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​ = 3 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​12 VR2​2 ΩIR2​AR4​5 ΩB

Halla la corriente IR2 por R2.

V1 = 12 VR1 = 3 ΩR2 = 2 ΩR3 = 12 ΩR4 = 5 Ω
IR2 = A
2.Resistencias en serie y en paraleloDifícil
R1​ = 2 ΩR3​ = 3 ΩR5​ = 10 Ω+−V1​5 VR2​5 ΩAR4​25 ΩBR6​10 Ω

Halla la resistencia equivalente Req que ve la fuente V1.

V1 = 5 VR1 = 2 ΩR2 = 5 ΩR3 = 3 ΩR4 = 25 ΩR5 = 10 ΩR6 = 10 Ω
Req = Ω
3.Análisis nodalMedia
R1​ = 4 ΩIR1​R3​ = 20 Ω+−V1​10 VR2​12 ΩAR4​2 ΩBIs​2 A

Usa el análisis nodal para hallar la corriente IR1 por R1 en el sentido de la flecha.

V1 = 10 VIs = 2 AR1 = 4 ΩR2 = 12 ΩR3 = 20 ΩR4 = 2 Ω
IR1 = A
4.Análisis nodalDifícil
R1​ = 20 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​36 VR2​8 ΩAR4​3 ΩBIs​?

La fuente de corriente se ajusta hasta que la tensión de nodo en A es VA = 12,5 V. Usa el análisis nodal para hallar la corriente de la fuente Is (con el sentido indicado).

V1 = 36 VR1 = 20 ΩR2 = 8 ΩR3 = 5 ΩR4 = 3 ΩVA = 12,5 V
Is = A
5.Análisis de mallasMedia
R1​ = 15 ΩR2​ = 15 Ω+−V1​10 VR3​8 ΩA+−V2​12 VI1​I2​

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

V1 = 10 VV2 = 12 VR1 = 15 ΩR2 = 15 ΩR3 = 8 Ω
I2 = A
6.Análisis de mallasDifícil
R1​ = 2 ΩR2​ = 20 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​10 VR4​5 ΩAR5​5 ΩB+−V2​10 VI1​I2​I3​

Usa el análisis de mallas para hallar la corriente de malla I1 (sentido horario).

V1 = 10 VV2 = 10 VR1 = 2 ΩR2 = 20 ΩR3 = 6 ΩR4 = 5 ΩR5 = 5 Ω
I1 = A
7.SuperposiciónMedia
R1​ = 2 ΩR3​ = 20 ΩIR3​+−V1​24 VR2​20 ΩAR4​6 ΩBIs​?

Halla el valor de la fuente de corriente Is (con el sentido indicado) que hace nula la corriente IR3 por R3.

V1 = 24 VR1 = 2 ΩR2 = 20 ΩR3 = 20 ΩR4 = 6 Ω
Is = A
8.SuperposiciónDifícil
R1​ = 25 ΩR2​ = 15 ΩR4​ = 6 Ω+−V1​9 VR3​6 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 = 25 ΩR2 = 15 ΩR3 = 6 ΩR4 = 6 Ω
V2 = V
9.Thévenin y NortonMedia
R1​ = 10 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​18 VR2​5 ΩAab

Halla la tensión de Thévenin Vth vista desde los terminales a–b.

V1 = 18 VR1 = 10 ΩR2 = 5 ΩR3 = 10 Ω
Vth = V
10.Thévenin y NortonDifícil
R1​ = 2 ΩR3​ = 25 Ω+−V1​6 VR2​2 ΩAIs​2 ABRL​8 ΩIL​

Se conecta una carga RL = 8 Ω entre a–b. Sustituye el resto del circuito por su equivalente de Thévenin y halla la corriente de carga IL.

V1 = 6 VIs = 2 AR1 = 2 ΩR2 = 2 ΩR3 = 25 ΩRL = 8 Ω
IL = A
11.Transitorios RC y RLMedia
+−Vs​10 Vt = 0R = 15 ΩL150 mHi(t)

La bobina no lleva corriente antes de que el interruptor se cierre en t = 0. Halla la tensión vL en la bobina en t = 15 ms.

Vs = 10 VR = 15 ΩL = 150 mHt = 15 ms
vL = V
12.Transitorios RC y RLDifícil
+−Vs​10 Vt = 0R = 2,2 kΩC220 µF+−vC​vC​(0) = 6 V

Justo antes de que el interruptor se cierre en t = 0, el condensador tiene 6 V con la polaridad indicada. Halla la tensión del condensador vC en t = 300 ms.

Vs = 10 VR = 2,2 kΩC = 220 µFvC(0) = 6 Vt = 300 ms
vC = V
13.Impedancia y fasores en alternaMedia
12 V50 HzR = 30 ΩL = 50 mHI

Una resistencia y una bobina están conectadas en paralelo a una alimentación de 12 V (eficaces) y 50 Hz. Halla el ángulo de fase φ de la impedancia, en grados (positivo cuando la corriente va retrasada respecto a la tensión).

V = 12 V (rms)f = 50 HzR = 30 ΩL = 50 mH
φ = °
14.Impedancia y fasores en alternaDifícil
100 V60 HzR = 50 ΩL = 50 mHC = 10 µFI

Un circuito RLC en serie está conectado a una alimentación de 100 V (eficaces) y 60 Hz. Halla la corriente eficaz I.

V = 100 V (rms)f = 60 HzR = 50 ΩL = 50 mHC = 10 µF
I = A
15.Potencia en alterna y factor de potenciaMedia
230 VZ12 + j5 ΩI

Una carga de impedancia Z = 12 + j5 Ω está conectada a una alimentación monofásica de 230 V (eficaces). Halla la potencia aparente S.

V = 230 VZ = 12 + j5 Ω
S = VA
16.Potencia en alterna y factor de potenciaDifícil
P = 25 kWQ1​S1​φ1​QC​

Una carga monofásica consume 25 kW con un factor de potencia de 0,6 inductivo de una alimentación de 240 V y 50 Hz. Un condensador conectado en paralelo eleva el factor de potencia a 0,95. Halla la capacidad C necesaria.

P = 25 kWpf1 = 0,6pf2 = 0,95V = 240 Vf = 50 Hz
C = µF
17.Potencia trifásicaMedia
ABCVL​ = 208 VIL​ = 20 Acos φ = 0,95inductivo

Una carga trifásica equilibrada consume una corriente de línea de 20 A de una alimentación con una tensión de línea de 208 V. El factor de potencia es 0,95 inductivo. Halla la potencia activa total P que consume la carga en kW.

VL = 208 VIL = 20 Acos φ = 0,95
P = kW
18.Potencia trifásicaDifícil
P = 150 kWφ1​S1​Q2​QC​

Una carga trifásica equilibrada consume 150 kW con un factor de potencia de 0,75 inductivo de una alimentación de 690 V (de línea) y 60 Hz. Una batería trifásica de condensadores en paralelo con la carga debe elevar el factor de potencia total a 0,98 inductivo. La potencia activa no cambia. Los condensadores están conectados en triángulo. Halla la capacidad Cph de cada condensador en µF.

P = 150 kWpf1 = 0,75pf2 = 0,98VL = 690 Vf = 60 Hz
Cph = µF
19.TransformadoresMedia
RL​ = 10 Ω1012300 VV2​I1​ = ?I2​

A un transformador ideal con una relación de transformación N₁:N₂ = 10:1 se le aplican 2300 V en el devanado primario. Se conecta una resistencia de 10 Ω en el devanado secundario. Halla la corriente del primario I1.

N1:N2 = 10:1V1 = 2300 VRL = 10 Ω
I1 = A
20.TransformadoresDifícil
pf 0,85150 kVA, 50% carga

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. Suministra el 50 % de sus kVA nominales con un factor de potencia de 0,85 inductivo. Halla las pérdidas totales Ploss en vatios con esta carga.

S = 150 kVAPcore = 450 WPcu,fl = 1800 Wx = 0,5pf = 0,85
Ploss = W
21.Circuitos con amplificador operacionalMedia
−+Vout​Rf​ = 22 kΩR1​ = 4,7 kΩVin​ = −0,7 V

El amplificador operacional es ideal y se alimenta con ±15 V. Halla la tensión de salida Vout.

Vin = −0,7 VR1 = 4,7 kΩRf = 22 kΩ
Vout = V
22.Circuitos con amplificador operacionalDifícil
−+Vout​C = 0,1 µFVin​ = −2,6 VR = 2,2 kΩ

El integrador usa un amplificador operacional ideal alimentado con ±15 V; su salida se satura en ±13 V. El condensador está descargado cuando se aplica una entrada constante Vin = −2,6 V en t = 0. Halla la tensión de salida Vout en t = 0,5 ms.

Vin = −2,6 VR = 2,2 kΩC = 0,1 µFVsat = ±13 Vt = 0,5 ms
Vout = V
23.Diodos y transistoresMedia
+−24 VR = ?4 × 2,2 V15 mA

4 LED de color verdes (tensión directa 2,2 V cada uno) se conectan en serie con una resistencia a una fuente de 24 V. Halla la resistencia R que fija la corriente en 15 mA.

Vs = 24 VVF = 2,2 Vn = 4I = 15 mA
R = Ω
24.Diodos y transistoresDifícil
+−≥ 9 VR = ?3,3 V≤ 25 mA

Un regulador Zener de 3,3 V debe suministrar hasta 25 mA a una carga. La entrada puede bajar a 9 V, y el Zener necesita al menos 2 mA para regular. Halla la mayor resistencia en serie Rmax con la que sigue regulando.

Vin,min = 9 VVZ = 3,3 VIL,max = 25 mAIZ,min = 2 mA
Rmax = Ω
25.Sistemas de numeraciónMedia
valores posicionales en complemento a dos1−12806413201618140201

El patrón de 8 bits 1010 1100 guarda un entero con signo en complemento a dos. ¿Cuál es su valor N en decimal?

1010 11008 bit
N =
26.Sistemas de numeraciónDifícil
2551 códigos, b = ? bits?2ᵇ⁻¹…?4?2?1

Un sistema debe dar a cada uno de 2551 elementos su propio código binario de la misma longitud. ¿Cuál es el menor número de bits b necesario?

2551
b = bit
27.Lógica digital: puertas, mapas K y biestablesMedia
ABCD000111100001111000110302140517161120130150141819011110

Usa el mapa de Karnaugh para hallar la forma mínima de suma de productos (SOP) de F(A, B, C, D) = Σm(1, 4, 6, 7, 8, 9, 10, 12). ¿Cuántos términos producto, N, tiene?

F(A, B, C, D) = Σm(1, 4, 6, 7, 8, 9, 10, 12)
N =
28.Lógica digital: puertas, mapas K y biestablesDifícil
DQ3​Q3​DQ2​Q2​DQ1​Q1​DQ0​Q0​CLKSHIFT

Un registro de desplazamiento de 4 bits Q₃Q₂Q₁Q₀ contiene 0010. En cada flanco de reloj los bits se desplazan una posición hacia la derecha (Q₃ → Q₂ → Q₁ → Q₀, Q₀ se pierde) y la entrada serie entra en Q₃. La entrada serie vale 1, 1, 0, 1, 1, 0, 1 en los flancos 7. Da el estado final Q = Q₃Q₂Q₁Q₀ como número decimal.

Q₃Q₂Q₁Q₀ = 00101, 1, 0, 1, 1, 0, 1
Q =
29.Transformadas de LaplaceMedia
ReIm−2−4−6−8−10−12−14−16

Halla f(t) para F(s) = (2s + 31)/(s² + 6s + 10) completando el cuadrado, y evalúa f(0,6).

F(s) = (2s + 31)/(s² + 6s + 10)t = 0,6 s
f(0.6) =
30.Transformadas de LaplaceDifícil
t (s)y(t)t = 0,4y(0,4) = ?

Un sistema cumple y″ + 5y′ + 6y = 6·u(t). Parte del reposo (y(0) = 0, y′(0) = 0) y la entrada es un escalón u(t) = 2 para t ≥ 0. Usa la transformada de Laplace para hallar la salida y(0,4).

y″ + 5y′ + 6y = 6·u(t)u(t) = 2y(0) = 0, y′(0) = 0t = 0,4 s
y(0.4) =
31.Diagramas de bloquesMedia
R(s)+3s + 4G(s)C(s)0,5H−

Una planta G(s) = 3/(s + 4) se controla en un lazo de realimentación negativa cuyo sensor tiene ganancia H = 0,5. Halla la constante de tiempo τ del lazo cerrado.

G(s) = 3/(s + 4)H = 0,5
τ = s
32.Diagramas de bloquesDifícil
R(s)+16s + 2G₁+4s + 3G₂C(s)1H₁−0,25H₂−

Reduce el diagrama de bloques con G₁ = 16/(s + 2), G₂ = 4/(s + 3), una realimentación negativa interna H₁ = 1 alrededor de G₂ y una realimentación negativa externa H₂ = 0,25. Halla la ganancia en continua T(0) de C(s)/R(s).

G₁ = 16/(s + 2)G₂ = 4/(s + 3)H₁ = 1H₂ = 0,25
T(0) =
33.Respuesta al escalónMedia
t (s)y(t)0,5

Un sistema tiene la función de transferencia G(s) = 35,5/(s² + 5s + 71) y recibe una entrada escalón unitario. Halla el factor de amortiguamiento ζ.

G(s) = 35,5/(s² + 5s + 71)
ζ =
34.Respuesta al escalónDifícil
k = 1000 N/mc = 18 N·s/mm = 8 kgF = 5 Nx(t)

Una masa m = 8 kg cuelga de un resorte k = 1000 N/m con un amortiguador viscoso c = 18 N·s/m (m·x″ + c·x′ + k·x = F). En reposo, en equilibrio, se aplica de repente una fuerza constante F = 5 N. Halla el factor de amortiguamiento ζ.

m = 8 kgk = 1000 N/mc = 18 N·s/mF = 5 N
ζ =
35.Diagramas de Bode y márgenesMedia
vin​C = 47 nFR = 1 kΩvout​

El filtro paso alto RC mostrado tiene R = 1 kΩ, C = 47 nF. Se aplica una entrada sinusoidal de 1,7 kHz. Halla la ganancia |H| = |vout/vin| en dB.

R = 1 kΩC = 47 nFf = 1,7 kHz
|H| = dB
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) = 388/(s(s + 8)(s + 9)). Halla el margen de ganancia GM en dB.

L(s) = 388/(s(s + 8)(s + 9))
GM = dB
37.Estabilidad: Routh–Hurwitz y lugar de las raícesMedia
R(s)+K1s(s + 2)(s + 10)C(s)−

El lazo del diagrama tiene la función de transferencia de lazo abierto L(s) = K/(s(s + 2)(s + 10)). 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 + 2)(s + 10))
ω = rad/s
38.Estabilidad: Routh–Hurwitz y lugar de las raícesDifícil
ReIm−2−4−6−8−10j2sb​

Se muestra el lugar de las raíces de L(s) = K/((s + 1)(s + 9)). 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 + 1)(s + 9))
K =
39.Error en régimen permanente y control PIDMedia
r(t) = 2t+Ks(s + 1)C(s)−

Un lazo con realimentación unitaria con G(s) = K/(s(s + 1)) debe seguir la rampa r(t) = 2t con un error en régimen permanente de 0,1. Halla la ganancia K.

G(s) = K/(s(s + 1))r(t) = 2tess = 0,1
K =
40.Error en régimen permanente y control PIDDifícil
R(s)+20 + Kd​s1s(s + 1)C(s)−

Un controlador PD C(s) = 20 + Kd·s controla la planta G(s) = 1/(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) = 1/(s(s + 1))Kp = 20ζ = 0,6
Kd = s

3Disoluciones

1.Resistencias en serie y en paralelo

Respuesta: IR2 = 2,242 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.

R1​ = 3 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​12 VR2​2 ΩAR4​5 ΩB

Combina las resistencias desde el extremo más lejano

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

R3 + R4 = 12 + 5 = 17 Ω
R2 ∥ 17 = 2·17/(2+17) = 1,789 Ω
Req = R1 + 1,789 = 3 + 1,789 = 4,789 Ω

Corriente de la fuente

La fuente solo ve Req, así que la ley de Ohm da la corriente que entrega. Esa corriente pasa por R₁.

IR1 = V1/Req = 12/4,789 = 2,505 A

Corriente por R₂

Resta la caída en R₁ para obtener la tensión en el nodo A, que es la tensión en R₂.

VA = V1 − IR1·R1 = 12 − 2,505·3 = 4,484 V
IR2 = VA/R2 = 4,484/2 = 2,242 A

Respuesta

IR2 = 2,242 A
2.Resistencias en serie y en paralelo

Respuesta: Req = 5,692 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​ = 2 ΩR3​ = 3 ΩR5​ = 10 Ω+−V1​5 VR2​5 ΩAR4​25 ΩBR6​10 Ω

Combina las resistencias desde el extremo más lejano

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

R5 + R6 = 10 + 10 = 20 Ω
R4 ∥ 20 = 11,11 Ω
R3 + 11,11 = 14,11 Ω
R2 ∥ 14,11 = 3,692 Ω
Req = R1 + 3,692 = 2 + 3,692 = 5,692 Ω

Respuesta

Req = 5,692 Ω
3.Análisis nodal

Respuesta: IR1 = 0,97 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.

R1​ = 4 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​10 VR2​12 ΩAR4​2 ΩBIs​2 A

Plantea los nodos

La tierra es el cable inferior. Las tensiones de nodo conocidas salen directamente de las fuentes (V1 = 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/R2 + (VA − V1)/R1 + (VA − VB)/R3 = 0
VA/12 + (VA − 10)/4 + (VA − VB)/20 = 0
0,3833·VA − 0,05·VB = 2,5

LCK en el nodo B

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

VB/R4 + (VB − VA)/R3 = Is
VB/2 + (VB − VA)/20 = (−2)
−0,05·VA + 0,55·VB = −2

Resuelve

Δ = (0,3833)(0,55) − (−0,05)(−0,05) = 0,2083
VA = Δ1/Δ = 1,275/0,2083 = 6,12 V
VB = Δ2/Δ = −0,6417/0,2083 = −3,08 V

Respuesta

IR1 = (V1 − VA)/R1 = (10 − 6,12)/4 = 0,97 A
4.Análisis nodal

Respuesta: Is = 5,2 A

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

LCK en el nodo A

VA es conocida, así que esta ecuación da VB.

(VA − V1)/R1 + VA/R2 + (VA − VB)/R3 = 0
(12,5 − 36)/20 + 12,5/8 = (VB − 12,5)/5
0,3875 = (VB − 12,5)/5 → VB = 14,44 V

LCK en el nodo B

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

Is = (VB − VA)/R3 + VB/R4 = (14,44 − 12,5)/5 + 14,44/3 = 5,2 A

Respuesta

Is = 5,2 A
5.Análisis de mallas

Respuesta: I2 = −0,4215 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​ = 15 ΩR2​ = 15 Ω+−V1​10 VR3​8 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
15·I1 + 8(I1 − I2) = 10
23·I1 − 8·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 + 8(I2 − I1) = (−12)
−8·I1 + 23·I2 = −12

Resuelve

Δ = (23)(23) − (−8)(−8) = 465
I1 = Δ1/Δ = 134/465 = 0,2882 A
I2 = Δ2/Δ = −196/465 = −0,4215 A

Respuesta

I2 = −0,4215 A

Una corriente de malla negativa circula en sentido antihorario.

6.Análisis de mallas

Respuesta: I1 = 1,505 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​ = 2 ΩR2​ = 20 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​10 VR4​5 ΩAR5​5 ΩB+−V2​10 VI1​I2​I3​

Asigna las corrientes de malla

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

LTK en la malla 1

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

R1·I1 + R4(I1 − I2) = V1
2·I1 + 5(I1 − I2) = 10
7·I1 − 5·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 + R4(I2 − I1) + R5(I2 − I3) = 0
20·I2 + 5(I2 − I1) + 5(I2 − I3) = 0
−5·I1 + 30·I2 − 5·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
6·I3 + 5(I3 − I2) = (−10)
−5·I2 + 11·I3 = −10

Resuelve

Δ = determinante de la matriz de coeficientes = 1860
I1 = Δ1/Δ = 2800/1860 = 1,505 A
I2 = Δ2/Δ = 200/1860 = 0,1075 A
I3 = Δ3/Δ = −1600/1860 = −0,8602 A

Respuesta

I1 = 1,505 A

Una corriente de malla negativa circula en sentido antihorario.

7.Superposición

Respuesta: Is = 3,636 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​ = 2 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​24 VR2​20 ΩAR4​6 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 = 20+6 = 26 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 20·26/(20+26) = 11,3 Ω
VA = 24·11,3/(2+11,3) = 20,39 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 20,39·6/26 = 4,706 V
IR3′ = (VA − VB)/R3 = (20,39 − 4,706)/20 = 0,7843 A

Caso 2 · Is actuando sola

V₁ pasa a ser un cortocircuito, así que R₁ ∥ R₂ queda entre A y tierra. Iₛ se reparte en B entre R₄ y el camino R₃ + R₁∥R₂; la parte por R₃ circula de B a A, en contra de la flecha.

R1 ∥ R2 = 1,818 Ω
IR3″ = −Is·R4/(R4 + R3 + R1∥R2) = −Is·6/27,82 = −0,2157·Is

Iguala el total a cero

IR3′ + IR3″ = 0,7843 − 0,2157·Is = 0
Is = 0,7843/0,2157 = 3,636 A

Respuesta

Is = 3,636 A
8.Superposición

Respuesta: V2 = 28,44 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​ = 25 ΩR2​ = 15 ΩR4​ = 6 Ω+−V1​9 VR3​6 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) = 6 ∥ 21 = 4,667 Ω
VA = 9·4,667/(25+4,667) = 1,416 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 1,416·6/21 = 0,4045 V
R1​ = 25 ΩR2​ = 15 ΩR4​ = 6 ΩCORTOR3​6 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 = 4,839 Ω, así que el camino de la izquierda es R2+4,839 = 19,84 Ω
Req = R4 ∥ 19,84 = 4,607 Ω
VB = −Is·Req = −6·4,607 = −27,64 V
VA = VB·4,839/19,84 = −6,742 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 = 4,839 Ω
VA‴ = V2·4,839/(6 + 15 + 4,839) = 0,1873·V2

Iguala VA a cero

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

VA′ + VA″ + VA‴ = 1,416 + (−6,742) + 0,1873·V2 = 0
V2 = 5,326/0,1873 = 28,44 V

Respuesta

V2 = 28,44 V
9.Thévenin y Norton

Respuesta: Vth = 6 V

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

R1​ = 10 ΩR3​ = 10 ΩCORTOR2​5 ΩAabRth​

Halla Rth con todas las fuentes apagadas

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

R1 ∥ R2 = 10·5/(10+5) = 3,333 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3,333 + 10 = 13,33 Ω
R1​ = 10 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​18 VR2​5 ΩAab+−Vth​

Halla Vth, la tensión en circuito abierto

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

Vth = V1·R2/(R1+R2) = 18·5/(10+5) = 6 V
10.Thévenin y Norton

Respuesta: IL = 1,618 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​ = 2 ΩR3​ = 25 ΩCORTOR2​2 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 = 2·2/(2+2) = 1 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1 + 25 = 26 Ω
R1​ = 2 ΩR3​ = 25 Ω+−V1​6 VR2​2 ΩAIs​2 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) = 3 + 2·1 = 5 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 5 + 2·25 = 55 V
Rth​ = 26 Ω+−Vth​55 VRL​8 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) = 55/(26 + 8) = 1,618 A
11.Transitorios RC y RL

Respuesta: vL = 2,231 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.

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 = 150 mH / 15 Ω = 10 ms
i(∞) = Vs/R = 10/15 = 0,6667 A

Tensión en la bobina

En t = 0 toda la tensión de alimentación aparece en la bobina; después cae a cero.

vL(t) = Vs·e−t/τ = 10·e−15/10 = 2,231 V

Respuesta

vL = 2,231 V
12.Transitorios RC y RL

Respuesta: vC = 7,848 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) = 6 V, vC(∞) = Vs = 10 V
τ = R·C = 2,2 kΩ · 220 µF = 484 ms
vC(t) = 10 + (6 − 10)·e−t/τ

Tensión en el instante dado

vC(300) = 10 + (−4)·e−300/484 = 7,848 V

Respuesta

vC = 7,848 V
13.Impedancia y fasores en alterna

Respuesta: φ = 62,36 °

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

XL = ωL = 2π·50·0,05 = 15,71 Ω

Corrientes de rama

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

IR = V/R = 12/30 = 0,4 A
IX = V/XL = 12/15,71 = 0,7639 A

Corriente total

La corriente de la resistencia está en fase con V y la corriente reactiva está desfasada 90°, así que se suman como los catetos de un triángulo rectángulo.

I = √(IR² + IX²) = √(0,4² + 0,7639²) = 0,8623 A

Ángulo de fase

La corriente de la bobina va retrasada respecto a V, así que la corriente total va retrasada y el ángulo es positivo.

φ = arctan(IX/IR) = arctan(0,7639/0,4) = 62,36°

Respuesta

φ = 62,36°
14.Impedancia y fasores en alterna

Respuesta: I = 0,3977 A

Circuitos de alterna con fasores: resistencias, bobinas y condensadores tienen impedancias R, jωL y 1/(jωC), con ω = 2πf. En serie, las impedancias se suman como resistencias, pero como números complejos. La corriente y la tensión eficaces siguen la ley de Ohm con |Z|.

Reactancias

ω = 2πf = 2π·60 = 377 rad/s
XL = ωL = 377·0,05 = 18,85 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(377·10·10⁻⁶) = 265,3 Ω

Impedancia

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

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(50² + (−246,4)²) = 251,4 Ω

Corriente

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

I = V/|Z| = 100/251,4 = 0,3977 A

Respuesta

I = 0,3977 A
15.Potencia en alterna y factor de potencia

Respuesta: S = 4069 VA

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

Corriente

|Z| = √(12² + 5²) = 13 Ω
I = V/|Z| = 230/13 = 17,69 A

Potencia aparente

S = V·I = 230·17,69 = 4069 VA

Respuesta

S = 4069 VA
16.Potencia en alterna y factor de potencia

Respuesta: C = 1388 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 = 25·tan(53,13°) = 33,33 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 25·tan(18,19°) = 8,217 kvar
QC = Q1 − Q2 = 25,12 kvar

Capacidad

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

C = QC/(2πf·V²) = 25116/(2π·50·240²) = 1388 µF

Respuesta

C = 1388 µF
17.Potencia trifásica

Respuesta: P = 6,845 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 = √3·208·20 = 7,205 kVA

Potencia activa

P = S·cos φ = 7,205·0,95 = 6,845 kW

Respuesta

P = 6,845 kW
18.Potencia trifásica

Respuesta: Cph = 189,1 µF

Sistemas trifásicos equilibrados: en una conexión en Y (estrella) la tensión de línea es √3 veces la tensión de fase, VL = √3·Vph, y la corriente de línea es igual a la corriente de fase. En una conexión en Δ (triángulo) la tensión de línea es igual a la tensión de fase y la corriente de línea es √3 veces la corriente de fase, IL = √3·Iph. La potencia total es tres veces la potencia de una fase: P = 3·Vph·Iph·cos φ = √3·VL·IL·cos φ. Corrección del factor de potencia: los condensadores aportan potencia reactiva en el propio punto, QC = P·(tan φ1 − tan φ2). Cada uno de los tres condensadores aporta QC/3 = V²·ω·C, donde V es la tensión en ese condensador: VL en una batería en triángulo, VL/√3 en una batería en estrella.

Potencia reactiva antes y después

La potencia activa no cambia, así que cada factor de potencia fija la potencia reactiva: Q = P·tan φ.

Q1 = 150·tan(acos 0,75) = 150·0,8819 = 132,3 kvar
Q2 = 150·tan(acos 0,98) = 150·0,2031 = 30,46 kvar

Potencia reactiva de los condensadores

QC = Q1 − Q2 = 101,8 kvar

Capacidad por fase

En una batería en triángulo cada condensador está conectado entre dos líneas.

V = 690 V, ω = 2π·60 = 377 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 33943/(377·690²) = 189,1 µF

Respuesta

Cph = 189,1 µF
19.Transformadores

Respuesta: I1 = 2,3 A

Transformador ideal: las tensiones están en la relación de las espiras y las corrientes en la relación inversa: V₁/V₂ = N₁/N₂ = a e I₁/I₂ = N₂/N₁ = 1/a, así que la potencia de entrada es igual a la de salida, V₁·I₁ = V₂·I₂. Una impedancia de carga Z en el secundario se ve como a²·Z desde el primario.

Tensión y corriente del secundario

V2 = 2300/10 = 230 V
I2 = 230/10 = 23 A

Corriente del primario

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

I1 = I2/10 = 2,3 A

Respuesta

I1 = 2,3 A

Comprobación: la carga vista desde el primario es a²·RL = 1000 Ω, y 2300/1000 da la misma corriente.

20.Transformadores

Respuesta: Ploss = 900 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.

Pérdidas en el cobre con esta carga

Pcu = x²·Pcu,fl = 0,25·1800 = 450 W

Pérdidas totales

Las pérdidas en el hierro son las mismas con cualquier carga.

Ploss = 450 + 450 = 900 W

Respuesta

Ploss = 900 W

El rendimiento con esta carga es η = 98,61%.

21.Circuitos con amplificador operacional

Respuesta: Vout = −3,977 V

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

La entrada inversora sigue a la entrada

V₋ = V₊ = −0,7 V
I = V₋/R1 = −0,7/4,7 = −0,1489 mA

Tensión de salida

La corriente de R₁ también pasa por Rf.

Vout = V₋ + I·Rf = −0,7 + (−0,1489)·22 = −3,977 V

Respuesta

Vout = −3,977 V
22.Circuitos con amplificador operacional

Respuesta: Vout = 5,909 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 = 2,2 kΩ · 0,1 µF = 0,22 ms
pendiente de la rampa = −Vin/(RC) = −(−2,6)/0,22 = 11,82 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) = −(−2,6)·0,5/0,22 = 5,909 V

Respuesta

Vout = 5,909 V
23.Diodos y transistores

Respuesta: R = 1013 Ω

Circuitos con LED y diodos: un LED polarizado en directa cae aproximadamente su tensión directa VF (unos 2 V para el rojo, 3 V para el azul o el blanco), sea cual sea la corriente. Una resistencia en serie fija la corriente: R = (Vs − n·VF)/I para n LED en serie. Con un modelo de diodo más exacto V = V₀ + I·rd, el punto de funcionamiento está donde la recta del diodo corta a la recta de carga I = (Vs − V)/R, así que I = (Vs − V₀)/(R + rd).

Tensión en la resistencia

VR = 24 − 4·2,2 = 15,2 V

Resistencia

R = 15,2/0,015 = 1013 Ω

Respuesta

R = 1013 Ω

La resistencia disipa 228 mW.

24.Diodos y transistores

Respuesta: Rmax = 211,1 Ω

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 en el peor caso

IR = 25 + 2 = 27 mA

Mayor resistencia

Rmax = 5,7/0,027 = 211,1 Ω

Respuesta

Rmax = 211,1 Ω
25.Sistemas de numeración

Respuesta: N = −84

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

Sumar los valores posicionales

Los demás bits conservan sus valores positivos normales.

−128 + 32 + 8 + 4 = −84

Respuesta

N = −84
26.Sistemas de numeración

Respuesta: b = 12 bit

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.

Potencias de dos

211 = 2048 < 2551
212 = 4096 ≥ 2551

Respuesta

b = 12
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.

ABCD000111100001111000110302140517161120130150141819011110

Agrupa los 1

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

B′C′D
BC′D′
AB′D′
A′BC

Forma SOP mínima

F = B′C′D + BC′D′ + AB′D′ + A′BC
N = 4

Respuesta

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

Respuesta: Q = 11

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.

Estado tras cada flanco

0010 → 1001 → 1100 → 0110 → 1011 → 1101 → 0110 → 1011

Valor decimal

1011₂ = 11

Respuesta

Q = 11
29.Transformadas de Laplace

Respuesta: f(0.6) = 2,606

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

Completar el cuadrado

s² + 6s + 10 = (s + 3)² + 1 = (s + 3)² + 1²

Igualar el numerador

F(s) = 2·(s + 3)/((s + 3)² + 1²) + (25/1)·1/((s + 3)² + 1²)

Transformada inversa

f(t) = e−3t·(2·cos 1t + 25·sin 1t)
f(0,6) = e−3·0,6·(2·cos(1·0,6) + 25·sin(1·0,6)) = 2,606

Respuesta

f(0,6) = 2,606
30.Transformadas de Laplace

Respuesta: y(0.4) = 0,5088

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

Y(s) = 12/(s(s + 2)(s + 3))

Fracciones parciales

A = 12/(2·3) = 2
B = 12/((−2)·1) = −6
C = 12/((−3)·(−1)) = 4

Pérdidas

y(t) = 2 − 6·e−2t + 4·e−3t
y(0,4) = 0,5088

Respuesta

y(0,4) = 0,5088
31.Diagramas de bloques

Respuesta: τ = 0,1818 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).

Función de transferencia en lazo cerrado

T(s) = G/(1 + G·H) = 3/(s + 4 + 1,5) = 3/(s + 5,5)

Resultado

τ = 1/5,5 = 0,1818 s

Respuesta

τ = 0,1818 s
32.Diagramas de bloques

Respuesta: T(0) = 2,133

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).

Lazo interno

Gᵢ = G₂/(1 + G₂H₁) = 4/(s + 7)

Lazo externo

T(s) = G₁Gᵢ/(1 + G₁GᵢH₂) = 64/((s + 2)(s + 7) + 16)

Ganancia en continua

T(0) = 64/(2·7 + 16) = 64/30 = 2,133

Respuesta

T(0) = 2,133
33.Respuesta al escalón

Respuesta: ζ = 0,2967

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 = 71 → ωₙ = 8,426 rad/s
2ζωₙ = 5 → ζ = 5/(2·8,426) = 0,2967

Resultado

ζ = 0,2967

Respuesta

ζ = 0,2967
34.Respuesta al escalón

Respuesta: ζ = 0,1006

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) = √(1000/8) = 11,18 rad/s
ζ = c/(2√(km)) = 18/(2·√(1000·8)) = 0,1006

Resultado

ζ = 0,1006

Respuesta

ζ = 0,1006
35.Diagramas de Bode y márgenes

Respuesta: |H| = −6,962 dB

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

Frecuencia de corte

ωc = 1/(RC) = 1/(1000·4,7 × 10⁻⁸) = 21277 rad/s
fc = 3386 Hz → f/fc = 1700/3386 = 0,502

Ganancia

|H| = 0,502/√(1 + 0,502²) = 0,4487
20·log₁₀(0,4487) = −6,962 dB

Respuesta

|H| = −6,962 dB
36.Diagramas de Bode y márgenes

Respuesta: GM = 9,979 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/8)·(ω/9) = 1 → ω180 = √(8·9) = 8,485 rad/s

Módulo en el cruce de fase

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 64)·√(ω² + 81)) = K/(8·9·(8 + 9)) = K/1224

Margen de ganancia

GM = 20·log₁₀(1224/388) = 9,979 dB

Respuesta

GM = 9,979 dB
37.Estabilidad: Routh–Hurwitz y lugar de las raíces

Respuesta: ω = 4,472 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 + 12s² + 20s + K = 0
s³: 1, 20
s²: 12, K
s¹: (12·20 − K)/12
s⁰: K

Ganancia crítica

K = 12·20 = 240

Ecuación auxiliar

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

12s² + 240 = 0 → s = ±j√20
ω = 4,472 rad/s

Respuesta

ω = 4,472 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 + 1)(s + 9) da 2s + 10 = 0.

sb = −5

Condición de módulo

K = |−5 + 1|·|−5 + 9| = 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: K = 20

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

Constante de velocidad requerida

Kv = A/ess = 2/0,1 = 20

Ganancia

K = 1·Kv = 20

Respuesta

K = 20

Una ganancia grande deja este lazo muy poco amortiguado: ζ = 0,1118. Ese conflicto es la razón de que se usen compensadores.

40.Error en régimen permanente y control PID

Respuesta: Kd = 4,367 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) + 1(20 + Kds) = s² + (1 + 1Kd)s + 20

Frecuencia natural

ωₙ = √20 = 4,472 rad/s

Ganancia derivativa

1 + 1Kd = 2·0,6·4,472 = 5,367
Kd = 4,367 s

Respuesta

Kd = 4,367 s

El término derivativo añade amortiguamiento sin cambiar ωₙ.

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