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​ = 20 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​18 VR2​5 ΩAR4​6 ΩB

Halla la resistencia equivalente Req que ve la fuente V1.

V1 = 18 VR1 = 20 ΩR2 = 5 ΩR3 = 10 ΩR4 = 6 Ω
Req = Ω
2.Resistencias en serie y en paraleloDifícil
R1​ = 30 ΩR3​ = 4 ΩR5​ = 5 Ω+−V1​12 VR2​12 ΩAR4​10 ΩBR6​12 Ω

Halla la resistencia equivalente Req que ve la fuente V1.

V1 = 12 VR1 = 30 ΩR2 = 12 ΩR3 = 4 ΩR4 = 10 ΩR5 = 5 ΩR6 = 12 Ω
Req = Ω
3.Análisis nodalMedia
R1​ = 12 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​24 VR2​6 ΩAR4​4 ΩBIs​4 A

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

V1 = 24 VIs = 4 AR1 = 12 ΩR2 = 6 ΩR3 = 8 ΩR4 = 4 Ω
PIs = W
4.Análisis nodalDifícil
R1​ = 6 ΩR3​ = 30 Ω+−V1​24 VR2​30 ΩAR4​2 ΩB0,2·VA​

El rombo es una fuente de corriente controlada por tensión que inyecta una corriente de 0,2·VA (en A, con VA en V) hacia arriba al nodo B. Usa el análisis nodal para hallar la tensión de nodo VB (respecto a tierra).

V1 = 24 VR1 = 6 ΩR2 = 30 ΩR3 = 30 ΩR4 = 2 Ωg = 0,2 A/V
VB = V
5.Análisis de mallasMedia
R1​ = 12 ΩR2​ = 15 Ω+−V1​10 VR3​6 ΩA+−V2​12 VI1​I2​

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

V1 = 10 VV2 = 12 VR1 = 12 ΩR2 = 15 ΩR3 = 6 Ω
I2 = A
6.Análisis de mallasDifícil
R1​ = 10 ΩR2​ = 20 ΩR3​ = 25 Ω+−V1​15 VR4​25 ΩAR5​2 Ω+−VR5​B+−V2​5 VI1​I2​I3​

Usa el análisis de mallas para hallar la tensión VR5 en R5 con la polaridad indicada.

V1 = 15 VV2 = 5 VR1 = 10 ΩR2 = 20 ΩR3 = 25 ΩR4 = 25 ΩR5 = 2 Ω
VR5 = V
7.SuperposiciónMedia
R1​ = 4 ΩR3​ = 8 ΩIR3​+−V1​24 VR2​20 ΩAR4​15 ΩBIs​2 A

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

V1 = 24 VIs = 2 AR1 = 4 ΩR2 = 20 ΩR3 = 8 ΩR4 = 15 Ω
IR3 = A
8.SuperposiciónDifícil
R1​ = 10 ΩR2​ = 5 ΩR4​ = 12 Ω+−V1​9 VR3​4 ΩIR3​AIs​6 AB+−V2​?

Halla el valor de la fuente de tensión V2 (con la polaridad indicada) que hace nula la corriente IR3 por R3.

V1 = 9 VIs = 6 AR1 = 10 ΩR2 = 5 ΩR3 = 4 ΩR4 = 12 Ω
V2 = V
9.Thévenin y NortonMedia
R1​ = 3 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​12 VR2​12 ΩAab

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

V1 = 12 VR1 = 3 ΩR2 = 12 ΩR3 = 12 Ω
IN = A
10.Thévenin y NortonDifícil
R1​ = 5 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​9 VR2​6 ΩAIs​6 ABRL​30 ΩIL​

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

V1 = 9 VIs = 6 AR1 = 5 ΩR2 = 6 ΩR3 = 8 ΩRL = 30 Ω
IL = A
11.Transitorios RC y RLMedia
+−Vs​12 Vt = 0R = 47 ΩL68 mHi(t)

La bobina no lleva corriente antes de que el interruptor se cierre en t = 0. Halla la energía W(∞) almacenada en la bobina una vez estabilizado el circuito, en mJ.

Vs = 12 VR = 47 ΩL = 68 mH
W(∞) = mJ
12.Transitorios RC y RLDifícil
+−Vs​15 Vt = 0R = 10 kΩC33 µF+−vC​vC​(0) = 20 V

Justo antes de que el interruptor se cierre en t = 0, el condensador tiene 20 V con la polaridad indicada. Halla la tensión del condensador vC en t = 150 ms.

Vs = 15 VR = 10 kΩC = 33 µFvC(0) = 20 Vt = 150 ms
vC = V
13.Impedancia y fasores en alternaMedia
Vf0​ = 5000 HzRL = 5 mHC = ?

Un circuito RLC en serie con L = 5 mH debe resonar a 5000 Hz. Halla la capacidad C necesaria.

f0 = 5000 HzL = 5 mH
C = µF
14.Impedancia y fasores en alternaDifícil
24 V60 HzR1​ = 50 ΩR2​ = 50 ΩC = 100 µFI

Una resistencia R1 está conectada en serie con una combinación en paralelo de R2 y un condensador C, a una alimentación de 24 V (eficaces) y 60 Hz. Halla la corriente eficaz I.

V = 24 V (rms)f = 60 HzR1 = 50 ΩR2 = 50 ΩC = 100 µF
I = A
15.Potencia en alterna y factor de potenciaMedia
P = 1 kWQ = ?Sφ

Un motor monofásico consume 1 kW con un factor de potencia de 0,7 inductivo de una alimentación de 230 V. Halla la potencia reactiva Q que consume.

P = 1 kWpf = 0,7V = 230 V
Q = kvar
16.Potencia en alterna y factor de potenciaDifícil
P = 5 kWQ1​S1​φ1​QC​

Una carga monofásica consume 5 kW con un factor de potencia de 0,65 inductivo de una alimentación de 400 V y 60 Hz. Un condensador conectado en paralelo eleva el factor de potencia a 0,92. Halla la capacidad C necesaria.

P = 5 kWpf1 = 0,65pf2 = 0,92V = 400 Vf = 60 Hz
C = µF
17.Potencia trifásicaMedia
ABCVL​ = 415 VZ = 12 + j16 Ωpor fase

Una carga equilibrada conectada en triángulo, con una impedancia de 12 + j16 Ω por fase, se conecta a una alimentación trifásica equilibrada con una tensión de línea de 415 V. Halla la potencia activa total P que absorbe la carga en kW.

VL = 415 VZ = 12 + j16 Ω por fase
P = kW
18.Potencia trifásicaDifícil
P = 150 kWφ1​S1​Q2​QC​ = ?

Una carga trifásica equilibrada consume 150 kW con un factor de potencia de 0,8 inductivo de una alimentación de 690 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 = 150 kWpf1 = 0,8pf2 = 0,95VL = 690 Vf = 50 Hz
QC = kvar
19.TransformadoresMedia
16 Ω81

Se conecta una resistencia de 16 Ω en el devanado secundario de un transformador ideal con una relación de transformación N₁:N₂ = 8:1. Halla la resistencia R1′ vista desde el devanado primario.

N1:N2 = 8:1RL = 16 Ω
R1′ = Ω
20.TransformadoresDifícil
150 kVA

Un transformador monofásico de 150 kVA tiene unas pérdidas en el hierro de 450 W y unas pérdidas en el cobre de 1800 W a carga nominal. ¿Con qué carga Sη,max, en kVA, es máximo su rendimiento?

S = 150 kVAPcore = 450 WPcu,fl = 1800 W
Sη,max = kVA
21.Circuitos con amplificador operacionalMedia
−+Vout​R2​ = 10 kΩV1​ = −2 VR1​ = 47 kΩV2​ = 1,2 VR3​ = 47 kΩR4​ = 10 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 = −2 VV2 = 1,2 VR1 = R3 = 47 kΩR2 = R4 = 10 kΩ
Vout = V
22.Circuitos con amplificador operacionalDifícil
−+Vout​Rf​ = 4,7 kΩV1​ = −1,6 VR1​ = 4,7 kΩV2​ = −1,6 VR2​ = 22 kΩ

El amplificador sumador usa un amplificador operacional ideal alimentado con ±15 V. Halla la tensión de salida Vout.

V1 = −1,6 VV2 = −1,6 VR1 = 4,7 kΩR2 = 22 kΩRf = 4,7 kΩ
Vout = V
23.Diodos y transistoresMedia
+−18 V330 Ω12 V2200 ΩIZ​ = ?

Un regulador Zener de 12 V se alimenta desde 18 V a través de 330 Ω y suministra una carga de 2200 Ω. Halla la corriente IZ del Zener.

Vin = 18 VVZ = 12 VR = 330 ΩRL = 2200 Ω
IZ = mA
24.Diodos y transistoresDifícil
RC​ = 150 Ωβ = 50VCC​ = 5 V3,3 VRB​ = ?

Un transistor NPN con β = 50 conmuta una resistencia de carga de 150 Ω conectada entre VCC = 5 V y su colector. El emisor está a tierra. La base se excita desde una salida lógica de 3,3 V a través de una resistencia de base RB. Toma VBE = 0,7 V y VCE(sat) = 0,2 V. Halla la mayor resistencia de base RB, en kΩ, que todavía lleva el transistor justo a saturación.

VCC = 5 VRC = 150 Ωβ = 50Vin = 3,3 VVBE = 0,7 VVCE(sat) = 0,2 V
RB = kΩ
25.Sistemas de numeraciónMedia
complemento a dos de 8 bits?−128?64?32?16?8?4?2?1

Escribe −65 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 = −658 bit
U =
26.Sistemas de numeraciónDifícil
32 bit1 px1280 px720 pxM = ? KiB

Una imagen sin comprimir tiene 1280 × 720 píxeles con 32 bits por píxel. ¿Cuánta memoria M ocupa, en KiB (1 KiB = 1024 bytes)?

1280 × 720 px32 bit/px1 KiB = 1024 B
M = KiB
27.Lógica digital: puertas, mapas K y biestablesMedia
ABC00011110010011130214050716

Usa el mapa de Karnaugh para hallar la forma mínima de suma de productos (SOP) de F(A, B, C) = Σm(1, 3, 4, 6). ¿Cuántos literales, L, contiene en total (una variable con prima cuenta como un literal)?

F(A, B, C) = Σm(1, 3, 4, 6)
L =
28.Lógica digital: puertas, mapas K y biestablesDifícil
FFQ0​Q0​FFQ1​Q1​FFQ2​Q2​FFQ3​Q3​FFQ4​Q4​CLKMOD-25

Un contador módulo 25 tiene que recorrer 25 estados distintos. ¿Cuál es el número mínimo de biestables, n, que necesita?

N = 25
n =
29.Transformadas de LaplaceMedia
t (s)f(t)t = 0,75f(0,75) = ?

Halla f(t) para F(s) = (3s + 36)/(s² + 4s + 4) y evalúa f(0,75).

F(s) = (3s + 36)/(s² + 4s + 4)t = 0,75 s
f(0.75) =
30.Transformadas de LaplaceDifícil
t (s)y(t)t = 0,2y(0,2) = ?

Un sistema cumple y″ + 6y′ + 5y = 10·u(t), con y(0) = 4 e y′(0) = 0. En t = 0 se aplica una entrada escalón u(t) = 2. Usa la transformada de Laplace para hallar y(0,2).

y″ + 6y′ + 5y = 10·u(t)y(0) = 4y′(0) = 0u(t) = 2t = 0,2 s
y(0.2) =
31.Diagramas de bloquesMedia
R(s)+K(s + 4)(s + 12)G(s)C(s)−

La planta G(s) = K/((s + 4)(s + 12)) 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 + 4)(s + 12))realimentación negativa unitaria
K =
32.Diagramas de bloquesDifícil
R(s)+K(s + 1)(s + 3)(s + 8)G(s)C(s)−

La planta G(s) = K/((s + 1)(s + 3)(s + 8)) está en un lazo de realimentación negativa unitaria. Con la mayor ganancia estable el lazo oscila. Halla la frecuencia de oscilación ω en rad/s.

G(s) = K/((s + 1)(s + 3)(s + 8))realimentación negativa unitaria
ω = rad/s
33.Respuesta al escalónMedia
t (s)y(t)2tp​ = ?

Un sistema tiene la función de transferencia G(s) = 50/(s² + 8s + 25) y recibe una entrada escalón unitario. Halla el tiempo de pico tp de la respuesta al escalón.

G(s) = 50/(s² + 8s + 25)
tp = s
34.Respuesta al escalónDifícil
k = 800 N/mc = 20 N·s/mm = 0,5 kgF = 25 Nx(t)

Una masa m = 0,5 kg cuelga de un resorte k = 800 N/m con un amortiguador viscoso c = 20 N·s/m (m·x″ + c·x′ + k·x = F). En reposo, en equilibrio, se aplica de repente una fuerza constante F = 25 N. Halla el mayor desplazamiento xmax en mm.

m = 0,5 kgk = 800 N/mc = 20 N·s/mF = 25 N
xmax = mm
35.Diagramas de Bode y márgenesMedia
vin​L = 20 mHC = 0,47 µFR = 20 Ωvout​

En el filtro paso banda RLC serie mostrado, la salida se toma en R = 20 Ω, con L = 20 mH y C = 0,47 µF. Halla la frecuencia central (de resonancia) f0 en Hz.

R = 20 ΩL = 20 mHC = 0,47 µF
f0 = Hz
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) = 10/(s(s + 1)(s + 7)). Halla el margen de ganancia GM en dB.

L(s) = 10/(s(s + 1)(s + 7))
GM = dB
37.Estabilidad: Routh–Hurwitz y lugar de las raícesMedia
R(s)+K1s(s + 5)(s + 8)C(s)−

El lazo del diagrama tiene la función de transferencia de lazo abierto L(s) = K/(s(s + 5)(s + 8)). Se aumenta la ganancia hasta que el lazo cerrado está en el límite de la estabilidad. Halla la frecuencia ω de la oscilación sostenida.

L(s) = K/(s(s + 5)(s + 8))
ω = rad/s
38.Estabilidad: Routh–Hurwitz y lugar de las raícesDifícil
ReIm−2−4−6−8−10−12j2sb​

Se muestra el lugar de las raíces de L(s) = K/((s + 2)(s + 10)). Halla la ganancia K en el punto de salida sb, donde los dos polos de lazo cerrado se encuentran en el eje real.

L(s) = K/((s + 2)(s + 10))
K =
39.Error en régimen permanente y control PIDMedia
R(s)+K = 10210s + 1C(s)−

Un proceso G(s) = 2/(10s + 1) se controla con una ganancia proporcional K = 10 en un lazo con realimentación unitaria. Halla el error en régimen permanente ess ante un escalón, como porcentaje del tamaño del escalón.

G(s) = 2/(10s + 1)K = 10
ess = %
40.Error en régimen permanente y control PIDDifícil
R(s)+5 + Kd​s2s(s + 1)C(s)−

Un controlador PD C(s) = 5 + Kd·s controla la planta G(s) = 2/(s(s + 1)) en un lazo con realimentación unitaria. Halla la ganancia derivativa Kd que da al lazo cerrado un coeficiente de amortiguamiento ζ = 0,6.

G(s) = 2/(s(s + 1))Kp = 5ζ = 0,6
Kd = s

3Disoluciones

1.Resistencias en serie y en paralelo

Respuesta: Req = 23,81 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​ = 10 Ω+−V1​18 VR2​5 ΩAR4​6 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 = 10 + 6 = 16 Ω
R2 ∥ 16 = 5·16/(5+16) = 3,81 Ω
Req = R1 + 3,81 = 20 + 3,81 = 23,81 Ω

Respuesta

Req = 23,81 Ω
2.Resistencias en serie y en paralelo

Respuesta: Req = 35,54 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​ = 30 ΩR3​ = 4 ΩR5​ = 5 Ω+−V1​12 VR2​12 ΩAR4​10 ΩBR6​12 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 = 5 + 12 = 17 Ω
R4 ∥ 17 = 6,296 Ω
R3 + 6,296 = 10,3 Ω
R2 ∥ 10,3 = 5,542 Ω
Req = R1 + 5,542 = 30 + 5,542 = 35,54 Ω

Respuesta

Req = 35,54 Ω
3.Análisis nodal

Respuesta: PIs = 56 W

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

LCK en el nodo A

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

VA/R2 + (VA − V1)/R1 + (VA − VB)/R3 = 0
VA/6 + (VA − 24)/12 + (VA − VB)/8 = 0
0,375·VA − 0,125·VB = 2

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/4 + (VB − VA)/8 = 4
−0,125·VA + 0,375·VB = 4

Resuelve

Δ = (0,375)(0,375) − (−0,125)(−0,125) = 0,125
VA = Δ1/Δ = 1,25/0,125 = 10 V
VB = Δ2/Δ = 1,75/0,125 = 14 V

Potencia entregada por la fuente de corriente

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

PIs = VB·Is = 14·4 = 56 W

Respuesta

PIs = 56 W
4.Análisis nodal

Respuesta: VB = 8 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.

LCK en el nodo A

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

(VA − V1)/R1 + VA/R2 + (VA − VB)/R3 = 0
0,2333·VA − 0,03333·VB = 4

LCK en el nodo B

La fuente dependiente inyecta g·VA en el nodo B. Trátala como una fuente independiente y luego pasa el término en VA al lado izquierdo.

(VB − VA)/R3 + VB/R4 = 0,2·VA
−0,2333·VA + 0,5333·VB = 0

Resuelve

Δ = (0,2333)(0,5333) − (−0,03333)(−0,2333) = 0,1167
VA = Δ1/Δ = 2,133/0,1167 = 18,29 V
VB = Δ2/Δ = 0,9333/0,1167 = 8 V

Respuesta

VB = 8 V
5.Análisis de mallas

Respuesta: I2 = −0,4561 A

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

R1​ = 12 ΩR2​ = 15 Ω+−V1​10 VR3​6 ΩA+−V2​12 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
12·I1 + 6(I1 − I2) = 10
18·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
15·I2 + 6(I2 − I1) = (−12)
−6·I1 + 21·I2 = −12

Resuelve

Δ = (18)(21) − (−6)(−6) = 342
I1 = Δ1/Δ = 138/342 = 0,4035 A
I2 = Δ2/Δ = −156/342 = −0,4561 A

Respuesta

I2 = −0,4561 A

Una corriente de malla negativa circula en sentido antihorario.

6.Análisis de mallas

Respuesta: VR5 = 1,031 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​ = 20 ΩR3​ = 25 Ω+−V1​15 VR4​25 ΩAR5​2 ΩB+−V2​5 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 + 25(I1 − I2) = 15
35·I1 − 25·I2 = 15

LTK en la malla 2

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

R2·I2 + R4(I2 − I1) + R5(I2 − I3) = 0
20·I2 + 25(I2 − I1) + 2(I2 − I3) = 0
−25·I1 + 47·I2 − 2·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
25·I3 + 2(I3 − I2) = (−5)
−2·I2 + 27·I3 = −5

Resuelve

Δ = determinante de la matriz de coeficientes = 27400
I1 = Δ1/Δ = 18725/27400 = 0,6834 A
I2 = Δ2/Δ = 9775/27400 = 0,3568 A
I3 = Δ3/Δ = −4350/27400 = −0,1588 A

Respuesta

IR5 = I2 − I3 = 0,5155 A
VR5 = IR5·R5 = 0,5155·2 = 1,031 V

Una corriente de malla negativa circula en sentido antihorario.

7.Superposición

Respuesta: IR3 = 0,3797 A

Superposición: en un circuito lineal, cualquier tensión o corriente es la suma de las respuestas a cada fuente independiente actuando sola. Para apagar una fuente, sustituye una fuente de tensión ideal por un cortocircuito y una fuente de corriente ideal por un circuito abierto. Las resistencias se quedan donde están.

R1​ = 4 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​24 VR2​20 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 = 8+15 = 23 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 20·23/(20+23) = 10,7 Ω
VA = 24·10,7/(4+10,7) = 17,47 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 17,47·15/23 = 11,39 V
IR3′ = (VB − VA)/R3 = (11,39 − 17,47)/8 = −0,7595 A
R1​ = 4 ΩR3​ = 8 ΩCORTOR2​20 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 = 4·20/(4+20) = 3,333 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 15 ∥ 11,33 = 6,456 Ω
VB = Is·Req = 2·6,456 = 12,91 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 12,91·3,333/11,33 = 3,797 V
IR3″ = (VB − VA)/R3 = (12,91 − 3,797)/8 = 1,139 A

Suma las contribuciones

IR3 = IR3′ + IR3″
IR3 = (−0,7595) + 1,139 = 0,3797 A

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

8.Superposición

Respuesta: V2 = 56,7 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​ = 10 ΩR2​ = 5 ΩR4​ = 12 Ω+−V1​9 VR3​4 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) = 4 ∥ 17 = 3,238 Ω
VA = 9·3,238/(10+3,238) = 2,201 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 2,201·12/17 = 1,554 V
R1​ = 10 ΩR2​ = 5 ΩR4​ = 12 ΩCORTOR3​4 ΩAIs​6 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. La flecha de Iₛ apunta hacia abajo, alejándose de su nodo, así que Iₛ extrae corriente de ese nodo: su término entra con signo menos.

R1 ∥ R3 = 2,857 Ω, así que el camino de la izquierda es R2+2,857 = 7,857 Ω
Req = R4 ∥ 7,857 = 4,748 Ω
VB = −Is·Req = −6·4,748 = −28,49 V
VA = VB·2,857/7,857 = −10,36 V

Caso 3 · V2 actuando sola, por voltio

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

R1 ∥ R3 = 2,857 Ω
VA‴ = V2·2,857/(12 + 5 + 2,857) = 0,1439·V2

Iguala VA a cero

Con VA = 0 no hay tensión en R₃, así que su corriente es nula.

VA′ + VA″ + VA‴ = 2,201 + (−10,36) + 0,1439·V2 = 0
V2 = 8,158/0,1439 = 56,7 V

Respuesta

V2 = 56,7 V
9.Thévenin y Norton

Respuesta: IN = 0,6667 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​ = 3 ΩR3​ = 12 ΩCORTOR2​12 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 = 3·12/(3+12) = 2,4 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,4 + 12 = 14,4 Ω
R1​ = 3 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​12 VR2​12 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) = 12·12/(3+12) = 9,6 V
IN​0,6667 ARth​14,4 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 = 9,6/14,4 = 0,6667 A
10.Thévenin y Norton

Respuesta: IL = −1,46 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​ = 5 ΩR3​ = 8 ΩCORTOR2​6 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 = 5·6/(5+6) = 2,727 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,727 + 8 = 10,73 Ω
R1​ = 5 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​9 VR2​6 ΩAIs​6 ABab+−Vth​

Halla Vth, la tensión en circuito abierto

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

VA = V1·R2/(R1+R2) + Is·(R1∥R2) = 4,909 + (−6)·2,727 = −11,45 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = −11,45 + (−6)·8 = −59,45 V
Rth​ = 10,73 Ω−+Vth​59,45 VRL​30 ΩIL​

Conecta la carga al equivalente de Thévenin

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

IL = Vth/(Rth + RL) = −59,45/(10,73 + 30) = −1,46 A
11.Transitorios RC y RL

Respuesta: W(∞) = 2,216 mJ

Transitorios de primer orden: en un circuito con un condensador o una bobina, cada tensión y corriente pasa de forma exponencial de su valor inicial a su valor final: x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ, con τ = RC o τ = L/R. Tras unos 5τ el circuito se ha estabilizado.

Constante de tiempo y corriente final

Mucho después de cerrar el interruptor la bobina se comporta como un cortocircuito, así que la corriente final la fija solo R.

τ = L/R = 68 mH / 47 Ω = 1,447 ms
i(∞) = Vs/R = 12/47 = 0,2553 A

Energía almacenada

W(∞) = ½·L·i(∞)² = ½·68·0,2553² = 2,216 mJ

Respuesta

W(∞) = 2,216 mJ
12.Transitorios RC y RL

Respuesta: vC = 18,17 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.

Valor inicial, valor final, constante de tiempo

La tensión del condensador no puede saltar, así que parte de su valor almacenado y tiende a la tensión de la fuente.

vC(0) = 20 V, vC(∞) = Vs = 15 V
τ = R·C = 10 kΩ · 33 µF = 330 ms
vC(t) = 15 + (20 − 15)·e−t/τ

Tensión en el instante dado

vC(150) = 15 + (5)·e−150/330 = 18,17 V

Respuesta

vC = 18,17 V
13.Impedancia y fasores en alterna

Respuesta: C = 0,2026 µF

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|.

Condición de resonancia

En resonancia, las reactancias inductiva y capacitiva se anulan: ωL = 1/(ωC).

ω₀ = 2π·5000 = 31416 rad/s
C = 1/(ω₀²·L) = 1/(31416²·0,005) = 0,2026 µF

Respuesta

C = 0,2026 µF
14.Impedancia y fasores en alterna

Respuesta: I = 0,3727 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|.

Reactancia

XC = 1/(2π·60·100·10⁻⁶) = 26,53 Ω

Combinación en paralelo

Multiplica numerador y denominador por el conjugado complejo para separar Zp en parte real e imaginaria.

Zp = R₂·(−jXC)/(R₂ − jXC) = (R₂·XC² − jR₂²·XC)/(R₂² + XC²)
Zp = 10,98 − j20,7 Ω

Impedancia total

Z = 50 + 10,98 − j20,7 = 60,98 − j20,7 Ω
|Z| = √(60,98² + 20,7²) = 64,4 Ω

Corriente

I = V/|Z| = 24/64,4 = 0,3727 A

Respuesta

I = 0,3727 A
15.Potencia en alterna y factor de potencia

Respuesta: Q = 1,02 kvar

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

Ángulo

φ = arccos(0,7) = 45,57°, tan φ = 1,02

Potencia reactiva

Q = P·tan φ = 1·1,02 = 1,02 kvar

Respuesta

Q = 1,02 kvar
16.Potencia en alterna y factor de potencia

Respuesta: C = 61,6 µF

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 = 5·tan(49,46°) = 5,846 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 5·tan(23,07°) = 2,13 kvar
QC = Q1 − Q2 = 3,716 kvar

Capacidad

Un condensador conectado a la red aporta Q = V²·ωC.

C = QC/(2πf·V²) = 3716/(2π·60·400²) = 61,6 µF

Respuesta

C = 61,6 µF
17.Potencia trifásica

Respuesta: P = 15,5 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 = VL = 415 V

Corriente de fase

|Z| = √(12² + 16²) = 20 Ω
Iph = 415/20 = 20,75 A

Potencia activa total

Solo la parte resistiva de cada impedancia absorbe potencia activa.

P = 3·Iph²·R = 3·20,75²·12 = 15,5 kW

Respuesta

P = 15,5 kW

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

18.Potencia trifásica

Respuesta: QC = 63,2 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 = 150·tan(acos 0,8) = 150·0,75 = 112,5 kvar
Q2 = 150·tan(acos 0,95) = 150·0,3287 = 49,3 kvar

Potencia reactiva de los condensadores

QC = Q1 − Q2 = 63,2 kvar

Respuesta

QC = 63,2 kvar
19.Transformadores

Respuesta: R1′ = 1024 Ω

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.

Resistencia referida

La tensión sube en un factor a y la corriente baja en un factor a, así que el cociente V/I sube en un factor a².

R1′ = a²·RL = 8²·16 = 1024 Ω

Respuesta

R1′ = 1024 Ω
20.Transformadores

Respuesta: Sη,max = 75 kVA

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

Pérdidas en el cobre iguales a las pérdidas en el hierro

x²·1800 = 450 → x = √(450/1800) = 0,5

Carga de rendimiento máximo

Sη,max = x·S = 0,5·150 = 75 kVA

Respuesta

Sη,max = 75 kVA
21.Circuitos con amplificador operacional

Respuesta: Vout = 0,6809 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) = 1,2·10/(47 + 10) = 0,2105 V
V₋ = V₊

LCK en la entrada inversora

(−2 − 0,2105)/47 = (0,2105 − Vout)/10
Vout = (R2/R1)·(V2 − V1) = (10/47)·(1,2 − (−2)) = 0,6809 V

Respuesta

Vout = 0,6809 V
22.Circuitos con amplificador operacional

Respuesta: Vout = 1,942 V

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

Corrientes de entrada

V₋ = 0, así que cada resistencia de entrada tiene toda su tensión de entrada.

I1 = V1/R1 = −1,6/4,7 = −0,3404 mA
I2 = V2/R2 = −1,6/22 = −0,07273 mA
If = I1 + I2 = −0,4132 mA

Tensión de salida

Vout = −Rf·If = −4,7·(−0,4132) = 1,942 V

Respuesta

Vout = 1,942 V
23.Diodos y transistores

Respuesta: IZ = 12,73 mA

Regulador Zener: un diodo Zener polarizado en inversa mantiene su tensión VZ mientras su corriente se mantenga por encima de un mínimo IZ,min. La resistencia en serie R absorbe la diferencia entre la entrada y la salida: IR = (Vin − VZ)/R. Esa corriente se reparte entre la carga, IL = VZ/RL, y el Zener: IZ = IR − IL. Diseña para los peores casos: la entrada más baja con la mayor carga debe dejar aún IZ,min, y la entrada más alta sin carga da la mayor potencia en el Zener PZ = VZ·IZ.

Corriente de la resistencia

IR = 6/330 = 18,18 mA

Corriente en la carga

IL = 12/2200 = 5,455 mA

Corriente del Zener

IZ = 18,18 − 5,455 = 12,73 mA

Respuesta

IZ = 12,73 mA
24.Diodos y transistores

Respuesta: RB = 4,062 kΩ

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

Corriente de colector en saturación

IC(sat) = (5 − 0,2)/150 = 32 mA

Corriente de base mínima

IB(min) = IC(sat)/β = 32/50 = 640 µA

Resistencia de base

RB = (3,3 − 0,7)/IB = 2,6 V/0,64 mA = 4,062 kΩ

Respuesta

RB = 4,062 kΩ

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

25.Sistemas de numeración

Respuesta: U = 191

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

65 = 0100 0001
invertido: 1011 1110
+1 → 1011 1111

Leerlo sin signo

1011 1111₂ = 256 − 65 = 191

Respuesta

U = 191
26.Sistemas de numeración

Respuesta: M = 3600 KiB

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.

Bits y bytes

1280·720·32 = 29491200 bit = 3686400 B

Pasar a KiB

3686400/1024 = 3600 KiB

Respuesta

M = 3600 KiB
27.Lógica digital: puertas, mapas K y biestables

Respuesta: L = 4

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

ABC00011110010011130214050716

Agrupa los 1

Todo grupo es un rectángulo de 2ᵏ celdas; las celdas del borde son vecinas de las celdas del borde opuesto.

A′C
AC′

Forma SOP mínima

F = A′C + AC′
L = 4

Respuesta

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

Respuesta: n = 5

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.

Número de biestables

2ⁿ ≥ 25 → n = 5 (2⁵ = 32)

Respuesta

n = 5
29.Transformadas de Laplace

Respuesta: f(0.75) = 5,69

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

Factoriza el denominador

s² + 4s + 4 = (s + 2)²

Fracciones parciales

3s + 36 = 3(s + 2) + 30
F(s) = 3/(s + 2) + 30/(s + 2)²

Transformada inversa

f(t) = 3·e−2t + 30·t·e−2t
f(0,75) = (3 + 30·0,75)·e−2·0,75 = 5,69

Respuesta

f(0,75) = 5,69
30.Transformadas de Laplace

Respuesta: y(0.2) = 4

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

Transforma la ecuación

(s² + 6s + 5)·Y(s) = 4s + 24 + 20/s
Y(s) = (4s² + 24s + 20)/(s(s + 1)(s + 5))

Fracciones parciales

A = 20/(1·5) = 4
B = 0/((−1)·4) = 0
C = 0/((−5)·(−4)) = 0

Resultado

y(t) = 4
y(0,2) = 4

Respuesta

y(0,2) = 4

Comprueba: y(0) = A + B + C = 4.

31.Diagramas de bloques

Respuesta: K = 16

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 + 4)(s + 12)) = 0 → s² + 16s + 48 + K = 0

Raíz repetida

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

16² = 4(48 + K) → K = 256/4 − 48 = 16

Respuesta

K = 16
Ambos polos en lazo cerrado están entonces en s = −8.
32.Diagramas de bloques

Respuesta: ω = 5,916 rad/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).

Ecuación característica

s³ + 12s² + 35s + 24 + K = 0

Tabla de Routh

s³ | 1 35
s² | 12 24 + K
s¹ | (12·35 − 24 − K)/12
s⁰ | 24 + K

Límite de estabilidad

Todos los elementos de la primera columna deben ser positivos.

Kmax = 12·35 − 24 = 396

Frecuencia de oscilación

12·(jω)² + 24 + 396 = 0 → ω² = 420/12 = 35
ω = 5,916 rad/s

Respuesta

ω = 5,916 rad/s
33.Respuesta al escalón

Respuesta: tp = 1,047 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).

Compara con la forma estándar

El denominador debe coincidir con s² + 2ζωₙs + ωₙ².

ωₙ² = 25 → ωₙ = 5 rad/s
2ζωₙ = 8 → ζ = 8/(2·5) = 0,8

Resultado

ωd = 5·√(1 − 0,8²) = 3 rad/s → tp = π/ωd = 1,047 s

Respuesta

tp = 1,047 s
34.Respuesta al escalón

Respuesta: xmax = 36,34 mm

Respuesta al escalón: un sistema de primer orden G(s) = K/(τs + 1) responde a un escalón de tamaño U con y(t) = K·U·(1 − e−t/τ): alcanza el 63,2 % del valor final K·U después de una constante de tiempo τ y el 98 % después de 4τ. Un sistema de segundo orden G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) tiene los polos s = −ζωₙ ± jωd con ωd = ωₙ√(1 − ζ²). Para 0 < ζ < 1 la respuesta al escalón tiene sobreimpulso: sobreimpulso porcentual %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), tiempo de pico tp = π/ωd y tiempo de establecimiento al 2 % ts ≈ 4/(ζωₙ). Compara el denominador con s² + 2ζωₙs + ωₙ² para obtener ωₙ y ζ. Para un sistema masa–resorte–amortiguador ωₙ = √(k/m) y ζ = c/(2√(km)); para un circuito RLC serie ωₙ = 1/√(LC) y ζ = (R/2)·√(C/L).

Frecuencia natural y razón de amortiguamiento

ωₙ = √(k/m) = √(800/0,5) = 40 rad/s
ζ = c/(2√(km)) = 20/(2·√(800·0,5)) = 0,5

Resultado

xst = F/k = 25/800 m = 31,25 mm
%OS = 16,3 %
xmax = 31,25·(1 + 0,163) = 36,34 mm

Respuesta

xmax = 36,34 mm
35.Diagramas de Bode y márgenes

Respuesta: f0 = 1642 Hz

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

Frecuencia de resonancia

ω₀ = 1/√(LC) = 1/√(0,02·4,7 × 10⁻⁷) = 10314 rad/s
f₀ = ω₀/(2π) = 1642 Hz

Respuesta

f0 = 1642 Hz
36.Diagramas de Bode y márgenes

Respuesta: GM = 14,96 dB

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

Cruce de fase

(ω/1)·(ω/7) = 1 → ω180 = √(1·7) = 2,646 rad/s

Módulo en el cruce de fase

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 1)·√(ω² + 49)) = K/(1·7·(1 + 7)) = K/56

Margen de ganancia

GM = 20·log₁₀(56/10) = 14,96 dB

Respuesta

GM = 14,96 dB
37.Estabilidad: Routh–Hurwitz y lugar de las raíces

Respuesta: ω = 6,325 rad/s

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

Tabla de Routh

s³ + 13s² + 40s + K = 0
s³: 1, 40
s²: 13, K
s¹: (13·40 − K)/13
s⁰: K

Ganancia crítica

K = 13·40 = 520

Ecuación auxiliar

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

13s² + 520 = 0 → s = ±j√40
ω = 6,325 rad/s

Respuesta

ω = 6,325 rad/s
38.Estabilidad: Routh–Hurwitz y lugar de las raíces

Respuesta: K = 16

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.

Punto de salida

dK/ds = 0 para K = −(s + 2)(s + 10) da 2s + 12 = 0.

sb = −6

Condición de módulo

K = |−6 + 2|·|−6 + 10| = 4·4 = 16

Respuesta

K = 16

Con esta ganancia el lazo cerrado está críticamente amortiguado (ζ = 1).

39.Error en régimen permanente y control PID

Respuesta: ess = 4,762 %

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

Constante de posición

Kp = 10·2 = 20

Error ante escalón

ess = 100/(1 + 20) = 4,762 %

Respuesta

ess = 4,762 %
40.Error en régimen permanente y control PID

Respuesta: Kd = 1,397 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 + 1) + 2(5 + Kds) = s² + (1 + 2Kd)s + 10

Frecuencia natural

ωₙ = √10 = 3,162 rad/s

Ganancia derivativa

1 + 2Kd = 2·0,6·3,162 = 3,795
Kd = 1,397 s

Respuesta

Kd = 1,397 s

El término derivativo añade amortiguamiento sin cambiar ωₙ.

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