Basic Engineering Circuit Analysis - Sách phân tích mạch điện kỹ thuật 10th Edition (Irwin & Nelms)

Tài liệu phân tích mạch điện kỹ thuật - Phiên bản lần thứ 10 của Irwin & Nelms. Nội dung bao gồm lý thuyết điện, phương pháp tính toán mạch, ứng dụng thực tế

• Tác giả: J. David Irwin
• Trường học: Auburn University
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
• Đề tài: Basic Engineering Circuit Analysis
• Loại tài liệu: Giáo trình
• Năm xuất bản: 2011
• Địa điểm: Hoboken

Tóm tắt

I. Tổng quan về Basic Engineering Circuit Analysis David Irwin

Basic Engineering Circuit Analysis David Irwin 10th Edition là giáo trình phân tích mạch điện cơ bản nổi tiếng. Tác giả J. David Irwin và R. Mark Nelm công tác tại Đại học Auburn. Nhà xuất bản John Wiley & Sons phát hành năm 2011. Cuốn sách đã qua 10 lần tái bản, chứng minh giá trị bền vững trong lĩnh vực giáo dục kỹ thuật điện. Nội dung sách bao gồm các khái niệm nền tảng về mạch điện. Điện áp, dòng điện, điện trở là những chủ đề trọng tâm. Phương pháp phân tích mạch DC và AC được trình bày chi tiết. Sách đi kèm nền tảng WileyPLUS hỗ trợ học tập trực tuyến. Đây là tài liệu không thể thiếu cho sinh viên kỹ thuật điện tử. Nhiều trường đại học trên thế giới sử dụng cuốn sách này làm giáo trình chính thức.

1.1. Giới thiệu về tác giả và nhà xuất bản

J. David Irwin là giáo sư kỹ thuật điện tại Đại học Auburn, bang Alabama, Hoa Kỳ. Ông có nhiều năm kinh nghiệm giảng dạy và nghiên cứu trong lĩnh vực phân tích mạch điện. R. Mark Nelm là đồng tác giả, cũng công tác tại cùng trường đại học. Cả hai tác giả đều có đóng góp lớn cho nền giáo dục kỹ thuật. John Wiley & Sons là nhà xuất bản uy tín hàng đầu thế giới về sách khoa học kỹ thuật. Nhà xuất bản này đã phát hành hàng nghìn đầu sách kỹ thuật chất lượng cao. Sự hợp tác giữa tác giả và nhà xuất bản tạo nên sản phẩm giáo dục hoàn hảo.

1.2. Cấu trúc nội dung sách

Sách được chia thành nhiều chương, mỗi chương tập trung vào một chủ đề cụ thể. Phần đầu tiên giới thiệu các khái niệm cơ bản về mạch điện. Các chương tiếp theo trình bày định luật Ohm, định luật Kirchhoff. Phương pháp phân tích nút, phân tích mắt, phân tích Norton và Thevenin được giải thích rõ ràng. Cuối mỗi chương có bài tập thực hành đa dạng mức độ. Nền tảng WileyPLUS cung cấp thêm tài liệu học tập trực tuyến. Cấu trúc logic giúp sinh viên tiến bộ từ cơ bản đến nâng cao một cách có hệ thống.

II. Phân tích nội dung chính của Basic Engineering Circuit Analysis

Nội dung Basic Engineering Circuit Analysis David Irwin 10th Edition bao quát toàn diện lĩnh vực phân tích mạch điện. Chương đầu tiên định nghĩa các đại lượng cơ bản. Điện áp tính bằng vôn, dòng điện tính bằng ampe, điện trở tính bằng ôm. Sách giải thích chi tiết mối quan hệ giữa các đại lượng này. Định luật Ohm thể hiện qua phương trình v(t) bằng R nhân i(t). Điện trở có thể là thành phần tuyến tính hoặc phi tuyến. Sách trình bày cả hai loại điện trở này. Phương pháp phân tích mạch DC sử dụng các quy tắc đơn giản. Mạch AC đòi hỏi kiến thức phức số và hàm lượng giác. Mỗi chủ đề đều có ví dụ minh họa cụ thể. Bài tập cuối chương giúp củng cố kiến thức đã học. Nội dung được trình bày từ đơn giản đến phức tạp, phù hợp với mọi trình độ.

2.1. Các khái niệm cơ bản về mạch điện

Mạch điện là đường dẫn kín cho dòng điện chạy qua. Mạch bao gồm nguồn điện, tải và dây dẫn. Điện áp là hiệu điện thế giữa hai điểm trong mạch. Điểm có điện thế cao hơn mang dấu dương. Điểm có điện thế thấp hơn mang dấu âm. Dòng điện là tốc độ di chuyển của điện tích qua tiết diện dây dẫn. Đơn vị đo dòng điện là ampe. Sách giải thích rõ ràng quy ước chiều dòng điện. Điện trở là khả năng cản trở dòng điện của vật liệu. Giá trị điện trở tính bằng ôm. Các khái niệm này là nền tảng cho toàn bộ nội dung sách.

2.2. Định luật Ohm và các loại điện trở

Định luật Ohm mô tả mối quan hệ tuyến tính giữa điện áp và dòng điện. Phương trình biểu diễn là v(t) bằng R nhân i(t). Trong đó R là điện trở, luôn có giá trị lớn hơn hoặc bằng không. Điện trở tuyến tính có đặc tính đường thẳng đi qua gốc tọa độ. Điện trở phi tuyến có đặc tính không phải đường thẳng. Sách giới thiệu nhiều loại điện trở thực tế. Điện trở thanh, điện trở dây quấn, điện trở màng kim loại. Mỗi loại có công suất và độ chính xác khác nhau. Điện trở được ứng dụng rộng rãi trong các mạch điện tử hiện đại.

III. Phương pháp học hiệu quả với Basic Engineering Circuit Analysis

Học hiệu quả với Basic Engineering Circuit Analysis David Irwin đòi hỏi phương pháp đúng đắn. Đọc kỹ lý thuyết trước khi giải bài tập. Hiểu rõ định nghĩa và công thức là bước đầu tiên. Nền tảng WileyPLUS hỗ trợ học tập trực tuyến hiệu quả. Sinh viên có thể xem video hướng dẫn và làm bài kiểm tra. Thực hành giải bài tập thường xuyên giúp nắm vững kiến thức. Bắt đầu với bài tập đơn giản, sau đó tăng dần độ khó. Thảo luận nhóm giúp hiểu sâu hơn các khái niệm phức tạp. Gặp khó khăn nên tìm kiếm sự hỗ trợ từ giảng viên. Tạo thói quen học đều đặn mỗi ngày. Không nên nhồi nhét kiến thức vào phút cuối. Phương pháp học chủ động mang lại kết quả tốt nhất.

3.1. Sử dụng nền tảng WileyPLUS

WileyPLUS là nền tảng học tập trực tuyến đi kèm với sách. Nền tảng cung cấp video hướng dẫn chi tiết cho từng chương. Sinh viên có thể làm bài tập trực tuyến và nhận phản hồi ngay lập tức. Hệ thống theo dõi tiến độ học tập giúp sinh viên đánh giá năng lực. Bài kiểm tra trực tuyến giúp ôn tập hiệu quả. Nền tảng hoạt động 24 giờ mỗi ngày, 7 ngày mỗi tuần. Sinh viên có thể học mọi lúc mọi nơi. WileyPLUS còn cung cấp tài liệu bổ sung và ví dụ mở rộng. Đây là công cụ hỗ trợ học tập không thể thiếu khi sử dụng giáo trình này.

3.2. Chiến lược giải bài tập mạch điện

Giải bài tập mạch điện đòi hỏi tư duy logic và cẩn thận. Đọc kỹ đề bài, xác định các đại lượng đã biết và chưa biết. Vẽ sơ đồ mạch điện rõ ràng, đánh dấu các nút và mắt. Áp dụng định luật Kirchhoff cho nút và mắt. Sử dụng phương pháp phân tích nút khi biết dòng điện. Sử dụng phương pháp phân tích mắt khi biết điện áp. Kiểm tra kết quả bằng cách cân bằng công suất. Luyện tập nhiều bài tập khác nhau để nắm vững kỹ năng. Ghi chép lại các phương pháp đã học để ôn tập sau này.

IV. Kết luận và ứng dụng của Basic Engineering Circuit Analysis

Basic Engineering Circuit Analysis David Irwin 10th Edition là tài liệu học tập giá trị. Cuốn sách cung cấp nền tảng vững chắc về phân tích mạch điện. Kiến thức trong sách áp dụng rộng rãi trong thực tế. Kỹ sư điện sử dụng nguyên lý mạch điện hàng ngày. Thiết kế mạch nguồn, mạch khuếch đại, mạch lọc đều dựa trên kiến thức này. Ngành công nghiệp điện tử phát triển mạnh mẽ đòi hỏi nhân lực chất lượng. Sinh viên tốt nghiệp với nền tảng vững chắc sẽ có nhiều cơ hội việc làm. Cuốn sách không chỉ phục vụ học tập mà còn là tài liệu tham khảo nghề nghiệp. Giá trị của sách đã được kiểm chứng qua nhiều thế hệ sinh viên. Đầu tư thời gian học tập nghiêm túc sẽ mang lại kết quả xứng đáng.

4.1. Ứng dụng thực tế của phân tích mạch điện

Phân tích mạch điện ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực công nghiệp. Thiết kế mạch nguồn cho thiết bị điện tử tiêu dùng. Mạch điều khiển trong hệ thống tự động hóa nhà máy. Mạch truyền thông trong mạng viễn thông. Hệ thống điện năng lượng mặt trời sử dụng nguyên lý mạch điện. Xe điện và hybrid cần mạch điện phức tạp. Ngành y tế sử dụng mạch điện trong thiết bị chẩn đoán. Hàng không vũ trụ đòi hỏi mạch điện tin cậy cao. Mọi thiết bị điện tử đều dựa trên nguyên lý phân tích mạch cơ bản. Kiến thức từ sách là nền tảng cho mọi ứng dụng thực tế này.

4.2. Giá trị giáo dục của cuốn sách cho sinh viên kỹ thuật

Cuốn sách xây dựng nền tảng kiến thức vững chắc cho sinh viên kỹ thuật. Tư duy phân tích mạch phát triển kỹ năng giải quyết vấn đề. Phương pháp học tập khoa học từ sách áp dụng được cho nhiều môn học khác. Sinh viên nắm vững nguyên lý cơ bản sẽ học tốt các môn nâng cao. Kiến thức mạch điện là điều kiện tiên tiên cho nhiều môn chuyên ngành. Nhà tuyển dụng đánh giá cao ứng viên có nền tảng vững chắc. Cuốn sách còn rèn luyện kỹ năng tính toán cẩn thận và chính xác. Giá trị giáo dục của sách vượt ra ngoài phạm vi môn học cụ thể.

Nội dung chính

Tổng quan học thuật: Giáo trình Basic Engineering Circuit Analysis (Tenth Edition)

• Tên giáo trình: Basic Engineering Circuit Analysis (Tái bản lần thứ 10)
• Tác giả: J. David Irwin & R. Mark Nelms (Auburn University)
• Nhà xuất bản: John Wiley & Sons, Inc., 2011
• Mã số tiêu chuẩn quốc tế (ISBN-13): 978-0-470-63322-9
• Cấp độ đào tạo: Đại học / Cơ sở ngành Kỹ thuật

---

Tổng quan về giáo trình

Giáo trình Basic Engineering Circuit Analysis (Tái bản lần thứ 10) của J. David Irwin và R. Mark Nelms là tài liệu giảng dạy chuẩn hóa phục vụ học phần Phân tích Mạch điện (Circuit Analysis) trong chương trình đào tạo kỹ sư đại học. Giáo trình giữ vị trí môn học cơ sở cốt lõi trong khung chương trình của các ngành Kỹ thuật Điện (Electrical Engineering), Kỹ thuật Máy tính (Computer Engineering), Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Viễn thông và Cơ điện tử. Kiến thức trong giáo trình đóng vai trò tiên quyết cho các học phần tiếp theo như Kỹ thuật Điện tử tương tự, Thiết kế Vi mạch, Hệ thống Tín hiệu và Xử lý Tín hiệu số, và Hệ thống Năng lượng Điện.

Mục tiêu học tập của giáo trình bao gồm việc trang bị cho sinh viên khả năng nhận biết và sử dụng hệ đơn vị chuẩn quốc tế (SI); định nghĩa và tính toán các đại lượng điện tích ($q$), dòng điện ($i$), điện áp ($v$), năng lượng ($w$) và công suất ($p$); áp dụng quy ước dấu thụ động (Passive Sign Convention); sử dụng các định luật nền tảng như định luật Ohm, định luật Kirchhoff (KCL, KVL) và định lý Tellegen; phân tích hoàn chỉnh các mạch điện một chiều (DC), mạch khuếch đại thuật toán (Op-Amp), mạch quá độ bậc 1 và bậc 2, mạch xoay chiều hình sin ở trạng thái xác lập (AC Steady-State), mạch ba pha, mạng ghép từ, đáp ứng tần số biến thiên, các phép biến đổi tích phân Laplace và Fourier, cùng mạng hai cổng (Two-Port Networks).

Cấu trúc giáo trình được tổ chức theo quy trình sư phạm tuyến tính từ các khái niệm mạch điện trở thuần một chiều đến các phần tử động học lưu trữ năng lượng (tụ điện, cuộn cảm), tiếp nối bởi phân tích miền thời gian vi tích phân, miền tần số pha phức (Phasor) và miền toán tử phức Laplace ($s$-domain). Điểm đặc sắc của ấn bản thứ 10 là cấu trúc trực quan hóa 4 màu, tích hợp hệ thống bài tập trắc nghiệm theo chuẩn thi chứng chỉ Kỹ sư Cơ sở FE (Fundamentals of Engineering Exam) của Hoa Kỳ, giải pháp học tập kỹ thuật số tương tác WileyPLUS và hệ thống tài liệu mô phỏng mạch điện bằng máy tính (PSPICE, MultiSim, MATLAB).

---

Nội dung kiến thức cốt lõi

Các chương và chủ đề chính

Giáo trình bao gồm 16 chương nội dung chính cùng một phần phụ lục toán học về số phức (Appendix: Complex Numbers):

• Chương 1–2: Các khái niệm cơ bản và Mạch điện trở (Basic Concepts & Resistive Circuits): Trình bày hệ đơn vị SI, các đại lượng $q(t)$, $i(t)$, $v(t)$, $p(t)$, định lý Tellegen, nguồn độc lập, bốn loại nguồn phụ thuộc (VCVS, VCCS, CCVS, CCCS); định luật Ohm ($v = Ri$), các kỹ thuật ghép điện trở nối tiếp, song song, biến đổi Wye-Delta ($\text{Y}-\Delta$) và công nghệ chế tạo điện trở.
• Chương 3–5: Kỹ thuật phân tích nút/lưới, Mạch khuếch đại thuật toán và Các định lý phân tích bổ trợ (Nodal & Loop Analysis, Op-Amps, Additional Analysis Techniques): Trình bày phương pháp phân tích điện thế nút (Nodal Analysis), phương pháp dòng điện vòng/lưới (Loop Analysis), mô hình Op-Amp lý tưởng, các cấu hình mạch Op-Amp cơ bản, định lý Thévenin, định lý Norton và định lý truyền công suất cực đại (Maximum Power Transfer).
• Chương 6–7: Điện dung, Điện cảm và Mạch quá độ bậc 1 & bậc 2 (Capacitance, Inductance, First- & Second-Order Transient Circuits): Thiết lập quan hệ tích phân - vi phân dòng/áp của tụ điện ($i = C \frac{dv}{dt}$) và cuộn cảm ($v = L \frac{di}{dt}$), mạch tích phân/vi phân Op-Amp, phân tích đáp ứng tự nhiên và đáp ứng cưỡng bức của mạch $RC$, $RL$, $RLC$ thông qua phương pháp giải phương trình vi phân vi cấp.
• Chương 8–11: Phân tích xác lập xoay chiều, Phân tích công suất, Mạng ghép từ và Mạch đa pha (AC Steady-State Analysis, Power Analysis, Magnetically Coupled Networks, Polyphase Circuits): Chuyển đổi tín hiệu hình sin sang miền pha (Phasors), thiết lập khái niệm trở kháng ($Z$) và dẫn nạp ($Y$), tính toán công suất tác dụng ($P$), công suất phản kháng ($Q$), công suất biểu kiến ($S$), hệ số công suất ($PF$), kỹ thuật bù hệ số công suất, máy biến áp lý tưởng, mạch ba pha cấu hình $\text{Y}-\text{Y}$, $\text{Y}-\Delta$, $\Delta-\text{Y}$, $\Delta-\Delta$.
• Chương 12–16: Đáp ứng tần số, Biến đổi Laplace, Phân tích Fourier và Mạng hai cổng (Variable-Frequency Network, Laplace Transform, Fourier Techniques, Two-Port Networks): Khảo sát hàm truyền mạng ($H(j\omega)$), mạch cộng hưởng, biểu đồ Bode; định nghĩa biến đổi Laplace, các hàm kỳ dị (Singularity Functions), định lý giá trị đầu/cuối, mô hình phần tử mạch trong miền $s$, chuỗi và biến đổi Fourier, các bộ thông số mạng hai cổng ($z, y, h, ABCD$).

Logic phát triển nội dung tuân theo tiến trình: từ mạch DC tĩnh $\rightarrow$ mạch tuyến tính có nguồn phụ thuộc và Op-Amp $\rightarrow$ mạch động lực bậc 1 và bậc 2 miền thời gian $\rightarrow$ mạch miền tần số xoay chiều đơn tần và đa pha $\rightarrow$ mạch miền tần số biến thiên và tổng quát hóa qua phép biến đổi toán tử miền $s$.

[Chương 1-2: Khái niệm & Mạch trở DC] 
[Chương 3-5: Phân tích Nút/Lưới, Op-Amp, Định lý Mạch]
[Chương 6-7: Phần tử L-C & Quá độ Bậc 1, Bậc 2]
[Chương 8-11: Trạng thái xác lập AC, Công suất, Ghép từ, Ba pha]
[Chương 12-16: Đáp ứng tần số, Biến đổi Laplace, Fourier, Mạng 2 cổng]

Kiến thức nền tảng được xây dựng

• Các lý thuyết cơ bản (Fundamental Theories): Định luật Ohm; Định luật dòng điện Kirchhoff ($\sum i = 0$ tại một nút); Định luật điện áp Kirchhoff ($\sum v = 0$ dọc theo một vòng khép kín); Định lý bảo toàn công suất Tellegen ($\sum P_{absorbed} = 0$).
• Các nguyên lý cốt lõi (Core Principles): Quy ước dấu thụ động (Passive Sign Convention - công suất dương biểu thị phần tử tiêu thụ năng lượng $P > 0$, công suất âm biểu thị phần tử cung cấp năng lượng $P < 0$); Nguyên lý bảo toàn năng lượng trong mạng điện kín; Nguyên lý xếp chồng tuyến tính (Superposition); Nguyên lý tương đương Thévenin và Norton.
• Các khung phân tích thiết yếu (Essential Frameworks): Khung ma trận nút/lưới giải hệ phương trình đại số tuyến tính; Khung miền pha (Phasor Domain) giải phương trình vi phân tuyến tính hệ số hằng thành phương trình đại số phức; Khung miền toán tử $s$ (Laplace Domain) mô hình hóa trạng thái ban đầu thành các nguồn áp/dòng tương đương.

Kỹ năng phát triển

• Kỹ năng kỹ thuật (Technical Skills): Lập và giải hệ phương trình mạch cho các hệ thống chứa nguồn điều khiển (VCVS, VCCS, CCVS, CCCS); tính toán giá trị hiệu dụng (rms), hệ số công suất và tính toán điện dung tụ bù để cải thiện hệ số công suất ($PF$ correction); biến đổi tương đương Wye-Delta trong mạng điện 3 pha.
• Kỹ năng phân tích (Analytical Skills): Phân tích cực - không (Pole-Zero Plots) của hàm truyền đạt $H(s)$; dựng biểu đồ biên độ và pha Bode cho mạch lọc thụ động và tích cực; đánh giá đáp ứng quá độ tắt dần dưới (underdamped), tắt dần tới hạn (critically damped) và tắt dần quá (overdamped) của mạch RLC bậc hai.
• Kỹ năng thực hành (Practical Competencies): Khả năng mô hình hóa, kiểm chứng và mô phỏng các mạch điện thông qua các phần mềm tiêu chuẩn trong công nghiệp gồm PSPICE, MultiSim và MATLAB.

---

Phương pháp giảng dạy và học tập

Giáo trình áp dụng phương pháp tiếp cận sư phạm phân tầng (Graduated Pedagogical Approach), kết hợp chặt chẽ giữa trình bày lý thuyết, minh họa toán học và củng cố kỹ năng thông qua các công cụ học tập:

1. Mục tiêu học tập đầu chương (Learning Objectives): Mỗi chương bắt đầu bằng bảng liệt kê định lượng các chuẩn đầu ra kiến thức và kỹ năng sinh viên cần đạt được sau khi nghiên cứu.
2. Hệ thống ví dụ mẫu phân cấp (Graduated Examples): Hệ thống ví dụ được phân chia thành ba mức độ: cơ bản (simple), trung bình (medium) và nâng cao/thách thức (challenging), bên cạnh các Ví dụ Thiết kế (Design Examples) và Ví dụ Ứng dụng (Application Examples).
3. Chiến lược giải bài tập (Problem-Solving Strategies): Đóng gói quy trình phân tích thành các thuật toán giải bài toán từng bước (Step-by-step Procedures) nhằm định hướng phương pháp tiếp cận cho sinh viên trước các topo mạch phức tạp.
4. Đánh giá quá trình tại chỗ (Learning Assessments): Bố trí ngay sau mỗi mục kiến thức nhỏ nhằm kiểm tra mức độ hiểu khái niệm, có kèm đáp số và video hướng dẫn giải chi tiết (Problem-Solving Videos - PSVs).
5. Gợi ý bên lề (Margin Hints): Cung cấp các lưu ý kỹ thuật ngắn, nhắc lại quy ước dấu, hoặc các bẫy tư duy toán học thường gặp tại vị trí tương ứng trên trang sách.
6. Hệ thống bài tập tự luận và trắc nghiệm FE: Chứa khoảng 1400 bài tập cuối chương với độ khó đa dạng, tích hợp các câu hỏi trắc nghiệm chuẩn hóa tương thích với kỳ thi sát hạch chứng chỉ Kỹ sư Cơ sở FE (Fundamentals of Engineering Exam).
7. Nền tảng trực tuyến WileyPLUS: Cung cấp ngân hàng bài tập tạo số ngẫu nhiên (algorithmic problems), các bài kiểm tra đọc hiểu (Reading Quizzes) để giảng viên theo dõi tiến độ chuẩn bị bài của sinh viên, và công cụ đánh giá kỹ năng toán học đầu khóa (Math Skills Assessments).

Thành phần sư phạm	Mô tả cấu trúc trong giáo trình	Chức năng học tập
Learning Objectives	Đặt tại đầu mỗi chương	Xác định phạm vi và chuẩn đầu ra kiến thức
Problem-Solving Strategies	Khung tóm tắt quy trình giải toán	Hướng dẫn thuật toán phân tích mạch từng bước
Learning Assessments & PSVs	Bài tập kiểm tra nhanh cuối mỗi tiểu mục	Tự đánh giá mức độ hấp thụ lý thuyết tức thì
FE Exam Problems	Bộ câu hỏi trắc nghiệm cuối chương	Chuẩn bị cho kỳ thi cấp chứng chỉ kỹ sư FE
WileyPLUS System	Môi trường kỹ thuật số tương tác	Bài tập thuật toán, Reading Quizzes, Math Assessments

---

Điểm nổi bật và cập nhật

• Cải tiến trong Tái bản lần thứ 10:
  • Chuyển đổi toàn bộ sang thiết kế in 4 màu (four-color design), tăng độ phân biệt thị giác cho các giản đồ vector pha, chiều dòng điện, cực tính điện áp và sơ đồ khối mạch điện phức tạp.
  • Bổ sung phần giới thiệu mở đầu chương (Chapter Previews) gắn kết bối cảnh công nghệ kỹ thuật thực tế với nội dung lý thuyết của từng chương.
  • Tăng cường hơn 400 bài tập mới, nâng tổng số bài tập cuối chương lên xấp xỉ 1400 bài.
  • Cập nhật và thẩm định lại toàn bộ Sách hướng dẫn giải bài tập (Solutions Manual) dành cho giảng viên.
• Tích hợp các ứng dụng kỹ thuật đương đại:
  • Phân tích cấu trúc hệ thống lưu trữ năng lượng pin Lithium-ion trên xe thể thao thuần điện (Tesla Roadster 2010 với cụm pin 6.800 cell).
  • Ứng dụng hệ thống điện tử và cảm biến trong các dự án không gian của NASA như Kính viễn vọng Không gian Hubble (Hubble Space Telescope) và Đài quan sát Động lực học Mặt trời (Solar Dynamics Observatory - SDO).
  • Khảo sát tiêu chuẩn cấp nguồn và sạc thiết bị di động qua cổng Universal Serial Bus (USB) theo định mức phụ tải đơn vị (Unit Loads: 100 mA cho cổng công suất thấp và tối đa 500 mA cho cổng công suất cao đối với điện thoại Motorola RAZR và máy nghe nhạc Apple iPod).
  • Quy trình kết nối an toàn và phân tích dòng điện nạp khi câu bình ắc-quy ô tô.
• Mối liên hệ với công nghệ sản xuất công nghiệp:
  • Giới thiệu các công nghệ vật liệu chế tạo điện trở: điện trở màng oxit dày (thick oxide), màng kim loại mỏng (thin metal films) cho mạch lai (hybrid circuits), và điện trở khuếch tán trong cấu trúc vi mạch tích hợp bán dẫn (từ công nghệ bóng chân không thập niên 1960 đến vi xử lý Intel Pentium chứa 50 triệu transistor).
  • Bổ sung tài liệu hướng dẫn giải bài toán thiết kế mạch bằng các công cụ mô phỏng chuẩn kỹ thuật: PSPICE, MultiSim và MATLAB.

---

Đối tượng sử dụng giáo trình

• Sinh viên chuyên ngành: Sinh viên năm thứ nhất và năm thứ hai theo học các chương trình Cử nhân và Kỹ sư thuộc khối ngành Kỹ thuật Điện - Điện tử, Kỹ thuật Máy tính, Tự động hóa, Viễn thông, Kỹ thuật Y sinh, Cơ điện tử và Vật lý Kỹ thuật.
• Điều kiện tiên quyết (Prerequisites):
  • Giải tích đại học (đạo hàm, tích phân xác định/bất định, giải phương trình vi phân tuyến tính cơ bản).
  • Vật lý đại cương (phần Điện từ học: định luật Coulomb, điện trường, từ trường, điện dung, độ tự cảm).
  • Đại số tuyến tính và số phức (các phép tính số phức dưới dạng đại số $a+jb$ và dạng mũ/cực $M\angle\theta$, được tóm tắt tại phần Phụ lục của sách).
• Giảng viên đại học: Sử dụng làm giáo trình chính (Primary Textbook) cho các cấu trúc học phần linh hoạt:
  • Chương trình 1 học kỳ: Giảng dạy Chương 1–7 (Mạch DC và quá độ) hoặc Chương 1–3, Chương 5–8 (Cơ sở DC và dẫn nhập AC).
  • Chương trình 2 học kỳ: Học kỳ 1 giảng dạy Chương 1–7; Học kỳ 2 giảng dạy Chương 8–16 (Mạch AC, công suất, biến đổi Laplace, Fourier và mạng hai cổng).
  • Chương trình 3 học kỳ (Quarter system): Phân bổ đều toàn bộ 16 chương qua 3 học kỳ ngắn.
  • Giảng viên được cung cấp hệ thống Slide bài giảng PowerPoint hoàn chỉnh, ngân hàng đề kiểm tra và công cụ quản trị lớp học Gradebook trên WileyPLUS.
• Người tự học và kỹ sư ôn luyện: Tài liệu học tập độc lập có lời giải mẫu dạng video (PSVs) và tài liệu tham khảo để ôn luyện cho kỳ thi cấp chứng chỉ Kỹ sư Cơ sở FE Exam.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Giáo trình này phù hợp với đối tượng người học nào?

Giáo trình được thiết kế làm tài liệu chuẩn cho sinh viên đại học khối ngành Kỹ thuật Điện, Điện tử, Máy tính và Tự động hóa trong học phần Phân tích Mạch; đồng thời là tài liệu tham khảo cho kỹ sư chuẩn bị tham gia kỳ thi cấp chứng chỉ kỹ sư FE.

2. Người học cần chuẩn bị kiến thức nền tảng nào trước khi tiếp cận giáo trình?

Cần hoàn thành các học phần Toán giải tích (vi phân, tích phân, phương trình vi phân) và Vật lý đại cương phần Điện - Từ. Kiến thức về số phức phục vụ cho phân tích mạch xoay chiều được giáo trình tóm lược tại phần Phụ lục (Appendix: Complex Numbers).

3. Giáo trình này có điểm gì khác biệt so với các tài liệu phân tích mạch khác?

Giáo trình tích hợp hệ thống video hướng dẫn giải bài tập (Problem-Solving Videos), bộ câu hỏi trắc nghiệm chuẩn hóa theo kỳ thi FE Exam ở cuối mỗi chương, hỗ trợ đồng thời 3 phần mềm mô phỏng (MATLAB, PSPICE, MultiSim) và hệ sinh thái học tập số WileyPLUS.

4. Phương pháp tự học giáo trình này như thế nào để đạt hiệu quả cao?

Người học nên đọc trước mục tiêu học tập (Learning Objectives), nghiên cứu các chiến lược giải bài tập (Problem-Solving Strategies), tự giải bài tập đánh giá (Learning Assessments), kiểm tra lại quy trình qua video PSVs, và làm bài tập cuối chương kết hợp mô phỏng kiểm chứng trên phần mềm MultiSim hoặc PSPICE.

5. Giáo trình có những tài liệu bổ trợ nào đi kèm?

Giáo trình đi kèm hệ sinh thái WileyPLUS (chứa ngân hàng bài tập thuật toán, Math Skills Assessments, Reading Quizzes), Sách giải bài tập chi tiết dành cho giảng viên (Solutions Manual), hệ thống slide bài giảng PowerPoint và các tệp mã nguồn mô phỏng mẫu bằng PSPICE, MultiSim, MATLAB.

---

Kết luận

Giáo trình Basic Engineering Circuit Analysis (Tenth Edition) của J. David Irwin và R. Mark Nelms cung cấp một hệ thống kiến thức hoàn chỉnh về lý thuyết mạch điện tuyến tính, tuân thủ các quy chuẩn vật lý và hệ đơn vị SI. Lộ trình đào tạo của giáo trình dẫn dắt người học từ việc phân tích các mạch điện trở thuần DC, mạch khuếch đại thuật toán, mạch quá độ thời gian đến các phương pháp phân tích nâng cao trong miền tần số và miền toán tử $s$. Hệ thống 16 chương sách cùng 1400 bài tập, video bài giải mẫu và nền tảng kỹ thuật số WileyPLUS tạo thành một cấu trúc tài liệu phục vụ giảng dạy, học tập và chuẩn bị chuyên môn cho sinh viên ngành kỹ thuật.

Trích đoạn nội dung tài liệu

This page intentionally left blank irwin_fm_i-xxii-hr.qxd 3-09-2010 15:50 Page i accessible, affordable, active learning :LOH\3/86LVDQLQQRYDWLYHUHVHDUFKEDVHGRQOLQHHQYLURQPHQWIRU HIIHFWLYHWHDFKLQJDQGOHDUQLQJ :LOH\3/86 «PRWLYDWHVVWXGHQWVZLWK «VXSSRUWVLQVWUXFWRUVZLWK FRQÀGHQFHERRVWLQJ UHOLDEOHUHVRXUFHVWKDW IHHGEDFNDQGSURRIRI UHLQIRUFHFRXUVHJRDOV SURJUHVV LQVLGHDQGRXWVLGHRI WKHFODVVURRP ,QFOXGHV ,QWHUDFWLYH 7H[WERRN  5HVRXUFHV :LOH\3/86/HDUQ0RUH ZZZZLOH\SOXVFRP irwin_fm_i-xxii-hr.qxd 3-09-2010 15:50 Page ii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irwin_fm_i-xxii-hr.qxd 3-09-2010 15:50 Page iii BASIC ENGINEERING CIRCUIT ANALYSIS This page intentionally left blank irwin_fm_i-xxii-hr.qxd 3-09-2010 15:50 Page v BASIC ENGINEERING CIRCUIT ANALYSIS Tenth Edition J. DAVID IRWIN Auburn University R. MARK NELMS Auburn University John Wiley & Sons, Inc. irwin_fm_i-xxii-hr.qxd 3-09-2010 15:50 Page vi Vice President and Executive Publisher Don Fowley Associate Publisher Dan Sayre Production Manager Dorothy Sinclair Senior Production Editor Valerie A.

Vargas Marketing Manager Christopher Ruel Creative Director Harry Nolan Senior Designer Kevin Murphy Production Management Services Furino Production Senior Illustration Editor Anna Melhorn Senior Photo Editor Lisa Gee Editorial Assistant Katie Singleton Executive Media Editor Thomas Kulesa Cover Photo provided courtesy of Tesla Motors, Inc. This book was set in 10/12 Times by Prepare and printed and bound by Courier-Kendallville. The cover was printed by Courier-Kendallville. Copyright © 2011, 2008, 2005 John Wiley & Sons, Inc.

All rights reserved. No part of this publication may be reproduced, stored in a retrieval system or transmitted in any form or by any means, electronic, mechanical, photocopying, recording, scanning or otherwise, except as permitted under Sections 107 or 108 of the 1976 United States Copyright Act, without either the prior written permission of the Publisher, or authorization through payment of the appropriate per-copy fee to the Copyright Clearance Center, Inc. 222 Rosewood Drive, Danvers, MA 01923, website www. Requests to the Publisher for permission should be addressed to the Permissions Department, John Wiley & Sons, Inc., 111 River Street, Hoboken, NJ 07030-5774, [phone], fax [phone], website http://www.com/go/permissions.

Founded in 1807, John Wiley & Sons, Inc. has been a valued source of knowledge and understanding for more than 200 years, helping people around the world meet their needs and fulfill their aspirations. Our company is built on a foundation of principles that include responsibility to the communities we serve and where we live and work. In 2008, we launched a Corporate Citizenship Initiative, a global effort to address the environmental, social, economic, and ethical challenges we face in our business.

Among the issues we are addressing are carbon impact, paper specifications and procurement, ethical conduct within our business and among our vendors, and community and charitable support. For more information, please visit our website: www.com/go/citizenship. Evaluation copies are provided to qualified academics and professionals for review purposes only, for use in their courses during the next academic year. These copies are licensed and may not be sold or transferred to a third party.

Upon completion of the review period, please return the evaluation copy to Wiley. Return instructions and a free of charge return shipping label are available at www.com/go/returnlabel. Outside of the United States, please contact your local representative. ISBN-13 978-0-470-63322-9 Printed in the United States of America 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 irwin_fm_i-xxii-hr.qxd 3-09-2010 15:50 Page vii To my loving family: Edie Geri, Bruno, Andrew and Ryan John, Julie, John David and Abi Laura To my parents: Robert and Elizabeth Nelms This page intentionally left blank irwin_fm_i-xxii-hr.qxd 3-09-2010 15:50 Page ix BRIEF CONTENTS CHAPTER 1 Basic Concepts 1 C H A P T E R 2 Resistive Circuits 25 C H A P T E R 3 Nodal and Loop Analysis Techniques 102 C H A P T E R 4 Operational Amplifiers 156 C H A P T E R 5 Additional Analysis Techniques 189 C H A P T E R 6 Capacitance and Inductance 245 C H A P T E R 7 First- and Second-Order Transient Circuits 296 C H A P T E R 8 AC Steady-State Analysis 369 C H A P T E R 9 Steady-State Power Analysis 435 C H A P T E R 10 Magnetically Coupled Networks 491 C H A P T E R 11 Polyphase Circuits 541 C H A P T E R 12 Variable-Frequency Network Performance 577 C H A P T E R 13 The Laplace Transform 667 C H A P T E R 14 Application of the Laplace Transform to Circuit Analysis 695 CHAPTER 15 Fourier Analysis Techniques 751 C H A P T E R 16 Two-Port Networks 801 This page intentionally left blank irwin_fm_i-xxii-hr.qxd 3-09-2010 15:50 Page xi CONTENTS Preface xiii CHAPTER 3 NODAL AND LOOP ANALYSIS TECHNIQUES 102 CHAPTER 1 3.1 Nodal Analysis 102 BASIC CONCEPTS 1 3.1 System of Units 2 3.2 Basic Quantities 2 Summary 139 1.3 Circuit Elements 8 Problems 140 Summary 17 Problems 17 CHAPTER 4 CHAPTER 2 OPERATIONAL AMPLIFIERS 156 RESISTIVE CIRCUITS 25 4.2 Op-Amp Models 157 2.3 Fundamental Op-Amp Circuits 163 2.3 Single-Loop Circuits 39 4.4 Single-Node-Pair Circuits 46 4.5 Series and Parallel Resistor Combinations 51 Summary 179 2.6 Circuits with Series-Parallel Problems 180   Combinations of Resistors 55 2.7 Wye Delta Transformations 61 2.8 Circuits with Dependent Sources 64 2.9 Resistor Technologies for Electronic Manufacturing 69 CHAPTER 5 ADDITIONAL ANALYSIS TECHNIQUES 189 2.3 Thévenin’s and Norton’s Theorems 198 irwin_fm_i-xxii-hr.qxd 3-09-2010 15:50 Page xii xii CONTENTS 5.4 Maximum Power Transfer 216 8.10 Design Examples 410 Summary 227 Summary 413 Problems 227 Problems 414 CHAPTER 9 CHAPTER 6 STEADY-STATE POWER ANALYSIS 435 CAPACITANCE AND INDUCTANCE 245 9.3 Maximum Average Power Transfer 442 6.3 Capacitor and Inductor Combinations 264 9.4 Effective or rms Values 447 6.4 RC Operational Amplifier Circuits 272 9.5 The Power Factor 450 6.7 Power Factor Correction 457 Summary 280 9.8 Single-Phase Three-Wire Circuits 461 Problems 281 9.11 Design Examples 476 Summary 478 CHAPTER 7 Problems 478 FIRST- AND SECOND-ORDER TRANSIENT CIRCUITS 7.1 Introduction 297 296 CHAPTER 10 MAGNETICALLY COUPLED NETWORKS 491 7.2 First-Order Circuits 298 7.3 Second-Order Circuits 319 10.3 The Ideal Transformer 506 Summary 351 10.4 Safety Considerations 515 Problems 351 10.6 Design Examples 521 Summary 525 Problems 526 CHAPTER 8 AC STEADY-STATE ANALYSIS 369 8.1 Sinusoids 370 CHAPTER 11 POLYPHASE CIRCUITS 541 8.2 Sinusoidal and Complex Forcing Functions 373 8.1 Three-Phase Circuits 542 8.4 Phasor Relationships for Circuit Elements 379 11.2 Three-Phase Connections 547 8.5 Impedance and Admittance 383 11.3 Source/Load Connections 548 8.7 Basic Analysis Using Kirchhoff’s Laws 393 11.5 Power Factor Correction 561 irwin_fm_i-xxii-hr2.qxd 6-09-2010 14:10 Page xiii CONTENTS xiii 11.4 Transfer Function 712 Summary 570 14.5 Pole-Zero Plot/Bode Plot Connection 724 Problems 570 14.6 Steady-State Response 727 14.8 Design Examples 731 CHAPTER 12 Summary 738 Problems 738 VARIABLE-FREQUENCY NETWORK PERFORMANCE 577 12.2 Variable Frequency-Response Analysis 578 Sinusoidal Frequency Analysis 586 CHAPTER 15 FOURIER ANALYSIS TECHNIQUES 751 12.4 Design Example 787 Summary 655 Summary 793 Problems 656 Problems 794 CHAPTER 13 CHAPTER 16 THE LAPLACE TRANSFORM 667 TWO-PORT NETWORKS 801 13.2 Two Important Singularity Functions 669 16.4 Properties of the Transform 673 16.5 Performing the Inverse Transform 676 16.6 Interconnection of Two-Ports 811 13.7 Initial-Value and Final-Value Theorems 685 16.8 Design Example 819 Summary 689 Summary 821 Problems 689 Problems 821 CHAPTER 14 APPENDIX APPLICATION OF THE LAPLACE COMPLEX NUMBERS 829 TRANSFORM TO CIRCUIT ANALYSIS 695 Index 834 14.1 Laplace Circuit Solutions 696 14.2 Circuit Element Models 697 This page intentionally left blank irwin_fm_i-xxii-hr.qxd 3-09-2010 15:50 Page xv PREFACE Circuit analysis is not only fundamental to the entire breadth of electrical and computer engineering—the concepts studied here extend far beyond those boundaries.

For this reason To the Student it remains the starting point for many future engineers who wish to work in this field. The text and all the supplementary materials associated with it will aid you in reaching this goal. We strongly recommend while you are here to read the Preface closely and view all the resources available to you as a learner. And one last piece of advice, learning requires practice and rep- etition, take every opportunity to work one more problem or study one more hour than you planned.

In the end, you’ll be thankful you did. The Tenth Edition has been prepared based on a careful examination of feedback received To the from instructors and students. The revisions and changes made should appeal to a wide vari- ety of instructors. We are aware of significant changes taking place in the way this material Instructor is being taught and learned.

Consequently, the authors and the publisher have created a for- midable array of traditional and non-traditional learning resources to meet the needs of stu- dents and teachers of modern circuit analysis. • A four-color design is employed to enhance and clarify both text and illustrations. This Highlights of the sharply improves the pedagogical presentation, particularly with complex illustrations. For example, see Figure 2.

Tenth Edition • New chapter previews provide motivation for studying the material in the chapter. See page 25 for a chapter preview sample. Learning objectives for each chapter have been updated and appear as part of the new chapter openers. • End of chapter homework problems have been substantially revised and augmented.

There are now approximately 1400 problems in the Tenth Edition, of which over 400 are new! Multiple-choice Fundamentals of Engineering (FE) Exam problems also appear at the end of each chapter. • Practical applications have been added for nearly every topic in the text. Since these are items students will naturally encounter on a regular basis, they serve to answer ques- tions such as, “Why is this important?” or “How am I going to use what I learn from this course?” For a typical example application, see page 333. irwin_fm_i-xxii-hr.qxd 3-09-2010 15:50 Page xvi xvi P R E FAC E • Problem Solving videos have been created showing students step-by-step how to solve all Learning Assessment problems within each chapter.

This is a special feature that should significantly enhance the learning experience for each subsection in a chapter. The problem-solving videos (PSVs) are now also available for the Apple iPod. • In order to provide maximum flexibility, online supplements contain solutions to exam- ples in the book using MATLAB, PSPICE or MultiSim. The worked examples can be supplied to students as digital files, or one or more of them can be incorporated into custom print editions of the text, depending upon the instructor’s preference.

• Problem-Solving Strategies have been retained in the Tenth Edition. They are utilized as a guide for the solutions contained in the PSVs. • The WileyPLUS resources have been greatly updated and expanded, with additional algorithmic problems, problem-solving videos and much more. New Reading Quiz questions give instructors the opportunity to track student reading and measure their comprehension.

New Math Skills Assessments provide faculty with tools to assess stu- dents’ mastery of essential mathematical concepts. Not only can faculty measure their students’ math comprehension at the beginning of the term, they also now have resources to which they can direct students to help them reinforce areas where they need to upgrade their skills. This text is suitable for a one-semester, a two-semester or a three-quarter course sequence. Organization The first seven chapters are concerned with the analysis of dc circuits.

An introduction to operational amplifiers is presented in Chapter 4. This chapter may be omitted without any loss of continuity; a few examples and homework problems in later chapters must be skipped. Chapters 8–12 are focused on the analysis of ac circuits beginning with the analysis of single- frequency circuits (single-phase and three-phase) and ending with variable-frequency circuit operation. Calculation of power in single-phase and three-phase ac circuits is also presented.

The important topics of the Laplace transform, Fourier transform, and two-port networks are covered in Chapters 13–16. The organization of the text provides instructors maximum flexibility in designing their courses. One instructor may choose to cover the first seven chapters in a single semester, while another may omit Chapter 4 and cover Chapters 1–3 and 5–8. Other instructors have chosen to cover Chapters 1–3, 5–6, and sections 7.2 and then cover Chapters 8 and 9.