Giáo trình Phân tích Mạch điện Robert L. Boylestad - Ấn bản thứ 11

• Tác giả: Robert L. Boylestad
• Chuyên ngành: Phân tích mạch điện
• Đề tài: Phân tích mạch điện sơ cấp
• Loại tài liệu: Sách giáo khoa
• Năm xuất bản: 2007
• Địa điểm: Upper Saddle River

Tóm tắt

I. Tổng quan về giới thiệu phân tích mạch Boylestad ấn bản 11

Introductory Circuit Analysis của Robert L. Boylestad là một trong những giáo trình hàng đầu về phân tích mạch điện. Ấn bản thứ 11 được xuất bản năm 2007 bởi Pearson Education. Cuốn sách cung cấp nền tảng vững chắc cho sinh viên kỹ thuật điện và điện tử. Nội dung bao gồm các khái niệm cơ bản về điện áp, dòng điện, trở kháng và các phương pháp phân tích mạch. Ấn bản này đã được cải tiến đáng kể so với các phiên bản trước. Phần trình bày được sắp xếp lại hợp lý hơn. Các ví dụ thực tế được bổ sung thêm. Phần hướng dẫn sử dụng dụng cụ đo được mở rộng. Cuốn sách cũng tích hợp các phần mềm mô phỏng như PSpice, Multisim và Electronics Workbench. Đây là tài liệu không thể thiếu cho người mới bắt đầu học về mạch điện.

1.1. Cấu trúc nội dung sách

Sách được tổ chức theo trình tự logic từ cơ bản đến nâng cao. Phần đầu giới thiệu hệ thống đơn vị SI và các khái niệm nền tảng về nguyên tử, điện áp, dòng điện. Các chương tiếp theo trình bày định luật Ohm, định luật Kirchhoff và các phương pháp phân tích mạch DC. Phần giữa sách tập trung vào mạch AC, công suất và các mạch cộng hưởng. Phần cuối mở rộng sang các chủ đề nâng cao như mạch lọc, máy biến áp và transistor. Mỗi chương đều có ví dụ minh họa và bài tập thực hành.

1.2. Hệ thống đơn vị SI trong sách

Boylestad sử dụng hệ thống đo lường quốc tế SI throughout cuốn sách. Hệ thống SI được Đại hội Đo lường Quốc tế thông qua năm 1960 tại Sèvres, Pháp. IEEE chấp nhận hệ thống này năm 1965. Viện Tiêu chuẩn Hoa Kỳ áp dụng năm 1967. Các đơn vị cơ bản bao gồm ampere cho dòng điện, vôn cho điện áp, ohm cho trở kháng. Việc sử dụng hệ thống SI đảm bảo tính thống nhất và dễ hiểu cho sinh viên toàn cầu. Đây là tiêu chuẩn chung cho tất cả tài liệu khoa học kỹ thuật hiện đại.

II. Các vấn đề thường gặp khi học phân tích mạch

Sinh viên thường gặp nhiều khó khăn khi tiếp cận phân tích mạch điện. Khó khăn đầu tiên là hiểu bản chất vật lý của điện áp và dòng điện. Nhiều người nhầm lẫn giữa hai khái niệm này. Điện áp là hiệu điện thế giữa hai điểm. Dòng điện là dòng electron di chuyển qua dây dẫn. Khó khăn thứ hai là áp dụng đúng các định luật cơ bản. Định luật Ohm và Kirchhoff đòi hỏi sự chính xác trong tính toán. Lỗi phổ biến là xác định sai chiều dòng điện và phân cực điện áp. Việc vẽ sơ đồ mạch cũng gây khó khăn cho người mới. Các mạch phức tạp với nhiều nhánh và nút thường khiến sinh viên lúng túng. Cuốn sách của Boylestad giải quyết những vấn đề này bằng cách trình bày từ đơn giản đến phức tạp. Phần mở rộng nhận xét giúp tránh những sai lầm thường gặp.

2.1. Hiểu sai về điện áp và dòng điện

Điện áp và dòng điện là hai khái niệm cơ bản nhất nhưng thường bị hiểu sai. Điện áp (voltage) là hiệu điện thế tạo ra lực đẩy cho electron di chuyển. Dòng điện (current) là tốc độ dòng electron qua tiết diện dây dẫn. Điện áp đo bằng vôn, dòng điện đo bằng ampere. Khi đặt quá nhiều thiết bị vào cùng ổ cắm, aptomat sẽ ngắt do dòng điện quá lớn. Dòng điện làm nóng dây tóc bóng đèn, cuộn dây bếp điện. Hiểu đúng bản chất giúp phân tích mạch chính xác hơn.

2.2. Sai lầm trong xác định chiều dòng điện

Một sai lầm phổ biến là xác định sai chiều dòng điện trong mạch. Quy ước dòng điện thực tế đi từ cực dương sang cực âm. Tuy nhiên, electron thực sự di chuyển ngược lại. Trong phân tích mạch, sử dụng quy ước dòng điện thuận giúp đơn giản hóa tính toán. Boylestad giải thích rõ ràng quy ước này trong chương đầu. Việc vẽ mũi tên chỉ chiều dòng điện trên sơ đồ rất quan trọng. Sai chiều dẫn đến kết quả tính toán sai dấu và sai ý nghĩa vật lý.

III. Phương pháp học hiệu quả từ giáo trình Boylestad

Để học hiệu quả từ giáo trình Boylestad, cần tuân theo một số phương pháp cụ thể. Đầu tiên, đọc kỹ lý thuyết trước khi làm bài tập. Mỗi chương bắt đầu bằng các khái niệm nền tảng. Phần ví dụ được giải chi tiết từng bước. Thứ hai, thực hành vẽ sơ đồ mạch thường xuyên. Kỹ năng vẽ mạch quyết định khả năng phân tích. Thứ ba, sử dụng phần mềm mô phỏng để kiểm tra kết quả. PSpice và Multisim là công cụ hữu ích được giới thiệu trong sách. Thứ tư, làm nhiều bài tập với độ khó tăng dần. Cuốn sách cung cấp số lượng bài tập phong phú. Thứ năm, nhóm học tập giúp trao đổi và hiểu sâu hơn. Cuối cùng, liên hệ lý thuyết với thực tế qua các thí nghiệm đơn giản. Phương pháp học chủ động này mang lại kết quả tốt nhất.

3.1. Sử dụng phần mềm mô phỏng mạch

Boylestad khuyến khích sử dụng phần mềm mô phỏng để học phân tích mạch. PSpice là phần mềm phổ biến được giới thiệu trong sách. OrCAD Capture giúp vẽ sơ đồ mạch dễ dàng. Multisim và Electronics Workbench cung cấp giao diện thân thiện. Phần mềm cho phép kiểm tra kết quả tính toán tay. Sinh viên có thể thử nghiệm thay đổi giá trị linh kiện. Kết quả mô phỏng giúp hiểu rõ hơn hành vi mạch điện. Đây là công cụ hỗ trợ học tập hiệu quả trong thời đại số.

3.2. Kỹ thuật tránh sai lầm thường gặp

Boylestad dành nhiều chú ý cho việc giúp sinh viên tránh sai lầm. Phần nhận xét bổ sung mở rộng giải thích các lỗi phổ biến. Đầu tiên, luôn kiểm tra đơn vị trước khi tính toán. Thứ hai, xác định rõ chiều tham chiếu cho dòng điện và điện áp. Thứ ba, kiểm tra kết quả có hợp lý về mặt vật lý không. Thứ tư, vẽ lại sơ đồ mạch để hiểu rõ cấu trúc. Thứ năm, dùng phương pháp kiểm tra chéo bằng cách áp dụng định luật Kirchhoff. Những kỹ thuật này tiết kiệm thời gian và nâng cao độ chính xác.

IV. Ứng dụng thực tế của phân tích mạch Boylestad

Kiến thức phân tích mạch từ giáo trình Boylestad có nhiều ứng dụng thực tế. Trong thiết kế điện tử, phân tích mạch giúp tính toán dòng điện và điện áp tại các điểm. Kỹ sư sử dụng các phương pháp này để chọn linh kiện phù hợp. Trong công nghiệp, phân tích mạch đảm bảo hệ thống điện hoạt động an toàn. Quá tải dòng điện có thể gây cháy nổ và hư hỏng thiết bị. Trong viễn thông, mạch lọc và mạch khuếch đại đòi hỏi phân tích chính xác. Cấu trúc nguyên tử và tính chất của electron là nền tảng cho mọi ứng dụng. Proton mang điện tích dương trong hạt nhân. Electron mang điện tích âm quay quanh hạt nhân. Hiểu nguyên lý cơ bản giúp áp dụng vào các tình huống phức tạp hơn. Giáo trình Boylestad cung cấp nền tảng vững chắc cho mọi lĩnh vực kỹ thuật điện.

4.1. Ứng dụng trong thiết kế mạch điện tử

Phân tích mạch là kỹ năng cốt lõi cho kỹ sư thiết kế điện tử. Từ giáo trình Boylestad, kỹ sư học cách tính toán thông số mạch trước khi chế tạo. Điện áp và dòng điện qua từng linh kiện được xác định chính xác. Điều này giúp chọn transistor, điện trở, tụ điện phù hợp. Phần mềm mô phỏng cho phép thử nghiệm trước khi sản xuất. Thiết kế mạch nguồn, mạch khuếch đại, mạch số đều cần nền tảng phân tích mạch. Giáo trình cung cấp kiến thức từ cơ bản đến ứng dụng nâng cao.

4.2. Vai trò trong đào tạo kỹ thuật điện

Giáo trình Boylestad đóng vai trò quan trọng trong đào tạo kỹ thuật điện toàn cầu. Ấn bản thứ 11 được nhiều trường đại học sử dụng làm giáo trình chính. Nội dung cập nhật phản ánh xu hướng công nghệ mới. Phần hướng dẫn dụng cụ đo giúp sinh viên thực hành trong phòng thí nghiệm. Bài tập đa dạng từ cơ bản đến nâng cao rèn luyện kỹ năng giải quyết vấn đề. Cuốn sách xây dựng nền tảng vững chắc cho các môn học nâng cao hơn. Đây là bước đệm quan trọng trong lộ trình đào tạo kỹ sư điện tử.

Trích đoạn nội dung tài liệu

qxd 4/11/06 7:35 AM Page i INTRODUCTORY CIRCUIT ANALYSIS Robert L. Boylestad Eleventh Edition Upper Saddle River, New Jersey Columbus, Ohio www.net boy30444_fm.qxd 3/27/06 11:34 AM Page ii Library of Congress Cataloging-in-Publication Data Boylestad, Robert L. Introductory circuit analysis / Robert L. Electric circuits—Textbooks. Electric circuit analysis—Data processing—Textbooks.22 2006044772 Editor in Chief: Vern Anthony Production Editor: Rex Davidson Design Coordinator: Diane Ernsberger Editorial Assistant: Lara Dimmick Cover Designer: Candace Rowley Cover art: Getty One Illustrations: Rolin Graphics Production Manager: Matt Ottenweller Senior Marketing Manager: Ben Leonard Marketing Assistant: Les Roberts Senior Marketing Coordinator: Liz Farrell This book was set in Times Roman by Carlisle Publishing Services and was printed and bound by R. Donnelley & Sons Company. The cover was printed by Phoenix Color Corp. Cadence and the Cadence logo, Orcad, PSpice, and OrCAD Capture are registered trademarks of Cadence Design Systems, Inc. Electronics Workbench and Multisim are registered trademarks of Electronics Workbench, Inc. Mathcad is a product of MathSoft Engineering & Education, Inc. Copyright © 2007, 2003, 2000, 1997, 1994, 1990, 1987, 1982, 1977, 1972, 1968 by Pearson Education, Inc., Upper Saddle River, New Jersey 07458. Pearson Prentice Hall. All rights reserved. Printed in the United States of America. This publication is protected by Copyright and permission should be obtained from the publisher prior to any prohibited reproduction, storage in a retrieval system, or transmission in any form or by any means, electronic, mechanical, photocopying, recording, or likewise. For information regarding permission(s), write to: Rights and Permissions Department. Pearson Prentice Hall™ is a trademark of Pearson Education, Inc. Pearson® is a registered trademark of Pearson plc Prentice Hall® is a registered trademark of Pearson Education, Inc. Pearson Education Ltd. Pearson Education Australia Pty. Limited Pearson Education Singapore Pte. Pearson Education North Asia Ltd. Pearson Education Canada, Ltd. Pearson Educación de Mexico, S. Pearson Education—Japan Pearson Education Malaysia Pte.net boy30444_fm.qxd 3/24/06 3:52 PM Page iii To Else Marie www.net boy30444_fm.qxd 3/24/06 3:52 PM Page iv www.net boy30444_fm.qxd 3/24/06 3:52 PM Page v Preface The primary goal for this extensive revision of Introductory • A broader use of instrumentation throughout the text Circuit Analysis is to incorporate the comments of current • Additional examples for the most important topics users and reviewers, include current trends in curriculum • Expanded comments to teach students how to avoid content, and expand on specific areas of coverage. some common pitfalls To accomplish this, I rearranged the order in which the • Additional problems appropriate to introduce in this text information is presented so that similar topics are covered Throughout the text, every effort was made to ensure that sequentially, added new material, removed less-used mate- the content is current. For instance, film resistors are now em- rial, and updated content where possible. Extensive editing phasized instead of carbon. All photos of devices and instru- has ensured that the fundamental laws covered in the first mentation in the text are up to date. Protoboards, surface half of the text are clearly understood, establishing a firm mount resistors, fuel cells, and improved solar cells are now foundation for the ac section and concepts to follow in other covered. Outdated applications have been replaced. Because courses in the curriculum. the TI-86 calculator is no longer manufactured, examples The following are some of the improvements that will aid now include instructions for the TI-89 calculator. However, both students and teachers in using this text: since so many students still have the TI-86, an appendix was • Objectives are added to the beginning of each chapter to added so that instructions for that calculator are still available. reveal on a broad scale what the student should learn from All of the software programs covered in this text have been the chapter. This edition uses PSpice Release 10, Multisim Ver- • The chapter on Inductors now follows directly after the sion 8, and Mathcad Version 12. Users of earlier versions of chapter on Capacitors. The more natural flow from cov- these programs will find that most of the changes are minimal. erage of capacitors to inductors makes use of the simi- The depth of coverage for software packages always gen- larities in circuit analysis for the two elements. erates some discussion with each edition. I am particularly • The chapter on Magnetic Circuits now follows the chap- pleased that at least five editions ago Introductory Circuit ter on Inductors. This chapter contains excellent material Analysis was the first to cover software packages in the de- for practical applications that students can use as a re- tail, depth, and range that enabled students to feel comfort- source later, but many teachers rarely had time to cover able with the applications. This level of detail is not offered the detail presented in the chapter. in other publications or in the information packages pro- • The Filters chapter now follows the Resonance chapter, vided by the software distributors; therefore, I have decided which again permits a continuing discussion of similar to maintain this depth of coverage. Because it is a constant material. source of discussion with the publisher and some users, I • The chapter on System Analysis was deleted to permit deeply appreciate any comments you would like to offer on expanded coverage of some of the important topics in the the subject. Hopefully, it is a positive aspect of the text, but first half of the text and because so few institutions cover coverage may need to be modified in some areas. the material in an introductory course. QBASIC and C have been removed from this edition • Coverage is increased in the earlier chapters for some due to the growing sophistication of the software packages very important topics, such as series and parallel circuits, and the need for some additional coverage in other critical mesh and nodal analysis, and the transient response of areas. capacitors and inductors. For review purposes, additional summary tables are in- • Problems are added in almost every chapter of the text. A troduced to emphasize the duality that exists between vari- review of the Solutions Manual prompted me to revise ous facets of the material and to review the important many problems so that the results better reinforce the con- conclusions associated with each type of analysis. In gen- cept under investigation and further challenge the student. eral, these tables should help the student in developing a broad sense of understanding about how various laws can be Every technique, approach, analogy, and maneuver I applied to different configurations and how best to analyze could imagine to clarify some of the most important con- a system. For some topics such as mesh and nodal analysis, cepts in this field has been adapted for this text to improve power in the ac domain, and parallel ac networks, the presentation. Some of these elements include: additional methods of analysis and comments have been v www.net boy30444_fm.qxd 3/27/06 11:34 AM Page vi vi PREFACE included that should help clarify the approach and remove • Instructor’s Resource Manual, containing text solu- the confusion surrounding some unique situations. tions and test item file. One major change, based on the com- • PowerPoint® Lecture Notes. Available on CD (ISBN ments of Professor James Fiore, is the increased use of ta- 0-13-188761-0) and online (ISBN 0-13-173557-8). bles throughout to display the results better and permit • TestGen®, a computerized test bank. Available on CD immediate comparisons between results obtained using dif- (ISBN 0-13-188850-1) and online (ISBN 0-13-198670-8) ferent approaches. Only after revising a few experiments did I realize what a wonderful improvement to the Laboratory ACKNOWLEDGMENTS Manual this change made. Computer exercises have been in- As I approach the completion of each edition, I always hope troduced into a number of the other laboratory experiments, that the material has now been presented to the best of my so the computer labs have been removed. However, I always end up with a folder full of sug- gestions to consider for the next edition. This edition is no SUPPLEMENTS different, although I believe the revisions made have im- To enhance the learning process, a full supplements package proved the content and presentation so that future changes accompanies this text and is available to students and in- will be minimal. structors using the text for a course. As with every edition, I have found that certain individu- als in the academic world have made a significant contribu- Student Resources tion to the revision. For all the hours he spent working with • Laboratory Manual, ISBN 0-13-219615-8 me on the revision of the software printouts, I must thank • Companion Website (student study guide) at www. my good friend Professor Louis Nashelsky. For questions of prenhall.com/boylestad a practical nature, Jerry Sitbon’s input was simply invalu- • CD-ROM. Packaged with this textbook, this CD con- able. The vast improvement in the Laboratory Manual is due tains a set of Multisim circuit files and a set of PSpice cir- primarily to the constructive criticisms of Professor James cuit files. These files (also available on the Companion Fiore. Website) are provided at no extra cost to the consumer A number of reviewers and users provided outstanding and are for use by anyone who chooses to use Multisim input—I am deeply grateful for the many hours of effort on and/or PSpice software. Multisim and PSpice are widely their part. Their reviews helped me to define which changes regarded as excellent simulation tools for classroom and should be made and which topics should be left as is. Many laboratory learning. However, successful use of this text- comments included requests that I not lower or raise the book is not dependent upon the use of the circuit files. level of the text significantly. Therefore, this text continues If you do not currently have access to Multisim software to provide the coverage appropriate for today’s technology on your computer or in your school lab and you wish to pur- student without removing the challenge associated with chase it in order to use the circuits created for this text, some advanced topics.com/ewb or request information via I thank the reviewers of this edition: Sami Antoun, e-mail from phewb@prenhall. The PSpice software DeVry University; Don Barrett, DeVry University; David can be purchased by visiting www. Barth, Edison State Community College; Jim Fiore, Mo- At the time of publication, the CD provided with this text hawk Valley Community College; George Flantinis, New contains files appropriate for use with Multisim 2001, Hampshire Technical Institute; Curtis Johnson, University Multisim 7, Multisim 8, and PSpice Release 10. However, of Houston; Angela Lemons, North Carolina A&T Univer- circuits created in subsequent versions of software also may sity; Richard McKinney, Nashville State Community Col- be available at www.com/boylestad whenever later lege, and Paul Svatik, Owens Community College. versions of the software are developed by their respective I also thank the following individuals for their help: manufacturers. Leslie Bondaryk, MathSoft Corporation; Delphine Gerard, Pearson Education (Norway); Marc Herniter, Rose-Hulman Instructor Resources Institute of Technology; Lenda Hill and Tracee Larson, To access supplementary materials online, instructors need Texas Instruments; Erica Kaleda, Edison Electric Institute, to request an instructor access code. Go to www. and Nell Mathot, Cadence Design Systems. com, click the Instructor Resource Center link, and then I have been fortunate over the years to have Rex David- click Register Today for an instructor access code. Within son as my production editor. He helps to ensure that the text 48 hours after registering you will receive a confirming is a quality publication. Lara Dimmick at Prentice Hall has e-mail including an instructor access code. Once you have to be one of the most capable individuals I have ever worked received your code, go to the site and log on for full in- with. Ask her anything about anything, and she will get the structions on downloading the materials you wish to use. answer for you—not tomorrow, but today. Thank you, Lara.net boy30444_fm.