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1Fórmulas y métodos
Resistencias en serie y en paralelo
Resistencias en serie
Req = R1 + R2 + …
Resistencias en paralelo
1/Req = 1/R1 + 1/R2 + …
Dos en paralelo
Req = R1R2 / (R1 + R2)
Ley de Ohm
V = I·R
Potencia
P = V·I = I²R = V²/R
Método
Empieza por el extremo de la red más alejado de los terminales.
Combina las resistencias en serie sumándolas, y las resistencias en paralelo con 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …
Vuelve a dibujar el circuito después de cada paso.
Repite hasta que quede una sola resistencia entre los terminales.
Análisis nodal
Ley de corrientes de Kirchhoff
ΣIin = ΣIout
Corriente de rama
I = (Va − Vb)/R
Nodo de referencia
Vground = 0
Método
Elige un nudo de referencia (tierra) y nombra las tensiones de los demás nudos.
Aplica la ley de corrientes de Kirchhoff en cada nudo desconocido: las corrientes que salen por cada rama igualan a las que entran.
Expresa cada corriente de rama como (Va − Vb)/R.
Resuelve el sistema de ecuaciones y luego halla la corriente que necesites.
Análisis de mallas
Ley de tensiones de Kirchhoff
ΣV = 0 en cada malla
Resistencia compartida
corriente = I1 − I2
Fuente de corriente en una malla
fija esa corriente de malla
Método
Dibuja una corriente en sentido horario en cada malla (ventana) del circuito.
Aplica la ley de tensiones de Kirchhoff en cada malla: la suma de las caídas de tensión es cero.
En una resistencia compartida por dos mallas, la corriente es la diferencia de las dos corrientes de malla.
Resuelve las ecuaciones; un resultado negativo significa que la corriente circula en sentido contrario.
Superposición
Superposición
x = x1 + x2 + … (one source at a time)
Fuente de tensión apagada
cortocircuito (0 V)
Fuente de corriente apagada
circuito abierto (0 A)
Divisor de tensión
V2 = V·R2/(R1 + R2)
Divisor de corriente
I1 = I·R2/(R1 + R2)
Método
Cuenta las fuentes independientes. Resolverás un circuito más sencillo por cada fuente.
Deja una fuente y anula las demás: una fuente de tensión se convierte en un cortocircuito (un cable) y una fuente de corriente en un circuito abierto (un hueco).
Resuelve el circuito más sencillo para la tensión o corriente que necesitas, sin perder de vista su sentido.
Repite con cada fuente y luego suma las contribuciones con sus signos.
Thévenin y Norton
Tensión de Thévenin
Vth = Vopen circuit
Resistencia de Thévenin
Rth: todas las fuentes apagadas, vista desde a–b
Corriente de Norton
IN = Vth/Rth
Corriente en la carga
IL = Vth/(Rth + RL)
Máxima transferencia de potencia
RL = Rth, Pmax = Vth²/(4Rth)
Método
Quita la carga y marca los dos terminales a y b.
Halla la tensión en circuito abierto entre a y b: es Vth.
Anula todas las fuentes independientes y halla la resistencia vista desde a–b: es Rth.
Vuelve a conectar la carga al circuito equivalente: Vth en serie con Rth.
Para el equivalente de Norton, convierte: IN = Vth/Rth, con RN = Rth en paralelo.
Transitorios RC y RL
Constante de tiempo
τ = RC | τ = L/R
Respuesta
x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ
Condensador en continua
circuito abierto; vC no puede saltar
Bobina en continua
cortocircuito; iL no puede saltar
Régimen permanente
t ≈ 5τ
Método
Halla el valor inicial justo después de la conmutación: la tensión de un condensador y la corriente de una bobina no pueden variar bruscamente.
Halla el valor final mucho después de la conmutación: un condensador se comporta como un circuito abierto y una bobina como un cortocircuito.
Halla la constante de tiempo: τ = RC o τ = L/R, usando la resistencia que ve el condensador o la bobina.
Usa x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ.
Impedancia y fasores en alterna
Impedancias
ZR = R, ZL = jωL, ZC = 1/(jωC)
Frecuencia angular
ω = 2πf
Módulo y ángulo
|Z| = √(R² + X²), φ = atan(X/R)
Ley de Ohm con fasores
V = I·Z
Método
Convierte la frecuencia: ω = 2πf.
Halla cada reactancia: XL = ωL y XC = 1/(ωC).
Suma las impedancias como resistencias, con Z = R + jX.
Halla el módulo |Z| = √(R² + X²) y el ángulo φ = atan(X/R), y luego aplica la ley de Ohm con fasores.
Potencia en alterna y factor de potencia
Potencia activa
P = V·I·cos φ
Potencia reactiva
Q = V·I·sin φ
Potencia aparente
S = V·I = √(P² + Q²)
Factor de potencia
pf = cos φ = P/S
Condensador de compensación
QC = P(tan φ1 − tan φ2), C = QC/(ωV²)
Potencia trifásica
Conexión en estrella (Y)
VL = √3·Vph, IL = Iph
Conexión en triángulo (Δ)
VL = Vph, IL = √3·Iph
Potencia activa total
P = √3·VL·IL·cos φ = 3·Iph²·R
Potencia aparente y reactiva
S = √3·VL·IL, Q = P·tan φ
Condensadores de compensación
QC = P(tan φ1 − tan φ2), C = QC/(3ωV²)
Tensión en cada condensador
Δ: VL Y: VL/√3
Potencia absorbida por el motor
Pin = Pout/η
Transformadores
Relación de transformación
a = N1/N2 = V1/V2
Relación de corrientes
I1/I2 = N2/N1 = 1/a
Corriente nominal
I = S/V
Impedancia referida
Z1′ = a²·ZL
Pérdidas en el cobre a carga parcial
Pcu = x²·Pcu,fl
Rendimiento
η = x·S·pf/(x·S·pf + Pcore + x²·Pcu,fl)
Rendimiento máximo
x = √(Pcore/Pcu,fl)
Circuitos con amplificador operacional
Amplificador inversor
Vout = −(Rf/Rin)·Vin
Amplificador no inversor
Vout = (1 + Rf/R1)·Vin
Amplificador sumador
Vout = −Rf(V1/R1 + V2/R2)
Amplificador operacional ideal
V+ = V−, Iin = 0
Diodos y transistores
Diodo (caída constante)
VD = 0,7 V when conducting
Región activa
VBE = 0,7 V, IC = β·IB, IE = (β + 1)·IB
Polarización fija
IB = (VCC − 0,7)/RB
Polarización por divisor de tensión
IB = (VTH − 0,7)/(RTH + (β + 1)RE)
Thévenin del divisor
VTH = VCC·R2/(R1 + R2), RTH = R1∥R2
Malla de colector
VCE = VCC − ICRC − IERE
Saturación
IC(sat) = (VCC − VCE(sat))/RC, IB ≥ IC(sat)/β
Sistemas de numeración
Valores posicionales
binario 2k, octal 8k, hexadecimal 16k
A decimal
Σ dk·bk
Desde decimal
divide entre la base y lee los restos de abajo arriba
Hexadecimal ↔ binario
un dígito hexadecimal = 4 bits
Complemento a dos
invierte los bits y suma 1
Lógica digital: puertas, mapas K y biestables
Puertas básicas
A·B, A + B, A′, (A·B)′, (A + B)′, A ⊕ B
Reglas de Boole
X + X′ = 1, X·X′ = 0, X + XY = X, XY + XY′ = X
De Morgan
(X·Y)′ = X′ + Y′, (X + Y)′ = X′·Y′
Orden del mapa de Karnaugh
00, 01, 11, 10 (Gray code)
Grupo de 2ᵏ celdas
pierde k variables
Multiplexor de 4 a 1
F = A′B′I0 + A′BI1 + AB′I2 + ABI3
Biestables
D: Q⁺ = D, T: Q⁺ = T ⊕ Q, JK: Q⁺ = JQ′ + K′Q
Contadores
n bits: 2ⁿ estados; módulo N: el menor n con 2ⁿ ≥ N; fsal = fclk/N
Contador asíncrono
fmax = 1/(n·tpd)
Contadores en anillo y Johnson
n y 2n estados
Método
En un circuito, trabaja desde las entradas hasta la salida puerta por puerta y escribe el valor en cada hilo, o escribe su expresión y rellena la tabla de verdad.
Para simplificar, coloca los 1 (y las indiferencias como X) en un mapa de Karnaugh con filas y columnas en código Gray: 00, 01, 11, 10.
Cubre los 1 con los menos grupos posibles y lo más grandes posible, de 1, 2, 4, 8 o 16 celdas, envolviendo los bordes; cada grupo es un término producto formado por las variables que permanecen constantes. Agrupa los 0 para la forma POS.
En biestables y contadores, lee las entradas en cada flanco activo del reloj, anota el estado tras cada flanco y recuerda que un contador de n bits da la vuelta tras 2ⁿ estados.
Estabilidad: Routh–Hurwitz y lugar de las raíces
Estabilidad
todas las raíces del polinomio característico en el semiplano izquierdo
tabla de Routh, elemento s¹ de un polinomio cúbico
b1 = (a2a1 − a3a0)/a2
Raíces del semiplano derecho
número de cambios de signo en la primera columna
Cúbico s³ + a₂s² + a₁s + a₀
estable cuando todos los a > 0 y a₂·a₁ > a₀
K/(s(s + a)(s + b))
Kmax = ab(a + b), ω = √(ab)
Ecuación característica
1 + K·G(s) = 0
Asíntotas
σa = (Σp − Σz)/(n − m), θ = (2q + 1)·180°/(n − m)
Puntos de salida y de entrada
dK/ds = 0
Condición de módulo
K = 1/|G(s)|
Ángulo de salida
θd = 180° − Σ∠(from other poles) + Σ∠(from zeros)
Método
Escribe el polinomio característico de lazo cerrado: el denominador de 1 + K·G(s) = 0, desarrollado.
Coloca los coeficientes alternadamente en las dos primeras filas de la tabla de Routh y construye las filas restantes.
Cuenta los cambios de signo de la primera columna: cada uno es un polo en el semiplano derecho. Con K en la tabla, exige que todos los elementos de la primera columna sigan siendo positivos.
Para un lugar de las raíces, marca los polos y los ceros, los tramos del eje real, las asíntotas desde el centroide y los puntos de ruptura donde dK/ds = 0. Usa K = 1/|G(s)| para la ganancia en un punto.
Error en régimen permanente y control PID
Tipo de sistema
número de polos de G(s) en s = 0
Constantes de error
Kp = lim G(s), Kv = lim s·G(s), Ka = lim s²·G(s) (s → 0)
Escalón A
ess = A/(1 + Kp)
Rampa A·t
ess = A/Kv
Parábola A·t²/2
ess = A/Ka
Controlador PID
C(s) = Kp + Ki/s + Kd·s
Objetivo de segundo orden
s² + 2ζωns + ωn²
Sobreimpulso y tiempos
%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), tp = π/ωd, ts ≈ 4/(ζωn)
Método
Cuenta los polos del lazo abierto C(s)·G(s) en s = 0: ese es el tipo del sistema.
Calcula la constante de error que corresponde a la entrada: Kp para un escalón, Kv para una rampa, Ka para una parábola.
Aplica ess = A/(1 + Kp), A/Kv o A/Ka, o despeja la ganancia que necesitas.
Para una especificación de amortiguamiento o de velocidad, escribe el polinomio característico de lazo cerrado e identifícalo con s² + 2ζω_n·s + ω_n².
2Problemas de práctica
1.Resistencias en serie y en paraleloMedia
Halla la corriente IR1 que entrega la fuente, que pasa por R1.
V1 = 24 VR1 = 2 ΩR2 = 10 ΩR3 = 20 ΩR4 = 8 Ω
IR1 = A
2.Resistencias en serie y en paraleloDifícil
Halla la resistencia equivalente Req que ve la fuente V1.
La fuente de corriente se ajusta hasta que la tensión de nodo en A es VA = 5,5 V. Usa el análisis nodal para hallar la corriente de la fuente Is (con el sentido indicado).
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 = 17 mA. Con V1 duplicada y las otras dos sin cambios, I = 18 mA. Con el sentido de Is invertido y las otras dos sin cambios, I = 5 mA. Halla la corriente de carga I cuando V2 está apagada y V1 y Is tienen sus valores normales.
normal: I = 17 mA2·V1: I = 18 mA−Is: I = 5 mA
I = mA
9.Thévenin y NortonMedia
Se conecta una carga RL = 10 Ω entre a–b. Sustituye el resto del circuito por su equivalente de Thévenin y halla la corriente de carga IL.
V1 = 9 VR1 = 5 ΩR2 = 8 ΩR3 = 5 ΩRL = 10 Ω
IL = A
10.Thévenin y NortonDifícil
Se conecta una carga RL = 30 Ω entre a–b. Usa un equivalente de Thévenin para hallar la potencia PL entregada a la carga.
La fuente Vₛ carga el condensador a través de R₁, y R₂ está conectada en paralelo con C. El condensador está descargado cuando el interruptor se cierra en t = 0. Halla la constante de tiempo τ del circuito después de cerrar el interruptor.
Vs = 20 VR1 = 2,2 kΩR2 = 4,7 kΩC = 22 µF
τ = ms
12.Transitorios RC y RLDifícil
El interruptor lleva mucho tiempo cerrado, así que el circuito está en régimen permanente. En t = 0 se abre el interruptor. Halla la corriente i2 por R2 en t = 120 ms.
Vs = 24 VR1 = 2,2 kΩR2 = 2,2 kΩC = 100 µFt = 120 ms
i2 = mA
13.Impedancia y fasores en alternaMedia
Un circuito RLC en serie está conectado a una alimentación de 10 V (eficaces) y 50 Hz. Halla la corriente eficaz I.
V = 10 V (rms)f = 50 HzR = 30 ΩL = 150 mHC = 47 µF
I = A
14.Impedancia y fasores en alternaDifícil
Una resistencia R1 está conectada en serie con una combinación en paralelo de R2 y un condensador C, a una alimentación de 100 V (eficaces) y 200 Hz. Halla la corriente eficaz I.
V = 100 V (rms)f = 200 HzR1 = 20 ΩR2 = 60 ΩC = 10 µF
I = A
15.Potencia en alterna y factor de potenciaMedia
Una carga de impedancia Z = 16 + j12 Ω está conectada a una alimentación monofásica de 240 V (eficaces). Halla la potencia aparente S.
V = 240 VZ = 16 + j12 Ω
S = VA
16.Potencia en alterna y factor de potenciaDifícil
Una carga monofásica consume 10 kW con un factor de potencia de 0,8 inductivo de una alimentación de 230 V y 60 Hz. Un condensador conectado en paralelo eleva el factor de potencia a 0,95. Halla la capacidad C necesaria.
P = 10 kWpf1 = 0,8pf2 = 0,95V = 230 Vf = 60 Hz
C = µF
17.Potencia trifásicaMedia
Un motor de inducción trifásico entrega 37 kW de potencia mecánica útil a plena carga. Con esta carga su rendimiento es del 94 % y su factor de potencia es 0,86 inductivo. La alimentación tiene una tensión de línea de 415 V. Halla la corriente de línea IL.
Pout = 37 kWη = 94%cos φ = 0,86VL = 415 V
IL = A
18.Potencia trifásicaDifícil
Una carga trifásica equilibrada consume 120 kW con un factor de potencia de 0,8 inductivo de una alimentación de 415 V (de línea) y 60 Hz. Una batería trifásica de condensadores en paralelo con la carga debe elevar el factor de potencia total a 0,95 inductivo. La potencia activa no cambia. Los condensadores están conectados en triángulo. Halla la capacidad Cph de cada condensador en µF.
P = 120 kWpf1 = 0,8pf2 = 0,95VL = 415 Vf = 60 Hz
Cph = µF
19.TransformadoresMedia
A un transformador ideal con una relación de transformación N₁:N₂ = 20:1 se le aplican 4800 V en el devanado primario. Se conecta una resistencia de 12 Ω en el devanado secundario. Halla la corriente del primario I1.
N1:N2 = 20:1V1 = 4800 VRL = 12 Ω
I1 = A
20.TransformadoresDifícil
Un transformador monofásico de 50 kVA tiene unas pérdidas en el hierro de 200 W y unas pérdidas en el cobre de 300 W a carga nominal. ¿Con qué carga Sη,max, en kVA, es máximo su rendimiento?
S = 50 kVAPcore = 200 WPcu,fl = 300 W
Sη,max = kVA
21.Circuitos con amplificador operacionalMedia
El amplificador operacional es ideal y se alimenta con ±15 V. Halla la tensión de salida Vout.
4 LED de color rojas (tensión directa 2 V cada uno) se conectan en serie con una resistencia a una fuente de 24 V. Halla la resistencia R que fija la corriente en 15 mA.
Vs = 24 VVF = 2 Vn = 4I = 15 mA
R = Ω
24.Diodos y transistoresDifícil
Un diodo se modela como 0,65 V en serie con 5 Ω (conduce por encima de 0,65 V). Está en serie con una resistencia de 330 Ω en una fuente de 3 V. Halla la corriente de funcionamiento ID donde la recta del diodo corta a la recta de carga.
Vs = 3 VR = 330 ΩV0 = 0,65 Vrd = 5 Ω
ID = mA
25.Sistemas de numeraciónMedia
El patrón de 8 bits 1000 0011 guarda un entero con signo en complemento a dos. ¿Cuál es su valor N en decimal?
1000 00118 bit
N =
26.Sistemas de numeraciónDifícil
Un sistema debe dar a cada uno de 1717 elementos su propio código binario de la misma longitud. ¿Cuál es el menor número de bits b necesario?
1717
b = bit
27.Lógica digital: puertas, mapas K y biestablesMedia
Usa el mapa de Karnaugh para hallar la forma mínima de suma de productos (SOP) de F(A, B, C, D) = Σm(0, 2, 6, 7, 8, 9, 15). ¿Cuántos literales, L, contiene en total (una variable con prima cuenta como un literal)?
F(A, B, C, D) = Σm(0, 2, 6, 7, 8, 9, 15)
L =
28.Lógica digital: puertas, mapas K y biestablesDifícil
Un biestable D activado por flanco de subida empieza con Q = 0 y recibe las entradas mostradas. Haz clic en el primer flanco de reloj en el que Q pasa de 1 a 0.
Q₀ = 0D
1flanco de reloj 1
2flanco de reloj 2
3flanco de reloj 3
4flanco de reloj 4
5flanco de reloj 5
6flanco de reloj 6
7flanco de reloj 7
8flanco de reloj 8
29.Transformadas de LaplaceMedia
F(s) = (6s + 10)/(s² + 7s + 12). Su transformada inversa tiene la forma f(t) = A·e−3t + B·e−4t. Halla el coeficiente A por fracciones parciales.
F(s) = (6s + 10)/(s² + 7s + 12)
A =
30.Transformadas de LaplaceDifícil
Un sistema cumple y″ + 9y′ + 18y = 36·u(t). Parte del reposo (y(0) = 0, y′(0) = 0) y la entrada es un escalón u(t) = 1 para t ≥ 0. Usa la transformada de Laplace para hallar la salida y(0,3).
La planta G(s) = 6/(s + 8) tiene un lazo interno (menor) de realimentación negativa con ganancia H₁ = 1. Una ganancia de controlador K = 5 y un lazo externo de realimentación negativa unitaria cierran el sistema. Halla el polo en lazo cerrado p.
G(s) = 6/(s + 8)H₁ = 1K = 5
p =
32.Diagramas de bloquesDifícil
Un controlador proporcional K = 6 gobierna la planta G(s) = 4/(s + 4) en un lazo de realimentación negativa unitaria. Una perturbación D entra a la entrada de la planta (se suma a la salida del controlador). Se aplican a la vez un escalón de referencia de tamaño 10 y un escalón de perturbación de tamaño 2. Halla la salida en régimen estacionario css.
K = 6G(s) = 4/(s + 4)D = 2R = 10
css =
33.Respuesta al escalónMedia
Un sistema tiene la función de transferencia G(s) = 13/(s² + 4s + 26) y recibe una entrada escalón unitario. Halla el sobreimpulso porcentual %OS de la respuesta al escalón.
G(s) = 13/(s² + 4s + 26)
%OS = %
34.Respuesta al escalónDifícil
Una masa m = 8 kg cuelga de un resorte k = 200 N/m con un amortiguador viscoso c = 8 N·s/m (m·x″ + c·x′ + k·x = F). En reposo, en equilibrio, se aplica de repente una fuerza constante F = 100 N. Halla el instante tp en el que el desplazamiento es máximo.
m = 8 kgk = 200 N/mc = 8 N·s/mF = 100 N
tp = s
35.Diagramas de Bode y márgenesMedia
Halla la fase ∠G(jω) de G(s) = 16(s + 10)/(s(s + 7)) en ω = 8 rad/s, en grados.
G(s) = 16(s + 10)/(s(s + 7))ω = 8 rad/s
∠G(jω) = °
36.Diagramas de Bode y márgenesDifícil
Un lazo con realimentación unitaria tiene la función de transferencia en lazo abierto L(s) = 77,5/(s(s + 5)). Halla el margen de fase PM en grados.
L(s) = 77,5/(s(s + 5))
PM = °
37.Estabilidad: Routh–Hurwitz y lugar de las raícesMedia
El lazo del diagrama funciona con K = 13,75 y L(s) = K/(s(s + 1)(s + 10)). ¿Por qué factor m se puede aumentar la ganancia antes de que el lazo cerrado se vuelva inestable?
L(s) = K/(s(s + 1)(s + 10))K = 13,75
m =
38.Estabilidad: Routh–Hurwitz y lugar de las raícesDifícil
El lugar de las raíces de L(s) = K/(s(s + 3)(s + 6)) sale del eje real entre s = 0 y s = −3. Halla el punto de ruptura sb.
L(s) = K/(s(s + 3)(s + 6))
sb =
39.Error en régimen permanente y control PIDMedia
Se aplica una rampa r(t) = 2t a un lazo con realimentación unitaria con G(s) = 5(s + 3)/(s(s + 1)). Halla el error en régimen permanente ess.
G(s) = 5(s + 3)/(s(s + 1))r(t) = 2t
ess =
40.Error en régimen permanente y control PIDDifícil
Un controlador proporcional K = 8 controla la planta G(s) = 1/(s(s + 4)) en un lazo con realimentación unitaria. Halla el tiempo de pico tp de la respuesta al escalón.
G(s) = 1/(s(s + 4))K = 8
tp = s
3Disoluciones
1.Resistencias en serie y en paralelo
Respuesta: IR1 = 2,562 A
Resistencias en serie y en paralelo: en serie, la misma corriente pasa por cada resistencia y R = R₁ + R₂ + …. En paralelo, cada resistencia tiene la misma tensión y 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …. Una red en escalera se reduce por parejas hasta que queda una sola resistencia equivalente.
Combina las resistencias desde el extremo más lejano
Empieza por el extremo más alejado de la fuente y avanza hacia ella. Las resistencias con la misma corriente están en serie; las que están entre los mismos dos nodos, en paralelo.
R3 + R4 = 20 + 8 = 28 Ω
R2 ∥ 28 = 10·28/(10+28) = 7,368 Ω
Req = R1 + 7,368 = 2 + 7,368 = 9,368 Ω
Corriente de la fuente
La fuente solo ve Req, así que la ley de Ohm da la corriente que entrega. Esa corriente pasa por R₁.
IR1 = V1/Req = 24/9,368 = 2,562 A
Respuesta
IR1 = 2,562 A
2.Resistencias en serie y en paralelo
Respuesta: Req = 24,47 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 + 8 = 23 Ω
R4 ∥ 23 = 1,84 Ω
R3 + 1,84 = 13,84 Ω
R2 ∥ 13,84 = 9,471 Ω
Req = R1 + 9,471 = 15 + 9,471 = 24,47 Ω
Respuesta
Req = 24,47 Ω
3.Análisis nodal
Respuesta: VB = 7 V
Análisis nodal: elige un nodo de referencia, nombra las tensiones de nodo desconocidas, escribe la ley de corrientes de Kirchhoff en cada nodo desconocido usando la ley de Ohm (I = ΔV/R) y resuelve las ecuaciones resultantes.
Plantea los nodos
La tierra es el cable inferior. Las tensiones de nodo conocidas salen directamente de las fuentes (V1 = 18 V). Incógnitas: VA, VB.
LCK en el nodo A
Las corrientes que salen de A por las resistencias igualan la corriente que las fuentes inyectan en A.
VA/R2 + (VA − V1)/R1 + (VA − VB)/R3 = 0
VA/4 + (VA − 18)/4 + (VA − VB)/6 = 0
0,6667·VA − 0,1667·VB = 4,5
LCK en el nodo B
Las corrientes que salen de B por las resistencias igualan la corriente que las fuentes inyectan en B.
VB/R4 + (VB − VA)/R3 = Is
VB/4 + (VB − VA)/6 = 1,5
−0,1667·VA + 0,4167·VB = 1,5
Resuelve
Δ = (0,6667)(0,4167) − (−0,1667)(−0,1667) = 0,25
VA = Δ1/Δ = 2,125/0,25 = 8,5 V
VB = Δ2/Δ = 1,75/0,25 = 7 V
Respuesta
VB = 7 V
4.Análisis nodal
Respuesta: Is = 1,293 A
Análisis nodal: elige un nodo de referencia, nombra las tensiones de nodo desconocidas, escribe la ley de corrientes de Kirchhoff en cada nodo desconocido usando la ley de Ohm (I = ΔV/R) y resuelve las ecuaciones resultantes.
LCK en el nodo A
VA es conocida, así que esta ecuación da VB.
(VA − V1)/R1 + VA/R2 + (VA − VB)/R3 = 0
(5,5 − 5)/8 + 5,5/25 = (VB − 5,5)/2
0,2825 = (VB − 5,5)/2 → VB = 6,065 V
LCK en el nodo B
Las corrientes que salen de B por las resistencias son iguales a la corriente que las fuentes inyectan en B.
Is = (VB − VA)/R3 + VB/R4 = (6,065 − 5,5)/2 + 6,065/6 = 1,293 A
Respuesta
Is = 1,293 A
5.Análisis de mallas
Respuesta: IR2 = −0,3 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
8·I1 + 3(I1 − I2) = 24
11·I1 − 3·I2 = 24
LTK en la malla 2
Recorriendo en sentido horario, las caídas en las resistencias igualan a las subidas de tensión de las fuentes (de − a + en el sentido del recorrido).
R2·I2 + R3(I2 − I1) = −V2
6·I2 + 3(I2 − I1) = (−9)
−3·I1 + 9·I2 = −9
Resuelve
Δ = (11)(9) − (−3)(−3) = 90
I1 = Δ1/Δ = 189/90 = 2,1 A
I2 = Δ2/Δ = −27/90 = −0,3 A
Respuesta
IR2 = I2 = −0,3 A
Una corriente de malla negativa circula en sentido antihorario.
6.Análisis de mallas
Respuesta: I1 = 0,5336 A
Análisis de mallas: asigna a cada ventana de un circuito plano su propia corriente de lazo, escribe la ley de tensiones de Kirchhoff en cada lazo (suma de caídas = suma de subidas) y resuelve. Las corrientes de rama son la corriente de malla o la diferencia de dos corrientes de malla en una rama compartida.
Asigna las corrientes de malla
Dibuja una corriente en sentido horario en cada ventana: I1, I2, I3. Una resistencia compartida por dos mallas lleva la diferencia de sus corrientes.
LTK en la malla 1
Recorriendo en sentido horario, las caídas en las resistencias igualan a las subidas de tensión de las fuentes (de − a + en el sentido del recorrido).
R1·I1 + R4(I1 − I2) = V1
8·I1 + 30(I1 − I2) = 10
38·I1 − 30·I2 = 10
LTK en la malla 2
Recorriendo en sentido horario, las caídas en las resistencias igualan a las subidas de tensión de las fuentes (de − a + en el sentido del recorrido).
R2·I2 + R4(I2 − I1) + R5(I2 − I3) = 0
3·I2 + 30(I2 − I1) + 6(I2 − I3) = 0
−30·I1 + 39·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
12·I3 + 6(I3 − I2) = (−10)
−6·I2 + 18·I3 = −10
Resuelve
Δ = determinante de la matriz de coeficientes = 9108
I1 = Δ1/Δ = 4860/9108 = 0,5336 A
I2 = Δ2/Δ = 3120/9108 = 0,3426 A
I3 = Δ3/Δ = −4020/9108 = −0,4414 A
Respuesta
I1 = 0,5336 A
Una corriente de malla negativa circula en sentido antihorario.
7.Superposición
Respuesta: IR2 = −0,9744 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.
R3+R4 = 20+10 = 30 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 12·30/(12+30) = 8,571 Ω
VA = 12·8,571/(10+8,571) = 5,538 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 5,538·10/30 = 1,846 V
IR2′ = (0 − VA)/R2 = (0 − 5,538)/12 = −0,4615 A
Caso 2 · Is actuando sola
V₁ pasa a ser un cortocircuito, así que R₁ queda en paralelo con R₂. Iₛ se reparte en B entre R₄ y el camino por R₃.
R1 ∥ R2 = 10·12/(10+12) = 5,455 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 10 ∥ 25,45 = 7,179 Ω
VB = Is·Req = 4·7,179 = 28,72 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 28,72·5,455/25,45 = 6,154 V
IR2″ = (0 − VA)/R2 = (0 − 6,154)/12 = −0,5128 A
Suma las contribuciones
IR2 = IR2′ + IR2″
IR2 = (−0,4615) + (−0,5128) = −0,9744 A
Un resultado negativo significa que la corriente real circula en sentido contrario a la flecha.
8.Superposición
Respuesta: I = 7 mA
Superposición: en un circuito lineal, cualquier tensión o corriente es la suma de las respuestas a cada fuente independiente actuando sola. Para apagar una fuente, sustituye una fuente de tensión ideal por un cortocircuito y una fuente de corriente ideal por un circuito abierto. Las resistencias se quedan donde están.
Escribe las medidas con las contribuciones
Cada contribución es proporcional a su propia fuente.
I₁ + I₂ + I₃ = 17
2·I₁ + I₂ + I₃ = 18
I₁ + I₂ − I₃ = 5
Despeja las contribuciones
I₁ = 18 − 17 = 1 mA
I₃ = (17 − 5)/2 = 6 mA
I₂ = 17 − 1 − 6 = 10 mA
Apaga V₂
I = I₁ + I₃ = 1 + 6 = 7 mA
Respuesta
I = 7 mA
9.Thévenin y Norton
Respuesta: IL = 0,3064 A
Teorema de Thévenin: toda red lineal de dos terminales se comporta como una única fuente de tensión Vth en serie con una resistencia Rth. El teorema de Norton da la misma red como una fuente de corriente IN = Vth/Rth en paralelo con Rth.
Halla Rth con todas las fuentes apagadas
Sustituye las fuentes de tensión por cortocircuitos y las de corriente por circuitos abiertos, y mira el circuito desde a–b.
R1 ∥ R2 = 5·8/(5+8) = 3,077 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3,077 + 5 = 8,077 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) = 9·8/(5+8) = 5,538 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) = 5,538/(8,077 + 10) = 0,3064 A
10.Thévenin y Norton
Respuesta: PL = 28,65 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 = 6·20/(6+20) = 4,615 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 4,615 + 6 = 10,62 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) = 18,46 + 2·4,615 = 27,69 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 27,69 + 2·6 = 39,69 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) = 39,69/(10,62 + 30) = 0,9773 A
PL = IL²·RL = 0,9773²·30 = 28,65 W
11.Transitorios RC y RL
Respuesta: τ = 32,97 ms
Transitorios de primer orden: en un circuito con un condensador o una bobina, cada tensión y corriente pasa de forma exponencial de su valor inicial a su valor final: x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ, con τ = RC o τ = L/R. Tras unos 5τ el circuito se ha estabilizado.
Equivalente de Thévenin visto por el condensador
Cortocircuita la fuente para hallar Rth; deja abierto el condensador para hallar la tensión a la que se estabilizará.
Rth = R1 ∥ R2 = 2,2·4,7/(2,2 + 4,7) = 1,499 kΩ
vC(∞) = 20·4,7/(2,2 + 4,7) = 13,62 V
Constante de tiempo
τ = Rth·C = 1,499·22 = 32,97 ms
Respuesta
τ = 32,97 ms
12.Transitorios RC y RL
Respuesta: i2 = 3,161 mA
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.
Tensión inicial del condensador
En régimen permanente el condensador es un circuito abierto, así que R₁ y R₂ forman un divisor de tensión. La tensión del condensador no puede saltar al abrirse el interruptor.
vC(0) = 24·2,2/(2,2 + 2,2) = 12 V
Constante de tiempo tras abrirse el interruptor
τ = R2·C = 2,2·100 = 220 ms
Descarga
vC(t) = 12·e−120/220 = 6,955 V
i2 = vC/R2 = 6,955/2,2 = 3,161 mA
Respuesta
i2 = 3,161 mA
13.Impedancia y fasores en alterna
Respuesta: I = 0,2748 A
Circuitos de alterna con fasores: resistencias, bobinas y condensadores tienen impedancias R, jωL y 1/(jωC), con ω = 2πf. En serie, las impedancias se suman como resistencias, pero como números complejos. La corriente y la tensión eficaces siguen la ley de Ohm con |Z|.
Reactancias
ω = 2πf = 2π·50 = 314,2 rad/s
XL = ωL = 314,2·0,15 = 47,12 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(314,2·47·10⁻⁶) = 67,73 Ω
Impedancia
En serie, las impedancias se suman como números complejos: Z = R + j(XL − XC).
La misma corriente pasa por todos los elementos de un circuito en serie.
I = V/|Z| = 10/36,39 = 0,2748 A
Respuesta
I = 0,2748 A
14.Impedancia y fasores en alterna
Respuesta: I = 1,538 A
Circuitos de alterna con fasores: resistencias, bobinas y condensadores tienen impedancias R, jωL y 1/(jωC), con ω = 2πf. En serie, las impedancias se suman como resistencias, pero como números complejos. La corriente y la tensión eficaces siguen la ley de Ohm con |Z|.
Reactancia
XC = 1/(2π·200·10·10⁻⁶) = 79,58 Ω
Combinación en paralelo
Multiplica numerador y denominador por el conjugado complejo para separar Zp en parte real e imaginaria.
Potencia en alterna: la potencia aparente S = V·I (VA) se divide en potencia activa P = S·cos φ (W), que hace trabajo útil, y potencia reactiva Q = S·sin φ (var), que va y viene entre fuente y carga. El factor de potencia es cos φ. Un condensador en paralelo aporta potencia reactiva en el propio punto, así que la corriente de línea baja para la misma potencia activa.
Corriente
|Z| = √(16² + 12²) = 20 Ω
I = V/|Z| = 240/20 = 12 A
Potencia aparente
S = V·I = 240·12 = 2880 VA
Respuesta
S = 2880 VA
16.Potencia en alterna y factor de potencia
Respuesta: C = 211,3 µF
Potencia en alterna: la potencia aparente S = V·I (VA) se divide en potencia activa P = S·cos φ (W), que hace trabajo útil, y potencia reactiva Q = S·sin φ (var), que va y viene entre fuente y carga. El factor de potencia es cos φ. Un condensador en paralelo aporta potencia reactiva en el propio punto, así que la corriente de línea baja para la misma potencia activa.
Potencia reactiva antes y después
La potencia activa P no cambia; solo cambia la potencia reactiva que se toma de la red.
Q1 = P·tan φ1 = 10·tan(36,87°) = 7,5 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 10·tan(18,19°) = 3,287 kvar
QC = Q1 − Q2 = 4,213 kvar
Capacidad
Un condensador conectado a la red aporta Q = V²·ωC.
C = QC/(2πf·V²) = 4213/(2π·60·230²) = 211,3 µF
Respuesta
C = 211,3 µF
17.Potencia trifásica
Respuesta: IL = 63,67 A
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 eléctrica absorbida
Pin = Pout/η = 37/0,94 = 39,36 kW
Corriente de línea
IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 39362/(√3·415·0,86) = 63,67 A
Respuesta
IL = 63,67 A
18.Potencia trifásica
Respuesta: Cph = 259,6 µF
Sistemas trifásicos equilibrados: en una conexión en Y (estrella) la tensión de línea es √3 veces la tensión de fase, VL = √3·Vph, y la corriente de línea es igual a la corriente de fase. En una conexión en Δ (triángulo) la tensión de línea es igual a la tensión de fase y la corriente de línea es √3 veces la corriente de fase, IL = √3·Iph. La potencia total es tres veces la potencia de una fase: P = 3·Vph·Iph·cos φ = √3·VL·IL·cos φ. Corrección del factor de potencia: los condensadores aportan potencia reactiva en el propio punto, QC = P·(tan φ1 − tan φ2). Cada uno de los tres condensadores aporta QC/3 = V²·ω·C, donde V es la tensión en ese condensador: VL en una batería en triángulo, VL/√3 en una batería en estrella.
Potencia reactiva antes y después
La potencia activa no cambia, así que cada factor de potencia fija la potencia reactiva: Q = P·tan φ.
Q1 = 120·tan(acos 0,8) = 120·0,75 = 90 kvar
Q2 = 120·tan(acos 0,95) = 120·0,3287 = 39,44 kvar
Potencia reactiva de los condensadores
QC = Q1 − Q2 = 50,56 kvar
Capacidad por fase
En una batería en triángulo cada condensador está conectado entre dos líneas.
V = 415 V, ω = 2π·60 = 377 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 16853/(377·415²) = 259,6 µF
Respuesta
Cph = 259,6 µF
19.Transformadores
Respuesta: I1 = 1 A
Transformador ideal: las tensiones están en la relación de las espiras y las corrientes en la relación inversa: V₁/V₂ = N₁/N₂ = a e I₁/I₂ = N₂/N₁ = 1/a, así que la potencia de entrada es igual a la de salida, V₁·I₁ = V₂·I₂. Una impedancia de carga Z en el secundario se ve como a²·Z desde el primario.
Tensión y corriente del secundario
V2 = 4800/20 = 240 V
I2 = 240/12 = 20 A
Corriente del primario
Un transformador ideal no tiene pérdidas: V₁·I₁ = V₂·I₂.
I1 = I2/20 = 1 A
Respuesta
I1 = 1 A
Comprobación: la carga vista desde el primario es a²·RL = 4800 Ω, y 4800/4800 da la misma corriente.
20.Transformadores
Respuesta: Sη,max = 40,82 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
x²·300 = 200 → x = √(200/300) = 0,8165
Carga de rendimiento máximo
Sη,max = x·S = 0,8165·50 = 40,82 kVA
Respuesta
Sη,max = 40,82 kVA
21.Circuitos con amplificador operacional
Respuesta: Vout = 9,242 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 la entrada +
V₊ = Vin·Rb/(Ra + Rb) = 2,5·2/(1 + 2) = 1,667 V
Ganancia no inversora
V₋ = V₊, y la corriente por R₁ también circula por Rf.
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 la entrada +
V₊ = V2·R4/(R3 + R4) = 0,7·1/(10 + 1) = 0,06364 V
Superpón las dos entradas
Con V₂ = 0, V₁ ve un amplificador inversor. Con V₁ = 0, V₊ se amplifica con la ganancia no inversora 1 + R₂/R₁.
Circuitos con LED y diodos: un LED polarizado en directa cae aproximadamente su tensión directa VF (unos 2 V para el rojo, 3 V para el azul o el blanco), sea cual sea la corriente. Una resistencia en serie fija la corriente: R = (Vs − n·VF)/I para n LED en serie. Con un modelo de diodo más exacto V = V₀ + I·rd, el punto de funcionamiento está donde la recta del diodo corta a la recta de carga I = (Vs − V)/R, así que I = (Vs − V₀)/(R + rd).
Tensión en la resistencia
VR = 24 − 4·2 = 16 V
Resistencia
R = 16/0,015 = 1067 Ω
Respuesta
R = 1067 Ω
La resistencia disipa 240 mW.
24.Diodos y transistores
Respuesta: ID = 7,015 mA
Circuitos con LED y diodos: un LED polarizado en directa cae aproximadamente su tensión directa VF (unos 2 V para el rojo, 3 V para el azul o el blanco), sea cual sea la corriente. Una resistencia en serie fija la corriente: R = (Vs − n·VF)/I para n LED en serie. Con un modelo de diodo más exacto V = V₀ + I·rd, el punto de funcionamiento está donde la recta del diodo corta a la recta de carga I = (Vs − V)/R, así que I = (Vs − V₀)/(R + rd).
Combina las dos ecuaciones
3 = 0,65 + I·(330 + 5)
Corriente de funcionamiento
ID = 2,35/335 = 7,015 mA
VD = 0,65 + 0,007015·5 = 0,6851 V
Respuesta
ID = 7,015 mA
25.Sistemas de numeración
Respuesta: N = −125
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 + 2 + 1 = −125
Respuesta
N = −125
26.Sistemas de numeración
Respuesta: b = 11 bit
Sistemas de numeración posicionales: cada dígito vale su valor por una potencia de la base. En binario las posiciones valen 1, 2, 4, 8, 16, …; en hexadecimal 1, 16, 256, …, con A–F para 10–15. En complemento a dos de 8 bits, el bit de la izquierda vale −128 en vez de +128; así se guardan los números negativos.
Potencias de dos
210 = 1024 < 1717
211 = 2048 ≥ 1717
Respuesta
b = 11
27.Lógica digital: puertas, mapas K y biestables
Respuesta: L = 12
Mapas de Karnaugh: las celdas están ordenadas en código Gray (00, 01, 11, 10), por lo que las celdas vecinas, incluidas las que están a través de los bordes, difieren en exactamente una variable. Agrupa los 1 en rectángulos de 1, 2, 4, 8 o 16 celdas, lo más grandes y los menos posibles, hasta cubrir todos los 1. Cada grupo es un término producto: las variables que permanecen constantes dentro de él. Un grupo de 2ᵏ celdas pierde k variables. Las indiferencias (X) pueden usarse para agrandar grupos, pero nunca hace falta cubrirlas. Agrupar los 0 en su lugar da la forma POS mínima.
Agrupa los 1
Todo grupo es un rectángulo de 2ᵏ celdas; las celdas del borde son vecinas de las celdas del borde opuesto.
B′C′D′
BCD
A′CD′
AB′C′
Forma SOP mínima
F = B′C′D′ + BCD + A′CD′ + AB′C′
L = 12
Respuesta
L = 12
Existe otra agrupación del mismo tamaño; tiene el mismo número de términos y de literales.
28.Lógica digital: puertas, mapas K y biestables
Respuesta: flanco de reloj 3
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.
Q tras cada flanco
Un biestable D copia D en cada flanco de subida: Q⁺ = D.
1: D = 1 → Q = 1
2: D = 1 → Q = 1
3: D = 0 → Q = 0
4: D = 0 → Q = 0
5: D = 1 → Q = 1
6: D = 0 → Q = 0
7: D = 1 → Q = 1
8: D = 1 → Q = 1
Primer cambio de 1 a 0
flanco de reloj 3
Respuesta
flanco de reloj 3
29.Transformadas de Laplace
Respuesta: A = −8
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 + 7s + 12 = (s + 3)(s + 4)
F(s) = A/(s + 3) + B/(s + 4)
Regla del tapado
Multiplica por (s + 3) y haz s = −3: el término de B se anula.
A = (6s + 10)/(s + 4) |s = −3 = −8/1 = −8
Respuesta
A = −8
(B = 14, así que f(t) = −8·e−3t + 14·e−4t)
30.Transformadas de Laplace
Respuesta: y(0.3) = 0,7043
Transformada de Laplace: F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt convierte las derivadas en multiplicaciones por s: ℒ{f′} = sF(s) − f(0), ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0). Pares estándar: 1 ↔ 1/s, e−at ↔ 1/(s + a), t·e−at ↔ 1/(s + a)², sin ωt ↔ ω/(s² + ω²), cos ωt ↔ s/(s² + ω²), y un desplazamiento s → s + σ multiplica la función temporal por e−σt. Para invertir una F(s) racional, descomponla en fracciones parciales: el residuo de un polo simple p es A = [(s − p)·F(s)] en s = p. Teorema del valor final: f(∞) = lims→0 s·F(s), válido solo cuando todos los polos de s·F(s) están en el semiplano izquierdo. Teorema del valor inicial: f(0⁺) = lims→∞ s·F(s).
Transforma la ecuación
Y(s) = 36/(s(s + 3)(s + 6))
Fracciones parciales
A = 36/(3·6) = 2
B = 36/((−3)·3) = −4
C = 36/((−6)·(−3)) = 2
Pérdidas
y(t) = 2 − 4·e−3t + 2·e−6t
y(0,3) = 0,7043
Respuesta
y(0,3) = 0,7043
31.Diagramas de bloques
Respuesta: p = −44
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).
Álgebra de diagramas de bloques: los bloques en serie se multiplican (G₁·G₂), los bloques en paralelo se suman (G₁ + G₂), y un lazo con camino directo G y camino de realimentación H se reduce a T = G/(1 + G·H) para realimentación negativa y G/(1 − G·H) para realimentación positiva. Reduce primero los lazos internos y avanza hacia fuera. Los polos en lazo cerrado son las raíces de la ecuación característica 1 + G(s)H(s) = 0. Para un lazo estable, una entrada escalón de tamaño A da la salida en régimen estacionario A·T(0); con realimentación unitaria el error en régimen estacionario ante un escalón es A/(1 + Kp) con Kp = G(0).
Funciones de transferencia
C/D = G/(1 + K·G) = 4/(s + 4 + 24)
C/R = K·G/(1 + K·G) = 24/(s + 4 + 24)
Estado estacionario
css = 10·24/28 + 2·4/28 = 8,857
Respuesta
css = 8,857
Una K mayor reduce el efecto de la perturbación, pero nunca la anula con un controlador proporcional.
33.Respuesta al escalón
Respuesta: %OS = 26,2 %
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 = 26 → ωₙ = 5,099 rad/s
2ζωₙ = 4 → ζ = 4/(2·5,099) = 0,3922
Resultado
%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 100·e−1,34 = 26,2 %
Respuesta
%OS = 26,2 %
34.Respuesta al escalón
Respuesta: tp = 0,6315 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).
Frecuencia natural y razón de amortiguamiento
ωₙ = √(k/m) = √(200/8) = 5 rad/s
ζ = c/(2√(km)) = 8/(2·√(200·8)) = 0,1
Resultado
ωd = 4,975 rad/s
tp = π/ωd = 0,6315 s
Respuesta
tp = 0,6315 s
35.Diagramas de Bode y márgenes
Respuesta: ∠G(jω) = −100,2 °
Respuesta en frecuencia: sustituye s = jω en la función de transferencia. El módulo en decibelios es 20·log₁₀|H(jω)| y la fase es la suma de los ángulos de los factores del numerador menos los del denominador. Un filtro RC o RL de primer orden tiene su frecuencia de corte (−3 dB) en ωc = 1/(RC) o R/L, y fc = ωc/(2π); un filtro paso bajo da |H| = 1/√(1 + (ω/ωc)²) y φ = −atan(ω/ωc). En el diagrama de Bode asintótico (de rectas) cada polo hace bajar el módulo 20 dB/década en su frecuencia de esquina, cada cero lo hace subir 20 dB/década, y un integrador 1/s da −20 dB/década en todas las frecuencias. Cruce de ganancia ωc: |L(jω)| = 1 (0 dB); margen de fase MF = 180° + ∠L(jωc). Cruce de fase ω180: ∠L(jω) = −180°; margen de ganancia MG = −20·log₁₀|L(jω180)| dB. El lazo cerrado es estable cuando ambos márgenes son positivos.
Respuesta en frecuencia: sustituye s = jω en la función de transferencia. El módulo en decibelios es 20·log₁₀|H(jω)| y la fase es la suma de los ángulos de los factores del numerador menos los del denominador. Un filtro RC o RL de primer orden tiene su frecuencia de corte (−3 dB) en ωc = 1/(RC) o R/L, y fc = ωc/(2π); un filtro paso bajo da |H| = 1/√(1 + (ω/ωc)²) y φ = −atan(ω/ωc). En el diagrama de Bode asintótico (de rectas) cada polo hace bajar el módulo 20 dB/década en su frecuencia de esquina, cada cero lo hace subir 20 dB/década, y un integrador 1/s da −20 dB/década en todas las frecuencias. Cruce de ganancia ωc: |L(jω)| = 1 (0 dB); margen de fase MF = 180° + ∠L(jωc). Cruce de fase ω180: ∠L(jω) = −180°; margen de ganancia MG = −20·log₁₀|L(jω180)| dB. El lazo cerrado es estable cuando ambos márgenes son positivos.
Cruce de ganancia
ω⁴ + 25ω² − 6006 = 0
ω² = (−25 + √(625 + 4·6006))/2 = 66
ωc = 8,124 rad/s
Margen de fase
∠L(jωc) = −90° − atan(8,124/5) = −148,4°
PM = 180° + ∠L = 31,61°
Respuesta
PM = 31,61°
37.Estabilidad: Routh–Hurwitz y lugar de las raíces
Respuesta: m = 8
Criterio de Routh–Hurwitz: un sistema lineal es estable cuando todas las raíces de su polinomio característico están en el semiplano izquierdo del plano s. Escribe los coeficientes alternadamente en las dos primeras filas de la tabla de Routh. Cada elemento de una fila nueva sale de las dos filas de encima; para un polinomio cúbico a₃s³ + a₂s² + a₁s + a₀ el elemento de s¹ es b₁ = (a₂·a₁ − a₃·a₀)/a₂. El número de cambios de signo en la primera columna es igual al número de raíces en el semiplano derecho. Con una ganancia K en los coeficientes, todos los elementos de la primera columna deben seguir siendo positivos: la ganancia que anula el elemento de s¹ es el límite de estabilidad, y la fila de s² da entonces la frecuencia de la oscilación sostenida.
Tabla de Routh
s³ + 11s² + 10s + K = 0
s³: 1, 10
s²: 11, K
s¹: (11·10 − K)/11
s⁰: K
Mayor ganancia estable
Kmax = 11·10 = 110
Factor
m = 110/13,75 = 8
Respuesta
m = 8
Este factor es el margen de ganancia como cociente: 18,06 dB.
38.Estabilidad: Routh–Hurwitz y lugar de las raíces
Respuesta: sb = −1,268
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.
Ganancia a lo largo del eje real
K(s) = −s(s + 3)(s + 6) = −(s³ + 9s² + 18s)
Puntos estacionarios
dK/ds = −(3s² + 18s + 18) = 0
s = (−18 ± √(324 − 216))/6 = −1,268, −4,732
Elige el punto del lugar
El lugar está en el eje real entre 0 y −3; la otra raíz no pertenece al lugar.
sb = −1,268
Respuesta
sb = −1,268
39.Error en régimen permanente y control PID
Respuesta: ess = 0,1333
Error en régimen permanente: en un lazo con realimentación unitaria y función de transferencia de lazo abierto G(s) el error es E(s) = R(s)/(1 + G(s)), y por el teorema del valor final ess = lims→0 s·E(s). El tipo del sistema es el número de polos de G(s) en s = 0. Las constantes de error son Kp = lim G(s), Kv = lim s·G(s) y Ka = lim s²·G(s), todas para s → 0. Un escalón de tamaño A da ess = A/(1 + Kp), una rampa A·t da A/Kv y una parábola A·t²/2 da A/Ka. Un lazo de tipo 0 sigue un escalón con un error finito, un lazo de tipo 1 lo sigue exactamente y sigue una rampa con un error finito.
Constante de velocidad
Kv = lim s·G(s) = 15
Error ante rampa
ess = 2/15 = 0,1333
Respuesta
ess = 0,1333
40.Error en régimen permanente y control PID
Respuesta: tp = 1,571 s
Control P, PI y PID: el controlador C(s) = Kp + Ki/s + Kd·s actúa sobre el error. Una ganancia proporcional hace el lazo más rápido y reduce el error de una planta de tipo 0, pero nunca lo elimina. El término integral añade un polo en s = 0: el tipo del sistema sube una unidad y un escalón se sigue sin error. El término derivativo añade amortiguamiento. Para elegir las ganancias, escribe el polinomio característico de lazo cerrado y compáralo con s² + 2ζωns + ωn². Entonces %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), tp = π/ωd con ωd = ωn√(1 − ζ²), y ts ≈ 4/(ζωn).
Polinomio característico
s(s + 4) + 8·1 = s² + 4s + 8
ωₙ y ζ
ωₙ = √8 = 2,828 rad/s
ζ = 4/(2·2,828) = 0,7071
Tiempo de pico
ωd = 2,828·√(1 − 0,7071²) = 2 rad/s
tp = π/2 = 1,571 s
Respuesta
tp = 1,571 s
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