Circuitos Eléctricos – 9ª edición

Esta 9ª edición, completamente corregida, revisada y actualizada, es ideal para aprender a diseñar, operar y analizar circuitos eléctricos en los ámbitos de la electrónica, comunicaciones, cómputo y control. Partiendo del concepto central de que los circuitos eléctricos son fundamentales en la estructura básica de la tecnología moderna, se destaca que el análisis y diseño de éstos es una habilidad indispensable para el desempeño profesional de los ingenieros de esta área.

Ventajas

Su estructura modular que permite diseñar diferentes cursos de análisis de circuitos, de acuerdo con lo que se quiera destacar de éstos.

Proporcionar los elementos necesarios para la solución de problemas específicos en la industria.

Sus apéndices: uso de PSpice y MatLab, fórmulas más usuales y códigos de color del resistor estándar.

Conozca

Las principales técnicas y teoremas que facilitan el análisis de circuitos eléctricos.

El procesamiento de señales, aplicación importante de los circuitos.

Aprenda

Los conceptos y fundamentos matemáticos de los circuitos eléctricos y los procedimientos de resolución de las redes eléctricas.

A analizar circuitos complejos, mediante las principales técnicas.

Desarrolle sus habilidades para:

Analizar, resolver y diseñar circuitos eléctricos, lo que es imprescindible para todo ingeniero.

Utilizar PSpice y MatLab en la solución de problemas de circuitos, interpretando correctamente los resultados.

CAPÍTULO 1
Variables de circuitos eléctricos ……………………………………………………………………………. 1
1.1 Introducción……………………………………………………………………………………………………………. 1
1.2 Circuitos eléctricos y corriente ………………………………………………………………………………….. 1
1.3 Sistemas de unidades……………………………………………………………………………………………….. 5
1.4 Voltaje ……………………………………………………………………………………………………………………. 7
1.5 Potencia y energía……………………………………………………………………………………………………. 7
1.6 Análisis y diseño de circuitos………………………………………………………………………………….. 11
1.7 ¿Cómo lo podemos comprobar . . . ?…………………………………………………………………………… 13
1.8 Ejemplo de diseño — Controlador de válvulas de un motor de propulsión a chorro……….. 14
1.9 Resumen ………………………………………………………………………………………………………………. 15
Problemas …………………………………………………………………………………………………………….. 15
Problemas de diseño ………………………………………………………………………………………………..19
CAPÍTULO 2
Elementos de circuitos……………………………………………………………………………………….. 20
2.1 Introducción………………………………………………………………………………………………………….. 20
2.2 Ingeniería y modelos lineales ………………………………………………………………………………….. 20
2.3 Elementos de circuito activos y pasivos……………………………………………………………………. 23
2.4 Resistencias…………………………………………………………………………………………………………… 25
2.5 Fuentes independientes…………………………………………………………………………………………… 28
2.6 Voltímetros y amperímetros…………………………………………………………………………………….. 30
2.7 Fuentes dependientes……………………………………………………………………………………………… 33
2.8 Transductores………………………………………………………………………………………………………… 37
2.9 Interruptores………………………………………………………………………………………………………….. 39
2.10 ¿Cómo lo podemos comprobar . . . ?…………………………………………………………………………… 40
2.11 Ejemplo de diseño — Sensor de temperatura…………………………………………………………….. 42
2.12 Resumen ………………………………………………………………………………………………………………. 44
Problemas …………………………………………………………………………………………………………….. 44
Problemas de diseño ………………………………………………………………………………………………. 52
CAPÍTULO 3
Circuitos resistivos …………………………………………………………………………………………….. 53
3.1 Introducción………………………………………………………………………………………………………….. 53
3.2 Leyes de Kirchhoff ………………………………………………………………………………………………… 54
3.3 Resistores en serie y división de voltaje ……………………………………………………………………. 63
3.4 Resistores en paralelo y división de la corriente ………………………………………………………… 68
3.5 Fuentes de voltaje en serie y fuentes de corriente en paralelo………………………………………. 74
3.6 Análisis de circuitos……………………………………………………………………………………………….. 77
3.7 Análisis de circuitos resistivos utilizando MATLAB………………………………………………….. 82
3.8 ¿Cómo lo podemos comprobar . . . ?…………………………………………………………………………… 86
3.9 Ejemplo de diseño — Fuente de voltaje ajustable………………………………………………………..88
3.10 Resumen ………………………………………………………………………………………………………………. 91
Problemas …………………………………………………………………………………………………………….. 92
Problemas de diseño …………………………………………………………………………………………….. 112

CAPÍTULO 4
Métodos de análisis de circuitos resistivos………………………………………………………….114
4.1 Introducción………………………………………………………………………………………………………….114
4.2 Análisis de voltajes de nodos de circuitos con fuentes de corriente………………………………115
4.3 Análisis de voltajes de nodos de circuitos con fuentes de corriente y de voltaje …………….121
4.4 Análisis de voltajes de nodos con fuentes dependientes ……………………………………………..126
4.5 Análisis de corrientes de enlaces con fuentes de voltaje independientes……………………….128
4.6 Análisis de corrientes de enlaces con fuentes de corriente y de voltaje …………………………133
4.7 Análisis de corrientes de enlaces con fuentes dependientes…………………………………………137
4.8 Comparación entre el método de voltajes de nodos y el método de corrientes de enlaces…..139
4.9 Análisis de corrientes de enlaces utilizando MATLAB……………………………………………….142
4.10 Uso de PSpice para determinar los voltajes de nodos y las corrientes de enlaces……………144
4.11 ¿Cómo lo podemos comprobar . . . ?…………………………………………………………………………..146
4.12 Ejemplo de diseño — Despliegue angular del potenciómetro………………………………………149
4.13 Resumen ………………………………………………………………………………………………………………152
Problemas …………………………………………………………………………………………………………….153
Problemas de PSpice………………………………………………………………………………………………167
Problemas de diseño ………………………………………………………………………………………………167
CAPÍTULO 5
Teoremas de circuitos…………………………………………………………………………………………169
5.1 Introducción………………………………………………………………………………………………………….169
5.2 Transformaciones de fuentes…………………………………………………………………………………..169
5.3 Superposición ……………………………………………………………………………………………………….176
5.4 Teorema de Thévenin……………………………………………………………………………………………..180
5.5 Circuito equivalente de Norton………………………………………………………………………………..187
5.6 Transferencia de potencia máxima …………………………………………………………………………..191
5.7 Uso de MATLAB para determinar el circuito equivalente de Thévenin ………………………..194
5.8 Uso de PSpice para determinar el circuito equivalente de Thévenin …………………………….197
5.9 ¿Cómo lo podemos comprobar . . . ?…………………………………………………………………………..200
5.10 Ejemplo de diseño — Puente de indicador de tensión ………………………………………………..201
5.11 Resumen ………………………………………………………………………………………………………………203
Problemas …………………………………………………………………………………………………………….204
Problemas de PSpice………………………………………………………………………………………………216
Problemas de diseño ………………………………………………………………………………………………217
CAPÍTULO 6
El amplificador operacional ………………………………………………………………………………..219
6.1 Introducción………………………………………………………………………………………………………….219
6.2 El amplificador operacional…………………………………………………………………………………….219
6.3 El amplificador operacional ideal…………………………………………………………………………….221
6.4 Análisis nodal de circuitos que contienen amplificadores operacionales ideales…………….223
6.5 Diseño mediante el uso de amplificadores operacionales ……………………………………………228
6.6 Circuitos de amplificadores operacionales y ecuaciones algebraicas lineales ………………..233
6.7 Características de los amplificadores operacionales prácticos……………………………………..238
6.8 Análisis de circuitos de amplificadores operacionales mediante el uso de MATLAB……..245
6.9 Análisis de circuitos de amplificadores operacionales mediante el uso de PSpice ………….247
6.10 ¿Cómo lo podemos comprobar . . . ?…………………………………………………………………………..248
6.11 Ejemplo de diseño — Circuito de interfase de transductor………………………………………….250

6.12 Resumen ………………………………………………………………………………………………………………252
Problemas …………………………………………………………………………………………………………….253
Problemas de PSpice………………………………………………………………………………………………265
Problemas de diseño ………………………………………………………………………………………………267
CAPÍTULO 7
Elementos que almacenan energía……………………………………………………………………..268
7.1 Introducción………………………………………………………………………………………………………….268
7.2 Condensadores………………………………………………………………………………………………………269
7.3 Almacenamiento de energía en un condensador…………………………………………………………275
7.4 Condensadores en serie y en paralelo……………………………………………………………………….278
7.5 Inductores …………………………………………………………………………………………………………….280
7.6 Almacenamiento de energía en un inductor ………………………………………………………………285
7.7 Inductores en serie y en paralelo ……………………………………………………………………………..287
7.8 Condiciones iniciales de los circuitos permanentes…………………………………………………….288
7.9 Circuitos de amplificadores operacionales y ecuaciones diferenciales lineales………………292
7.10 Uso de MATLAB para trazar el voltaje y la corriente de un condensador
o un inductor…………………………………………………………………………………………………………298
7.11 ¿Cómo lo podemos comprobar . . . ?…………………………………………………………………………..300
7.12 Ejemplo de diseño — Integrador e interruptor ………………………………………………………….301
7.13 Resumen ………………………………………………………………………………………………………………304
Problemas …………………………………………………………………………………………………………….305
Problemas de diseño ………………………………………………………………………………………………321
CAPÍTULO 8
Respuesta total de los circuitos RL y RC……………………………………………………………..322
8.1 Introducción………………………………………………………………………………………………………….322
8.2 Circuitos de primer orden ……………………………………………………………………………………….322
8.3 Respuesta de un circuito de primer orden a una entrada constante ……………………………….325
8.4 Conmutación secuencial …………………………………………………………………………………………338
8.5 Estabilidad de circuitos de primer orden …………………………………………………………………..340
8.6 Fuente de paso unitario…………………………………………………………………………………………..342
8.7 Respuesta de un circuito de primer orden a una fuente no constante…………………………….346
8.8 Operadores diferenciales ………………………………………………………………………………………..351
8.9 Uso de PSpice para analizar circuitos de primer orden ……………………………………………….352
8.10 ¿Cómo lo podemos comprobar . . . ?…………………………………………………………………………..355
8.11 Ejemplo de diseño — Una computadora y su impresora …………………………………………….359
8.12 Resumen ………………………………………………………………………………………………………………362
Problemas …………………………………………………………………………………………………………….363
Problemas de PSpice………………………………………………………………………………………………374
Problemas de diseño ………………………………………………………………………………………………375
CAPÍTULO 9
Respuesta total de circuitos con dos elementos de almacenamiento de energía…….378
9.1 Introducción………………………………………………………………………………………………………….378
9.2 Ecuación diferencial para circuitos con dos elementos de almacenamiento de energía …….379
9.3 Solución de la ecuación diferencial de segundo orden: la respuesta natural…………………..383

9.4 Respuesta natural del circuito RLC en paralelo no forzado………………………………………….386
9.5 Respuesta natural del circuito RLC en paralelo no forzado críticamente amortiguado…….389
9.6 Respuesta natural de un circuito RLC en paralelo no forzado subamortiguado………………390
9.7 Respuesta forzada de un circuito RLC………………………………………………………………………392
9.8 Respuesta total de un circuito RLC…………………………………………………………………………..396
9.9 Método de las variables de estado para el análisis de circuitos…………………………………….399
9.10 Raíces en el plano compuesto………………………………………………………………………………….403
9.11 ¿Cómo lo podemos comprobar . . . ?…………………………………………………………………………..404
9.12 Ejemplo de diseño — Dispositivo de encendido de la bolsa de aire de un automóvil……..407
9.13 Resumen ………………………………………………………………………………………………………………409
Problemas …………………………………………………………………………………………………………….411
Problemas de PSpice………………………………………………………………………………………………422
Problemas de diseño ………………………………………………………………………………………………423
CAPÍTULO 10
Análisis senoidal en estado estable…………………………………………………………………….425
10.1 Introducción………………………………………………………………………………………………………….425
10.2 Fuentes senoidales…………………………………………………………………………………………………425
10.3 Fasores y senoidales ………………………………………………………………………………………………430
10.4 Impedancias………………………………………………………………………………………………………….435
10.5 Impedancias en serie y en paralelo …………………………………………………………………………..440
10.6 Enlaces y ecuaciones de nodos………………………………………………………………………………..447
10.7 Circuitos equivalentes de Thévenin y Norton…………………………………………………………….454
10.8 Superposición ……………………………………………………………………………………………………….459
10.9 Diagramas de fasores……………………………………………………………………………………………..461
10.10 Operadores amplificadores en circuitos de CA ………………………………………………………….463
10.11 La respuesta total …………………………………………………………………………………………………..465
10.12 Uso de MATLAB para el análisis de circuitos CA……………………………………………………..472
10.13 Uso de PSpice para analizar circuitos de CA……………………………………………………………..474
10.14 ¿Cómo lo podemos comprobar……………………………………………………………………………….476
10.15 Ejemplo de diseño — Circuito del amplificador operacional ………………………………………479
10.16 Resumen ………………………………………………………………………………………………………………481
Problemas …………………………………………………………………………………………………………….482
Problemas de PSpice………………………………………………………………………………………………502
Problemas de diseño ………………………………………………………………………………………………503
CAPÍTULO 11
Potencia de CA de estado estable……………………………………………………………………….504
11.1 Introducción………………………………………………………………………………………………………….504
11.2 Potencia eléctrica …………………………………………………………………………………………………..504
11.3 Potencia instantánea y potencia promedio…………………………………………………………………505
11.4 Valor efectivo de una forma de onda periódica ………………………………………………………….509
11.5 Potencia compleja………………………………………………………………………………………………….512
11.6 Factor de potencia………………………………………………………………………………………………….519
11.7 Principio de superposición de potencia …………………………………………………………………….527
11.8 Teorema de la transferencia de potencia máxima……………………………………………………….530
11.9 Inductores acoplados ……………………………………………………………………………………………..531
11.10 El transformador ideal ……………………………………………………………………………………………539

11.11 ¿Cómo lo podemos comprobar . . . ?…………………………………………………………………………..546
11.12 Ejemplo de diseño — Transferencia de potencia máxima……………………………………………547
11.13 Resumen ………………………………………………………………………………………………………………549
Problemas …………………………………………………………………………………………………………….551
Problemas de PSpice………………………………………………………………………………………………566
Problemas de diseño ………………………………………………………………………………………………567
CAPÍTULO 12
Circuitos trifásicos ……………………………………………………………………………………………..568
12.1 Introducción………………………………………………………………………………………………………….568
12.2 Voltajes trifásicos…………………………………………………………………………………………………..569
12.3 Circuito Y a Y ……………………………………………………………………………………………………….572
12.4 Fuente y carga conectadas a D…………………………………………………………………………………581
12.5 Circuito Y a D……………………………………………………………………………………………………….583
12.6 Circuitos trifásicos balanceados ………………………………………………………………………………586
12.7 Potencias promedio e instantánea en una carga trifásica balanceada …………………………….588
12.8 Medición de potencia con dos vatímetros …………………………………………………………………591
12.9 ¿Cómo lo podemos comprobar . . . ?…………………………………………………………………………..594
12.10 Ejemplo de diseño — Corrección del factor de potencia ……………………………………………597
12.11 Resumen ………………………………………………………………………………………………………………598
Problemas …………………………………………………………………………………………………………….599
Problemas PSpice ………………………………………………………………………………………………….602
Problemas de diseño ………………………………………………………………………………………………603
CAPÍTULO 13
Respuesta de frecuencia …………………………………………………………………………………….604
13.1 Introducción………………………………………………………………………………………………………….604
13.2 Ganancia, cambio de fase y la función de red ……………………………………………………………604
13.3 Diagramas de Bode………………………………………………………………………………………………..616
13.4 Circuitos resonantes……………………………………………………………………………………………….633
13.5 Respuesta de frecuencia de circuitos de amplificadores operacionales………………………….640
13.6 Trazo de diagramas de Bode utilizando MATLAB …………………………………………………….642
13.7 Uso de PSpice para trazar un diagrama de respuesta de frecuencia ………………………………644
13.8 ¿Cómo lo podemos comprobar . . . ?…………………………………………………………………………..646
13.9 Ejemplo de diseño — Sintonizador de radio ……………………………………………………………..650
13.10 Resumen ………………………………………………………………………………………………………………652
Problemas …………………………………………………………………………………………………………….653
Problemas de PSpice ……………………………………………………………………………………………..666
Problemas de diseño ………………………………………………………………………………………………668
CAPÍTULO 14
Transformada de Laplace ……………………………………………………………………………………670
14.1 Introducción………………………………………………………………………………………………………….670
14.2 Transformada de Laplace………………………………………………………………………………………..671
14.3 Entradas de pulso…………………………………………………………………………………………………..677
14.4 Transformada inversa de Laplace …………………………………………………………………………….680
14.5 Teoremas del valor inicial y final …………………………………………………………………………….687
14.6 Solución de ecuaciones diferenciales que describen un circuito…………………………………..689

14.7 Análisis de circuitos utilizando impedancia y condiciones iniciales……………………………..690
14.8 Función de transferencia e impedancia……………………………………………………………………..700
14.9 Convolución………………………………………………………………………………………………………….706
14.10 Estabilidad ……………………………………………………………………………………………………………710
14.11 Expansión de fracción parcial utilizando MATLAB …………………………………………………..713
14.12 ¿Cómo lo podemos comprobar . . . ?…………………………………………………………………………..718
14.13 Ejemplo de diseño — Compuerta de carga del transbordador espacial …………………………720
14.14 Resumen ………………………………………………………………………………………………………………723
Problemas …………………………………………………………………………………………………………….724
Problemas de PSpice………………………………………………………………………………………………738
Problemas de diseño ………………………………………………………………………………………………739
CAPÍTULO 15
Serie y transformada de Fourier………………………………………………………………………….741
15.1 Introducción………………………………………………………………………………………………………….741
15.2 Serie de Fourier……………………………………………………………………………………………………..741
15.3 Simetría de la función f (t)………………………………………………………………………………………750
15.4 Serie de Fourier de formas de onda seleccionadas……………………………………………………..755
15.5 Forma exponencial de la serie de Fourier………………………………………………………………….757
15.6 Espectro de Fourier………………………………………………………………………………………………..765
15.7 Circuitos y serie de Fourier……………………………………………………………………………………..769
15.8 Uso de PSpice para determinar la serie de Fourier……………………………………………………..772
15.9 Transformada de Fourier ………………………………………………………………………………………..777
15.10 Propiedades de la transformada de Fourier ……………………………………………………………….780
15.11 Espectro de señales………………………………………………………………………………………………..784
15.12 Convolución y respuesta del circuito………………………………………………………………………..785
15.13 Transformada de Fourier y la transformada de Laplace ………………………………………………788
15.14 ¿Cómo lo podemos comprobar . . . ?…………………………………………………………………………..790
15.15 Ejemplo de diseño — Alimentación de potencia de CD ……………………………………………..792
15.16 Resumen ………………………………………………………………………………………………………………795
Problemas …………………………………………………………………………………………………………….796
Problemas de PSpice………………………………………………………………………………………………802
Problemas de diseño ………………………………………………………………………………………………802
CAPÍTULO 16
Circuitos de filtro ……………………………………………………………………………………………….804
16.1 Introducción………………………………………………………………………………………………………….804
16.2 Filtro eléctrico……………………………………………………………………………………………………….804
16.3 Filtros…………………………………………………………………………………………………………………..805
16.4 Filtros de segundo orden…………………………………………………………………………………………808
16.5 Filtros de alto orden……………………………………………………………………………………………….816
16.6 Simulación de circuitos de filtro utilizando PSpice…………………………………………………….822
16.7 ¿Cómo lo podemos comprobar . . . ?…………………………………………………………………………..826
16.8 Ejemplo de diseño — Filtro antialiasing …………………………………………………………………..828
16.9 Resumen ………………………………………………………………………………………………………………831
Problemas …………………………………………………………………………………………………………….831
Problemas de PSpice………………………………………………………………………………………………836
Problemas de diseño ………………………………………………………………………………………………839

CAPÍTULO 17
Redes de dos y tres puertos ……………………………………………………………………………….840
17.1 Introducción………………………………………………………………………………………………………….840
17.2 Transformación de T a P y redes de dos puertos y tres terminales……………………………….841
17.3 Ecuaciones de redes de dos puertos………………………………………………………………………….843
17.4 Parámetros Z y Y para un circuito con fuentes dependientes………………………………………..846
17.5 Parámetros híbridos y de transmisión……………………………………………………………………….848
17.6 Relaciones entre parámetros de dos puertos………………………………………………………………850
17.7 Interconexión de redes de dos puertos………………………………………………………………………852
17.8 ¿Cómo lo podemos comprobar . . . ?…………………………………………………………………………..855
17.9 Ejemplo de diseño — Amplificador de transistores……………………………………………………857
17.10 Resumen ………………………………………………………………………………………………………………859
Problemas …………………………………………………………………………………………………………….859
Problemas de diseño ………………………………………………………………………………………………863
APÉNDICE A
Inicios con PSpice………………………………………………………………………………………………865
APÉNDICE B
MATLAB, matrices y aritmética compuesta…………………………………………………………873
APÉNDICE C
Fórmulas matemáticas……………………………………………………………………………………….885
APÉNDICE D
Código de colores del resistor estándar………………………………………………………………889
Referencias ………………………………………………………………………………………………………..891
Índice ………………………………………………………………………………………………………………..893