t = 0 पर स्विच बंद होने से पहले प्रेरक में कोई धारा नहीं है। t = 30 ms पर प्रेरक में संचित ऊर्जा W mJ में ज्ञात कीजिए।
Vs = 6 VR = 5 ΩL = 150 mHt = 30 ms
W = mJ
14.RC और RL क्षणिक अवस्थाएँकठिन
t = 0 पर स्विच बंद होने से ठीक पहले संधारित्र पर दर्शाई ध्रुवता के साथ 20 V है। t = 60 ms पर संधारित्र वोल्टता vC ज्ञात कीजिए।
Vs = 24 VR = 1 kΩC = 100 µFvC(0) = 20 Vt = 60 ms
vC = V
3विलयन
1.श्रेणी और समांतर प्रतिरोधक
उत्तर: IR2 = 1.909 A
श्रेणी और समांतर प्रतिरोधक: श्रेणी में हर प्रतिरोधक से समान धारा बहती है और R = R₁ + R₂ + …। समांतर में हर प्रतिरोधक पर समान वोल्टता होती है और 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …। सीढ़ी नेटवर्क को एक-एक युग्म घटाया जाता है जब तक एक समतुल्य प्रतिरोध न बचे।
दूर वाले सिरे से प्रतिरोधक जोड़ें
स्रोत से सबसे दूर वाले सिरे से शुरू करें और उसकी ओर लौटें। समान धारा वाले प्रतिरोधक श्रेणी में हैं; समान दो नोड के बीच वाले प्रतिरोधक समांतर में हैं।
R3 + R4 = 10 + 4 = 14 Ω
R2 ∥ 14 = 3·14/(3+14) = 2.471 Ω
Req = R1 + 2.471 = 4 + 2.471 = 6.471 Ω
स्रोत से धारा
स्रोत केवल Req देखता है, इसलिए ओम का नियम उसकी दी धारा देता है। यह धारा R₁ से होकर बहती है।
IR1 = V1/Req = 15/6.471 = 2.318 A
R₂ से होकर धारा
नोड A पर वोल्टता पाने के लिए R₁ पर पात घटाएँ, जो R₂ पर वोल्टता है।
VA = V1 − IR1·R1 = 15 − 2.318·4 = 5.727 V
IR2 = VA/R2 = 5.727/3 = 1.909 A
उत्तर
IR2 = 1.909 A
2.श्रेणी और समांतर प्रतिरोधक
उत्तर: Req = 13.59 Ω
श्रेणी और समांतर प्रतिरोधक: श्रेणी में हर प्रतिरोधक से समान धारा बहती है और R = R₁ + R₂ + …। समांतर में हर प्रतिरोधक पर समान वोल्टता होती है और 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …। सीढ़ी नेटवर्क को एक-एक युग्म घटाया जाता है जब तक एक समतुल्य प्रतिरोध न बचे।
दूर वाले सिरे से प्रतिरोधक जोड़ें
स्रोत से सबसे दूर वाले सिरे से शुरू करें और उसकी ओर लौटें। समान धारा वाले प्रतिरोधक श्रेणी में हैं; समान दो नोड के बीच वाले प्रतिरोधक समांतर में हैं।
R5 + R6 = 2 + 6 = 8 Ω
R4 ∥ 8 = 5.217 Ω
R3 + 5.217 = 30.22 Ω
R2 ∥ 30.22 = 8.589 Ω
Req = R1 + 8.589 = 5 + 8.589 = 13.59 Ω
उत्तर
Req = 13.59 Ω
3.नोडल विश्लेषण
उत्तर: IR1 = 0.7864 A
नोडल विश्लेषण: एक संदर्भ नोड चुनें, अज्ञात नोड वोल्टताओं को नाम दें, ओम के नियम (I = ΔV/R) से हर अज्ञात नोड पर किरचॉफ़ धारा नियम लिखें, और समीकरण हल करें।
नोड तय करें
ग्राउंड नीचे वाला तार है। ज्ञात नोड वोल्टताएँ सीधे स्रोतों से मिलती हैं (V1 = 9 V)। अज्ञात: VA, VB।
नोड A पर KCL
प्रतिरोधकों से होकर A से निकलने वाली धाराएँ स्रोतों द्वारा A में भेजी गई धारा के बराबर हैं।
VA/R2 + (VA − V1)/R1 + (VA − VB)/R3 = 0
VA/6 + (VA − 9)/8 + (VA − VB)/20 = 0
0.3417·VA − 0.05·VB = 1.125
नोड B पर KCL
प्रतिरोधकों से होकर B से निकलने वाली धाराएँ स्रोतों द्वारा B में भेजी गई धारा के बराबर हैं।
VB/R4 + (VB − VA)/R3 = Is
VB/6 + (VB − VA)/20 = (−1)
−0.05·VA + 0.2167·VB = −1
हल करें
Δ = (0.3417)(0.2167) − (−0.05)(−0.05) = 0.07153
VA = Δ1/Δ = 0.1938/0.07153 = 2.709 V
VB = Δ2/Δ = −0.2854/0.07153 = −3.99 V
उत्तर
IR1 = (V1 − VA)/R1 = (9 − 2.709)/8 = 0.7864 A
4.नोडल विश्लेषण
उत्तर: VB = 7.078 V
नोडल विश्लेषण: एक संदर्भ नोड चुनें, अज्ञात नोड वोल्टताओं को नाम दें, ओम के नियम (I = ΔV/R) से हर अज्ञात नोड पर किरचॉफ़ धारा नियम लिखें, और समीकरण हल करें।
नोड तय करें
ग्राउंड नीचे वाला तार है। ज्ञात नोड वोल्टताएँ सीधे स्रोतों से मिलती हैं (V1 = 9 V, V2 = −9 V)। अज्ञात: VA, VB।
नोड A पर KCL
प्रतिरोधकों से होकर A से निकलने वाली धाराएँ स्रोतों द्वारा A में भेजी गई धारा के बराबर हैं।
VA/R3 + (VA − V1)/R1 + (VA − VB)/R2 = 0
VA/3 + (VA − 9)/8 + (VA − VB)/2 = 0
0.9583·VA − 0.5·VB = 1.125
नोड B पर KCL
प्रतिरोधकों से होकर B से निकलने वाली धाराएँ स्रोतों द्वारा B में भेजी गई धारा के बराबर हैं।
VB/R5 + (VB − VA)/R2 + (VB − V2)/R4 = Is
VB/8 + (VB − VA)/2 + (VB − (−9))/8 = 4
−0.5·VA + 0.75·VB = 2.875
हल करें
Δ = (0.9583)(0.75) − (−0.5)(−0.5) = 0.4688
VA = Δ1/Δ = 2.281/0.4688 = 4.867 V
VB = Δ2/Δ = 3.318/0.4688 = 7.078 V
उत्तर
VB = 7.078 V
5.मेश विश्लेषण
उत्तर: I2 = 0.375 A
मेश विश्लेषण: समतलीय परिपथ की हर खिड़की को अपनी लूप धारा दें, हर लूप के चारों ओर किरचॉफ़ वोल्टता नियम लिखें (पातों का योग = वृद्धियों का योग), और हल करें। शाखा धाराएँ मेश धारा होती हैं, या साझा शाखा पर दो मेश धाराओं का अंतर।
मेश धाराएँ निर्धारित करें
हर खिड़की में दक्षिणावर्त धारा बनाएँ: I1, I2। दो मेश में साझा प्रतिरोधक उनकी धाराओं का अंतर वहन करता है।
मेश 1 के चारों ओर KVL
दक्षिणावर्त चलते हुए प्रतिरोधकों पर वोल्टता पात, स्रोतों की वोल्टता वृद्धि के बराबर होते हैं (चलने की दिशा में − से +)।
R1·I1 + R3(I1 − I2) = V1
10·I1 + 8(I1 − I2) = 24
18·I1 − 8·I2 = 24
मेश 2 के चारों ओर KVL
दक्षिणावर्त चलते हुए प्रतिरोधकों पर वोल्टता पात, स्रोतों की वोल्टता वृद्धि के बराबर होते हैं (चलने की दिशा में − से +)।
R2·I2 + R3(I2 − I1) = −V2
8·I2 + 8(I2 − I1) = (−6)
−8·I1 + 16·I2 = −6
हल करें
Δ = (18)(16) − (−8)(−8) = 224
I1 = Δ1/Δ = 336/224 = 1.5 A
I2 = Δ2/Δ = 84/224 = 0.375 A
उत्तर
I2 = 0.375 A
ऋणात्मक मेश धारा वामावर्त बहती है।
6.मेश विश्लेषण
उत्तर: IR2 = −0.9239 A
मेश विश्लेषण: समतलीय परिपथ की हर खिड़की को अपनी लूप धारा दें, हर लूप के चारों ओर किरचॉफ़ वोल्टता नियम लिखें (पातों का योग = वृद्धियों का योग), और हल करें। शाखा धाराएँ मेश धारा होती हैं, या साझा शाखा पर दो मेश धाराओं का अंतर।
मेश धाराएँ निर्धारित करें
हर खिड़की में दक्षिणावर्त धारा बनाएँ: I1, I2, I3। दो मेश में साझा प्रतिरोधक उनकी धाराओं का अंतर वहन करता है।
मेश 1 के चारों ओर KVL
दक्षिणावर्त चलते हुए प्रतिरोधकों पर वोल्टता पात, स्रोतों की वोल्टता वृद्धि के बराबर होते हैं (चलने की दिशा में − से +)।
R1·I1 + R4(I1 − I2) = V1
20·I1 + 3(I1 − I2) = 10
23·I1 − 3·I2 = 10
मेश 2 के चारों ओर KVL
दक्षिणावर्त चलते हुए प्रतिरोधकों पर वोल्टता पात, स्रोतों की वोल्टता वृद्धि के बराबर होते हैं (चलने की दिशा में − से +)।
R2·I2 + R4(I2 − I1) + R5(I2 − I3) = 0
2·I2 + 3(I2 − I1) + 30(I2 − I3) = 0
−3·I1 + 35·I2 − 30·I3 = 0
मेश 3 के चारों ओर KVL
दक्षिणावर्त चलते हुए प्रतिरोधकों पर वोल्टता पात, स्रोतों की वोल्टता वृद्धि के बराबर होते हैं (चलने की दिशा में − से +)।
R3·I3 + R5(I3 − I2) = −V2
4·I3 + 30(I3 − I2) = (−10)
−30·I2 + 34·I3 = −10
हल करें
Δ = गुणांक आव्यूह का सारणिक = 6364
I1 = Δ1/Δ = 2000/6364 = 0.3143 A
I2 = Δ2/Δ = −5880/6364 = −0.9239 A
I3 = Δ3/Δ = −7060/6364 = −1.109 A
उत्तर
IR2 = I2 = −0.9239 A
ऋणात्मक मेश धारा वामावर्त बहती है।
7.अध्यारोपण
उत्तर: VR4 = −6.966 V
अध्यारोपण: रैखिक परिपथ में कोई भी वोल्टता या धारा, हर स्वतंत्र स्रोत के अकेले कार्य करने पर मिलने वाली अनुक्रियाओं का योग होती है। किसी स्रोत को बंद करने के लिए आदर्श वोल्टता स्रोत को शॉर्ट सर्किट और आदर्श धारा स्रोत को खुले परिपथ से बदलें। प्रतिरोधक अपनी जगह रहते हैं।
स्थिति 1 · केवल V1
Iₛ खुला परिपथ बन जाता है, इसलिए R₃ और R₄ A से ग्राउंड तक एक श्रेणी शाखा बनाते हैं, जो R₂ के समांतर है।
R3+R4 = 15+3 = 18 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 4·18/(4+18) = 3.273 Ω
VA = 18·3.273/(10+3.273) = 4.438 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 4.438·3/18 = 0.7397 V
VR4′ = VB − 0 = 0.7397 − 0 = 0.7397 V
स्थिति 2 · केवल Is
V₁ शॉर्ट बन जाता है, इसलिए R₁, R₂ के समांतर है। Iₛ, B पर R₄ और R₃ वाले पथ के बीच बँटता है।
R1 ∥ R2 = 10·4/(10+4) = 2.857 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 3 ∥ 17.86 = 2.568 Ω
VB = Is·Req = (−3)·2.568 = −7.705 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = −7.705·2.857/17.86 = −1.233 V
VR4″ = VB − 0 = −7.705 − 0 = −7.705 V
योगदान जोड़ें
VR4 = VR4′ + VR4″
VR4 = 0.7397 + (−7.705) = −6.966 V
ऋणात्मक परिणाम का अर्थ है कि वास्तव में ध्रुवता अंकित के विपरीत है।
8.अध्यारोपण
उत्तर: VR3 = 8.954 V
अध्यारोपण: रैखिक परिपथ में कोई भी वोल्टता या धारा, हर स्वतंत्र स्रोत के अकेले कार्य करने पर मिलने वाली अनुक्रियाओं का योग होती है। किसी स्रोत को बंद करने के लिए आदर्श वोल्टता स्रोत को शॉर्ट सर्किट और आदर्श धारा स्रोत को खुले परिपथ से बदलें। प्रतिरोधक अपनी जगह रहते हैं।
स्थिति 1 · केवल V1
V₂ शॉर्ट और Iₛ खुला परिपथ बन जाता है। A से देखने पर R₃, श्रेणी युग्म R₂+R₄ के समांतर है।
R3 ∥ (R2+R4) = 30 ∥ 35 = 16.15 Ω
VA = 9·16.15/(4+16.15) = 7.214 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 7.214·10/35 = 2.061 V
VR3′ = VA − 0 = 7.214 − 0 = 7.214 V
स्थिति 2 · केवल Is
दोनों वोल्टता स्रोत शॉर्ट बन जाते हैं। Iₛ, B पर R₄ (अब ग्राउंड तक) और R₁ ∥ R₃ के साथ श्रेणी में R₂ के बीच बँटता है।
V₁ शॉर्ट और Iₛ खुला परिपथ बन जाता है। R₁ ∥ R₃, A से जुड़ा है और R₂ के साथ श्रेणी में B तक लौटता है।
R1 ∥ R3 = 4·30/(4+30) = 3.529 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = 9·28.53/38.53 = 6.664 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = 6.664·3.529/28.53 = 0.8244 V
VR3‴ = VA − 0 = 0.8244 − 0 = 0.8244 V
योगदान जोड़ें
VR3 = VR3′ + VR3″ + VR3‴
VR3 = 7.214 + 0.916 + 0.8244 = 8.954 V
ऋणात्मक परिणाम का अर्थ है कि वास्तव में ध्रुवता अंकित के विपरीत है।
9.थेवेनिन और नॉर्टन
उत्तर: IN = 0.2381 A
थेवेनिन प्रमेय: कोई भी रैखिक दो-टर्मिनल नेटवर्क प्रतिरोध Rth के साथ श्रेणी में एक वोल्टता स्रोत Vth जैसा व्यवहार करता है। नॉर्टन प्रमेय उसी नेटवर्क को Rth के समांतर धारा स्रोत IN = Vth/Rth के रूप में देता है।
सभी स्रोत बंद करके Rth ज्ञात करें
वोल्टता स्रोतों को शॉर्ट और धारा स्रोतों को खुले परिपथ से बदलें, फिर a–b से परिपथ में देखें।
R1 ∥ R2 = 10·6/(10+6) = 3.75 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3.75 + 12 = 15.75 Ω
Vth, खुले परिपथ की वोल्टता ज्ञात करें
a–b खुला होने पर R₃ में धारा नहीं बहती, इसलिए उस पर कोई पात नहीं और V_b = V_A। R₁ और R₂ वोल्टता विभाजक बनाते हैं।
Vth = V1·R2/(R1+R2) = 10·6/(10+6) = 3.75 V
नॉर्टन समतुल्य
नॉर्टन स्रोत वही परिपथ है जिसे R_th के समांतर एक धारा स्रोत के रूप में देखा जाता है। इसकी धारा a–b पर शॉर्ट-सर्किट धारा है।
IN = Vth/Rth = 3.75/15.75 = 0.2381 A
10.थेवेनिन और नॉर्टन
उत्तर: IN = 1.214 A
थेवेनिन प्रमेय: कोई भी रैखिक दो-टर्मिनल नेटवर्क प्रतिरोध Rth के साथ श्रेणी में एक वोल्टता स्रोत Vth जैसा व्यवहार करता है। नॉर्टन प्रमेय उसी नेटवर्क को Rth के समांतर धारा स्रोत IN = Vth/Rth के रूप में देता है।
सभी स्रोत बंद करके Rth ज्ञात करें
वोल्टता स्रोतों को शॉर्ट और धारा स्रोतों को खुले परिपथ से बदलें, फिर a–b से परिपथ में देखें।
R1 ∥ R2 = 10·10/(10+10) = 5 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 5 + 30 = 35 Ω
Vth, खुले परिपथ की वोल्टता ज्ञात करें
a–b खुला होने पर Iₛ का एकमात्र मार्ग R₃ से होकर नोड A तक है। V₁ और Iₛ के अध्यारोपण से V_A ज्ञात करें, फिर R₃ पर पात जोड़ें।
VA = V1·R2/(R1+R2) + Is·(R1∥R2) = 7.5 + 1·5 = 12.5 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 12.5 + 1·30 = 42.5 V
नॉर्टन समतुल्य
नॉर्टन स्रोत वही परिपथ है जिसे R_th के समांतर एक धारा स्रोत के रूप में देखा जाता है। इसकी धारा a–b पर शॉर्ट-सर्किट धारा है।
IN = Vth/Rth = 42.5/35 = 1.214 A
11.ऑप-एम्प परिपथ
उत्तर: Rf = 2350 kΩ
आदर्श ऑप-एम्प नियम: ऋणात्मक पुनर्निवेश के साथ ऑप-एम्प अपना आउटपुट ऐसे चलाता है कि दोनों इनपुट समान वोल्टता पर रहें (V₋ = V₊), और किसी भी इनपुट में धारा नहीं जाती। इन दो तथ्यों के साथ इनवर्टिंग इनपुट पर KCL लिखने से आउटपुट मिलता है।
नॉन-इनवर्टिंग एम्पलीफ़ायर की लब्धि
V₋ = V₊ = Vin, और R₁ की धारा Rf से भी बहती है, इसलिए Vout = Vin·(1 + Rf/R₁)।
Av = 1 + Rf/R1
Rf = (51 − 1)·47 = 2350 kΩ
उत्तर
Rf = 2350 kΩ
12.ऑप-एम्प परिपथ
उत्तर: Vout = 1.411 V
आदर्श ऑप-एम्प नियम: ऋणात्मक पुनर्निवेश के साथ ऑप-एम्प अपना आउटपुट ऐसे चलाता है कि दोनों इनपुट समान वोल्टता पर रहें (V₋ = V₊), और किसी भी इनपुट में धारा नहीं जाती। इन दो तथ्यों के साथ इनवर्टिंग इनपुट पर KCL लिखने से आउटपुट मिलता है।
+ इनपुट पर वोल्टता
V₊ = V2·R4/(R3 + R4) = 0.6·22/(1 + 22) = 0.5739 V
दोनों इनपुटों का अध्यारोपण करें
V₂ = 0 पर V₁ एक इनवर्टिंग एम्पलीफ़ायर देखता है। V₁ = 0 पर V₊ नॉन-इनवर्टिंग लब्धि 1 + R₂/R₁ से प्रवर्धित होता है।
प्रथम-कोटि क्षणिक अवस्थाएँ: एक संधारित्र या एक प्रेरक वाले परिपथ में हर वोल्टता और धारा अपने प्रारंभिक मान से अंतिम मान तक घातांकी रूप से बदलती है: x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ, जहाँ τ = RC या τ = L/R। लगभग 5τ के बाद परिपथ स्थिर हो जाता है।
समय स्थिरांक और अंतिम धारा
स्विच बंद होने के बहुत बाद प्रेरक शॉर्ट सर्किट जैसा व्यवहार करता है, इसलिए अंतिम धारा केवल R से तय होती है।
τ = L/R = 150 mH / 5 Ω = 30 ms
i(∞) = Vs/R = 6/5 = 1.2 A
दिए गए समय पर धारा
i(t) = 1.2·(1 − e−30/30) = 0.7585 A
संचित ऊर्जा
W = ½·L·i² = ½·150·0.7585² = 43.15 mJ
उत्तर
W = 43.15 mJ
14.RC और RL क्षणिक अवस्थाएँ
उत्तर: vC = 21.8 V
प्रथम-कोटि क्षणिक अवस्थाएँ: एक संधारित्र या एक प्रेरक वाले परिपथ में हर वोल्टता और धारा अपने प्रारंभिक मान से अंतिम मान तक घातांकी रूप से बदलती है: x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ, जहाँ τ = RC या τ = L/R। लगभग 5τ के बाद परिपथ स्थिर हो जाता है।
प्रारंभिक मान, अंतिम मान, समय स्थिरांक
संधारित्र वोल्टता अचानक नहीं बदल सकती, इसलिए वह अपने संचित मान से शुरू होकर स्रोत वोल्टता की ओर जाती है।