Sổ tay Điện tử: Khái niệm cơ bản và ứng dụng theo Owen Bishop, ấn bản thứ hai

• Tác giả: Owen Bishop
• Chuyên ngành: Điện tử
• Đề tài: Hiểu về Điện tử
• Loại tài liệu: Sách
• Năm xuất bản: 2001
• Địa điểm: Oxford

Tóm tắt

I. Tổng quan về sách Understand Electronics Owen Bishop

Understand Electronics của Owen Bishop là cuốn sách giáo trình điện tử phổ biến dành cho người mới bắt đầu. Ấn bản thứ hai được xuất bản năm 2001 bởi nhà xuất bản Newnes thuộc Elsevier Science. Cuốn sách không yêu cầu kiến thức nền tảng về điện tử hay lý thuyết điện trước đó. Phương pháp trình bày hoàn toàn không sử dụng toán học phức tạp. Nội dung bắt đầu từ những khái niệm cơ bản nhất về điện và electron. Sách trình bày các định luật chi phối hành vi của điện trong mạch điện tử. Phần đầu giới thiệu về điện trở, điện dung và cảm ứng. Các chất bán dẫn được trình bày chi tiết vì chúng là trung tâm của hầu hết thiết bị điện tử hiện đại. Cuốn sách bao gồm 27 chương, từ cơ bản đến nâng cao. Các chủ đề trải dài từ linh kiện đơn giản đến vi mạch điều khiển. Sách cũng đề cập đến viễn thông, vi sóng và điện tử tương lai. Đây là tài liệu học tập toàn diện cho sinh viên và người đam mê điện tử.

1.1. Cấu trúc nội dung sách

Cuốn sách Understand Electronics được tổ chức thành 27 chương logic. Phần đầu tiên tập trung vào điện tử cơ bản: electron, điện áp, điện trở, điện dung và cảm ứng. Tiếp theo là các mạch đơn giản và nguyên lý bán dẫn. Chương 7 đến 9 trình bày chi tiết về transistor và mạch bán dẫn. Phần giữa sách đề cập đến nguồn điện, cảm biến và quang điện tử. Phần cuối nâng cao với bộ vi xử lý, viễn thông và vi sóng. Chương 27 kết thúc với cái nhìn về tương lai điện tử. Mỗi chương xây dựng dựa trên kiến thức từ chương trước.

1.2. Đối tượng đọc giả phù hợp

Cuốn sách này lý tưởng cho nhiều đối tượng đọc giả khác nhau. Sinh viên kỹ thuật điện và điện tử tìm thấy nền tảng vững chắc tại đây. Người mới bắt đầu học điện tử không cần kiến thức nền tảng vẫn tiếp cận được. Kỹ thuật viên muốn ôn tập kiến thức cơ bản sẽ hưởng lợi từ cách trình bày rõ ràng. Người đam mê điện tử tự học có thể tiến bộ qua từng chương. Giáo viên sử dụng sách như tài liệu tham khảo giảng dạy hiệu quả. Phương pháp không dùng toán học giúp mọi người hiểu khái niệm dễ dàng hơn.

II. Phân tích nội dung cốt lõi của Understand Electronics

Nội dung cốt lõi của Understand Electronics xoay quanh các nguyên lý điện tử cơ bản. Chương đầu tiên giải thích electron và dòng điện một cách trực quan. Điện áp và điện thế được trình bày qua các phép so sánh thực tế. Điện trở được mô tả chi tiết với các ứng dụng thực tiễn. Điện dung được giải thích bằng phép so sánh với bình nước chứa. Công thức Q=VC được giới thiệu đơn giản, dễ hiểu. Cảm ứng điện từ được trình bày trong mạch dao động. Phần bán dẫn chiếm vị trí quan trọng trong sách. Cấu trúc P-N, diode và transistor được giải thích kỹ lưỡng. Các mạch khuếch đại và dao động được xây dựng từ kiến thức nền tảng. Bộ khuếch đại vi sai và mạch logic số mở rộng kiến thức nâng cao. Mỗi khái niệm đều đi kèm ví dụ minh họa cụ thể. Cách tiếp cận từ đơn giản đến phức tạp giúp người học tiến bộ tự nhiên.

2.1. Điện dung và nguyên lý hoạt động

Điện dung là khả năng tích trữ năng lượng điện của tụ điện. Sách giải thích điện dung qua phép so sánh sinh động với bình nước. Hai bình cùng mức nước nhưng bình rộng chứa nhiều nước hơn. Tương tự, hai tụ điện cùng điện áp nhưng dung lượng khác nhau. Công thức Q=VC thể hiện mối quan hệ giữa điện tích, điện áp và điện dung. Điện dung phụ thuộc vào diện tích bản cực, khoảng cách và chất điện môi. Khoảng cách bản cực càng gần thì điện dung càng lớn. Điện áp cao có thể gây phá hủy chất điện môi bên trong tụ điện.

2.2. Nguyên lý bán dẫn và transistor

Chất bán dẫn là nền tảng của hầu hết thiết bị điện tử hiện đại. Sách trình bày cấu trúc tinh thể silic và germanium chi tiết. Doping là quá trình pha tạp chất để tạo loại N và loại P. Tiếp giáp P-N tạo thành diode, cho phép dòng điện đi một chiều. Transistor NPN và PNP được giải thích nguyên lý khuếch đại dòng điện. Mạch dùng transistor hoạt động như công tắc hoặc bộ khuếch đại. Sách cung cấp sơ đồ mạch thực tế minh họa rõ ràng. Hiểu bán dẫn là bước đệm quan trọng để học mạch nâng cao.

III. Phương pháp học hiệu quả từ Understand Electronics

Phương pháp học từ Understand Electronics dựa trên nguyên tắc từ đơn giản đến phức tạp. Người học nên bắt đầu từ chương đầu tiên và tiến tuần tự. Mỗi chương cung cấp nền tảng cần thiết cho chương tiếp theo. Sách sử dụng ngôn ngữ không kỹ thuật, dễ tiếp cận cho mọi người. Phương pháp không dùng toán học giúp tập trung vào hiểu khái niệm. Hình minh họa và sơ đồ mạch hỗ trợ hiểu biết trực quan. Người học nên thực hành lắp ráp mạch đơn giản song song với lý thuyết. Phần cảm biến và cảm biến quang học cung cấp ứng dụng thực tế hấp dẫn. Mạch nguồn điện và sạc pin được giải thích qua ví dụ đời thường. Đo lường dòng điện, điện tích và điện áp được hướng dẫn cụ thể. Đơn vị ampe được định nghĩa bằng lực giữa hai cuộn dây dẫn điện. Coulomb là đơn vị điện tích, tương đương dòng 1 ampe trong 1 giây. Thực hành đều đặn giúp củng cố kiến thức lý thuyết hiệu quả.

3.1. Xây dựng nền tảng qua từng chương

Sách được thiết kế để xây dựng kiến thức theo từng bước. Chương 1 đến 6 cung cấp nền tảng điện học cơ bản vững chắc. Chương 7 đến 9 mở rộng sang lĩnh vực bán dẫn và transistor. Chương 10 đến 14 giới thiệu nguồn điện, cảm biến và thiết bị đo. Chương 15 đến 18 phát triển kỹ năng thiết kế mạch phức tạp hơn. Chương 19 đến 22 đưa người học vào thế giới logic số và vi xử lý. Chương 23 đến 27 khám phá viễn thông, vi sóng và ứng dụng tiên tiến. Cách tiếp cận tầng lớp này đảm bảo không bỏ sót kiến thức quan trọng nào.

3.2. Ứng dụng thực hành trong học tập

Thực hành là yếu tố không thể thiếu khi học từ cuốn sách này. Người học nên chuẩn bị breadboard và các linh kiện cơ bản. Bắt đầu với mạch đèn LED đơn giản để hiểu dòng điện và điện trở. Tiếp tục lắp mạch tụ điện để quan sát quá trình nạp và xả. Thí nghiệm với transistor giúp hiểu nguyên lý khuếch đại tín hiệu. Sử dụng đồng hồ vạn năng để đo điện áp, dòng và điện trở thực tế. Sách hướng dẫn cách sử dụng thiết bị đo ở chương 14. Thực hành thường xuyên biến kiến thức lý thuyết thành kỹ năng thực tế.

IV. Kết luận và ứng dụng của Understand Electronics

Understand Electronics của Owen Bishop là tài liệu giá trị cho người học điện tử. Ấn bản thứ hai cập nhật nội dung phù hợp với công nghệ đầu thế kỷ 21. Sách bao quát từ nguyên lý cơ bản đến ứng dụng phức tạp. Phần vi mạch điều khiển và máy tính phản ánh xu hướng công nghệ hiện đại. Viễn thông và vi sóng mở rộng hiểu biết về truyền thông không dây. Chương về điện tử và tương lai định hướng phát triển nghề nghiệp. Kiến thức từ sách áp dụng được trong nhiều lĩnh vực kỹ thuật. Kỹ thuật viên sửa chữa thiết bị điện tử hưởng lợi từ nền tảng này. Nhà thiết kế mạch sử dụng nguyên lý từ sách để tạo sản phẩm mới. Người đam mê DIY áp dụng kiến thức vào dự án cá nhân. Cuốn sách cũng hữu ích cho giáo viên dạy môn điện tử cơ bản. Giá trị lâu dài nằm ở cách trình bày khái niệm vượt thời gian.

4.1. Ứng dụng trong công nghiệp và đời sống

Kiến thức từ Understand Electronics áp dụng rộng rãi trong công nghiệp. Thiết kế mạch nguồn điện sử dụng nguyên lý từ chương 10. Hệ thống cảm biến công nghiệp dựa trên kiến thức chương 11 và 12. Mạch điều khiển tự động hóa áp dụng nguyên lý từ chương 26. Thiết bị viễn thông sử dụng kiến thức từ chương 23. Ứng dụng trong đời sống bao gồm sửa chữa đồ điện tử gia dụng. Hiểu biết về sạc pin giúp bảo quản thiết bị di động tốt hơn. Kiến thức về quang điện tử ứng dụng trong đèn LED và màn hình hiển thị.

4.2. Giá trị lâu dài của cuốn sách

Dù xuất bản năm 2001, cuốn sách vẫn giữ giá trị giáo dục to lớn. Các nguyên lý điện tử cơ bản không thay đổi theo thời gian. Hiểu biết về điện áp, dòng điện và điện trở là nền tảng vĩnh viễn. Nguyên lý bán dẫn và transistor vẫn áp dụng trong chip hiện đại. Phương pháp tư duy logic từ sách hữu ích cho mọi lĩnh vực kỹ thuật. Sách dạy cách tiếp cận vấn đề từ cơ bản đến phức tạp. Đây là bước đệm hoàn hảo trước khi học các tài liệu chuyên sâu hơn. Nhiều kỹ thuật viên và kỹ sư coi đây là cuốn sách gối đầu giường.

Trích đoạn nội dung tài liệu

org Understand Electronics This Page Intentionally Left Blank www.org Understand Electronics Second Edition Owen Bishop OXFORD AMSTERDAM BOSTON LONDON NEW YORK PARIS SAN DIEGO SAN FRANCISCO SINGAPORE SYDNEY TOKYO Newnes An imprint of Elsevier Science Linacre House, Jordan Hill, Oxford OX2 8DP 200 Wheeler Road, Burlington, MA 01803 First published 1995 Reprinted 1996, 1998, 1999 Second edition 2001 Transferred to digital printing 2003 Copyright 9 1995, 2001 Owen Bishop. All rights reserved The fight of Owen Bishop to be identified as the author of this work has been asserted in accordance with the Copyright, Designs and Patents Act 1988 No part of this publication may be reproduced in any material form (including photocopying or storing in any medium by electronic means and whether or not transiently or incidentally to some other use of this publication) without the written permission of the copyright holder except in accordance with the provisions of the Copyright, Designs and Patents Act 1988 or under the terms of a licence issued by the Copyright Licensing Agency Ltd, 90 Tottenham Court Road, London, England W 1T 4LP. Applications for the copyright holder's written permission to reproduce any part of this publication should be addressed to the publisher 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 0 7506 5391 I For information on all Newnes publications visit our website at www.com Contents Introduction vii 1 Electrons and electricity 1 2 E. and potential 12 3 Resistance 24 4 Capacitance 38 5 Inductance 49 6 Simple circuits 58 7 Semiconduction 68 8 Transistors 8O 9 Semiconductor circuits 94 10 Power supply circuits 103 11 Sensors and transducers 114 12 Optoelectronic sensors 131 13 Light sources and displays 138 14 Test equipment 144 15 From components to circuits 154 16 Oscillating circuits 169 17 Amplifying circuits 182 18 Operational amplifiers 192 19 Logic circuits 204 20 Audio electronics 225 21 Computers 239 22 Microcontrollers 257 23 Telecommunications 263 24 Microwaves 283 25 Detection and measurement 297 26 Electronic control 312 27 Electronics and the future 322 Acknowledgements 328 Index 329 www.org This Page Intentionally Left Blank INTRODUCTION his is a book for anyone who wants to get to know about electronics. It T requires no previous knowledge of the subject, or of electrical theory, and the treatment is entirely non-mathematical. It begins with an outline of electricity and the laws that govern its behaviour in circuits. Then it describes the basic electronic components and how they are used in simple electronic circuits. Semiconductors are given a full treatment since they are at the heart of almost all modern electronic devices. In the next few chapters we examine a range of electronic sensors, seeing how they work and how they are used to put electronic circuits in contact with the world around them. The methods used for constnlcting electronic circuits from individual components and the techniques of manufacturing complex integrated circuits on single silicon chips are covered in sufficient detail to allow the reader to understand the steps taken in the production of an item of electronic equipment. This is followed by an account of the test equipment used to check the finished product. The next few chapters deal with the electronic circuits that are used in special fields and serves as an introduction to amplifiers, logic circuits, audio equipment, computing, teleconummications (including TV and video equipment) and microwave technology. Then we look at the ways in which electronics plays an ever-increasing role in measurement, detection and control in industry and other fields. Throughout, the descriptions are intentionally aimed at the non-technical reader. Finally, we outline some of the current research in electronics and point the way to future developments in this technology. All the photographic illustrations in this book were taken by the author. This Page Intentionally Left Blank www.org lectricity consists of electric charge. Though electricity has been the E subject of scientific investigations for thousands of years, the nature of electric charge is not fully understood, even at the present day. But we do know enough about it to be able to use it in many ways. Using electric charge is what this book is about. Electric charge is a property of matter and, since matter consists of atoms, we need to look closely at atoms to find out more about electricity. But, even without studying atoms as such, we are easily able to discover some of the properties of electricity for ourselves. The simplest way to demonstrate electric charge is to take a plastic ruler and rub it with a dry cloth. If you hold the ruler over a table on which there are some small scraps of thin paper or scraps of plastic film, the pieces jump up and down repeatedly. If you rub an inflated rubber balloon against the sleeve of your clothing then place it against the wall or ceiling, for a while, the balloon remains attracted to the wall or ceiling, defying the force of gravity. The electric charge on the plastic ruler or wall is creating a force, an electric force. In effect, the energy of your rubbing appears in another form which moves the pieces of paper, or prevents the balloon from falling. 2 Understand Electronics Polythene or acetate strip Start at 50 cm. v Woollen cloth You can also charge a strip of polythene sheet (cut from a plastic food-bag) by rubbing it. If you charge two strips, then hold them apart and then try to bring them together, they are repelled by each other. As you try to push them together, their lower ends diverge, spreading away from each other. A similar experiment is to charge a strip of acetate sheet (cut from a shirt-box) by rubbing it and bring it toward a charged polythene strip, the two strips attract each other. If they are allowed to, their lower ends come together and touch. From this behaviour, we reason that the charge on an acetate strip must be of a different kind from that on a polythene strip. Simple demonstrations such as these show that: There are two kinds of electric charge. Like kinds of charge repel each other. Opposite kinds of charge attract each other. The discovery of electricity Electricity takes its name from the Greek word elektron, the name of the resinous solid known as amber. The ancient Greeks had discovered that, when a piece of amber is rubbed with a soft cloth, it becomes able to attract small, light objects to it. We say that it has an electric charge. Ill I I Electrons and electricity 3 More electric a~actlon You may have noticed this effect in the shower, The fine spray of water droplets charges your body and the shower curtain, but the charges are opposite, There is an attractive force between your body and the curtain, The curtain billows Inward and clings to your body, Electric charge and atoms Now we are ready to link the basic facts about electric charge to what is known about the structure of matter. Research has shown that atoms are built up of several different kinds of atomic particle. Most of these occur only rarely in atoms but two kinds are very common. These are electrons and protons. Although protons are about 2000 times more massive than electrons, protons and electrons have equal electric charges. The charge on an electron is opposite in its nature to the charge on a proton; these are the two kinds of electric charge mentioned above. The charge on an electron is said to be negative and that on a proton to be positive, but this is simply a convention. There is nothing positive on a proton which is 'missing' or 'absent' from an electron. The two terms merely imply that positive and negative charges are opposite. We have said that electrons and protons carry equal but opposite charges. If an electron combines with a proton, their charges cancel out exactly and an uncharged particle is formed m a neutron. Since neutrons have no charge, they are of little interest in electronics. Atomic structure All atoms are composed of electrons and protons (ignoring the other rare kinds of particle). The simplest possible atom, the atom of hydrogen, consists of one electron and one proton. The proton is at the centre of the atom and the electron is circling around it in orbit. With one unit of negative charge and one of positive charge, the atom as a whole is uncharged.org 4 Understand Electronics Since the electron is moving at high speed around the proton, there must be a force to keep it in orbit, to prevent it from flying off into space. The force that holds the electron in the atom is the attractive electrical force between oppositely charged panicles, which we demonstrated earlier. It acts in a similar way to the attractive force of gravity, which keeps the Moon circling round the Earth, and the planets of the solar system circling round the Sun. Other atoms There are more than a hundred different elements in nature, including hydrogen, elium, copper, iron, mercury and oxygen, to name only a few. Each element has its own distinctive atomic structure, but all are based on the same plan as the hydrogen atom. That is to say, there is a central part, the nucleus, where most of the mass is concentrated, which is surrounded by a cloud of circling electrons. However, atoms other than hydrogen have more than one proton and also some neutrons in the nucleus at the centre of the atom. The positive charge on the nucleus is due to the protons it contains. The electron cloud contains a number of electrons to equal the number of protons in the nucleus. In this way the positive charge on the nucleus is exactly balanced by the negative charges on the electrons and the atom as a whole has no electric charge. The electrons are in orbits at different distances from the nucleus. These orbits are at definite fixed distances from the nucleus and there is room for only a fixed number of electrons in each orbit. Electrons and electricity 5 Atomic dimensions The orbit of the electron of a hydrogen atom is about one ten- millionth of a millimetre in diameter. If the atom was scaled up so that its nucleus (the proton) was 1 m m in diameter, the orbiting electron would be a tiny speck about 120 m away. The interesting point is that the electron and proton take up very little room in the atom. So-called 'solid' matter is mostly empty space. The tangible nature of matter is not due to it consisting mostly of firm particles. Instead, it is due to the strong electrical forces between atomic particles and the forces between adjacent atoms, which hold the atoms more-or-less firmly together. There is more about the structure of matter on page 8. Electric fields When an object is charged there is an electric field around it. This is a force field which makes charged objects move when they are in the field. Another more familiar force field is gravity, which affects us everywhere and at all times; but gravity is only attractive, it does not repel. The drawing shows how we imagine the field around an electron. The lines of force show the way a positive charge moves when placed in the field; it moves towards the electron. Although lines of force are strictly imaginary Oust as the lines of latitude and ctron longitude on the Earth are imaginary) it helps to think of I line of them as if they are like rubber force bands under tension. This gives them two properties: They tend to be as short as possible. They tend to be as straight as possible.