2 de junio de 2015 TEORÍA DE LOS CIRCUITOS I Araguás & Perez Paina Guia 4. Transformada de Laplace 1. Encontrar la transformada de Laplace de la función f (t) = e−αt [A sen(ωt) + B cos(ωt)] . 2. Encontrar la transformada de Laplace de g(t) = formada de la primitiva f (t) → F (s). d2 f (t) dt2 en función de la trans- 3. Transformar al dominio de la variable s la función excitación mostrada en la figura 1. f (t) 3 0 t 1s Figura 1: Excitación pulso 4. Transformar las relaciones tensión-corriente del inductor y capacitor del dominio del tiempo al dominio de Laplace, y armar el circuito equivalente serie y paralelo que representan las ecuaciones transformadas. 5. En t = 0 se aplica al circuito RL serie de la figura 2 una tensión continua de 55V. Encontrar la transformada de la respuesta i(t) ∀ t > 0. 470Ω 55 µ(t) i(t) 300mH Figura 2: Circuito RL. 6. El capacitor de la figura 3 tiene una carga inicial de q0 = 800 × 10−6 C con la polaridad indicada. Hallar la respuesta completa de la tensión del capacitor en el dominio de la variable s. 7. Un circuito eléctrico tiene como respuesta la corriente I(s) = 4 5 1 5 se pide: 1 , 2 s+1 +4 2 de junio de 2015 TEORÍA DE LOS CIRCUITOS I 10Ω t=0 i(t) 80V Araguás & Perez Paina q0 4µF Figura 3: Circuito RC. a. encontrar i(t), b. encontrar el valor de i(0) aplicando el teorema del valor inicial y comprobar en el tiempo, c. encontrar el valor de i(∞) aplicando el teorema del valor final y comprobar en el tiempo. 8. Encontrar la tensión del capacitor VC (s) si tiene una carga inicial de 12V con la polaridad indicada en la figura 4. 8Ω 22u(t)V vC (t) 5F 22Ω Figura 4: Cálculo de VC (s). 9. En el esquema de la figura 5 encontrar la respuesta vC (t) para t > 0 utilizando la transformada de Laplace como herramienta. La tensión inicial sobre el capacitor es cero. Datos t=0 iin = 10 sen(2π50 t) A iin vC (t) vR (t) C = 10000µF R = 20Ω Figura 5: Circuito RC paralelo. 10. Encontrar la respuesta completa de tensión en el capacitor y corriente en el inductor para t > 0 del circuito de la figura 6, indicando el tipo de amortiguamiento del sistema. Verificar por teorema de valor inicial y final que se cumplen con las condiciones iniciales y finales impuestas por el circuito. 11. Para el circuito de la figura 7 plantear el sistema de ecuaciones en términos de IL (s) y VC (s) en el dominio de Laplace, con IL (s) = L[iL (t)] y VC (s) = L[vC (t)]. 2 2 de junio de 2015 TEORÍA DE LOS CIRCUITOS I 1H Araguás & Perez Paina t=0 i(t) 10V 2Ω 0,1F Figura 6: Cálculo de la respuesta natural de tensión y corriente. t=0 V0 iL (t) RL RC L vC (t) C Figura 7: Sistema de segundo orden. 12. Para el circuito de la figura 14 encontrar la respuesta completa de tensión en el capacitor y corriente en el inductor para t > 0 del circuito de la figura 6, indicando el tipo de amortiguamiento del sistema. 2H 1 30 F 16Ω vC (t) i(t) = 10e−2t u(t) Figura 8: Función de transferencia H(s) y respuesta al impulso h(t). 13. Aplicando la transformada de Laplace, calcular vC (t)∀t > 0 según la referencia indicada en el circuito de la figura 9. 14. Para el circuito de la figura 10 se pide encontrar IL (s) y iL (t) para t > 0. 15. Para el circuito de la figura 11 se pide encontrar la corriente i1 (t). Para mayor facilidad de cálculo se aconseja utilizar las variables de estado fı́sicas del circuito para el planteo. 16. Dado el circuito de la figura 12 en el dominio de s. Encontrar I(s) y su correspondiente i(t) = L−1 [I(s)] Tiene el circuito condición inicial no nula? Verificar utilizando el TVI. Encontrar VL (s). 3 2 de junio de 2015 TEORÍA DE LOS CIRCUITOS I Araguás & Perez Paina t=0 1H t=0 50V 100V 25Ω vC (t) 50mF Figura 9: Circuito RLC con excitación constante. 0,1H t=0 100Ω iL (t) 30Ω 1A 1mF vC (t) 26u(t) Figura 10: RLC en régimen transitorio. 4Ω t=0 1V i1 (t) 1H 4Ω t=0 500mF 1V vC (t) 1H i2 (t) Figura 11: Circuito RLC. 6 2 V (s) = 3 s s+s+1 2 +1 I(s) 3s Figura 12: Dominio de s. 17. Un circuito RL serie tiene como función de transferencia H(s) = I(s) 1 = . V (s) 36 + s18 (1) Si se lo excita con un escalón v(t) = 36u(t)V , encontrar por convolución la respuesta i(t) = h(t) ∗ v(t). 18. Aplicando transformada de Laplace, encontrar iL (t) y vC (t) según se indica en 4 2 de junio de 2015 TEORÍA DE LOS CIRCUITOS I Araguás & Perez Paina el circuito de la figura 13. 4Ω 10u(t − 5)V 1H 1 3F iL (t) vC (t) Figura 13: Circuito RLC desplazado. −2t 19. Un sistema es excitado con una señal de entrada vin (t) = e . Se encuentra 4 −2t −5t −e . Hallar la respuesta al que la corriente de salida vale iout (t) = 3 e impulso h(t) del sistema. 20. Para el circuito de la figura 14 se pide calcular: a. la función de transferencia H(s) definida como H(s) = VC (s) , I(s) con I(s) = L[i(t)] y VC (s) = L[vC (t)] b. y la transformada inversa h(t) = L−1 [H(s)]. 2H 1 30 F 16Ω vC (t) i(t) = 10e−2t u(t) Figura 14: Función de transferencia H(s) y respuesta al impulso h(t). 21. Obtener la respuesta al impulso del circuito de la figura 15 considerando H(s) = IR (s) V (s) ; donde IR (s) = L[iR (t)] y V (s) = L[v(t)]. 400mH iR (t) v(t) 1000µF 10Ω Figura 15: Cálculo de respuesta al impulso. 5 2 de junio de 2015 TEORÍA DE LOS CIRCUITOS I Araguás & Perez Paina 22. Aplicando transformada de Laplace, encontrar la tensión vo (t) indicada en el circuito de la figura 16. 6Ω t = 0 311 cos(100t) 20Ω vo (t) 1000µF Figura 16: Tensión de salida. 23. Para el circuito de la figura 17 de condiciones iniciales iL (0) = 1A y vC (0) = 1V se pide: a. encontrar la respuesta completa de corriente i(t) para t > 0 utilizando el modelo de circuito equivalente de Laplace, b. decir que parte de la respuesta corresponde a la natural y cuál es la forzada. t=0 i(t) iL (t) 1µH 1µF vC (t) Figura 17: Equivalente de Laplace. 6 2 de junio de 2015 TEORÍA DE LOS CIRCUITOS I Araguás & Perez Paina Soluciones Ejercicio 1 Solución F (s) = Aω B(s + α) + 2 2 (s + α) + ω (s + α)2 + ω 2 Ejercicio 3 Solución F (s) = 3 − 3e−s s Ejercicio 4 Según las referencias del circuito de la figura 18a, la relación entre la tensión y corriente del inductor es vL (t) = LdiL (t)/dt, cuya transformada queda VL (s) = L (sIL (s) − iL (0)) = sLIL (s) − LiL (0) representado por el circuito equivalente serie de la figura 18b. Luego IL (s) = VL (s) iL (0) + sL s cuyo circuito equivalente paralelo se muestra en la figura 18c. IL (s) iL (t) IL (s) sL VL (s) L vL (t) sL VL (s) iL (0) s LiL (0) (a) (b) (c) Figura 18: Circuito equivalente de Laplace del inductor. Según las referencias del circuito de la figura 19a, la relación entre la tensión y corriente del capacitor es iC (t) = CdvC (t)/dt, cuya transformada queda IC (s) = C (sVC (s) − vC (0)) = sCVC (s) − CvC (0) 7 2 de junio de 2015 TEORÍA DE LOS CIRCUITOS I Araguás & Perez Paina IC (s) iC (t) vC (t) 1 sC IC (s) VC (s) C 1 sC VC (s) CvC (0) vC (0) s (a) (b) (c) Figura 19: Circuito equivalente de Laplace del capacitor. representado por el circuito equivalente serie de la figura 19c. Luego VC (s) = IC (s) vC (0) + sC s cuyo circuito equivalente paralelo se muestra en la figura 19b. Notar que tanto en la figura 18 como 19 el inductor y el capacitor se representan en el dominio de Laplace mediante la impedancia, donde ZL (s) = sL y ZC (s) = 1/sC. Las admitancias respectivas son YL (s) = 1/sL y YC (s) = sC. Ejercicio 5 Resolución numérica Según la LKV, la malla debe cumplir1 55 µ(t) = 470 i(t) + 300 × 10−3 di(t) dt Aplicando la transformada a ambos miembros tenemos di(t) −3 L [55µ(t)] = 470 L[i(t)] + 300 × 10 L dt 55 = 470I(s) + 300 × 10−3 (sI(s) − i(0)) s (2) la corriente inicial del circuito es i(0) = 0 debido al inductor. Despejando I(s) queda 55 s 1 55 I(s) = s 470 + 300 × 10−3 s ˆ 183, 33 I(s) = ˆ s(s + 1566, 66) I(s)(470 + 300 × 10−3 s) = 1 La función µ(t) representa la aplicación de la fuente en el tiempo t = 0. 8 (3) 2 de junio de 2015 TEORÍA DE LOS CIRCUITOS I Araguás & Perez Paina Ejercicio 6 Solución VC (s) = 120 80 + s s + 25000 Ejercicio 7 Solución 1. i(t) = 2e−5t sen(10t) 2. i(0) = lı́ms→∞ sI(s) = 0 3. i(∞) = lı́ms→0 sI(s) = 0 Ejercicio 9 Planteo Por LKC en el nudo tenemos iin (t) − iC (t) − iR (t) = 0 iin (t) = iC (t) + iR (t) d(vC (t)) vR (t) iin (t) = C + dt R (4) (5) (6) como vC (t) = vR (t) por ser un circuito paralelo, ponemos la ecuación en función de la respuesta vC (t) iin (t) = C d(vC (t)) vC (t) + dt R (7) Aplicando L[ ] a ambos miembros L [iin (t)] = Iin (s) = Iin (s) = Iin (s) + C vC (0) = 1 d(vC (t)) CL + L [vC (t)] dt R VC (s) C [s VC (s) − vC (0)] + R VC (s) s C VC (s) − C vC (0) + R 1 VC (s) s C + R (8) (9) (10) (11) despejamos VC (s) VC (s) = Iin (s) C vC (0) 1 + sC + R s C + R1 9 (12) 2 de junio de 2015 TEORÍA DE LOS CIRCUITOS I Araguás & Perez Paina Resolución numérica Para resolver la (ec. 12) calculamos Iin (s) = L [10 sen(2π50 t)] = 10 s2 100 π + (100π)2 y reemplazando tenemos ! 1 100π VC (s) = 10 2 1 s + (100π)2 s 0, 01 + 20 1 100π VC (s) = 1000 2 2 s + (100π) s+5 A A∗ B = + + s + j100π s − j100π s + 5 (13) (14) (15) Para calcular A hacemos primero 100 π s→−j100 π (s − j 100 π)(s + 5) 500 −500 A= = −j (−j 100 π + 5) 100 π + j5 A = −1, 5911 + j0, 025 A= lı́m A = 1, 5913 e 1000 j179◦ (16) (17) (18) (19) luego para calcular B B = lı́m 1000 s→−5 s2 100 π + (100 π)2 B = 3, 1823 (20) (21) reemplazando en (ec. 15) 1, 5913 e−j179 3, 1823 1, 5913 ej179 + + VC (s) = s + j100 π s − j100 π s+5 ◦ ◦ (22) cada término de la ecuación anterior tiene antitransformada conocida, quedando la vC (t) igual a vC (t) = 1, 5913 ej179 e−j 100 π t + 1, 5913 e−j179 ej 100 π t + 3, 1823 e−5 t ◦ ◦ (23) utilizando la igualdad de Euler cos(ωt) = 10 ejωt + e−jωt 2 (24) 2 de junio de 2015 TEORÍA DE LOS CIRCUITOS I Araguás & Perez Paina nos queda " ej(100 π t−179 ) + e−j(100 π t−179 vC (t) = 3, 1826 2 ◦) ◦ # + 3, 1823 e−5 t vC (t) = 3, 1826 cos(100 π t − 179◦ ) + 3, 1823 e−5 t ◦ vC (t) = 3, 1826 sen(100 π t − 89 ) + 3, 1823 e (25) (26) −5 t (27) que se grafica en la fig. 20. vC (t)[V ] 3 2 1 -1 -2 -3 1 2 3 4 t[s] Figura 20: Caı́da de tensión en el capacitor del ejercicio 3. Ejercicio 10 Planteo Según las referencias de la figura 21 la ecuación de equilibio de la malla aplicando la ley de Kirchhoff de tensiones es vC (t) − vL (t) − vR (t) = 0, (28) y las relaciones tensión-corriente de cada elemento vL (t) = L diL (t) , dt vR (t) = RiL (t), iC (t) = −C dvC (t) . dt (29) Reemplazando (29) en (28), el sistema de ecuaciones diferenciales de primer orden que modela el sistema resulta diL (t) − RiL (t) = 0, dt dvC (t) iL (t) = −C . dt vC (t) − L (30) (31) Luego, tomando la transformada de Laplace de (30) y (31) el sistema de ecuaciones algebráicas en el dominio de la variable s, queda IL (s)(sL + R) − VC (t) = 0, IL (s) + sCVC (s) = CvC (0), 11 (32) (33) 2 de junio de 2015 TEORÍA DE LOS CIRCUITOS I Araguás & Perez Paina L iL (t) vC (t) C R Figura 21: Cálculo de la respuesta natural de tensión y corriente. donde se ha considerado que iL (0) = 0A. El sistema de ecuaciones (32)-(33) puede ponerse en forma matricial sL + R −1 IL (s) 0 = . (34) 1 sC VC (s) CvC (0) Por último, se resuelve el sistema dado en (34) mediante Cramer como IL (s) = ∆1 , ∆ VC (s) = ∆2 , ∆ donde ∆ es el determinate de la matriz principal de (34), y ∆1 y ∆2 son los determinantes de la matriz sustituta 1 y 2, respectivamente. Resolución numérica El determinante de la matriz principal de (34) queda sL + R −1 = sC(sL + R) + 1 = LCs2 + RCs + 1 ∆= 1 sC = s2 + 2s + 10, el determinante sustituto 1 queda 0 −1 = −vC (0)C = 10, ∆1 = CvC (0) sC y el determinate sustituta 2 sL + R 0 = CvC (0)(sL + R) = LCvC (0)s + vC (0)RC ∆2 = 1 CvC (0) = 10s + 20. Además, al factorizar el polinomio del determinante principal ∆ = (s − s1 )(s − s2 ) las raı́ces resultan complejas conjugadas s1,2 = −1 ± j3. Por lo que la respuesta del circuito de segundo orden será subaortiguada. Y s2 + 2s + 10 = 22 + 2s + 32 + 1 = (s2 + 2s + 1) + 32 = (s + 1)2 + 32 12 2 de junio de 2015 TEORÍA DE LOS CIRCUITOS I Araguás & Perez Paina Entonces las transformadas de la corriente del inductor y de la tensión del capacitor quedan 10 10 = + 2s + 10 (s + 1)2 + 32 10s + 20 10s + 20 = . VC (s) = 2 s + 2s + 10 (s + 1)2 + 32 IL (s) = s2 (35) (36) Por último, la corriente del inductor en el dominio del tiempo se obtiene tomando la antitransformada de Laplace de (35) IL (s) = 10 3 , 3 (s + 1)2 + 32 iL (t) = L−1 {IL (s)} = 10 −t e sin(3t), 3 (37) y la tensión del capacitor tomando la antitransformada de Laplace de (36), para lo cual se opera previamente en el dominio de Laplace 10 10s + 20 10s + 10 = 2 2 2 2 (s + 1) + 3 (s + 1) + 3 (s + 1)2 + 32 s+1 3 10 = 10 + (s + 1)2 + 32 3 (s + 1)2 + 32 VC (s) = (38) (39) y se toma la antitransformada 10 vC (t) = L−1 {VC (s)} = 10e−t cos(3t) + e−t sin(3t) 3 10 = e−t 10 cos(3t) + sin(3t) . 3 Ejercicio 15 Planteo y resolución numérica Para t > 0, la suma de tensiones en las mallas es 1 = 4i1 (t) + i′1 (t) + vC (t) 0 = 4i2 (t) + i′2 (t) − vC (t) la corriente neta por el capacitor es i1 (t) − i2 (t) = C dvdtC , de donde 0 = 2i1 (t) − 2i2 (t) − vc′ (t) transformando por Laplace estas tres ecuaciones quedan 4I1 (s) + sI1 (s) − i1 (0) + VC (s) = 1/s 4I2 (s) + sI2 (s) − i2 (0) − VC (s) = 0 2I1 (s) − 2I2 s − sVC + vC (0) = 0 13 (40) (41) 2 de junio de 2015 TEORÍA DE LOS CIRCUITOS I Araguás & Perez Paina o en su forma matricial 1/s I1 (s) (s + 4) 0 1 0 (s + 4) −1 I2 (s) = 0 −1 VC (s) 2 −2 −s La corriente I1 (s) se calcula I1 (s) = ∆11 ∆p para la cual hace falta calcular el determinante sistituto ∆11 y el determinante principal. El deteminante principal de esta matriz es (s + 4) 0 1 (s + 4) −1 = −s(s + 4)2 − 2(s + 4) − 2(s + 4) ∆p = 0 2 −2 −s = −(s + 4)[s(s + 4) + 4] = −(s + 4)(s2 + 4s + 4) = −(s + 4)(s + 2)2 mientras que el sustituto se calcula 1/s 0 1 ∆11 = 0 (s + 4) −1 = −(s + 4) + (s + 4) − 2/s −1 −2 −s = −2/s entonces I1 (s) = 2 s(s + 4)(s + 2)2 Desarrollando I1 (s) en fracciones simples I1 (s) = B C D A + + + 2 s (s + 4) (s + 2) (s + 2) 1/8 1/8 1/2 I1 (s) = − − s (s + 4) (s + 2)2 donde A = 1/8, B = −1/8, C = −1/2 y D = 0 Las fracciones obtenidas son trasformadas de funciones conocidas, es decir que podemos encontrar la función en el tiempo cuya transformada se I1 (s), en efecto i1 (t) = 1 1 −4t 1 −2t − e − te 8 8 2 que se grafica en la fig. 22. 14 2 de junio de 2015 TEORÍA DE LOS CIRCUITOS I Araguás & Perez Paina i1 (t)[A] 0.125 1 2 3 4 t[s] Figura 22: Corriente de la malla 1 del circuito de la fig. 11 Ejercicio 17 Solución i(t) = 1 − e−2t u(t)A Ejercicio 22 Para t > 0, eligiendo las referencias de tensión y corriente en forma adecuada, en la malla RC se cumple IC (s) + Io (s) = 0 (42) VC (s) = Vo (s) (43) donde IC (s) = sCVC (s) − CvC (0) Vo (s) Io (s) = Ro (44) (45) siendo Ro la resistencia de 20Ω. Operando se tiene VC (s) = vC (0) = Vo (s) s + Ro1C (46) Para determinar vC (0) se puede aplicar el método fasorial y encontrar el régimen permanente en t = 0− , o buscar la respuesta forzada resolviendo la ODE no homogénea del circuito en términos de la tensión vC (t). Llamando Ri a la resistencia de 6Ω, por método fasorial, en t = 0− se cumple V̄ = V̄Ri + V̄C (47) ĪRi = ĪC + ĪRo (48) 15 2 de junio de 2015 TEORÍA DE LOS CIRCUITOS I Araguás & Perez Paina reemplazando y operando V̄ = ĪRi Ri + V̄C = ĪC + ĪRo Ri + V̄C V̄C Ri + V̄C = jωC V̄C + Ro Ri = V̄C jωCRi + +1 Ro (49) (50) (51) (52) Luego V̄C = V̄ jωCRi + Ri Ro 220 = j100 · 1 × 10−3 + +1 V̄C = 139,512 − j64,390 = 153,656 − 24,77◦ 6 20 +1 (53) (54) en t = 0 √ vC (0) = 153,65 2 cos(−24,77◦ ) = 197,3 (55) entonces Vo (s) = 197,3 vC (0) 1 = s + 50 s + Ro C (56) Antitransformando, la tensión de salida para t > 0 será vo (t) = 197,3e−50t . 16 (57)
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