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​ = 5 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​9 VR2​20 ΩIR2​AR4​4 ΩB

Halla la corriente IR2 por R2.

V1 = 9 VR1 = 5 ΩR2 = 20 ΩR3 = 15 ΩR4 = 4 Ω
IR2 = A
2.Resistencias en serie y en paraleloDifícil
R1​ = 10 ΩR3​ = 30 ΩR5​ = 25 Ω+−V1​36 VR2​10 ΩAR4​3 ΩBR6​4 Ω

Halla la resistencia equivalente Req que ve la fuente V1.

V1 = 36 VR1 = 10 ΩR2 = 10 ΩR3 = 30 ΩR4 = 3 ΩR5 = 25 ΩR6 = 4 Ω
Req = Ω
3.Análisis nodalMedia
R1​ = 15 ΩR3​ = 12 ΩIR3​+−V1​10 VR2​5 ΩAR4​8 ΩBIs​4 A

Usa el análisis nodal para hallar la corriente IR3 por R3 en el sentido de la flecha.

V1 = 10 VIs = 4 AR1 = 15 ΩR2 = 5 ΩR3 = 12 ΩR4 = 8 Ω
IR3 = A
4.Análisis nodalDifícil
R1​ = 2 ΩR2​ = 5 ΩR4​ = 25 Ω+−V1​30 VR3​4 ΩAR5​5 ΩBIs​0,5 A−+V2​9 V

Usa el análisis nodal para hallar la tensión de nodo VA (respecto a tierra).

V1 = 30 VIs = 0,5 AV2 = 9 VR1 = 2 ΩR2 = 5 ΩR3 = 4 ΩR4 = 25 ΩR5 = 5 Ω
VA = V
5.Análisis de mallasMedia
R1​ = 2 ΩR2​ = 15 Ω+−V1​12 VR3​20 ΩIR3​A+−V2​12 VI1​I2​

Usa el análisis de mallas para hallar la corriente IR3 por R3 en el sentido de la flecha.

V1 = 12 VV2 = 12 VR1 = 2 ΩR2 = 15 ΩR3 = 20 Ω
IR3 = A
6.Análisis de mallasDifícil
R1​ = 4 ΩR2​ = 20 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​24 VR4​12 ΩIR4​AR5​30 ΩB+−V2​9 VI1​I2​I3​

Usa el análisis de mallas para hallar la corriente IR4 por R4 en el sentido de la flecha.

V1 = 24 VV2 = 9 VR1 = 4 ΩR2 = 20 ΩR3 = 20 ΩR4 = 12 ΩR5 = 30 Ω
IR4 = A
7.SuperposiciónMedia
R1​ = 20 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​18 VR2​12 ΩIR2​AR4​5 ΩBIs​2,5 A

Usa la superposición para hallar la potencia PR2 absorbida por R2.

V1 = 18 VIs = 2,5 AR1 = 20 ΩR2 = 12 ΩR3 = 15 ΩR4 = 5 Ω
PR2 = W
8.SuperposiciónDifícil
R1​ = 12 ΩR2​ = 10 ΩR4​ = 2 Ω+−V1​5 VR3​20 ΩIR3​AIs​2 AB−+V2​18 V

Usa la superposición para hallar la potencia PR3 absorbida por R3.

V1 = 5 VIs = 2 AV2 = 18 VR1 = 12 ΩR2 = 10 ΩR3 = 20 ΩR4 = 2 Ω
PR3 = W
9.Thévenin y NortonMedia
R1​ = 10 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​12 VR2​6 ΩARL​8 ΩIL​B

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

V1 = 12 VR1 = 10 ΩR2 = 6 ΩR3 = 6 ΩRL = 8 Ω
IL = A
10.Thévenin y NortonDifícil
R1​ = 30 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​30 VR2​12 ΩAIs​4 ABab

Halla la corriente de Norton IN: la corriente que circula de a a b si se cortocircuitan los terminales.

V1 = 30 VIs = 4 AR1 = 30 ΩR2 = 12 ΩR3 = 2 Ω
IN = A
11.Transitorios RC y RLMedia
+−Vs​20 Vt = 0R = 10 ΩL33 mHi(t)

La bobina no lleva corriente antes de que el interruptor se cierre en t = 0. ¿Cuánto tiempo después de cerrar el interruptor alcanza la corriente el 99 % de su valor final? Halla t.

Vs = 20 VR = 10 ΩL = 33 mH
t = ms
12.Transitorios RC y RLDifícil
+−Vs​10 VR1​ = 33 ΩR2​ = 47 Ωse abre en t = 0L100 mHi(t)

El interruptor en paralelo con R2 lleva mucho tiempo cerrado, así que la corriente de la bobina es estacionaria. En t = 0 se abre el interruptor. Halla la corriente de la bobina i en t = 1 ms.

Vs = 10 VR1 = 33 ΩR2 = 47 ΩL = 100 mHt = 1 ms
i = A
13.Impedancia y fasores en alternaMedia
Vf0​ = 500 HzRL = 1 mHC = ?

Un circuito RLC en serie con L = 1 mH debe resonar a 500 Hz. Halla la capacidad C necesaria.

f0 = 500 HzL = 1 mH
C = µF
14.Impedancia y fasores en alternaDifícil
50 V60 HzR1​ = 15 ΩR2​ = 40 ΩC = 22 µFI

Una resistencia R1 está conectada en serie con una combinación en paralelo de R2 y un condensador C, a una alimentación de 50 V (eficaces) y 60 Hz. Halla la corriente eficaz I.

V = 50 V (rms)f = 60 HzR1 = 15 ΩR2 = 40 ΩC = 22 µF
I = A
15.Potencia en alterna y factor de potenciaMedia
P = 24 kWQSφ

Un motor monofásico consume 24 kW con un factor de potencia de 0,9 inductivo de una alimentación de 400 V. Halla la corriente de línea I.

P = 24 kWpf = 0,9V = 400 V
I = A
16.Potencia en alterna y factor de potenciaDifícil
230 V50 Hzcarga28 kW, 0,65C470 µFI

Una carga monofásica consume 28 kW con un factor de potencia de 0,65 inductivo de una alimentación de 230 V y 50 Hz. Se conecta un condensador de 470 µF en paralelo con la carga. Halla el nuevo factor de potencia cos φ que ve la alimentación.

P = 28 kWpf1 = 0,65V = 230 Vf = 50 HzC = 470 µF
cos φ =
17.Potencia trifásicaMedia
ABCVL​ = 415 VIL​ = ?M90 kW, η = 94%cos φ = 0,82

Un motor de inducción trifásico entrega 90 kW de potencia mecánica útil a plena carga. Con esta carga su rendimiento es del 94 % y su factor de potencia es 0,82 inductivo. La alimentación tiene una tensión de línea de 415 V. Halla la corriente de línea IL.

Pout = 90 kWη = 94%cos φ = 0,82VL = 415 V
IL = A
18.Potencia trifásicaDifícil
P = 60 kWφ1​S1​Q2​QC​ = ?

Una carga trifásica equilibrada consume 60 kW con un factor de potencia de 0,7 inductivo de una alimentación de 690 V (de línea) y 50 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. Halla la potencia reactiva total QC que debe aportar la batería de condensadores, en kvar.

P = 60 kWpf1 = 0,7pf2 = 0,95VL = 690 Vf = 50 Hz
QC = kvar
19.TransformadoresMedia
480 V240 VIHV​ILV​ = ?15 kVA

Un transformador monofásico de 15 kVA, 480/240 V, funciona a su carga nominal. Considéralo ideal. Halla la corriente ILV en el devanado de baja tensión.

S = 15 kVAV1 = 480 VV2 = 240 V
ILV = A
20.TransformadoresDifícil
pf 0,8250 kVA, 75% carga

Un transformador monofásico de 250 kVA tiene unas pérdidas en el hierro de 750 W y unas pérdidas en el cobre de 1500 W a carga nominal. Suministra el 75 % de sus kVA nominales con un factor de potencia de 0,8 inductivo. Halla las pérdidas totales Ploss en vatios con esta carga.

S = 250 kVAPcore = 750 WPcu,fl = 1500 Wx = 0,75pf = 0,8
Ploss = W
21.Circuitos con amplificador operacionalMedia
−+Vout​Rf​ = 47 kΩR1​ = 22 kΩVin​ = 0,1 V

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

Vin = 0,1 VR1 = 22 kΩRf = 47 kΩ
Vout = V
22.Circuitos con amplificador operacionalDifícil
−+Vout​C = 2,2 µFVin​ = 1,3 VR = 47 kΩ

El integrador usa un amplificador operacional ideal alimentado con ±15 V; su salida se satura en ±13 V. El condensador está descargado cuando se aplica una entrada constante Vin = 1,3 V en t = 0. Halla la tensión de salida Vout en t = 100 ms.

Vin = 1,3 VR = 47 kΩC = 2,2 µFVsat = ±13 Vt = 100 ms
Vout = V
23.Diodos y transistoresMedia
RC​ = 4,7 kΩβ = 100RE​ = 470 ΩVCC​ = 12 VR1​ = 47 kΩR2​ = 8,2 kΩ

Un transistor NPN con β = 100 tiene polarización por divisor de tensión desde VCC = 12 V: R₁ = 47 kΩ de VCC a la base y R₂ = 8,2 kΩ de la base a tierra. La resistencia de colector es RC = 4,7 kΩ y la resistencia de emisor es RE = 470 Ω. Toma VBE = 0,7 V y usa el equivalente de Thévenin del divisor (no desprecies la corriente de base). Halla la tensión colector–emisor VCE.

VCC = 12 VR1 = 47 kΩR2 = 8,2 kΩRC = 4,7 kΩRE = 470 Ωβ = 100
VCE = V
24.Diodos y transistoresDifícil
RC​ = 1 kΩβ = 200IC​ = ?VCC​ = 12 V3,3 VRB​ = 33 kΩ

Un transistor NPN con β = 200 conmuta una resistencia de carga de 1 kΩ conectada entre VCC = 12 V y su colector. El emisor está a tierra. La base se excita desde una salida lógica de 3,3 V a través de una resistencia de base RB = 33 kΩ. Toma VBE = 0,7 V y VCE(sat) = 0,2 V. Halla la corriente de colector IC en mA cuando la entrada está a nivel alto. Decide primero si el transistor está saturado.

VCC = 12 VRC = 1 kΩβ = 200Vin = 3,3 VVBE = 0,7 VVCE(sat) = 0,2 VRB = 33 kΩ
IC = mA
25.Sistemas de numeraciónMedia
complemento a dos de 8 bits0−12806403201608040201

Pon los bits para que almacenen −56 en complemento a dos de 8 bits. Leído como un número sin signo, ¿cuál es el valor U del patrón?

N = −568 bit
U =
26.Sistemas de numeraciónDifícil
haz clic en los bits para ponerlos012806403201608040201

Pon los bits al resultado de 8 bits de 0011 1111 XOR 0100 0011. ¿Cuál es el valor R del resultado en decimal?

0011 1111XOR0100 0011
R =
27.Lógica digital: puertas, mapas K y biestablesMedia
ABCD000111100001111000110312140517060120131151140819011010

Usa el mapa de Karnaugh para hallar la forma mínima de suma de productos (SOP) de F(A, B, C, D) = Σm(1, 2, 4, 7, 9, 14, 15). ¿Cuántos términos producto, N, tiene?

F(A, B, C, D) = Σm(1, 2, 4, 7, 9, 14, 15)
N =
28.Lógica digital: puertas, mapas K y biestablesDifícil
ABCD00011110000111100011X30204050706012113115X140809111X10

Halla la forma SOP mínima de F(A, B, C, D) = Σm(1, 11, 13, 15) + d(3, 10, 14), donde d marca las condiciones indiferentes. ¿Cuántos literales, L, contiene?

F(A, B, C, D) = Σm(1, 11, 13, 15) + d(3, 10, 14)
L =
29.Transformadas de LaplaceMedia
t (s)f(t)t = 0,5f(0,5) = ?

Halla f(t) para F(s) = 40/(s(s + 2)(s + 3)) por fracciones parciales, y evalúa f(0,5).

F(s) = 40/(s(s + 2)(s + 3))t = 0,5 s
f(0.5) =
30.Transformadas de LaplaceDifícil
t (s)y(t)t = 0,25y(0,25) = ?

Un sistema cumple y″ + 8y′ + 12y = 48·u(t), con y(0) = 2 e y′(0) = 0. En t = 0 se aplica una entrada escalón u(t) = 4. Usa la transformada de Laplace para hallar y(0,25).

y″ + 8y′ + 12y = 48·u(t)y(0) = 2y′(0) = 0u(t) = 4t = 0,25 s
y(0.25) =
31.Diagramas de bloquesMedia
R(s)+9s + 6G(s)C(s)0,2H−

Una planta G(s) = 9/(s + 6) se controla en un lazo de realimentación negativa cuyo sensor tiene ganancia H = 0,2. Se aplica un escalón de tamaño 2 en R. Halla la salida en régimen estacionario css.

G(s) = 9/(s + 6)H = 0,2R = 2
css =
32.Diagramas de bloquesDifícil
R(s)+Ks(s + 1)(s + 9)G(s)C(s)−

La planta G(s) = K/(s(s + 1)(s + 9)) está en un lazo de realimentación negativa unitaria. Usa el criterio de Routh–Hurwitz para hallar la mayor ganancia Kmax para la que el lazo cerrado es estable.

G(s) = K/(s(s + 1)(s + 9))realimentación negativa unitaria
Kmax =
33.Respuesta al escalónMedia
t (s)y(t)3tp​ = ?

Un sistema tiene la función de transferencia G(s) = 27/(s² + s + 9) y recibe una entrada escalón unitario. Halla el tiempo de pico tp de la respuesta al escalón.

G(s) = 27/(s² + s + 9)
tp = s
34.Respuesta al escalónDifícil
t (s)y(t)110 %

Un sistema de segundo orden sin ceros debe tener una respuesta al escalón con un sobreimpulso del 10 %. Halla la razón de amortiguamiento ζ.

%OS = 10 %
ζ =
35.Diagramas de Bode y márgenesMedia
|H| (dB)0,010,11101001000−60−40−20020ω (rad/s)ω = 0,5

Halla el módulo exacto |G(jω)| de G(s) = 1400/((s + 10)(s + 14)) en ω = 0,5 rad/s, en dB.

G(s) = 1400/((s + 10)(s + 14))ω = 0,5 rad/s
|G(jω)| = dB
36.Diagramas de Bode y márgenesDifícil
|H| (dB)0,10,1111010100100−80−60−40−2002040ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−270−180−900ω180​

Un lazo con realimentación unitaria tiene la función de transferencia en lazo abierto L(s) = K/(s(s + 8)(s + 9)). Halla la ganancia K que da un margen de ganancia de 20 dB.

L(s) = K/(s(s + 8)(s + 9))GM = 20 dB
K =
37.Estabilidad: Routh–Hurwitz y lugar de las raícesMedia
R(s)+Ks + 5(s − 1)(s + 1)C(s)−

La planta G(s) = (s + 5)/((s − 1)(s + 1)) tiene un polo inestable en s = 1. Una ganancia proporcional K cierra un lazo con realimentación unitaria a su alrededor. Halla la menor ganancia Kmin que hace estable el lazo cerrado.

G(s) = (s + 5)/((s − 1)(s + 1))
Kmin =
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(s + 1)(s + 10)). Halla el punto σa donde las asíntotas del lugar de las raíces cortan el eje real.

L(s) = K/(s(s + 1)(s + 10))
σa =
39.Error en régimen permanente y control PIDMedia
r(t) = 0,5·t²/2+20(s + 5)s²(s + 1)C(s)−

Se aplica la entrada parabólica r(t) = 0,5·t²/2 a un lazo con realimentación unitaria con G(s) = 20(s + 5)/(s²(s + 1)). Halla el error en régimen permanente ess.

G(s) = 20(s + 5)/(s²(s + 1))r(t) = 0,5·t²/2
ess =
40.Error en régimen permanente y control PIDDifícil
R(s)+K1s(s + 8)C(s)−

Un controlador proporcional K controla la planta G(s) = 1/(s(s + 8)) en un lazo con realimentación unitaria. Halla la ganancia K que da al lazo cerrado un coeficiente de amortiguamiento ζ = 0,6.

G(s) = 1/(s(s + 8))ζ = 0,6
K =

3Disoluciones

1.Resistencias en serie y en paralelo

Respuesta: IR2 = 0,2974 A

Resistencias en serie y en paralelo: en serie, la misma corriente pasa por cada resistencia y R = R₁ + R₂ + …. En paralelo, cada resistencia tiene la misma tensión y 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …. Una red en escalera se reduce por parejas hasta que queda una sola resistencia equivalente.

R1​ = 5 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​9 VR2​20 ΩAR4​4 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 = 15 + 4 = 19 Ω
R2 ∥ 19 = 20·19/(20+19) = 9,744 Ω
Req = R1 + 9,744 = 5 + 9,744 = 14,74 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 = 9/14,74 = 0,6104 A

Corriente por R₂

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

VA = V1 − IR1·R1 = 9 − 0,6104·5 = 5,948 V
IR2 = VA/R2 = 5,948/20 = 0,2974 A

Respuesta

IR2 = 0,2974 A
2.Resistencias en serie y en paralelo

Respuesta: Req = 17,66 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​ = 30 ΩR5​ = 25 Ω+−V1​36 VR2​10 ΩAR4​3 ΩBR6​4 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 = 25 + 4 = 29 Ω
R4 ∥ 29 = 2,719 Ω
R3 + 2,719 = 32,72 Ω
R2 ∥ 32,72 = 7,659 Ω
Req = R1 + 7,659 = 10 + 7,659 = 17,66 Ω

Respuesta

Req = 17,66 Ω
3.Análisis nodal

Respuesta: IR3 = 1,453 A

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

R1​ = 15 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​10 VR2​5 ΩAR4​8 ΩBIs​4 A

Plantea los nodos

La tierra es el cable inferior. Las tensiones de nodo conocidas salen directamente de las fuentes (V1 = 10 V). Incógnitas: VA, VB.

LCK en el nodo A

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

VA/R2 + (VA − V1)/R1 + (VA − VB)/R3 = 0
VA/5 + (VA − 10)/15 + (VA − VB)/12 = 0
0,35·VA − 0,08333·VB = 0,6667

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/8 + (VB − VA)/12 = (−4)
−0,08333·VA + 0,2083·VB = −4

Resuelve

Δ = (0,35)(0,2083) − (−0,08333)(−0,08333) = 0,06597
VA = Δ1/Δ = −0,1944/0,06597 = −2,947 V
VB = Δ2/Δ = −1,344/0,06597 = −20,38 V

Respuesta

IR3 = (VA − VB)/R3 = (−2,947 − −20,38)/12 = 1,453 A
4.Análisis nodal

Respuesta: VA = 17,53 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.

R1​ = 2 ΩR2​ = 5 ΩR4​ = 25 Ω+−V1​30 VR3​4 ΩAR5​5 ΩBIs​0,5 A−+V2​9 V

Plantea los nodos

La tierra es el cable inferior. Las tensiones de nodo conocidas salen directamente de las fuentes (V1 = 30 V, V2 = −9 V). Incógnitas: VA, VB.

LCK en el nodo A

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

VA/R3 + (VA − V1)/R1 + (VA − VB)/R2 = 0
VA/4 + (VA − 30)/2 + (VA − VB)/5 = 0
0,95·VA − 0,2·VB = 15

LCK en el nodo B

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

VB/R5 + (VB − VA)/R2 + (VB − V2)/R4 = Is
VB/5 + (VB − VA)/5 + (VB − (−9))/25 = 0,5
−0,2·VA + 0,44·VB = 0,14

Resuelve

Δ = (0,95)(0,44) − (−0,2)(−0,2) = 0,378
VA = Δ1/Δ = 6,628/0,378 = 17,53 V
VB = Δ2/Δ = 3,133/0,378 = 8,288 V

Respuesta

VA = 17,53 V
5.Análisis de mallas

Respuesta: IR3 = 0,5514 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​ = 15 Ω+−V1​12 VR3​20 ΩA+−V2​12 VI1​I2​

Asigna las corrientes de malla

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

LTK en la malla 1

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

R1·I1 + R3(I1 − I2) = V1
2·I1 + 20(I1 − I2) = 12
22·I1 − 20·I2 = 12

LTK en la malla 2

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

R2·I2 + R3(I2 − I1) = −V2
15·I2 + 20(I2 − I1) = (−12)
−20·I1 + 35·I2 = −12

Resuelve

Δ = (22)(35) − (−20)(−20) = 370
I1 = Δ1/Δ = 180/370 = 0,4865 A
I2 = Δ2/Δ = −24/370 = −0,06486 A

Respuesta

IR3 = I1 − I2 = 0,5514 A

Una corriente de malla negativa circula en sentido antihorario.

6.Análisis de mallas

Respuesta: IR4 = 1,41 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​ = 4 ΩR2​ = 20 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​24 VR4​12 ΩAR5​30 ΩB+−V2​9 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
4·I1 + 12(I1 − I2) = 24
16·I1 − 12·I2 = 24

LTK en la malla 2

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

R2·I2 + R4(I2 − I1) + R5(I2 − I3) = 0
20·I2 + 12(I2 − I1) + 30(I2 − I3) = 0
−12·I1 + 62·I2 − 30·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
20·I3 + 30(I3 − I2) = (−9)
−30·I2 + 50·I3 = −9

Resuelve

Δ = determinante de la matriz de coeficientes = 28000
I1 = Δ1/Δ = 49560/28000 = 1,77 A
I2 = Δ2/Δ = 10080/28000 = 0,36 A
I3 = Δ3/Δ = 1008/28000 = 0,036 A

Respuesta

IR4 = I1 − I2 = 1,41 A

Una corriente de malla negativa circula en sentido antihorario.

7.Superposición

Respuesta: PR2 = 5,766 W

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​ = 20 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​18 VR2​12 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 = 15+5 = 20 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 12·20/(12+20) = 7,5 Ω
VA = 18·7,5/(20+7,5) = 4,909 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 4,909·5/20 = 1,227 V
IR2′ = (VA − 0)/R2 = (4,909 − 0)/12 = 0,4091 A
R1​ = 20 ΩR3​ = 15 ΩCORTOR2​12 ΩAR4​5 ΩBIs​2,5 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 = 20·12/(20+12) = 7,5 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 5 ∥ 22,5 = 4,091 Ω
VB = Is·Req = 2,5·4,091 = 10,23 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 10,23·7,5/22,5 = 3,409 V
IR2″ = (VA − 0)/R2 = (3,409 − 0)/12 = 0,2841 A

Suma las contribuciones de corriente

IR2 = IR2′ + IR2″ = 0,4091 + 0,2841 = 0,6932 A

Potencia en la resistencia

La potencia depende del cuadrado de la corriente, así que no cumple la superposición: suma primero las corrientes y luego eleva al cuadrado.

PR2 = IR2²·R2 = 0,6932²·12 = 5,766 W

Respuesta

PR2 = 5,766 W

Sumar las potencias de los casos por separado daría 2,977 W, lo cual es incorrecto.

8.Superposición

Respuesta: PR3 = 0,5991 W

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​ = 12 ΩR2​ = 10 ΩR4​ = 2 Ω+−V1​5 VR3​20 ΩAABIERTOBCORTO

Caso 1 · V1 actuando sola

V₂ pasa a ser un cortocircuito e Iₛ un circuito abierto. Vista desde A, R₃ está en paralelo con la serie R₂+R₄.

R3 ∥ (R2+R4) = 20 ∥ 12 = 7,5 Ω
VA = 5·7,5/(12+7,5) = 1,923 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 1,923·2/12 = 0,3205 V
IR3′ = (VA − 0)/R3 = (1,923 − 0)/20 = 0,09615 A
R1​ = 12 ΩR2​ = 10 ΩR4​ = 2 ΩCORTOR3​20 ΩAIs​2 ABCORTO

Caso 2 · Is actuando sola

Ambas fuentes de tensión pasan a ser cortocircuitos. Iₛ se reparte en B entre R₄ (ahora a tierra) y R₂ en serie con R₁ ∥ R₃.

R1 ∥ R3 = 7,5 Ω, así que el camino de la izquierda es R2+7,5 = 17,5 Ω
Req = R4 ∥ 17,5 = 1,795 Ω
VB = Is·Req = 2·1,795 = 3,59 V
VA = VB·7,5/17,5 = 1,538 V
IR3″ = (VA − 0)/R3 = (1,538 − 0)/20 = 0,07692 A
R1​ = 12 ΩR2​ = 10 ΩR4​ = 2 ΩCORTOR3​20 ΩAABIERTOB−+V2​18 V

Caso 3 · V2 actuando sola

V₁ pasa a ser un cortocircuito e Iₛ un circuito abierto. R₁ ∥ R₃ cuelga de A, en serie con R₂ hasta B.

R1 ∥ R3 = 12·20/(12+20) = 7,5 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = (−18)·17,5/19,5 = −16,15 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = −16,15·7,5/17,5 = −6,923 V
IR3‴ = (VA − 0)/R3 = (−6,923 − 0)/20 = −0,3462 A

Suma las contribuciones de corriente

IR3 = IR3′ + IR3″ + IR3‴ = 0,09615 + 0,07692 + (−0,3462) = −0,1731 A

Potencia en la resistencia

La potencia depende del cuadrado de la corriente, así que no cumple la superposición: suma primero las corrientes y luego eleva al cuadrado.

PR3 = IR3²·R3 = (−0,1731)²·20 = 0,5991 W

Respuesta

PR3 = 0,5991 W

Sumar las potencias de los casos por separado daría 2,7 W, lo cual es incorrecto.

9.Thévenin y Norton

Respuesta: IL = 0,2535 A

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

R1​ = 10 ΩR3​ = 6 ΩCORTOR2​6 ΩAabRth​

Halla Rth con todas las fuentes apagadas

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

R1 ∥ R2 = 10·6/(10+6) = 3,75 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3,75 + 6 = 9,75 Ω
R1​ = 10 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​12 VR2​6 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) = 12·6/(10+6) = 4,5 V
Rth​ = 9,75 Ω+−Vth​4,5 VRL​8 ΩIL​

Conecta la carga al equivalente de Thévenin

La fuente de Thévenin y R_th en serie se comportan exactamente como el circuito original en a–b, así que la carga ve un simple lazo en serie.

IL = Vth/(Rth + RL) = 4,5/(9,75 + 8) = 0,2535 A
10.Thévenin y Norton

Respuesta: IN = 4,811 A

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

R1​ = 30 ΩR3​ = 2 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 + 2 = 10,57 Ω
R1​ = 30 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​30 VR2​12 ΩAIs​4 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) = 8,571 + 4·8,571 = 42,86 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 42,86 + 4·2 = 50,86 V
IN​4,811 ARth​10,57 Ωab

Equivalente de Norton

Una fuente de Norton es el mismo circuito visto como una fuente de corriente en paralelo con R_th. Su corriente es la corriente de cortocircuito en a–b.

IN = Vth/Rth = 50,86/10,57 = 4,811 A
11.Transitorios RC y RL

Respuesta: t = 15,2 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.

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 = 33 mH / 10 Ω = 3,3 ms
i(∞) = Vs/R = 20/10 = 2 A

Despeja el tiempo

0,99 = 1 − e−t/τ → t = −τ·ln(1 − 0,99)
t = −3,3·ln(0,01) = 15,2 ms

Respuesta

t = 15,2 ms
12.Transitorios RC y RL

Respuesta: i = 0,205 A

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

Antes de t = 0 el interruptor cerrado puentea R₂; después R₁ y R₂ están ambas en el lazo.

i(0) = 10/33 = 0,303 A
i(∞) = 10/(33 + 47) = 0,125 A
τ = L/R = 100/80 = 1,25 ms
i(t) = 0,125 + (0,303 − 0,125)·e−t/τ

Corriente en el instante dado

i(1) = 0,125 + (0,178)·e−1/1,25 = 0,205 A

Respuesta

i = 0,205 A
13.Impedancia y fasores en alterna

Respuesta: C = 101,3 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·500 = 3142 rad/s
C = 1/(ω₀²·L) = 1/(3142²·0,001) = 101,3 µF

Respuesta

C = 101,3 µF
14.Impedancia y fasores en alterna

Respuesta: I = 0,9539 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·60·22·10⁻⁶) = 120,6 Ω

Combinación en paralelo

Multiplica numerador y denominador por el conjugado complejo para separar Zp en parte real e imaginaria.

Zp = R₂·(−jXC)/(R₂ − jXC) = (R₂·XC² − jR₂²·XC)/(R₂² + XC²)
Zp = 36,03 − j11,95 Ω

Impedancia total

Z = 15 + 36,03 − j11,95 = 51,03 − j11,95 Ω
|Z| = √(51,03² + 11,95²) = 52,42 Ω

Corriente

I = V/|Z| = 50/52,42 = 0,9539 A

Respuesta

I = 0,9539 A
15.Potencia en alterna y factor de potencia

Respuesta: I = 66,67 A

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

Corriente de línea

Solo la parte activa de la potencia hace trabajo, así que divide entre el factor de potencia.

I = P/(V·cos φ) = 24000/(400·0,9) = 66,67 A

Respuesta

I = 66,67 A
16.Potencia en alterna y factor de potencia

Respuesta: cos φ = 0,7469

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 = 28·tan(arccos 0,65) = 32,74 kvar
QC = V²·2πf·C = 230²·2π·50·470·10⁻⁶ = 7811 var = 7,811 kvar
Q2 = 32,74 − 7,811 = 24,92 kvar

Nueva potencia aparente

S2 = √(28² + 24,92²) = 37,49 kVA

Nuevo factor de potencia

cos φ = P/S2 = 28/37,49 = 0,7469

Respuesta

cos φ = 0,7469
17.Potencia trifásica

Respuesta: IL = 162,4 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 = 90/0,94 = 95,74 kW

Corriente de línea

IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 95745/(√3·415·0,82) = 162,4 A

Respuesta

IL = 162,4 A
18.Potencia trifásica

Respuesta: QC = 41,49 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 = 60·tan(acos 0,7) = 60·1,02 = 61,21 kvar
Q2 = 60·tan(acos 0,95) = 60·0,3287 = 19,72 kvar

Potencia reactiva de los condensadores

QC = Q1 − Q2 = 41,49 kvar

Respuesta

QC = 41,49 kvar
19.Transformadores

Respuesta: ILV = 62,5 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 = 15000/240 = 62,5 A

Respuesta

ILV = 62,5 A
20.Transformadores

Respuesta: Ploss = 1594 W

Pérdidas del transformador: las pérdidas en el hierro (histéresis y corrientes de Foucault) dependen de la tensión y son las mismas con cualquier carga. Las pérdidas en el cobre de los devanados van con el cuadrado de la corriente, así que a una fracción x de la carga nominal valen x²·Pcu,fl. Rendimiento η = Pout/(Pout + Pcore + Pcu), con Pout = x·S·pf. El rendimiento es máximo con la carga a la que las pérdidas en el cobre igualan a las pérdidas en el hierro.

Pérdidas en el cobre con esta carga

Pcu = x²·Pcu,fl = 0,5625·1500 = 843,8 W

Pérdidas totales

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

Ploss = 750 + 843,8 = 1594 W

Respuesta

Ploss = 1594 W

El rendimiento con esta carga es η = 98,95%.

21.Circuitos con amplificador operacional

Respuesta: Vout = 0,3136 V

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

La entrada inversora sigue a la entrada

V₋ = V₊ = 0,1 V
I = V₋/R1 = 0,1/22 = 0,004545 mA

Tensión de salida

La corriente de R₁ también pasa por Rf.

Vout = V₋ + I·Rf = 0,1 + 0,004545·47 = 0,3136 V

Respuesta

Vout = 0,3136 V
22.Circuitos con amplificador operacional

Respuesta: Vout = −1,257 V

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

Corriente de entrada y pendiente de la rampa

kΩ por µF da milisegundos.

RC = 47 kΩ · 2,2 µF = 103,4 ms
pendiente de la rampa = −Vin/(RC) = −1,3/103,4 = −0,01257 V/ms

Salida en el instante dado

El valor ideal está dentro de ±Vsat, así que el integrador todavía no se ha saturado.

Vout = −Vin·t/(RC) = −1,3·100/103,4 = −1,257 V

Respuesta

Vout = −1,257 V
23.Diodos y transistores

Respuesta: VCE = 1,712 V

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 = 12·8,2/(47 + 8,2) = 1,783 V
RTH = 47·8,2/(47 + 8,2) = 6,982 kΩ

Corriente de base

LTK en la malla de base; la corriente de emisor es (β + 1)·IB.

IB = (1,783 − 0,7)/(6,982 + 101·0,47) = 19,88 µA

Corriente de colector

IC = 100·19,88 µA = 1,988 mA
IE = 101·19,88 µA = 2,008 mA

Tensión colector–emisor

VCE = 12 − 1,988·4,7 − 2,008·0,47 = 1,712 V

Respuesta

VCE = 1,712 V
24.Diodos y transistores

Respuesta: IC = 11,8 mA

El BJT como interruptor: para activar del todo una carga, el transistor se lleva a saturación, donde VCE = VCE(sat) y la corriente de colector la fija la carga: IC(sat) = (VCC − VCE(sat))/RC. La saturación necesita al menos IB = IC(sat)/β. Si la corriente de base es menor, el transistor sigue en activa e IC = β·IB.

Corriente de base

IB = (3,3 − 0,7)/33 kΩ = 78,79 µA

¿Saturado o en activa?

β·IB es mayor que IC(sat), así que el transistor se satura.

β·IB = 15,76 mA
IC(sat) = (12 − 0,2)/1000 = 11,8 mA

Corriente de colector

IC = IC(sat) = 11,8 mA

Respuesta

IC = 11,8 mA

El transistor está saturado.

25.Sistemas de numeración

Respuesta: U = 200

Poner bits: cada bit vale una potencia de dos (128, 64, …, 1). Un dígito hexadecimal son exactamente cuatro bits, y en complemento a dos de 8 bits el bit de más a la izquierda vale −128. Las operaciones bit a bit actúan sobre cada posición de bit por separado.

Invertir y sumar uno

56 = 0011 1000
invertido: 1100 0111
+1 → 1100 1000

Leerlo sin signo

1100 1000₂ = 256 − 56 = 200

Respuesta

U = 200
26.Sistemas de numeración

Respuesta: R = 124

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.

0011 1111
XOR 0100 0011
= 0111 1100

Valor del resultado

0111 1100₂ = 124

Respuesta

R = 124
27.Lógica digital: puertas, mapas K y biestables

Respuesta: N = 5

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.

ABCD000111100001111000110312140517060120131151140819011010

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
ABC
A′B′CD′
A′BC′D′

Forma SOP mínima

F = B′C′D + BCD + ABC + A′B′CD′ + A′BC′D′
N = 5

Respuesta

N = 5
28.Lógica digital: puertas, mapas K y biestables

Respuesta: L = 8

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.

Implicantes primos

Los grupos más grandes que se pueden formar con 1 y X.

B′CD, AC, A′B′D, ABD
ABCD00011110000111100011X30204050706012113115X140809111X10

Cobertura mínima

F = AC + A′B′D + ABD
L = 8

Respuesta

L = 8
29.Transformadas de Laplace

Respuesta: f(0.5) = 2,284

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).

Fracciones parciales

F(s) = A/s + B/(s + 2) + C/(s + 3)
A = 40/(2·3) = 6,667
B = 40/((−2)·1) = −20
C = 40/((−3)·(−1)) = 13,33

Transformada inversa

f(t) = 6,667 − 20·e−2t + 13,33·e−3t

Evalúa

f(0,5) = 6,667 − 20·e−2·0,5 + 13,33·e−3·0,5 = 2,284

Respuesta

f(0,5) = 2,284
30.Transformadas de Laplace

Respuesta: y(0.25) = 4,825

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

Transforma la ecuación

(s² + 8s + 12)·Y(s) = 2s + 16 + 192/s
Y(s) = (2s² + 16s + 192)/(s(s + 2)(s + 6))

Fracciones parciales

A = 192/(2·6) = 16
B = 168/((−2)·4) = −21
C = 168/((−6)·(−4)) = 7

Resultado

y(t) = 16 − 21·e−2t + 7·e−6t
y(0,25) = 4,825

Respuesta

y(0,25) = 4,825

Comprueba: y(0) = A + B + C = 2.

31.Diagramas de bloques

Respuesta: css = 2,308

Álgebra de diagramas de bloques: los bloques en serie se multiplican (G₁·G₂), los bloques en paralelo se suman (G₁ + G₂), y un lazo con camino directo G y camino de realimentación H se reduce a T = G/(1 + G·H) para realimentación negativa y G/(1 − G·H) para realimentación positiva. Reduce primero los lazos internos y avanza hacia fuera. Los polos en lazo cerrado son las raíces de la ecuación característica 1 + G(s)H(s) = 0. Para un lazo estable, una entrada escalón de tamaño A da la salida en régimen estacionario A·T(0); con realimentación unitaria el error en régimen estacionario ante un escalón es A/(1 + Kp) con Kp = G(0).

Función de transferencia en lazo cerrado

T(s) = G/(1 + G·H) = 9/(s + 6 + 1,8) = 9/(s + 7,8)

Resultado

css = R·T(0) = 2·9/7,8 = 2,308

Respuesta

css = 2,308
32.Diagramas de bloques

Respuesta: Kmax = 90

Álgebra de diagramas de bloques: los bloques en serie se multiplican (G₁·G₂), los bloques en paralelo se suman (G₁ + G₂), y un lazo con camino directo G y camino de realimentación H se reduce a T = G/(1 + G·H) para realimentación negativa y G/(1 − G·H) para realimentación positiva. Reduce primero los lazos internos y avanza hacia fuera. Los polos en lazo cerrado son las raíces de la ecuación característica 1 + G(s)H(s) = 0. Para un lazo estable, una entrada escalón de tamaño A da la salida en régimen estacionario A·T(0); con realimentación unitaria el error en régimen estacionario ante un escalón es A/(1 + Kp) con Kp = G(0).

Ecuación característica

s³ + 10s² + 9s + K = 0

Tabla de Routh

s³ | 1 9
s² | 10 K
s¹ | (10·9 − K)/10
s⁰ | K

Límite de estabilidad

Todos los elementos de la primera columna deben ser positivos.

Kmax = 10·9 = 90

Respuesta

Kmax = 90
33.Respuesta al escalón

Respuesta: tp = 1,062 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 = 9 → ωₙ = 3 rad/s
2ζωₙ = 1 → ζ = 1/(2·3) = 0,1667

Resultado

ωd = 3·√(1 − 0,1667²) = 2,958 rad/s → tp = π/ωd = 1,062 s

Respuesta

tp = 1,062 s
34.Respuesta al escalón

Respuesta: ζ = 0,5912

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).

Factor de amortiguamiento

ζ = −ln(0,1)/√(π² + ln²(0,1)) = 2,303/√(9,87 + 5,302) = 0,5912

Respuesta

ζ = 0,5912
35.Diagramas de Bode y márgenes

Respuesta: |G(jω)| = 19,98 dB

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

Multiplica los módulos

|G(j0,5)| = 1400/(√(0,5² + 10²)·√(0,5² + 14²)) = 1400/(10,01·14,01) = 9,981

Resultado

20·log₁₀(9,981) = 19,98 dB

Respuesta

|G(jω)| = 19,98 dB
36.Diagramas de Bode y márgenes

Respuesta: K = 122,4

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

Cruce de fase

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

Módulo en el cruce de fase

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

Ganancia necesaria

1224/K = 1020/20 = 10
K = 1224/10 = 122,4

Respuesta

K = 122,4
37.Estabilidad: Routh–Hurwitz y lugar de las raíces

Respuesta: Kmin = 0,2

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

(s − 1)(s + 1) + K(s + 5) = s² + (0 + K)s + (5K − 1)

Condiciones

Para s² + c₁s + c₀ todas las raíces están en el semiplano izquierdo exactamente cuando c₁ > 0 y c₀ > 0.

0 + K > 0 → K > 0
5K − 1 > 0 → K > 0,2
Kmin = 0,2

Respuesta

Kmin = 0,2
38.Estabilidad: Routh–Hurwitz y lugar de las raíces

Respuesta: σa = −3,667

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, −1, −10
n − m = 3 − 0 = 3

Centroide

σa = (−11)/3 = −3,667

Respuesta

σa = −3,667

Las 3 asíntotas parten del centroide con ángulos de 60°, 180°, 300°.

39.Error en régimen permanente y control PID

Respuesta: ess = 0,005

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 = 20·5/1 = 100

Error ante parábola

ess = 0,5/100 = 0,005

Respuesta

ess = 0,005
40.Error en régimen permanente y control PID

Respuesta: K = 44,44

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) + 1K = s² + 8s + 1K

Frecuencia natural

2·0,6·ωₙ = 8 → ωₙ = 6,667 rad/s

Ganancia

1K = ωₙ² = 44,44 → K = 44,44

Respuesta

K = 44,44

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