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OCTAVA FLOYD • Cobertura amplia y directa de los fundamentos de componentes y circuitos eléctricos • Explicaciones y aplicaciones claras de las leyes fundamentales de los circuitos y análisis en una amplia diversidad de circuitos básicos, con énfasis en aplicaciones • Extensa cobertura del tema de localización y resolución de fallas Estos atributos lo convierten en la alternativa ideal para el salón de clases y para quien desee iniciar una carrera en electrónica. En el estilo de redacción claro y singularmente atractivo de Floyd, los conceptos esenciales se presentan y refuerzan de una forma creativa hasta que el lector adquiere una firme comprensión de todos los elementos clave relacionados con los circuitos eléctricos. Y ahora, en respuesta a la abrumadora retroalimentación de los usuarios, Principios de circuitos eléctricos, octava edición, ofrece más ejemplos, más aplicaciones prácticas y más problemas, así como una mayor claridad sobre los conceptos difíciles para proporcionar una perspectiva del “mundo real” aún más práctica para garantizar la comprensión total del material presentado. En el sitio Web de este libro (www.pearsoneducacion.net/floyd) el estudiante encontrará material adicional; los instructores que utilicen este texto en un curso pueden disponer también de varios recursos muy útiles y atractivos, entre ellos un Manual de recursos para el intructor, diapositivas en Power Point ® y el TestGen. Principios de circuitos eléctricos Principios de circuitos eléctricos Este best seller sobre circuitos de cd y ca incluye ahora cambios significativos (muy positivos) para instructores y estudiantes. Como en ediciones anteriores, Principios de circuitos eléctricos, octava edición, conserva sus mejores cualidades: EDICIÓN OCTAVA EDICIÓN Visítenos en: www.pearsoneducacion.net FLOYD P RINCIPIOS DE CIRCUITOS ELÉCTRICOS Octava edición Thomas L. Floyd TRADUCCIÓN Rodolfo Navarro Salas Ingeniero Mecánico Universidad Nacional Autónoma de México REVISIÓN TÉCNICA Luis Mauro Ortega González Ingeniero Mecánico Electricista Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey Campus Estado de México Gustavo Pérez López Maestro en Ciencias Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey Campus Estado de México Datos de catalogación bibliográfica FLOYD, THOMAS L. Principios de circuitos eléctricos. Octava edición PEARSON EDUCACIÓN, México, 2007 ISBN: 978-970-26-0967-4 Área: Ingeniería Formato: 21 × 27 cm Páginas: 968 Authorized translation from the English language edition, entitled Principles of electric circuits by Thomas L. Floyd published by Pearson Education, Inc., publishing as PRENTICE HALL, INC., Copyright © 2007. All rights reserved. ISBN 0-13-170179-7 Traducción autorizada de la edición en idioma inglés, Principles of electric circuits por Thomas L. Floyd, publicada por Pearson Education, Inc., publicada como PRENTICE-HALL INC., Copyright © 2007. 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 Edición en inglés Acquisitions Editor: Kate Linsner Production Editor: Rex Davidson Design Coordinator: Diane Ernsberger Editorial Assistant: Lara Dimmick Cover Designer: Candace Rowley Cover art: Getty Production Manager: Matt Ottenweller Senior Marketing Manager: Ben Leonard Marketing Assistant: Les Roberts Senior Marketing Coordinator: Liz Farrell OCTAVA EDICIÓN 2007 D.R. © 2007 por Pearson Educación de México, S.A. de C.V. Atlacomulco 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 10: 970-26-0967-4 ISBN 13: 978-970-26-0967-4 Impreso en México. Printed in Mexico. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 - 10 09 08 07 D EDICATORIA Una vez más, a Sheila Con amor P REFACIO La octava edición de Principios de circuitos eléctricos proporciona una cobertura completa y directa de los fundamentos de componentes y circuitos eléctricos. Explica y aplica las leyes fundamentales y los métodos de análisis de circuitos en diversos circuitos básicos. Hace hincapié en aplicaciones, muchas de las cuales son nuevas en esta edición, y la mayor parte de los capítulos contiene una sección especial llamada Una aplicación de circuito. Localización de fallas continúa siendo una parte importante de esta edición, y muchos capítulos incluyen una sección especial dedicada al tema. Lo nuevo en esta edición ◆ La disposición y el diseño del texto ◆ Archivos Multisim para ejemplos seleccionados ◆ Archivos Multisim 8, además de Multisim 2001 y Multisim 7, para Localización de fallas y Análisis de problemas ◆ La cobertura de fasores se cambió al capítulo 11, Introducción a la corriente alterna y al voltaje alternos ◆ La cobertura de números complejos se cambió al capítulo 15, Circuitos RC ◆ Problemas nuevos en la mayor parte de los capítulos ◆ Numerosas mejoras a lo largo del texto ◆ Innovadoras diapositivas en Power Point® para cada capítulo, disponibles en el CD-ROM anexo Características ◆ Cada capítulo inicia con un esquema de los temas a tratar, los objetivos del capítulo, una lista de términos clave, una referencia al sitio Web y una pequeña introducción. ◆ Cada sección comienza con una introducción y sus objetivos ◆ El apartado Una aplicación de circuito al final de la mayor parte de los capítulos ◆ Abundantes ilustraciones de alta calidad ◆ Biografías cortas de personajes clave en la historia de la electricidad ◆ Notas de seguridad localizadas en puntos apropiados a lo largo del texto e identificadas mediante un logotipo especial ◆ Gran cantidad de ejemplos resueltos ◆ Un Problema relacionado en cada ejemplo resuelto con sus respuestas al final del capítulo ◆ Repasos de sección con respuestas al final del capítulo VI ◆ P REFACIO ◆ La sección Localización de fallas a lo largo de todo el libro. ◆ Un Resumen al final de cada capítulo. ◆ Los Términos clave se definen al concluir cada capítulo y aparecen también en el glosario general del libro. ◆ Una Lista de fórmulas al finalizar cada capítulo. ◆ Autoevaluación y Respuestas por capítulo. ◆ Un Examen de dinámica de circuitos que pone a prueba la comprensión del estudiante de lo que sucede en un circuito a consecuencia de ciertos cambios o fallas. Las respuestas se dan al final del capítulo. ◆ Un conjunto de problemas seccionado en cada capítulo: los más difíciles señalados mediante un asterisco. Las respuestas a problemas de número impar aparecen al final del libro. ◆ Un glosario general con las definiciones de todos los términos clave y los resaltados en negritas en el texto. ◆ El libro utiliza el sentido convencional de la corriente. (Una versión alterna de este texto utiliza la dirección del flujo de electrones). Recursos adicionales para el estudiante CD-ROM Multisim®: este CD (totalmente en inglés), incluido en cada libro, contiene una serie de archivos de circuito Multisim citados en el texto; muchos de ellos contienen fallas ocultas. Todos estos archivos vienen en el CD-ROM en Multisim 2001®, Multisim 7® y Multisim 8®. Los archivos de versiones actualizadas de Multisim aparecerán en el sitio Web www.pearsoneducacion.net/floyd conforme el fabricante, Electronics Workbench, vaya desarrollándolas. Estos archivos Multisim se proporcionan para ser utilizados por cualquier usuario que posea programas de cómputo Multisim. Quien no tenga estos programas y desee adquirirlos podrá solicitarlos en www.prenhall.com/ewb. Sin embargo, aun cuando los archivos de circuito han sido creados para complementar lo expuesto en el salón de clases, en el libro de texto y en el laboratorio, no son indispensables para estudiar los circuitos de cd y ca, ni para el desarrollo de este libro. Sitio Web del libro (www.pearsoneducacion.net/floyd): este sitio Web, también en inglés, ofrece al estudiante la oportunidad de comprobar su propio progreso y responder preguntas de exámenes muestra. Recursos para el instructor (en inglés) Para tener acceso a los materiales complementarios en línea, los instructores deben obtener una contraseña. Vaya a www.prenhall.com, haga clic en el vínculo Instructor Resource Center, y luego en Register, para registrarse y obtener la contraseña de acceso de instructor. Dentro de las 48 horas siguientes, recibirá un correo electrónico de confirmación incluyendo la contraseña solicitada. Una vez que la tenga en su poder, ingrese al sitio e inicie una sesión para recibir instrucciones completas sobre cómo bajar los materiales que desee utilizar. Diapositivas en Power Point® Un juego completamente nuevo de innovadoras diapositivas en Power Point®, creado por David M. Buchla, ilustra dinámicamente los conceptos clave presentados en el texto. Cada diapositiva contiene un resumen con ejemplos, definiciones de términos clave, y un examen para cada capítulo. Ésta es una herramienta excelente para efectuar una presentación en el salón de clases como complemento del libro de texto. Otra carpeta de diapositivas incluye todas las figuras del texto a todo color, lo que le resultará muy útil. Todo este material está disponible en Internet. P REFACIO 11 Esquema del capítulo INTRODUCCIÓN A LA CORRIENTE Y AL VOLTAJE ALTERNOS ESQUEMA DEL CAPÍTULO Lista de objetivos basados en el desempeño 11–1 11–2 11–3 11–4 11–5 11–6 11–7 11–8 11–9 11–10 La forma de onda sinusoidal Fuentes de voltaje sinusoidal Valores sinusoidales de voltaje y corriente Medición angular de una onda seno La fórmula de la onda seno Introducción a los fasores Análisis de circuitos de CA Voltajes superpuestos de CD y de CA Formas de onda no sinusoidales El osciloscopio Una aplicación de circuito ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ sus características Describir cómo se generan las ondas seno Determinar los diversos valores de voltaje y corriente de una onda seno Describir las relaciones angulares de una onda seno Analizar matemáticamente una forma de onda sinusoidal Utilizar un fasor para representar una onda seno Aplicar las leyes de circuito básicas a circuitos de ca resistivos Determinar voltajes totales que tienen tanto componentes de ca como de cd Identificar las características de formas de onda no sinusoidales básicas Utilizar un osciloscopio para medir formas de onda TÉRMINOS CLAVE ◆ Amplitud ◆ Frecuencia (f) ◆ Ancho de pulso (tW) ◆ Frecuencia ◆ Armónicos ◆ Tiempo de subida (tr) ◆ Periódico ◆ Valor instantáneo ◆ Periodo (T) ◆ Valor pico ◆ Pulso ◆ Valor pico a pico ◆ Radián ◆ Valor promedio ◆ Rampa ◆ Valor rms ◆ Tiempo de caída (tf) ◆ Velocidad angular DESCRIPCIÓN PREVIA DE UNA APLICACIÓN DE CIRCUITO En la aplicación de circuito, usted aprenderá cómo se miden señales de voltaje en un receptor de AM con un osciloscopio. OBJETIVOS DEL CAPÍTULO ◆ Identificar una forma de onda sinusoidal y medir Términos clave ◆ Osciloscopio fundamental ◆ Ciclo ◆ Generador de función ◆ Ciclo de trabajo ◆ Grado ◆ Fase ◆ Hertz (Hz) ◆ Fasor ◆ Onda seno ◆ Forma de onda ◆ Oscilador VISITE EL SITIO WEB RELACIONADO Auxiliares de estudio para este capítulo están disponibles en http://www.pearsoneducacion.net/floyd Descripción previa de Una aplicación de circuito Referencia al sitio Web INTRODUCCIÓN En los capítulos precedentes se estudiaron los circuitos resistivos con corrientes y voltajes de cd. Este capítulo proporciona una introducción al análisis de circuitos de ca en el cual se estudian las señales eléctricas que varían con el tiempo, en particular la onda seno. Una señal eléctrica es un voltaje o una corriente que cambian de manera consistente con el tiempo. En otras palabras, el voltaje o la corriente fluctúan de acuerdo con cierto patrón llamado forma de onda. Un voltaje alterno es uno que cambia de polaridad con cierta rapidez. La forma de onda sinusoidal (onda seno) es el tipo más común y fundamental porque todos los demás tipos de formas de onda repetitivas pueden ser descompuestos en ondas seno compuestas. La onda seno es un tipo periódico de forma de onda que se repite a intervalos fijos. Se pone un énfasis especial en la forma de onda sinusoidal (onda seno) debido a su importancia fundamental en el análisis de circuitos de ca. También se introducen otras formas de onda, incluidas la de pulso, la triangular, y la de diente de sierra. Se presenta el uso del osciloscopio para visualizar y medir formas de onda. Se examina el uso de fasores para representar ondas seno. Introducción F IGURA P–1 Apertura de capítulo típica. Manual de recursos para el instructor Incluye soluciones a problemas de cada capítulo, a las secciones Una aplicación de circuito (A Circuit Application), un archivo de examen, un archivo de circuito Multisim resumido, y soluciones a ambos manuales de laboratorio. Disponible en el sitio Web. Prentice Hall Test Gen Es un banco de exámenes computarizado, disponible en línea. Ilustración de las características de los capítulos Apertura de capítulo Cada capítulo comienza como se muestra en la figura P-1. Cada apertura de capítulo incluye número y título de éste, las secciones del texto y objetivos del capítulo, una lista de términos clave, descripción previa de Una aplicación de circuito, referencia a una sección del sitio Web y una breve introducción. Apertura de sección Cada sección incluida en un capítulo inicia con una breve introducción que describe el tema en general y los objetivos. La figura P-2 muestra un ejemplo. Repaso de sección Cada sección concluye con un repaso, consistente en preguntas o ejercicios que resaltan los principales conceptos estudiados. La parte superior de la figura P-2 muestra un ejemplo. Al final del capítulo se dan las respuestas correspondientes. Ejemplos resueltos y problemas relacionados A lo largo de cada capítulo, numerosos ejemplos resueltos sirven para ilustrar y aclarar conceptos básicos o procedimientos específicos. Cada ejemplo finaliza con un Problema relacionado que refuerza o amplía el ejemplo al requerir que el estudiante resuelva otro problema similar. Los ejemplos seleccionados incluyen un ejercicio de circuito Multisim. La figura P-3 muestra un ejemplo resuelto típico y su Problema relacionado. ◆ VII VIII ◆ P REFACIO FIGURA P–2 Apertura típica y repaso de una sección. Cada sección concluye con preguntas de repaso ◆ 178 C IRCUITOS REPASO DE LA SECCIÓN 6-2 EN PARALELO 1. Un resistor de 10 Æ y uno de 22 Æ están conectados en paralelo a una fuente de 5 V. ¿Cuál es el voltaje a través de cada uno de los resistores? 2. En la figura 6-10 está conectado un voltímetro a través de R1. El voltímetro lee 118 V. Si usted lo cambia de lugar y lo conecta a través de R2, ¿cuánto voltaje indicará? ¿Cuál es el voltaje de fuente? 3. 4. En la figura 6-11, ¿cuánto voltaje indica el voltímetro 1? ¿El voltímetro 2? ¿Cómo están relacionados los voltajes a través de cada rama de un circuito en paralelo? V2 R1 VS V R2 50 V R1 R2 V1 6–3 Cada sección inicia con un párrafo introductorio Objetivos de la sección basados en el desempeño L EY FIGURA 6–10 DE L AS CORRIENTES DE FIGURA 6–11 K IRCHHOFF La ley del voltaje de Kirchhoff se ocupa de los voltajes presentes en una sola trayectoria cerrada. La ley de la corriente de Kirchhoff es aplicable a corrientes que circulan por múltiples trayectorias. Después de completar esta sección, usted debe ser capaz de: ◆ Aplicar la ley de las corrientes de Kirchhoff ◆ Enunciar la ley de las corrientes de Kirchhoff ◆ Definir el término nodo ◆ Determinar la corriente total sumando las corrientes de cada rama ◆ Determinar una corriente desconocida que circula por una rama La ley de las corrientes de Kirchhoff, abreviada a menudo como KCL, por sus siglas en inglés, puede ser enunciada como sigue: La suma de las corrientes que entran a un nodo (corriente total de entrada) es igual a la suma de las corrientes que salen de dicho nodo (corriente total de salida). Un nodo es cualquier punto o unión en un circuito donde dos o más componentes están conectados. En un circuito en paralelo, un nodo o unión es un punto donde se juntan las ramas dispuestas en paralelo. Por ejemplo, en el circuito de la figura 6-12, el punto A es un nodo y el punto B otro nodo. Inicie en la terminal positiva de la fuente y siga la corriente. La corriente total IT que viene de la fuente entra al nodo A. En este punto, la corriente se divide entre las tres ramas como se indica. Cada una de las tres corrientes de rama (I1, I2 e I3) sale del nodo A. La ley de las corrientes de Kirchhoff establece que la corriente total que entra al nodo A es igual a la corriente total que sale del nodo A; es decir, IT = I1 + I2 + I3 Ahora, cuando se siguen las corrientes mostradas en la figura 6-12 a través de las tres ramas, se advierte que regresan al nodo B. Las corrientes I1, I2 e I3 se encuentran en el nodo B e IT sale FIGURA P–3 A NÁLISIS Ejemplo resuelto típico y su Problema relacionado. DE CIRCUITOS RESISTIVOS EN SERIE - PARALELO ◆ 235 Corrientes de rama Con la fórmula del divisor de corriente, la ley de la corriente de Kirchhoff, la ley de Ohm, o mediante combinaciones de éstas, se puede calcular la corriente en cualquier rama de un circuito en serie-paralelo. En algunos casos, posiblemente se requiera la aplicación repetida de la fórmula para encontrar una corriente dada. Los dos ejemplos siguientes ayudarán a entender el procedimiento. (Observe que los subíndices para las variables de corriente (I) concuerdan con los subíndices de R; por ejemplo, la corriente a través de R1 se designa como I1.) EJEMPLO 7–8 Encuentre la corriente a través de R2 y de R3 en la figura 7-19. R1 IT VS Los ejemplos se ponen aparte del texto Solución 22 V A 1.0 k⍀ R2 2.2 k⍀ R3 3.3 k⍀ FIGURA 7–19 En primer lugar, identifique la relación serie-paralelo. A continuación, determine cuánta corriente entra al nodo A. Ésta es la corriente total. Para determinar IT, se debe conocer RT. RT = R1 + R2R3 (2.2 kÆ)(3.3 kÆ) = 1.0 kÆ + 1.32 kÆ = 2.32 kÆ = 1.0 kÆ + R2 + R3 2.2 kÆ + 3.3 kÆ VS 22 V IT = = = 9.48 mA RT 2.32 kÆ Cada ejemplo contiene un Problema relacionado pertinente al ejemplo Para determinar la corriente a través de R2, aplique la regla del divisor de corriente para dos ramas como se dio en el capítulo 6. I2 = a R3 3.3 kÆ b9.48 mA = 5.69 mA bI = a 5.5 kÆ R2 + R3 T Ahora aplique la ley de la corriente de Kirchhoff para determinar la corriente a través de R3. IT = I2 + I3 I3 = IT - I2 = 9.48 mA - 5.69 mA = 3.79 mA Problema relacionado Los ejemplos seleccionados hacen referencia a un archivo de circuito Multisim relacionado Se conecta un resistor de 4.7 kÆ en paralelo con R3 en la figura 7-19. Determine la corriente a través del nuevo resistor. Use el archivo Multisim E07-08 para verificar los resultados calculados en este ejemplo y para confirmar su cálculo en el problema relacionado. P REFACIO ◆ U NA 765 Function Generator kHz Freq Amp Offset Period HiLevel LoLevel Graph Local REPASO DE LA SECCIÓN 17-9 1. Sine Square Tri Pulse Noise Arb Mod Sweep Burst Store/ Recall Utility Help En general, ¿por qué es necesario un filtro sintonizado cuando se acopla una señal proveniente de una antena a la entrada de un receptor? ¿Qué es una trampa de ondas? ¿Qué significa sintonización en grupo? 2. 3. 7 8 4 5 1 2 3 0 . +/– ◆ 767 9 6 Sync Trigger Output Output A A/B OUTPUTS Triple Output Power Supply PARALLEL POWER A ON SERIES Una aplicación de circuito + A 0 20V 0.5A B 0 20V 0.5A OVERLOAD – MIN – B C D VOLTAGE MAX MIN CURRENT OVERLOAD + MAX CURRENT + MIN cia para luego convertir dicha frecuencia en una intermedia estándar (FI). Las estaciones de radio de AM transmiten en el intervalo de frecuencias de 535 a 1605 kHz. El propósito del amplificador de RF es tomar las señales captadas por la antena, rechazar todas las señales excepto la señal de la estación deseada, y amplificarla a un nivel más alto. En la figura 17-55 se muestra un diagrama esquemático de un amplificador de RF. El circuito de sintonización resonante en paralelo se compone de L, C1 y C2. Este amplificador de RF en particular no dispone de un circuito resonante en la salida. C1 es un varactor, el cual es un dispositivo semiconductor sobre el que usted aprenderá más en un curso posterior. Todo lo que necesita saber en este momento es que el varactor es básicamente un capacitor variable cuya capacitancia varía al cambiar el voltaje de cd presente entre sus terminales. En este circuito, el voltaje de cd pro- B VOLTAGE B OVERLOAD – – INDEPENDENT A V 5V 2A OFF En la aplicación de circuito del capítulo 11, se trabajó con un sistema receptor para aprender mediciones básicas de ca. En este capítulo, se utiliza otra vez el receptor para ilustrar una aplicación de circuitos resonantes. Nos enfocaremos en una parte del “extremo frontal” del sistema receptor que contiene circuitos resonantes. En general, el extremo frontal incluye el amplificador de RF, el oscilador local y el mezclador. En esta aplicación de circuito, el amplificador de RF es el foco. Por ahora no es necesario tener conocimientos de circuitos amplificadores. En la figura 17-54 se muestra un diagrama de bloques básico para un receptor de radio de AM. En este sistema particular, el “extremo frontal” incluye los circuitos utilizados para sintonizar una estación transmisora deseada mediante selección de frecuen- APLIC ACIÓN DECIRCUITO MAX MIN MAX E 1 2 V Ajuste 1 V Ajuste 2 V L Ajuste 3 C2 Salida B (D y E) V Ajuste 4 .01 3 Fuente de potencia C1 C3 V 0.1 APLIC ACIÓN DECIRCUITO convertida a la FI de 455 kHz. El amplificador de frecuencia intermedia, el cual se sintoniza a 455 kHz, amplifica la frecuencia intermedia de amplitud modulada. La salida del amplificador de frecuencia intermedia se aplica a un detector de audio que elimina la frecuencia intermedia y deja sólo la envolvente, que es la señal de audio. La señal de audio es entonces amplificada y aplicada al altavoz. .01 U NA Una serie de actividades relaciona la teoría con la práctica 470 Una aplicación de circuito está incorporada aparte del texto 4 5 Ajuste 5 SAVE/RECALL MEASURE AUTOSET ACQUIRE MENUS UTILITY CURSOR Antena DISPLAY VERTICAL POSITION POSITION HARDCOPY RUN/STOP HORIZONTAL TRIGGER POSITION LEVEL MATH MENU CURSOR 1 CURSOR 2 CH 1 MENU CH 2 MENU HOLDOFF TRIGGER MENU HORIZONTAL MENU SET LEVEL TO 50% Mezclador VOLTS/DIV VOLTS/DIV 5V 5V SEC/DIV FORCE TRIGGER Control de volumen Detector TRIGGER VIEW Amplificador de RF Amplificador de FI Altavoz Preamplificador de audio Oscilador local Ch 1 0.2V 1ms 5V FIGURA 17–54 Diagrama de bloques simplificado de un receptor básico de radio. CH 1 2 mV CH 2 5s 5 ns EXT TRIG Amplificador de potencia de audio “Extremo frontal” PROBE COMP 2 mV F FIGURA 17–57 Disposición de un banco de prueba. Gráficos realistas de un instrumento y una tarjeta de circuito FIGURA P–4 Parte de Una aplicación de circuito típica. Secciones de Localización de fallas Muchos capítulos incluyen una sección de Localización de fallas relacionada con los temas tratados en el capítulo y que pone de relieve el razonamiento lógico, así como un método estructurado llamado APM (análisis, planificación y medición) en los casos en que es aplicable. Cuando se considera apropiado, se aplican métodos particulares para la reparación de fallas, tales como división a la mitad. Una aplicación de circuito Esta sección especial al final de cada capítulo (excepto en Caps. 1 y 21) presenta una aplicación práctica de algunos temas estudiados en el capítulo. Cada una de estas aplicaciones incluye una serie de actividades, muchas de las cuales implican comparar diseños de tarjetas de circuito con esquemas, analizar circuitos utilizando mediciones para determinar su operación y, en algunos casos, desarrollar procedimientos de prueba simples. Los resultados y las respuestas se encuentran en el Manual de recursos para el instructor. La figura P-4 ilustra una parte representativa de la sección Una aplicación de circuito. Material al final de cada capítulo Los siguientes elementos pedagógicos se encuentran al término de cada capítulo: ◆ Resumen ◆ Glosario de términos clave ◆ Lista de fórmulas ◆ Autoevaluación ◆ Examen de dinámica de circuitos ◆ Problemas ◆ IX X ◆ P REFACIO ◆ Respuestas a repasos de sección, problemas relacionados con ejemplos, autoevaluación, y al examen de dinámica de circuitos Sugerencias para la enseñanza con el libro Principios de circuitos eléctricos Énfasis en el curso seleccionado y flexibilidad del texto Este libro de texto está diseñado principalmente para usarse en un curso de dos semestres, en el cual los temas de corriente directa (Caps. 1 a 10) se imparten durante el primer semestre y los de corriente alterna (Caps. 11 a 21) en el segundo semestre. Estructurar un curso de un semestre que abarque los temas de ca y cd es posible, pero requeriría de una cobertura muy selectiva y abreviada de muchos temas. Si las limitaciones de tiempo o el énfasis en el curso restringen los temas que pueden ser cubiertos, como casi siempre ocurre, existen varias opciones para efectuar una cobertura selectiva. Las siguientes sugerencias para el caso de un tratamiento ligero o alguna omisión no necesariamente implican que cierto tema sea menos importante que otros, sino que, en el contexto de un programa específico, es probable que éste no requiera la atención impuesta a los temas fundamentales. Como el énfasis en el curso, el nivel y el tiempo disponible varían de un programa a otro, la omisión o el tratamiento abreviado de temas seleccionados puede efectuarse sobre una base individual. Por lo tanto, las siguientes sugerencias están formuladas sólo como guía general. 1. Capítulos que pueden ser considerados para omisión o cobertura selectiva: ◆ Capítulo 8, Teoremas de circuitos y conversiones ◆ Capítulo 9, Análisis de ramas, lazos y nodos ◆ Capítulo 10, Magnetismo y electromagnetismo ◆ Capítulo 18, Filtros pasivos ◆ Capítulo 19, Teoremas de circuitos en análisis de CA ◆ Capítulo 20, Respuesta en función del tiempo de circuitos reactivos ◆ Capítulo 21, Sistemas trifásicos en aplicaciones de potencia 2. Las secciones de Una aplicación de circuito y Localización de fallas pueden ser omitidas sin afectar otro material. 3. Otros temas específicos pueden ser omitidos o cubiertos ligeramente sección por sección a criterio del instructor. El orden en el cual ciertos temas aparecen en el texto puede ser modificado a criterio del instructor. Por ejemplo, los temas sobre capacitores e inductores (Caps. 12 y 13) pueden ser cubiertos al final del curso de corriente directa, en el primer semestre, retrasando la cobertura de los temas de corriente alterna incluidos en las secciones 12-6, 12-7, 13-5, y 13-6 hasta el curso de corriente alterna, en el segundo semestre. Otra posibilidad es cubrir los capítulos 12 y 13 en el segundo semestre, pero el capítulo 15 (Circuitos RC) inmediatamente después del 12 (Capacitores), y el 16 (Circuitos RL) enseguida del 13 (Inductores). Una aplicación de circuito Estas secciones son útiles para motivar y para introducir aplicaciones de conceptos y componentes básicos. Las siguientes son sugerencias sobre cómo utilizar estas secciones: ◆ Como parte integral del capítulo para ilustrar las posibilidades de aplicación de los conceptos y componentes en una situación práctica. Las actividades pueden ser asignadas como tarea. ◆ Como asignaciones de créditos extra. ◆ Como actividades en clase para promover el análisis y la interacción y ayudar a los estudiantes a entender por qué necesitan conocer el material. Cobertura de circuitos reactivos Los capítulos 15, 16 y 17 fueron diseñados para proporcionar dos métodos de enseñanza de estos temas sobre circuitos reactivos. P REFACIO La primera alternativa es cubrir los temas con base en los componentes. Esto es, estudiar primero todo el capítulo 15 (Circuitos RC), acto seguido todo el capítulo 16 (Circuitos RL), y, por último, todo el capítulo 17 (Circuitos RLC y resonancia). La segunda alternativa es cubrir los temas con base en el tipo de circuito. Es decir, primero estudiar todos los temas relacionados con circuitos reactivos en serie, luego todos los temas de circuitos reactivos en paralelo, y, por último, todos los temas que se refieren a circuitos reactivos en serie-paralelo. Para facilitar este segundo método, cada capítulo está dividido en las siguientes partes: Parte 1: Circuitos en serie, Parte 2: Circuitos en paralelo, Parte 3: Circuitos en serie-paralelo, y Parte 4: Temas especiales. Por lo tanto, para circuitos reactivos en serie, se cubre la Parte 1 de los tres capítulos en secuencia. Para circuitos reactivos en paralelo, la Parte 2 de los tres capítulos en forma sucesiva. En el caso de circuitos reactivos en serie-paralelo, cubra la Parte 3 de los tres capítulos en secuencia. Finalmente, estudie la Parte 4 de los tres capítulos. Para el estudiante Cualquier carrera demanda trabajo duro, la de electrónica no es excepción. La mejor manera de aprender un material nuevo es leyendo, pensando y realizando. Este texto está diseñado para ayudarle a lo largo de todo el camino ya que proporciona las generalidades y los objetivos de cada sección, numerosos ejemplos resueltos, ejercicios, y preguntas de repaso. Lea cada sección del texto con cuidado y medite lo que ha leído. Es posible que ocasionalmente necesite leer la sección más de una vez. Resuelva cada problema de ejemplo paso a paso antes de abordar el problema relacionado. Después de cada sección responda las preguntas de repaso. Las respuestas a los problemas relacionados y las preguntas de repaso de sección se encuentran al final del capítulo. Repase el resumen del capítulo, las definiciones de los términos clave y la lista de fórmulas. Realice la autoevaluación de opción múltiple y el examen de dinámica de circuitos. Verifique sus respuestas contra las que aparecen al final del capítulo. Por último, resuelva los problemas. La resolución de problemas es la manera más efectiva de verificar su comprensión y consolidar los conceptos. Compruebe sus respuestas a los problemas de numeración impar con las proporcionadas al final del libro. Carreras de electrónica El campo de la electrónica es muy diverso, y las oportunidades de hacer carrera están disponibles en muchas áreas. Dado que en la actualidad la electrónica se encuentra en tantas aplicaciones diferentes, y nueva tecnología está siendo desarrollada a un ritmo extremadamente rápido, su futuro parece ilimitado. Difícilmente podría señalarse un área de nuestras vidas que no haya sido mejorada en cierto grado por la tecnología electrónica. Quienes adquieran un conocimiento sólido, básico, de los principios eléctricos y electrónicos y deseen continuar aprendiendo siempre estarán en demanda. La importancia de alcanzar un completo entendimiento de los principios básicos contenidos en este texto no puede ser sobreestimada. La mayoría de los empleadores prefiere contratar personal que posea tanto fundamentos sólidos como capacidad y deseo de aprender técnicas y conceptos nuevos. Si usted está bien preparado en lo fundamental, cualquier empleador lo capacitará en los puntos específicos del trabajo al cual sea asignado. Existen muchos tipos de clasificaciones laborales para los que una persona con entrenamiento en electrónica puede calificar. Algunas de las funciones de trabajo más comunes se describen con brevedad en los párrafos siguientes. Técnico de taller de servicio En esta categoría, el personal técnico interviene en la reparación o el ajuste de equipo electrónico tanto comercial como doméstico que es regresado al distribuidor o fabricante para servicio. Algunas áreas específicas incluyen televisiones, videocaseteras, reproductores de CD y DVD, equipo estéreo, radios de banda civil y computadoras. Esta área también ofrece oportunidades de autoempleo. Técnico en manufactura industrial El personal de manufactura participa en la evaluación de productos electrónicos al nivel de línea de ensamble, o en el mantenimiento y la reparación de fallas de sistemas electrónicos y electromecánicos utilizados en la evaluación y manufactura de productos. Casi todo tipo de planta de manufactura, sin importar su producto, utiliza equipo automático electrónicamente controlado. ◆ XI XII ◆ P REFACIO Técnico laboratorista Estos técnicos intervienen en la creación de tarjetas experimentales, prototipos y evaluación de sistemas electrónicos nuevos o modificados en laboratorios de investigación y desarrollo. En general, trabajan codo a codo con los ingenieros en la fase de desarrollo de un producto. Técnico de servicio de campo El personal de servicio de campo da servicio y repara equipo electrónico, por ejemplo, sistemas de computación, instalaciones de radar, equipo automático de operaciones bancarias y sistemas de seguridad —en las instalaciones del usuario. Asistente de ingeniería/Ingeniero asociado El personal ubicado en esta categoría trabaja estrechamente con los ingenieros en la implementación de un concepto y en el diseño y desarrollo básicos de sistemas electrónicos. Los asistentes de ingeniería con frecuencia intervienen en un proyecto desde su diseño inicial hasta las primeras etapas de manufactura. Escritor técnico Los escritores técnicos recopilan información y luego la utilizan para escribir y producir manuales y material audiovisual. Un conocimiento amplio de un sistema en particular y la capacidad de explicar con claridad sus principios y operación resultan esenciales. Ventas técnicas Las personas técnicamente entrenadas son demandadas como representantes de ventas de productos de alta tecnología. La habilidad tanto para entender conceptos técnicos de un producto como para comunicarlos a un cliente potencial es muy valiosa. En esta área, igual que en la anterior, ser competente en la expresión oral y escrita es esencial. En realidad, tener la habilidad para comunicarse bien es muy importante en cualquier trabajo técnico porque se debe ser capaz de registrar datos con claridad y de explicar procedimientos, conclusiones y acciones emprendidas de modo que otros puedan entender lo que se está haciendo. Eventos significativos en el campo de la electrónica B I O G R A F Í A Georg Simon Ohm 1787–1854 Ohm nació en Bavaria y luchó por años para que le fuese reconocido su trabajo en la formulación de la relación de corriente, voltaje y resistencia. Esta relación matemática se conoce hoy en día como la ley de Ohm, y la unidad de resistencia fue nombrada ohm en su honor. (Crédito de la fotografía: Biblioteca del Congreso estadounidense, LC-USZ62-40943.) Antes de iniciar el estudio de circuitos eléctricos, daremos un vistazo a algunos de los importantes desarrollos que condujeron a la tecnología electrónica de la actualidad. Los nombres de muchos de los pioneros en el campo de la electricidad y la electromagnética aún persisten en términos de unidades y cantidades conocidas. Nombres como Ohm, Ampere, Volta, Farad, Henry, Coulomb, Oersted, y Hertz son algunos de los ejemplos mejor conocidos. Otros más ampliamente conocidos, tales como Franklin y Edison, también resultan significativos en la historia de la electricidad y la electrónica debido a sus extraordinarias contribuciones. Biografías cortas de algunos de estos pioneros, como la aquí mostrada, se encuentran en todo el texto. El inicio de la electrónica Los primeros experimentos con la electrónica implicaron corrientes eléctricas en tubos de vacío. Heinrich Geissler (1814-1879) extrajo la mayor parte del aire contenido en un tubo de vidrio y encontró que el tubo brillaba cuando era atravesado por una corriente. Posteriormente, Sir William Crookes (1832-1919) se dio cuenta de que en tubos de vacío la corriente parecía estar compuesta por partículas. Thomas Edison (1847-1931) experimentó con bulbos de filamento de carbón con placas y descubrió que había una corriente del filamento caliente hacia una carga positivamente cargada. Patentó la idea pero nunca la utilizó. Otros precursores de la experimentación midieron las propiedades de las partículas que fluían en tubos de vacío. Sir Joseph Thompson (1856-1940) midió las propiedades de estas partículas, llamadas más tarde electrones. Aunque la comunicación telegráfica inalámbrica se remonta a 1844, la electrónica es básicamente un concepto del siglo XX, que se inició con la invención del amplificador de tubo de vacío. En 1904, John A. Fleming construyó un tubo de vacío que permitía el flujo de corriente en una sola dirección. Llamado válvula Fleming, fue el precursor de los diodos de tubos de vacío. En 1907, Lee deForest agregó una rejilla al tubo de vacío. El nuevo artefacto, llamado audiotrón, podía amplificar una señal débil. Al agregar el elemento de control, deForest se colocó a la vanguardia de la revolución electrónica. Gracias a una versión mejorada de su artefacto los servicios de telefonía transcontinental y de radio fueron posibles. En 1912 en San José, California, ¡un radio aficionado transmitía música con regularidad! En 1921 el secretario de comercio estadounidense, Herbert Hoover, expidió la primera licencia para una estación de radio; al cabo de dos años más de 600 licencias fueron expedidas. A finales de los años de 1920 en muchos hogares ya había aparatos de radio. Un nuevo tipo de radio, el superheterodino, inventado por Edwin Armstrong, resolvió los problemas que se presentaban con P REFACIO la comunicación de alta frecuencia. En 1923 Vladimir Zworykin, un investigador estadounidense, inventó el primer tubo de imagen de televisión, y en 1927 Philo T. Farnsworth solicitó una patente para un sistema de televisión completo. La década de 1930 contempló muchos desarrollos en la radio, incluyendo los tubos metálicos, el control de ganancia automático, “miniaparatos” (de radio), antenas direccionales y más. En esta década también se inició el desarrollo de las primeras computadoras electrónicas. Las computadoras modernas remontan sus orígenes al trabajo de John Atanasoff en Iowa State University. Comenzando en 1937, ideó una máquina binaria que podía realizar trabajos matemáticos complejos. En 1939, Atanasoff y el estudiante graduado Clifford Berry construyeron una máquina binaria llamada ABC (por Atanasoff-Berry Computer) que utilizaba tubos de vacío para la lógica y condensadores (capacitores) para memoria. En 1939, el magnetrón, un oscilador de microondas, fue inventado en Inglaterra por Henry Boot y John Randall. En el mismo año, el tubo de microondas klistrón fue inventado en Estados Unidos por Russell y Sigurd Varian. Durante la Segunda Guerra Mundial, la electrónica se desarrolló con rapidez. El magnetrón y el klistrón hicieron posible la fabricación del radar y la comunicación de muy alta frecuencia. Los tubos de rayos catódicos fueron mejorados para utilizarse en sistemas de radar. El desarrollo de la computadora continuó durante la guerra. En 1946, John von Neumann desarrolló la primera computadora capaz de guardar programas, la ENIAC, en la Universidad de Pennsylvania. La década finalizó con una de las invenciones más importantes que alguna vez se haya realizado: el transistor. Electrónica de estado sólido Los detectores de cristal utilizados en los primeros aparatos de radio fueron los precursores de los modernos instrumentos de estado sólido. Sin embargo, la era de la electrónica de estado sólido comenzó con la invención del transistor en 1947 en los laboratorios Bell. Los inventores fueron Walter Brattain, John Bardeen y William Shockley. Las tarjetas de circuito impreso fueron introducidas en 1947, el año en que se inventó el transistor. La fabricación comercial de transistores comenzó en Allentown, Pennsylvania, en 1951. La inversión más importante en la década de 1950 fue el circuito integrado. El 12 de septiembre de 1958, en Texas Instruments, Jack Kilby realizó el primer circuito integrado. Esta invención literalmente creó la era de la computadora y provocó arrolladores cambios en campos como el de la medicina, las comunicaciones, la manufactura y la industria del entretenimiento. Muchos miles de millones de “chips” —como se los llamó a los circuitos integrados— se han fabricado desde entonces. La década de 1960 fue testigo del inicio de la carrera espacial y estimuló el desarrollo de la miniaturización y las computadoras. La carrera espacial se constituyó en la fuerza impulsora de los rápidos cambios que siguieron. El primer “amplificador operacional” lo diseñó Bob Widlar en Fairchild Semiconductor en 1965. Llamado A709, resultó muy exitoso, pero sufría de “bloqueo” y otros problemas. Más tarde, el amplificador operacional más popular que alguna vez se haya construido, el 741, fue tomando forma en Fairchild. El 741 se convirtió en el estándar de la industria e influyó en el diseño de los amplificadores operacionales de los siguientes años. Hacia 1971, una nueva compañía que había sido formada por un grupo proveniente de Fairchild introdujo el primer microprocesador. Esta empresa fue Intel y el producto el chip 4004, el cual tenía igual potencia de procesamiento que la computadora Eniac. Posteriormente en el mismo año, Intel dio a conocer el primer procesador de 8 bits, el 8008. En 1975, la primera computadora personal fue introducida por Altair, y apareció en la portada del número de enero de 1975 de la revista Popular Science. La década de 1970 también atestiguó la introducción de la calculadora de bolsillo y de nuevos desarrollos de circuitos ópticos integrados. Durante la década de 1980, la mitad de los hogares estadounidenses utilizaba conexiones de cable en lugar de antenas de televisión. La confiabilidad, velocidad y miniaturización de artefactos electrónicos continuó, incluyendo la evaluación y calibración automáticas de tarjetas de circuito impreso. La computadora se convirtió en parte de la instrumentación y fue creado el objeto virtual. La computadoras devinieron en el estándar en el banco de trabajo. Los años de la década de 1990 atestiguaron la amplia aplicación de Internet. En 1993 había 130 sitios Web; ahora hay millones. Las compañías se peleaban por establecer una página de inicio y muchos de los primeros desarrollos de transmisión radial ocurrieron en paralelo con Internet. En 1995, la FCC asignó espacio espectral para un nuevo servicio llamado Servicio de Radio de Audio Digital (Digital Audio Radio Service). Hacia 1996, la FCC adoptó estándares de televisión digital para la siguiente generación de transmisiones televisivas. ◆ XIII XIV ◆ P REFACIO El siglo XXI vio la luz en enero de 2001. Uno de los