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Circuitos eléctricos

y electrónicos. F undamentos y técnicas para su análisis

Circuitos eléctricos

y electrónicos.

Fundamentos y

técnicas para su análisis

Jorge Raúl Villaseñor Gómez

Revisión técnica:

Dr. Dainet Berman Mendoza

Prólogo de:

Dra. Carmen Leonor Villarreal Lizárraga

Páginas: 496PEARSON EDUCACIÓN, México, 2011

ISBN: 978-607-442-356-3

Área: Ingeniería

Formato: 21 27 cmCircuitos eléctricos y electrónicos. Fundamentos y técnicas para su análisis Todos los derechos reservados

Editor

es: Carlos Mario Ramírez Torres carlosmario.ramirez@pearsoned.com

Marianna Lyubarets (Universidad de Sonora)

Supervisor de producción: José D. Hernández Garduño

PRIMERA EDICIÓN, 2011

D.R. © 2011 por Universidad de Sonora

Blvd. Rosales y Encinas, Col. Centro

83000, Hermosillo, Sonora, México

www.uson.mx D.R. © 2011 por Instituto Tecnológico de Hermosillo

Av. Tecnológico S/N, Col. Sahuaro

83170, Hermosillo, Sonora, México

www.ith.mx D.R. © 2011 por Pearson Educación de México, S.A. de C.V.

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Industrial Atoto

53519, Naucalpan de Juárez, Estado de México

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o electroóptico, por fotocopia, grabación o cualquier otro, sin permiso previo por escrito de los coeditores.

El préstamo, alquiler o cualquier otra forma de cesión de uso de este ejemplar requerirá también la autorización de los coeditores o

de sus representantes.

Este libro se publicó con el apoyo del Fondo para la Consolidación de las Universidades Públicas P/FPCU-2009-2 otorgado a la

Universidad de Sonora.

ISBN 978-607-442-356-3

ISBN 978-607-7782-45-2 (UNISON)

Impreso en México. Printed in Mexico.

1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 - 14131211

CONTENIDO

Dedicatoria.

ix

Prólogo.

xi

Prefacio.

xiii

PRIMERA

PARTE. Fundamentos de los circuitos eléctricos

1

CAPÍTULO 1. VARIABLES FUNDAMENTALES DE

LOS CIRCUITOS

ELÉCTRICOS

Introducción 5

1.1 Estudio de las cargas eléctricas desde Coulomb hasta Bohr 61.2 Conceptos básicos 11

1.3 Elementos de un circuito eléctrico 301.4 Circuitos eléctricos 35

CAPÍTUL

O 2. CIRCUITOS RESISTIVOS Y LEY DE

OHM

Introducción 51

2.1 Resistencia y resistividad 512.2 Resistencia y temperatura 542.3 Tipos más comunes de resistores 572.4 Medición de resistencia 632.5 Ley de Ohm 642.6 Conductancia y conductividad 672.7 Potencia y energía eléctrica en los resistores 682.8 Arreglos de resistores en serie 692.9 Arreglos de resistores en paralelo 712.10 Cálculo, simulación y medición de diversos arreglos resistivos 72

viContenido CAPÍTULO 3. ANÁLISIS DE CIRCUITOS RESISTIVOS

Introducción 83

3.1 Arreglos resistivos alimentados por fuentes de voltaje de cd 83

3.2 Ley de voltajes de Kirchhoff 87

3.3 Ley de corrientes de Kirchhoff 101

3.4 Divisor de voltaje 109

3.5 Divisor de corriente 115

3.6 Equivalencia entre fuentes de alimentación 119

3.7 Teoremas de Thévenin y de Norton 127

CAPÍTULO 4. INDUCTANCIA Y CAPACITANCIA

Introducción 141

4.1 Inductancia 141

4.2 Circuito RL simple 146

4.3 Capacitancia 153

4.4 Circuito RC simple 165

4.5 Función escalón unitario 168

4.6 Circuito RL excitado por una función escalón unitario 171

4.7 Circuito RC excitado por una función escalón unitario 177

4.8 Energía almacenada en un capacitor 180

4.9 Aplicaciones de los inductores y los capacitores 181

CAPÍTULO 5. SEÑALES ELÉCTRICAS EN LOS CIRCUITOS

Introducción 193

5.1 Señales periódicas 193

5.2 Valor instantáneo, medio y eficaz en las señales eléctricas 197

5.3 Generadores de señales 202

5.4 Medición de las señales eléctricas 203

5.5 Función de excitación senoidal 211

5.6 Respuesta de un circuito RLC a una excitación senoidal 215

5.7 Relaciones fasoriales para R, C y L 225

5.8 Diagramas fasoriales 227

5.9 Impedancia y admitancia 230

vii SEGUNDA PARTE. Electrónica analógica básica 239

CAPÍTULO 6. DIODOS SEMICONDUCTORES

Introducción 245

6.1 Materiales y la corriente eléctrica 245

6.2 Materiales semiconductores 250

6.3 Diodo semiconductor 254

6.4 Polarización del diodo 256

6.5 Características del diodo semiconductor 259

6.6 Modelos para el diodo 265

6.7 Análisis de circuitos con diodos 266

6.8 Diodo Zener 273

6.9 Otros tipos de diodos 277

CAPÍTULO 7. APLICACIÓN DE LOS DIODOS SEMICONDUCTORES

Introducción 285

7.1 Circuitos básicos con diodos semiconductores 285

7.2 Compuertas lógicas AND y OR con diodos 294

7.3 Rectificador de media onda 297

7.4 Rectificador de onda completa 301

7.5 Fuente de alimentación básica 306

CAPÍTULO 8. TRANSISTORES BIPOLARES DE UNIÓN

Introducción 321

8.1 Construcción de un transistor bipolar de unión 321

8.2 Operación de un transistor bipolar de unión 322

8.3 Configuración base común 325

8.4 El transistor como amplificador 328

8.5 Configuración emisor común 330

8.6 Polarización de un BJT 333

8.7 Circuitos de polarización 336

CAPÍTULO 9. AMPLIFICADORES OPERACIONALES

Introducción 373

9.1 Principios básicos de los amplificadores operacionales 374

9.2 Configuraciones básicas del amplificador operacional 381

9.3 Configuraciones basadas en los circuitos inversor y no inversor 384

9.4 Amplificador de más de una etapa 387Contenido

viiiContenido

TERCERA

PARTE. ELectrónica digital básica 391

CAPÍTULO 10. SISTEMAS NUMÉRICOS

Introducción 395

10.1 Sistemas numéricos 396

10.2 Código BCD 413

10.3 Operaciones básicas en aritmética binaria 414

10.4 Formas de notación binaria 417

CAPÍTULO 11. ÁLGEBRA BOOLEANA Y COMPUERTAS LÓGICAS

Introducción 427

11.1 Símbolos y funciones lógicas 427

11.2 Operaciones con compuertas lógicas 431

11.3 Álgebra booleana y los circuitos lógicos 433

11.4 Simplificación de expresiones booleanas 439

11.5 Mapas de Karnaugh 443

11.6 Circuitos lógicos con compuertas NAND 451

11.7 Circuitos lógicos con compuertas NOR 452

CAPÍTULO 12. CIRCUITOS LÓGICOS COMBINACIONALES Y SECUENCIALES

Introducción 461

12.1 Circuitos lógicos combinacionales 461

12.2 Circuitos lógicos secuenciales 467

12.3 Flip-Flop de compuertas NAND 468

12.4 Flip-Flop de compuertas NOR 470

12.5 Pulsos digitales y los Flip-Flop 472

12.6 Flip-Flop controlado por reloj 473

12.7 Flip-Flop T 474

12.8 Flip-Flop-JK 475

12.9 Flip-Flop D 476

ix

A Lety

Compañera amorosa e incansable, quien siempre me apoya y motiva para luchar en la vida. Por compartir todos los momentos, por estar conmigo en las pruebas de desaliento y desesperanza que en la vida hemos superado juntos. A Jorge Raúl, Georgina Andrea y Martha Gabriela Mis tres grandes orgullos e inmenso motivo de superación: mis hijos.

A ellos dedico mi trabajo diario con amor.

A Juan Carlos

Quien ahora es parte del Clan VIRO y construye un nuevo proyecto junto a Ita.

A la memoria de mis padres

Andreita y Manuel, su vida y obra han sido el ejemplo que me permitió trazar el camino por el que he cursado en la vida. Con amor y agrade- cimiento por todo lo que entregaron para formar una familia de la que siempre me he sentido orgulloso.

A la memoria de mis queridos hermanos

Héctor Manuel, Luis Humberto y Arturo Javier. Su sabiduría era clara, sus enseñanzas continúan plasmadas en mi ser y en mi vida.

DEDICATORIA

xi Al hacer una breve revisión de nuestro entorno, resulta difícil encontrar en la vida cotidiana alguna persona que no haya escuchado algo relacio- nado con la electrónica, que no conozca algunas de las aplicaciones de la electrónica que facilitan el desarrollo de las actividades humanas, o que no haya utilizado algún aparato que no incluya elementos que operan bajo los principios de esta interesante rama de la ingeniería y de la física aplicada. El campo de estudio que nos ocupa incluye el diseño y aplicación de dispositivos (llamados por lo general circuitos electrónicos) que a partir del ?ujo de electrones generan, transmiten, reciben y almacenan información, entre otros. Esta información va desde la voz humana o la música en un receptor de radio, en una imagen de televisión, o en números u otros datos que se procesan en una computadora o en un sistema de control automático. Las funciones de los circuitos electrónicos para el procesamiento de esta información son diversas. Incluyen la ampli?cación de señales débiles, hasta un nivel que permita su utilización, hasta la generación de ondas de radio, la extracción de información, el control y las ope- raciones lógicas como los procesos electrónicos que tienen lugar en las computadoras. Podemos ubicar el inicio de esta era electrónica y de su rápida evo- lución a partir de la aparición de los tubos de vacío a comienzos del siglo XX. Estos dispositivos posibilitaron la manipulación de señales, que no podía realizarse en los antiguos circuitos telegrá?cos y telefó- nicos, ni con los primeros transmisores que utilizaban chispas de alta tensión para generar ondas de radio. Las señales de radio y de sonidos débiles pudieron ampli?carse y, además, las señales de sonido podían superponerse a las ondas de radio. El desarrollo de una amplia variedad de tubos diseñados para funcio- nes especializadas, posibilitó el rápido avance de la tecnología de comu- nicación radial antes de la Segunda Guerra Mundial y el desarrollo de las primeras computadoras, durante la guerra y poco después de ella. Hoy día, el transistor, y los semiconductores inventados en 1948 han reempla- zado casi completamente al tubo de vacío en la mayoría de sus aplicacio- nes, no obstante este último se sigue usando en ciertas circunstancias. Al incorporar un conjunto de materiales semiconductores, el transistor permite las mismas funciones que el tubo de vacío, pero con un costo y peso más bajos, además de una considerable reducción en el consumo de energía y un aumento considerable en la contabilidad de operación. Los progresos

PRÓLOGO

Circuitos eléctricos y electrónicos

Fundamentos y técnicas para su análisis.

Autor: Profr. Jorge Raúl Villaseñor Gómez xii subsiguientes en la tecnología de semiconductores, atribuibles en parte a la intensidad de las investigaciones asociadas con la iniciativa de exploración del espacio, llevó al desarrollo, en la década de los setenta, del circuito integrado y, por tanto, de la electrónica lógica. Estos dispositivos pueden contener centenares de miles de transistores en un pequeño trozo de material, lo que permite la construcción de circuitos electrónicos complejos para los microordenadores o las microcomputadoras, los equipos de sonido y video, y los satélites de comunicaciones. Los estudios han mostrado que la industria electrónica genera y estimula en la actualidad más de 50% de la producción mundial y del movimiento de las bolsas de valores del mundo y contribuye con más de 35% del incremento anual de la demanda de empleos. Y la rapidez con que estas tendencias se incrementan, es vertiginosa. En cuanto a la electrónica, como campo de estudio y de formación de ingenieros, representa, ante todo, una serie de conocimientos necesa- rios en la mayor parte de las ingenierías modernas. Las áreas de sistemas computacionales, robótica, mecatrónica, entre otras, exigen conocer los principios de operación de los circuitos electrónicos. También ingenie- rías más tradicionales como la eléctrica y la mecánica requieren su com- prensión porque la mayor parte de los dispositivos de control asociados a la generación, transmisión y distribución de la energía eléctrica y de las maquinarias de todo tipo operan gracias a la electrónica. Es por ello que al revisar planes de estudio y programas de ingeniería, bajo diferentes nombres, aparecen las materias dedicadas a la introducción en los conocimientos básicos para comprender la operación y las aplicacio- nes de los dispositivos electrónicos. Es aquí donde reside la importancia de este libro escrito por el profesor Jorge Raúl Villaseñor Gómez. El libro, en su totalidad, re?eja su vasta experiencia en la enseñanza de la electrónica básica en diferentes carreras de ingeniería, así como su capacidad para observar la dinámica que requieren los estudiantes para aprender, también le ha permitido organizar y detallar los temas básicos para comprender y desarrollar competencias asociadas a la electrónica desde las otras ingenierías, permitiendo complementar y mejorar la formación de los nuevos ingenieros en diversas disciplinas. Esta obra, la cual desarrolla minuciosamente las temáticas que in- cluye, contiene además una serie de ejercicios resueltos (y para resolver) que son herramientas de construcción del aprendizaje. De ahí que sea altamente recomendable para materias básicas de electrónica. Además de que, en un esfuerzo por ampliar la cultura de los estudiantes, incluye ?guras con datos biográ?cos y las aportaciones de los cientí?cos que generaron el conocimiento necesario que sirvió de base al desarrollo de los dispositivos electrónicos. Es un excelente apoyo para quienes, como el autor, nos encontramos inmersos en la formación de ingenieros.

Dra. Carmen Leonor Villarreal Lizárraga

Profesora de las carreras de Ingeniería Eléctrica, Electrónica y de Sistemas Computacionales y de la Maestría en Sistemas Industriales. Adscrita a la División de Estudios de Posgrado e Investigación del Instituto Tecnológico de Hermosillo.Prólogo xiii "C ircuitos Eléctricos y Electrónicos. Fundamentos y técnicas para su análisis" es un libro cuyo contenido está adecuado para cubrir los requerimientos básicos de los estudiantes de ingeniería que asisten al primer curso relacionado con esta área. En algunos casos el libro puede utilizarse como texto, y en otros servirá como apoyo para la realización de diversos ejercicios, depende de cada programa en particular. Así en este material se incluyen los conceptos, las leyes y las teorías fundamentales de la electricidad y la electrónica, mismos que se ana- lizan y aplican con un enfoque didáctico que facilita al estudiante su comprensión y aplicación por parte del estudiante. La obra propone técnicas y métodos sencillos para el aprendizaje y desarrollo de circuitos, lo que resulta también un apoyo para el trabajo en las actividades del laboratorio de la asignatura. El diseño de su estructura lleva una secuencia en la exposición de los temas, que inicia con el estudio de las teorías que sustentan a los conceptos básicos como carga eléctrica y potencial eléctrico, para seguir con el estudio de las variables que intervienen en los fenómenos eléctricos que se presentan en los circuitos y luego da paso a su inter- pretación y aplicación en los sistemas electrónicos, tanto analógicos como digitales. Los contenidos están organizados con tres enfoques: Conceptual.1. Para coadyuvar en el desarrollo de la capacidad del estudiante para la obtención de información y el procesamiento intelectual. Procedimental.2. Para propiciar en el estudiante el desarrollo de capa- cidades diversas y estrategias para la solución de problemas. Actitudinal.3. Cuyo propósito es estimular en el estudiante el desarrollo de su capacidad para saber valorar, apreciar y actuar positivamente como integrante de una sociedad. A partir de esta estructura temática, conforme se revisan los conteni- dos, se busca estimular en los estudiantes el desarrollo de competencias en tres dimensiones: Dimensión instrumental. En la que se propicia el desarrollo de competencias relacionadas con la comprensión, organización

PREFACIO

y manejo de ideas, métodos, destrezas para la comunicación y para el análisis de información.Dimensión interpersonal. En esta dimensión se estimula el de-

sarrollo de competencias que tienden a facilitar los procesos de comunicación con otras personas, de interacción social, de cooperación y de colaboración. Dimensión sistémica. En la cual, se desarrollan competencias que implican una combinación de conocimientos conceptuales, procedimentales y actitudinales que permiten al estudiante ver la relación funcional entre las partes de un todo, integrando competencias de las dos primeras dimensiones. El libro expone ejemplos para los temas, y al ?nal de cada capítulo se proponen ejercicios para la comprobación del aprendizaje, con la sugerencia de veri?car los resultados haciendo uso de la autoevaluación personal y la evaluación por grupos de trabajo.

La obra se divide en tres partes:

PRIMERA PARTE. Fundamentos de los circuitos

eléctricos. Comprende el inicio y los contenidos básicos que serán el soporte teórico de temas posteriores, y tiene como propósito dar a conocer al estudiante las variables fundamentales que determinan el funcionamiento de los circuitos eléctricos, la relación funcional entre ellas, así como su correcta interpretación y aplicación en el estudio de sistemas eléctricos y electró- nicos. Se analizan las leyes fundamentales que rigen el funcionamientoquotesdbs_dbs5.pdfusesText_9

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