Introduccion Al Analisis de Circuitos Boylestad 12Edi PDF

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Introducción al análisis de circuitos decimosegunda edición B O Y L E S TA D B O Y L E S TA D Introducción al análisis de circuitos tiene una exitosa historia que abarca casi cuatro décadas; esta decimosegunda Introducción Introducción al análisis de circuitos edición continúa elevando el nivel de l...

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Introducción al análisis de circuitos decimosegunda edición

B O Y L E S TA D

B O Y L E S TA D

Esta nueva edición incorpora actualizaciones significativas derivadas de las intensas revisiones por parte de innumerables instructores que han utilizado ediciones previas como libro de texto. Entre las novedades que se presentan sobresalen las siguientes: •

Una importante renovación de los problemas de final de capítulo.

•

Cobertura actualizada de PSpice® y Multisim® con las versiones más recientes de estos programas.

•

Introducciones detalladas a tecnologías nuevas, tales como el memristor, los focos fluorescentes ahorradores de energía e instrumentos avanzados.

•

Nuevas aplicaciones agregadas en respuesta al avance en el campo.

•

Cobertura mejorada del uso de la calculadora TI-89.

Esta edición incluye los capítulos necesarios para cubrir cualquier asignatura de circuitos eléctricos. Además, en la página Web del libro se incluyen, en español, temas introductorios al análisis de circuitos, así como lo referente a las baterías de ión de litio y otros temas avanzados de electrónica.

Para mayor información visite la página Web de este libro en: www.pearsoneducacion.net/boylestad

Introducción al análisis de circuitos

Introducción al análisis de circuitos tiene una exitosa historia que abarca casi cuatro décadas; esta decimosegunda edición continúa elevando el nivel de los textos de introducción al análisis de circuitos de CD/CA y sigue siendo referencia obligada para todo profesional experimentado como el mejor texto para programas de ingeniería y tecnología.

ISBN 978-607-32-0584-9

decimosegunda edición

Introducción al análisis de circuitos B O Y L E S TA D de

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ón

INTRODUCCIÓN AL ANÁLISIS DE CIRCUITOS Decimosegunda edición

Robert L. Boylestad Traducción Rodolfo Navarro Salas Ingeniero mecánico Universidad Nacional Autónoma de México

Revisión técnica José Francisco Piñón Rizo Universidad La Salle

Víctor Alberto Salinas Reyes

Hernán de Battista

Unidad Profesional Interdisciplinaria en Ingeniería y Tecnologías Avanzadas, (UPIITA) Instituto Politécnico Nacional, México

Universidad Nacional de La Plata, Argentina

Omar Rodríguez Zalapa

Norberto Muiño

Universidad Tecnológica de Querétaro, México

Universidad Tecnológica Nacional, Facultad Regional, Buenos Aires, Argentina

Prentice Hall

Datos de catalogación bibliográfica BOYLESTAD, ROBERT L. Introducción al análisis de circuitos. Decimosegunda edición PEARSON EDUCACIÓN, México, 2011 ISBN: 978-607-32-0584-9 Área: Ingeniería Formato: 21 3 27 cm

Páginas: 928

Authorized translation from the English language edition entitled Introductory Circuit Analysis, 12th Edition, by Robert L. Boylestad, published by Pearson Education, Inc., publishing as Prentice Hall. Copyright © 2010. All rights reserved. ISBN 9780137146666 Traducción autorizada de la edición en idioma inglés titulada: Introductory Circuit Analysis, 12a Edición, por Robert L. Boylestad publicada por Pearson Education Inc., publicada como Prentice Hall. Copyright © 2010. Todos los derechos reservados. Esta edición en español es la única autorizada. Edición en español Editor:

Luis Miguel Cruz Castillo e-mail: [email protected] Editor de desarrollo: Bernardino Gutiérrez Hernández Supervisor de producción: José D. Hernández Garduño

DECIMOSEGUNDA EDICIÓN, 2011 D.R. © 2011 por Pearson Educación de México, S.A. de C.V. Atlacomulco 500-5o. piso Col. Industrial Atoto 53519, Naucalpan de Juárez, Estado de México

Cámara Nacional de la Industria Editorial Mexicana. Reg. núm. 1031. Prentice Hall es una marca registrada de Pearson Educación de México, S.A. de C.V. Reservados todos los derechos. Ni la totalidad ni parte de esta publicación pueden reproducirse, registrarse o transmitirse, por un sistema de recuperación de información, en ninguna forma ni por ningún medio, sea electrónico, mecánico, fotoquímico, magnético o electroóptico, por fotocopia, grabación o cualquier otro, sin permiso previo por escrito del editor. El préstamo, alquiler o cualquier otra forma de cesión de uso de este ejemplar requerirá también la autorización del editor o de sus representantes. ISBN VERSIÓN IMPRESA: 978-607-32-0584-9 ISBN VERSIÓN E-BOOK: 978-607-32-0585-6 ISBN E-CHAPTER: 978-607-32-0586-3 PRIMERA IMPRESIÓN Impreso en México/Printed in Mexico. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 - 14 13 12 11

Prentice Hall es una marca de

www.pearsoneducacion.net

ISBN: 978-607-32-0584-9

Prefacio Es un placer escribir el prefacio a la decimosegunda edición de un texto cuya primera edición apareció hace más de 40 años; que ha sido traducido a seis idiomas (chino, francés, coreano, portugués, español y taiwanés) y que recientemente sobrepasó la marca del millón de copias. Ofrezco mi más sincero agradecimiento a todos los que intervinieron en el proceso de publicación, así como a los usuarios del libro que consideraron que el material ha satisfecho los requerimientos de su programa académico.

•

LO NUEVO EN ESTA EDICIÓN En esta edición se hicieron los siguientes cambios: • Como a todas las anteriores, a ésta se le ha agregado material para garantizar que el contenido esté actualizado. No obstante, esta edición es en particular especial, pues hay un tratado sobre un cuarto elemento eléctrico, llamado memristor, el cual fue desarrollado por la empresa Hewlett Packard Corporation; incluso, el diseño de este nuevo elemento es el motivo de la portada de este texto. Después de haberse hablado largamente de este elemento y haber sido investigado siguiendo diferentes métodos, por fin llega a ser una realidad gracias al arribo de la nanotecnología. Otras áreas específicas de interés que se han ampliado en esta edición incluyen las almohadillas de computadora sensibles al tacto, la iluminación fluorescente comparada con la luz incandescente, los medidores rms (raíz cuadrada de la media) verdaderos, las baterías de ion de litio, las celdas de combustible, las celdas solares, los valores de capacitores ESR, los niveles de decibeles. y los osciloscopios digitales. • La sección que recibió más atención en esta revisión es el conjunto de problemas que aparece al final de cada capítulo, donde se hicieron mejoras en cuanto al contenido, variedad e integridad. En ediciones anteriores aparecían tres o cuatro partes bajo el mismo encabezado de pregunta, ahora el número se redujo a uno o dos para mejorar la transición de problemas, de los más simples a los más complejos. Se agregaron problemas nuevos más desafiantes, junto con una selección más amplia de problemas en cada nivel de dificultad. Inclusive, ahora más problemas utilizan valores de componentes estándar en lugar de los valores ficticios que antes se aplicaban con el fin de simplificar los cálculos. • Otro cambio importante ha sido la adición del anexo 7 (en el sitio Web), donde se trata el análisis de sistemas. Aunque

•

•

•

es un texto introductorio, ofrece una idea de cómo trabajar con los muchos sistemas encapsulados de que disponemos actualmente en catálogos industriales. El contenido será muy útil para la amplia variedad de temas que se pueden ver después de este curso, tales como los amplificadores operacionales, cursos de diseño y las aplicaciones industriales. La cobertura de PSpice y Multisim permanece, pero además hemos agregado un disco con software de demostración de Cadence OrCAD 16.2. Este paquete en formato DVD puede descargarse de inmediato y seguir el paso de la cobertura del material incluido en el texto. Para aquellas instituciones que utilizan la versión 10.1 de Multisim también se ofrece una cobertura detallada para la aplicación de este excelente paquete de software. También se agregaron algunos comentarios con respecto al proceso de descarga y a la aplicación para algunas configuraciones especiales. Hay más de 80 capturas de pantalla de ambos paquetes de software, descritos punto por punto. El contenido se escribió con arreglo a la suposición de que el usuario no tiene ningún conocimiento previo con la aplicación de cualquiera de estos paquetes de software. Los detalles proporcionados aquí no están disponibles en ninguna otra publicación. Se decidió eliminar el material de MathCAD que se incluía antes porque rara vez lo utilizaban los usuarios, y MathLAB surgió como la opción para quienes utilizaban este tipo de programa. La adición de MathLAB se está considerando para la siguiente edición. Como Texas Instruments ya no fabrica la calculadora TI-86 y la disponibilidad de unidades nuevas es casi nula, en esta edición ya no presentamos esta calculadora. Sin embargo, se amplió la cobertura de la TI-89 de modo que pueda ser dominada por cualquier usuario nuevo. En ocasiones puede parecer tedioso realizar una operación específica como la conversión de coordenadas polares a rectangulares o sus determinantes, pero el lector puede estar seguro de que después de algunos ejemplos el proceso se vuelve bastante sencillo y rápido. En varios capítulos se reorganizó el material para mejorar su flujo natural de lo más simple a lo más complejo. Secciones enteras se cambiaron de lugar con nuevos ejemplos para adaptarse a este flujo. Las tablas se rediseñaron en aras de mayor claridad, y varias derivaciones se ampliaron para que se comprendan mejor las operaciones implicadas.

iii

iv

⏐⏐⏐

PREFACIO

Recursos para los estudiantes • DVD. Incluido con este libro. El DVD contiene el software PSpice. También puede descargar este software desde http://www.orcad.com

Recursos para el profesor Los profesores que deseen descargar el material complementario de este libro tienen que solicitar primero una clave de acceso. Entre a www.pearsoneducacion.net/boylestad, haga clic en Educators, luego en Download Instructor Resources y finalmente en Request IRC Access. Dentro de las siguientes 48 horas recibirá un correo electrónico de confirmación con la clave de acceso. Una vez que reciba su clave, vaya nuevamente al sitio web e inicie una sesión. Ahí le darán las instrucciones completas para realizar la descarga de los siguientes materiales que se encuentran en inglés: • Manual de recursos para el profesor, el cual contiene las soluciones a los ejercicios del libro. • Notas de las presentaciones en PowerPoint. • TestGen, un banco de pruebas computarizado.

RECONOCIMIENTOS Asociadas con cada edición, hay varias personas de la comunidad académica que han contribuido al éxito del libro. Mi buen amigo, el profesor Louis Nashelsky trabajó incontables horas para obtener las capturas de pantalla del software utilizado con la precisión que se requieren. Jerry Sitbon, con sus años de experiencia, siempre ha estado dispuesto a contribuir en el aspecto práctico del material. No puedo agradecerle lo suficiente al profesor Monssen por las muchas horas que dedicó a la actualización del contenido del manual de laboratorio. Como con cualquier otra revisión, intervinieron revisores muy capaces que aportaron sugerencias y críticas que son muy

importantes para la calidad de la obra final. En esta edición, me gustaría darle las gracias a Tracy Barnes, de Hillsborough Community College; a Ron Krahe, de Penn State Erie, Behrend College; y a Peter Novak, de Queensborough Community College. También deseo agradecer a las siguientes personas: Jim Donatelli, de Texas Instruments Inc.; Nicole Gummmow, de Hewlett Packard Corp.; Erica Kaleda, de Edison Electric Institute; Cara Kugler, de Texas Instruments Inc.; Kirk A. Maust, de SolarDirect, Inc.; Cheryl Mendenhall y Josh Moorev, de Cadence Design Systems, Inc.; Rosemary Moore, de EMA Design Automation, Inc.; Shas Nautiyal, de National Instruments Inc.; Robert Putnam, de American Technology Corp.; Sabari Raja, de Texas Instruments, Inc.; Greg Roberts, de EMA Design Automation, Inc.; Barbara Shoop, de Tamara Corp. of America; Bryan Stahmer, de Hewlett Packard Corp.; Peggy Suggs, de Edison Electric Institute; Mallory Thompson, de National Instruments, Inc.; Tibor Toth, de Nippur Electronics; Debbie Van Velkinburgh, de Tektronix; Terry C. Viana, de Texas Instruments, Inc.; Mark Walters, de National Instruments Inc., y a Jo Walton, de Texas Instruments, Inc. Por último, quiero dar las gracias a Peggy Kellar por las largas horas que dedicó a la edición del manuscrito y a la corrección de pruebas, así como por asegurarse de que no me saliera de lo programado; a Philip Koplin por el proceso de corrección de estilo, y a Kelly Barber por el extenso trabajo en el manual de soluciones. Gracias sinceras para mi editor Wyatt Morris, por ocuparse de los temas logísticos para garantizar un proceso fluido y sin contratiempos. Sigo siendo afortunado de que Rex Davidson, mi buen amigo de muchos años, fuera el editor de producción porque siempre estuvo al pendiente de que el texto contuviera todos los elementos positivos que yo pudiera esperar.

Contenido breve 1

12

Ley de Ohm, potencia y energía 1

Métodos de análisis y temas seleccionados (ca) 531

2 Circuitos en serie-paralelo 35

13 Teoremas de redes (ca)

573

3 Métodos de análisis y temas seleccionados (cd) 73

14

4

15

Teoremas de red

133

Potencia (ca)

621

Resonancia 657

5

16

Capacitores 185

Decibeles, filtros y curvas de Bode 703

6 Inductores

251

17 Transformadores 777

7 Circuitos magnéticos 301

18 Sistemas polifásicos 819

8 Formas de onda senoidales alternas 327

19

9

Señales de impulso y la respuesta R-C 855

Elementos básicos y fasores 377

10

Apéndices

883

Circuitos en serie y en paralelo 425 Índice

909

11 Redes de ca en serie-paralelo 501

v

Contenido 1

3

Ley de Ohm, potencia y energía 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9

1

Introducción 1 Ley de Ohm 1 Trazo de la ley de Ohm 4 Potencia 6 Energía 9 Eficiencia 12 Cortacircuitos, interruptores de circuito por falla a tierra (GFCIS), y fusibles 15 Aplicaciones 16 Análisis con computadora 24

2 Circuitos en serie-paralelo 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 2.10 2.11

Introducción 35 Redes en serie-paralelo 35 Método de reducción y retorno 36 Método del diagrama de bloques 39 Ejemplos descriptivos 42 Redes en escalera 49 Divisor de voltaje (sin carga y con carga) 51 Carga de un potenciómetro 54 Diseño de un amperímetro, un voltímetro y un óhmmetro 56 Aplicaciones 60 Análisis con computadora 64

35

Métodos de análisis y temas seleccionados (cd) 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9 3.10 3.11 3.12 3.13 3.14

73

Introducción 73 Fuentes de corriente 73 Conversiones de fuente 75 Fuentes de corriente en paralelo 77 Fuentes de corriente en serie 79 Análisis de corrientes de rama 79 Análisis de mallas (método general) 84 Análisis de mallas (aproximación de formato) 90 Análisis nodal (método general) 94 Análisis nodal (aproximación de formato) 101 Redes en configuración de puente 105 Conversiones Y-⌬ (T-p) y ⌬-Y (p-T) 109 Aplicaciones 115 Análisis con computadora 120

4 Teoremas de red 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 4.8 4.9

133

Introducción 133 Teorema de superposición 133 Teorema de Thévenin 140 Teorema de Norton 151 Teorema de transferencia de potencia máxima 155 Teorema de Millman 164 Teorema de sustitución 167 Teorema de reciprocidad 169 Análisis con computadora 170

vii

viii

⏐⏐⏐

CONTENIDO

5

7

Capacitores 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5

185

7.1 7.2 7.3 7.4 7.5 7.6 7.7 7.8 7.9

5.7 5.8 5.9 5.10

Introducción 185 El campo eléctrico 185 Capacitancia 187 Capacitores 191 Transitorios en redes capacitivas: fase de carga 203 Transitorios en redes capacitivas: fase de descarga 210 Condiciones iniciales 217 Valores instantáneos 219 Equivalente de Thévenin: ␶ ⫽ RThC La corriente iC 223

5.11 5.12 5.13 5.14 5.15

Capacitores en serie y en paralelo 225 Energía almacenada por un capacitor 229 Capacitancias parásitas 229 Aplicaciones 230 Análisis con computadora 239

5.6

Circuitos magnéticos

220

7.10 7.11 7.12 7.13

301

Introducción 301 Campo magnético 301 Reluctancia 302 Ley de Ohm para circuitos magnéticos 302 Fuerza magnetizante 303 Histéresis 304 Ley circuital de Ampère 308 Flujo ⌽ 309 Circuitos magnéticos en serie: determinación de NI 309 Entrehierros 313 Circuitos magnéticos en serie-paralelo 315 Determinación de ⌽ 317 Aplicaciones 319

8 Formas de onda senoidales alternas 327

6 Inductores

251

6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 6.6 6.7 6.8

Introducción 251 Campo magnético 251 Inductancia 256 Voltaje inducido yL 262 Transitorios R-L: fase de almacenamiento 264 Condiciones iniciales 267 Transitorios R-L: fase de liberación 269 Equivalente de Thévenin: t ⫽ L>RTh 274

6.9 6.10 6.11 6.12 6.13 6.14 6.15

Valores instantáneos 277 Voltaje inducido promedio: yLprom 277 Inductores en serie y en paralelo 279 Condiciones de estado estable 280 Enegía almacenada por un inductor 282 Aplicaciones 283 Análisis con computadora 286

8.1 8.2 8.3 8.4 8.5 8.6 8.7 8.8 8.9 8.10 8.11

Introducción 327 Características y definiciones del voltaje de ca senoidal 328 Espectro de frecuencia 331 Forma de onda senoidal 334 Formato general del voltaje o corriente senoidal 339 Relaciones de fase 342 Valor promedio 348 Valores eficaces (rms) 354 Medidores e instrumentos de ca 360 Aplicaciones 363 Análisis con computadora 366

CONTENIDO

9

9.4 9.5 9.6 9.7 9.8 9.9 9.10 9.11 9.12 9.13

377

Circuitos en serie y en paralelo

10.6 10.7 10.8 10.9 10.10 10.11 10.12 10.13 10.14 10.15

Introducción 425 Impedancia y diagrama fasorial 425 Configuración en serie 431 Regla divisora de voltaje 438 Respuesta de frecuencia de circuitos de ca en serie 441 Resumen: circuitos de ca en serie 451 Admitancia y susceptancia 451 Redes de ca en paralelo 456 Regla divisora de corriente 463 Respuesta de frecuencia de elementos en paralelo 463 Resumen: redes de ca en paralelo 470 Circuitos equivalentes 470 Mediciones de fase 475 Aplicaciones 479 Análisis con computadora 485

Redes de ca en serie-paralelo 11.1 11.2 11.3 11.4 11.5 11.6

Introducción 377 Derivada 377 Respuesta de los elementos R, L y C básicos a un voltaje o corriente senoidal 379 Respuesta de frecuencia de los elementos básicos 387 Potencia promedio y factor de potencia 394 Números complejos 399 Forma rectangular 400 Forma polar 400 Conversión entre formas 401 Operaciones matemáticas con números complejos 403 Métodos de calculadora con números complejos 409 Fasores 411 Análisis con computadora 417

501

Introducción 501 Ejemplos ilustrativos 501 Redes en escalera 511 Conexión a tierra 512 Aplicaciones 515 Análisis con computadora 518

12 Métodos de análisis y temas seleccionados (ca) 12.1 12.2

10 10.1 10.2 10.3 10.4 10.5

ix

11

Elementos básicos y fasores 9.1 9.2 9.3

⏐⏐⏐

425

12.3 12.4 12.5 12.6 12.7 12.8

531