Lessons In Electric Circuits, Volume I – DC

Contents

1 BASIC CONCEPTS OF ELECTRICITY 1

1.1 Static electricity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

1.2 Conductors, insulators, and electron ow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

1.3 Electric circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

1.4 Voltage and current . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

1.5 Resistance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

1.6 Voltage and current in a practical circuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

1.7 Conventional versus electron ow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

1.8 Contributors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

2 OHM's LAW

2.1 How voltage, current, and resistance relate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

2.2 An analogy for Ohm's Law . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

2.3 Power in electric circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

2.4 Calculating electric power . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

2.5 Resistors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

2.6 Nonlinear conduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

2.7 Circuit wiring . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

2.8 Polarity of voltage drops . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

2.9 Computer simulation of electric circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

2.10 Contributors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76

3 ELECTRICAL SAFETY

3.1 The importance of electrical safety . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77

3.2 Physiological effects of electricity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78

3.3 Shock current path . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80

3.4 Ohm's Law (again!) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86

3.5 Safe practices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93

3.6 Emergency response . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96

3.7 Common sources of hazard . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98

3.8 Safe circuit design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100

3.9 Safe meter usage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106

3.10 Electric shock data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116

3.11 Contributors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117

4 SCIENTIFIC NOTATION AND METRIC PREFIXES

4.1 Scientic notation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119

4.2 Arithmetic with scientic notation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121

4.3 Metric notation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123

4.4 Metric prex conversions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124

4.5 Hand calculator use . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125

4.6 Scientic notation in SPICE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126

4.7 Contributors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128

5 SERIES AND PARALLEL CIRCUITS

5.1 What are ”series” and ”parallel” circuits? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129

5.2 Simple series circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132

5.3 Simple parallel circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139

5.4 Conductance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144

5.5 Power calculations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146

5.6 Correct use of Ohm's Law . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147

5.7 Component failure analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149

5.8 Building simple resistor circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155

5.9 Contributors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170

6 DIVIDER CIRCUITS AND KIRCHHOFF'S LAWS

6.1 Voltage divider circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171

6.2 Kirchhoff's Voltage Law (KVL) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179

6.3 Current divider circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190

6.4 Kirchhoff's Current Law (KCL) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193

6.5 Contributors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196

7 SERIES-PARALLEL COMBINATION CIRCUITS

7.1 What is a series-parallel circuit? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197

7.2 Analysis technique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200

7.3 Re-drawing complex schematics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208

7.4 Component failure analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216

7.5 Building series-parallel resistor circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221

7.6 Contributors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233

8 DC METERING CIRCUITS

8.1 What is a meter? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235

8.2 Voltmeter design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241

8.3 Voltmeter impact on measured circuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246

8.4 Ammeter design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253

8.5 Ammeter impact on measured circuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 260

8.6 Ohmmeter design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264

8.7 High voltage ohmmeters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 269

8.8 Multimeters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 277

8.9 Kelvin (4-wire) resistance measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282

8.10 Bridge circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 288

8.11 Wattmeter design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295

8.12 Creating custom calibration resistances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 296

8.13 Contributors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 299

9 ELECTRICAL INSTRUMENTATION SIGNALS

9.1 Analog and digital signals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301

9.2 Voltage signal systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 304

9.3 Current signal systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 306

9.4 Tachogenerators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 309

9.5 Thermocouples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 310

9.6 pH measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 315

9.7 Strain gauges . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 321

9.8 Contributors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 328

10 DC NETWORK ANALYSIS

10.1 What is network analysis? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 329

10.2 Branch current method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 332

10.3 Mesh current method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 341

10.4 Node voltage method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 357

10.5 Introduction to network theorems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 361

10.6 Millman's Theorem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 361

10.7 Superposition Theorem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 364

10.8 Thevenin's Theorem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 369

10.9 Norton's Theorem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 373

10.10Thevenin-Norton equivalencies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 377

10.11Millman's Theorem revisited . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 379

10.12Maximum Power Transfer Theorem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 381

10.13¢-Y and Y-¢ conversions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 383

10.14Contributors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 389

11 BATTERIES AND POWER SYSTEMS

11.1 Electron activity in chemical reactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 391

11.2 Battery construction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 397

11.3 Battery ratings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 400

11.4 Special-purpose batteries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 402

11.5 Practical considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 406

11.6 Contributors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 408

12 PHYSICS OF CONDUCTORS AND INSULATORS

12.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 409

12.2 Conductor size . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 411

12.3 Conductor ampacity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 417

12.4 Fuses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 419

12.5 Specic resistance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 427

12.6 Temperature coefcient of resistance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 431

12.7 Superconductivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 434

12.8 Insulator breakdown voltage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 436

12.9 Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 438

12.10Contributors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 438

13 CAPACITORS

13.1 Electric elds and capacitance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 439

13.2 Capacitors and calculus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 444

13.3 Factors affecting capacitance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 449

13.4 Series and parallel capacitors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 452

13.5 Practical considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 453

13.6 Contributors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 459

14 MAGNETISM AND ELECTROMAGNETISM

14.1 Permanent magnets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 461

14.2 Electromagnetism . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 465

14.3 Magnetic units of measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 467

14.4 Permeability and saturation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 470

14.5 Electromagnetic induction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 475

14.6 Mutual inductance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 477

14.7 Contributors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 480

15 INDUCTORS

15.1 Magnetic elds and inductance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 481

15.2 Inductors and calculus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 485

15.3 Factors affecting inductance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 491

15.4 Series and parallel inductors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 497

15.5 Practical considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 499

15.6 Contributors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 499

16 RC AND L/R TIME CONSTANTS

16.1 Electrical transients . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 501

16.2 Capacitor transient response . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 501

16.3 Inductor transient response . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 504

16.4 Voltage and current calculations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 507

16.5 Why L/R and not LR? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 513

16.6 Complex voltage and current calculations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 516

16.7 Complex circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 517

16.8 Solving for unknown time . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 522

16.9 Contributors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 524

A-1 ABOUT THIS BOOK 525

A-2 CONTRIBUTOR LIST 529