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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 resistencia equivalente Req que ve la fuente V1.
V1 = 15 VR1 = 10 ΩR2 = 6 ΩR3 = 10 ΩR4 = 8 Ω
Req = Ω
2.Resistencias en serie y en paraleloDifícil
Halla la resistencia equivalente Req que ve la fuente V1.
Hay tres ramas conectadas entre el nodo A y tierra, como se muestra. Usa el análisis nodal para hallar la corriente I2 en la rama 2, que sube hacia el nodo A en el sentido de la flecha.
V1 = 9 VR1 = 6 ΩV2 = 30 VR2 = 10 ΩR3 = 20 Ω
I2 = A
4.Análisis nodalDifícil
El rombo es una fuente de corriente controlada por tensión que inyecta una corriente de 0,4·VA (en A, con VA en V) hacia arriba al nodo B. Usa el análisis nodal para hallar la corriente IR4 por R4 en el sentido de la flecha.
Halla el valor de la fuente de corriente Is (con el sentido indicado) que hace nula la corriente IR3 por R3.
V1 = 12 VR1 = 8 ΩR2 = 8 ΩR3 = 10 ΩR4 = 5 Ω
Is = A
8.SuperposiciónDifícil
Un circuito resistivo lineal contiene tres fuentes independientes: V1, V2 y Is. La corriente I por una carga se mide tres veces. Con todas las fuentes en sus valores normales, I = 12,5 mA. Con V1 duplicada y las otras dos sin cambios, I = 16,5 mA. Con el sentido de Is invertido y las otras dos sin cambios, I = −0,5 mA. Halla la corriente de carga I cuando V2 está apagada y V1 y Is tienen sus valores normales.
normal: I = 12,5 mA2·V1: I = 16,5 mA−Is: I = −0,5 mA
I = mA
9.Thévenin y NortonMedia
Halla la tensión de Thévenin Vth vista desde los terminales a–b.
V1 = 6 VR1 = 6 ΩR2 = 8 ΩR3 = 6 Ω
Vth = V
10.Thévenin y NortonDifícil
Se conecta una carga RL = 25 Ω entre a–b. Usa un equivalente de Thévenin para hallar la potencia PL entregada a la carga.
La bobina no lleva corriente antes de que el interruptor se cierre en t = 0. Halla la tensión vL en la bobina en t = 20 ms.
Vs = 10 VR = 10 ΩL = 220 mHt = 20 ms
vL = V
12.Transitorios RC y RLDifícil
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 = 250 ms.
Vs = 5 VR = 6,8 kΩC = 100 µFvC(0) = 6 Vt = 250 ms
vC = V
13.Impedancia y fasores en alternaMedia
Un circuito RLC en serie con L = 2 mH debe resonar a 200 Hz. Halla la capacidad C necesaria.
f0 = 200 HzL = 2 mH
C = µF
14.Impedancia y fasores en alternaDifícil
Un circuito RLC en serie tiene R = 50 Ω, L = 2 mH y C = 0,022 µF. Halla su ancho de banda B (la anchura de la banda entre las frecuencias de media potencia), en Hz.
R = 50 ΩL = 2 mHC = 0,022 µF
B = Hz
15.Potencia en alterna y factor de potenciaMedia
Una carga inductiva consume 13,5 A y 1134 W de una alimentación monofásica de 120 V (eficaces). Modélala como una resistencia R en serie con una reactancia X. Halla R.
V = 120 VI = 13,5 AP = 1134 W
R = Ω
16.Potencia en alterna y factor de potenciaDifícil
Una carga monofásica consume 8 kW con un factor de potencia de 0,65 inductivo de una alimentación de 230 V y 60 Hz. Se conecta un condensador de 68 µF en paralelo con la carga. Halla el nuevo factor de potencia cos φ que ve la alimentación.
P = 8 kWpf1 = 0,65V = 230 Vf = 60 HzC = 68 µF
cos φ =
17.Potencia trifásicaMedia
Una carga trifásica equilibrada consume una corriente de línea de 10 A de una alimentación con una tensión de línea de 400 V. El factor de potencia es 0,92 inductivo. Halla la potencia activa total P que consume la carga en kW.
VL = 400 VIL = 10 Acos φ = 0,92
P = kW
18.Potencia trifásicaDifícil
Una carga trifásica equilibrada consume 80 kW con un factor de potencia de 0,7 inductivo de una alimentación de 400 V (de línea) y 60 Hz. Una batería trifásica de condensadores en paralelo con la carga debe elevar el factor de potencia total a 0,9 inductivo. La potencia activa no cambia. Halla la potencia reactiva total QC que debe aportar la batería de condensadores, en kvar.
P = 80 kWpf1 = 0,7pf2 = 0,9VL = 400 Vf = 60 Hz
QC = kvar
19.TransformadoresMedia
Un transformador monofásico de 100 kVA, 2400/240 V, funciona a su carga nominal. Considéralo ideal. Halla la corriente ILV en el devanado de baja tensión.
S = 100 kVAV1 = 2400 VV2 = 240 V
ILV = A
20.TransformadoresDifícil
Un transformador monofásico de 500 kVA tiene unas pérdidas en el hierro de 2500 W y unas pérdidas en el cobre de 6250 W a carga nominal. ¿Con qué carga Sη,max, en kVA, es máximo su rendimiento?
S = 500 kVAPcore = 2500 WPcu,fl = 6250 W
Sη,max = kVA
21.Circuitos con amplificador operacionalMedia
El amplificador diferencial usa un amplificador operacional ideal alimentado con ±15 V, con R3 = R1 y R4 = R2. Halla la tensión V− en la entrada inversora.
Un transistor NPN con β = 120 tiene polarización por divisor de tensión desde VCC = 20 V: R₁ = 47 kΩ de VCC a la base y R₂ = 6,8 kΩ de la base a tierra. La resistencia de colector es RC = 2,2 kΩ y la resistencia de emisor es RE = 1 kΩ. Toma VBE = 0,7 V y usa el equivalente de Thévenin del divisor (no desprecies la corriente de base). Halla la corriente de colector IC en mA.
Un regulador Zener de 3,3 V debe suministrar hasta 10 mA a una carga. La entrada puede bajar a 15 V, y el Zener necesita al menos 5 mA para regular. Halla la mayor resistencia en serie Rmax con la que sigue regulando.
El patrón de 8 bits 1010 1110 guarda un entero con signo en complemento a dos. ¿Cuál es su valor N en decimal?
1010 11108 bit
N =
26.Sistemas de numeraciónDifícil
Pon los bits al resultado de 8 bits de 1100 0100 XOR 0010 1111. ¿Cuál es el valor R del resultado en decimal?
1100 0100XOR0010 1111
R =
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, 1, 2, 3, 6, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14). ¿Cuántos términos producto, N, tiene?
28.Lógica digital: puertas, mapas K y biestablesDifícil
Un contador binario ascendente de 3 bits empieza en 3 (decimal, Q = 011). ¿Qué cuenta Q (en decimal) muestra tras 15 pulsos de reloj?
Q0 = 315n = 3
Q =
29.Transformadas de LaplaceMedia
Halla f(t) para F(s) = (4s + 7)/(s² + 10s + 25) y evalúa f(0,1).
F(s) = (4s + 7)/(s² + 10s + 25)t = 0,1 s
f(0.1) =
30.Transformadas de LaplaceDifícil
Resuelve y″ + 7y′ + 10y = 0 con y(0) = −4 y y′(0) = 14 usando la transformada de Laplace, y halla y(0,25).
y″ + 7y′ + 10y = 0y(0) = −4y′(0) = 14t = 0,25 s
y(0.25) =
31.Diagramas de bloquesMedia
Un lazo de realimentación negativa unitaria tiene G(s) = 5(s + 6)/((s + 4)(s + 9)). Se aplica un escalón de tamaño 10 en la referencia. Halla el error en régimen estacionario ess.
G(s) = 5(s + 6)/((s + 4)(s + 9))R = 10
ess =
32.Diagramas de bloquesDifícil
Un controlador proporcional K gobierna la planta G(s) = 5/(s + 7) en un lazo de realimentación negativa unitaria. Un escalón de perturbación de tamaño 1 entra a la entrada de la planta con R = 0. Halla la menor ganancia K que mantiene la salida en régimen estacionario en 0,03571 o menos.
G(s) = 5/(s + 7)D = 1css ≤ 0,03571
K =
33.Respuesta al escalónMedia
Un sistema tiene la función de transferencia G(s) = 21/(s² + 7s + 21) y recibe una entrada escalón unitario. Halla la frecuencia natural ωn en rad/s.
G(s) = 21/(s² + 7s + 21)
ωn = rad/s
34.Respuesta al escalónDifícil
Un lazo de realimentación negativa unitaria tiene G(s) = 40/(s(s + 2)). Halla el tiempo de establecimiento al 2 % ts de la respuesta al escalón en lazo cerrado, usando ts ≈ 4/(ζωₙ).
G(s) = 40/(s(s + 2))
ts = s
35.Diagramas de Bode y márgenesMedia
En el filtro paso banda RLC serie mostrado, la salida se toma en R = 20 Ω, con L = 10 mH y C = 1 µF. Halla el ancho de banda de −3 dB BW en Hz.
R = 20 ΩL = 10 mHC = 1 µF
BW = Hz
36.Diagramas de Bode y márgenesDifícil
Un lazo con realimentación unitaria tiene la función de transferencia en lazo abierto L(s) = 17/(s(s + 5)). Halla la frecuencia de cruce de ganancia ωc, donde |L(jω)| = 1.
L(s) = 17/(s(s + 5))
ωc = rad/s
37.Estabilidad: Routh–Hurwitz y lugar de las raícesMedia
El lazo del diagrama tiene realimentación negativa y L(s) = 270/(s(s + 4)(s + 5)). ¿Cuántos polos de lazo cerrado N están en el semiplano derecho?
L(s) = 270/(s(s + 4)(s + 5))
N =
38.Estabilidad: Routh–Hurwitz y lugar de las raícesDifícil
Un lazo con realimentación unitaria tiene L(s) = K(s + 3)/(s(s + 4)(s + 10)(s + 2)). Halla el punto σa donde las asíntotas del lugar de las raíces cortan el eje real.
L(s) = K(s + 3)/(s(s + 4)(s + 10)(s + 2))
σa =
39.Error en régimen permanente y control PIDMedia
Se aplica la entrada parabólica r(t) = 1·t²/2 a un lazo con realimentación unitaria con G(s) = 10(s + 2)/(s²(s + 5)). Halla el error en régimen permanente ess.
G(s) = 10(s + 2)/(s²(s + 5))r(t) = 1·t²/2
ess =
40.Error en régimen permanente y control PIDDifícil
Un controlador proporcional K = 50 controla la planta G(s) = 10/(s(s + 8)) en un lazo con realimentación unitaria. Halla el sobreimpulso porcentual %OS de la respuesta al escalón.
G(s) = 10/(s(s + 8))K = 50
%OS = %
3Disoluciones
1.Resistencias en serie y en paralelo
Respuesta: Req = 14,5 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.
R3 + R4 = 10 + 8 = 18 Ω
R2 ∥ 18 = 6·18/(6+18) = 4,5 Ω
Req = R1 + 4,5 = 10 + 4,5 = 14,5 Ω
Respuesta
Req = 14,5 Ω
2.Resistencias en serie y en paralelo
Respuesta: Req = 13,44 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 = 15 + 5 = 20 Ω
R4 ∥ 20 = 12 Ω
R3 + 12 = 17 Ω
R2 ∥ 17 = 5,44 Ω
Req = R1 + 5,44 = 8 + 5,44 = 13,44 Ω
Respuesta
Req = 13,44 Ω
3.Análisis nodal
Respuesta: I2 = 2,526 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
Toma el conductor inferior como tierra. Cada rama lleva (VA − Vk)/Rk saliendo de A, donde Vk es la tensión de su fuente (cero para una resistencia sola). Las corrientes que salen de A suman cero.
(VA − (−9))/6 + (VA − 30)/10 + VA/20 = 0
Despeja VA
VA = ((−9)/6 + 30/10 + 0/20) / (1/6 + 1/10 + 1/20) = 1,5/0,3167 = 4,737 V
Corriente de rama
La flecha apunta hacia arriba por la rama, hacia el nodo A.
I2 = (30 − VA)/R2 = (30 − 4,737)/10 = 2,526 A
Respuesta
I2 = 2,526 A
Un resultado negativo significa que la corriente real circula en contra de la flecha.
4.Análisis nodal
Respuesta: IR4 = 7,273 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
Las corrientes que salen de A por las resistencias son iguales a la corriente que las fuentes inyectan en A.
(VA − V1)/R1 + VA/R2 + (VA − VB)/R3 = 0
0,29·VA − 0,04·VB = 4
LCK en el nodo B
La fuente dependiente inyecta g·VA en el nodo B. Trátala como una fuente independiente y luego pasa el término en VA al lado izquierdo.
(VB − VA)/R3 + VB/R4 = 0,4·VA
−0,44·VA + 0,165·VB = 0
Resuelve
Δ = (0,29)(0,165) − (−0,04)(−0,44) = 0,03025
VA = Δ1/Δ = 0,66/0,03025 = 21,82 V
VB = Δ2/Δ = 1,76/0,03025 = 58,18 V
Corriente por R₄
IR4 = VB/R4 = 58,18/8 = 7,273 A
Respuesta
IR4 = 7,273 A
5.Análisis de mallas
Respuesta: IR2 = 0,125 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
2·I1 + 12(I1 − I2) = 9
14·I1 − 12·I2 = 9
LTK en la malla 2
Recorriendo en sentido horario, las caídas en las resistencias igualan a las subidas de tensión de las fuentes (de − a + en el sentido del recorrido).
R2·I2 + R3(I2 − I1) = −V2
12·I2 + 12(I2 − I1) = (−6)
−12·I1 + 24·I2 = −6
Resuelve
Δ = (14)(24) − (−12)(−12) = 192
I1 = Δ1/Δ = 144/192 = 0,75 A
I2 = Δ2/Δ = 24/192 = 0,125 A
Respuesta
IR2 = I2 = 0,125 A
Una corriente de malla negativa circula en sentido antihorario.
6.Análisis de mallas
Respuesta: VR4 = 3,931 V
Análisis de mallas: asigna a cada ventana de un circuito plano su propia corriente de lazo, escribe la ley de tensiones de Kirchhoff en cada lazo (suma de caídas = suma de subidas) y resuelve. Las corrientes de rama son la corriente de malla o la diferencia de dos corrientes de malla en una rama compartida.
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
12·I1 + 3(I1 − I2) = 18
15·I1 − 3·I2 = 18
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
10·I2 + 3(I2 − I1) + 6(I2 − I3) = 0
−3·I1 + 19·I2 − 6·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
30·I3 + 6(I3 − I2) = (−36)
−6·I2 + 36·I3 = −36
Resuelve
Δ = determinante de la matriz de coeficientes = 9396
I1 = Δ1/Δ = 11016/9396 = 1,172 A
I2 = Δ2/Δ = −1296/9396 = −0,1379 A
I3 = Δ3/Δ = −9612/9396 = −1,023 A
Respuesta
IR4 = I1 − I2 = 1,31 A
VR4 = IR4·R4 = 1,31·3 = 3,931 V
Una corriente de malla negativa circula en sentido antihorario.
7.Superposición
Respuesta: Is = 1,2 A
Superposición: en un circuito lineal, cualquier tensión o corriente es la suma de las respuestas a cada fuente independiente actuando sola. Para apagar una fuente, sustituye una fuente de tensión ideal por un cortocircuito y una fuente de corriente ideal por un circuito abierto. Las resistencias se quedan donde están.
Caso 1 · V1 actuando sola
Iₛ pasa a ser un circuito abierto, así que R₃ y R₄ forman una rama en serie de A a tierra, en paralelo con R₂.
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.
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 las medidas con las contribuciones
Cada contribución es proporcional a su propia fuente.
I₁ + I₂ + I₃ = 12,5
2·I₁ + I₂ + I₃ = 16,5
I₁ + I₂ − I₃ = −0,5
Despeja las contribuciones
I₁ = 16,5 − 12,5 = 4 mA
I₃ = (12,5 − (−0,5))/2 = 6,5 mA
I₂ = 12,5 − 4 − 6,5 = 2 mA
Apaga V₂
I = I₁ + I₃ = 4 + 6,5 = 10,5 mA
Respuesta
I = 10,5 mA
9.Thévenin y Norton
Respuesta: Vth = 3,429 V
Teorema de Thévenin: toda red lineal de dos terminales se comporta como una única fuente de tensión Vth en serie con una resistencia Rth. El teorema de Norton da la misma red como una fuente de corriente IN = Vth/Rth en paralelo con Rth.
Halla Rth con todas las fuentes apagadas
Sustituye las fuentes de tensión por cortocircuitos y las de corriente por circuitos abiertos, y mira el circuito desde a–b.
R1 ∥ R2 = 6·8/(6+8) = 3,429 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3,429 + 6 = 9,429 Ω
Halla Vth, la tensión en circuito abierto
Con a–b abiertos, no circula corriente por R₃, así que no hay caída en ella y V_b = V_A. R₁ y R₂ forman un divisor de tensión.
Vth = V1·R2/(R1+R2) = 6·8/(6+8) = 3,429 V
10.Thévenin y Norton
Respuesta: PL = 2,06 W
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 = 30·12/(30+12) = 8,571 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 8,571 + 5 = 13,57 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 + 0,5·8,571 = 8,571 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 8,571 + 0,5·5 = 11,07 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) = 11,07/(13,57 + 25) = 0,287 A
PL = IL²·RL = 0,287²·25 = 2,06 W
11.Transitorios RC y RL
Respuesta: vL = 4,029 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 = 220 mH / 10 Ω = 22 ms
i(∞) = Vs/R = 10/10 = 1 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−20/22 = 4,029 V
Respuesta
vL = 4,029 V
12.Transitorios RC y RL
Respuesta: vC = 5,692 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 = 5 V
τ = R·C = 6,8 kΩ · 100 µF = 680 ms
vC(t) = 5 + (6 − 5)·e−t/τ
Tensión en el instante dado
vC(250) = 5 + (1)·e−250/680 = 5,692 V
Respuesta
vC = 5,692 V
13.Impedancia y fasores en alterna
Respuesta: C = 316,6 µF
Circuitos de alterna con fasores: resistencias, bobinas y condensadores tienen impedancias R, jωL y 1/(jωC), con ω = 2πf. En serie, las impedancias se suman como resistencias, pero como números complejos. La corriente y la tensión eficaces siguen la ley de Ohm con |Z|.
Condición de resonancia
En resonancia, las reactancias inductiva y capacitiva se anulan: ωL = 1/(ωC).
ω₀ = 2π·200 = 1257 rad/s
C = 1/(ω₀²·L) = 1/(1257²·0,002) = 316,6 µF
Respuesta
C = 316,6 µF
14.Impedancia y fasores en alterna
Respuesta: B = 3979 Hz
Circuitos de alterna con fasores: resistencias, bobinas y condensadores tienen impedancias R, jωL y 1/(jωC), con ω = 2πf. En serie, las impedancias se suman como resistencias, pero como números complejos. La corriente y la tensión eficaces siguen la ley de Ohm con |Z|.
Frecuencia de resonancia
f0 = 1/(2π·√(0,002·0,022·10⁻⁶)) = 23994 Hz
Factor de calidad
Q compara la reactancia en resonancia con la resistencia: Q = ω₀L/R.
Potencia en alterna: la potencia aparente S = V·I (VA) se divide en potencia activa P = S·cos φ (W), que hace trabajo útil, y potencia reactiva Q = S·sin φ (var), que va y viene entre fuente y carga. El factor de potencia es cos φ. Un condensador en paralelo aporta potencia reactiva en el propio punto, así que la corriente de línea baja para la misma potencia activa.
Resistencia a partir de la potencia activa
R = P/I² = 1134/13,5² = 6,222 Ω
Respuesta
R = 6,222 Ω
16.Potencia en alterna y factor de potencia
Respuesta: cos φ = 0,7072
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 = 8·tan(arccos 0,65) = 9,353 kvar
QC = V²·2πf·C = 230²·2π·60·68·10⁻⁶ = 1356 var = 1,356 kvar
Q2 = 9,353 − 1,356 = 7,997 kvar
Nueva potencia aparente
S2 = √(8² + 7,997²) = 11,31 kVA
Nuevo factor de potencia
cos φ = P/S2 = 8/11,31 = 0,7072
Respuesta
cos φ = 0,7072
17.Potencia trifásica
Respuesta: P = 6,374 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 = √3·400·10 = 6,928 kVA
Potencia activa
P = S·cos φ = 6,928·0,92 = 6,374 kW
Respuesta
P = 6,374 kW
18.Potencia trifásica
Respuesta: QC = 42,87 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 = 80·tan(acos 0,7) = 80·1,02 = 81,62 kvar
Q2 = 80·tan(acos 0,9) = 80·0,4843 = 38,75 kvar
Potencia reactiva de los condensadores
QC = Q1 − Q2 = 42,87 kvar
Respuesta
QC = 42,87 kvar
19.Transformadores
Respuesta: ILV = 416,7 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.
ILV = S/V = 100000/240 = 416,7 A
Respuesta
ILV = 416,7 A
20.Transformadores
Respuesta: Sη,max = 316,2 kVA
Pérdidas del transformador: las pérdidas en el hierro (histéresis y corrientes de Foucault) dependen de la tensión y son las mismas con cualquier carga. Las pérdidas en el cobre de los devanados van con el cuadrado de la corriente, así que a una fracción x de la carga nominal valen x²·Pcu,fl. Rendimiento η = Pout/(Pout + Pcore + Pcu), con Pout = x·S·pf. El rendimiento es máximo con la carga a la que las pérdidas en el cobre igualan a las pérdidas en el hierro.
Pérdidas en el cobre iguales a las pérdidas en el hierro
x²·6250 = 2500 → x = √(2500/6250) = 0,6325
Carga de rendimiento máximo
Sη,max = x·S = 0,6325·500 = 316,2 kVA
Respuesta
Sη,max = 316,2 kVA
21.Circuitos con amplificador operacional
Respuesta: V− = −1,905 V
Reglas del amplificador operacional ideal: con realimentación negativa, el amplificador ajusta su salida para que sus dos entradas estén a la misma tensión (V₋ = V₊), y no entra corriente por ninguna entrada. Aplicar la LCK en la entrada inversora con estos dos hechos da la salida.
Tensión en las entradas
R₃ y R₄ conducen la misma corriente, así que forman un divisor de tensión; la realimentación hace que V₋ = V₊.
Reglas del amplificador operacional ideal: con realimentación negativa, el amplificador ajusta su salida para que sus dos entradas estén a la misma tensión (V₋ = V₊), y no entra corriente por ninguna entrada. Aplicar la LCK en la entrada inversora con estos dos hechos da la salida.
Corrientes de entrada
V₋ = 0, así que cada resistencia de entrada tiene toda su tensión de entrada.
I1 = V1/R1 = −0,3/4,7 = −0,06383 mA
I2 = V2/R2 = −1/100 = −0,01 mA
If = I1 + I2 = −0,07383 mA
Tensión de salida
Vout = −Rf·If = −4,7·(−0,07383) = 0,347 V
Respuesta
Vout = 0,347 V
23.Diodos y transistores
Respuesta: IC = 1,728 mA
Punto de trabajo del BJT: en la región activa VBE = 0,7 V, IC = β·IB e IE = (β + 1)·IB. Halla IB en la malla de base con la LTK, luego IC y luego VCE en la malla colector–emisor. Un divisor de tensión en la base se sustituye por su equivalente de Thévenin VTH = VCC·R₂/(R₁ + R₂), RTH = R₁∥R₂; una resistencia de emisor aparece (β + 1) veces mayor en la malla de base.
Equivalente de Thévenin del divisor
VTH = 20·6,8/(47 + 6,8) = 2,528 V
RTH = 47·6,8/(47 + 6,8) = 5,941 kΩ
Corriente de base
LTK en la malla de base; la corriente de emisor es (β + 1)·IB.
IB = (2,528 − 0,7)/(5,941 + 121·1) = 14,4 µA
Corriente de colector
IC = 120·14,4 µA = 1,728 mA
IE = 121·14,4 µA = 1,742 mA
Respuesta
IC = 1,728 mA
24.Diodos y transistores
Respuesta: Rmax = 780 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 = 10 + 5 = 15 mA
Mayor resistencia
Rmax = 11,7/0,015 = 780 Ω
Respuesta
Rmax = 780 Ω
25.Sistemas de numeración
Respuesta: N = −82
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 + 2 = −82
Respuesta
N = −82
26.Sistemas de numeración
Respuesta: R = 235
Poner bits: cada bit vale una potencia de dos (128, 64, …, 1). Un dígito hexadecimal son exactamente cuatro bits, y en complemento a dos de 8 bits el bit de más a la izquierda vale −128. Las operaciones bit a bit actúan sobre cada posición de bit por separado.
Bit a bit
XOR da 1 donde los dos bits son distintos.
1100 0100
XOR 0010 1111
= 1110 1011
Valor del resultado
1110 1011₂ = 235
Respuesta
R = 235
27.Lógica digital: puertas, mapas K y biestables
Respuesta: N = 3
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.
CD′
B′
AC′
Forma SOP mínima
F = CD′ + B′ + AC′
N = 3
Respuesta
N = 3
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 8 pulsos devuelven el contador al mismo estado.
15 = 1·8 + 7
Cuenta tras los pulsos restantes
Q = (3 + 7) mod 8 = 2
Q = 010₂
Respuesta
Q = 2
29.Transformadas de Laplace
Respuesta: f(0.1) = 1,638
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
4s + 7 = 4(s + 5) + −13
F(s) = 4/(s + 5) − 13/(s + 5)²
Transformada inversa
f(t) = 4·e−5t − 13·t·e−5t
f(0,1) = (4 − 13·0,1)·e−5·0,1 = 1,638
Respuesta
f(0,1) = 1,638
30.Transformadas de Laplace
Respuesta: y(0.25) = −1,786
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
s²Y − (−4)s − 14 + 7(sY − (−4)) + 10Y = 0
Y(s) = (−4s − 14)/((s + 2)(s + 5))
Fracciones parciales
A = −6/3 = −2
B = 6/(−3) = −2
Resultado
y(t) = −2·e−2t − 2·e−5t
y(0,25) = −1,786
Respuesta
y(0,25) = −1,786
Comprueba: y(0) = A + B = −4.
31.Diagramas de bloques
Respuesta: ess = 5,455
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).
Constante de error de posición
Kₚ = G(0) = 5·6/(4·9) = 0,8333
Error en régimen estacionario
ess = A/(1 + Kₚ) = 10/(1 + 0,8333) = 5,455
Respuesta
ess = 5,455
32.Diagramas de bloques
Respuesta: K = 26,6
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).
Respuesta a la perturbación
css = D·G(0)/(1 + K·G(0)) = 1·5/(7 + 5K)
Resolver para K
7 + 5K = 1·5/0,03571 = 140
K = (140 − 7)/5 = 26,6
Respuesta
K = 26,6
33.Respuesta al escalón
Respuesta: ωn = 4,583 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).
Compara con la forma estándar
El denominador debe coincidir con s² + 2ζωₙs + ωₙ².
ωₙ² = 21 → ωₙ = 4,583 rad/s
2ζωₙ = 7 → ζ = 7/(2·4,583) = 0,7638
Resultado
ωₙ = 4,583 rad/s
Respuesta
ωn = 4,583 rad/s
34.Respuesta al escalón
Respuesta: ts = 4 s
Respuesta al escalón: un sistema de primer orden G(s) = K/(τs + 1) responde a un escalón de tamaño U con y(t) = K·U·(1 − e−t/τ): alcanza el 63,2 % del valor final K·U después de una constante de tiempo τ y el 98 % después de 4τ. Un sistema de segundo orden G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) tiene los polos s = −ζωₙ ± jωd con ωd = ωₙ√(1 − ζ²). Para 0 < ζ < 1 la respuesta al escalón tiene sobreimpulso: sobreimpulso porcentual %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), tiempo de pico tp = π/ωd y tiempo de establecimiento al 2 % ts ≈ 4/(ζωₙ). Compara el denominador con s² + 2ζωₙs + ωₙ² para obtener ωₙ y ζ. Para un sistema masa–resorte–amortiguador ωₙ = √(k/m) y ζ = c/(2√(km)); para un circuito RLC serie ωₙ = 1/√(LC) y ζ = (R/2)·√(C/L).
Para este lazo ζωₙ = a/2 sea cual sea K: aumentar K añade sobreimpulso pero no acorta el tiempo de establecimiento.
35.Diagramas de Bode y márgenes
Respuesta: BW = 318,3 Hz
Respuesta en frecuencia: sustituye s = jω en la función de transferencia. El módulo en decibelios es 20·log₁₀|H(jω)| y la fase es la suma de los ángulos de los factores del numerador menos los del denominador. Un filtro RC o RL de primer orden tiene su frecuencia de corte (−3 dB) en ωc = 1/(RC) o R/L, y fc = ωc/(2π); un filtro paso bajo da |H| = 1/√(1 + (ω/ωc)²) y φ = −atan(ω/ωc). En el diagrama de Bode asintótico (de rectas) cada polo hace bajar el módulo 20 dB/década en su frecuencia de esquina, cada cero lo hace subir 20 dB/década, y un integrador 1/s da −20 dB/década en todas las frecuencias. Cruce de ganancia ωc: |L(jω)| = 1 (0 dB); margen de fase MF = 180° + ∠L(jωc). Cruce de fase ω180: ∠L(jω) = −180°; margen de ganancia MG = −20·log₁₀|L(jω180)| dB. El lazo cerrado es estable cuando ambos márgenes son positivos.
Frecuencia de resonancia
ω₀ = 1/√(LC) = 1/√(0,01·1 × 10⁻⁶) = 10000 rad/s
f₀ = ω₀/(2π) = 1592 Hz
Ancho de banda
BW = R/L = 20/0,01 = 2000 rad/s = 318,3 Hz
Respuesta
BW = 318,3 Hz
36.Diagramas de Bode y márgenes
Respuesta: ωc = 2,933 rad/s
Respuesta en frecuencia: sustituye s = jω en la función de transferencia. El módulo en decibelios es 20·log₁₀|H(jω)| y la fase es la suma de los ángulos de los factores del numerador menos los del denominador. Un filtro RC o RL de primer orden tiene su frecuencia de corte (−3 dB) en ωc = 1/(RC) o R/L, y fc = ωc/(2π); un filtro paso bajo da |H| = 1/√(1 + (ω/ωc)²) y φ = −atan(ω/ωc). En el diagrama de Bode asintótico (de rectas) cada polo hace bajar el módulo 20 dB/década en su frecuencia de esquina, cada cero lo hace subir 20 dB/década, y un integrador 1/s da −20 dB/década en todas las frecuencias. Cruce de ganancia ωc: |L(jω)| = 1 (0 dB); margen de fase MF = 180° + ∠L(jωc). Cruce de fase ω180: ∠L(jω) = −180°; margen de ganancia MG = −20·log₁₀|L(jω180)| dB. El lazo cerrado es estable cuando ambos márgenes son positivos.
Cruce de ganancia
ω⁴ + 25ω² − 289 = 0
ω² = (−25 + √(625 + 4·289))/2 = 8,601
ωc = 2,933 rad/s
Respuesta
ωc = 2,933 rad/s
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 + 9s² + 20s + 270 = 0
Tabla de Routh
s³: 1, 20
s²: 9, 270
s¹: −10
s⁰: 270
Cambios de signo en la primera columna
1 → 9 → −10 → 270
N = 2
Respuesta
N = 2
La ganancia supera el límite K = 180, así que un par complejo ha cruzado al semiplano derecho.
38.Estabilidad: Routh–Hurwitz y lugar de las raíces
Respuesta: σa = −4,333
Lugar de las raíces: cuando la ganancia K va de 0 a ∞, los polos de lazo cerrado, las raíces de 1 + K·G(s) = 0, se desplazan desde los polos de lazo abierto hasta los ceros de lazo abierto o hasta el infinito. Un punto del eje real pertenece al lugar cuando el número de polos y ceros reales situados a su derecha es impar. Las n − m ramas que van al infinito siguen asíntotas con los ángulos (2q + 1)·180°/(n − m), que parten del centroide σₐ = (Σ polos − Σ ceros)/(n − m). Las ramas salen del eje real o se unen a él donde dK/ds = 0. La condición de ángulo ∠G(s) = 180° fija la forma, y la condición de módulo K = 1/|G(s)| da la ganancia en cualquier punto del lugar.
Polos y ceros
polos: 0, −4, −10, −2
ceros: −3
n − m = 4 − 1 = 3
Centroide
σa = (−16 − (−3))/3 = −4,333
Respuesta
σa = −4,333
Las 3 asíntotas parten del centroide con ángulos de 60°, 180°, 300°.
39.Error en régimen permanente y control PID
Respuesta: ess = 0,25
Error en régimen permanente: en un lazo con realimentación unitaria y función de transferencia de lazo abierto G(s) el error es E(s) = R(s)/(1 + G(s)), y por el teorema del valor final ess = lims→0 s·E(s). El tipo del sistema es el número de polos de G(s) en s = 0. Las constantes de error son Kp = lim G(s), Kv = lim s·G(s) y Ka = lim s²·G(s), todas para s → 0. Un escalón de tamaño A da ess = A/(1 + Kp), una rampa A·t da A/Kv y una parábola A·t²/2 da A/Ka. Un lazo de tipo 0 sigue un escalón con un error finito, un lazo de tipo 1 lo sigue exactamente y sigue una rampa con un error finito.
Constante de aceleración
Ka = 10·2/5 = 4
Error ante parábola
ess = 1/4 = 0,25
Respuesta
ess = 0,25
40.Error en régimen permanente y control PID
Respuesta: %OS = 56,48 %
Control P, PI y PID: el controlador C(s) = Kp + Ki/s + Kd·s actúa sobre el error. Una ganancia proporcional hace el lazo más rápido y reduce el error de una planta de tipo 0, pero nunca lo elimina. El término integral añade un polo en s = 0: el tipo del sistema sube una unidad y un escalón se sigue sin error. El término derivativo añade amortiguamiento. Para elegir las ganancias, escribe el polinomio característico de lazo cerrado y compáralo con s² + 2ζωns + ωn². Entonces %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), tp = π/ωd con ωd = ωn√(1 − ζ²), y ts ≈ 4/(ζωn).
Polinomio característico
s(s + 8) + 50·10 = s² + 8s + 500
ωₙ y ζ
ωₙ = √500 = 22,36 rad/s
ζ = 8/(2·22,36) = 0,1789
Sobreimpulso
%OS = 100·e−0,1789π/√(1 − 0,1789²) = 56,48 %
Respuesta
%OS = 56,48 %
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