Análisis de Circuitos Eléctricos PDF

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Análisis de Circuitos Eléctricos Bill Erick Castillo

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Análisis de circuit os en ingeniería Hayt 7a Ed Andrés Gómez Meléndez Elect ronica de Pot encia Mohan 3ed Eric Peña Elect rónica de pot encia. Convert idores, aplicaciones y diseño Marco Ant onio

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Código de colores de las resistencias Negro Café Negro 00 1

Color de la banda Color banda Numeric value Valor numérico

Rojo 2

Naranja Amarillo Amarillo Verde Violeta Naranja Verde Azul Azul Violeta 33 44 55 66 77

Gris Gris Blanco 88 99

1er. número 1er nú mero Multiplicador Multiplicador Banda detolerancia tolerancia(ejemplo, (ejemplo,orooro  5%, Banda de = 5% 2o nú mero 2o. número plata = 10%, ninguna = 20%) plata  10%, ninguna  20%)

1. Escriba el valor numérico correspondiente a la primera banda desde la izquierda. 1. Escriba Escriba el el valor numé rico correspondiente correspondiente aalalaprimera desde la izquierda. 2. numérico segundabanda banda desde la izquierda. 2. Escriba Escriba el el número valor numé rico correspondiente a la segunda desde la izquierda 3. de ceros que indica la banda multiplicadora, la cual representa una potencia 10 (negro sin ceros adicionales, 5 1 cero, etc.) Una banda de color de oro10. indica que 3. de Escriba el nú 5mero de ceros que indicacafé la banda multiplicadora, la cualmultiplicadora representa una potencia el(negro decimal correadicionales, un lugar hacia una banda multiplicadora que que el decimal se = nsise ceros café la = izquierda; 1 cero, etc.). Una banda multiplicadorade deplata colorindica oro indica el decimal corre un lugarlahacia la izquierda; una banda multiplicadora de plata indica que el decimal se corre dosselugares hacia izquierda. corre dos de lugares hacia la izquierda.la precisión. Así que, por ejemplo, no sería una sorpresa encontrar una 4. La banda tolerancia representa 4. resistencia La banda de la precisió Así valor que, medido por ejemplo, no serí en a algún una sorpresa encontrar de tolerancia 100  conrepresenta una tolerancia de 5% ncuyo se encuentre punto dentro del una resistencia de 100rango de 95 a 105 . . Ejemplo Rojo Rojo Naranja Oro Azul Gris Oro

000 = 22 22,000 = 6.8

o 22 × 103 o 68 × 10−1

= 22 k, 5% de tolerancia = 6.8 , 20% de tolerancia

Valores estándar de resistencias con tolerancia de 5% 1.0

1.1

1.2

1.3

1.5

1.6

1.8

2.0

2.2

2.4

2.7

3.0

3.3

3.6

3.9

4.3

4.7

5.1

5.6

6.2

6.8

7.5

8.2

9.1



10.

11.

12.

13.

15.

16.

18.

20.

22.

24.

27.

30.

33.

36.

39.

43.

47.

51.

56.

62.

68.

75.

82.

91.



100 110 120 130 150 160 180 200 220 240 270 300 330 360 390 430 470 510 560 620 680 750 820 910  1.0

1.1

1.2

1.3

1.5

1.6

1.8

2.0

2.2

2.4

2.7

3.0

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3.9

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6.2

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k

10.

11.

12.

13.

15.

16.

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22.

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27.

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33.

36.

39.

43.

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51.

56.

62.

68.

75.

82.

91.

k

100 110 120 130 150 160 180 200 220 240 270 300 330 360 390 430 470 510 560 620 680 750 820 910 k 1.0

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6.2

6.8

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M

TABLA ● 14.1 Pares de transformadas de Laplace f(t) = L−1 {F(s)} δ(t) u(t) tu(t) t n−1 u(t) , n = 1, 2, . . . (n − 1)! e−αt u(t) te−αt u(t) t n−1 −αt e u(t), n = 1, 2, . . . (n − 1)!

F(s) = L{f(t)}

1 1 s 1 s2 1 sn 1 s+α 1 (s + α)2 1 (s + α)n

f(t) = L−1 {F(s)} 1 (e−αt − e−βt )u(t) β −α sen sin ωt u(t) cos ωt u(t) sin(ωt + θ) u(t) sen cos(ωt + θ) u(t) e−αt sen sin ωt u(t) e−αt cos ωt u(t)

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F(s) = L{f(t)} 1 (s + α)(s + β) ω s2 + ω2 s s2 + ω2 s sen sin θ + ω cos θ s2 + ω2 s cos θ − ω sen sin θ s2 + ω2 ω (s + α)2 + ω2 s+α (s + α)2 + ω2

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∞ 0



π

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⎧ ⎪ ⎨

sen ax dx = ⎪ x ⎩ 

sen2 x dx =

a>0 0; a = 0

− 21 π ; a < 0

π

cos2 x dx =

0

0



1 π; 2

π

 sen mx sen nx dx =

0

ym enteros cos mx cos nx dx = 0; m  = n, n yn m enteros enteros

0

0



π

π 2

π

⎧ ⎨0; m − n par sen mx cos nx dx = ⎩ 2m ; m − n impar m2 − n 2

Breve tabla de identidades trigonométricas A Short Table of Trigonometric Identities sen(α ± β) = sen α cos β ± cos α sen β cos(α ± β) = cos α cos β ∓ sen α sen β cos(α ± 90◦ ) = ∓ sen α sen(α ± 90◦ ) = ± cos α cos α cos β =

1 2

cos(α + β) + 21 cos(α − β)

sen α sen β =121cos(α − β) − 21 cos(α + β) sen α cos β = 211 sen(α + β) + 21 sen(α − β) sen 2α = 2 sen α cos α cos 2α = 2 cos2 α − 1 = 1 − 2 sen2 α = cos2 α − sen2 α sen2 α = 121(1 − cos 2α) cos2 α = 21 (1 + cos 2α) sen α =

ej α − e−j α j2

cos α =

ej α + e−j α 2

e±j α = cos α ± j sen α   −1 −B 2 2 A cos α + B sen α = A + B cos α + tan A

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TABLA ● 6.1 Resumen de circuitos básicos de amp ops Nombre

Esquema del circuito i

Rf

Amplificador inversor

Relación entrada-salida

vout sal = −

Rf vinent R1

R1 – +

i

+ vsal –

+ –

vent

Amplificador no-inversor

Rf

vsal out

  Rf vinent = 1+ R1

R1 – +

+ vsal –

vent + –

vout in sal = v ent

Seguidor de voltaje (también conocido como amplificador de ganancia unitaria)

– +

+ vsal –

vent + –

Amplificador sumador

Rf

i1 v1

+ –

v2

i2

+ –

v3

+ –

R

va

R

vb

RL

v2

+ –

R

i2

+ vsal –

i3

va vb

+ –

Rf (v1 + v2 + v3 ) R

–

R

v1

vout sal = −

+

R

Amplificador diferencia i1

i

vout sal = v2 − v1

i

– +

R R

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RL

+ vsal –

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ANÁLISIS DE CIRCUITOS EN INGENIERÍA

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ANÁLISIS DE CIRCUITOS EN INGENIERÍA SÉPTIMA EDICIÓN

William H. Hayt, Jr. (finado) Purdue University

Jack E. Kemmerly (finado) California State University

Steven M. Durbin University of Canterbury Te Whare Wa- nanga o Waitaha

Revisión técnica: Ahmed Zekkour Zekkour Jefe del Área Eléctrica Universidad Autónoma Metropolitana-Azcapotzalco

MÉXICO • BOGOTÁ • BUENOS AIRES • CARACAS • GUATEMALA • LISBOA MADRID • NUEVA YORK • SAN JUAN • SANTIAGO • SÃO PAULO • AUCKLAND LONDRES • MILÁN • MONTREAL • NUEVA DELHI • SAN FRANCISCO SINGAPUR • SAN LUIS • SIDNEY • TORONTO

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Director Higher Education: Miguel Ángel Toledo Castellanos Director editorial: Ricardo A. del Bosque Alayón Editor sponsor: Pablo E. Roig Vázquez Editora de desarrollo: Lorena Campa Rojas Supervisor de producción: Zeferino García García Traducción: Carlos Roberto Cordero Pedraza ANÁLISIS DE CIRCUITOS EN INGENIERÍA Séptima edición Prohibida la reproducción total o parcial de esta obra, por cualquier medio, sin la autorización escrita del editor.

DERECHOS RESERVADOS © 2007 respecto a la séptima edición en español por McGRAW-HILL/INTERAMERICANA EDITORES, S.A. DE C.V. A Subsidiary of The McGraw-Hill Companies, Inc. Edificio Punta Santa Fe Prolongación Paseo de la Reforma 1015, Torre A Piso 17, Colonia Desarrollo Santa Fe, Delegación Álvaro Obregón C.P. 01376, México, D. F. Miembro de la Cámara Nacional de la Industria Editorial Mexicana, Reg. Núm. 736

Fotografías de portada: Imagen de la cabina del avión © PhotoLink/Getty Images Aerogeneradores: Russell Illig/Getty Images Multímetro gráfico Fluke: Cortesía de Fluke Corporation Tarjeta de un Procesador Intel® Pentium® M (Dothan): Cortesía de Intel Corporation

ISBN-13: 978-970-10-6107-7 ISBN-10: 970-10-6107-1 (ISBN: 970-10-3694-8 edición anterior) Traducido de la séptima edición en inglés de la obra ENGINEERING CIRCUIT ANALYSIS, byWilliam H. Hayt, Jack E. Kemmerly and Steven M. Durbin. Copyright © 2007 by The McGraw-Hill Companies, Inc. All rights reserved. ISBN-10: 0-07-286611-X ISBN-13: 978-0-07-286611-7 1234567890

09865432107

Impreso en México

Printed in Mexico

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Para Sean y Kristi. La mejor parte de todos los días.

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NUESTRO COMPROMISO CON LA EXACTITUD

•

El lector tiene el derecho de esperar un libro preciso y la división de Ingeniería de McGraw-Hill invierte una cantidad de tiempo y esfuerzo considerables para asegurarse de entregarle lo que desea. A continuación se muestran los diferentes pasos que tomamos en este proceso.

NUESTRO PROCESO DE VERIFICACIÓN DE LA EXACTITUD Primera etapa

•

Paso 1: Un número significativo de profesores de ingeniería a nivel universitario revisa el manuscrito y reporta los errores al equipo editorial. Los autores revisan sus comentarios y efectúan las correcciones necesarias en su manuscrito. Segunda etapa

Paso 2: Un experto en el campo de estudio revisa cada ejemplo y ejercicio del manuscrito final para verificar la exactitud de los ejemplos, ejercicios y respuestas. Los autores revisan las correcciones que resulten y las incorporan en el manuscrito final y en el manual de soluciones. Paso 3: El manuscrito se entrega a un editor de textos, que revisa todas las páginas a fin de encontrar errores gramaticales y de estilo. Al mismo tiempo, el experto en el campo de estudio comienza a llevar a cabo una segunda revisión de la exactitud. Todas las correcciones se someten de manera simultánea a la consideración de los autores, quienes revisan e integran la edición y, posteriormente, someten las páginas del manuscrito a la composición de letras de imprenta. Tercera etapa

Paso 4: Los autores revisan sus pruebas con un doble propósito: 1) asegurarse de que se hayan efectuado de forma correcta las correcciones previas y, 2) encontrar cualquier error que no haya sido detectado. Paso 5: Se asigna al proyecto un revisor del texto para analizar las pruebas de las páginas, verificar por segunda vez el trabajo del autor, así como para adicionar un análisis crítico al libro. Se incorporan las revisiones en el nuevo lote de páginas las cuales son sometidas de nueva cuenta a verificación por parte del autor. Cuarta etapa

Paso 6: El equipo de autores somete el manual de soluciones a la persona experta en el campo de estudio, a fin de que éste compare las páginas de texto con el manual de soluciones a manera de una revisión final. Paso 7: El gerente del proyecto, el equipo editorial y el equipo del autor revisan las páginas del texto como una verificación final de su exactitud. El texto de ingeniería resultante ha pasado a través de varias etapas donde se ha asegurado su calidad y se ha verificado que se encuentre libre de errores y que sea lo más preciso posible. Nuestros autores y el grupo editorial confían que, a través de este proceso, se entregan libros de texto que sean líderes en el mercado en cuanto a su precisión e integridad técnica.

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ACERCA DE LOS AUTORES

WILLIAM H. HAYT, JR. cursó su licenciatura y maestría en la Universidad

Purdue, y su doctorado en la Universidad de Illinois. Después de pasar cuatro años en la industria, el profesor Hayt ingresó a la Facultad de Ingeniería de la Universidad Purdue, donde colaboró como profesor y jefe de la Escuela de Ingeniería Eléctrica y como profesor emérito luego de retirarse en 1986. Además de la obra Análisis de circuitos en ingeniería, el profesor Hayt es autor de otros tres libros, entre los que se incluyen Teoría electromagnética, ahora publicado en su sexta edición por McGraw-Hill. El profesor Hayt ha pertenecido a las siguientes sociedades profesionales: Eta Kappa Nu, Tau Beta Pi, Sigma Xi, Sigma Delta Chi, miembro del IEEE, ASEE y NAEB. Mientras estuvo en Purdue, recibió varios premios a la enseñanza, entre los que se cuentan el premio al mejor profesor universitario. También se encuentra en la lista del libro de grandes maestros de Purdue, un muro permanente que se exhibe en Purdue Memorial Union, donde quedó inscrito el 23 de abril de 1999. El libro lleva los nombres del grupo inaugural de 225 miembros de la facultad, del pasado y el presente, quienes dedicaron sus vidas a la excelencia en la enseñanza y la erudición. Fueron elegidos por los estudiantes y colegas como los mejores educadores de Purdue. JACK E. KEMMERLY recibió su licenciatura con grado Magna Cum Laude por parte de la Universidad Católica de América, su maestría por parte de la Universidad de Denver y su doctorado de la Universidad Purdue. Enseñó primero en esta última universidad y después trabajó como ingeniero en jefe en la División de Aeroneutrónica de Ford Motor Company. Después ingresó a la Universidad Estatal de California, en Fullerton, donde se desempeñó como profesor, director de la Facultad de Ingeniería Eléctrica, director de la División de Ingeniería y profesor emérito. El profesor Kemmerly ha pertenecido a las siguientes sociedades profesionales: Eta Kappa Nu, Tau Beta Pi, Sigma Xi, ASEE e IEEE (miembro Senior). Sus intereses fuera de la academia incluyen ser oficial de la Little League y jefe de grupo de los Boy Scouts. STEVEN M. DURBIN cursó su licenciatura, maestría y doctorado en las uni-

versidades de Purdue, West Lafayette e Indiana, respectivamente. Luego de obtener su doctorado, ingresó al Departamento de Ingeniería Eléctrica de la Universidad de Florida A&M y de la Universidad Estatal de Florida. En agosto de 2000 aceptó un puesto académico en la Universidad de Canterbury, en Christchurch, Nueva Zelanda, donde enseña circuitos, electrónica y cursos relacionados con el estado sólido; asimismo, realiza investigaciones sobre nuevos materiales aplicados a la electrónica y estructuras de dispositivos. Es miembro senior del IEEE así como miembro de Eta Kappa Nu, la Electron Devices Society, la American Physical Society y la Royal Society de Nueva Zelanda.

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PREFACIO

S

e pretende que la lectura de este libro sea una experiencia placentera, aun cuando el texto sea por necesidad científicamente riguroso y un tanto matemático. Nosotros, los autores, tratamos de compartir la idea de que el análisis de circuitos resulta entretenido. No sólo es útil y del todo esencial para el estudio de la ingeniería, sino también una maravillosa capacitación para el pensamiento lógico: es bueno incluso para aquellos que quizá nunca analicen otro circuito en su carrera profesional. Mirando retrospectivamente, luego de finalizar el curso, muchos estudiantes se sorprenden en verdad por todas las excelentes herramientas analíticas que se derivan sólo de tres leyes científicas simples: la ley de Ohm y las leyes de tensión y de corriente de Kirchhoff. En muchas universidades públicas y privadas, el curso introductorio de Ingeniería Eléctrica será precedido o estará acompañado por uno introductorio de Física, en el que se presentan los conceptos básicos de la electricidad y el magnetismo, casi siempre a partir del aspecto de campo. Sin embargo, los antecedentes de este tipo no constituyen un prerrequisito, sino que varios de los conceptos básicos esenciales de la electricidad y el magnetismo se explican (o revisan), según se necesite. Para la lectura del libro, sólo se requiere haber tomado un curso introductorio de cálculo como prerrequisito, o quizás como correquisito. Los elementos de circuito se presentan y definen aquí en términos de sus ecuaciones de circuito; sólo se ofrecen comentarios incidentales acerca de relaciones de campo pertinentes. En el pasado, tratamos de presentar el curso básico del análisis de circuitos viendo en tres o cuatro semanas la teoría del campo electromagnético, a fin de poder definir los elementos de circuito con mayor precisión, en términos de las ecuaciones de Maxwell. Los resultados, en especial con respecto de la aceptación de los estudiantes, no fueron buenos. Pretendemos que este texto ayude a los estudiantes a enseñarse a sí mismos la ciencia del análisis de circuitos. Está dirigido al estudiante, y no al ...