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1Fórmulas y métodos
Resistencias en serie y en paralelo
Resistencias en serie
Req = R1 + R2 + …
Resistencias en paralelo
1/Req = 1/R1 + 1/R2 + …
Dos en paralelo
Req = R1R2 / (R1 + R2)
Ley de Ohm
V = I·R
Potencia
P = V·I = I²R = V²/R
Método
Empieza por el extremo de la red más alejado de los terminales.
Combina las resistencias en serie sumándolas, y las resistencias en paralelo con 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …
Vuelve a dibujar el circuito después de cada paso.
Repite hasta que quede una sola resistencia entre los terminales.
Análisis nodal
Ley de corrientes de Kirchhoff
ΣIin = ΣIout
Corriente de rama
I = (Va − Vb)/R
Nodo de referencia
Vground = 0
Método
Elige un nudo de referencia (tierra) y nombra las tensiones de los demás nudos.
Aplica la ley de corrientes de Kirchhoff en cada nudo desconocido: las corrientes que salen por cada rama igualan a las que entran.
Expresa cada corriente de rama como (Va − Vb)/R.
Resuelve el sistema de ecuaciones y luego halla la corriente que necesites.
Análisis de mallas
Ley de tensiones de Kirchhoff
ΣV = 0 en cada malla
Resistencia compartida
corriente = I1 − I2
Fuente de corriente en una malla
fija esa corriente de malla
Método
Dibuja una corriente en sentido horario en cada malla (ventana) del circuito.
Aplica la ley de tensiones de Kirchhoff en cada malla: la suma de las caídas de tensión es cero.
En una resistencia compartida por dos mallas, la corriente es la diferencia de las dos corrientes de malla.
Resuelve las ecuaciones; un resultado negativo significa que la corriente circula en sentido contrario.
Superposición
Superposición
x = x1 + x2 + … (one source at a time)
Fuente de tensión apagada
cortocircuito (0 V)
Fuente de corriente apagada
circuito abierto (0 A)
Divisor de tensión
V2 = V·R2/(R1 + R2)
Divisor de corriente
I1 = I·R2/(R1 + R2)
Método
Cuenta las fuentes independientes. Resolverás un circuito más sencillo por cada fuente.
Deja una fuente y anula las demás: una fuente de tensión se convierte en un cortocircuito (un cable) y una fuente de corriente en un circuito abierto (un hueco).
Resuelve el circuito más sencillo para la tensión o corriente que necesitas, sin perder de vista su sentido.
Repite con cada fuente y luego suma las contribuciones con sus signos.
Thévenin y Norton
Tensión de Thévenin
Vth = Vopen circuit
Resistencia de Thévenin
Rth: todas las fuentes apagadas, vista desde a–b
Corriente de Norton
IN = Vth/Rth
Corriente en la carga
IL = Vth/(Rth + RL)
Máxima transferencia de potencia
RL = Rth, Pmax = Vth²/(4Rth)
Método
Quita la carga y marca los dos terminales a y b.
Halla la tensión en circuito abierto entre a y b: es Vth.
Anula todas las fuentes independientes y halla la resistencia vista desde a–b: es Rth.
Vuelve a conectar la carga al circuito equivalente: Vth en serie con Rth.
Para el equivalente de Norton, convierte: IN = Vth/Rth, con RN = Rth en paralelo.
Transitorios RC y RL
Constante de tiempo
τ = RC | τ = L/R
Respuesta
x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ
Condensador en continua
circuito abierto; vC no puede saltar
Bobina en continua
cortocircuito; iL no puede saltar
Régimen permanente
t ≈ 5τ
Método
Halla el valor inicial justo después de la conmutación: la tensión de un condensador y la corriente de una bobina no pueden variar bruscamente.
Halla el valor final mucho después de la conmutación: un condensador se comporta como un circuito abierto y una bobina como un cortocircuito.
Halla la constante de tiempo: τ = RC o τ = L/R, usando la resistencia que ve el condensador o la bobina.
Usa x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ.
Impedancia y fasores en alterna
Impedancias
ZR = R, ZL = jωL, ZC = 1/(jωC)
Frecuencia angular
ω = 2πf
Módulo y ángulo
|Z| = √(R² + X²), φ = atan(X/R)
Ley de Ohm con fasores
V = I·Z
Método
Convierte la frecuencia: ω = 2πf.
Halla cada reactancia: XL = ωL y XC = 1/(ωC).
Suma las impedancias como resistencias, con Z = R + jX.
Halla el módulo |Z| = √(R² + X²) y el ángulo φ = atan(X/R), y luego aplica la ley de Ohm con fasores.
Potencia en alterna y factor de potencia
Potencia activa
P = V·I·cos φ
Potencia reactiva
Q = V·I·sin φ
Potencia aparente
S = V·I = √(P² + Q²)
Factor de potencia
pf = cos φ = P/S
Condensador de compensación
QC = P(tan φ1 − tan φ2), C = QC/(ωV²)
Potencia trifásica
Conexión en estrella (Y)
VL = √3·Vph, IL = Iph
Conexión en triángulo (Δ)
VL = Vph, IL = √3·Iph
Potencia activa total
P = √3·VL·IL·cos φ = 3·Iph²·R
Potencia aparente y reactiva
S = √3·VL·IL, Q = P·tan φ
Condensadores de compensación
QC = P(tan φ1 − tan φ2), C = QC/(3ωV²)
Tensión en cada condensador
Δ: VL Y: VL/√3
Potencia absorbida por el motor
Pin = Pout/η
Transformadores
Relación de transformación
a = N1/N2 = V1/V2
Relación de corrientes
I1/I2 = N2/N1 = 1/a
Corriente nominal
I = S/V
Impedancia referida
Z1′ = a²·ZL
Pérdidas en el cobre a carga parcial
Pcu = x²·Pcu,fl
Rendimiento
η = x·S·pf/(x·S·pf + Pcore + x²·Pcu,fl)
Rendimiento máximo
x = √(Pcore/Pcu,fl)
Circuitos con amplificador operacional
Amplificador inversor
Vout = −(Rf/Rin)·Vin
Amplificador no inversor
Vout = (1 + Rf/R1)·Vin
Amplificador sumador
Vout = −Rf(V1/R1 + V2/R2)
Amplificador operacional ideal
V+ = V−, Iin = 0
Diodos y transistores
Diodo (caída constante)
VD = 0,7 V when conducting
Región activa
VBE = 0,7 V, IC = β·IB, IE = (β + 1)·IB
Polarización fija
IB = (VCC − 0,7)/RB
Polarización por divisor de tensión
IB = (VTH − 0,7)/(RTH + (β + 1)RE)
Thévenin del divisor
VTH = VCC·R2/(R1 + R2), RTH = R1∥R2
Malla de colector
VCE = VCC − ICRC − IERE
Saturación
IC(sat) = (VCC − VCE(sat))/RC, IB ≥ IC(sat)/β
Sistemas de numeración
Valores posicionales
binario 2k, octal 8k, hexadecimal 16k
A decimal
Σ dk·bk
Desde decimal
divide entre la base y lee los restos de abajo arriba
Hexadecimal ↔ binario
un dígito hexadecimal = 4 bits
Complemento a dos
invierte los bits y suma 1
Lógica digital: puertas, mapas K y biestables
Puertas básicas
A·B, A + B, A′, (A·B)′, (A + B)′, A ⊕ B
Reglas de Boole
X + X′ = 1, X·X′ = 0, X + XY = X, XY + XY′ = X
De Morgan
(X·Y)′ = X′ + Y′, (X + Y)′ = X′·Y′
Orden del mapa de Karnaugh
00, 01, 11, 10 (Gray code)
Grupo de 2ᵏ celdas
pierde k variables
Multiplexor de 4 a 1
F = A′B′I0 + A′BI1 + AB′I2 + ABI3
Biestables
D: Q⁺ = D, T: Q⁺ = T ⊕ Q, JK: Q⁺ = JQ′ + K′Q
Contadores
n bits: 2ⁿ estados; módulo N: el menor n con 2ⁿ ≥ N; fsal = fclk/N
Contador asíncrono
fmax = 1/(n·tpd)
Contadores en anillo y Johnson
n y 2n estados
Método
En un circuito, trabaja desde las entradas hasta la salida puerta por puerta y escribe el valor en cada hilo, o escribe su expresión y rellena la tabla de verdad.
Para simplificar, coloca los 1 (y las indiferencias como X) en un mapa de Karnaugh con filas y columnas en código Gray: 00, 01, 11, 10.
Cubre los 1 con los menos grupos posibles y lo más grandes posible, de 1, 2, 4, 8 o 16 celdas, envolviendo los bordes; cada grupo es un término producto formado por las variables que permanecen constantes. Agrupa los 0 para la forma POS.
En biestables y contadores, lee las entradas en cada flanco activo del reloj, anota el estado tras cada flanco y recuerda que un contador de n bits da la vuelta tras 2ⁿ estados.
Estabilidad: Routh–Hurwitz y lugar de las raíces
Estabilidad
todas las raíces del polinomio característico en el semiplano izquierdo
tabla de Routh, elemento s¹ de un polinomio cúbico
b1 = (a2a1 − a3a0)/a2
Raíces del semiplano derecho
número de cambios de signo en la primera columna
Cúbico s³ + a₂s² + a₁s + a₀
estable cuando todos los a > 0 y a₂·a₁ > a₀
K/(s(s + a)(s + b))
Kmax = ab(a + b), ω = √(ab)
Ecuación característica
1 + K·G(s) = 0
Asíntotas
σa = (Σp − Σz)/(n − m), θ = (2q + 1)·180°/(n − m)
Puntos de salida y de entrada
dK/ds = 0
Condición de módulo
K = 1/|G(s)|
Ángulo de salida
θd = 180° − Σ∠(from other poles) + Σ∠(from zeros)
Método
Escribe el polinomio característico de lazo cerrado: el denominador de 1 + K·G(s) = 0, desarrollado.
Coloca los coeficientes alternadamente en las dos primeras filas de la tabla de Routh y construye las filas restantes.
Cuenta los cambios de signo de la primera columna: cada uno es un polo en el semiplano derecho. Con K en la tabla, exige que todos los elementos de la primera columna sigan siendo positivos.
Para un lugar de las raíces, marca los polos y los ceros, los tramos del eje real, las asíntotas desde el centroide y los puntos de ruptura donde dK/ds = 0. Usa K = 1/|G(s)| para la ganancia en un punto.
Error en régimen permanente y control PID
Tipo de sistema
número de polos de G(s) en s = 0
Constantes de error
Kp = lim G(s), Kv = lim s·G(s), Ka = lim s²·G(s) (s → 0)
Escalón A
ess = A/(1 + Kp)
Rampa A·t
ess = A/Kv
Parábola A·t²/2
ess = A/Ka
Controlador PID
C(s) = Kp + Ki/s + Kd·s
Objetivo de segundo orden
s² + 2ζωns + ωn²
Sobreimpulso y tiempos
%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), tp = π/ωd, ts ≈ 4/(ζωn)
Método
Cuenta los polos del lazo abierto C(s)·G(s) en s = 0: ese es el tipo del sistema.
Calcula la constante de error que corresponde a la entrada: Kp para un escalón, Kv para una rampa, Ka para una parábola.
Aplica ess = A/(1 + Kp), A/Kv o A/Ka, o despeja la ganancia que necesitas.
Para una especificación de amortiguamiento o de velocidad, escribe el polinomio característico de lazo cerrado e identifícalo con s² + 2ζω_n·s + ω_n².
2Problemas de práctica
1.Resistencias en serie y en paraleloMedia
Halla la corriente IR1 que entrega la fuente, que pasa por R1.
V1 = 30 VR1 = 15 ΩR2 = 10 ΩR3 = 12 ΩR4 = 12 Ω
IR1 = A
2.Resistencias en serie y en paraleloDifícil
Halla la resistencia equivalente Req que ve la fuente V1.
Un circuito resistivo lineal contiene una fuente de tensión Vs y una fuente de corriente Is. La corriente I por una resistencia de carga se mide dos veces: con Vs = 5 V y Is = 10 mA, I = 3,25 mA; con Vs = 15 V y Is = 6 mA, I = 4,95 mA. Halla la corriente de carga I cuando Vs = 2 V y Is = 1 mA.
5 V, 10 mA → 3,25 mA15 V, 6 mA → 4,95 mAVs = 2 V, Is = 1 mA
I = mA
8.SuperposiciónDifícil
Usa el principio de superposición para hallar la corriente IR3 por R3 en el sentido de la flecha.
Se conecta una carga RL = 15 Ω entre a–b. Sustituye el resto del circuito por su equivalente de Thévenin y halla la corriente de carga IL.
V1 = 12 VR1 = 12 ΩR2 = 4 ΩR3 = 15 ΩRL = 15 Ω
IL = A
10.Thévenin y NortonDifícil
Halla la corriente de Norton IN: la corriente que circula de a a b si se cortocircuitan los terminales.
V1 = 15 VIs = 6 AR1 = 10 ΩR2 = 4 ΩR3 = 10 Ω
IN = A
11.Transitorios RC y RLMedia
La bobina no lleva corriente antes de que el interruptor se cierre en t = 0. Halla la energía W almacenada en la bobina en t = 1 ms, en mJ.
Vs = 10 VR = 33 ΩL = 22 mHt = 1 ms
W = mJ
12.Transitorios RC y RLDifícil
Justo antes de que el interruptor se cierre en t = 0, el condensador tiene 10 V con la polaridad indicada. ¿Cuánto tarda vC en llegar a 9,3 V? Halla t.
Vs = 9 VR = 10 kΩC = 220 µFvC(0) = 10 V
t = ms
13.Impedancia y fasores en alternaMedia
Un circuito RLC en serie con C = 0,1 µF debe resonar a 100 Hz. Halla la inductancia L necesaria.
f0 = 100 HzC = 0,1 µF
L = mH
14.Impedancia y fasores en alternaDifícil
Un circuito RLC en serie está conectado a una alimentación de 24 V (eficaces) y 100 Hz. Halla la tensión eficaz VC en el condensador.
V = 24 V (rms)f = 100 HzR = 10 ΩL = 20 mHC = 100 µF
VC = V
15.Potencia en alterna y factor de potenciaMedia
Un motor monofásico consume 29 kW con un factor de potencia de 0,75 inductivo de una alimentación de 400 V. Halla la corriente de línea I.
P = 29 kWpf = 0,75V = 400 V
I = A
16.Potencia en alterna y factor de potenciaDifícil
Una fuente de 12 V (eficaces) y 1000 Hz tiene una impedancia interna Zs = 10 + j3 Ω. La impedancia de carga ZL puede elegirse libremente. La carga para máxima potencia está formada por una resistencia en serie con un condensador. Halla la capacidad C.
Vs = 12 V (rms)f = 1000 HzZs = 10 + j3 Ω
C = µF
17.Potencia trifásicaMedia
Una carga trifásica equilibrada consume una corriente de línea de 60 A de una alimentación con una tensión de línea de 208 V. El factor de potencia es 0,82 inductivo. Halla la potencia activa total P que consume la carga en kW.
VL = 208 VIL = 60 Acos φ = 0,82
P = kW
18.Potencia trifásicaDifícil
Una carga trifásica equilibrada consume 150 kW con un factor de potencia de 0,8 inductivo de una alimentación de 415 V (de línea) y 60 Hz. Una batería trifásica de condensadores en paralelo con la carga debe elevar el factor de potencia total a 0,9 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 = 0,9VL = 415 Vf = 60 Hz
QC = kvar
19.TransformadoresMedia
Un transformador monofásico de 10 kVA, 480/240 V, funciona a su carga nominal. Considéralo ideal. Halla la corriente IHV en el devanado de alta tensión.
S = 10 kVAV1 = 480 VV2 = 240 V
IHV = A
20.TransformadoresDifícil
Un transformador monofásico de 75 kVA tiene unas pérdidas en el hierro de 225 W. A carga nominal y con un factor de potencia de 0,8 inductivo su rendimiento es del 98 %. Halla las pérdidas en el cobre a plena carga Pcu,fl en vatios.
S = 75 kVAPcore = 225 Wpf = 0,8η = 98%
Pcu,fl = W
21.Circuitos con amplificador operacionalMedia
El amplificador operacional es ideal y se alimenta con ±15 V; su salida se satura en ±12 V. El amplificador no inversor se excita con una onda senoidal. Halla la amplitud de entrada máxima Vin,max (valor de pico) para la que la salida no se recorta.
R1 = 1 kΩRf = 22 kΩVsat = ±12 V
Vin,max = V
22.Circuitos con amplificador operacionalDifícil
El integrador usa un amplificador operacional ideal alimentado con ±15 V; su salida se satura en ±12 V. El condensador está descargado cuando se aplica una entrada constante Vin = −0,3 V en t = 0. Halla la tensión de salida Vout en t = 500 ms.
Un regulador Zener de 12 V se alimenta desde 15 V a través de 270 Ω y suministra una carga de 3300 Ω. Halla la corriente IZ del Zener.
Vin = 15 VVZ = 12 VR = 270 ΩRL = 3300 Ω
IZ = mA
24.Diodos y transistoresDifícil
Un regulador Zener de 5,6 V tiene una resistencia en serie de 470 Ω. La entrada puede subir hasta 27 V, y la carga puede desconectarse. Halla la mayor potencia PZ,max que debe disipar el Zener.
Vin,max = 27 VVZ = 5,6 VR = 470 Ω
PZ,max = mW
25.Sistemas de numeraciónMedia
Pon los bits para que almacenen −55 en complemento a dos de 8 bits. Leído como un número sin signo, ¿cuál es el valor U del patrón?
N = −558 bit
U =
26.Sistemas de numeraciónDifícil
¿Cuál es el entero más negativo N que se puede guardar en complemento a dos de 32 bits?
32 bit
N =
27.Lógica digital: puertas, mapas K y biestablesMedia
Usa el mapa de Karnaugh para hallar la forma mínima de suma de productos (SOP) de F(A, B, C, D) = Σm(0, 2, 3, 4, 5, 8, 10, 15). ¿Cuántos términos producto, N, tiene?
F(A, B, C, D) = Σm(0, 2, 3, 4, 5, 8, 10, 15)
N =
28.Lógica digital: puertas, mapas K y biestablesDifícil
Un contador módulo 7 síncrono cuenta 0, 1, …, 6 y luego vuelve a 0. Empieza en 3. ¿Qué cuenta Q (en decimal) muestra tras 13 pulsos de reloj?
Q0 = 313N = 7
Q =
29.Transformadas de LaplaceMedia
Halla f(t) para F(s) = (s + 8)/(s² + 10s + 25) y evalúa f(0,25).
F(s) = (s + 8)/(s² + 10s + 25)t = 0,25 s
f(0.25) =
30.Transformadas de LaplaceDifícil
Un sistema cumple y″ + 7y′ + 6y = 12·u(t), con y(0) = 3 e y′(0) = 0. En t = 0 se aplica una entrada escalón u(t) = 1. Usa la transformada de Laplace para hallar y(1).
La planta G(s) = K/(s(s + 8)) 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).
Un controlador proporcional K = 2 gobierna la planta G(s) = 5/(s + 8) en un lazo de realimentación negativa unitaria. Una perturbación D entra a la entrada de la planta (se suma a la salida del controlador). Se aplican a la vez un escalón de referencia de tamaño 1 y un escalón de perturbación de tamaño 2. Halla la salida en régimen estacionario css.
K = 2G(s) = 5/(s + 8)D = 2R = 1
css =
33.Respuesta al escalónMedia
Un sistema tiene la función de transferencia G(s) = 130/(s² + 11s + 65) y recibe una entrada escalón unitario. Los polos son s = σ ± jωd. Halla la parte real σ.
G(s) = 130/(s² + 11s + 65)
σ =
34.Respuesta al escalónDifícil
La respuesta al escalón de un sistema de segundo orden sin ceros muestra un sobreimpulso del 12 %, y el primer pico ocurre en t = 0,25 s. Halla la frecuencia natural ωn.
%OS = 12 %tp = 0,25 s
ωn = rad/s
35.Diagramas de Bode y márgenesMedia
Halla la fase ∠G(jω) de G(s) = 8(s + 14)/(s(s + 16)) en ω = 1 rad/s, en grados.
G(s) = 8(s + 14)/(s(s + 16))ω = 1 rad/s
∠G(jω) = °
36.Diagramas de Bode y márgenesDifícil
Un lazo con realimentación unitaria tiene la función de transferencia en lazo abierto L(s) = K/(s(s + 4)(s + 6)). Halla la ganancia K que da un margen de ganancia de 12 dB.
L(s) = K/(s(s + 4)(s + 6))GM = 12 dB
K =
37.Estabilidad: Routh–Hurwitz y lugar de las raícesMedia
El lazo del diagrama tiene realimentación negativa y L(s) = 1056/(s(s + 3)(s + 8)). ¿Cuántos polos de lazo cerrado N están en el semiplano derecho?
L(s) = 1056/(s(s + 3)(s + 8))
N =
38.Estabilidad: Routh–Hurwitz y lugar de las raícesDifícil
Para el lazo L(s) = K/(s(s + 4)(s + 10)), halla la ganancia K que sitúa un polo de lazo cerrado en s = −2,5.
L(s) = K/(s(s + 4)(s + 10))s = −2,5
K =
39.Error en régimen permanente y control PIDMedia
Un lazo con realimentación unitaria tiene G(s) = K/((s + 4)(s + 5)). Halla la ganancia K que da un error en régimen permanente del 25 % para una entrada en escalón.
G(s) = K/((s + 4)(s + 5))ess = 25 %
K =
40.Error en régimen permanente y control PIDDifícil
Un controlador proporcional K = 10 controla la planta G(s) = 5/(s(s + 4)) en un lazo con realimentación unitaria. Halla el tiempo de establecimiento al 2 % ts de la respuesta al escalón, usando ts ≈ 4/(ζωₙ).
G(s) = 5/(s(s + 4))K = 10
ts = s
3Disoluciones
1.Resistencias en serie y en paralelo
Respuesta: IR1 = 1,36 A
Resistencias en serie y en paralelo: en serie, la misma corriente pasa por cada resistencia y R = R₁ + R₂ + …. En paralelo, cada resistencia tiene la misma tensión y 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …. Una red en escalera se reduce por parejas hasta que queda una sola resistencia equivalente.
Combina las resistencias desde el extremo más lejano
Empieza por el extremo más alejado de la fuente y avanza hacia ella. Las resistencias con la misma corriente están en serie; las que están entre los mismos dos nodos, en paralelo.
R3 + R4 = 12 + 12 = 24 Ω
R2 ∥ 24 = 10·24/(10+24) = 7,059 Ω
Req = R1 + 7,059 = 15 + 7,059 = 22,06 Ω
Corriente de la fuente
La fuente solo ve Req, así que la ley de Ohm da la corriente que entrega. Esa corriente pasa por R₁.
IR1 = V1/Req = 30/22,06 = 1,36 A
Respuesta
IR1 = 1,36 A
2.Resistencias en serie y en paralelo
Respuesta: Req = 8,625 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.
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 = 3 + 6 = 9 Ω
R4 ∥ 9 = 1,636 Ω
R3 + 1,636 = 7,636 Ω
R2 ∥ 7,636 = 2,625 Ω
Req = R1 + 2,625 = 6 + 2,625 = 8,625 Ω
Respuesta
Req = 8,625 Ω
3.Análisis nodal
Respuesta: PIs = 11,39 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/15 + (VA − 12)/2 + (VA − VB)/4 = 0
0,8167·VA − 0,25·VB = 6
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)/4 = 2
−0,25·VA + 0,75·VB = 2
Resuelve
Δ = (0,8167)(0,75) − (−0,25)(−0,25) = 0,55
VA = Δ1/Δ = 5/0,55 = 9,091 V
VB = Δ2/Δ = 3,133/0,55 = 5,697 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 = 5,697·2 = 11,39 W
Respuesta
PIs = 11,39 W
4.Análisis nodal
Respuesta: IR1 = 0,09211 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.
Plantea los nodos
La tierra es el cable inferior. Las tensiones de nodo conocidas salen directamente de las fuentes (V1 = 6 V, V2 = 10 V). Incógnitas: VA, VB.
LCK en el nodo A
Las corrientes que salen de A por las resistencias igualan la corriente que las fuentes inyectan en A.
VA/R3 + (VA − V1)/R1 + (VA − VB)/R2 = 0
VA/8 + (VA − 6)/12 + (VA − VB)/4 = 0
0,4583·VA − 0,25·VB = 0,5
LCK en el nodo B
Las corrientes que salen de B por las resistencias igualan la corriente que las fuentes inyectan en B.
VB/R5 + (VB − VA)/R2 + (VB − V2)/R4 = Is
VB/30 + (VB − VA)/4 + (VB − 10)/12 = 0,5
−0,25·VA + 0,3667·VB = 1,333
Resuelve
Δ = (0,4583)(0,3667) − (−0,25)(−0,25) = 0,1056
VA = Δ1/Δ = 0,5167/0,1056 = 4,895 V
VB = Δ2/Δ = 0,7361/0,1056 = 6,974 V
Respuesta
IR1 = (V1 − VA)/R1 = (6 − 4,895)/12 = 0,09211 A
5.Análisis de mallas
Respuesta: IR1 = 0,45 A
Análisis de mallas: asigna a cada ventana de un circuito plano su propia corriente de lazo, escribe la ley de tensiones de Kirchhoff en cada lazo (suma de caídas = suma de subidas) y resuelve. Las corrientes de rama son la corriente de malla o la diferencia de dos corrientes de malla en una rama compartida.
Asigna las corrientes de malla
Dibuja una corriente en sentido horario en cada ventana: I1, I2. Una resistencia compartida por dos mallas lleva la diferencia de sus corrientes.
LTK en la malla 1
Recorriendo en sentido horario, las caídas en las resistencias igualan a las subidas de tensión de las fuentes (de − a + en el sentido del recorrido).
R1·I1 + R3(I1 − I2) = V1
10·I1 + 15(I1 − I2) = 15
25·I1 − 15·I2 = 15
LTK en la malla 2
Recorriendo en sentido horario, las caídas en las resistencias igualan a las subidas de tensión de las fuentes (de − a + en el sentido del recorrido).
R2·I2 + R3(I2 − I1) = −V2
6·I2 + 15(I2 − I1) = (−12)
−15·I1 + 21·I2 = −12
Resuelve
Δ = (25)(21) − (−15)(−15) = 300
I1 = Δ1/Δ = 135/300 = 0,45 A
I2 = Δ2/Δ = −75/300 = −0,25 A
Respuesta
IR1 = I1 = 0,45 A
Una corriente de malla negativa circula en sentido antihorario.
6.Análisis de mallas
Respuesta: IR2 = −0,5063 A
Análisis de mallas: asigna a cada ventana de un circuito plano su propia corriente de lazo, escribe la ley de tensiones de Kirchhoff en cada lazo (suma de caídas = suma de subidas) y resuelve. Las corrientes de rama son la corriente de malla o la diferencia de dos corrientes de malla en una rama compartida.
Asigna las corrientes de malla
Dibuja una corriente en sentido horario en cada ventana: I1, I2, I3. Una resistencia compartida por dos mallas lleva la diferencia de sus corrientes.
LTK en la malla 1
Recorriendo en sentido horario, las caídas en las resistencias igualan a las subidas de tensión de las fuentes (de − a + en el sentido del recorrido).
R1·I1 + R4(I1 − I2) = V1
30·I1 + 10(I1 − I2) = 24
40·I1 − 10·I2 = 24
LTK en la malla 2
Recorriendo en sentido horario, las caídas en las resistencias igualan a las subidas de tensión de las fuentes (de − a + en el sentido del recorrido).
R2·I2 + R4(I2 − I1) + R5(I2 − I3) = 0
15·I2 + 10(I2 − I1) + 3(I2 − I3) = 0
−10·I1 + 28·I2 − 3·I3 = 0
LTK en la malla 3
Recorriendo en sentido horario, las caídas en las resistencias igualan a las subidas de tensión de las fuentes (de − a + en el sentido del recorrido).
R3·I3 + R5(I3 − I2) = −V2
2·I3 + 3(I3 − I2) = (−30)
−3·I2 + 5·I3 = −30
Resuelve
Δ = determinante de la matriz de coeficientes = 4740
I1 = Δ1/Δ = 2244/4740 = 0,4734 A
I2 = Δ2/Δ = −2400/4740 = −0,5063 A
I3 = Δ3/Δ = −29880/4740 = −6,304 A
Respuesta
IR2 = I2 = −0,5063 A
Una corriente de malla negativa circula en sentido antihorario.
7.Superposición
Respuesta: I = 0,7 mA
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.
Escribe la respuesta como suma de contribuciones
Cada contribución es proporcional a su propia fuente, con una constante que depende solo de las resistencias.
I = k₁·Vs + k₂·Is
5·k₁ + 10·k₂ = 3,25
15·k₁ + 6·k₂ = 4,95
Despeja las constantes
Δ = (5)(6) − (10)(15) = −120
k₁ = Δ1/Δ = −30/−120 = 0,25
k₂ = Δ2/Δ = −24/−120 = 0,2
k₁ = 0,25 mA/V, k₂ = 0,2
Predice la nueva corriente
I = 0,25·2 + 0,2·1 = 0,7 mA
Respuesta
I = 0,7 mA
8.Superposición
Respuesta: IR3 = 0,6121 A
Superposición: en un circuito lineal, cualquier tensión o corriente es la suma de las respuestas a cada fuente independiente actuando sola. Para apagar una fuente, sustituye una fuente de tensión ideal por un cortocircuito y una fuente de corriente ideal por un circuito abierto. Las resistencias se quedan donde están.
Caso 1 · V1 actuando sola
V₂ pasa a ser un cortocircuito e Iₛ un circuito abierto. Vista desde A, R₃ está en paralelo con la serie R₂+R₄.
R3 ∥ (R2+R4) = 30 ∥ 7 = 5,676 Ω
VA = 12·5,676/(3+5,676) = 7,85 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 7,85·3/7 = 3,364 V
IR3′ = (VA − 0)/R3 = (7,85 − 0)/30 = 0,2617 A
Caso 2 · Is actuando sola
Ambas fuentes de tensión pasan a ser cortocircuitos. Iₛ se reparte en B entre R₄ (ahora a tierra) y R₂ en serie con R₁ ∥ R₃.
R1 ∥ R3 = 2,727 Ω, así que el camino de la izquierda es R2+2,727 = 6,727 Ω
Req = R4 ∥ 6,727 = 2,075 Ω
VB = Is·Req = 2,5·2,075 = 5,187 V
VA = VB·2,727/6,727 = 2,103 V
IR3″ = (VA − 0)/R3 = (2,103 − 0)/30 = 0,07009 A
Caso 3 · V2 actuando sola
V₁ pasa a ser un cortocircuito e Iₛ un circuito abierto. R₁ ∥ R₃ cuelga de A, en serie con R₂ hasta B.
R1 ∥ R3 = 3·30/(3+30) = 2,727 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = 30·6,727/9,727 = 20,75 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = 20,75·2,727/6,727 = 8,411 V
IR3‴ = (VA − 0)/R3 = (8,411 − 0)/30 = 0,2804 A
Suma las contribuciones
IR3 = IR3′ + IR3″ + IR3‴
IR3 = 0,2617 + 0,07009 + 0,2804 = 0,6121 A
Un resultado negativo significa que la corriente real circula en sentido contrario a la flecha.
9.Thévenin y Norton
Respuesta: IL = 0,09091 A
Teorema de Thévenin: toda red lineal de dos terminales se comporta como una única fuente de tensión Vth en serie con una resistencia Rth. El teorema de Norton da la misma red como una fuente de corriente IN = Vth/Rth en paralelo con Rth.
Halla Rth con todas las fuentes apagadas
Sustituye las fuentes de tensión por cortocircuitos y las de corriente por circuitos abiertos, y mira el circuito desde a–b.
R1 ∥ R2 = 12·4/(12+4) = 3 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3 + 15 = 18 Ω
Halla Vth, la tensión en circuito abierto
Con a–b abiertos, no circula corriente por R₃, así que no hay caída en ella y V_b = V_A. R₁ y R₂ forman un divisor de tensión.
Vth = V1·R2/(R1+R2) = 12·4/(12+4) = 3 V
Conecta la carga al equivalente de Thévenin
La fuente de Thévenin y R_th en serie se comportan exactamente como el circuito original en a–b, así que la carga ve un simple lazo en serie.
IL = Vth/(Rth + RL) = 3/(18 + 15) = 0,09091 A
10.Thévenin y Norton
Respuesta: IN = 6,333 A
Teorema de Thévenin: toda red lineal de dos terminales se comporta como una única fuente de tensión Vth en serie con una resistencia Rth. El teorema de Norton da la misma red como una fuente de corriente IN = Vth/Rth en paralelo con Rth.
Halla Rth con todas las fuentes apagadas
Sustituye las fuentes de tensión por cortocircuitos y las de corriente por circuitos abiertos, y mira el circuito desde a–b.
R1 ∥ R2 = 10·4/(10+4) = 2,857 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,857 + 10 = 12,86 Ω
Halla Vth, la tensión en circuito abierto
Con a–b abiertos, el único camino para Iₛ es por R₃ hacia el nodo A. Halla V_A por superposición de V₁ e Iₛ y luego suma la caída en R₃.
VA = V1·R2/(R1+R2) + Is·(R1∥R2) = 4,286 + 6·2,857 = 21,43 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 21,43 + 6·10 = 81,43 V
Equivalente de Norton
Una fuente de Norton es el mismo circuito visto como una fuente de corriente en paralelo con R_th. Su corriente es la corriente de cortocircuito en a–b.
IN = Vth/Rth = 81,43/12,86 = 6,333 A
11.Transitorios RC y RL
Respuesta: W = 0,6096 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 = 22 mH / 33 Ω = 0,6667 ms
i(∞) = Vs/R = 10/33 = 0,303 A
Corriente en el instante dado
i(t) = 0,303·(1 − e−1/0,6667) = 0,2354 A
Energía almacenada
W = ½·L·i² = ½·22·0,2354² = 0,6096 mJ
Respuesta
W = 0,6096 mJ
12.Transitorios RC y RL
Respuesta: t = 2649 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
La tensión del condensador no puede saltar, así que parte de su valor almacenado y tiende a la tensión de la fuente.
t = τ·ln((10 − 9)/(9,3 − 9)) = 2200·ln(3,333) = 2649 ms
Respuesta
t = 2649 ms
13.Impedancia y fasores en alterna
Respuesta: L = 25330 mH
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·100 = 628,3 rad/s
L = 1/(ω₀²·C) = 1/(628,3²·0,1·10⁻⁶) = 25330 mH
Respuesta
L = 25330 mH
14.Impedancia y fasores en alterna
Respuesta: VC = 36,22 V
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·100 = 628,3 rad/s
XL = ωL = 628,3·0,02 = 12,57 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(628,3·100·10⁻⁶) = 15,92 Ω
Impedancia
En serie, las impedancias se suman como números complejos: Z = R + j(XL − XC).
La misma corriente pasa por todos los elementos de un circuito en serie.
I = V/|Z| = 24/10,55 = 2,276 A
Tensión en el condensador
VC = I·XC = 2,276·15,92 = 36,22 V
Respuesta
VC = 36,22 V
15.Potencia en alterna y factor de potencia
Respuesta: I = 96,67 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.
Corriente de línea
Solo la parte activa de la potencia hace trabajo, así que divide entre el factor de potencia.
I = P/(V·cos φ) = 29000/(400·0,75) = 96,67 A
Respuesta
I = 96,67 A
16.Potencia en alterna y factor de potencia
Respuesta: C = 53,05 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.
Adaptación conjugada
La reactancia de la carga anula la reactancia de la fuente, y la resistencia de la carga es igual a la resistencia de la fuente.
ZL = Zs* = 10 − j3 Ω
Capacidad
XC = 3 Ω → C = 1/(2π·1000·3) = 53,05 µF
Respuesta
C = 53,05 µF
17.Potencia trifásica
Respuesta: P = 17,73 kW
Sistemas trifásicos equilibrados: en una conexión en Y (estrella) la tensión de línea es √3 veces la tensión de fase, VL = √3·Vph, y la corriente de línea es igual a la corriente de fase. En una conexión en Δ (triángulo) la tensión de línea es igual a la tensión de fase y la corriente de línea es √3 veces la corriente de fase, IL = √3·Iph. La potencia total es tres veces la potencia de una fase: P = 3·Vph·Iph·cos φ = √3·VL·IL·cos φ.
Potencia aparente
S = √3·VL·IL = √3·208·60 = 21,62 kVA
Potencia activa
P = S·cos φ = 21,62·0,82 = 17,73 kW
Respuesta
P = 17,73 kW
18.Potencia trifásica
Respuesta: QC = 39,85 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 0,9) = 150·0,4843 = 72,65 kvar
Potencia reactiva de los condensadores
QC = Q1 − Q2 = 39,85 kvar
Respuesta
QC = 39,85 kvar
19.Transformadores
Respuesta: IHV = 20,83 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.
Corriente nominal
Los dos devanados transportan la misma potencia aparente.
IHV = S/V = 10000/480 = 20,83 A
Respuesta
IHV = 20,83 A
20.Transformadores
Respuesta: Pcu,fl = 999,5 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 = 75·0,8 = 60 kW
Pin = 60000/0,98 = 61224 W
Pérdidas totales y en el cobre
Ploss = 61224 − 60000 = 1224 W
Pcu,fl = 1224 − 225 = 999,5 W
Respuesta
Pcu,fl = 999,5 W
21.Circuitos con amplificador operacional
Respuesta: Vin,max = 0,5217 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.
Ganancia
Av = 1 + Rf/R1 = 1 + 22/1 = 23
Entrada máxima antes del recorte
Vin,max = Vsat/|Av| = 12/23 = 0,5217 V
Respuesta
Vin,max = 0,5217 V
22.Circuitos con amplificador operacional
Respuesta: Vout = 1,5 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.
Corriente de entrada y pendiente de la rampa
kΩ por µF da milisegundos.
RC = 100 kΩ · 1 µF = 100 ms
pendiente de la rampa = −Vin/(RC) = −(−0,3)/100 = 0,003 V/ms
Salida en el instante dado
El valor ideal está dentro de ±Vsat, así que el integrador todavía no se ha saturado.
Vout = −Vin·t/(RC) = −(−0,3)·500/100 = 1,5 V
Respuesta
Vout = 1,5 V
23.Diodos y transistores
Respuesta: IZ = 7,475 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 = 3/270 = 11,11 mA
Corriente en la carga
IL = 12/3300 = 3,636 mA
Corriente del Zener
IZ = 11,11 − 3,636 = 7,475 mA
Respuesta
IZ = 7,475 mA
24.Diodos y transistores
Respuesta: PZ,max = 255 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 = 21,4/470 = 45,53 mA
Potencia del Zener
PZ = 5,6·45,53 = 255 mW
Respuesta
PZ,max = 255 mW
25.Sistemas de numeración
Respuesta: U = 201
Poner bits: cada bit vale una potencia de dos (128, 64, …, 1). Un dígito hexadecimal son exactamente cuatro bits, y en complemento a dos de 8 bits el bit de más a la izquierda vale −128. Las operaciones bit a bit actúan sobre cada posición de bit por separado.
Invertir y sumar uno
55 = 0011 0111
invertido: 1100 1000
+1 → 1100 1001
Leerlo sin signo
1100 1001₂ = 256 − 55 = 201
Respuesta
U = 201
26.Sistemas de numeración
Respuesta: N = −2,147 × 10⁹
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.
Valor más negativo
−231 = −2147483648
Respuesta
N = −2147483648
27.Lógica digital: puertas, mapas K y biestables
Respuesta: N = 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.
Agrupa los 1
Todo grupo es un rectángulo de 2ᵏ celdas; las celdas del borde son vecinas de las celdas del borde opuesto.
B′D′
A′B′C
A′BC′
ABCD
Forma SOP mínima
F = B′D′ + A′B′C + A′BC′ + ABCD
N = 4
Respuesta
N = 4
28.Lógica digital: puertas, mapas K y biestables
Respuesta: Q = 2
Biestables y contadores: un biestable cambia solo en el flanco activo del reloj. D copia su entrada (Q⁺ = D); T conmuta cuando T = 1; JK mantiene con 00, pone a 0 con 01, pone a 1 con 10 y conmuta con 11. Un contador binario de n bits tiene 2ⁿ estados y cuenta módulo 2ⁿ; un contador módulo N cuenta 0, 1, …, N − 1 y vuelve a 0, y necesita el menor n con 2ⁿ ≥ N biestables. Cada etapa de un contador asíncrono divide la frecuencia a la mitad, así que la última salida de un contador módulo N funciona a fclk/N. Un contador Johnson de n biestables tiene 2n estados y un contador en anillo, n.
Ciclos completos
Cada 7 pulsos devuelven el contador al mismo estado.
13 = 1·7 + 6
Cuenta tras los pulsos restantes
Q = (3 + 6) mod 7 = 2
Q = 010₂
Respuesta
Q = 2
29.Transformadas de Laplace
Respuesta: f(0.25) = 0,5014
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 + 10s + 25 = (s + 5)²
Fracciones parciales
s + 8 = 1(s + 5) + 3
F(s) = 1/(s + 5) + 3/(s + 5)²
Transformada inversa
f(t) = e−5t + 3·t·e−5t
f(0,25) = (1 + 3·0,25)·e−5·0,25 = 0,5014
Respuesta
f(0,25) = 0,5014
30.Transformadas de Laplace
Respuesta: y(1) = 2,441
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 + 7s + 6)·Y(s) = 3s + 21 + 12/s
Y(s) = (3s² + 21s + 12)/(s(s + 1)(s + 6))
Fracciones parciales
A = 12/(1·6) = 2
B = −6/((−1)·5) = 1,2
C = −6/((−6)·(−5)) = −0,2
Resultado
y(t) = 2 + 1,2·e−t − 0,2·e−6t
y(1) = 2,441
Respuesta
y(1) = 2,441
Comprueba: y(0) = A + B + C = 3.
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(s + 8)) = 0 → s² + 8s + K = 0
Raíz repetida
Un polinomio cuadrático s² + βs + γ tiene una raíz doble cuando β² = 4γ.
8² = 4K → K = 64/4 = 16
Respuesta
K = 16
Ambos polos en lazo cerrado están entonces en s = −4.
32.Diagramas de bloques
Respuesta: css = 1,111
Álgebra de diagramas de bloques: los bloques en serie se multiplican (G₁·G₂), los bloques en paralelo se suman (G₁ + G₂), y un lazo con camino directo G y camino de realimentación H se reduce a T = G/(1 + G·H) para realimentación negativa y G/(1 − G·H) para realimentación positiva. Reduce primero los lazos internos y avanza hacia fuera. Los polos en lazo cerrado son las raíces de la ecuación característica 1 + G(s)H(s) = 0. Para un lazo estable, una entrada escalón de tamaño A da la salida en régimen estacionario A·T(0); con realimentación unitaria el error en régimen estacionario ante un escalón es A/(1 + Kp) con Kp = G(0).
Funciones de transferencia
C/D = G/(1 + K·G) = 5/(s + 8 + 10)
C/R = K·G/(1 + K·G) = 10/(s + 8 + 10)
Estado estacionario
css = 1·10/18 + 2·5/18 = 1,111
Respuesta
css = 1,111
Una K mayor reduce el efecto de la perturbación, pero nunca la anula con un controlador proporcional.
33.Respuesta al escalón
Respuesta: σ = −5,5
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 = 65 → ωₙ = 8,062 rad/s
2ζωₙ = 11 → ζ = 11/(2·8,062) = 0,6822
Resultado
σ = −ζωₙ = −11/2 = −5,5
Respuesta
σ = −5,5
34.Respuesta al escalón
Respuesta: ωn = 15,16 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).
Respuesta en frecuencia: sustituye s = jω en la función de transferencia. El módulo en decibelios es 20·log₁₀|H(jω)| y la fase es la suma de los ángulos de los factores del numerador menos los del denominador. Un filtro RC o RL de primer orden tiene su frecuencia de corte (−3 dB) en ωc = 1/(RC) o R/L, y fc = ωc/(2π); un filtro paso bajo da |H| = 1/√(1 + (ω/ωc)²) y φ = −atan(ω/ωc). En el diagrama de Bode asintótico (de rectas) cada polo hace bajar el módulo 20 dB/década en su frecuencia de esquina, cada cero lo hace subir 20 dB/década, y un integrador 1/s da −20 dB/década en todas las frecuencias. Cruce de ganancia ωc: |L(jω)| = 1 (0 dB); margen de fase MF = 180° + ∠L(jωc). Cruce de fase ω180: ∠L(jω) = −180°; margen de ganancia MG = −20·log₁₀|L(jω180)| dB. El lazo cerrado es estable cuando ambos márgenes son positivos.
Respuesta en frecuencia: sustituye s = jω en la función de transferencia. El módulo en decibelios es 20·log₁₀|H(jω)| y la fase es la suma de los ángulos de los factores del numerador menos los del denominador. Un filtro RC o RL de primer orden tiene su frecuencia de corte (−3 dB) en ωc = 1/(RC) o R/L, y fc = ωc/(2π); un filtro paso bajo da |H| = 1/√(1 + (ω/ωc)²) y φ = −atan(ω/ωc). En el diagrama de Bode asintótico (de rectas) cada polo hace bajar el módulo 20 dB/década en su frecuencia de esquina, cada cero lo hace subir 20 dB/década, y un integrador 1/s da −20 dB/década en todas las frecuencias. Cruce de ganancia ωc: |L(jω)| = 1 (0 dB); margen de fase MF = 180° + ∠L(jωc). Cruce de fase ω180: ∠L(jω) = −180°; margen de ganancia MG = −20·log₁₀|L(jω180)| dB. El lazo cerrado es estable cuando ambos márgenes son positivos.
37.Estabilidad: Routh–Hurwitz y lugar de las raíces
Respuesta: N = 2
Criterio de Routh–Hurwitz: un sistema lineal es estable cuando todas las raíces de su polinomio característico están en el semiplano izquierdo del plano s. Escribe los coeficientes alternadamente en las dos primeras filas de la tabla de Routh. Cada elemento de una fila nueva sale de las dos filas de encima; para un polinomio cúbico a₃s³ + a₂s² + a₁s + a₀ el elemento de s¹ es b₁ = (a₂·a₁ − a₃·a₀)/a₂. El número de cambios de signo en la primera columna es igual al número de raíces en el semiplano derecho. Con una ganancia K en los coeficientes, todos los elementos de la primera columna deben seguir siendo positivos: la ganancia que anula el elemento de s¹ es el límite de estabilidad, y la fila de s² da entonces la frecuencia de la oscilación sostenida.
Polinomio característico
s³ + 11s² + 24s + 1056 = 0
Tabla de Routh
s³: 1, 24
s²: 11, 1056
s¹: −72
s⁰: 1056
Cambios de signo en la primera columna
1 → 11 → −72 → 1056
N = 2
Respuesta
N = 2
La ganancia supera el límite K = 264, así que un par complejo ha cruzado al semiplano derecho.
38.Estabilidad: Routh–Hurwitz y lugar de las raíces
Respuesta: K = 28,13
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.
Condición de módulo
K = |s|·|s + 4|·|s + 10|
Evalúa en el punto
K = 2,5·1,5·7,5 = 28,13
Respuesta
K = 28,13
Comprobación: s(s + 4)(s + 10) + K vale cero en s = −2,5.
39.Error en régimen permanente y control PID
Respuesta: K = 60
Error en régimen permanente: en un lazo con realimentación unitaria y función de transferencia de lazo abierto G(s) el error es E(s) = R(s)/(1 + G(s)), y por el teorema del valor final ess = lims→0 s·E(s). El tipo del sistema es el número de polos de G(s) en s = 0. Las constantes de error son Kp = lim G(s), Kv = lim s·G(s) y Ka = lim s²·G(s), todas para s → 0. Un escalón de tamaño A da ess = A/(1 + Kp), una rampa A·t da A/Kv y una parábola A·t²/2 da A/Ka. Un lazo de tipo 0 sigue un escalón con un error finito, un lazo de tipo 1 lo sigue exactamente y sigue una rampa con un error finito.
Constante de error requerida
1/(1 + Kp) = 0,25 → Kp = 3
Ganancia
K/20 = 3 → K = 60
Respuesta
K = 60
Comprueba también la estabilidad del lazo cerrado: en este lazo de segundo orden cualquier K > 0 es estable.
40.Error en régimen permanente y control PID
Respuesta: ts = 2 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 + 4) + 10·5 = s² + 4s + 50
ωₙ y ζ
ωₙ = √50 = 7,071 rad/s
ζ = 4/(2·7,071) = 0,2828
Tiempo de establecimiento
ζωₙ = 4/2 = 2
ts ≈ 4/2 = 2 s
Respuesta
ts = 2 s
Aquí el tiempo de establecimiento no depende de K: aumentar K solo hace que la respuesta oscile más rápido.
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