introducción al análisis de circuitos

BOYLESTAD

• Unaimportanterenovacióndelosproblemasdefinaldecapítulo.

• CoberturaactualizadadePSpice

• Introduccionesdetalladasatecnologíasnuevas,talescomoelmemristor, losfocosfluorescentesahorradoresdeenergíaeinstrumentosavanzados.

• Nuevasaplicacionesagregadasenrespuestaalavanceenelcampo.

• CoberturamejoradadelusodelacalculadoraTI-89.

Estaediciónincluyeloscapítulosnecesariosparacubrircualquierasignaturadecircuitoseléctricos.Además,enlapáginaWebdellibroseincluyen,enespañol,temasintroductoriosalanálisisdecircuitos,asícomoloreferentealasbateríasdeión

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decimosegunda edición

Introducciónal análisis de circuitos

Introd

ucciónalanálisisd

ecircuitos

ISBN 978-607-32-0584-9

Introducciónalanálisisdecircuitos

introducciónalanálisisdecircuitosdeCD/CAysiguesiendo

comoelmejortextoparaprogramasdeingenieríaytecnología.

Introducciónalanálisisdecircuitos

INTRODUCCIÓN AL

ANÁLISIS DE CIRCUITOS

Robert L. Boylestad

INTRODUCCIÓN AL

ANÁLISIS DE CIRCUITOS

Decimosegunda edición

Prentice Hall

Traducción

Rodolfo Navarro SalasIngeniero mecánico

Universidad Nacional Autónoma de México

Revisión técnica

José Francisco Piñón RizoUniversidad La Salle

Víctor Alberto Salinas Reyes Hernán de BattistaUnidad Profesional Interdisciplinaria Universidad Nacional de La Plata,

en Ingeniería y Tecnologías Avanzadas, Argentina

(UPIITA)

Instituto Politécnico Nacional, México

Omar Rodríguez Zalapa Norberto MuiñoUniversidad Tecnológica de Querétaro, Universidad Tecnológica Nacional,

México Facultad Regional,

Buenos Aires, Argentina

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

Prentice Hall

es una marca de

Authorized translation from the English language edition entitled Introductory Circuit Analysis, 12th Edition, by Robert L. Boylestad, pu-blished 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 publi-cada 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 Castilloe-mail: [email protected]

Editor de desarrollo: Bernardino Gutiérrez HernándezSupervisor 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. pisoCol. Industrial Atoto53519, 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 sistemade recuperación de información, en ninguna forma ni por ningún medio, sea electrónico, mecánico, fotoquímico, magnético o electro-óptico, 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 repre-sentantes.

ISBN VERSIÓN IMPRESA: 978-607-32-0584-9ISBN VERSIÓN E-BOOK: 978-607-32-0585-6ISBN E-CHAPTER: 978-607-32-0586-3

PRIMERA IMPRESIÓNImpreso en México/Printed in Mexico.

1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 - 14 13 12 11

www.pearsoneducacion.net ISBN: 978-607-32-0584-9

Es un placer escribir el prefacio a la decimosegunda edición de un texto cuya primera edición apareció hace más de 40años; que ha sido traducido a seis idiomas (chino, francés,coreano, portugués, español y taiwanés) y que recientementesobrepasó 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 queconsideraron que el material ha satisfecho los requerimientosde su programa académico.

LO NUEVO EN ESTA EDICIÓNEn esta edición se hicieron los siguientes cambios:

• Como a todas las anteriores, a ésta se le ha agregado ma-terial para garantizar que el contenido esté actualizado. Noobstante, esta edición es en particular especial, pues hay untratado sobre un cuarto elemento eléctrico, llamado mem-

ristor, el cual fue desarrollado por la empresa HewlettPackard Corporation; incluso, el diseño de este nuevo ele-mento es el motivo de la portada de este texto. Después dehaberse hablado largamente de este elemento y haber sidoinvestigado siguiendo diferentes métodos, por fin llega aser una realidad gracias al arribo de la nanotecnología.Otras áreas específicas de interés que se han ampliado enesta edición incluyen las almohadillas de computadorasensibles al tacto, la iluminación fluorescente compara-da con la luz incandescente, los medidores rms (raíz cua-drada 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 oscilos-copios digitales.

• La sección que recibió más atención en esta revisión es elconjunto de problemas que aparece al final de cada capítulo,donde se hicieron mejoras en cuanto al contenido, variedade integridad. En ediciones anteriores aparecían tres o cuatropartes bajo el mismo encabezado de pregunta, ahora el nú-mero se redujo a uno o dos para mejorar la transición deproblemas, de los más simples a los más complejos. Se agre-garon problemas nuevos más desafiantes, junto con una se-lección más amplia de problemas en cada nivel de difi-cultad. Inclusive, ahora más problemas utilizan valores decomponentes estándar en lugar de los valores ficticios queantes se aplicaban con el fin de simplificar los cálculos.

• Otro cambio importante ha sido la adición del anexo 7 (enel sitio Web), donde se trata el análisis de sistemas. Aunque

es un texto introductorio, ofrece una idea de cómo traba-jar con los muchos sistemas encapsulados de que dispone-mos actualmente en catálogos industriales. El contenidoserá muy útil para la amplia variedad de temas que sepueden ver después de este curso, tales como los amplifi-cadores operacionales, cursos de diseño y las aplicacionesindustriales.

• La cobertura de PSpice y Multisim permanece, pero ade-más hemos agregado un disco con software de demos-tración de Cadence OrCAD 16.2. Este paquete en formatoDVD puede descargarse de inmediato y seguir el paso de la cobertura del material incluido en el texto. Para aquellasinstituciones que utilizan la versión 10.1 de Multisim tam-bién se ofrece una cobertura detallada para la aplicación de este excelente paquete de software. También se agre-garon algunos comentarios con respecto al proceso dedescarga y a la aplicación para algunas configuraciones especiales.

• Hay más de 80 capturas de pantalla de ambos paquetes desoftware, descritos punto por punto. El contenido se es-cribió con arreglo a la suposición de que el usuario no tieneningún conocimiento previo con la aplicación de cualquierade estos paquetes de software. Los detalles proporcionadosaquí no están disponibles en ninguna otra publicación. Sedecidió eliminar el material de MathCAD que se incluíaantes porque rara vez lo utilizaban los usuarios, y Math-LAB surgió como la opción para quienes utilizaban estetipo de programa. La adición de MathLAB se está con-siderando para la siguiente edición.

• Como Texas Instruments ya no fabrica la calculadora TI-86y la disponibilidad de unidades nuevas es casi nula, en estaedición ya no presentamos esta calculadora. Sin embargo,se amplió la cobertura de la TI-89 de modo que pueda serdominada por cualquier usuario nuevo. En ocasiones puedeparecer tedioso realizar una operación específica como laconversión de coordenadas polares a rectangulares o susdeterminantes, pero el lector puede estar seguro de que después de algunos ejemplos el proceso se vuelve bastan-te sencillo y rápido.

• En varios capítulos se reorganizó el material para mejorarsu flujo natural de lo más simple a lo más complejo. Seccio-nes enteras se cambiaron de lugar con nuevos ejemplospara adaptarse a este flujo. Las tablas se rediseñaron en arasde mayor claridad, y varias derivaciones se ampliaron paraque se comprendan mejor las operaciones implicadas.

iii

PrefacioPrefacio

Recursos para los estudiantes• DVD. Incluido con este libro. El DVD contiene el software

PSpice. También puede descargar este software desdehttp://www.orcad.com

Recursos para el profesorLos profesores que deseen descargar el material complemen-tario de este libro tienen que solicitar primero una clave de acceso. Entre a www.pearsoneducacion.net/boylestad, hagaclic en Educators, luego en Download Instructor Resources

y finalmente en Request IRC Access. Dentro de las siguientes48 horas recibirá un correo electrónico de confirmación con laclave de acceso. Una vez que reciba su clave, vaya nueva-mente al sitio web e inicie una sesión. Ahí le darán las instruc-ciones completas para realizar la descarga de los siguientesmateriales que se encuentran en inglés:

• Manual de recursos para el profesor, el cual contiene lassoluciones a los ejercicios del libro.

• Notas de las presentaciones en PowerPoint.

• TestGen, un banco de pruebas computarizado.

RECONOCIMIENTOSAsociadas con cada edición, hay varias personas de la comu-nidad académica que han contribuido al éxito del libro. Mi buenamigo, el profesor Louis Nashelsky trabajó incontables horaspara obtener las capturas de pantalla del software utilizado conla precisión que se requieren. Jerry Sitbon, con sus años de experiencia, siempre ha estado dispuesto a contribuir en el as-pecto práctico del material. No puedo agradecerle lo suficienteal profesor Monssen por las muchas horas que dedicó a la ac-tualización del contenido del manual de laboratorio.

Como con cualquier otra revisión, intervinieron revisoresmuy capaces que aportaron sugerencias y críticas que son muy

importantes para la calidad de la obra final. En esta edición, megustaría darle las gracias a Tracy Barnes, de HillsboroughCommunity College; a Ron Krahe, de Penn State Erie,Behrend College; y a Peter Novak, de Queensborough Com-munity College.

También deseo agradecer a las siguientes personas: Jim Donatelli, de Texas Instruments Inc.; Nicole Gummmow, deHewlett Packard Corp.; Erica Kaleda, de Edison Electric Ins-titute; Cara Kugler, de Texas Instruments Inc.; Kirk A. Maust,de SolarDirect, Inc.; Cheryl Mendenhall y Josh Moorev, deCadence Design Systems, Inc.; Rosemary Moore, de EMADesign Automation, Inc.; Shas Nautiyal, de National Instru-ments Inc.; Robert Putnam, de American Technology Corp.;Sabari Raja, de Texas Instruments, Inc.; Greg Roberts, deEMA Design Automation, Inc.; Barbara Shoop, de TamaraCorp. 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 TexasInstruments, 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 laslargas horas que dedicó a la edición del manuscrito y a la co-rrección de pruebas, así como por asegurarse de que no mesaliera de lo programado; a Philip Koplin por el proceso decorrección de estilo, y a Kelly Barber por el extenso trabajo en el manual de soluciones. Gracias sinceras para mi editorWyatt Morris, por ocuparse de los temas logísticos para ga-rantizar un proceso fluido y sin contratiempos. Sigo siendoafortunado de que Rex Davidson, mi buen amigo de muchosaños, fuera el editor de producción porque siempre estuvo alpendiente de que el texto contuviera todos los elementos po-sitivos que yo pudiera esperar.

iv PREFACIO

v

Contenido breveContenido breve

1Ley de Ohm, potencia y energía 1

2Circuitos en serie-paralelo 35

3Métodos de análisis y temas seleccionados (cd) 73

4Teoremas de red 133

5Capacitores 185

6Inductores 251

7Circuitos magnéticos 301

8Formas de onda senoidales alternas 327

9Elementos básicos y fasores 377

10Circuitos en serie y en paralelo 425

11Redes de ca en serie-paralelo 501

12Métodos de análisis y temas seleccionados (ca) 531

13Teoremas de redes (ca) 573

14Potencia (ca) 621

15Resonancia 657

16Decibeles, filtros y curvas de Bode 703

17Transformadores 777

18Sistemas polifásicos 819

19Señales de impulso y la respuesta R-C 855

Apéndices 883

Índice 909

vii

ContenidoContenido

1Ley de Ohm, potencia y energía 1

1.1 Introducción 1

1.2 Ley de Ohm 1

1.3 Trazo de la ley de Ohm 4

1.4 Potencia 6

1.5 Energía 9

1.6 Eficiencia 12

1.7 Cortacircuitos, interruptores de circuito por falla a tierra (GFCIS), y fusibles 15

1.8 Aplicaciones 16

1.9 Análisis con computadora 24

2Circuitos en serie-paralelo 35

2.1 Introducción 35

2.2 Redes en serie-paralelo 35

2.3 Método de reducción y retorno 36

2.4 Método del diagrama de bloques 39

2.5 Ejemplos descriptivos 42

2.6 Redes en escalera 49

2.7 Divisor de voltaje (sin carga y con carga) 51

2.8 Carga de un potenciómetro 54

2.9 Diseño de un amperímetro, un voltímetro y un óhmmetro 56

2.10 Aplicaciones 60


3Métodos de análisis y temas seleccionados (cd) 73


3.2 Fuentes de corriente 73

3.3 Conversiones de fuente 75

3.4 Fuentes de corriente en paralelo 77

3.5 Fuentes de corriente en serie 79

3.6 Análisis de corrientes de rama 79

3.7 Análisis de mallas (método general) 84

3.8 Análisis de mallas (aproximación de formato) 90

3.9 Análisis nodal (método general) 94

3.10 Análisis nodal (aproximación de formato) 101

3.11 Redes en configuración de puente 105

3.12 Conversiones Y-� (T-p) y �-Y (p-T) 109



4Teoremas de red 133


4.2 Teorema de superposición 133

4.3 Teorema de Thévenin 140

4.4 Teorema de Norton 151

4.5 Teorema de transferencia de potenciamáxima 155

4.6 Teorema de Millman 164

4.7 Teorema de sustitución 167

4.8 Teorema de reciprocidad 169


5Capacitores 185


5.2 El campo eléctrico 185

5.3 Capacitancia 187

5.4 Capacitores 191

5.5 Transitorios en redes capacitivas: fase de carga 203

5.6 Transitorios en redes capacitivas: fase de descarga 210

5.7 Condiciones iniciales 217

5.8 Valores instantáneos 219

5.9 Equivalente de Thévenin: � � RThC 220

5.10 La corriente iC 223

5.11 Capacitores en serie y en paralelo 225

5.12 Energía almacenada por un capacitor 229

5.13 Capacitancias parásitas 229



6Inductores 251


6.2 Campo magnético 251

6.3 Inductancia 256

6.4 Voltaje inducido yL 262

6.5 Transitorios R-L: fase de almacenamiento 264

6.6 Condiciones iniciales 267

6.7 Transitorios R-L: fase de liberación 269

6.8 Equivalente de Thévenin: t � L>RTh 274

6.9 Valores instantáneos 277

6.10 Voltaje inducido promedio: yLprom 277

6.11 Inductores en serie y en paralelo 279

6.12 Condiciones de estado estable 280

6.13 Enegía almacenada por un inductor 282



7Circuitos magnéticos 301


7.2 Campo magnético 301

7.3 Reluctancia 302

7.4 Ley de Ohm para circuitos magnéticos 302

7.5 Fuerza magnetizante 303

7.6 Histéresis 304

7.7 Ley circuital de Ampère 308

7.8 Flujo � 309

7.9 Circuitos magnéticos en serie: determinación de NI 309

7.10 Entrehierros 313

7.11 Circuitos magnéticos en serie-paralelo 315

7.12 Determinación de � 317


8Formas de onda senoidales alternas 327


8.2 Características y definiciones del voltaje de casenoidal 328

8.3 Espectro de frecuencia 331

8.4 Forma de onda senoidal 334

8.5 Formato general del voltaje o corrientesenoidal 339

8.6 Relaciones de fase 342

8.7 Valor promedio 348

8.8 Valores eficaces (rms) 354

8.9 Medidores e instrumentos de ca 360



viii CONTENIDO

introducción al análisis de circuitos

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