemento a dos de 8 bits?−128?64?32?16?8?4?2?1

Escribe −102 como patrón de 8 bits en complemento a dos. Lee el patrón como un número binario sin signo: ¿cuál es su valor U en decimal?

N = −1028 bit
U =
26.Sistemas de numeraciónDifícil
haz clic en los bits para ponerlos012806403201608040201

Pon los bits al resultado de 8 bits de 0011 0000 XOR 1010 1101. ¿Cuál es el valor R del resultado en decimal?

0011 0000XOR1010 1101
R =
27.Lógica digital: puertas, mapas K y biestablesMedia
MUXCI0​1I1​C′I2​CI3​ABS1​S0​F

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 = 1, I₂ = C′, I₃ = C. ¿Para cuántas de las 8 combinaciones de A, B y C la salida es F = 1? Halla N.

I₀ = CI₁ = 1I₂ = C′I₃ = C
N =
28.Lógica digital: puertas, mapas K y biestablesDifícil
CLKT1234567

Un biestable T activado por flanco de subida empieza con Q = 0 y recibe las entradas mostradas en 7 flancos de subida del reloj. ¿Cuántas veces, N, cambia Q de estado?

Q₀ = 0T
N =
29.Transformadas de LaplaceMedia
ReIm−2−4−6−8−102

Halla f(t) para F(s) = (s + 10)/(s² + 4s + 8) completando el cuadrado, y evalúa f(0,2).

F(s) = (s + 10)/(s² + 4s + 8)t = 0,2 s
f(0.2) =
30.Transformadas de LaplaceDifícil
ReIm−0,5−10,51

Un sistema se describe con la ecuación diferencial y″ + 2y′ + 2y = 12u, con entrada u(t) y salida y(t). Halla su función de transferencia G(s) = Y(s)/U(s) (condiciones iniciales nulas) y evalúa la respuesta al impulso g(t) en t = 1 s. Halla g(1).

y″ + 2y′ + 2y = 12ut = 1 s
g(1) =
31.Diagramas de bloquesMedia
R(s)+Ks(s + 14)G(s)C(s)−

La planta G(s) = K/(s(s + 14)) está en un lazo de realimentación negativa unitaria. Halla la ganancia K para la que el lazo cerrado está críticamente amortiguado (dos polos reales iguales).

G(s) = K/(s(s + 14))realimentación negativa unitaria
K =
32.Diagramas de bloquesDifícil
R(s)+Ks(s + 1)(s + 9)G(s)C(s)−

La planta G(s) = K/(s(s + 1)(s + 9)) está en un lazo de realimentación negativa unitaria. Usa el criterio de Routh–Hurwitz para hallar la mayor ganancia Kmax para la que el lazo cerrado es estable.

G(s) = K/(s(s + 1)(s + 9))realimentación negativa unitaria
Kmax =
33.Respuesta al escalónMedia
t (s)y(t)0,5

Un sistema tiene la función de transferencia G(s) = 15,5/(s² + 4s + 31) y recibe una entrada escalón unitario. Halla el factor de amortiguamiento ζ.

G(s) = 15,5/(s² + 4s + 31)
ζ =
34.Respuesta al escalónDifícil
+−24 VR = 3 ΩL = 20 mHC = 100 µFvC​

Un circuito RLC serie con R = 3 Ω, L = 20 mH y C = 100 µF se conecta a un escalón de 24 V en t = 0. El condensador está descargado y no circula corriente antes del escalón. Halla la frecuencia natural no amortiguada ωn en rad/s.

R = 3 ΩL = 20 mHC = 100 µFV = 24 V
ωn = rad/s
35.Diagramas de Bode y márgenesMedia
|H| (dB)0,10,1111010100100−20020406080ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−135−90−450ω = 4

Halla la fase ∠G(jω) de G(s) = 26(s + 8)/(s(s + 2)) en ω = 4 rad/s, en grados.

G(s) = 26(s + 8)/(s(s + 2))ω = 4 rad/s
∠G(jω) = °
36.Diagramas de Bode y márgenesDifícil
|H| (dB)0,10,1111010100100−80−60−40−2002040ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−270−180−900ω180​ = ?

Un lazo con realimentación unitaria tiene la función de transferencia en lazo abierto L(s) = 46/(s(s + 4)(s + 5)). Halla la frecuencia de cruce de fase ω180, donde ∠L(jω) = −180°.

L(s) = 46/(s(s + 4)(s + 5))
ω180 = rad/s
37.Estabilidad: Routh–Hurwitz y lugar de las raícesMedia
R(s)+K = 3,751s(s + 2)(s + 3)C(s)−

El lazo del diagrama funciona con K = 3,75 y L(s) = K/(s(s + 2)(s + 3)). ¿Por qué factor m se puede aumentar la ganancia antes de que el lazo cerrado se vuelva inestable?

L(s) = K/(s(s + 2)(s + 3))K = 3,75
m =
38.Estabilidad: Routh–Hurwitz y lugar de las raícesDifícil
ReIm−2−4−6j2j4j6

Se ha esbozado el lugar de las raíces de L(s) = K/((s + 1)(s + 4)(s + 6)). Halla la frecuencia ω a la que el lugar cruza el eje imaginario.

L(s) = K/((s + 1)(s + 4)(s + 6))
ω = rad/s
39.Error en régimen permanente y control PIDMedia
r(t) = 4·t²/2+5(s + 3)s²(s + 5)C(s)−

Se aplica la entrada parabólica r(t) = 4·t²/2 a un lazo con realimentación unitaria con G(s) = 5(s + 3)/(s²(s + 5)). Halla el error en régimen permanente ess.

G(s) = 5(s + 3)/(s²(s + 5))r(t) = 4·t²/2
ess =
40.Error en régimen permanente y control PIDDifícil
R(s)+K = 104s(s + 10)C(s)−

Un controlador proporcional K = 10 controla la planta G(s) = 4/(s(s + 10)) en un lazo con realimentación unitaria. Halla el tiempo de pico tp de la respuesta al escalón.

G(s) = 4/(s(s + 10))K = 10
tp = s

3Disoluciones

1.Resistencias en serie y en paralelo

Respuesta: Req = 11,96 Ω

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

R1​ = 5 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​12 VR2​15 ΩAR4​5 ΩB

Combina las resistencias desde el extremo más lejano

Empieza por el extremo más alejado de la fuente y avanza hacia ella. Las resistencias con la misma corriente están en serie; las que están entre los mismos dos nodos, en paralelo.

R3 + R4 = 8 + 5 = 13 Ω
R2 ∥ 13 = 15·13/(15+13) = 6,964 Ω
Req = R1 + 6,964 = 5 + 6,964 = 11,96 Ω

Respuesta

Req = 11,96 Ω
2.Resistencias en serie y en paralelo

Respuesta: Req = 24,38 Ω

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

R1​ = 20 ΩR3​ = 30 ΩR5​ = 4 Ω+−V1​9 VR2​5 ΩAR4​8 ΩBR6​10 Ω

Combina las resistencias desde el extremo más lejano

Empieza por el extremo más alejado de la fuente y avanza hacia ella. Las resistencias con la misma corriente están en serie; las que están entre los mismos dos nodos, en paralelo.

R5 + R6 = 4 + 10 = 14 Ω
R4 ∥ 14 = 5,091 Ω
R3 + 5,091 = 35,09 Ω
R2 ∥ 35,09 = 4,376 Ω
Req = R1 + 4,376 = 20 + 4,376 = 24,38 Ω

Respuesta

Req = 24,38 Ω
3.Análisis nodal

Respuesta: VA = 3,407 V

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

R1​ = 8 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​9 VR2​4 ΩAR4​2 ΩBIs​3 A

Plantea los nodos

La tierra es el cable inferior. Las tensiones de nodo conocidas salen directamente de las fuentes (V1 = 9 V). Incógnitas: VA, VB.

LCK en el nodo A

Las corrientes que salen de A por las resistencias igualan la corriente que las fuentes inyectan en A.

VA/R2 + (VA − V1)/R1 + (VA − VB)/R3 = 0
VA/4 + (VA − 9)/8 + (VA − VB)/15 = 0
0,4417·VA − 0,06667·VB = 1,125

LCK en el nodo B

Las corrientes que salen de B por las resistencias igualan la corriente que las fuentes inyectan en B.

VB/R4 + (VB − VA)/R3 = Is
VB/2 + (VB − VA)/15 = 3
−0,06667·VA + 0,5667·VB = 3

Resuelve

Δ = (0,4417)(0,5667) − (−0,06667)(−0,06667) = 0,2458
VA = Δ1/Δ = 0,8375/0,2458 = 3,407 V
VB = Δ2/Δ = 1,4/0,2458 = 5,695 V

Respuesta

VA = 3,407 V
4.Análisis nodal

Respuesta: IR1 = 0,707 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 − 12
(VA − V1)/R1 + VA/R2 + VB/R3 = Is

Resuelve

(VA − 36)/25 + VA/20 + (VA − 12)/8 = 1
VA·(1/25 + 1/20 + 1/8) = 1 + 36/25 + 12/8 = 3,94
VA = 3,94/0,215 = 18,33 V
VB = 6,326 V

Corriente por R₁

IR1 = (V1 − VA)/R1 = (36 − 18,33)/25 = 0,707 A

Respuesta

IR1 = 0,707 A

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

5.Análisis de mallas

Respuesta: VR3 = 10,65 V

Análisis de mallas: asigna a cada ventana de un circuito plano su propia corriente de lazo, escribe la ley de tensiones de Kirchhoff en cada lazo (suma de caídas = suma de subidas) y resuelve. Las corrientes de rama son la corriente de malla o la diferencia de dos corrientes de malla en una rama compartida.

R1​ = 15 ΩR2​ = 8 Ω+−V1​30 VR3​15 ΩA+−V2​6 VI1​I2​

Asigna las corrientes de malla

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

LTK en la malla 1

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

R1·I1 + R3(I1 − I2) = V1
15·I1 + 15(I1 − I2) = 30
30·I1 − 15·I2 = 30

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
8·I2 + 15(I2 − I1) = (−6)
−15·I1 + 23·I2 = −6

Resuelve

Δ = (30)(23) − (−15)(−15) = 465
I1 = Δ1/Δ = 600/465 = 1,29 A
I2 = Δ2/Δ = 270/465 = 0,5806 A

Respuesta

IR3 = I1 − I2 = 0,7097 A
VR3 = IR3·R3 = 0,7097·15 = 10,65 V

Una corriente de malla negativa circula en sentido antihorario.

6.Análisis de mallas

Respuesta: VR4 = 14,58 V

Análisis de mallas: asigna a cada ventana de un circuito plano su propia corriente de lazo, escribe la ley de tensiones de Kirchhoff en cada lazo (suma de caídas = suma de subidas) y resuelve. Las corrientes de rama son la corriente de malla o la diferencia de dos corrientes de malla en una rama compartida.

R1​ = 10 ΩR2​ = 2 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​30 VR4​20 ΩAR5​25 ΩB+−V2​10 VI1​I2​I3​

Asigna las corrientes de malla

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

LTK en la malla 1

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

R1·I1 + R4(I1 − I2) = V1
10·I1 + 20(I1 − I2) = 30
30·I1 − 20·I2 = 30

LTK en la malla 2

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

R2·I2 + R4(I2 − I1) + R5(I2 − I3) = 0
2·I2 + 20(I2 − I1) + 25(I2 − I3) = 0
−20·I1 + 47·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
10·I3 + 25(I3 − I2) = (−10)
−25·I2 + 35·I3 = −10

Resuelve

Δ = determinante de la matriz de coeficientes = 16600
I1 = Δ1/Δ = 25600/16600 = 1,542 A
I2 = Δ2/Δ = 13500/16600 = 0,8133 A
I3 = Δ3/Δ = 4900/16600 = 0,2952 A

Respuesta

IR4 = I1 − I2 = 0,7289 A
VR4 = IR4·R4 = 0,7289·20 = 14,58 V

Una corriente de malla negativa circula en sentido antihorario.

7.Superposición

Respuesta: VR4 = 18,35 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.

R1​ = 8 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​10 VR2​15 ΩAR4​15 ΩBABIERTO

Caso 1 · V1 actuando sola

Iₛ pasa a ser un circuito abierto, así que R₃ y R₄ forman una rama en serie de A a tierra, en paralelo con R₂.

R3+R4 = 10+15 = 25 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 15·25/(15+25) = 9,375 Ω
VA = 10·9,375/(8+9,375) = 5,396 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 5,396·15/25 = 3,237 V
VR4′ = VB − 0 = 3,237 − 0 = 3,237 V
R1​ = 8 ΩR3​ = 10 ΩCORTOR2​15 ΩAR4​15 ΩBIs​2 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 = 8·15/(8+15) = 5,217 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 15 ∥ 15,22 = 7,554 Ω
VB = Is·Req = 2·7,554 = 15,11 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 15,11·5,217/15,22 = 5,18 V
VR4″ = VB − 0 = 15,11 − 0 = 15,11 V

Suma las contribuciones

VR4 = VR4′ + VR4″
VR4 = 3,237 + 15,11 = 18,35 V

Un resultado negativo significa que la polaridad real es la opuesta a la indicada.

8.Superposición

Respuesta: VR3 = 22,05 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.

R1​ = 30 ΩR2​ = 3 ΩR4​ = 8 Ω+−V1​12 VR3​10 ΩAABIERTOBCORTO

Caso 1 · V1 actuando sola

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

R3 ∥ (R2+R4) = 10 ∥ 11 = 5,238 Ω
VA = 12·5,238/(30+5,238) = 1,784 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 1,784·8/11 = 1,297 V
VR3′ = VA − 0 = 1,784 − 0 = 1,784 V
R1​ = 30 ΩR2​ = 3 ΩR4​ = 8 ΩCORTOR3​10 ΩAIs​5 ABCORTO

Caso 2 · Is actuando sola

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

R1 ∥ R3 = 7,5 Ω, así que el camino de la izquierda es R2+7,5 = 10,5 Ω
Req = R4 ∥ 10,5 = 4,541 Ω
VB = Is·Req = 5·4,541 = 22,7 V
VA = VB·7,5/10,5 = 16,22 V
VR3″ = VA − 0 = 16,22 − 0 = 16,22 V
R1​ = 30 ΩR2​ = 3 ΩR4​ = 8 ΩCORTOR3​10 ΩAABIERTOB+−V2​10 V

Caso 3 · V2 actuando sola

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

R1 ∥ R3 = 30·10/(30+10) = 7,5 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = 10·10,5/18,5 = 5,676 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = 5,676·7,5/10,5 = 4,054 V
VR3‴ = VA − 0 = 4,054 − 0 = 4,054 V

Suma las contribuciones

VR3 = VR3′ + VR3″ + VR3‴
VR3 = 1,784 + 16,22 + 4,054 = 22,05 V

Un resultado negativo significa que la polaridad real es la opuesta a la indicada.

9.Thévenin y Norton

Respuesta: IL = 0,3462 A

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

R1​ = 10 ΩR3​ = 5 ΩCORTOR2​2 ΩAabRth​

Halla Rth con todas las fuentes apagadas

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

R1 ∥ R2 = 10·2/(10+2) = 1,667 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,667 + 5 = 6,667 Ω
R1​ = 10 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​18 VR2​2 ΩAab+−Vth​

Halla Vth, la tensión en circuito abierto

Con a–b abiertos, no circula corriente por R₃, así que no hay caída en ella y V_b = V_A. R₁ y R₂ forman un divisor de tensión.

Vth = V1·R2/(R1+R2) = 18·2/(10+2) = 3 V
Rth​ = 6,667 Ω+−Vth​3 VRL​2 ΩIL​

Conecta la carga al equivalente de Thévenin

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

IL = Vth/(Rth + RL) = 3/(6,667 + 2) = 0,3462 A
10.Thévenin y Norton

Respuesta: IN = 4,276 A

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

R1​ = 25 ΩR3​ = 15 ΩCORTOR2​8 ΩAABIERTOBabRth​

Halla Rth con todas las fuentes apagadas

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

R1 ∥ R2 = 25·8/(25+8) = 6,061 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 6,061 + 15 = 21,06 Ω
R1​ = 25 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​24 VR2​8 ΩAIs​4 ABab+−Vth​

Halla Vth, la tensión en circuito abierto

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

VA = V1·R2/(R1+R2) + Is·(R1∥R2) = 5,818 + 4·6,061 = 30,06 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 30,06 + 4·15 = 90,06 V
IN​4,276 ARth​21,06 Ωab

Equivalente de Norton

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

IN = Vth/Rth = 90,06/21,06 = 4,276 A
11.Transitorios RC y RL

Respuesta: vC = 12,48 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.

Equivalente de Thévenin visto por el condensador

Cortocircuita la fuente para hallar Rth; deja abierto el condensador para hallar la tensión a la que se estabilizará.

Rth = R1 ∥ R2 = 2,2·10/(2,2 + 10) = 1,803 kΩ
vC(∞) = 30·10/(2,2 + 10) = 24,59 V

Constante de tiempo

τ = Rth·C = 1,803·47 = 84,75 ms

Curva de carga

vC(t) = 24,59·(1 − e−60/84,75) = 12,48 V

Respuesta

vC = 12,48 V
12.Transitorios RC y RL

Respuesta: t = 0,2571 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.

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) = 12/47 = 0,2553 A
i(∞) = 12/(47 + 47) = 0,1277 A
τ = L/R = 47/94 = 0,5 ms
i(t) = 0,1277 + (0,2553 − 0,1277)·e−t/τ

Despeja el tiempo

e−t/τ = (0,204 − 0,1277)/(0,2553 − 0,1277) = 0,598
t = 0,5·ln(1,672) = 0,2571 ms

Respuesta

t = 0,2571 ms
13.Impedancia y fasores en alterna

Respuesta: φ = −12,47 °

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·200·2,2·10⁻⁶) = 361,7 Ω

Corrientes de rama

Ambas ramas están conectadas directamente a la alimentación, así que cada una ve la tensión completa V.

IR = V/R = 230/80 = 2,875 A
IX = V/XC = 230/361,7 = 0,6359 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) = √(2,875² + 0,6359²) = 2,944 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(0,6359/2,875) = −12,47°

Respuesta

φ = −12,47°
14.Impedancia y fasores en alterna

Respuesta: I = 0,312 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·200 = 1257 rad/s
XL = ωL = 1257·0,05 = 62,83 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(1257·1·10⁻⁶) = 795,8 Ω

Impedancia

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

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(80² + (−732,9)²) = 737,3 Ω

Corriente

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

I = V/|Z| = 230/737,3 = 0,312 A

Respuesta

I = 0,312 A
15.Potencia en alterna y factor de potencia

Respuesta: I = 93,75 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 = 11·tan(arccos 0,8) = 8,25 kvar
Q2 = −25·tan(arccos 0,8) = −18,75 kvar

Totales

P = 11 + 25 = 36 kW
Q = 8,25 + (−18,75) = −10,5 kvar
S = √(36² + (−10,5)²) = 37,5 kVA

Corriente total

I = S/V = 37500/400 = 93,75 A

Respuesta

I = 93,75 A
16.Potencia en alterna y factor de potencia

Respuesta: Inew = 183,1 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 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(53,13°) = 53,33 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 40·tan(18,19°) = 13,15 kvar
QC = Q1 − Q2 = 40,19 kvar

Nueva corriente de línea

Inew = P/(V·cos φ2) = 40000/(230·0,95) = 183,1 A

Respuesta

Inew = 183,1 A
17.Potencia trifásica

Respuesta: P = 4,734 kW

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

Tensión de fase

Vph = 400/√3 = 230,9 V

Corriente de fase

|Z| = √(5² + 12²) = 13 Ω
Iph = 230,9/13 = 17,76 A

Potencia activa total

Solo la parte resistiva de cada impedancia absorbe potencia activa.

P = 3·Iph²·R = 3·17,76²·5 = 4,734 kW

Respuesta

P = 4,734 kW

Comprobación: cos φ = R/|Z| = 0,3846, y √3·VL·IL·cos φ da la misma potencia.

18.Potencia trifásica

Respuesta: QC = 207,5 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 = 300·tan(acos 0,7) = 300·1,02 = 306,1 kvar
Q2 = 300·tan(acos 0,95) = 300·0,3287 = 98,61 kvar

Potencia reactiva de los condensadores

QC = Q1 − Q2 = 207,5 kvar

Respuesta

QC = 207,5 kvar
19.Transformadores

Respuesta: I1 = 3 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 = 480/2 = 240 V
I2 = 240/40 = 6 A

Corriente del primario

Un transformador ideal no tiene pérdidas: V₁·I₁ = V₂·I₂.

I1 = I2/2 = 3 A

Respuesta

I1 = 3 A

Comprobación: la carga vista desde el primario es a²·RL = 160 Ω, y 480/160 da la misma corriente.

20.Transformadores

Respuesta: Pcu,fl = 2916 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 = 250·0,8 = 200 kW
Pin = 200000/0,982 = 203666 W

Pérdidas totales y en el cobre

Ploss = 203666 − 200000 = 3666 W
Pcu,fl = 3666 − 750 = 2916 W

Respuesta

Pcu,fl = 2916 W
21.Circuitos con amplificador operacional

Respuesta: Vout = −3,83 V

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

Tensión en las entradas

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

V₊ = V2·R4/(R3 + R4) = −2,1·100/(47 + 100) = −1,429 V
V₋ = V₊

LCK en la entrada inversora

(−0,3 − −1,429)/47 = (−1,429 − Vout)/100
Vout = (R2/R1)·(V2 − V1) = (100/47)·(−2,1 − (−0,3)) = −3,83 V

Respuesta

Vout = −3,83 V
22.Circuitos con amplificador operacional

Respuesta: Vout = −7,633 V

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

Tensión en la entrada +

V₊ = V2·R4/(R3 + R4) = 1,6·1/(47 + 1) = 0,03333 V

Superpón las dos entradas

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

Vout = −(47/4,7)·0,8 + (1 + 47/4,7)·0,03333 = −8 + 0,3667 = −7,633 V

Respuesta

Vout = −7,633 V
23.Diodos y transistores

Respuesta: VCE = 3,49 V

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

Corriente de base

IB = (VCC − VBE)/RB = (15 − 0,7)/820 kΩ = 17,44 µA

Corriente de colector

IC = β·IB = 200·17,44 µA = 3,488 mA

Tensión colector–emisor

VCE = 15 − 3,488 mA·3,3 kΩ = 3,49 V

Respuesta

VCE = 3,49 V
24.Diodos y transistores

Respuesta: PZ,max = 116,7 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 = 12,8/680 = 18,82 mA

Potencia del Zener

PZ = 6,2·18,82 = 116,7 mW

Respuesta

PZ,max = 116,7 mW
25.Sistemas de numeración

Respuesta: U = 154

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

Invertir y sumar uno

102 = 0110 0110
invertido: 1001 1001
+1 → 1001 1010

Leerlo sin signo

1001 1010₂ = 256 − 102 = 154

Respuesta

U = 154
26.Sistemas de numeración

Respuesta: R = 157

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.

0011 0000
XOR 1010 1101
= 1001 1101

Valor del resultado

1001 1101₂ = 157

Respuesta

R = 157
27.Lógica digital: puertas, mapas K y biestables

Respuesta: N = 5

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 + A′B + AB′C′ + ABC

Filas con F = 1

ABC = 001, 010, 011, 100, 111
N = 5

Respuesta

N = 5
28.Lógica digital: puertas, mapas K y biestables

Respuesta: N = 6

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

Q tras cada flanco

Un biestable T conmuta en cada flanco de subida con T = 1 y se mantiene con T = 0.

1: T = 1 → Q = 1
2: T = 1 → Q = 0
3: T = 1 → Q = 1
4: T = 1 → Q = 0
5: T = 1 → Q = 1
6: T = 1 → Q = 0
7: T = 0 → Q = 0

Cuenta los cambios

0 → 1 → 0 → 1 → 0 → 1 → 0 → 0
N = 6

Respuesta

N = 6
29.Transformadas de Laplace

Respuesta: f(0.2) = 1,662

Transformada de Laplace: F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt convierte las derivadas en multiplicaciones por s: ℒ{f′} = sF(s) − f(0), ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0). Pares estándar: 1 ↔ 1/s, e−at ↔ 1/(s + a), t·e−at ↔ 1/(s + a)², sin ωt ↔ ω/(s² + ω²), cos ωt ↔ s/(s² + ω²), y un desplazamiento s → s + σ multiplica la función temporal por e−σt. Para invertir una F(s) racional, descomponla en fracciones parciales: el residuo de un polo simple p es A = [(s − p)·F(s)] en s = p. Teorema del valor final: f(∞) = lims→0 s·F(s), válido solo cuando todos los polos de s·F(s) están en el semiplano izquierdo. Teorema del valor inicial: f(0⁺) = lims→∞ s·F(s).

Completar el cuadrado

s² + 4s + 8 = (s + 2)² + 4 = (s + 2)² + 2²

Igualar el numerador

F(s) = 1·(s + 2)/((s + 2)² + 2²) + (8/2)·2/((s + 2)² + 2²)

Transformada inversa

f(t) = e−2t·(cos 2t + 4·sin 2t)
f(0,2) = e−2·0,2·(cos(2·0,2) + 4·sin(2·0,2)) = 1,662

Respuesta

f(0,2) = 1,662
30.Transformadas de Laplace

Respuesta: g(1) = 3,715

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) = 12/(s² + 2s + 2)

Fracciones parciales

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

Respuesta al impulso

g(t) = e−t·(12·sin 1t)
g(1) = 3,715

Respuesta

g(1) = 3,715
31.Diagramas de bloques

Respuesta: K = 49

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).

Ecuación característica

1 + K/(s(s + 14)) = 0 → s² + 14s + K = 0

Raíz repetida

Un polinomio cuadrático s² + βs + γ tiene una raíz doble cuando β² = 4γ.

14² = 4K → K = 196/4 = 49

Respuesta

K = 49
Ambos polos en lazo cerrado están entonces en s = −7.
32.Diagramas de bloques

Respuesta: Kmax = 90

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).

Ecuación característica

s³ + 10s² + 9s + K = 0

Tabla de Routh

s³ | 1 9
s² | 10 K
s¹ | (10·9 − K)/10
s⁰ | K

Límite de estabilidad

Todos los elementos de la primera columna deben ser positivos.

Kmax = 10·9 = 90

Respuesta

Kmax = 90
33.Respuesta al escalón

Respuesta: ζ = 0,3592

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 = 31 → ωₙ = 5,568 rad/s
2ζωₙ = 4 → ζ = 4/(2·5,568) = 0,3592

Resultado

ζ = 0,3592

Respuesta

ζ = 0,3592
34.Respuesta al escalón

Respuesta: ωn = 707,1 rad/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).

Frecuencia natural y razón de amortiguamiento

ωₙ = 1/√(LC) = 1/√(0,02·1 × 10⁻⁴) = 707,1 rad/s
ζ = (R/2)·√(C/L) = (3/2)·√(1 × 10⁻⁴/0,02) = 0,1061

Resultado

ωₙ = 707,1 rad/s

Respuesta

ωn = 707,1 rad/s
35.Diagramas de Bode y márgenes

Respuesta: ∠G(jω) = −126,9 °

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.

Suma los ángulos

∠G = atan(4/8) − 90° − atan(4/2) = 26,57° − 90° − 63,43°

Resultado

∠G(j4) = −126,9°

Respuesta

∠G(jω) = −126,9°
36.Diagramas de Bode y márgenes

Respuesta: ω180 = 4,472 rad/s

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

Cruce de fase

(ω/4)·(ω/5) = 1 → ω180 = √(4·5) = 4,472 rad/s

Respuesta

ω180 = 4,472 rad/s
37.Estabilidad: Routh–Hurwitz y lugar de las raíces

Respuesta: m = 8

Criterio de Routh–Hurwitz: un sistema lineal es estable cuando todas las raíces de su polinomio característico están en el semiplano izquierdo del plano s. Escribe los coeficientes alternadamente en las dos primeras filas de la tabla de Routh. Cada elemento de una fila nueva sale de las dos filas de encima; para un polinomio cúbico a₃s³ + a₂s² + a₁s + a₀ el elemento de s¹ es b₁ = (a₂·a₁ − a₃·a₀)/a₂. El número de cambios de signo en la primera columna es igual al número de raíces en el semiplano derecho. Con una ganancia K en los coeficientes, todos los elementos de la primera columna deben seguir siendo positivos: la ganancia que anula el elemento de s¹ es el límite de estabilidad, y la fila de s² da entonces la frecuencia de la oscilación sostenida.

Tabla de Routh

s³ + 5s² + 6s + K = 0
s³: 1, 6
s²: 5, K
s¹: (5·6 − K)/5
s⁰: K

Mayor ganancia estable

Kmax = 5·6 = 30

Factor

m = 30/3,75 = 8

Respuesta

m = 8

Este factor es el margen de ganancia como cociente: 18,06 dB.

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

Respuesta: ω = 5,831 rad/s

Lugar de las raíces: cuando la ganancia K va de 0 a ∞, los polos de lazo cerrado, las raíces de 1 + K·G(s) = 0, se desplazan desde los polos de lazo abierto hasta los ceros de lazo abierto o hasta el infinito. Un punto del eje real pertenece al lugar cuando el número de polos y ceros reales situados a su derecha es impar. Las n − m ramas que van al infinito siguen asíntotas con los ángulos (2q + 1)·180°/(n − m), que parten del centroide σₐ = (Σ polos − Σ ceros)/(n − m). Las ramas salen del eje real o se unen a él donde dK/ds = 0. La condición de ángulo ∠G(s) = 180° fija la forma, y la condición de módulo K = 1/|G(s)| da la ganancia en cualquier punto del lugar.

Ganancia crítica

s³ + 11s² + 34s + 24 + K = 0
s¹: (11·34 − 24 − K)/11 = 0 → K = 350

Frecuencia de cruce

11s² + 24 + 350 = 11s² + 374 = 0 → s² = −34
ω = √34 = 5,831 rad/s

Respuesta

ω = 5,831 rad/s
39.Error en régimen permanente y control PID

Respuesta: ess = 1,333

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 aceleración

Ka = 5·3/5 = 3

Error ante parábola

ess = 4/3 = 1,333

Respuesta

ess = 1,333
40.Error en régimen permanente y control PID

Respuesta: tp = 0,8112 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 + 10) + 10·4 = s² + 10s + 40

ωₙ y ζ

ωₙ = √40 = 6,325 rad/s
ζ = 10/(2·6,325) = 0,7906

Tiempo de pico

ωd = 6,325·√(1 − 0,7906²) = 3,873 rad/s
tp = π/3,873 = 0,8112 s

Respuesta

tp = 0,8112 s

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