Análisis de circuitos en ingeniería PDF

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William H. Hayt, Jr. • Jack E. Kemmerly • Steven M. Durbin Análisis de circuitos en ingeniería Octava edición ANÁLISIS DE CIRCUITOS EN INGENIERÍA ANÁLISIS DE CIRCUITOS EN INGENIERÍA OCTAVA EDICIÓN William H. Hayt, Jr. (finado) Purdue University Jack E. Kemmerly (finado) California State University S...

Description

William H. Hayt, Jr. • Jack E. Kemmerly • Steven M. Durbin

Análisis de circuitos en ingeniería Octava edición

ANÁLISIS DE CIRCUITOS EN INGENIERÍA

ANÁLISIS DE CIRCUITOS EN INGENIERÍA OCTAVA EDICIÓN

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

Jack E. Kemmerly (finado) California State University

Steven M. Durbin University at Buffalo The State University of New York

Revisión técnica: Gloria Mata Hernández Universidad Nacional Autónoma de México

Nathan Witemberg Wudka Universidad Iberoamericana, Ciudad de México

Alejandro Vega Salinas Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey, Campus Querétaro

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

Director general México: Miguel Ángel Toledo Castellanos Editor sponsor: Pablo Roig Vázquez Coordinadora editorial: Marcela I. Rocha Martínez Editora de desarrollo: Ana Laura Delgado Rodríguez Supervisor de producción: Zeferino García García Traductor: Carlos Roberto Cordero Pedraza / Sergio Sarmiento Ortega ANÁLISIS DE CIRCUITOS EN INGENIERÍA Octava edición Prohibida la reproducción total o parcial de esta obra, por cualquier medio, sin la autorización escrita del editor.

DERECHOS RESERVADOS © 2012, 2007, 2002, 1993 respecto a la octava edición en español por McGRAW-HILL/INTERAMERICANA EDITORES, S.A. DE C.V. A Subsidiary of The McGraw-Hill Companies, Inc. 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

ISBN: 978-607-15-0802-7 ISBN (edición anterior): 978-970-10-6107-7 Traducido de la octava edición en inglés de Engineering Circuit Analysis, byWilliam H. Hayt, Jr; Jack E. Kemmerly and Steven M. Durbin. © 2012 by The McGraw-Hill Companies, Inc. All rights reserved. ISBN: 978-007-352957-8 1234567890

1345678902

Impreso en México

Printed in Mexico

Para Sean y Kristi, la mejor parte de cada día.

ACERCA DE LOS AUTORES

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WILLIAM H. HAYT, JR. cursó su licenciatura y su maestría en la Universidad de 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; es autor de otros tres libros, entre los que se incluyen Teoría electromagnética, ahora publicado en su octava 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 de Purdue. Enseñó primero en esta última universidad y después trabajó como ingeniero en jefe en la Aeronutronic Division 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 Ligue y jefe de grupo de los Boy Scouts. STEVEN M. DURBIN recibió los grados de licenciatura (B.S.), maestría (M.S.) y

doctorado (Ph.D.) en Ingeniería Eléctrica de la Universidad de Purdue, en West Lafayette, Indiana. Posteriormente trabajó con el Departamento de Ingeniería Eléctrica de la Universidad del Estado de Florida y en la Universidad A&M de Florida, antes de ingresar a la Universidad de Canterbury, en Nueva Zelanda, en 2000. Desde agosto de 2010, ha trabajado en el Campus Buffalo de la Universidad Estatal de Nueva York, donde tiene una titularidad conjunta entre los departamentos de Ingeniería Eléctrica y Física. Sus intereses académicos incluyen circuitos, electrónica, electromagnetismo, electrónica de estado sólido y nanotecnología. Sus intereses de investigación se enfocan principalmente en el desarrollo de nuevos materiales semiconductores —en especial los basados en compuestos de óxidos y nitruros— así como en nuevas estructuras de dispositivos optoelectrónicos. Es investigador fundador del Instituto MacDiarmid para Materiales Avanzados y Nanotecnología, un centro nacional de excelencia en investigación de Nueva Zelanda, y es coautor de más de 100 publicaciones técnicas. Es miembro numerario de IEEE y miembro de Eta Kappa Nu, Electron Devices Society, la AVS (American Vacuum Society), American Physical Society y Royal Society of New Zealand.

vii

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CONTENIDO BREVE

PREFACIO xiii 1

●

INTRODUCCIÓN

1

2

●

COMPONENTES BÁSICOS Y CIRCUITOS ELÉCTRICOS

3

●

LEYES DE TENSIÓN Y DE CORRIENTE

4

●

ANÁLISIS NODAL Y DE MALLA BÁSICOS

5

●

TÉCNICAS ÚTILES PARA EL ANÁLISIS DE CIRCUITOS

6

●

EL AMPLIFICADOR OPERACIONAL

7

●

CAPACITORES E INDUCTORES

8

●

CIRCUITOS RL Y RC BÁSICOS

9

●

CIRCUITO RLC

10

●

ANÁLISIS DE ESTADO SENOIDAL PERMANENTE

11

●

ANÁLISIS DE POTENCIA EN CIRCUITOS DE CA

12

●

CIRCUITOS POLIFÁSICOS

13

●

CIRCUITOS ACOPLADOS MAGNÉTICAMENTE

14

●

FRECUENCIA COMPLEJA Y TRANSFORMADA DE LAPLACE

15

●

ANÁLISIS DE CIRCUITOS EN EL DOMINIO s

16

●

RESPUESTA EN FRECUENCIA

17

●

REDES DE DOS PUERTOS

18

●

ANÁLSIS DE CIRCUITOS POR FOURIER

9

39 79 123

175 217

261

321 371 421

457 493

571

619 687 733

Apéndice 1 INTRODUCCIÓN A LA TOPOLOGÍA DE REDES

791

Apéndice 2 SOLUCIÓN DE ECUACIONES SIMULTÁNEAS

803

Apéndice 3 UNA PRUEBA DEL TEOREMA DE THÉVENIN

811

Apéndice 4 TUTORIAL DE PSpice®

533

813

Apéndice 5 NÚMEROS COMPLEJOS

817

Apéndice 6 UN BREVE TUTORIAL DE MATLAB®

827

Apéndice 7 TEOREMAS ADICIONALES DE LA TRANSFORMADA DE LAPLACE ÍNDICE ANALÍTICO

839

ALGUNAS TABLAS DE UTILIDAD

viii

851

837

CONTENIDO

CAPÍTULO 1

INTRODUCCIÓN 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5

Panorama general del texto 2 Relación del análisis de circuitos con la ingeniería 4 Análisis y diseño 5 Análisis asistido por computadora 6 Estrategias exitosas para la resolución de problemas 7 LECTURAS ADICIONALES 8

CAPÍTULO 2

COMPONENTES BÁSICOS Y CIRCUITOS ELÉCTRICOS 9 2.1 2.2 2.3 2.4

Unidades y escalas 9 Carga, corriente, tensión (voltaje) y potencia 11 Fuentes de tensión y de corriente 17 Ley de Ohm 22 RESUMEN Y REPASO 28 LECTURAS ADICIONALES 29 EJERCICIOS 29

4.5 4.6

•

Comparación entre el análisis nodal y el de malla 101 Análisis de circuitos asistido por computadora 103 RESUMEN Y REPASO 107 LECTURAS ADICIONALES 109 EJERCICIOS 109

CAPÍTULO 5

TÉCNICAS ÚTILES PARA EL ANÁLISIS DE CIRCUITOS 123 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6

Linealidad y superposición 123 Transformaciones de fuentes 133 Circuitos equivalentes de Thévenin y Norton 141 Transferencia de potencia máxima 152 Conversión delta-estrella 154 Selección de un procedimiento: comparación de diversas técnicas 157 RESUMEN Y REPASO 158 LECTURAS ADICIONALES 159 EJERCICIOS 159

CAPÍTULO 6 CAPÍTULO 3

EL AMPLIFICADOR OPERACIONAL 175

LEYES DE TENSIÓN Y DE CORRIENTE 39

6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 6.6

3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8

Nodos, trayectorias, lazos y ramas 39 Ley de corrientes de Kirchhoff 40 Ley de tensión de Kirchhoff 42 El circuito de un solo lazo 46 El circuito de un par de nodos 49 Fuentes conectadas en serie y en paralelo 51 Resistencias en serie y en paralelo 55 División de tensión y de corriente 61 RESUMEN Y REPASO 66 LECTURAS ADICIONALES 67 EJERCICIOS 67

CAPÍTULO 4

ANÁLISIS NODAL Y DE MALLA BÁSICOS 79 4.1 4.2 4.3 4.4

Análisis nodal 80 El supernodo 89 Análisis de malla 92 La supermalla 98

Antecedentes 175 El amp op ideal: una introducción amable 176 Etapas en cascada 184 Circuitos de fuentes de tensión y de corriente 188 Consideraciones prácticas 192 Los comparadores y el amplificador de instrumentación 203 RESUMEN Y REPASO 206 LECTURAS ADICIONALES 207 EJERCICIOS 208

CAPÍTULO 7

CAPACITORES E INDUCTORES 217 7.1 7.2 7.3 7.4 7.5 7.6

El capacitor 217 El inductor 225 Combinación de inductancia y capacitancia 235 Consecuencias de la linealidad 238 Circuitos de amp op simples con capacitores 240 Dualidad 242

ix

x 7.7

CONTENIDO

Construcción de modelos de capacitores e inductores con PSpice 245 RESUMEN Y REPASO 247 LECTURAS ADICIONALES 249 EJERCICIOS 249

CAPÍTULO 8

CIRCUITOS RL Y RC BÁSICOS 261 8.1 8.2 8.3 8.4 8.5 8.6 8.7 8.8 8.9

El circuito RL sin fuente 261 Propiedades de la respuesta exponencial 268 Circuito RC sin fuente 272 Una perspectiva más general 275 La función escalón unitario 282 Accionamiento de circuitos RL 286 Respuestas natural y forzada 289 Accionamiento de circuitos RC 295 Predicción de la respuesta de circuitos conmutados secuencialmente 300 RESUMEN Y REPASO 300 LECTURAS ADICIONALES 308 EJERCICIOS 309

CAPÍTULO 11

ANÁLISIS DE POTENCIA EN CIRCUITOS DE CA 421 11.1 11.2 11.3 11.4 11.5

Potencia instantánea 422 Potencia promedio o activa 424 Valores eficaces de corriente y de tensión 433 Potencia aparente y factor de potencia 438 Potencia compleja 441 RESUMEN Y REPASO 447 LECTURAS ADICIONALES 449 EJERCICIOS 449

CAPÍTULO 12

CIRCUITOS POLIFÁSICOS 457 12.1 12.2 12.3 12.4 12.5

Sistemas polifásicos 458 Sistemas monofásicos de tres hilos 460 Conexión Y-Y trifásica 464 Conexión delta () 470 Medición de potencia en sistemas trifásicos 476 RESUMEN Y REPASO 484 LECTURAS ADICIONALES 485 EJERCICIOS 486

CAPÍTULO 9

CIRCUITO RLC 321

CAPÍTULO 13

9.1 9.2 9.3 9.4 9.5 9.6 9.7

CIRCUITOS ACOPLADOS MAGNÉTICAMENTE 493

Circuito en paralelo sin fuente 321 Circuito RLC en paralelo sobreamortiguado 326 Amortiguamiento crítico 334 Circuito RLC en paralelo subamortiguado 338 Circuito RLC en serie sin fuente 345 Respuesta completa del circuito RLC 351 Circuito LC sin pérdidas 359 RESUMEN Y REPASO 361 LECTURAS ADICIONALES 363 EJERCICIOS 363

CAPÍTULO 10

ANÁLISIS DE ESTADO SENOIDAL PERMANENTE 371 10.1 10.2 10.3 10.4 10.5 10.6 10.7 10.8

Características de las senoidales 371 Respuesta forzada a funciones senoidales 374 Función forzada compleja 377 El fasor 383 Impedancia y admitancia 389 Análisis nodal y de malla 394 Superposición, transformaciones de fuente y teorema de Thévenin 397 Diagramas fasoriales 406 RESUMEN Y REPASO 404 LECTURAS ADICIONALES 410 EJERCICIOS 410

13.1 13.2 13.3 13.4

Inductancia mutua 493 Consideraciones energéticas 501 El transformador lineal 505 El transformador ideal 512 RESUMEN Y REPASO 522 LECTURAS ADICIONALES 523 EJERCICIOS 523

CAPÍTULO 14

FRECUENCIA COMPLEJA Y TRANSFORMADA DE LAPLACE 533 14.1 14.2 14.3 14.4 14.5 14.6 14.7

Frecuencia compleja 533 Función forzada senoidal amortiguada 537 Definición de la transformada de Laplace 540 Transformadas de Laplace de funciones de tiempo simples 543 Técnicas de la transformada inversa 546 Teoremas fundamentales para la transformada de Laplace 553 Teoremas del valor inicial y del valor final 561 RESUMEN Y REPASO 564 LECTURAS ADICIONALES 565 EJERCICIOS 565

CONTENIDO

CAPÍTULO 15

CAPÍTULO 18

ANÁLISIS DE CIRCUITOS EN EL DOMINO s 571

ANÁLISIS DE CIRCUITOS POR FOURIER 733

15.1 15.2 15.3 15.4 15.5 15.6 15.7 15.8

18.1 18.2 18.3 18.4 18.5 18.6 18.7

Z(s) y Y(s) 571 Análisis nodal y de malla en el dominio s 578 Técnicas adicionales de análisis de circuitos 585 Polos, ceros y funciones de transferencia 588 Convolución 589 Plano de frecuencia compleja 598 Respuesta natural y el plano s 602 Técnica para sintetizar la razón de tensión H(s)  Vsal兾Vent 606 RESUMEN Y REPASO 610 LECTURAS ADICIONALES 611 EJERCICIOS 612

CAPÍTULO 16

RESPUESTA EN FRECUENCIA 619 16.1 16.2 16.3 16.4 16.5 16.6 16.7 16.8

Resonancia en paralelo 619 Ancho de banda y circuitos de alta Q 627 Resonancia en serie 633 Otras formas resonantes 637 Escalamiento (o ajuste) 644 Diagramas de Bode 648 Diseño de filtros básicos 663 Diseño avanzado de filtros 672 RESUMEN Y REPASO 677 LECTURAS ADICIONALES 679 EJERCICIOS 679

CAPÍTULO 17

REDES DE DOS PUERTOS 687 17.1 17.2 17.3 17.4 17.5 17.6

Redes de un puerto 687 Parámetros de admitancia 692 Algunas redes equivalentes 699 Parámetros de impedancia 708 Parámetros híbridos 713 Parámetros de transmisión 716 RESUMEN Y REPASO 720 LECTURAS ADICIONALES 721 EJERCICIOS 722

Forma trigonométrica de la serie de Fourier 733 Uso de la simetría 743 Respuesta completa a funciones forzadas periódicas 748 Forma compleja de la serie de Fourier 750 Definición de la transformada de Fourier 757 Algunas propiedades de la transformada de Fourier 761 Pares de transformadas de Fourier de algunas funciones del tiempo simples 764 18.8 Transformada de Fourier de una función del tiempo periódica general 769 18.9 Función del sistema y respuesta en el dominio de la frecuencia 770 18.10 Significado físico de la función del sistema 777 RESUMEN Y REPASO 782 LECTURAS ADICIONALES 783 EJERCICIOS 783

APÉNDICE 1

INTRODUCCIÓN A LA TOPOLOGÍA DE REDES 791

APÉNDICE 2

SOLUCIÓN DE ECUACIONES SIMULTÁNEAS 803

APÉNDICE 3

UNA PRUEBA DEL TEOREMA DE THÉVENIN 811

APÉNDICE 4

TUTORIAL DE PSpice® 813

APÉNDICE 5

NÚMEROS COMPLEJOS 817

APÉNDICE 6

UN BREVE TUTORIAL DE MATLAB® 827

APÉNDICE 7

TEOREMAS ADICIONALES DE LA TRANSFORMADA DE LAPLACE 833

ÍNDICE ANALÍTICO 839 ALGUNAS TABLAS DE UTILIDAD 851

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PREFACIO

•

E

l público al que va dirigido un libro define su contenido, y es un factor importante en las decisiones grandes y pequeñas, especialmente en lo que se refiere tanto al ritmo como al estilo general de escritura. En consecuencia, es primordial observar que los autores han tomado la decisión consciente de escribir este libro para el estudiante, y no para el profesor. Nuestra filosofía subyacente es que la lectura del libro debe ser placentera, a pesar del nivel de detalle técnico que deba tener. Cuando vemos en retrospectiva a la primera edición de Análisis de circuitos en ingeniería, es claro que se desarrolló específicamente para ser más una conversación que un discurso seco y aburrido acerca de un conjunto de temas fundamentales. Para mantener el estilo conversacional, hemos tenido que trabajar ampliamente en la actualización del libro de modo que siga hablando al grupo cada vez más diverso de estudiantes que lo usan en todo el mundo. Aunque en muchos programas de ingeniería el curso introductorio de circuitos está precedido o acompañado de un curso introductorio de física en el que se explican la electricidad y el magnetismo (usualmente desde una perspectiva de campo), esto no es necesario para usar este libro. Después de terminar el curso, muchos estudiantes se encuentran verdaderamente asombrados de que un conjunto tan amplio de herramientas analíticas se pueden deducir de sólo tres sencillas leyes científicas: la ley de Ohm y las leyes de Kirchhoff de voltaje y corriente. Los primeros seis capítulos suponen que el estudiante está familiarizado solamente con el álgebra y las ecuaciones simultáneas; los capítulos siguientes suponen que se está tomando en paralelo un primer curso de cálculo (derivadas e integrales). Más allá de esto, hemos tratado de incorporar suficientes detalles para permitir que el libro se lea por sí solo. Entonces, ¿qué rasgos clave se han incluido en el diseño de este libro teniendo en mente al estudiante? Primero, los capítulos individuales se organizan en sub-secciones relativamente cortas, cada una de ellas con un solo tema principal. El idioma se ha actualizado para que siga siendo coloquial y para que fluya con naturalidad. Se usa color para destacar la información importante, y no solamente para mejorar la estética del diseño de página, y se proporciona espacio para escribir notas pequeñas y preguntas. Los términos nuevos se definen cada vez que se introducen, y se incluyen estratégicamente ejemplos para demostrar no únicamente los conceptos básicos, sino también los procedimientos de resolución de problemas. Los problemas se colocan cerca de ejemplos, de modo que los estudiantes puedan probar las técnicas antes de intentar resolver los ejercicios de fin de capítulo. Los ejercicios representan una amplia gama de dificultades, generalmente se ordenan de sencillos a complejos y se agrupan de acuerdo con la sección pertinente de cada capítulo. Las respuestas a los ejercicios de fin de capítulo seleccionados con número impar se publican en el sitio de internet del libro en www.mhhe.com/haytdurbin8e. La ingeniería es una materia de estudio intenso, y los estudiantes con frecuencia tienen que enfrentarse a fechas límite y a considerables cargas de trabajo. Esto no significa, sin embargo, que los libros de texto tengan que ser secos y solemnes, o que el trabajo de clase no debe contener elementos de diversión. De hecho, resolver victoriosamente un problema con frecuencia es divertido, y aprender cómo hacerlo puede también serlo. Determinar cómo lograr esto de la mejor manera dentro del contexto de un libro de texto es un proceso continuo. Los autores siempre se han apoyado en la retroalimentación, a veces muy franca, que reciben de sus propios estudiantes en la Universidad de Purdue, la Universidad Estatal de California en Fullerton, el Colegio Fort Lewis en Durango, el Programa Conjunto de Ingeniería en la Universidad A&M

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xiv

PREFACIO

de Florida y en ...