Nguyên lý và công nghệ điện và điện tử - John Bird, ấn bản lần thứ ba

• Tác giả: John Bird
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điện và điện tử
• Đề tài: Nguyên lý và công nghệ điện và điện tử
• Loại tài liệu: Sách giáo khoa
• Năm xuất bản: 2007
• Địa điểm: Oxford

Tóm tắt

I. Tổng quan về Electrical and Electronic Principles and Technology

Electrical and Electronic Principles and Technology là giáo trình kỹ thuật điện tử được biên soạn bởi John Bird, ấn bản thứ ba do nhà xuất bản Elsevier phát hành năm 2007. Cuốn sách cung cấp nền tảng kiến thức toàn diện về các nguyên lý cơ bản trong kỹ thuật điện và điện tử. Nội dung bao gồm các đơn vị đo lường điện cơ bản như cường độ dòng điện, điện áp, điện trở, công suất và năng lượng. Tác giả trình bày cách áp dụng định luật Ohm để tính toán các thông số trong mạch điện. Cuốn sách còn giới thiệu về pin, nguồn năng lượng thay thế, mạng nối tiếp và mạng song song. Phương pháp tính toán chi phí năng lượng điện cũng được đề cập chi tiết. Đây là tài liệu tham khảo quan trọng dành cho sinh viên kỹ thuật điện tử và kỹ sư hành nghề.

1.1. Cấu trúc nội dung cuốn sách

Cuốn sách được chia thành nhiều phần logic. Phần đầu tiên trình bày các nguyên lý kỹ thuật điện và điện tử cơ bản, bao gồm đơn vị, mạch điện, điện trở và dẫn điện. Phần tiếp theo đi sâu vào pin và các nguồn năng lượng thay thế, giải thích nguyên lý hoạt động của tế bào điện hóa. Phần thứ ba tập trung vào mạng nối tiếp và mạng song song, hướng dẫn cách phân tích dòng điện và điện áp trong các mạch phức tạp. Cuối cùng là các bài kiểm tra đánh giá giúp người học củng cố kiến thức đã học.

1.2. Đối tượng và mục tiêu sử dụng

Giáo trình hướng đến sinh viên các ngành kỹ thuật điện, điện tử và công nghệ tại các trường đại học và cao đẳng. Nội dung được thiết kế phù hợp cho người mới bắt đầu học về nguyên lý điện tử. Cuốn sách cũng hữu ích cho kỹ sư hành nghề cần tra cứu công thức và phương pháp tính toán cơ bản. Các bài toán thực tế về tính chi phí năng lượng giúp người đọc áp dụng kiến thức vào đời sống. Tác giả John Bird sử dụng phương pháp trình bày rõ ràng, dễ hiểu với nhiều ví dụ minh họa cụ thể.

II. Phân tích các nguyên lý kỹ thuật điện và điện tử

Các nguyên lý kỹ thuật điện và điện tử trong cuốn sách được xây dựng dựa trên nền tảng toán học vững chắc. Định luật Ohm là công cụ cốt lõi, cho phép tính toán mối quan hệ giữa điện áp, dòng điện và điện trở thông qua công thức V = IR. Công suất điện được xác định bằng tích của điện áp và dòng điện theo công thức P = VI. Năng lượng tiêu thụ được tính bằng công suất nhân với thời gian, đơn vị thường dùng là kilowatt-giờ. Cuốn sách trình bày cách quy đổi giữa các đơn vị đo lường điện khác nhau. Điện trở và độ dẫn điện cũng được phân tích chi tiết, giải thích cách vật liệu khác nhau dẫn điện. Các ví dụ thực tế về thiết bị văn phòng tiêu thụ điện giúp minh họa cách tính toán chi phí năng lượng hàng tuần. Phương pháp tính toán này rất thiết thực trong quản lý năng lượng công nghiệp và dân dụng.

2.1. Định luật Ohm và ứng dụng thực tế

Định luật Ohm phát biểu rằng điện áp bằng tích của dòng điện và điện trở. Công thức V = IR là nền tảng cho mọi tính toán mạch điện. Khi biết hai trong ba đại lượng, có thể dễ dàng xác định đại lượng còn lại. Ví dụ, dòng điện 10 ampe qua điện trở 20 ôm tạo ra điện áp 200 vôn. Công suất tương ứng là 2000 vôn-ampe hay 2000 oát. Định luật này áp dụng được cho cả mạch một chiều và mạch xoay chiều đơn giản. Việc nắm vững định luật Ohm giúp phân tích và thiết kế mạch điện hiệu quả.

2.2. Tính toán công suất và chi phí năng lượng

Công suất điện được tính bằng công thức P = VI, đơn vị là vôn-ampe hay oát. Năng lượng tiêu thụ bằng công suất nhân với thời gian hoạt động. Đơn vị kilowatt-giờ thường được sử dụng trong hóa đơn tiền điện sinh hoạt. Một kilowatt-giờ tương đương với một đơn vị điện năng. Ví dụ, thiết bị công suất 2 kilo oát hoạt động 6 giờ tiêu thụ 12 kilowatt-giờ. Với giá điện 13 xu mỗi đơn vị, chi phí là 1,56 bảng Anh. Phương pháp tính này áp dụng rộng rãi trong quản lý chi phí năng lượng gia đình và công nghiệp.

III. Giải pháp về pin và mạng mạch điện

Cuốn sách đề xuất nhiều giải pháp kỹ thuật cho việc lưu trữ năng lượng và thiết kế mạch điện. Hệ thống pin chì-axit sử dụng bản cực dương bằng chì đioxit và bản cực âm bằng chì xốp. Điện phân là dung dịch axit sunfuric pha với nước cất, có tỷ trọng riêng dao động từ 1,1 khi xả đầy đến mức thấp hơn khi cạn kiệt. Pin kiềm nickel-cadmium và nickel-kim loại có ưu điểm bền bỉ hơn, chịu được dòng sạc xả mạnh. Đối với mạch điện, mạng nối tiếp cho dòng điện đi qua các phần tử theo trình tự, tổng điện trở bằng tổng các điện trở thành phần. Mạng song song có các phần tử mắc song song, điện áp trên mỗi phần tử bằng nhau. Phương pháp phân tích mạng phức tạp kết hợp cả hai loại mắc mạch. Việc lựa chọn loại pin và cách mắc mạch phù hợp đảm bảo hiệu suất hoạt động tối ưu cho hệ thống điện.

3.1. Công nghệ pin chì axit và pin kiềm

Pin chì-axit gồm bốn thành phần chính: bản cực dương, bản cực âm, ngăn cách và điện phân. Tế bào chì-axit có điện áp trung bình khoảng 2 vôn. Trong quá trình xả, hai bản cực chuyển đổi thành chì sunfat. Pin kiềm nickel-cadmium và nickel-kim loại sử dụng dung dịch kali hiđroxit làm điện phân mà không thay đổi hóa học. Ưu điểm của pin kiềm bao gồm cấu trúc chắc chắn, chịu tải nặng và tuổi thọ dài hơn. Việc bảo quản đúng cách giúp kéo dài thời gian sử dụng của pin.

3.2. Mạng nối tiếp và mạng song song

Mạng nối tiếp có đặc điểm dòng điện đi qua tất cả các phần tử là như nhau. Tổng điện trở bằng tổng các điện trở riêng lẻ trong mạch. Điện áp phân bổ tỷ lệ với điện trở của từng phần tử. Mạng song song có điện áp trên mỗi nhánh bằng nhau. Tổng điện trở song song nhỏ hơn điện trở nhỏ nhất trong các nhánh. Công suất tổng trong mạch bằng tổng công suất của từng phần tử. Việc kết hợp cả hai loại mạng cho phép thiết kế mạch điện phức tạp phục vụ nhiều ứng dụng thực tế khác nhau.

IV. Kết luận và ứng dụng trong kỹ thuật hiện đại

Electrical and Electronic Principles and Technology cung cấp nền tảng vững chắc cho việc hiểu và áp dụng các nguyên lý kỹ thuật điện tử. Kiến thức về định luật Ohm, công suất và năng lượng là cơ sở cho mọi hoạt động liên quan đến điện. Công nghệ pin ngày càng phát triển, từ pin chì-axit truyền thống đến pin kiềm và các nguồn năng lượng tái tạo. Mạng nối tiếp và song song là nguyên tắc thiết kế cơ bản cho hệ thống điện phức tạp. Việc tính toán chi phí năng lượng giúp quản lý tài nguyên hiệu quả trong bối cảnh giá điện tăng cao. Cuốn sách của John Bird vẫn là tài liệu tham khảo giá trị cho sinh viên và kỹ sư. Các nguyên lý cơ bản được trình bày trong sách áp dụng được cho nhiều lĩnh vực từ điện tử dân dụng đến công nghiệp nặng. Nắm vững kiến thức này là bước đệm quan trọng để tiếp cận các công nghệ điện tử tiên tiến hơn.

4.1. Ứng dụng trong quản lý năng lượng

Kiến thức về công suất và năng lượng điện áp dụng trực tiếp trong quản lý năng lượng gia đình và công nghiệp. Phương pháp tính kilowatt-giờ giúp theo dõi lượng điện tiêu thụ hàng ngày. Doanh nghiệp có thể tối ưu hóa chi phí bằng cách tính toán công suất thiết bị và thời gian hoạt động. Hệ thống pin lưu trữ năng lượng mặt trời sử dụng nguyên lý tế bào điện hóa được trình bày trong sách. Việc hiểu cách hoạt động của pin giúp lựa chọn giải pháp lưu trữ phù hợp. Quản lý năng lượng hiệu quả góp phần giảm chi phí và bảo vệ môi trường.

4.2. Hướng phát triển công nghệ pin và năng lượng

Công nghệ pin đang phát triển mạnh mẽ với nhiều loại pin mới ra đời. Pin lithium-ion hiện đại kế thừa nguyên lý cơ bản từ pin chì-axit và pin kiềm. Năng lượng tái tạo như năng lượng mặt trời và gió cần hệ thống lưu trữ pin hiệu quả. Cuốn sách giới thiệu các nguồn năng lượng thay thế và tái tạo như một phần quan trọng của nội dung. Hiểu biết về nguyên lý điện hóa giúp đánh giá và lựa chọn công nghệ pin phù hợp. Xu hướng phát triển bền vững đòi hỏi kiến thức nền tảng vững chắc về nguyên lý kỹ thuật điện tử.

Trích đoạn nội dung tài liệu

org Electrical and Electronic Principles and Technology To Sue www.org Electrical and Electronic Principles and Technology Third edition John Bird BSc(Hons), CEng, CSci, CMath, FIET, MIEE, FIIE, FIMA, FCollT AMSTERDAM • BOSTON • HEIDELBERG • LONDON • NEW YORK • OXFORD PARIS • SAN DIEGO • SAN FRANCISCO • SINGAPORE • SYDNEY • TOKYO Newnes is an imprint of Elsevier Newnes is an imprint of Elsevier Linacre House, Jordan Hill, Oxford OX2 8DP, UK 30 Corporate Drive, Suite 400, Burlington, MA 01803, USA First edition 2000 previously published as Electrical Principles and Technology for Engineering Reprinted 2001 Second edition 2003 Reprinted 2004, 2005, 2006 Third edition 2007 Copyright © 2000, 2003, 2007, John Bird. Published by Elsevier Ltd. All rights reserved The right of John Bird to be identified as the author of this work has been asserted in accordance with the Copyright, Designs and Patents Act 1988 Permissions may be sought directly from Elsevier’s Science & Technology Rights Department in Oxford, UK: phone (+44) (0) 1865 843830; fax (+44) (0) 1865 853333; email: permissions@elsevier. Alternatively you can submit your request online by visiting the Elsevier web site at http://elsevier.com/locate/permissions, and selecting Obtaining permission to use Elsevier material Notice No responsibility is assumed by the publisher for any injury and/or damage to persons or property as a matter of products liability, negligence or otherwise, or from any use or operation of any methods, products, instructions or ideas contained in the material herein. Because of rapid advances in the medical sciences, in particular, independent verification of diagnoses and drug dosages should be made British Library Cataloguing in Publication Data A catalogue record for this book is available from the British Library Library of Congress Cataloguing in Publication Data A catalogue record for this book is available from the Library of Congress ISBN: 978-0-75-068556-6 For information on all Newnes publications visit our website at www.com Typeset by Charon Tec Ltd (A Macmillan Company), Chennai, India www.com Printed and bound in The Netherlands 7 8 9 10 11 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 Contents Preface xi 4 Batteries and alternative sources of energy 28 4.1 Introduction to batteries 28 4.2 Some chemical effects of Section 1 Basic Electrical and Electronic electricity 29 Engineering Principles 1 4.3 The simple cell 29 4.4 Corrosion 30 1 Units associated with basic electrical 4. and internal resistance quantities 3 of a cell 30 1.9 Safe disposal of batteries 36 1.6 Electrical potential and e.11 Alternative and renewable 1.7 Resistance and conductance 5 energy sources 37 1.8 Electrical power and energy 6 1.9 Summary of terms, units and Revision Test 1 40 their symbols 7 2 An introduction to electric circuits 9 5 Series and parallel networks 41 2.1 Electrical/electronic system 5.1 Series circuits 41 block diagrams 9 5.2 Standard symbols for electrical 5.3 Parallel networks 44 components 10 5.3 Electric current and quantity of 5.5 Relative and absolute electricity 11 voltages 51 2.4 Potential difference and 5.6 Wiring lamps in series and in resistance 11 parallel 52 2.5 Basic electrical measuring instruments 12 6 Capacitors and capacitance 55 2.6 Linear and non-linear devices 12 6.1 Introduction to capacitors 55 2.8 Multiples and sub-multiples 13 6.3 Electric field strength 56 2.9 Conductors and insulators 14 6.10 Electrical power and energy 15 6.11 Main effects of electric current 17 6.6 Electric flux density 58 2.8 The parallel plate capacitor 60 3 Resistance variation 20 6.9 Capacitors connected in parallel 3.1 Resistance and resistivity 20 and series 61 3.2 Temperature coefficient of 6.10 Dielectric strength 66 resistance 22 6.11 Energy stored in capacitors 66 3.3 Resistor colour coding and 6.12 Practical types of capacitor 67 ohmic values 24 6.13 Discharging capacitors 69 www.org vi Contents 7 Magnetic circuits 71 10.6 Shunts and multipliers 112 7.1 Introduction to magnetism 10.7 Electronic instruments 114 and magnetic circuits 71 10.3 Magnetic flux and flux density 72 10.4 Magnetomotive force and mag- 10.11 Instrument ‘loading’ effect 115 netic field strength 73 10.5 Permeability and B–H curves 74 10.13 Virtual test and measuring 7.7 Composite series magnetic 10.14 Virtual digital storage circuits 77 oscilloscopes 123 7.15 Waveform harmonics 126 electrical and magnetic 10.16 Logarithmic ratios 127 quantities 81 10.17 Null method of measurement 130 7.9 Hysteresis and hysteresis loss 81 10. potentiometer 131 Revision Test 2 84 10.1 Magnetic field due to an electric current 85 11 Semiconductor diodes 140 8.1 Types of material 140 8.3 Force on a current-carrying 11.2 Semiconductor materials 141 conductor 88 11.3 Conduction in semiconductor 8.4 Principle of operation of a materials 142 simple d.5 Principle of operation of a 11.5 Forward and reverse bias 144 moving-coil instrument 92 11.6 Force on a charge 93 11.7 Characteristics and maximum 9 Electromagnetic induction 96 ratings 148 9.8 Rectification 148 electromagnetic induction 96 11.2 Laws of electromagnetic 11.10 Silicon controlled rectifiers 149 induction 97 11.11 Light emitting diodes 150 9.3 Rotation of a loop in a 11.12 Varactor diodes 150 magnetic field 100 11.2 Bipolar junction transistors 9.7 Inductance of a coil 103 (BJT) 155 9.3 Transistor action 155 10 Electrical measuring instruments and 12.4 Leakage current 156 measurements 110 12.5 Bias and current flow 157 10.2 Analogue instruments 111 configurations 158 10.3 Moving-iron instrument 111 12.4 The moving-coil rectifier characteristics 158 instrument 112 12.5 Comparison of moving-coil, 12.9 Current gain 161 moving-iron and moving-coil 12.10 Typical BJT characteristics and rectifier instruments 112 maximum ratings 161 Contents vii 12.11 Field effect transistors 163 15.12 Field effect transistor 15.9 Bandwidth and selectivity 237 12.13 Typical FET characteristics and 15. circuits 237 maximum ratings 165 15.11 Power triangle and power 12.14 Transistor amplifiers 165 factor 238 12.15 Load lines 168 16 Single-phase parallel a. circuits 243 Revision Test 3 175 16. circuit 244 Formulae for basic electrical and electronic 16.4 L–C parallel circuit 246 engineering principles 176 16.6 Parallel resonance and Q-factor 250 Section 2 Further Electrical and 16.7 Power factor improvement 254 Electronic Principles 177 17 Filter networks 260 13 D.2 Two-port networks and 13.2 Kirchhoff’s laws 179 characteristic impedance 260 13.3 The superposition theorem 183 17.3 Low-pass filters 261 13.4 High-pass filters 264 13.5 Band-pass filters 268 13.6 Constant-current source 193 17.6 Band-stop filters 269 13.8 Thévenin and Norton 18.1 Introduction 272 equivalent networks 197 18.9 Maximum power transfer 18.3 Time constant for a C–R circuit 273 theorem 200 18.4 Transient curves for a C–R 14 Alternating voltages and currents 205 circuit 274 14.7 Current growth in an 14.5 The equation of a sinusoidal 18.8 Time constant for an waveform 211 L–R circuit 281 14.6 Combination of waveforms 213 18.9 Transient curves for an 14.8 Smoothing of the rectified 18.10 Current decay in an output waveform 218 L–R circuit 282 18.11 Switching inductive circuits 285 18.12 The effects of time constant on Revision Test 4 221 a rectangular waveform 285 15 Single-phase series a. circuits 222 19 Operational amplifiers 289 15.1 Introduction to operational 15.2 Some op amp parameters 291 15.3 Op amp inverting amplifier 292 15.4 Op amp non-inverting 15. circuit 230 amplifier 294 viii Contents 19.5 Op amp voltage-follower 295 21.6 Op amp summing amplifier 296 21.7 Op amp voltage comparator 297 19.8 Op amp integrator 297 19.9 Op amp differential amplifier 298 Revision Test 6 351 19.10 Digital to analogue (D/A) conversion 300 19.11 Analogue to digital (A/D) 22 D.2 The action of a commutator 353 22. machine construction 353 Revision Test 5 305 22.4 Shunt, series and compound windings 354 Formulae for further electrical and 22. generated in an armature electronic engineering principles 306 winding 354 22. generator and their Section 3 Electrical Power Technology 309 characteristics 356 22. generator 361 20 Three-phase systems 311 22.2 Three-phase supply 311 22. motor and their 20.3 Star connection 312 characteristics 365 20.13 The efficiency of a d.5 Power in three-phase systems 317 22.6 Measurement of power in 22.15 Speed control of d. motors 371 three-phase systems 319 22.7 Comparison of star and delta connections 324 23 Three-phase induction motors 378 20.8 Advantages of three-phase 23.2 Production of a rotating magnetic field 379 21 Transformers 327 23.4 Construction of a three-phase 21.2 Transformer principle of induction motor 381 operation 328 23.5 Principle of operation of a three- 21.3 Transformer no-load phasor phase induction motor 382 diagram 330 23. equation of a transformer 331 23.5 Transformer on-load phasor 23.8 Rotor impedance and current 384 diagram 333 23.9 Rotor copper loss 385 21.10 Induction motor losses and 21.7 Equivalent circuit of a efficiency 385 transformer 335 23.11 Torque equation for an 21.8 Regulation of a transformer 337 induction motor 387 21.9 Transformer losses and 23.12 Induction motor torque-speed efficiency 338 characteristics 390 21.13 Starting methods for induction 21.11 Auto transformers 343 motors 391 21.14 Advantages of squirrel-cage 21.13 Three-phase transformers 345 induction motors 391 www.org Contents ix 23.15 Advantages of wound rotor induction Formulae for electrical power technology 397 motors 392 23.16 Double cage induction motor 392 Answers to multiple choice questions 398 23.17 Uses of three-phase induction motors 393 Index 401 Revision Test 7 396 This page intentionally left blank Preface Electrical and Electronic Principles and Technology, (v) ‘Electrical and Electronic Principles’, Units of the 3rd Edition introduces the principles which describe City & Guilds Level 3 Certificate in Engineering the operation of d. circuits, covering both (2800). steady and transient states, and applies these principles to filter networks, operational amplifiers, three-phase (vi) ‘Electrical and Electronic Principles’ (Unit ETA/ supplies, transformers, d. machines and three-phase 009, EAL Advanced Diploma in Engineering and induction motors. New topics included in this edition are a complete update on semiconductor diodes and transistors, and (vii) Any introductory/Access/Foundation course additional material on batteries, fuel cells and alter- involving Electrical and Electronic Engineering native and renewable energies, relative and absolute Principles. voltages, self and mutual inductance, virtual test and measuring instruments. In addition, applications in all The text is set out in three main sections: areas are expanded and emphasised and some new Section 1, comprising chapters 1 to 12, involves further problems added. essential Basic Electrical and Electronic Engineering A new feature of this third edition is that a free Inter- Principles, with chapters on electrical units and quan- net download (lecturers only) is available of a sample tities, introduction to electric circuits, resistance varia- of solutions (some 400) of the 530 further problems tion, batteries and alternative sources of energy, series contained in the book — see below. and parallel networks, capacitors and capacitance, Another new feature is a free Internet download magnetic circuits, electromagnetism, electromagnetic (available for lecturers only) of all 517 illustrations induction, electrical measuring instruments and mea- contained in the text — see below. surements, semiconductor diodes and transistors. Section 2, comprising chapters 13 to 19, involves The third edition of this textbook provides coverage Further Electrical and Electronic Principles, with of the following syllabuses: chapters on d. circuit theorems, alternating volt- (i) ‘Electrical and Electronic Principles’ (Unit 5, ages and currents, single-phase series and parallel BTEC National Certificate and National networks, filter networks, d. transients and operational Diploma) — see chapters 1–10, 11(part), 14, amplifiers. Section 3, comprising chapters 20 to 23, involves Electrical Power Technology, with chapters on three- (ii) ‘Further Electrical Principles’ (Unit 67, BTEC phase systems, transformers, d. machines and three- National Certificate and National Diploma) — see phase induction motors. Each topic considered in the text is presented in a (iii) Parts of the following BTEC National units: way that assumes in the reader little previous knowl- Electrical Applications, Three Phase Systems, edge of that topic. Theory is introduced in each chapter Principles and Applications of Electronic Devices by a reasonably brief outline of essential information, and Circuits, Aircraft Electrical Machines, and definitions, formulae, procedures, etc. The theory is Telecommunications Principles. kept to a minimum, for problem solving is extensively used to establish and exemplify the theory. It is intended (iv) Electrical part of ‘Applied Electrical and Mechan- that readers will gain real understanding through seeing ical Science for Technicians’ (BTEC First problems solved and then through solving similar prob- Certificate).