Circuito Electricos Serie Schaum Tercera edicion PDF

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Summary

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Description

~~~~n"5~

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S'r ... ..--"

vutsrqponmlkjihgfedcbaZYXWVUTSRQPONMLKJIHGFEDCBA

schaunI s

Incluye 364 problemas resueltos, totalmente explicados i~I~"'---

Completa cobertura de los fundamentos y conceptos clave de los circuitos eléctricos

op a mp, señales Capítulos totalmente nuevos sobre circuitosnmlkjihgfedcbaZYXWVUTSRQPONMLKJIHGFEDCBA y formas de onda, Spice y PSpice

~41"'---

Contiene 334 problemas suplementarios con solución

C IR , C U IT O S E L E C T R IC O S

vutsrqponmlkjihgfe

T e r c e r a e d ic ió n

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J O S E P H A . E D M I N I S T E R zyxwvutsrqponmlkjihgfedcbaZYXWVUTS Profesor Emérito de Ingeniería Eléctrica Universidad

de Akron

M AHM OOD NAHVI Profesor de Ingeniería Eléctrica Universidad

Poli técnica de California

T r a d u c c ió n :

RAFAEL SANJURJO NAVARRO EDUARDO LÁZARO SÁNCHEZ PABLO DE MIGUEL RODRíGUEZ Profesores de la Universidad

Poli técnica de Madrid

M c G r a w -H ill M A D R ID · NUEVA YORK·

B U E N O S A IR E S ·

PANAMÁ·

CARACAS.

SAN JUAN·

GUATEM ALA·

SANTAFÉ DE BOGOTÁ·

L IS B O A .

M É X IC O

S A N T IA G O ·

SAO PAULO

AUCKLAND· HAMBURGO· LONDRES· MILÁN • MONTREAL· NUEVA DELHI. PARís SAN FRANCISCO· SIDNEY • SINGAPUR • STo LOUIS • TOKIO· TORONTO

(

zyxwvutsrqponmlkjihgfedcbaZYXWVUTSRQPONMLKJIHGFEDCBA

CIRCUITOS ELÉCTRICOS. Tercera edición No está permitida la reproducción total o parcial de este libro, ni su tratamiento informático, ni la transmisión de ninguna forma o por cualquier medio, ya sea electrónico, por fotocopia, por registro u otros métodos, sin el permiso previo y por escrito de los titulares del Copyright. DERECHOS RESERVADOS © 1997, respecto a la tercera edición en español por McGRAW-HILLjINTERAMERICANA DE ESPAÑA, S. A. U. Basauri, 17 Edificio Valrealty, La planta 28023 Aravaca (Madrid) Traducido de la tercera edición en inglés de SCHAUM'S OUTLlNE OF ELECTRIC CIRCUITS Copyright © MCMXCVIl by McGraw-Hill, Inc. ISBN: 0-07-018999-4 ISBN: 84-481-1061-7 Depósito legal: M. 2.673-1999 Editora: Concepción Fernández Cubierta: Juan García

1234567890

Impreso

L.1.-99

en México

Esta obra se terminó de imprimir en Julio de 1999 en Litográfica Ingramex Centeno Núm. 162-1 Col. Granjas Esmeralda Delegación Iztapalapa 09810 México, D.F.

Se tiraron 5,000 ejemplares

0876543219

Printed

in Mexico

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A . E D M IN IS T E R es Profesor Emérito de Ingeniería Eléctrica en la Universidad de Akron, en Akron, Ohio, donde también estuvo denmlkjihgfedcbaZYXWVUTSRQPONMLKJIHGFED Vicer r ecto r y Recto r en F u n cio n es d e In g en ier ía . Fue miembro de la Universidad desde 1957 hasta su retiro en 1983. En 1984 fue miembro del equipo del Congresista Dermis Eckart (D-II-0H) en un Congreso de Miembros de la IEEE. Estuvo en la Universidad de Cornell como abogado de patentevutsrqponmlkjihgfedcb y más tarde como Director de Relaciones Corporativas de la Escuela de Ingeniería, hasta su retiro en 1995. Recibió su B.S.E.E. en 1957 y su M.S.E. en 1960 en la Universidad de Akron. En 1974 recibe también su J.D. en Akron. El profesor Edminister está colegiado como ingeniero profesional en Ohio, abogado en Ohio y abogado de patentes registrado. Es autor de Teo r ía y P r o b lem a s d e E lectr o m a g n etism o d e la Ser ie SeRA u M.

JO SE PH

N A H V I es profesor de Ingeniería Eléctrica en la Universidad Poli técnica Estatal de San Luis Obispo, California. Obtuvo sus B.Sc., M.Sc. y Ph.D. en Ingeniería Eléctrica, llevando más de treinta años enseñando e investigando en este campo. Sus áreas de especial interés, y donde es experto, son teoría de circuitos, teoría de control, ingeniería de comunicaciones, procesamiento de señales, redes neuronales, control adoptivo y aprendizaje en sistemas sintéticos y en tiempo real, comunicación y control en el sistema nervioso central y educación en ingeniería. En este área ha desarrollado modelos de ordenador para circuitos eléctricos, señales y sistemas que mejoran la enseñanza y aprendizaje de ingeniería eléctrica.ZYXWVUTSRQPONMLKJIHGFEDCBA M AHM OOD

~I

C o n te n id o zyxwvutsrqponmlkjihgfedcbaZYXWVUTSRQPONMLKJIHGFEDCBA

Prefacio

,

.

si .'.'.~~'.~~~~~~~~~~~~~~:::::::::::::::::

In:~~du~i;;~it'~d~'s' '~lé'~t'r'i~~;.; .ZYXWVUTSRQPONMLKJIHGFEDCBA ~ '~ id ~ d.~d~'l' ~ 1.2. Fuerza, trabajo y potencia 1.3. Carga y corriente eléctrica 1.4. Potencial eléctrico 1.5. Energía y potencia eléctricas 1.6. Funciones constantes y variables Problemas resueltos , Problemas suplementarios

~

1.

~ 2.

Conceptos de circuitos 2.1. Elementos activos y pasivos 2.2. Convenios de signos , 2.3. Relaciones entre la tensión y la intensidad 2.4. Resistencia . ~ 2.5. Inductancia , 2.6. Capacitancia 2.7. Esquemas de circuitos , , Problemas' resueltos Problemas suplementarios "

{J

1-

Leyes de los circuitos 3.1. Introducción : , -3.2. Ley de Kirchhoff para ías tensiones 3.3. Ley de Kirchhoff para las intensidades 3.4. Elementos en serie 3.5. Elementos en paralelo 3.6. División de tensión , , Problemas resueltos., Problemas suplementarios

'

de corriente , , ,

3.

4.

. . . . . . .

,

de corriente

~ ~

Métodos de análisis...................................................................... 4.1. Método de las corrientes de rama............................................. 4.2. Método de las corrientes de malla............................................. 4.3. Matrices y determinantes.......................................................

xiiivutsrqpo

1 1 2 3 4 4 5 5 7

. . . . . . . . . .

9 9 10 11 13 13 15 16 17 23

. . . . . . .

27 27 27

28 28

30 31 . . 33 .nmlkjihgfedcbaZYXWVUTSRQ 37 41

41 42 43 v ii

viii

CONTENIDOzyxwvutsrqponmlkjihgfedcbaZYXWVUTSRQPONMLKJIHGFEDCBA

• / 4.4. )( 4.5. 4.6. 4.7. 4.8. 4.9. 4.10. Problemas Problemas

Métodos de las tensiones en los nudos Resistencia de entrada Resistencia de transferencia Simplificación de circuitos Superposición Teoremas de Thévenin y Norton Teorema de transferencia de máxima potencia resueltos suplementarios .. '

Amplificadores y circuitos con amplificadores operacionales 5.1. Modelo de un amplificador. 5.2. Realimentación en circuitos amplificadores 5.3. Amplificadores operacionales 5.4. Análisis de circuitos con ampo op. ideales 5.5. Circuito inversor 5.6. Circuito sumador 5.7. Circuito no-inversor 5.8. Seguidor de tensión 5.9. Amplificadores sustractor y diferenciador 5.10. Circuitos con varios ampo op 5.11. Circuitos integrador y derivador 5.12. Computadores analógicos 5.13. Filtro pasa-bajos 5.14. Comparador Problemas resueltos Problemas suplementarios

5.

6.

Señales 6.1. 6.2. 6.3. 6.4. 6.5. 6.6. 6.7. 6.8. 6.9. 6.10. 6.11. 6.12. Problemas Problemas

7.

y formas de onda Introducción Funciones periódicas Funciones sinusoidales Desfases temporal y angular Combinación de funciones periódicas Valores medio y eficaz Funciones no periódicas La funciónn escalón unidad La función impulso unidad La función exponencial Sinusoidales amortiguadas Señales aleatorias resueltos suplementarios

Circuitos de primer orden 7.1. Introducción

;

, '

" ~

. . . . . . . . .

45 46 47 48 49 51 53 54 65

. . . . . . . . . . . . . . . . .

71 71 73 74

78 79 80 81

83 84 85

87 90 92

93 94 113

. 117 . 117 , . 117 . 119 . 119 . 122 . 124 . 126 . 127 . 128 . 131 . 133 . 134 . 136 . 145 149 149

CONTENIDOzyxwvutsrqponml ix

7.2. 7.3. 7.4. 7.5. 7.6. 7.7. 7.8. 7.9. 7.10. 7.11. 7.12. 7.13. 7.14. 7.15. Problemas Problemas

-48.

C ir c u ito s d e o r d e n s u p e r io r y fr e c u e n c ia c o m p le ja

8.1. 8.2. 8.3. 8.4. 8.5. 8.6. 8.7. 8.8. 8.9. 8.10. Problemas Problemas X'

('

9.

('

Introducción Circuito serie RLC Circuito paralelo RLC Circuito con dos mallas Frecuencia compleja Impedancia generalizada (R, L, C) en el dominio s Función de transferencia y diagramas de polos y ceros La respuesta forzada La respuesta natural Multiplicación de impedancias y de frecuencia resueltos suplementarios

,

Introducción Respuesta de los elementos Fasores : Impedancia y admitancia División de la tensión y la corriente en el dominio de la frecuencia El método de las corrientes de malla El método de las tensiones en los nudos Teoremas de Thévenin y Norton 'o , ...•........................ resueltos suplementarios

P o te n c ia e n C A .........................................................................

10.1. 10.2.

Potencia en el dominio del tiempo........................................... Potencia en estado estacionario sinusoidal.

.

187

.

. . . . . . . . .

187 187 191 194 195 196 198 200 202 203 204 215

.

223

. .

A n á lis is d e c ir c u ito s s in u s o id a le s e n e s ta d o e s ta c io n a r io

9.1. 9.2. 9.3. 9.4. 9.5. 9.6. 9.7. 9.8. Problemas Problemas

'j( 1 0 .

Descarga de un condensador en una resistencia . 149 Aplicación de una tensión de CC a un condensador .'.. 151 CircuitonmlkjihgfedcbaZYXWVUTSRQPONMLKJIHGFEDCBA RL sin fuente . 153 Aplicación de una tensión de CC a una bobina . 155 Repaso de la función exponencial. . 156 Circuitos complejos de primer orden con RL y RC . 157 Estado estacionario con CC de bobinas y condensadores . 159 Transitorios después de la conexión . 161 Respuesta de circuitos de primer orden a un pulso . 162 Respuestas de circuitos R L Y RC a un impulso . 165 Resumen de las respuestas a escalón y a impulso de circuitos RL y RC . 166 Respuesta de circuitos RL y RC a excitaciones exponenciales súbitas . 166 Respuesta de circuitos RL y RC a excitación sinusoidal súbita . 168 Resumen de la respuesta forzada de los circuitos de primer orden . 169 resueltos . 170 183 suplementarios , .ZYXWVUTSRQPONMLKJ

. 223 . 223 . 226 . 229 . 232 . 233 . 235 236 . 237 . 252 261

:...........

261 263

CONTENIDOzyxwvutsrqponmlkjihgfedcbaZYXWVUTSRQPONMLKJIHGFEDCBA

X

10.3. Potencia media o activa....................................................... 265 10.4. Potencia reactiva............................................................... 266 10.5. Resumen de la potencia en CA paranmlkjihgfedcbaZYXWVUTSRQPONMLKJIHGFEDC R, L Y C .............................. 266 10.6. Intercambio de energía entre una bobina y un condensador............... 270 10.7. Potencia compleja, potencia aparente y triángulo de potencias............ 270 10.8. Circuitos conectados en paralelo............................................. 275 10.9. Mejora del factor de potencia.. . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 276 10.10. Potencia máxima transferida.................................................. 278 Problemas resueltos.......................................................................... 279 Problemas suplementarios................................................................... 291ZYXWVUT 1.

C ir c u ito s

p o lifá s ic o s ....................................................................

11.1. Introducción. . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.2. Sistemas bifásicos.............................................................. 11.3. Sistemas trifásicos.............................................................. 11.4. Sistemas en triángulo y en estrella........................................... 11.5. Fasores de las tensiones....................................................... 11.6. Cargas equilibradas en triángulo............................................. 11.7. Cargas equilibradas en estrella a cuatro hilos............................... 11.8. Equivalencia estrella-triángulo................................................ 11.9. Circuito monofásico equivalente de cargas trifásicas equilibradas......... 11.10. Cargas desequilibradas en triángulo.......................................... 11.11. Cargas desequilibradas en estrella............................................ 11.12. Potencia trifásica............................................................... 11.13. Medida de potencia y método de los dos vatímetros....................... Problemas resueltos.......................................................................... Problemas suplementarios... . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.

y r e s o n a n c ia ......................................... R e s p u e s ta e n fr e c u e n c ia , filtr o s edcbaZYXWVUTSRQPONMLKJIHGFEDCBA

12.1. Respuesta en frecuencia....................................................... 12.2. Circuitos pasa-altos y pasa-bajos............................................. 12.3. Frecuencias de media potencia :.... 12.4. Circuitos generalizados con dos puertas y dos impedancias................ 12.5. Respuesta en frecuencia y funciones de transferencia....................... 12.6. Respuesta en frecuencia según la localización de polos y ceros............ 12.7. Filtros ideales y reales......................................................... 12.8. Filtros activos y pasivos....................................................... 12.9. Filtros pasa-banda y resonancia.............................................. 12.10. Frecuencia natural y factor de amortiguamiento............................ 12.11. Circuito serie RLC : resonancia serie.......................................... 12.12. Factor de calidad "'..,................... 12.13. Circuito paralelo RLC : resonancia paralelo.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.14. Circuito paralelo real LC ...................................................... 12.15. Conversiones serie-paralelo.................................................... 12.16. Diagramas de localización.................................................... Problemas resueltos.......................................................................... Problemas suplementarios , . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . .

295

295 295 297 298 299 300 301 302 303 304 305 308 308 310 320 325

325 326 331 331 332 334 335 336 337 339 340 341 342 343

344 345 348 362

CONTENIDOZYXWVUTSRQP x i edcbaZY

13.

C u a d r ip o lo s .............................................................................

13.1. Terminales y puertas........................................................... Z.................................................................. 13.2. ParámetrosnmlkjihgfedcbaZYXWVUTSRQPONMLKJIHGFEDCBA 13.3. Equivalente en T de circuitos recíporcos..................................... 13.4. Parámetros y................................................................... 13.5: Equivalente en tt de circuitos recíprocos..................................... 13.6. Aplicación de las características del cuadripolo............................. 13.7. Conversión entre los parámetros Z e y...................................... 13.8. Parámetros h ,........................... 13.9. Parámetros g.................... 13.10. Parámetros de transición...................................................... 13.11. Interconexión de cuadripolos................................................. 13.12. Elección del tipo de parámetros.............................................. 13.13. Resumen de relaciones entre los parámetros................................ Problemas resueltos.......................................................................... Problemas suplementarios................................................................... ~

14.

I n d u c ta n c ia m u tu a y tr a n s fo r m a d o r e s .................................................

3 6 9 zyxwvuts

369 369

371 372

373 374 375

376 376 377 378 379 380 381 393 397

14.1. Inductancia.... .. .. .. .. . .. . .. .. 14.2. Coeficiente de acoplamiento.................................................. 14.3. Análisis de bobinas acopladas................................................ 14.4. La regla del punto :......... 14.5. Energía en dos bobinas acopladas............................................ 14.6. Circuitos conductivos equivalentes acoplados............................... 14.7. Transformador lineal.......................................................... 14.8. Transformador ideal........................................................... 14.9. Autotransformador :................ 14.10. Impedancia reflejada........................................................... Problemas resueltos.......................................................................... Problemas suplementarios...................................................................

397 399 400 402 403 404 404 407 409 410 412 425

'Spice y P S p ic e .'.......... 15.1. Spice y PSpice.................................................................. 15.2. Descripción de un circuito.................................................... 15.3. Partes de un fichero fuente de Spice......................................... 15.4. Sentencias de datos y análisis en CC......................................... 15.5. Sentencias de control y de salida en análisis de CC........................ 15.6. Equivalente Thévenin.......................................................... 15.7. Circuitos amplificadores operacionales....................................... 15.8. Estado estacionario en C. A. y respuesta en frecuencia..................... 15.9. Inductancia mutua y transformadores ~ .,. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15.10. Herramientas de modelización para la variación de parámetros........... 15.11. Respuesta en el tiempo y análisis transitorio................................ 15.12. Definición de otros tipos de fuentes.......................................... 15.13. Sumario......................................................................... Problemas resueltos.......................................................................... Problemas suplementarios...................................................................

433

15.

A n á lis is d e c ir c u ito s u s a n d o

433 433 434 435 440 443 444 447 449 450 453 453 458 460 475

x ii vutsrqponmlkjihgfedcbaZYXWVUTSRQPONMLKJIHGFEDCBA CONTENIDOedcbaZYXWVUTSRQPONMLKJIHGFEDCBA 16.

M é to d o d e la tr a n s fo r m a d a d e L a p la c e ...............................................

16.1. 16.2. 16.3. 16.4. 16.5. 16.6. 16.7. Problemas Problemas 17.

Introducción.................................................................... Transformada de Laplace..................................................... Algunas transformadas de Laplace.............