Wprowadzenie do elektroniki i elektrotechniki. Tom 1. Podstawy analizy obwodów elektrycznych - ebook

SPIS TREŚCI WSZYSKTICH TOMÓW

TOM I

1

Wprowadzenie

1.1. Przegląd zagadnień związanych z elektrotechniką

1.2. Obwody, prądy i napięcia

1.3. Moc i energia

1.4. Pierwsze prawo Kirchhoffa

1.5. Drugie prawo Kirchhoffa

1.6. Elementy obwodu – wprowadzenie

1.7. Wprowadzenie do obwodów elektrycznych

Podsumowanie

Zadania

2

Obwody rezystancyjne

2.1. Szeregowe i równoległe połączenia rezystancji

2.2. Analiza obwodów z zastosowaniem równoważników szeregowych i równoległych

2.3. Dzielnik napięciowy i dzielnik prądowy

2.4. Metoda potencjałów węzłowych

2.5. Metoda prądów oczkowych

2.6. Obwody zastępcze Thévenina i Nortona

2.7. Zasada superpozycji

2.8. Mostek prądu stałego Wheatstone’a

Podsumowanie

Zadania

3

Indukcyjność i pojemność

3.1. Pojemności

3.2. Szeregowe i równoległe połączenia pojemności

3.3. Charakterystyki fizyczne kondensatorów

3.4. Indukcyjność

3.5. Szeregowe i równoległe połączenia indukcyjności

3.6. Rzeczywiste cewki indukcyjne

3.7. Indukcyjność wzajemna

3.8. Symboliczne całkowanie i różniczkowanie
w środowisku MATLAB

Podsumowanie

Zadania

4

Stany nieustalone

4.1. Obwody RC pierwszego rzędu

4.2. Stan ustalony w obwodzie prądu stałego

4.3. Obwody RL

4.4. Obwody RC oraz RL zasilane źródłami
dowolnego kształtu

4.5. Obwody drugiego rzędu

4.6. Analiza stanów nieustalonych w środowisku MATLAB z wykorzystaniem pakietu obliczeń symbolicznych

Podsumowanie

Zadania

5

Analiza stanów ustalonych w obwodach prądu
sinusoidalnego

5.1. Sinusoidalnie zmienne prądy i napięcia

5.2. Wskazy (wartości symboliczne)

5.3. Impedancje zespolone

5.4. Analiza obwodów z użyciem wskazów
oraz zespolonych impedancji

5.5. Moc w obwodach prądu przemiennego

5.6. Obwody zastępcze Thévenina i Nortona

5.7. Zrównoważone obwody trójfazowe

5.8. Analiza obwodów prądu przemiennego
w środowisku MATLAB

Podsumowanie

Zadania

6

Charakterystyki częstotliwościowe, wykresy Bode’go
i rezonanse

6.1. Analiza Fouriera, filtry oraz transmitancje

6.2. Filtry dolnoprzepustowe pierwszego rzędu

6.3. Skala decybelowa, połączenia kaskadowe
i logarytmiczne skale częstotliwości

6.4. Wykresy Bodego

6.5. Filtry górnoprzepustowe pierwszego rzędu

6.6. Rezonans szeregowy

6.7. Rezonans równoległy

6.8. Filtry idealne i filtry drugiego rzędu

6.9. Wykresy Bodego w środowisku MATLAB

6.10. Cyfrowe przetwarzanie sygnałów

Podsumowanie

Zadania

DODATKI

A

Liczby zespolone

Podsumowanie

Zadania

B

Wartości nominalne i kolorowy kod kreskowy
do oznaczania rezystorów

C

Odpowiedzi do testów praktycznych z rodziałów 1–6

TOM II

7

Układy logiczne

7.1. Podstawowe pojęcia dotyczące układów
logicznych

7.2. Reprezentacja danych liczbowych w postaci binarnej

7.3. Kombinacyjne układy logiczne

7.4. Synteza układów logicznych

7.5. Minimalizacja układów logicznych

7.6. Sekwencyjne układy logiczne

Podsumowanie

Zadania

8

Komputery, mikrokontrolery oraz komputerowe
systemy pomiarowe

8.1. Zasada działania komputera

8.2. Rodzaje pamięci

8.3. Cyfrowe sterowanie procesami

8.4. Model programowy rodziny układów HCS12/9S12

8.5. Lista rozkazów oraz tryby adresowania jednostki CPU12

8.6. Programowanie w języku asemblerowym

8.7. Podstawowe zagadnienia dotyczące miernictwa
i czujników pomiarowych

8.8. Kondycjonowanie sygnałów

8.9. Konwersja analogowo-cyfrowa

Podsumowanie

Zadania

DODATKI

C

Odpowiedzi do testów praktycznych z rodziałów 7–8

TOM III

9

Diody

9.1. Zasada działania diody półprzewodnikowej

9.2. Analiza obwodów zawierających diodę w oparciu
o prostą obciążenia

9.3. Układy stabilizacji napięcia zawierające diodę Zenera

9.4. Model idealnej diody

9.5. Odcinkowo-liniowe modele diody

9.6. Układy prostownikowe

9.7. Układy kształtujące przebiegi

9.8. Mało-sygnałowe, liniowe obwody zastępcze

Podsumowanie

Zadania

10

Wzmacniacze: dane techniczne i charakterystyki
zewnętrzne

10.1. Podstawowe pojęcia dotyczące wzmacniacza

10.2. Wzmacniacze kaskadowe

10.3. Zasilanie i sprawność

10.4. Dodatkowe modele wzmacniaczy

10.5. Znaczenie impedancji wzmacniacza w różnych zastosowaniach

10.6. Wzmacniacze idealne

10.7. Odpowiedź częstotliwościowa

10.8. Zniekształcenia liniowe przebiegów

10.9. Odpowiedź impulsowa

10.10. Charakterystyka przejściowa i zniekształcenia nieliniowe

10.11. Wzmacniacze różnicowe

10.12. Napięcie niezrównoważenia, prąd polaryzacji
i prąd niezrównoważenia

Podsumowanie

Zadania

11

Tranzystory polowe

11.1. Tranzystory NMOS i PMOS

11.2. Analiza obwodu z prostym wzmacniaczem NMOS w oparciu o prostą obciążenia

11.3. Układy polaryzacji

11.4. Mało-sygnałowe obwody zastępcze

11.5. Wzmacniacze ze wspólnym źródłem

11.6. Wtórniki źródłowe

11.7. Bramki logiczne CMOS

Podsumowanie

Zadania

12

Tranzystory bipolarne

12.1. Zależności między prądem a napięciem

12.2. Charakterystyki układu ze wspólnym emiterem

12.3. Analiza układu wzmacniacza ze wspólnym
emiterem w oparciu o prostą obciążenia

12.4. Tranzystory bipolarne typu pnp

12.5. Modele stałoprądowych układów wielkosygnałowych

12.6. Wielkosygnałowa analiza stałoprądowa układów
z tranzystorami bipolarnymi

12.7. Mało-sygnałowe układy zastępcze

12.8. Wzmacniacze ze wspólnym emiterem

12.9. Wtórniki emiterowe

Podsumowanie

Zadania

13

Wzmacniacze operacyjne

13.1. Idealne wzmacniacze operacyjne

13.2. Wzmacniacze odwracające fazę

13.3. Wzmacniacze nieodwracające fazy

13.4. Projektowanie prostych wzmacniaczy

13.5. Niedoskonałości wzmacniaczy operacyjnych
w liniowym obszarze pracy

13.6. Ograniczenia nieliniowe

13.7. Niedoskonałości stałoprądowe

13.8. Wzmacniacze różnicowe i pomiarowe

13.9. Układy całkujące i różniczkujące

13.10. Filtry aktywne

Podsumowanie

Zadania

DODATKI

C

Odpowiedzi do testów praktycznych z rodziałów 9–13

TOM IV

14

Obwody magnetyczne i transformatory

14.1. Pola magnetyczne

14.2. Obwody magnetyczne

14.3. Indukcyjność i indukcyjność wzajemna

14.4. Materiały magnetyczne

14.5. Transformatory idealne

14.6. Transformatory rzeczywiste

Podsumowanie

Zadania

15

Maszyny (silniki) prądu stałego

15.1. Informacje ogólne o silnikach (elektrycznych)

15.2. Podstawy działania stałoprądowych
silników elektrycznych

15.3. Uruchamianie silników prądu stałego

15.4. Silniki prądu stałego: bocznikowy i wzbudzany oddzielnie

15.5. Szeregowo połączone silniki prądu stałego

15.6. Sterowanie prędkością silników elektrycznych

15.7. Generatory napięcia stałego

Podsumowanie

Zadania

16

Maszyny (silniki) prądu zmiennego

16.1. Trójfazowe silniki indukcyjne

16.2. Obwody zastępcze oraz obliczanie wydajności silników indukcyjnych

16.3. Silniki synchroniczne

16.4. Silniki jednofazowe

16.5. Silniki krokowe i bezszczotkowe silniki prądu stałego

Podsumowanie

Zadania

DODATKI

C

Odpowiedzi do testów praktycznych z rodziałów 14–16

SkorowidzPRZEDMOWA

Podobnie jak w poprzednich wydaniach, podczas pisania tej książki kierowałem się swoją filozofią, w której brałem pod uwagę trzy czynniki. Pierwszym z nich jest moje przekonanie, że na dłuższą metę studenci najwięcej korzystają, ucząc się podstawowych pojęć na ogólnych przykładach. Po drugie, uważam, że studenci powinni być zmotywowani, widząc, jak te zasady można zastosować do konkretnych i interesujących zagadnień w ich własnych dziedzinach. Trzecim elementem mojej filozofii jest wykorzystywanie każdej okazji, by nauka nie była dla studenta frustrująca.

Ta książka obejmuje takie zagadnienia jak: analiza obwodów, systemy cyfrowe, elektronika oraz elektromechanika na poziomie odpowiednim zarówno dla studentów elektrotechniki na kursie wprowadzającym, jak i dla osób niebędących inżynierami na kursie ogólnym. Jedyne niezbędne wymagania wstępne to znajomość podstaw fizyki i matematyki. Prowadzenie zajęć z wykorzystaniem tej książki umożliwi rozwinięcie umiejętności teoretycznych i eksperymentalnych oraz doświadczenia w następujących dziedzinach:

■ podstawy analizy obwodów i miernictwa elektrycznego,

■ analiza stanów nieustalonych w obwodach pierwszego i drugiego rzędu,

■ analiza stanów ustalonych w obwodach prądu zmiennego,

■ rezonanse i odpowiedź częstotliwościowa,

■ układy logiki cyfrowej,

■ mikrokontrolery,

■ komputerowe systemy pomiarowe,

■ obwody diodowe,

■ wzmacniacze elektroniczne,

■ tranzystory polowe i bipolarne,

■ wzmacniacze operacyjne,

■ transformatory,

■ maszyny prądu stałego i zmiennego,

■ wspomagana komputerowo analiza obwodów z wykorzystaniem środowiska programu MATLAB.

Chociaż w książce położono nacisk na podstawowe pojęcia, kluczową cechą jest zamieszczenie krótkich przykładów pokazujących, w jaki sposób koncepcje elektrotechniczne są stosowane w innych dziedzinach. Tematy tych artykułów to m.in.: przetwarzanie sygnałów w przeciwstukowych silnikach spalinowych, stymulator serca, aktywna kontrola hałasu oraz zastosowanie znaczników RFID w badaniach nad rybołówstwem.

Zachęcam do zgłaszania uwag przez czytelników tej książki. Szczególnie cenne są informacje o tym, jak można ją ulepszyć. Wezmę je pod uwagę, pracując nad kolejnymi wersjami książki.

Mój adres e-mail to: [email protected]

Zasoby dla instruktora*

Zasoby dla nauczyciela (instruktora) zawierają:

■ MasteringEngineering. Dedykowany program do generowania prac domowych online pozwala na zintegrowanie dynamicznych zadań domowych z automatycznym ocenianiem i spersonalizowaną informacją zwrotną. MasteringEngineering pozwala na łatwe śledzenie wyników całej grupy studenckiej na podstawie poszczególnych zadań lub analizowanie pracy indywidualnej poszczególnych studentów.

Kompletny podręcznik użytkowania systemu przez instruktora.

■ Prezentację slajdów w PowerPoint, które zawierają wszystkie rysunki zamieszczone w książce.

WYMAGANIA WSTĘPNE

Niezbędne warunki wstępne, jakie musi spełnić student, by korzystać z kursu zawartego w tej książce, to podstawy fizyki i rachunek jednej zmiennej. Znajomość zagadnień dotyczących równań różniczkowych byłaby pomocna, ale nie jest niezbędna. Równania różniczkowe są stosowane w rozdziale 4 dotyczącym analizy stanów nieustalonych, ale potrzebne umiejętności wynikają z podstawowego rachunku.

Elementy dydaktyczne książki

Książka zawiera różne elementy dydaktyczne mające na celu pobudzenie zainteresowania studentów, wyeliminowanie frustracji oraz uświadomienie im znaczenia materiału dla wybranego przez nich zawodu. Te elementy dydaktyczne to:

■ Każdy rozdział otwiera zestawienie głównych celów kształcenia.

■ Komentarze znajdujące się na marginesach podkreślają i podsumowują najistotniejsze zagadnienia lub wskazują na typowe błędy i pułapki, których studenci powinni unikać.

■ Krótkie artykuły w ramkach pokazują, jak zasady elektrotechniki znajdują zastosowania w innych dziedzinach inżynierii, jak na przykład artykuły dotyczące aktywnego tłumienia hałasu i elektronicznych rozruszników serca.

■ Procedury rozwiązywania problemów są prezentowane krok po kroku. Są to na przykład: podsumowanie rozwiązania opartego na metodzie potencjałów węzłowych pokazuje kolejne etapy analizy zadania lub podsumowanie obliczeń obwodów zastępczych Thévenina.

■ Test praktyczny znajdujący się na końcu każdego rozdziału daje studentom możliwość sprawdzenia swojej wiedzy. Odpowiedzi są zamieszczone w Dodatku C.

■ Na końcu każdego rozdziału znajdują się podsumowania najważniejszych zagadnień poruszanych w rozdziale. Stanowią one dodatkowy punkt odniesienia dla studentów.

■ Kluczowe równania są wyróżnione w książce, aby zwrócić uwagę na ważne wyniki.

Zawartość merytoryczna i organizacja treści książki

Podstawy analizy obwodów elektrycznych

W rozdziale 1 zdefiniowano pojęcia: natężenie prądu, napięcie, moc i energia. Przedstawiono prawa Kirchhoffa. Zdefiniowano pojęcia źródła napięcia, źródła prądu i rezystancji elektrycznej.

W rozdziale 2 omówiono obwody rezystancyjne. Przedstawiono analizę obwodów z zastosowaniem zasad redukcji (upraszczania) obwodu, analizę opartą na metodzie napięć węzłowych oraz prądów oczkowych. Omówiono schematy zastępcze Thévenina, zasadę superpozycji oraz mostek prądu stałego Wheatstone’a.

Pojemność, indukcyjność i indukcyjność wzajemna zostały omówione w rozdziale 3.

W rozdziale 4 omówiono stany nieustalone (przejściowe) w obwodach elektrycznych. Zaprezentowano obwody RL i RC pierwszego rzędu oraz wyjaśniono pojęcie stałych czasowych. W kolejnej części rozdziału omówiono obwody drugiego rzędu.

W rozdziale 5 omówiono zachowanie obwodów sinusoidalnych w stanie ustalonym. (Przegląd zagadnień dotyczących rachunku liczb zespolonych znajduje się w Dodatku A). Przedstawiono obliczenia mocy, schematy zastępcze dwójników symbolicznych Thévenina i Nortona oraz zrównoważone obwody trójfazowe.

Rozdział 6 zawiera omówienie odpowiedzi częstotliwościowej układów, wykresów Bodego, rezonansu, filtrów i cyfrowego przetwarzania sygnałów. Jakościowo omówiono podstawowe pojęcia teorii Fouriera (dotyczy sygnałów składających się z sinusoidalnych składowych o różnych amplitudach, fazach i częstotliwościach).

Podziękowania

Pragnę podziękować moim kolegom z Wydziału Inżynierii Elektrycznej i Komputerowej na Uniwersytecie Technologicznym Michigan, którzy okazali mi pomoc i zachętę przy pisaniu tej książki oraz w innych moich projektach.

Otrzymałem wiele wspaniałych rad od profesorów z innych instytucji, którzy na przestrzeni lat recenzowali manuskrypt na różnych etapach jego powstawania. Rady te w znacznym stopniu przyczyniły się do poprawy ostatecznej wersji książki. Jestem im wdzięczny za tę pomoc.

Recenzenci niniejszej książki oraz jej poprzednich wydań to:

Ibrahim Abdel-Motaled, Northwestern University

William Best, Lehigh University

Steven Bibyk, Ohio State University

D. B. Brumm, Michigan Technological University

Karen Butler-Purry, Texas A&M University

Robert Collin, Case Western University

Joseph A. Coppola, Syracuse University

Norman R. Cox, University of Missouri at Rolla

W. T. Easter, North Carolina State University

Zoran Gajic, Rutgers University

Edwin L. Gerber, Drexel University

Victor Gerez, Montana State University

Walter Green, University of Tennessee

Elmer Grubbs, New Mexico Highlands University

Jasmine Henry, University of Western Australia

Ian Hutchinson, MIT

David Klemer, University of Wisconsin, Milwaukee

Richard S. Marleau, University of Wisconsin

Sunanda Mitra, Texas Tech University

Phil Noe, Texas A&M University

Edgar A. O’Hair, Texas Tech University

John Pavlat, Iowa State University

Clifford Pollock, Cornell University

Michael Reed, Carnegie Mellon University

Gerald F. Reid, Virginia Polytechnic Institute

Selahattin Sayil, Lamar University

William Sayle II, Georgia Institute of Technology

Len Trombetta, University of Houston

John Tyler, Texas A&M University

Belinda B. Wang, University of Toronto

Carl Wells, Washington State University

Al Wicks, Virginia Tech

Edward Yang, Columbia University

Subbaraya Yuvarajan, North Dakota State University

Rodger E. Ziemer, University of Colorado, Colorado Springs

Przez lata wielu studentów i wykładowców korzystających z moich książek na Uniwersytecie Technologicznym Michigan i w innych miejscach zgłosiło wiele wartościowych sugestii dotyczących ulepszenia książek i poprawienia błędów. Bardzo im za to dziękuję. Jestem wdzięczny Julie Bai oraz moim obecnym i byłym redaktorom w wydawnictwie Pearson za wskazywanie mi właściwego kierunku i za wiele wspaniałych sugestii, które w znacznym stopniu poprawiły moje książki. Szczególne podziękowania kieruję również do Scotta Disanno za wspaniałą pracę przy publikacji tego oraz poprzednich wydań tej książki. Dziękuję również Tony’emu, Pam i Masonowi za ich nieustającą zachętę i cenne spostrzeżenia. Dziękuję Judy, mojej zmarłej żonie, za wiele dobrych rzeczy, których lista jest tak obszerna, że nie sposób je wszystkie tutaj wymienić.

Allan R. Hambley

Podziękowania do wydania światowego

Wydawnictwo Pearson pragnie wyrazić wdzięczność następującym osobom zaangażowanym w pracę nad światową wersją wydania niniejszej książki.

Współpracownik

Sachin Jain, National Institute of Technology Warangal

Recenzenci

Papri Ghosh

Ajay Kumar, Coimbatore Institute of Technology

Nikhil Marriwala, University Institute of Engineering and TechnologyOD POLSKIEGO WYDAWCY

Oddajemy w Państwa ręce pierwszą część opracowania z serii „Wprowadzenie do elektrotechniki i elektroniki”, która w oryginale została wydana przez Wydawnictwo Pearson jako jednotomowa pozycja pod tytułem „Electrical Engineering. Principles and Applications” (Seventh Edition, Global Edition).

Polskie wydanie postanowiliśmy podzielić na 4 części, wyróżnione tematycznie:

■ Tom 1. Podstawy analizy obwodów elektrycznych

■ Tom 2. Systemy cyfrowe

■ Tom 3. Układy i urządzenia elektroniczne

■ Tom 4. Elektromechanika

Każdą z części można traktować jako osobną pozycję. Można także potraktować serię jako komplementarny kurs – w zależności od potrzeb edukacyjnych.

Kilka uwag od tłumacza

Szanowny Czytelniku,

Niniejszy podręcznik Profesora Hambleya z Uniwersytetu Technicznego w Michigan stanowi bardzo ciekawe ujęcie zagadnień dotyczących podstaw elektrotechniki, elektroniki oraz obwodów magnetycznych i maszyn elektrycznych. Autor prezentuje bardzo praktyczne podejście do wielu zagadnień, co jest niezwykle cenne dla studentów praktycznych kierunków inżynierskich i stanowi nieco odmienne ujęcie tematu od wielu książek dostępnych na polskim rynku.

Pierwsza część, która zostaje oddana do rąk czytelników, dotyczy teorii obwodów elektrycznych od prądów stałych do prądów przemiennych, zarówno stanów ustalonych, jak i stanów nieustalonych (przejściowych). W stosunku do pozycji literatury polskiej mogą występować pewne różnice w oznaczeniach elementów, które w tym podręczniku są zgodne z powszechnie stosowanym programem do analizy układów elektrycznych i elektronicznych: SPICE.

Autor reprezentuje klasyczne metody analizy stanów nieustalonych oparte na równaniach różniczkowych i odwołuje się do przykładów w programie MATLAB®. W podręcznikach wielu uznanych autorów polskich stosowany jest rachunek operatorowy Laplace’a. Ponadto, w analizie stanów ustalonych w obwodach prądów przemiennych, stosowany jest aparat matematyczny oparty na wskazach (fazorach) i amplitudach sygnałów, podczas gdy w wielu polskich podręcznikach stosuje się rachunek liczb symbolicznych oraz wartości skuteczne sygnałów.

Odnośnie do terminologii, starałem się być zgodny z nazewnictwem polskim, a równocześnie zachować styl i podejście autora. Niestety nie zawsze było to możliwe, np. w oryginalnym podręczniku autor używa określenia funkcji przejścia (ang. transfer function) do opisu funkcji częstotliwościowych, powszechnie znanych w polskiej terminologii jako charakterystyki częstotliwościowe. W takich przypadkach starałem się pozostać wiernym terminologii polskiej.

Tłumacz

dr hab. inż. Andrzej Pułka, prof. Politechniki Śląskiej