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​ = 10 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​15 VR2​6 ΩAR4​8 ΩB

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
R1​ = 8 ΩR3​ = 5 ΩR5​ = 15 Ω+−V1​6 VR2​8 ΩAR4​30 ΩBR6​5 Ω

Halla la resistencia equivalente Req que ve la fuente V1.

V1 = 6 VR1 = 8 ΩR2 = 8 ΩR3 = 5 ΩR4 = 30 ΩR5 = 15 ΩR6 = 5 Ω
Req = Ω
3.Análisis nodalMedia
R1​6 Ω−+V1​9 VR2​10 Ω+−V2​30 VI2​R3​20 ΩA

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
R1​ = 6 ΩR3​ = 25 Ω+−V1​24 VR2​12 ΩAR4​8 ΩIR4​B0,4·VA​

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.

V1 = 24 VR1 = 6 ΩR2 = 12 ΩR3 = 25 ΩR4 = 8 Ωg = 0,4 A/V
IR4 = A
5.Análisis de mallasMedia
R1​ = 2 ΩR2​ = 12 ΩIR2​+−V1​9 VR3​12 ΩA+−V2​6 VI1​I2​

Usa el análisis de mallas para hallar la corriente IR2 por R2 en el sentido de la flecha.

V1 = 9 VV2 = 6 VR1 = 2 ΩR2 = 12 ΩR3 = 12 Ω
IR2 = A
6.Análisis de mallasDifícil
R1​ = 12 ΩR2​ = 10 ΩR3​ = 30 Ω+−V1​18 VR4​3 Ω+−VR4​AR5​6 ΩB+−V2​36 VI1​I2​I3​

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

V1 = 18 VV2 = 36 VR1 = 12 ΩR2 = 10 ΩR3 = 30 ΩR4 = 3 ΩR5 = 6 Ω
VR4 = V
7.SuperposiciónMedia
R1​ = 8 ΩR3​ = 10 ΩIR3​+−V1​12 VR2​8 ΩAR4​5 ΩBIs​?

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
circuito linealV1​V2​Is​IRL​

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
R1​ = 6 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​6 VR2​8 ΩAab

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
R1​ = 30 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​15 VR2​12 ΩAIs​0,5 ABRL​25 ΩIL​

Se conecta una carga RL = 25 Ω entre a–b. Usa un equivalente de Thévenin para hallar la potencia PL entregada a la carga.

V1 = 15 VIs = 0,5 AR1 = 30 ΩR2 = 12 ΩR3 = 5 ΩRL = 25 Ω
PL = W
11.Transitorios RC y RLMedia
+−Vs​10 Vt = 0R = 10 ΩL220 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 = 20 ms.

Vs = 10 VR = 10 ΩL = 220 mHt = 20 ms
vL = V
12.Transitorios RC y RLDifícil
+−Vs​5 Vt = 0R = 6,8 kΩC100 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 = 250 ms.

Vs = 5 VR = 6,8 kΩC = 100 µFvC(0) = 6 Vt = 250 ms
vC = V
13.Impedancia y fasores en alternaMedia
Vf0​ = 200 HzRL = 2 mHC = ?

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
VfR = 50 ΩL = 2 mHC = 0,022 µF

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
120 VR + jXP = 1134 W13,5 A

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
230 V60 Hzcarga8 kW, 0,65C68 µFI

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
ABCVL​ = 400 VIL​ = 10 Acos φ = 0,92inductivo

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
P = 80 kWφ1​S1​Q2​QC​ = ?

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
2400 V240 VIHV​ILV​ = ?100 kVA

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
500 kVA

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
−+Vout​R2​ = 100 kΩV1​ = 1,6 VR1​ = 47 kΩV2​ = −2,8 VR3​ = 47 kΩR4​ = 100 kΩ

El amplificador diferencial usa un amplificador operacional ideal alimentado con ±15 V, con R3 = R1 y R4 = R2. Halla la tensión V− en la entrada inversora.

V1 = 1,6 VV2 = −2,8 VR1 = R3 = 47 kΩR2 = R4 = 100 kΩ
V− = V
22.Circuitos con amplificador operacionalDifícil
−+Vout​Rf​ = 4,7 kΩV1​ = −0,3 VR1​ = 4,7 kΩV2​ = −1 VR2​ = 100 kΩ

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

V1 = −0,3 VV2 = −1 VR1 = 4,7 kΩR2 = 100 kΩRf = 4,7 kΩ
Vout = V
23.Diodos y transistoresMedia
RC​ = 2,2 kΩβ = 120IC​ = ?RE​ = 1 kΩVCC​ = 20 VR1​ = 47 kΩR2​ = 6,8 kΩ

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.

VCC = 20 VR1 = 47 kΩR2 = 6,8 kΩRC = 2,2 kΩRE = 1 kΩβ = 120
IC = mA
24.Diodos y transistoresDifícil
+−≥ 15 VR = ?3,3 V≤ 10 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.

Vin,min = 15 VVZ = 3,3 VIL,max = 10 mAIZ,min = 5 mA
Rmax = Ω
25.Sistemas de numeraciónMedia
valores posicionales en complemento a dos1−12806413201618141201

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
haz clic en los bits para ponerlos012806403201608040201

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
ABCD000111100001111010111312040507161121130151141819111110

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?

F(A, B, C, D) = Σm(0, 1, 2, 3, 6, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14)
N =
28.Lógica digital: puertas, mapas K y biestablesDifícil
TQ0​Q0​TQ1​Q1​TQ2​Q2​CLKUP

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
t (s)f(t)t = 0,1f(0,1) = ?

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
t (s)y(t)t = 0,25y(0,25) = ?

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
R(s)+5(s + 6)(s + 4)(s + 9)G(s)C(s)−

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
R(s)+Kcontrolador+D(s)+5s + 7plantaC(s)−

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
t (s)y(t)1

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
R(s)+40s(s + 2)G(s)C(s)−

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
vin​L = 10 mHC = 1 µFR = 20 Ωvout​

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
|H| (dB)0,10,1111010100100−60−40−2002040ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−180−135−90−450ωc​ = ?

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
R(s)+2701s(s + 4)(s + 5)C(s)−

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
ReIm−2−4−6−8−10−12j2

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
r(t) = 1·t²/2+10(s + 2)s²(s + 5)C(s)−

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
R(s)+K = 5010s(s + 8)C(s)−

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.

R1​ = 10 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​15 VR2​6 ΩAR4​8 ΩB

Combina las resistencias desde el extremo más lejano

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

R3 + R4 = 10 + 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.

R1​ = 8 ΩR3​ = 5 ΩR5​ = 15 Ω+−V1​6 VR2​8 ΩAR4​30 ΩBR6​5 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 = 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.

R1​ = 2 ΩR2​ = 12 Ω+−V1​9 VR3​12 ΩA+−V2​6 VI1​I2​

Asigna las corrientes de malla

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

LTK en la malla 1

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

R1·I1 + R3(I1 − I2) = V1
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.

R1​ = 12 ΩR2​ = 10 ΩR3​ = 30 Ω+−V1​18 VR4​3 ΩAR5​6 ΩB+−V2​36 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
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.

R1​ = 8 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​12 VR2​8 ΩAR4​5 ΩBABIERTO

Caso 1 · V1 actuando sola

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

R3+R4 = 10+5 = 15 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 8·15/(8+15) = 5,217 Ω
VA = 12·5,217/(8+5,217) = 4,737 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 4,737·5/15 = 1,579 V
IR3′ = (VA − VB)/R3 = (4,737 − 1,579)/10 = 0,3158 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 = 4 Ω
IR3″ = −Is·R4/(R4 + R3 + R1∥R2) = −Is·5/19 = −0,2632·Is

Iguala el total a cero

IR3′ + IR3″ = 0,3158 − 0,2632·Is = 0
Is = 0,3158/0,2632 = 1,2 A

Respuesta

Is = 1,2 A
8.Superposición

Respuesta: I = 10,5 mA

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

Escribe 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.

R1​ = 6 ΩR3​ = 6 ΩCORTOR2​8 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 = 6·8/(6+8) = 3,429 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3,429 + 6 = 9,429 Ω
R1​ = 6 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​6 VR2​8 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) = 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.

R1​ = 30 ΩR3​ = 5 ΩCORTOR2​12 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 = 30·12/(30+12) = 8,571 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 8,571 + 5 = 13,57 Ω
R1​ = 30 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​15 VR2​12 ΩAIs​0,5 ABab+−Vth​

Halla Vth, la tensión en circuito abierto

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

VA = V1·R2/(R1+R2) + Is·(R1∥R2) = 4,286 + 0,5·8,571 = 8,571 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 8,571 + 0,5·5 = 11,07 V
Rth​ = 13,57 Ω+−Vth​11,07 VRL​25 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) = 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.

Q = (1/R)·√(L/C) = (1/50)·√(0,002/(0,022·10⁻⁶)) = 6,03

Ancho de banda

B = f0/Q = 23994/6,03 = 3979 Hz

Respuesta

B = 3979 Hz
15.Potencia en alterna y factor de potencia

Respuesta: R = 6,222 Ω

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₊.

V₊ = V2·R4/(R3 + R4) = −2,8·100/(47 + 100) = −1,905 V
V₋ = V₊

Respuesta

V− = −1,905 V
22.Circuitos con amplificador operacional

Respuesta: Vout = 0,347 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.

ABCD000111100001111010111312040507161121130151141819111110

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).

Función de transferencia en lazo cerrado

T(s) = 40/(s² + 2s + 40): ωₙ = 6,325 rad/s, ζ = 0,1581

Tiempo de establecimiento

ζωₙ = 2/2 = 1
ts ≈ 4/(ζωₙ) = 4 s

Respuesta

ts = 4 s

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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