Introduccion al Analisis de Circuitos; Robert L Boylestad PDF

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DÉCIMA EDICIÓN Introducción al análisis de circuitos Robert L. Boylestad TRADUCCIÓN Ing. Carlos Mendoza Barraza Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey Campus Estado de México Ing. José de la Cera Alonso Facultad de Ingeniería Universidad Nacional Autónoma de México REVISIÓN TÉC...

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DÉCIMA EDICIÓN

Introducción al análisis de circuitos Robert L. Boylestad TRADUCCIÓN Ing. Carlos Mendoza Barraza Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey Campus Estado de México Ing. José de la Cera Alonso Facultad de Ingeniería Universidad Nacional Autónoma de México REVISIÓN TÉCNICA M. en C. Agustín Suárez Fernández Departamento de Ingeniería Eléctrica Universidad Autónoma Metropolitana Plantel Iztapalapa Dr. Juan Carlos Sánchez García Ing. Gonzalo Duchén Sánchez Sección de Estudios de Posgrado e Investigación Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Instituto Politécnico Nacional Unidad Culhuacán

® MÉXICO • ARGENTINA • BRASIL • COLOMBIA • COSTA RICA • CHILE • ECUADOR ESPAÑA • GUATEMALA • PANAMÁ • PERÚ • PUERTO RICO • URUGUAY • VENEZUELA

BOYLESTAD, ROBERT L. Introducción al análisis de circuitos PEARSON EDUCACIÓN, México, 2004 ISBN: 970-26-0448-6 Área: Universidad Formato: 21  27 cm

Páginas 1248

Authorized translation from the English language edition, entitled Introductory Circuit Analysis, Tenth Edition, by Robert L. Boylestad, published by Pearson Education, Inc., publishing as PRENTICE HALL, INC., Copyright ©2003. All rights reserved. ISBN 0-13-097417-X Traducción autorizada de la edición en idioma inglés, titulada Introductory Circuit Analysis, Tenth Edition, por Robert L. Boylestad, publicada por Pearson Education, Inc., publicada como PRENTICE HALL, INC., Copyright ©2003. Todos los derechos reservados. Esta edición en español es la única autorizada. Edición en español Editor: Supervisora de desarrollo: Supervisor de producción:

Guillermo Trujano Mendoza e-mail: [email protected] Diana Karen Montaño González Enrique Trejo Hernández

DÉCIMA EDICIÓN, 2004 D. R. © 2004 por Pearson Educación de México, S.A. de C.V. Atlacomulco No. 500-5° piso Col. Industrial Atoto 53519, Naucalpan de Juárez, Edo. de México E-mail: [email protected] 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 970-26-0448-6 Impreso en México. Printed in Mexico. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 - 05 04 03 02

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Para Else Marie Alison, Mark, Kelcy, Morgan y Cody Eric, Rachel y Samantha Stacey, Jonathan y Britt Johanna

Prefacio A medida que escribía este prefacio para la décima edición de Análisis introductorio de circuitos, me fue imposible no reflexionar sobre los pasados 34 años de su historia. Hubo momentos en que fue particularmente difícil identificar los temas que se habían actualizado, si un nuevo tema debía añadirse, si el desarrollo se encontraba a un nivel adecuado o si era matemáticamente muy complejo, si la cobertura computacional debía ser ampliada, etc. Por fortuna, sin embargo, las preguntas de los estudiantes, tanto en las sesiones de clase como en los laboratorios, en combinación con los comentarios de los colegas y revisores, me ayudaron a definir las áreas que requerían rediseñarse y los temas que debían añadirse. No obstante, en mi interés por satisfacer a todos, el libro adquirió un tamaño que me obligó a considerar seriamente la posibilidad de eliminar secciones e incluso capítulos completos. Sin embargo, la reacción general ante tal cambio fue tan negativa que me pareció mejor alternativa aceptar simplemente el hecho de que todo material nuevo podría ser considerado para su inclusión únicamente si alguna parte del libro cuyo tamaño fuese similar pudiera eliminarse. Siempre resulta interesante que, cuando me siento a escribir el prefacio para una edición, ya me encuentre al tanto de los cambios que se presentarán en la siguiente. Por ejemplo, al enfocarme sobre el área de cómputo para esta edición, sentí una fuerte necesidad de conservar las descripciones detalladas que aparecen con las aplicaciones de PSpice, Mathcad y Electronics Workbench. Sin embargo, la calidad de la literatura de apoyo ha mejorado de forma importante en años recientes, llevándome a pensar que la mayor parte del detalle será eliminada en la onceava edición; posiblemente sólo se proporcionarán los archivos de salida e impresiones. Uno de los retos que más disfruto con cada nueva edición es llegar a algo realmente innovador que apoye el proceso de aprendizaje. En la novena edición esto significó añadir numerosos ejemplos prácticos, y en la octava fue el detalle ofrecido para dar soporte a la versión Windows de PSpice. Retrocediendo hasta la quinta edición (1987), recuerdo que se discutió acerca de si era conveniente presentar el análisis por computadora en el texto con la adición de programas en BASIC. Evidentemente, hacerlo fue una decisión acertada cuando observamos la cobertura que se ofrece a tal análisis en la mayoría de los textos actuales. En otra edición, el punto medular consistió en decidir la ampliación del capítulo inicial sobre operaciones matemáticas, dado que observé que muchos estudiantes carecían de la formación adecuada para el trabajo a seguir. La revisión es un proceso con-

tinuo que ofrece un reto maravilloso para futuras ediciones. Los cambios más evidentes en esta edición están en el área de cómputo. Me encontraba satisfecho con la versión de la familia OrCAD 9.2 Lite Edition, que me permitía migrar desde la versión 8. Recuerdo que cuando finalmente me sentí seguro utilizando la versión DOS de PSpice, se presentó la versión de Windows; entonces me di cuenta de que aun cuando había desarrollado mi habilidad en el modo DOS, debía aprender ese nuevo enfoque. Al principio estuve renuente y me centraba en señalar todo aquello que no me gustaba acerca de la versión Windows. Sin embargo, mediante la práctica, y con el tiempo, advertí que evidentemente ese sería el camino del futuro; y, por supuesto, ahora aprecio el cambio. Lo mismo sucedió, en cierta forma, cuando ya estaba familiarizado con la versión 8 de PSpice y se introdujo la versión 9 (bajo un nuevo propietario titular) con varios cambios. Durante cierto periodo permanecí con la versión 8 en lugar de hacer el cambio; no obstante, la empresa Cadence Design Systems realizó un esfuerzo importante para suavizar los cambios y restablecer su cercana asociación con la versión de MicroSim. Ha llegado el momento de migrar a la nueva versión. La mayor parte de los cambios se encuentran en la interfaz de usuario y en algunas de las secuencias de simulación; sin embargo, el lector puede estar seguro de que si se encuentra familiarizado con la versión 8 y dedica algunos minutos a revisar el material introductorio de este texto, la nueva versión pronto le parecerá tan amigable como la anterior. De hecho, con seguridad agradecerá algunos de los cambios que se realizaron. Para esta edición se incorporó la versión Multisim 2001 de Electronics Workbench como respuesta a su creciente uso por parte de varias instituciones. Tiene la notable ventaja de permitir el uso de instrumentos reales para realizar las mediciones, proporcionando a los estudiantes una experiencia de laboratorio al utilizar la computadora. Por último, decidí permitir que Mathcad jugara un papel activo en el proceso de aprendizaje. En la actualidad los estudiantes son muy rápidos para aprender la forma de aplicar los paquetes de software, así que supuse que la habilidad para realizar operaciones matemáticas complejas con la computadora únicamente los incitaría a familiarizarse más con los métodos por computadora. Todavía recuerdo los tiempos en que los estudiantes permanecían sentados experimentando cierto temor cuando les mostraba la forma de realizar algunas operaciones básicas con ayuda de la computadora. En la actualidad, debo permanecer en alerta constante para responder a las preguntas que hacen y, v

vi



PREFACIO

tengo que reconocerlo, en ocasiones necesito efectuar alguna investigación antes de poder contestarles adecuadamente. La cobertura de C permanece igual como respuesta a los comentarios positivos de los usuarios actuales. Sin embargo, con la incorporación de Electronics Workbench, y apoyado en observaciones de los revisores, decidí eliminar los programas en BASIC y sus descripciones. Durante los últimos años, he recibido numerosos comentarios acerca del orden de los últimos capítulos del libro. En esta ocasión, revisé minuciosamente ese contenido y decidí que algunos de los cambios recomendados eran válidos y debían ser realizados. Sin embargo, debo admitir que el nuevo orden es principalmente resultado de mi propia experiencia de enseñanza y de cómo percibí que los temas debían ser cubiertos en un texto introductorio. El orden de las secciones numeradas en el capítulo 12 (Inductores) también fue modificado para asegurar que los temas más importantes se cubrieran al principio, y que la utilización de la ecuación general para el comportamiento transitorio se presentara lo antes posible a fin de que pudiera aplicarse a lo largo del capítulo. Otros cambios evidentes incluyen la eliminación del material que rodeaba la presentación de los superconductores debido a que las explicaciones requerían una formación más allá del nivel actual de los estudiantes. También, ahora el término rms se utiliza prácticamente de forma exclusiva en lugar de eff como sucedía en ediciones anteriores. En la descripción del álgebra fasorial, las letras A, B y C se reemplazaron por X, Y y Z para ofrecer un puente entre las operaciones matemáticas y los parámetros de red. En el capítulo 10 sobre capacitores, la ecuación general para el comportamiento transitorio se presenta lo antes posible para permitir su aplicación a lo largo del capítulo. De hecho, ahora se utiliza a lo largo del capítulo 24 de manera que los estudiantes no tengan que remitirse a las ecuaciones básicas de definición presentadas con anterioridad. En la dirección de Internet: www.pearsoneducacion.net/boylestad se encuentran ejercicios, aplicaciones prácticas y archivos de circuitos, tanto para Electronics Workbench como para Multisim. Un paquete completo de material de apoyo acompaña a este texto e incluye: Manual de soluciones para el instructor Archivo para exámenes Administrador de exámenes de Prentice Hall (banco de pruebas electrónico) Transparencias de Powerpoint® en CD-ROM Suplementos para el instructor en CD-ROM Sitio web de complemento: www.pearsoneducacion.net/boylestad

Para información sobre este material contacte al representante de Pearson Educación. De la misma forma que con cada edición, varias personas fueron de gran ayuda en el desarrollo del contenido de la presente. Mis agradecimientos más sinceros a Jerry Sitbon por tomarse el tiempo para responder a mis muchas preguntas acerca de todo tema y por ayudarme a definir el contenido en áreas específicas del texto. El profesor Franz Monssen, con su amplia experiencia en la aplicación de paquetes de software, fue muy útil en el desarrollo de la exposición de la nueva versión de PSpice. Para esta edición, la editora de desarrollo Kate Linser apoyó en la búsqueda de información específica, manteniendo un registro de todos los detalles necesarios y definiendo un canal transparente que permitió completar el texto. Un agradecimiento especial también para Sigmund Årseth por la pintura especial que honra la portada. A lo largo de los años, el equipo de producción en Columbus Ohio ha demostrado ser excelente, en todo el sentido de la palabra. Rex Davidson, editor de producción y buen amigo mío, de alguna forma consigue eliminar toda la presión que genera el proceso de producción. Mis editores, Scott Sambucci y Denis Williams, siempre están disponibles para ayudar a tomar decisiones importantes y hacer todo lo necesario con el propósito de asegurar que el texto publicado tenga todos los elementos necesarios para llegar a ser un éxito. Aprecio profundamente la capacidad de Lara Dimmick, asistente editorial, para hacerse cargo de una montaña de detalles. Mi correctora, Maggie Diehl, continúa sorprendiéndome con las preguntas y sugerencias que formula para mejorar el texto. Por último, quiero agradecer a todos ustedes, los lectores, por creer en este libro a lo largo de los años. La escritura y revisión del texto conforman un esfuerzo que me ha dado tal grado de satisfacción y gusto, que espero continúe en el futuro. No existe nada que disfrute más que atender a los comentarios de quienes actualmente usan el texto, y quizá de los usuarios de alguna de las ediciones anteriores. Les aseguro que no existirá comunicación de ustedes sin respuesta de mi parte. Mis mejores deseos para un año escolar saludable, productivo y agradable.

Reconocimientos Quiero agradecer a las siguientes personas por sus distintas aportaciones a lo largo de las muchas ediciones de este libro de texto. Derek Abbot – Universidad de Adelaida, Australia Don Abernathy – Instituto de Tecnología DeVry Andrew H. Andersen, Jr. – Colegio de la Comunidad de Brookdale James L. Antonakos – Colegio de la Comunidad Broome Sohail Anwar – Universidad Estatal de Pennsylvania Jeff Beasley – Universidad Estatal de Nuevo México Tom Bellarmine – Universidad de Florida A&M

PREFACIO

Bill Boettcher – Instituto Técnico Vocacional de Albuquerque Joe Booker – Instituto de Tecnología DeVry Mohamed Brihoum – Instituto de Tecnología DeVry O. J. Brittingham – Instituto de Tecnología DeVry Charles Bunting – Universidad Old Dominion Kern Butler – Town and Country Electric, Inc. Mauro Caputi – Universidad Hofstra Richard Cliver – Instituto de Tecnología de Rochester Joseph Coppola – Universidad Estatal de Nueva York Lester W. Cory – Universidad del Sudeste de Massachusetts Thomas M. Crapo – Colegio Ricks Gerald L. Doutt – Instituto de Tecnología DeVry John Dunbar – Instituto de Tecnología DeVry Derrek Butler Dunn – Universidad Estatal de Carolina del Norte A&T Richard Fleming – Universidad Estatal de Midwestern Marion R. Fox – Colegio Estatal de Rose Kenneth Frament – Instituto de Tecnología DeVry George Fredericks – Colegio Técnico de la Comunidad Estatal de Northeast Alberto Gomez-Rivas – Universidad de Houston Robert Herrick – Universidad de Purdue Robert J. Hofinger – Universidad de Purdue Tania Hrynewycz – Instituto de Tecnología DeVry James Hurny – Instituto de Tecnología de Rochester Frank Jump – Colegio de la Comunidad de North Seattle Rajiv Kapadia – Universidad Estatal de Minnesota Robert Katz Mohammad I. Khan – Colegio Séneca Ali Khidar – Instituto de Tecnología DeVry

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vii

Kathleen L. Kitto – Universidad Western Washington Dave Krispinsky – Instituto de Tecnología de Rochester Noel Looser – Corporación Omega M. David Luneau, Jr. – Universidad de Arkansas Bill Mack – Colegio de la Comunidad del Área de Harrisburg Leei Mao – Colegio Técnico de Greenville Robert Martin – Colegio de la Comunidad de Northern Virginia Tim Christensen – Cadence Design Systems Tom Minnich – Instituto de Tecnología de la Universidad de West Virginia Jalil Moghaddasi – Colegio de la comunidad de Bronx/CUNY Mike O’Rear – Instituto Técnico de Chattahoochee Said Oucheriah – Universidad de Northern Illinois Carol Parcels – Hewlett-Packard Corporation Jay Porter – Universidad A&M de Texas Robert Powell – Colegio de la Comunidad de Oakland Sandra L. Powell – Texas Instruments Carl E. Priode – Universidad Estatal de Shawnee Vic Quiros – Instituto de Tecnología DeVry Richard Skovhol – Universidad Aeronáutica Embry-Riddle Paul T. Svatik – Colegio de la Comunidad de Owens Barbara Sweeney – Archivos de AT&T Eric Tisdale – Universidad Estatal de Ball Domingo L. Uy – Universidad de Hampton Thomas A. Varetoni – Instituto de Tecnología DeVry Misty Watson – Instituto de Tecnología DeVry Lynda Wilkinson – Colegio de la Comunidad de North Seattle Mayor Jim Wise – Academia Naval de Estados Unidos

Resumen del contenido 1 Introducción

15 1

Circuitos de ca en serie y en paralelo

2 Corriente y voltaje

16

31

Redes de ca en serie-paralelo

3 Resistencia

629

709

17

59

Métodos de análisis y temas seleccionados (ca)

743

4 Ley de Ohm, potencia y energía

97

18 Teoremas de redes (ca)

791

5 Circuitos en serie

129

19 Potencia (ca)

849

6 Circuitos en paralelo

169

20 Resonancia

7 Redes en serie-paralelo

213

21 Transformadores

8 Métodos de análisis y temas seleccionados (cd)

Teoremas de redes

Sistemas polifásicos

Decibeles, filtros y diagramas de Bode

1017

24

375

Formas de onda de pulso y la respuesta R-C 1093

11 435

25 Circuitos no senoidales

12 Inductores

977

23

321

10

Circuitos magnéticos

935

22

255

9

Capacitores

887

473

26 Análisis de sistemas: una introducción

13 Formas de onda senoidales alternas

1123

521

Apéndices

1149

1192

14 Los elementos básicos y los fasores

575

Índice

1220 ix

Contenido 1 Introducción

1

3.4 3.5

Resistencia: unidades métricas Efectos de temperatura 67

3.6 3.7

Superconductores Tipos de resistores

3.8

Código de color y valores estándar de resistores 78

1.1 1.2

La industria eléctrica/electrónica Una historia breve 2

1.3 1.4 1.5

Unidades de medición 7 Sistemas de unidades 8 Cifras significativas, precisión y redondeo 11 Potencias de diez 12

3.9 3.10 3.11

Conductancia Ohmímetros Termistores

Celda fotoconductora Varistores 84 Aplicaciones 85

3.15

Mathcad

1.9

Conversión entre niveles de potencias de diez 18 Conversión dentro de y entre sistemas de unidades 19 Símbolos 21

3.12 3.13 3.14

1.10 1.11 1.12

Tablas de conversión 22 Calculadoras 22 Análisis por computadora 25

1.6 1.7 1.8

1

31

2.2 2.3 2.4

Corriente 33 Voltaje 36 Fuentes de alimentación fijas (cd)

2.5 2.6

Conductores y aislantes Semiconductores 48

2.7 2.8

Amperímetros y voltímetros Aplicaciones 50

81 82 83 84

90

Ley de Ohm, potencia y energía

Corriente y voltaje Los átomos y su estructura

71 74

4

2 2.1

65

31

39

97

4.1 4.2

Ley de Ohm 97 Trazado de la ley de Ohm

4.3 4.4

Potencia 102 Watímetros 105

4.5 4.6 4.7

Eficiencia 105 Energía 108 Cortacircuitos, dispositivos GFCI y fusibles

4.8 4.9

Aplicaciones 113 Análisis por computadora

99

112

118

46

5

48

Circuitos en serie

3 Resistencia

59

3.1

Introducción

3.2 3.3

Resistencia: alambres circulares 60 Tabla de calibres de alambre 63

59

129

5.1 5.2 5.3

Introducción 129 Circuitos en serie 130 Fuentes de voltaje en ser...