FE Electrical and Computer परीक्षा अभ्यास: क्रैम पैक

सूत्र-पत्रक, हर विषय के मुख्य विधि-चरण और 40 अभ्यास प्रश्न, पूरे हल पीछे दिए गए हैं।

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1सूत्र और विधियाँ

श्रेणी और समांतर प्रतिरोधक

श्रेणी में प्रतिरोध
Req = R1 + R2 + …
समांतर में प्रतिरोध
1/Req = 1/R1 + 1/R2 + …
दो समांतर में
Req = R1R2 / (R1 + R2)
ओम का नियम
V = I·R
शक्ति
P = V·I = I²R = V²/R

विधि

  1. नेटवर्क के उस सिरे से शुरू करें जो टर्मिनलों से सबसे दूर है।
  2. श्रेणी में प्रतिरोधकों को जोड़कर मिलाएँ, और समांतर में प्रतिरोधकों को 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + … से।
  3. हर चरण के बाद परिपथ दोबारा बनाएँ।
  4. तब तक दोहराएँ जब तक टर्मिनलों के बीच एक ही प्रतिरोधक न बचे।

नोडल विश्लेषण

किरचॉफ का धारा नियम
ΣIin = ΣIout
शाखा धारा
I = (Va − Vb)/R
संदर्भ नोड
Vground = 0

विधि

  1. एक संदर्भ नोड (भू) चुनें और बाकी नोड वोल्टताओं को नाम दें।
  2. हर अज्ञात नोड पर किरखॉफ़ का धारा नियम लिखें: हर शाखा से निकलने वाली धाराएँ प्रवेश करने वाली धाराओं के बराबर होती हैं।
  3. हर शाखा धारा को (Va − Vb)/R के रूप में व्यक्त करें।
  4. समीकरण निकाय हल करें, फिर आवश्यक कोई भी धारा ज्ञात करें।

मेश विश्लेषण

किरचॉफ का वोल्टता नियम
हर लूप के चारों ओर ΣV = 0
साझा प्रतिरोध
धारा = I1 − I2
मेश में धारा स्रोत
उस मेश की धारा तय करता है

विधि

  1. परिपथ के हर मेश (खिड़की) में दक्षिणावर्त धारा बनाएँ।
  2. हर मेश के चारों ओर किरखॉफ़ का वोल्टता नियम लगाएँ: वोल्टता पातों का योग शून्य है।
  3. दो मेशों के साझा प्रतिरोधक में धारा दोनों मेश धाराओं का अंतर होती है।
  4. समीकरण हल करें; ऋणात्मक परिणाम का अर्थ है कि धारा उलटी दिशा में बहती है।

अध्यारोपण

अध्यारोपण
x = x1 + x2 + … (one source at a time)
बंद वोल्टता स्रोत
शॉर्ट सर्किट (0 V)
बंद धारा स्रोत
खुला परिपथ (0 A)
वोल्टता विभाजक
V2 = V·R2/(R1 + R2)
धारा विभाजक
I1 = I·R2/(R1 + R2)

विधि

  1. स्वतंत्र स्रोत गिनें। आप हर स्रोत के लिए एक सरल परिपथ हल करेंगे।
  2. एक स्रोत रखें और बाकी बंद कर दें: वोल्टता स्रोत लघु परिपथ (एक तार) बन जाता है, धारा स्रोत खुला परिपथ (एक अंतराल) बन जाता है।
  3. सरल परिपथ में आवश्यक वोल्टता या धारा ज्ञात करें, उसकी दिशा का ध्यान रखते हुए।
  4. हर स्रोत के लिए दोहराएँ, फिर योगदानों को उनके चिह्नों सहित जोड़ें।

थेवेनिन और नॉर्टन

थेवेनिन वोल्टता
Vth = Vopen circuit
थेवेनिन प्रतिरोध
Rth: सभी स्रोत बंद, a–b से देखा गया
नॉर्टन धारा
IN = Vth/Rth
लोड धारा
IL = Vth/(Rth + RL)
अधिकतम शक्ति स्थानांतरण
RL = Rth, Pmax = Vth²/(4Rth)

विधि

  1. भार हटाएँ और दोनों टर्मिनलों को a और b से चिह्नित करें।
  2. a और b के बीच खुला-परिपथ वोल्टता ज्ञात करें: यही Vth है।
  3. सभी स्वतंत्र स्रोत बंद करें और a–b से दिखने वाला प्रतिरोध ज्ञात करें: यही Rth है।
  4. लोड को समतुल्य परिपथ पर वापस लगाएँ: Vth, Rth के साथ श्रेणी में।
  5. नॉर्टन समतुल्य के लिए रूपांतरित करें: IN = Vth/Rth, और RN = Rth समांतर में।

RC और RL क्षणिक अवस्थाएँ

समय स्थिरांक
τ = RC | τ = L/R
अनुक्रिया
x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ
DC पर संधारित्र
खुला परिपथ; vC अचानक नहीं बदल सकता
DC पर प्रेरक
शॉर्ट सर्किट; iL अचानक नहीं बदल सकता
स्थिर अवस्था
t ≈ 5τ

विधि

  1. स्विचिंग के ठीक बाद प्रारंभिक मान ज्ञात करें: संधारित्र की वोल्टता और प्रेरक की धारा अचानक नहीं बदल सकती।
  2. स्विचिंग के बहुत बाद अंतिम मान ज्ञात करें: संधारित्र खुले परिपथ जैसा, प्रेरक लघु परिपथ जैसा व्यवहार करता है।
  3. समय स्थिरांक ज्ञात करें: τ = RC या τ = L/R, संधारित्र या प्रेरक द्वारा देखे गए प्रतिरोध का उपयोग करके।
  4. x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ का उपयोग करें।

AC प्रतिबाधा और फ़ेज़र

प्रतिबाधाएँ
ZR = R, ZL = jωL, ZC = 1/(jωC)
कोणीय आवृत्ति
ω = 2πf
परिमाण और कोण
|Z| = √(R² + X²), φ = atan(X/R)
फेज़र रूप में ओम का नियम
V = I·Z

विधि

  1. आवृत्ति बदलें: ω = 2πf।
  2. हर प्रतिघात ज्ञात करें: XL = ωL और XC = 1/(ωC)।
  3. प्रतिबाधाओं को प्रतिरोधकों की तरह जोड़ें, Z = R + jX के साथ।
  4. परिमाण |Z| = √(R² + X²) और कोण φ = atan(X/R) ज्ञात करें, फिर फ़ेज़र के साथ ओम का नियम लगाएँ।

AC शक्ति और शक्ति गुणक

सक्रिय शक्ति
P = V·I·cos φ
प्रतिघाती शक्ति
Q = V·I·sin φ
आभासी शक्ति
S = V·I = √(P² + Q²)
शक्ति गुणांक
pf = cos φ = P/S
सुधार संधारित्र
QC = P(tan φ1 − tan φ2), C = QC/(ωV²)

त्रि-फ़ेज़ शक्ति

Y संयोजन
VL = √3·Vph, IL = Iph
Δ संयोजन
VL = Vph, IL = √3·Iph
कुल वास्तविक शक्ति
P = √3·VL·IL·cos φ = 3·Iph²·R
आभासी और प्रतिघाती शक्ति
S = √3·VL·IL, Q = P·tan φ
सुधार संधारित्र
QC = P(tan φ1 − tan φ2), C = QC/(3ωV²)
प्रत्येक संधारित्र पर वोल्टता
Δ: VL Y: VL/√3
मोटर निवेश
Pin = Pout/η

ट्रांसफ़ॉर्मर

फेरों का अनुपात
a = N1/N2 = V1/V2
धारा अनुपात
I1/I2 = N2/N1 = 1/a
निर्धारित धारा
I = S/V
स्थानांतरित प्रतिबाधा
Z1′ = a²·ZL
आंशिक भार पर ताम्र हानि
Pcu = x²·Pcu,fl
दक्षता
η = x·S·pf/(x·S·pf + Pcore + x²·Pcu,fl)
अधिकतम दक्षता
x = √(Pcore/Pcu,fl)

ऑप-एम्प परिपथ

इनवर्टिंग प्रवर्धक
Vout = −(Rf/Rin)·Vin
नॉन-इनवर्टिंग प्रवर्धक
Vout = (1 + Rf/R1)·Vin
योगकारी प्रवर्धक
Vout = −Rf(V1/R1 + V2/R2)
आदर्श ऑप-एम्प
V+ = V−, Iin = 0

डायोड और ट्रांज़िस्टर

डायोड (नियत वोल्टता पात)
VD = 0.7 V when conducting
सक्रिय क्षेत्र
VBE = 0.7 V, IC = β·IB, IE = (β + 1)·IB
स्थिर बायस
IB = (VCC − 0.7)/RB
विभाजक बायस
IB = (VTH − 0.7)/(RTH + (β + 1)RE)
विभाजक का थेवेनिन तुल्य
VTH = VCC·R2/(R1 + R2), RTH = R1∥R2
संग्राहक लूप
VCE = VCC − ICRC − IERE
संतृप्ति
IC(sat) = (VCC − VCE(sat))/RC, IB ≥ IC(sat)/β

संख्या पद्धतियाँ

स्थानीय मान
बाइनरी 2k, ऑक्टल 8k, हेक्स 16k
दशमलव में
Σ dk·bk
दशमलव से
आधार से भाग दें, शेषफल नीचे से ऊपर पढ़ें
हेक्स ↔ बाइनरी
एक हेक्स अंक = 4 बिट
टू’ज़ कॉम्प्लीमेंट
बिट उलटें और 1 जोड़ें

डिजिटल लॉजिक: गेट, K-मानचित्र और फ़्लिप-फ़्लॉप

मूल गेट
A·B, A + B, A′, (A·B)′, (A + B)′, A ⊕ B
बूलीय नियम
X + X′ = 1, X·X′ = 0, X + XY = X, XY + XY′ = X
डी मॉर्गन
(X·Y)′ = X′ + Y′, (X + Y)′ = X′·Y′
कार्नो मानचित्र का क्रम
00, 01, 11, 10 (Gray code)
2ᵏ खानों का समूह
k चर खो देता है
4-से-1 मल्टीप्लेक्सर
F = A′B′I0 + A′BI1 + AB′I2 + ABI3
फ़्लिप-फ़्लॉप
D: Q⁺ = D, T: Q⁺ = T ⊕ Q, JK: Q⁺ = JQ′ + K′Q
काउंटर
n-बिट: 2ⁿ अवस्थाएँ; mod-N: सबसे छोटा n जिसमें 2ⁿ ≥ N; fout = fclk/N
रिपल काउंटर
fmax = 1/(n·tpd)
रिंग और जॉनसन काउंटर
n और 2n अवस्थाएँ

विधि

  1. परिपथ के लिए निवेशों से निर्गत तक एक-एक गेट करके काम करें और हर तार पर मान लिखें, या उसका व्यंजक लिखें और सत्यमान सारणी भरें।
  2. सरलीकरण के लिए 1 (और डोंट-केयर को X के रूप में) को ग्रे-कोड पंक्तियों और स्तंभों वाले कार्नो मानचित्र में रखें: 00, 01, 11, 10।
  3. 1 को 1, 2, 4, 8 या 16 खानों के जितने कम और जितने बड़े संभव हों उतने समूहों से ढकें, किनारों से लिपटते हुए; हर समूह एक गुणन पद है जो उन चरों से बना है जो स्थिर रहते हैं। POS रूप के लिए 0 को समूहित करें।
  4. फ़्लिप-फ़्लॉप और काउंटरों के लिए हर सक्रिय क्लॉक कोर पर निवेश पढ़ें, हर कोर के बाद अवस्था लिखें, और याद रखें कि n-बिट काउंटर 2ⁿ अवस्थाओं के बाद लौट जाता है।

स्थायित्व: राउथ–हरविट्ज़ और मूल बिंदुपथ

स्थायित्व
अभिलाक्षणिक बहुपद के सभी मूल बाएँ अर्ध-तल में
राउथ सारणी, त्रिघात की s¹ प्रविष्टि
b1 = (a2a1 − a3a0)/a2
दाएँ अर्ध-तल के मूल
पहले स्तंभ में चिह्न-परिवर्तनों की संख्या
त्रिघात s³ + a₂s² + a₁s + a₀
स्थायी जब सभी a > 0 और a₂·a₁ > a₀
K/(s(s + a)(s + b))
Kmax = ab(a + b), ω = √(ab)
अभिलाक्षणिक समीकरण
1 + K·G(s) = 0
अनंतस्पर्शियाँ
σa = (Σp − Σz)/(n − m), θ = (2q + 1)·180°/(n − m)
विचलन और संगम बिंदु
dK/ds = 0
परिमाण शर्त
K = 1/|G(s)|
प्रस्थान कोण
θd = 180° − Σ∠(from other poles) + Σ∠(from zeros)

विधि

  1. संवृत-लूप अभिलाक्षणिक बहुपद लिखिए: 1 + K·G(s) = 0 का हर, गुणा करके फैलाया हुआ।
  2. गुणांकों को बारी-बारी से राउथ सारणी की पहली दो पंक्तियों में रखिए और बाकी पंक्तियाँ बनाइए।
  3. पहले स्तंभ के चिह्न-परिवर्तन गिनिए: हर एक दाएँ अर्ध-तल का एक ध्रुव है। सारणी में K होने पर माँग कीजिए कि पहले स्तंभ की हर प्रविष्टि धनात्मक रहे।
  4. मूल बिंदुपथ के लिए ध्रुव और शून्य, वास्तविक अक्ष के खंड, केंद्रक से निकलती अनंतस्पर्शियाँ और dK/ds = 0 वाले विचलन/संगम बिंदु अंकित कीजिए। किसी बिंदु पर लब्धि के लिए K = 1/|G(s)| का उपयोग कीजिए।

स्थायी-अवस्था त्रुटि और PID नियंत्रण

तंत्र प्रकार
G(s) के s = 0 पर ध्रुवों की संख्या
त्रुटि स्थिरांक
Kp = lim G(s), Kv = lim s·G(s), Ka = lim s²·G(s) (s → 0)
सोपान A
ess = A/(1 + Kp)
रैंप A·t
ess = A/Kv
परवलय A·t²/2
ess = A/Ka
PID नियंत्रक
C(s) = Kp + Ki/s + Kd·s
द्वितीय-कोटि लक्ष्य
s² + 2ζωns + ωn²
अतिलंघन और समय
%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), tp = π/ωd, ts ≈ 4/(ζωn)

विधि

  1. विवृत-लूप C(s)·G(s) के s = 0 पर ध्रुव गिनिए: वही तंत्र का प्रकार है।
  2. निवेश से मेल खाने वाला त्रुटि स्थिरांक निकालिए: सोपान के लिए Kp, रैंप के लिए Kv, परवलय के लिए Ka।
  3. ess = A/(1 + Kp), A/Kv या A/Ka लगाइए, या जिस लब्धि की आपको ज़रूरत है उसके लिए इसे हल कीजिए।
  4. अवमंदन या चाल के विनिर्देश के लिए संवृत-लूप अभिलाक्षणिक बहुपद लिखिए और उसे s² + 2ζω_n·s + ω_n² से मिलाइए।

2अभ्यास प्रश्न

1.श्रेणी और समांतर प्रतिरोधकमध्यम
R1​ = 15 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​15 VR2​4 ΩIR2​AR4​4 ΩB

R2 से होकर धारा IR2 ज्ञात कीजिए।

V1 = 15 VR1 = 15 ΩR2 = 4 ΩR3 = 12 ΩR4 = 4 Ω
IR2 = A
2.श्रेणी और समांतर प्रतिरोधककठिन
R1​ = 8 ΩIR1​R3​ = 2 ΩR5​ = 5 Ω+−V1​30 VR2​4 ΩAR4​12 ΩBR6​3 Ω

स्रोत द्वारा दी गई धारा IR1 ज्ञात कीजिए, जो R1 से होकर बहती है।

V1 = 30 VR1 = 8 ΩR2 = 4 ΩR3 = 2 ΩR4 = 12 ΩR5 = 5 ΩR6 = 3 Ω
IR1 = A
3.नोडल विश्लेषणमध्यम
−+Vs​ = 10 VIs​1 AAR1​12 ΩR2​4 ΩB

A और B के बीच वोल्टता स्रोत Vₛ का + टर्मिनल B पर है, इसलिए यह VB − VA = Vₛ बनाता है। सुपरनोड के साथ नोडल विश्लेषण से नोड वोल्टता VB (ग्राउंड के सापेक्ष) ज्ञात कीजिए।

Is = 1 AVs = 10 VR1 = 12 ΩR2 = 4 Ω
VB = V
4.नोडल विश्लेषणकठिन
R1​ = 4 ΩIR1​R2​ = 4 ΩR4​ = 6 Ω+−V1​24 VR3​15 ΩAR5​6 ΩBIs​6 A−+V2​15 V

नोडल विश्लेषण से तीर की दिशा में R1 से होकर धारा IR1 ज्ञात कीजिए।

V1 = 24 VIs = 6 AV2 = 15 VR1 = 4 ΩR2 = 4 ΩR3 = 15 ΩR4 = 6 ΩR5 = 6 Ω
IR1 = A
5.मेश विश्लेषणमध्यम
R1​ = 6 ΩR2​ = 5 Ω+−V1​18 VR3​10 ΩA+−V2​9 VI1​I2​

मेश विश्लेषण से मेश धारा I1 (दक्षिणावर्त) ज्ञात कीजिए।

V1 = 18 VV2 = 9 VR1 = 6 ΩR2 = 5 ΩR3 = 10 Ω
I1 = A
6.मेश विश्लेषणकठिन
R1​ = 12 ΩR2​ = 4 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​9 VR4​30 ΩAR5​30 ΩB+−V2​5 VI1​I2​I3​

मेश विश्लेषण से मेश धारा I2 (दक्षिणावर्त) ज्ञात कीजिए।

V1 = 9 VV2 = 5 VR1 = 12 ΩR2 = 4 ΩR3 = 4 ΩR4 = 30 ΩR5 = 30 Ω
I2 = A
7.अध्यारोपणमध्यम
रैखिक परिपथVs​Is​IRL​

एक रैखिक प्रतिरोधी परिपथ में एक वोल्टता स्रोत Vs और एक धारा स्रोत Is है। भार प्रतिरोधक से धारा I दो बार मापी जाती है: Vs = 12 V और Is = 2 mA पर I = 4 mA; Vs = 5 V और Is = 3 mA पर I = 0.8 mA। जब Vs = 20 V और Is = 10 mA हो, तब भार धारा I ज्ञात कीजिए।

12 V, 2 mA → 4 mA5 V, 3 mA → 0.8 mAVs = 20 V, Is = 10 mA
I = mA
8.अध्यारोपणकठिन
R1​ = 15 ΩR2​ = 15 Ω−+VR2​R4​ = 5 Ω+−V1​12 VR3​25 ΩAIs​4 AB+−V2​12 V

अध्यारोपण से दर्शाई गई ध्रुवता के साथ R2 के सिरों पर वोल्टता VR2 ज्ञात कीजिए।

V1 = 12 VIs = 4 AV2 = 12 VR1 = 15 ΩR2 = 15 ΩR3 = 25 ΩR4 = 5 Ω
VR2 = V
9.थेवेनिन और नॉर्टनमध्यम
R1​ = 8 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​10 VR2​5 ΩAab

टर्मिनल a–b से देखी गई थेवेनिन वोल्टता Vth ज्ञात कीजिए।

V1 = 10 VR1 = 8 ΩR2 = 5 ΩR3 = 12 Ω
Vth = V
10.थेवेनिन और नॉर्टनकठिन
R1​ = 12 ΩR3​ = 30 Ω+−V1​36 VR2​8 ΩAIs​1.5 ABab

टर्मिनल a–b से देखी गई थेवेनिन वोल्टता Vth ज्ञात कीजिए।

V1 = 36 VIs = 1.5 AR1 = 12 ΩR2 = 8 ΩR3 = 30 Ω
Vth = V
11.RC और RL क्षणिक अवस्थाएँमध्यम
+−Vs​15 Vt = 0R1​ = 6.8 kΩR2​ = 1 kΩC33 µF+−vC​

स्रोत Vₛ, R₁ के माध्यम से संधारित्र को आवेशित करता है, और R₂, C के समांतर जुड़ा है। t = 0 पर स्विच बंद होते समय संधारित्र अनावेशित है। t = 80 ms पर संधारित्र वोल्टता vC ज्ञात कीजिए।

Vs = 15 VR1 = 6.8 kΩR2 = 1 kΩC = 33 µFt = 80 ms
vC = V
12.RC और RL क्षणिक अवस्थाएँकठिन
+−Vs​15 Vt = 0R = 22 kΩC?+−vC​

एक टाइमर t = 0 पर 15 V आपूर्ति से एक प्रतिरोधक के माध्यम से एक अनावेशित संधारित्र को आवेशित करना शुरू करता है। इसे तब ट्रिगर होना है जब संधारित्र वोल्टता 13.5 V तक पहुँचे, शुरुआत के ठीक 500 ms बाद। R = 22 kΩ के साथ आवश्यक धारिता C ज्ञात कीजिए।

Vs = 15 VVth = 13.5 VT = 500 msR = 22 kΩ
C = µF
13.AC प्रतिबाधा और फ़ेज़रमध्यम
Vf0​ = 1000 HzRL = 50 mHC = ?

L = 50 mH वाले एक श्रेणी RLC परिपथ को 1000 Hz पर अनुनाद करना है। आवश्यक धारिता C ज्ञात कीजिए।

f0 = 1000 HzL = 50 mH
C = µF
14.AC प्रतिबाधा और फ़ेज़रकठिन
VfR = 2 ΩL = 5 mHC = 10 µF

एक श्रेणी RLC परिपथ में R = 2 Ω, L = 5 mH और C = 10 µF है। इसकी बैंडविड्थ B (अर्ध-शक्ति आवृत्तियों के बीच के बैंड की चौड़ाई) Hz में ज्ञात कीजिए।

R = 2 ΩL = 5 mHC = 10 µF
B = Hz
15.AC शक्ति और शक्ति गुणकमध्यम
P = 27 kWQSφ

एक एकल-फ़ेज़ मोटर 240 V आपूर्ति से 0.8 पश्चगामी शक्ति गुणक पर 27 kW लेती है। लाइन धारा I ज्ञात कीजिए।

P = 27 kWpf = 0.8V = 240 V
I = A
16.AC शक्ति और शक्ति गुणककठिन
P = 10 kWQ1​S1​φ1​QC​

एक एकल-फ़ेज़ भार 240 V, 60 Hz आपूर्ति से 0.65 पश्चगामी शक्ति गुणक पर 10 kW लेता है। समांतर में जुड़ा संधारित्र शक्ति गुणक को 0.95 तक बढ़ाता है। नई लाइन धारा Inew ज्ञात कीजिए।

P = 10 kWpf1 = 0.65pf2 = 0.95V = 240 Vf = 60 Hz
Inew = A
17.त्रि-फ़ेज़ शक्तिमध्यम
ABCVL​ = 415 VIL​ = ?M7.5 kW, η = 95%cos φ = 0.85

एक त्रि-फ़ेज़ प्रेरण मोटर पूर्ण भार पर 7.5 kW यांत्रिक निर्गत शक्ति देती है। इस भार पर इसकी दक्षता 95% और शक्ति गुणक 0.85 पश्चगामी है। आपूर्ति की लाइन-से-लाइन वोल्टता 415 V है। लाइन धारा IL ज्ञात कीजिए।

Pout = 7.5 kWη = 95%cos φ = 0.85VL = 415 V
IL = A
18.त्रि-फ़ेज़ शक्तिकठिन
P = 80 kWφ1​S1​Q2​QC​

एक संतुलित त्रि-फ़ेज़ भार 400 V (लाइन-से-लाइन), 60 Hz आपूर्ति से 0.72 पश्चगामी शक्ति गुणक पर 80 kW लेता है। भार के समांतर एक त्रि-फ़ेज़ संधारित्र बैंक को समग्र शक्ति गुणक 0.92 पश्चगामी तक बढ़ाना है। वास्तविक शक्ति समान रहती है। संधारित्र Y में जुड़े हैं। हर संधारित्र की धारिता Cph µF में ज्ञात कीजिए।

P = 80 kWpf1 = 0.72pf2 = 0.92VL = 400 Vf = 60 Hz
Cph = µF
19.ट्रांसफ़ॉर्मरमध्यम
2400 V240 VIHV​ = ?ILV​50 kVA

एक एकल-फ़ेज़ 50 kVA, 2400/240 V ट्रांसफ़ॉर्मर अपने निर्धारित भार पर चल रहा है। इसे आदर्श मानें। उच्च-वोल्टता कुंडली में धारा IHV ज्ञात कीजिए।

S = 50 kVAV1 = 2400 VV2 = 240 V
IHV = A
20.ट्रांसफ़ॉर्मरकठिन
75 kVA

एक एकल-फ़ेज़ 75 kVA ट्रांसफ़ॉर्मर की क्रोड हानि 600 W और निर्धारित भार पर ताम्र हानि 900 W है। किस भार Sη,max पर, kVA में, इसकी दक्षता सबसे अधिक होती है?

S = 75 kVAPcore = 600 WPcu,fl = 900 W
Sη,max = kVA
21.ऑप-एम्प परिपथमध्यम
−+Vout​R2​ = 10 kΩV1​ = 1.4 VR1​ = 22 kΩV2​ = 0.6 VR3​ = 22 kΩR4​ = 10 kΩ

अंतर एम्पलीफ़ायर ±15 V आपूर्ति वाले एक आदर्श ऑप-एम्प का उपयोग करता है, जहाँ R3 = R1 और R4 = R2। आउटपुट वोल्टता Vout ज्ञात कीजिए।

V1 = 1.4 VV2 = 0.6 VR1 = R3 = 22 kΩR2 = R4 = 10 kΩ
Vout = V
22.ऑप-एम्प परिपथकठिन
Vin​V1​Vout​चरण 1: इनवर्टिंगR1​ = 4.7 kΩRf1​ = 10 kΩचरण 2: नॉन-इनवर्टिंगR2​ = 47 kΩRf2​ = 100 kΩ

दो आदर्श ऑप-एम्प चरण सोपानी (कैस्केड) क्रम में जुड़े हैं: एक इनवर्टिंग एम्पलीफ़ायर (R1, Rf1) और उसके बाद एक नॉन-इनवर्टिंग एम्पलीफ़ायर (ग्राउंड तक R2, पुनर्निवेश में Rf2)। दोनों ±15 V आपूर्ति से चलते हैं। इनपुट Vin = −0.6 V है। आउटपुट वोल्टता Vout ज्ञात कीजिए।

R1 = 4.7 kΩRf1 = 10 kΩR2 = 47 kΩRf2 = 100 kΩVin = −0.6 V
Vout = V
23.डायोड और ट्रांज़िस्टरमध्यम
RC​ = 1.5 kΩβ = 120VCC​ = 9 VRB​ = 560 kΩ

β = 120 वाला एक NPN ट्रांज़िस्टर आपूर्ति VCC = 9 V से आधार प्रतिरोधक RB = 560 kΩ द्वारा बायस किया गया है। संग्राहक प्रतिरोधक RC = 1.5 kΩ है और उत्सर्जक भू से जुड़ा है। VBE = 0.7 V लें और मानें कि ट्रांज़िस्टर सक्रिय क्षेत्र में है। संग्राहक–उत्सर्जक वोल्टता VCE ज्ञात कीजिए।

VCC = 9 VRB = 560 kΩRC = 1.5 kΩβ = 120VBE = 0.7 V
VCE = V
24.डायोड और ट्रांज़िस्टरकठिन
+−≤ 15 V100 Ω6.2 V

6.2 V के ज़ेनर नियामक में 100 Ω का श्रेणी प्रतिरोधक है। निवेश 15 V तक बढ़ सकता है, और भार हट सकता है। वह सबसे बड़ी शक्ति PZ,max ज्ञात कीजिए जो ज़ेनर को क्षयित करनी पड़ेगी।

Vin,max = 15 VVZ = 6.2 VR = 100 Ω
PZ,max = mW
25.संख्या पद्धतियाँमध्यम
8-बिट दो का पूरक0−12806403201608040201

बिट इस तरह सेट करें कि वे 8-बिट 2 के पूरक में −73 संग्रहीत करें। चिह्नरहित संख्या के रूप में पढ़ने पर पैटर्न का मान U क्या है?

N = −738 bit
U =
26.संख्या पद्धतियाँकठिन
बिट सेट करने के लिए उन पर क्लिक करें012806403201608040201

बिट को 0011 1101 >> 1 के 8-बिट परिणाम पर सेट करें। दशमलव में परिणाम का मान R क्या है?

0011 1101>> 1
R =
27.डिजिटल लॉजिक: गेट, K-मानचित्र और फ़्लिप-फ़्लॉपमध्यम
ABC00011110010001130204051716

F(A, B, C) = Σm(3, 6, 7) का न्यूनतम गुणनफलों का योग (SOP) रूप कार्नो मानचित्र से ज्ञात करें। उसमें कुल कितने लिटरल L हैं (प्राइम वाला चर एक लिटरल गिना जाता है)?

F(A, B, C) = Σm(3, 6, 7)
L =
28.डिजिटल लॉजिक: गेट, K-मानचित्र और फ़्लिप-फ़्लॉपकठिन
TQ0​Q0​TQ1​Q1​TQ2​Q2​TQ3​Q3​CLKUP

एक 4-बिट द्विआधारी अप काउंटर 3 (दशमलव, Q = 0011) से शुरू होता है। 40 क्लॉक पल्स के बाद वह कौन-सी गिनती Q (दशमलव में) दिखाएगा?

Q0 = 340n = 4
Q =
29.लाप्लास रूपांतरमध्यम
t (s)f(t)t = 0.3f(0.3) = ?

आंशिक भिन्नों से F(s) = 35/(s(s + 2)(s + 5)) के लिए f(t) ज्ञात कीजिए, और f(0.3) का मान निकालिए।

F(s) = 35/(s(s + 2)(s + 5))t = 0.3 s
f(0.3) =
30.लाप्लास रूपांतरकठिन
t (s)y(t)t = 0.1y(0.1) = ?

लाप्लास रूपांतर से y(0) = 7 और y′(0) = −5 के साथ y″ + 9y′ + 20y = 0 हल कीजिए, और y(0.1) ज्ञात कीजिए।

y″ + 9y′ + 20y = 0y(0) = 7y′(0) = −5t = 0.1 s
y(0.1) =
31.ब्लॉक आरेखमध्यम
R(s)+Ks(s + 12)G(s)C(s)−

संयंत्र G(s) = K/(s(s + 12)) एकांक ऋणात्मक पुनर्निवेश लूप में है। वह लब्धि K ज्ञात कीजिए जिसके लिए संवृत लूप क्रांतिक अवमंदित है (दो बराबर वास्तविक ध्रुव)।

G(s) = K/(s(s + 12))एकांक ऋणात्मक पुनर्निवेश
K =
32.ब्लॉक आरेखकठिन
R(s)+54s(s + 7)G(s)C(s)1H−

संयंत्र G(s) = 54/(s(s + 7)) सेंसर लब्धि H = 1 वाले ऋणात्मक पुनर्निवेश लूप में है। संवृत-लूप ध्रुव सम्मिश्र हैं। उनका वास्तविक भाग σ ज्ञात कीजिए।

G(s) = 54/(s(s + 7))H = 1
σ =
33.सोपान अनुक्रियामध्यम
t (s)y(t)3

एक तंत्र का अंतरण फलन G(s) = 180/(s² + 5s + 60) है और इसे एकांक सोपान इनपुट मिलता है। प्राकृतिक आवृत्ति ωn rad/s में ज्ञात कीजिए।

G(s) = 180/(s² + 5s + 60)
ωn = rad/s
34.सोपान अनुक्रियाकठिन
R(s)+Ks(s + 6)G(s)C(s)−

एक एकांक ऋणात्मक पुनर्निवेश लूप में G(s) = K/(s(s + 6)) है। वह लब्धि K ज्ञात कीजिए जो 30 % अतिलंघन वाली सोपान अनुक्रिया देती है।

G(s) = K/(s(s + 6))%OS = 30 %
K =
35.बोडे आरेख और सीमाएँमध्यम
|H| (dB)0.10.111101010010010001000−60−40−2002040ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−135−90−450ω = 3

G(s) = 4(s + 13)/(s(s + 9)) की ω = 3 rad/s पर कला ∠G(jω) डिग्री में ज्ञात कीजिए।

G(s) = 4(s + 13)/(s(s + 9))ω = 3 rad/s
∠G(jω) = °
36.बोडे आरेख और सीमाएँकठिन
|H| (dB)0.10.1111010100100−80−60−40−2002040ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−270−180−900ω180​

एकल-पुनर्भरण पाश का खुला-पाश अंतरण फलन L(s) = K/(s(s + 6)(s + 9)) है। वह लब्धि K ज्ञात कीजिए जो 6 dB की लब्धि सीमा देती है।

L(s) = K/(s(s + 6)(s + 9))GM = 6 dB
K =
37.स्थायित्व: राउथ–हरविट्ज़ और मूल बिंदुपथमध्यम
R(s)+K1s(s + 4)(s + 5)C(s)−

आरेख वाले लूप का विवृत-लूप अंतरण फलन L(s) = K/(s(s + 4)(s + 5)) है। लब्धि तब तक बढ़ाई जाती है जब तक संवृत-लूप स्थायित्व की कगार पर नहीं आ जाता। सतत दोलन की आवृत्ति ω ज्ञात कीजिए।

L(s) = K/(s(s + 4)(s + 5))
ω = rad/s
38.स्थायित्व: राउथ–हरविट्ज़ और मूल बिंदुपथकठिन
ReIm−1−2−3−4−5−6−7−8−9−101j1j2

L(s) = K/((s + 8)(s² + 4s + 5)) के लिए ऊपरी अर्ध-तल के सम्मिश्र ध्रुव से मूल बिंदुपथ का प्रस्थान कोण θd ज्ञात कीजिए, धनात्मक वास्तविक अक्ष से मापा हुआ।

L(s) = K/((s + 8)(s² + 4s + 5))
θd = °
39.स्थायी-अवस्था त्रुटि और PID नियंत्रणमध्यम
r(t) = 5 + 0.5t+20(s + 1)s(s + 2)(s + 5)C(s)−

निवेश r(t) = 5 + 0.5t (एक सोपान और एक रैंप का योग) G(s) = 20(s + 1)/(s(s + 2)(s + 5)) वाले एकांक पुनर्निवेश लूप पर लगाया जाता है। स्थायी-अवस्था त्रुटि ess ज्ञात कीजिए।

G(s) = 20(s + 1)/(s(s + 2)(s + 5))r(t) = 5 + 0.5t
ess =
40.स्थायी-अवस्था त्रुटि और PID नियंत्रणकठिन
R(s)+25 + Kd​s2s(s + 1)C(s)−

एक PD नियंत्रक C(s) = 25 + Kd·s संयंत्र G(s) = 2/(s(s + 1)) को एकांक पुनर्निवेश लूप में चलाता है। वह अवकल लब्धि Kd ज्ञात कीजिए जो संवृत-लूप को अवमंदन अनुपात ζ = 0.9 दे।

G(s) = 2/(s(s + 1))Kp = 25ζ = 0.9
Kd = s

3विलयन

1.श्रेणी और समांतर प्रतिरोधक

उत्तर: IR2 = 0.6593 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।

R1​ = 15 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​15 VR2​4 ΩAR4​4 ΩB

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 = 12 + 4 = 16 Ω
R2 ∥ 16 = 4·16/(4+16) = 3.2 Ω
Req = R1 + 3.2 = 15 + 3.2 = 18.2 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 = 15/18.2 = 0.8242 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 − 0.8242·15 = 2.637 V
IR2 = VA/R2 = 2.637/4 = 0.6593 A

उत्तर

IR2 = 0.6593 A
2.श्रेणी और समांतर प्रतिरोधक

उत्तर: IR1 = 2.852 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।

R1​ = 8 ΩR3​ = 2 ΩR5​ = 5 Ω+−V1​30 VR2​4 ΩAR4​12 ΩBR6​3 Ω

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 = 5 + 3 = 8 Ω
R4 ∥ 8 = 4.8 Ω
R3 + 4.8 = 6.8 Ω
R2 ∥ 6.8 = 2.519 Ω
Req = R1 + 2.519 = 8 + 2.519 = 10.52 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 = 30/10.52 = 2.852 A

उत्तर

IR1 = 2.852 A
3.नोडल विश्लेषण

उत्तर: VB = 5.5 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।

सुपरनोड बनाएँ

A और B के बीच का वोल्टता स्रोत एक अज्ञात धारा वहन करता है, इसलिए KCL को A या B पर अलग-अलग नहीं लिखा जा सकता। A, B और स्रोत को एक सुपरनोड में घेरें: उसमें प्रवेश करने वाली धारा उससे निकलने वाली धारा के बराबर है।

VB = VA + Vs = VA + 10
VA/R1 + VB/R2 = Is

हल करें

VA/12 + (VA + 10)/4 = 1
VA = (1 − 10/4)/(1/12 + 1/4) = −4.5 V
VB = −4.5 + 10 = 5.5 V

उत्तर

VB = 5.5 V
4.नोडल विश्लेषण

उत्तर: IR1 = 4.718 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।

R1​ = 4 ΩR2​ = 4 ΩR4​ = 6 Ω+−V1​24 VR3​15 ΩAR5​6 ΩBIs​6 A−+V2​15 V

नोड तय करें

ग्राउंड नीचे वाला तार है। ज्ञात नोड वोल्टताएँ सीधे स्रोतों से मिलती हैं (V1 = 24 V, V2 = −15 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/15 + (VA − 24)/4 + (VA − VB)/4 = 0
0.5667·VA − 0.25·VB = 6

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/6 + (VB − VA)/4 + (VB − (−15))/6 = (−6)
−0.25·VA + 0.5833·VB = −8.5

हल करें

Δ = (0.5667)(0.5833) − (−0.25)(−0.25) = 0.2681
VA = Δ1/Δ = 1.375/0.2681 = 5.13 V
VB = Δ2/Δ = −3.317/0.2681 = −12.37 V

उत्तर

IR1 = (V1 − VA)/R1 = (24 − 5.13)/4 = 4.718 A
5.मेश विश्लेषण

उत्तर: I1 = 1.286 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।

R1​ = 6 ΩR2​ = 5 Ω+−V1​18 VR3​10 ΩA+−V2​9 VI1​I2​

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
6·I1 + 10(I1 − I2) = 18
16·I1 − 10·I2 = 18

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
5·I2 + 10(I2 − I1) = (−9)
−10·I1 + 15·I2 = −9

हल करें

Δ = (16)(15) − (−10)(−10) = 140
I1 = Δ1/Δ = 180/140 = 1.286 A
I2 = Δ2/Δ = 36/140 = 0.2571 A

उत्तर

I1 = 1.286 A

ऋणात्मक मेश धारा वामावर्त बहती है।

6.मेश विश्लेषण

उत्तर: I2 = 0.1253 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।

R1​ = 12 ΩR2​ = 4 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​9 VR4​30 ΩAR5​30 ΩB+−V2​5 VI1​I2​I3​

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
12·I1 + 30(I1 − I2) = 9
42·I1 − 30·I2 = 9

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
4·I2 + 30(I2 − I1) + 30(I2 − I3) = 0
−30·I1 + 64·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) = (−5)
−30·I2 + 34·I3 = −5

हल करें

Δ = गुणांक आव्यूह का सारणिक = 22992
I1 = Δ1/Δ = 6984/22992 = 0.3038 A
I2 = Δ2/Δ = 2880/22992 = 0.1253 A
I3 = Δ3/Δ = −840/22992 = −0.03653 A

उत्तर

I2 = 0.1253 A

ऋणात्मक मेश धारा वामावर्त बहती है।

7.अध्यारोपण

उत्तर: I = 4 mA

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।

अनुक्रिया को योगदानों के योग के रूप में लिखें

हर योगदान अपने स्रोत के समानुपाती है, ऐसे स्थिरांक के साथ जो केवल प्रतिरोधकों पर निर्भर करता है।

I = k₁·Vs + k₂·Is
12·k₁ + 2·k₂ = 4
5·k₁ + 3·k₂ = 0.8

स्थिरांकों के लिए हल करें

Δ = (12)(3) − (2)(5) = 26
k₁ = Δ1/Δ = 10.4/26 = 0.4
k₂ = Δ2/Δ = −10.4/26 = −0.4
k₁ = 0.4 mA/V, k₂ = −0.4

नई धारा का पूर्वानुमान लगाएँ

I = 0.4·20 + (−0.4)·10 = 4 mA

उत्तर

I = 4 mA
8.अध्यारोपण

उत्तर: VR2 = −7.915 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।

R1​ = 15 ΩR2​ = 15 ΩR4​ = 5 Ω+−V1​12 VR3​25 ΩAखुलाBशॉर्ट

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) = 25 ∥ 20 = 11.11 Ω
VA = 12·11.11/(15+11.11) = 5.106 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 5.106·5/20 = 1.277 V
VR2′ = VB − VA = 1.277 − 5.106 = −3.83 V
R1​ = 15 ΩR2​ = 15 ΩR4​ = 5 Ωशॉर्टR3​25 ΩAIs​4 ABशॉर्ट

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।

R1 ∥ R3 = 9.375 Ω, इसलिए बायाँ पथ R2+9.375 = 24.38 Ω
Req = R4 ∥ 24.38 = 4.149 Ω
VB = Is·Req = (−4)·4.149 = −16.6 V
VA = VB·9.375/24.38 = −6.383 V
VR2″ = VB − VA = −16.6 − −6.383 = −10.21 V
R1​ = 15 ΩR2​ = 15 ΩR4​ = 5 Ωशॉर्टR3​25 ΩAखुलाB+−V2​12 V

स्थिति 3 · केवल V2

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 = 15·25/(15+25) = 9.375 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = 12·24.38/29.38 = 9.957 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = 9.957·9.375/24.38 = 3.83 V
VR2‴ = VB − VA = 9.957 − 3.83 = 6.128 V

योगदान जोड़ें

VR2 = VR2′ + VR2″ + VR2‴
VR2 = (−3.83) + (−10.21) + 6.128 = −7.915 V

ऋणात्मक परिणाम का अर्थ है कि वास्तव में ध्रुवता अंकित के विपरीत है।

9.थेवेनिन और नॉर्टन

उत्तर: Vth = 3.846 V

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।

R1​ = 8 ΩR3​ = 12 Ωशॉर्टR2​5 ΩAabRth​

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 = 8·5/(8+5) = 3.077 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3.077 + 12 = 15.08 Ω
R1​ = 8 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​10 VR2​5 ΩAab+−Vth​

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) = 10·5/(8+5) = 3.846 V
10.थेवेनिन और नॉर्टन

उत्तर: Vth = 66.6 V

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।

R1​ = 12 ΩR3​ = 30 Ωशॉर्टR2​8 ΩAखुलाBabRth​

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 = 12·8/(12+8) = 4.8 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 4.8 + 30 = 34.8 Ω
R1​ = 12 ΩR3​ = 30 Ω+−V1​36 VR2​8 ΩAIs​1.5 ABab+−Vth​

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) = 14.4 + 1.5·4.8 = 21.6 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 21.6 + 1.5·30 = 66.6 V
11.RC और RL क्षणिक अवस्थाएँ

उत्तर: vC = 1.804 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।

संधारित्र द्वारा देखा गया थेवेनिन तुल्य

Rth के लिए स्रोत को शॉर्ट करें; संधारित्र को हटाकर (खुला करके) वह वोल्टता ज्ञात करें जिस पर वह स्थिर होगा।

Rth = R1 ∥ R2 = 6.8·1/(6.8 + 1) = 0.8718 kΩ
vC(∞) = 15·1/(6.8 + 1) = 1.923 V

समय स्थिरांक

τ = Rth·C = 0.8718·33 = 28.77 ms

आवेशन वक्र

vC(t) = 1.923·(1 − e−80/28.77) = 1.804 V

उत्तर

vC = 1.804 V
12.RC और RL क्षणिक अवस्थाएँ

उत्तर: C = 9.87 µF

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।

आवश्यक समय स्थिरांक

13.5 = 15·(1 − e−500/τ) → τ = 500/ln(15/(15 − 13.5))
τ = 500/2.303 = 217.1 ms

धारिता

kΩ गुणा µF से मिलीसेकंड मिलते हैं।

C = τ/R = 217.1/22 = 9.87 µF

उत्तर

C = 9.87 µF
13.AC प्रतिबाधा और फ़ेज़र

उत्तर: C = 0.5066 µF

फ़ेज़र के साथ AC परिपथ: प्रतिरोधक, प्रेरक और संधारित्र की प्रतिबाधाएँ R, jωL और 1/(jωC) हैं, जहाँ ω = 2πf। श्रेणी में प्रतिबाधाएँ प्रतिरोधों की तरह, पर सम्मिश्र संख्याओं के रूप में जुड़ती हैं। rms धारा और वोल्टता |Z| के साथ ओम के नियम का पालन करती हैं।

अनुनाद शर्त

अनुनाद पर प्रेरकीय और धारितीय प्रतिघात एक-दूसरे को निरस्त करते हैं: ωL = 1/(ωC)।

ω₀ = 2π·1000 = 6283 rad/s
C = 1/(ω₀²·L) = 1/(6283²·0.05) = 0.5066 µF

उत्तर

C = 0.5066 µF
14.AC प्रतिबाधा और फ़ेज़र

उत्तर: B = 63.66 Hz

फ़ेज़र के साथ AC परिपथ: प्रतिरोधक, प्रेरक और संधारित्र की प्रतिबाधाएँ R, jωL और 1/(jωC) हैं, जहाँ ω = 2πf। श्रेणी में प्रतिबाधाएँ प्रतिरोधों की तरह, पर सम्मिश्र संख्याओं के रूप में जुड़ती हैं। rms धारा और वोल्टता |Z| के साथ ओम के नियम का पालन करती हैं।

अनुनादी आवृत्ति

f0 = 1/(2π·√(0.005·10·10⁻⁶)) = 711.8 Hz

गुणता गुणक

Q अनुनाद पर प्रतिघात की तुलना प्रतिरोध से करता है: Q = ω₀L/R।

Q = (1/R)·√(L/C) = (1/2)·√(0.005/(10·10⁻⁶)) = 11.18

बैंडविड्थ

B = f0/Q = 711.8/11.18 = 63.66 Hz

उत्तर

B = 63.66 Hz
15.AC शक्ति और शक्ति गुणक

उत्तर: I = 140.6 A

AC शक्ति: आभासी शक्ति S = V·I (VA) सक्रिय शक्ति P = S·cos φ (W), जो उपयोगी कार्य करती है, और प्रतिघाती शक्ति Q = S·sin φ (var), जो स्रोत और भार के बीच आगे-पीछे होती है, में बँटती है। शक्ति गुणक cos φ है। समांतर संधारित्र प्रतिघाती शक्ति स्थानीय रूप से देता है, इसलिए समान सक्रिय शक्ति के लिए लाइन धारा घटती है।

लाइन धारा

शक्ति का केवल सक्रिय भाग कार्य करता है, इसलिए शक्ति गुणक से भाग दें।

I = P/(V·cos φ) = 27000/(240·0.8) = 140.6 A

उत्तर

I = 140.6 A
16.AC शक्ति और शक्ति गुणक

उत्तर: Inew = 43.86 A

AC शक्ति: आभासी शक्ति S = V·I (VA) सक्रिय शक्ति P = S·cos φ (W), जो उपयोगी कार्य करती है, और प्रतिघाती शक्ति Q = S·sin φ (var), जो स्रोत और भार के बीच आगे-पीछे होती है, में बँटती है। शक्ति गुणक cos φ है। समांतर संधारित्र प्रतिघाती शक्ति स्थानीय रूप से देता है, इसलिए समान सक्रिय शक्ति के लिए लाइन धारा घटती है।

पहले और बाद की प्रतिघाती शक्ति

सक्रिय शक्ति P नहीं बदलती; केवल आपूर्ति से ली गई प्रतिघाती शक्ति बदलती है।

Q1 = P·tan φ1 = 10·tan(49.46°) = 11.69 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 10·tan(18.19°) = 3.287 kvar
QC = Q1 − Q2 = 8.404 kvar

नई लाइन धारा

Inew = P/(V·cos φ2) = 10000/(240·0.95) = 43.86 A

उत्तर

Inew = 43.86 A
17.त्रि-फ़ेज़ शक्ति

उत्तर: IL = 12.92 A

संतुलित त्रि-फ़ेज़ तंत्र: Y (स्टार) संयोजन में लाइन-से-लाइन वोल्टता फ़ेज़ वोल्टता की √3 गुना होती है, VL = √3·Vph, और लाइन धारा फ़ेज़ धारा के बराबर होती है। Δ (डेल्टा) संयोजन में लाइन-से-लाइन वोल्टता फ़ेज़ वोल्टता के बराबर होती है और लाइन धारा फ़ेज़ धारा की √3 गुना होती है, IL = √3·Iph। कुल शक्ति एक फ़ेज़ की शक्ति की तीन गुना होती है: P = 3·Vph·Iph·cos φ = √3·VL·IL·cos φ।

विद्युत निवेश शक्ति

Pin = Pout/η = 7.5/0.95 = 7.895 kW

लाइन धारा

IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 7895/(√3·415·0.85) = 12.92 A

उत्तर

IL = 12.92 A
18.त्रि-फ़ेज़ शक्ति

उत्तर: Cph = 713.4 µF

संतुलित त्रि-फ़ेज़ तंत्र: Y (स्टार) संयोजन में लाइन-से-लाइन वोल्टता फ़ेज़ वोल्टता की √3 गुना होती है, VL = √3·Vph, और लाइन धारा फ़ेज़ धारा के बराबर होती है। Δ (डेल्टा) संयोजन में लाइन-से-लाइन वोल्टता फ़ेज़ वोल्टता के बराबर होती है और लाइन धारा फ़ेज़ धारा की √3 गुना होती है, IL = √3·Iph। कुल शक्ति एक फ़ेज़ की शक्ति की तीन गुना होती है: P = 3·Vph·Iph·cos φ = √3·VL·IL·cos φ। शक्ति गुणक सुधार: संधारित्र स्थानीय रूप से प्रतिघाती शक्ति देते हैं, QC = P·(tan φ1 − tan φ2)। तीनों संधारित्रों में से हर एक QC/3 = V²·ω·C देता है, जहाँ V उस संधारित्र पर वोल्टता है: Δ बैंक में VL, Y बैंक में VL/√3।

पहले और बाद की प्रतिघाती शक्ति

वास्तविक शक्ति अपरिवर्तित है, इसलिए हर शक्ति गुणक प्रतिघाती शक्ति तय करता है: Q = P·tan φ।

Q1 = 80·tan(acos 0.72) = 80·0.9639 = 77.11 kvar
Q2 = 80·tan(acos 0.92) = 80·0.426 = 34.08 kvar

संधारित्रों से प्रतिघाती शक्ति

QC = Q1 − Q2 = 43.03 kvar

प्रति फ़ेज़ धारिता

Y बैंक में हर संधारित्र एक लाइन और स्टार बिंदु के बीच जुड़ा होता है।

V = 400/√3 = 230.9 V, ω = 2π·60 = 377 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 14343/(377·230.9²) = 713.4 µF

उत्तर

Cph = 713.4 µF
19.ट्रांसफ़ॉर्मर

उत्तर: IHV = 20.83 A

आदर्श ट्रांसफ़ॉर्मर: वोल्टताएँ फेरों के अनुपात में और धाराएँ उसके व्युत्क्रम अनुपात में होती हैं: V₁/V₂ = N₁/N₂ = a और I₁/I₂ = N₂/N₁ = 1/a, इसलिए निवेश शक्ति निर्गत शक्ति के बराबर होती है, V₁·I₁ = V₂·I₂। द्वितीयक पर लगी भार प्रतिबाधा Z प्राथमिक से a²·Z जैसी दिखती है।

निर्धारित धारा

दोनों कुंडलियाँ समान आभासी शक्ति वहन करती हैं।

IHV = S/V = 50000/2400 = 20.83 A

उत्तर

IHV = 20.83 A
20.ट्रांसफ़ॉर्मर

उत्तर: Sη,max = 61.24 kVA

ट्रांसफ़ॉर्मर हानियाँ: क्रोड हानि (शैथिल्य और भँवर धाराएँ) वोल्टता पर निर्भर करती है और किसी भी भार पर समान रहती है। कुंडलियों में ताम्र हानि धारा के वर्ग के साथ बदलती है, इसलिए निर्धारित भार के x अंश पर यह x²·Pcu,fl होती है। दक्षता η = Pout/(Pout + Pcore + Pcu), जहाँ Pout = x·S·pf। दक्षता उस भार पर सबसे अधिक होती है जहाँ ताम्र हानि क्रोड हानि के बराबर होती है।

ताम्र हानि क्रोड हानि के बराबर

x²·900 = 600 → x = √(600/900) = 0.8165

अधिकतम दक्षता पर भार

Sη,max = x·S = 0.8165·75 = 61.24 kVA

उत्तर

Sη,max = 61.24 kVA
21.ऑप-एम्प परिपथ

उत्तर: Vout = −0.3636 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।

इनपुटों पर वोल्टता

R₃ और R₄ समान धारा वहन करते हैं, इसलिए वे वोल्टता विभाजक बनाते हैं; पुनर्निवेश V₋ = V₊ बनाता है।

V₊ = V2·R4/(R3 + R4) = 0.6·10/(22 + 10) = 0.1875 V
V₋ = V₊

इनवर्टिंग इनपुट पर KCL

(1.4 − 0.1875)/22 = (0.1875 − Vout)/10
Vout = (R2/R1)·(V2 − V1) = (10/22)·(0.6 − 1.4) = −0.3636 V

उत्तर

Vout = −0.3636 V
22.ऑप-एम्प परिपथ

उत्तर: Vout = 3.993 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।

हर चरण की लब्धि

A1 = −Rf1/R1 = −10/4.7 = −2.128
A2 = 1 + Rf2/R2 = 1 + 100/47 = 3.128

चरण-दर-चरण

V1 = −2.128·(−0.6) = 1.277 V
Vout = 3.128·1.277 = 3.993 V

उत्तर

Vout = 3.993 V
23.डायोड और ट्रांज़िस्टर

उत्तर: VCE = 6.332 V

BJT बायस बिंदु: सक्रिय क्षेत्र में VBE = 0.7 V, IC = β·IB और IE = (β + 1)·IB। KVL से आधार लूप में IB ज्ञात करें, फिर IC, फिर संग्राहक–उत्सर्जक लूप से VCE। आधार पर वोल्टता विभाजक को उसके थेवेनिन तुल्य VTH = VCC·R₂/(R₁ + R₂), RTH = R₁∥R₂ से बदला जाता है; उत्सर्जक प्रतिरोधक आधार लूप में (β + 1) गुना बड़ा दिखता है।

आधार धारा

IB = (VCC − VBE)/RB = (9 − 0.7)/560 kΩ = 14.82 µA

संग्राहक धारा

IC = β·IB = 120·14.82 µA = 1.779 mA

संग्राहक–उत्सर्जक वोल्टता

VCE = 9 − 1.779 mA·1.5 kΩ = 6.332 V

उत्तर

VCE = 6.332 V
24.डायोड और ट्रांज़िस्टर

उत्तर: PZ,max = 545.6 mW

ज़ेनर नियामक: विपरीत-अभिनत ज़ेनर डायोड अपनी वोल्टता VZ तब तक बनाए रखता है जब तक उसकी धारा न्यूनतम IZ,min से ऊपर रहे। श्रेणी प्रतिरोधक R निवेश और निर्गत का अंतर वहन करता है: IR = (Vin − VZ)/R। वह धारा भार, IL = VZ/RL, और ज़ेनर, IZ = IR − IL, के बीच बँटती है। सबसे बुरी स्थितियों के लिए अभिकल्पन करें: सबसे कम निवेश के साथ सबसे बड़े भार पर भी IZ,min बचना चाहिए, और सबसे ऊँचे निवेश के साथ बिना भार के ज़ेनर की सबसे बड़ी शक्ति PZ = VZ·IZ मिलती है।

सबसे बुरी स्थिति की ज़ेनर धारा

IZ = 8.8/100 = 88 mA

ज़ेनर शक्ति

PZ = 6.2·88 = 545.6 mW

उत्तर

PZ,max = 545.6 mW
25.संख्या पद्धतियाँ

उत्तर: U = 183

बिट सेट करना: हर बिट दो की एक घात के बराबर है (128, 64, …, 1)। एक हेक्स अंक ठीक चार बिट होता है, और 8-बिट 2 के पूरक में सबसे बाएँ बिट का मान −128 होता है। बिटवाइज़ संक्रियाएँ हर बिट स्थान पर अलग-अलग काम करती हैं।

उलटें और एक जोड़ें

73 = 0100 1001
उलटा हुआ: 1011 0110
+1 → 1011 0111

अचिह्नित रूप में पढ़ें

1011 0111₂ = 256 − 73 = 183

उत्तर

U = 183
26.संख्या पद्धतियाँ

उत्तर: R = 30

बिट सेट करना: हर बिट दो की एक घात के बराबर है (128, 64, …, 1)। एक हेक्स अंक ठीक चार बिट होता है, और 8-बिट 2 के पूरक में सबसे बाएँ बिट का मान −128 होता है। बिटवाइज़ संक्रियाएँ हर बिट स्थान पर अलग-अलग काम करती हैं।

बिट-दर-बिट

1 से दाईं ओर शिफ़्ट करने पर हर बिट 1 स्थान दाईं ओर खिसकता है; दाएँ सिरे से गिरे बिट खो जाते हैं और बाईं ओर शून्य आ जाते हैं।

0011 1101 >> 1
= 0001 1110

परिणाम का मान

0001 1110₂ = 30

उत्तर

R = 30
27.डिजिटल लॉजिक: गेट, K-मानचित्र और फ़्लिप-फ़्लॉप

उत्तर: L = 4

कार्नो मानचित्र: खाने ग्रे कोड (00, 01, 11, 10) में क्रमबद्ध होते हैं, इसलिए पड़ोसी खाने, किनारों के आर-पार वाले भी, ठीक एक चर में भिन्न होते हैं। 1 को 1, 2, 4, 8 या 16 खानों के आयतों में समूहित करें, जितने बड़े और जितने कम समूह हो सकें, जब तक हर 1 ढक न जाए। हर समूह एक गुणन पद है: वे चर जो उसके भीतर स्थिर रहते हैं। 2ᵏ खानों का समूह k चर खो देता है। डोंट-केयर (X) का उपयोग समूह बड़े करने के लिए किया जा सकता है पर उन्हें ढकना ज़रूरी नहीं है। इसके बजाय 0 को समूहित करने से न्यूनतम POS रूप मिलता है।

ABC00011110010001130204051716

1 को समूहित करें

हर समूह 2ᵏ खानों का आयत होता है; किनारे के खाने विपरीत किनारे के खानों के पड़ोसी होते हैं।

BC
AB

न्यूनतम SOP रूप

F = BC + AB
L = 4

उत्तर

L = 4
28.डिजिटल लॉजिक: गेट, K-मानचित्र और फ़्लिप-फ़्लॉप

उत्तर: Q = 11

फ़्लिप-फ़्लॉप और काउंटर: फ़्लिप-फ़्लॉप केवल सक्रिय क्लॉक कोर पर बदलता है। D अपना निवेश कॉपी करता है (Q⁺ = D); T तब टॉगल करता है जब T = 1; JK 00 पर स्थिर रहता है, 01 पर रीसेट करता है, 10 पर सेट करता है और 11 पर टॉगल करता है। n-बिट द्विआधारी काउंटर की 2ⁿ अवस्थाएँ होती हैं और वह 2ⁿ के मापांक में गिनता है; mod-N काउंटर 0, 1, …, N − 1 तक जाकर फिर 0 पर लौटता है, और उसे ऐसे सबसे छोटे n फ़्लिप-फ़्लॉप चाहिए जिसमें 2ⁿ ≥ N हो। रिपल काउंटर का हर चरण आवृत्ति को आधा कर देता है, इसलिए mod-N काउंटर का अंतिम निर्गत fclk/N पर चलता है। n फ़्लिप-फ़्लॉप वाले जॉनसन काउंटर की 2n अवस्थाएँ होती हैं, रिंग काउंटर की n।

पूरे चक्र

हर 16 पल्स काउंटर को उसी अवस्था में वापस ले आते हैं।

40 = 2·16 + 8

शेष पल्स के बाद गिनती

Q = (3 + 8) mod 16 = 11
Q = 1011₂

उत्तर

Q = 11
29.लाप्लास रूपांतर

उत्तर: f(0.3) = 0.8192

लाप्लास रूपांतर: F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt अवकलजों को s से गुणा में बदल देता है: ℒ{f′} = sF(s) − f(0), ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0)। मानक युग्म: 1 ↔ 1/s, e−at ↔ 1/(s + a), t·e−at ↔ 1/(s + a)², sin ωt ↔ ω/(s² + ω²), cos ωt ↔ s/(s² + ω²), और विस्थापन s → s + σ समय फलन को e−σt से गुणा करता है। परिमेय F(s) का प्रतिलोम लेने के लिए उसे आंशिक भिन्नों में बाँटें: सरल ध्रुव p का अवशेष A = [(s − p)·F(s)], s = p पर है। अंतिम मान प्रमेय: f(∞) = lims→0 s·F(s), केवल तभी मान्य जब s·F(s) के सभी ध्रुव बाएँ अर्ध-तल में हों। प्रारंभिक मान प्रमेय: f(0⁺) = lims→∞ s·F(s)।

आंशिक भिन्न

F(s) = A/s + B/(s + 2) + C/(s + 5)
A = 35/(2·5) = 3.5
B = 35/((−2)·3) = −5.833
C = 35/((−5)·(−3)) = 2.333

प्रतिलोम रूपांतर

f(t) = 3.5 − 5.833·e−2t + 2.333·e−5t

मान निकालें

f(0.3) = 3.5 − 5.833·e−2·0.3 + 2.333·e−5·0.3 = 0.8192

उत्तर

f(0.3) = 0.8192
30.लाप्लास रूपांतर

उत्तर: y(0.1) = 6.159

लाप्लास रूपांतर: F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt अवकलजों को s से गुणा में बदल देता है: ℒ{f′} = sF(s) − f(0), ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0)। मानक युग्म: 1 ↔ 1/s, e−at ↔ 1/(s + a), t·e−at ↔ 1/(s + a)², sin ωt ↔ ω/(s² + ω²), cos ωt ↔ s/(s² + ω²), और विस्थापन s → s + σ समय फलन को e−σt से गुणा करता है। परिमेय F(s) का प्रतिलोम लेने के लिए उसे आंशिक भिन्नों में बाँटें: सरल ध्रुव p का अवशेष A = [(s − p)·F(s)], s = p पर है। अंतिम मान प्रमेय: f(∞) = lims→0 s·F(s), केवल तभी मान्य जब s·F(s) के सभी ध्रुव बाएँ अर्ध-तल में हों। प्रारंभिक मान प्रमेय: f(0⁺) = lims→∞ s·F(s)।

समीकरण का रूपांतर करें

s²Y − 7s − (−5) + 9(sY − 7) + 20Y = 0
Y(s) = (7s + 58)/((s + 4)(s + 5))

आंशिक भिन्न

A = 30/1 = 30
B = 23/(−1) = −23

परिणाम

y(t) = 30·e−4t − 23·e−5t
y(0.1) = 6.159

उत्तर

y(0.1) = 6.159

जाँच: y(0) = A + B = 7।

31.ब्लॉक आरेख

उत्तर: K = 36

ब्लॉक-आरेख बीजगणित: श्रेणी में ब्लॉक गुणा होते हैं (G₁·G₂), समांतर में ब्लॉक जुड़ते हैं (G₁ + G₂), और अग्र पथ G तथा पुनर्निवेश पथ H वाला लूप ऋणात्मक पुनर्निवेश के लिए T = G/(1 + G·H) और धनात्मक पुनर्निवेश के लिए G/(1 − G·H) में सरल होता है। पहले भीतरी लूप सरल करें, फिर बाहर की ओर बढ़ें। संवृत-लूप ध्रुव अभिलाक्षणिक समीकरण 1 + G(s)H(s) = 0 के मूल हैं। स्थायी लूप के लिए आकार A का सोपान इनपुट स्थायी-अवस्था आउटपुट A·T(0) देता है; एकांक पुनर्निवेश के साथ सोपान के लिए स्थायी-अवस्था त्रुटि A/(1 + Kp) है, जहाँ Kp = G(0)।

अभिलाक्षणिक समीकरण

1 + K/(s(s + 12)) = 0 → s² + 12s + K = 0

दोहराया गया मूल

द्विघात s² + βs + γ का द्विक मूल तब होता है जब β² = 4γ।

12² = 4K → K = 144/4 = 36

उत्तर

K = 36
तब दोनों संवृत-लूप ध्रुव s = −6 पर हैं।
32.ब्लॉक आरेख

उत्तर: σ = −3.5

ब्लॉक-आरेख बीजगणित: श्रेणी में ब्लॉक गुणा होते हैं (G₁·G₂), समांतर में ब्लॉक जुड़ते हैं (G₁ + G₂), और अग्र पथ G तथा पुनर्निवेश पथ H वाला लूप ऋणात्मक पुनर्निवेश के लिए T = G/(1 + G·H) और धनात्मक पुनर्निवेश के लिए G/(1 − G·H) में सरल होता है। पहले भीतरी लूप सरल करें, फिर बाहर की ओर बढ़ें। संवृत-लूप ध्रुव अभिलाक्षणिक समीकरण 1 + G(s)H(s) = 0 के मूल हैं। स्थायी लूप के लिए आकार A का सोपान इनपुट स्थायी-अवस्था आउटपुट A·T(0) देता है; एकांक पुनर्निवेश के साथ सोपान के लिए स्थायी-अवस्था त्रुटि A/(1 + Kp) है, जहाँ Kp = G(0)।

अभिलाक्षणिक समीकरण

s(s + 7) + 54·1 = 0 → s² + 7s + 54 = 0

मूल

s = −3.5 ± j·√(54 − 12.25) = −3.5 ± j6.461
σ = −3.5

उत्तर

σ = −3.5
33.सोपान अनुक्रिया

उत्तर: ωn = 7.746 rad/s

सोपान अनुक्रिया: एक प्रथम-कोटि तंत्र G(s) = K/(τs + 1) आकार U के सोपान का उत्तर y(t) = K·U·(1 − e−t/τ) से देता है: यह एक समय स्थिरांक τ के बाद अंतिम मान K·U के 63.2 % और 4τ के बाद 98 % तक पहुँचता है। एक द्वितीय-कोटि तंत्र G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) के ध्रुव s = −ζωₙ ± jωd हैं, जहाँ ωd = ωₙ√(1 − ζ²)। 0 < ζ < 1 के लिए सोपान अनुक्रिया अतिलंघन करती है: प्रतिशत अतिलंघन %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), शिखर समय tp = π/ωd, और 2 % स्थिरीकरण समय ts ≈ 4/(ζωₙ)। ωₙ और ζ पढ़ने के लिए हर की तुलना s² + 2ζωₙs + ωₙ² से करें। द्रव्यमान–स्प्रिंग–अवमंदक के लिए ωₙ = √(k/m) और ζ = c/(2√(km)); श्रेणी RLC परिपथ के लिए ωₙ = 1/√(LC) और ζ = (R/2)·√(C/L)।

मानक रूप से तुलना करें

हर s² + 2ζωₙs + ωₙ² से मेल खाना चाहिए।

ωₙ² = 60 → ωₙ = 7.746 rad/s
2ζωₙ = 5 → ζ = 5/(2·7.746) = 0.3227

परिणाम

ωₙ = 7.746 rad/s

उत्तर

ωn = 7.746 rad/s
34.सोपान अनुक्रिया

उत्तर: K = 70.28

सोपान अनुक्रिया: एक प्रथम-कोटि तंत्र G(s) = K/(τs + 1) आकार U के सोपान का उत्तर y(t) = K·U·(1 − e−t/τ) से देता है: यह एक समय स्थिरांक τ के बाद अंतिम मान K·U के 63.2 % और 4τ के बाद 98 % तक पहुँचता है। एक द्वितीय-कोटि तंत्र G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) के ध्रुव s = −ζωₙ ± jωd हैं, जहाँ ωd = ωₙ√(1 − ζ²)। 0 < ζ < 1 के लिए सोपान अनुक्रिया अतिलंघन करती है: प्रतिशत अतिलंघन %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), शिखर समय tp = π/ωd, और 2 % स्थिरीकरण समय ts ≈ 4/(ζωₙ)। ωₙ और ζ पढ़ने के लिए हर की तुलना s² + 2ζωₙs + ωₙ² से करें। द्रव्यमान–स्प्रिंग–अवमंदक के लिए ωₙ = √(k/m) और ζ = c/(2√(km)); श्रेणी RLC परिपथ के लिए ωₙ = 1/√(LC) और ζ = (R/2)·√(C/L)।

संवृत-लूप अंतरण फलन

T(s) = K/(s² + 6s + K)

अतिलंघन से अवमंदन अनुपात

ζ = −ln(0.3)/√(π² + ln²(0.3)) = 0.3579

लब्धि

ωₙ = 6/(2ζ) = 8.383 rad/s
K = ωₙ² = 70.28

उत्तर

K = 70.28
35.बोडे आरेख और सीमाएँ

उत्तर: ∠G(jω) = −95.44 °

आवृत्ति अनुक्रिया: अंतरण फलन में s = jω रखिए। डेसिबल में परिमाण 20·log₁₀|H(jω)| है और कला अंश के गुणनखंडों के कोणों के योग में से हर के गुणनखंडों के कोण घटाने पर मिलती है। प्रथम कोटि RC या RL फ़िल्टर की कोना (−3 dB) आवृत्ति ωc = 1/(RC) या R/L पर होती है, और fc = ωc/(2π); निम्न-पारक फ़िल्टर |H| = 1/√(1 + (ω/ωc)²) और φ = −atan(ω/ωc) देता है। अनंतस्पर्शी (सीधी रेखा) बोडे आरेख में हर ध्रुव अपनी कोना आवृत्ति पर परिमाण को 20 dB/दशक से नीचे मोड़ता है, हर शून्य उसे 20 dB/दशक से ऊपर मोड़ता है, और समाकलक 1/s सभी आवृत्तियों पर −20 dB/दशक देता है। लब्धि क्रॉसओवर ωc: |L(jω)| = 1 (0 dB); कला सीमा PM = 180° + ∠L(jωc)। कला क्रॉसओवर ω180: ∠L(jω) = −180°; लब्धि सीमा GM = −20·log₁₀|L(jω180)| dB। दोनों सीमाएँ धनात्मक होने पर बंद पाश स्थिर होता है।

कोण जोड़िए

∠G = atan(3/13) − 90° − atan(3/9) = 12.99° − 90° − 18.43°

परिणाम

∠G(j3) = −95.44°

उत्तर

∠G(jω) = −95.44°
36.बोडे आरेख और सीमाएँ

उत्तर: K = 406

आवृत्ति अनुक्रिया: अंतरण फलन में s = jω रखिए। डेसिबल में परिमाण 20·log₁₀|H(jω)| है और कला अंश के गुणनखंडों के कोणों के योग में से हर के गुणनखंडों के कोण घटाने पर मिलती है। प्रथम कोटि RC या RL फ़िल्टर की कोना (−3 dB) आवृत्ति ωc = 1/(RC) या R/L पर होती है, और fc = ωc/(2π); निम्न-पारक फ़िल्टर |H| = 1/√(1 + (ω/ωc)²) और φ = −atan(ω/ωc) देता है। अनंतस्पर्शी (सीधी रेखा) बोडे आरेख में हर ध्रुव अपनी कोना आवृत्ति पर परिमाण को 20 dB/दशक से नीचे मोड़ता है, हर शून्य उसे 20 dB/दशक से ऊपर मोड़ता है, और समाकलक 1/s सभी आवृत्तियों पर −20 dB/दशक देता है। लब्धि क्रॉसओवर ωc: |L(jω)| = 1 (0 dB); कला सीमा PM = 180° + ∠L(jωc)। कला क्रॉसओवर ω180: ∠L(jω) = −180°; लब्धि सीमा GM = −20·log₁₀|L(jω180)| dB। दोनों सीमाएँ धनात्मक होने पर बंद पाश स्थिर होता है।

कला क्रॉसओवर

(ω/6)·(ω/9) = 1 → ω180 = √(6·9) = 7.348 rad/s

कला क्रॉसओवर पर परिमाण

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 36)·√(ω² + 81)) = K/(6·9·(6 + 9)) = K/810

आवश्यक लब्धि

810/K = 106/20 = 1.995
K = 810/1.995 = 406

उत्तर

K = 406
37.स्थायित्व: राउथ–हरविट्ज़ और मूल बिंदुपथ

उत्तर: ω = 4.472 rad/s

राउथ–हरविट्ज़ कसौटी: कोई रैखिक तंत्र तब स्थायी होता है जब उसके अभिलाक्षणिक बहुपद का हर मूल s-तल के बाएँ अर्ध-तल में हो। गुणांकों को बारी-बारी से राउथ सारणी की पहली दो पंक्तियों में लिखें। नई पंक्ति की हर प्रविष्टि ऊपर की दो पंक्तियों से बनती है; त्रिघात a₃s³ + a₂s² + a₁s + a₀ के लिए s¹ प्रविष्टि b₁ = (a₂·a₁ − a₃·a₀)/a₂ है। पहले स्तंभ में चिह्न-परिवर्तनों की संख्या दाएँ अर्ध-तल के मूलों की संख्या के बराबर होती है। गुणांकों में लब्धि K होने पर पहले स्तंभ की हर प्रविष्टि धनात्मक रहनी चाहिए: जिस लब्धि पर s¹ प्रविष्टि शून्य हो जाती है वही स्थायित्व की सीमा है, और तब s² पंक्ति सतत दोलन की आवृत्ति देती है।

राउथ सारणी

s³ + 9s² + 20s + K = 0
s³: 1, 20
s²: 9, K
s¹: (9·20 − K)/9
s⁰: K

क्रांतिक लब्धि

K = 9·20 = 180

सहायक समीकरण

क्रांतिक लब्धि पर s¹ पंक्ति शून्य होती है; s² पंक्ति काल्पनिक अक्ष पर स्थित ध्रुव देती है।

9s² + 180 = 0 → s = ±j√20
ω = 4.472 rad/s

उत्तर

ω = 4.472 rad/s
38.स्थायित्व: राउथ–हरविट्ज़ और मूल बिंदुपथ

उत्तर: θd = 80.54 °

मूल बिंदुपथ: जैसे-जैसे लब्धि K 0 से ∞ तक बढ़ती है, संवृत-लूप ध्रुव, यानी 1 + K·G(s) = 0 के मूल, विवृत-लूप ध्रुवों से विवृत-लूप शून्यों की ओर या अनंत की ओर चलते हैं। वास्तविक अक्ष पर कोई बिंदु तब बिंदुपथ का भाग होता है जब उसके दाईं ओर वास्तविक ध्रुवों और शून्यों की कुल संख्या विषम हो। अनंत की ओर जाने वाली n − m शाखाएँ कोणों (2q + 1)·180°/(n − m) वाली अनंतस्पर्शियों के अनुदिश चलती हैं, जो केंद्रक σₐ = (Σ ध्रुव − Σ शून्य)/(n − m) से शुरू होती हैं। शाखाएँ वहाँ वास्तविक अक्ष छोड़ती या उससे मिलती हैं जहाँ dK/ds = 0 हो। कोण शर्त ∠G(s) = 180° आकार तय करती है, और परिमाण शर्त K = 1/|G(s)| बिंदुपथ के किसी भी बिंदु पर लब्धि देती है।

ध्रुवों की स्थितियाँ

s² + 4s + 5 = 0 → s = −2 ± j1
s = −8

अन्य ध्रुवों से कोण

∠(−2 + j1 + 8) = atan2(1, 6) = 9.462°
∠(−2 + j1 − (−2 − j1)) = ∠(j2) = 90°

प्रस्थान कोण

θd = 180° − 9.462° − 90° = 80.54°

उत्तर

θd = 80.54°
39.स्थायी-अवस्था त्रुटि और PID नियंत्रण

उत्तर: ess = 0.25

स्थायी-अवस्था त्रुटि: विवृत-लूप अंतरण फलन G(s) वाले एकांक पुनर्निवेश लूप में त्रुटि E(s) = R(s)/(1 + G(s)) होती है, और अंतिम मान प्रमेय से ess = lims→0 s·E(s)। तंत्र का प्रकार G(s) के s = 0 पर ध्रुवों की संख्या है। त्रुटि स्थिरांक Kp = lim G(s), Kv = lim s·G(s) और Ka = lim s²·G(s) हैं, सभी s → 0 के लिए। आकार A का सोपान ess = A/(1 + Kp) देता है, रैंप A·t से A/Kv और परवलय A·t²/2 से A/Ka मिलता है। प्रकार-0 लूप सोपान का अनुसरण परिमित त्रुटि के साथ करता है, जबकि प्रकार-1 लूप उसका अनुसरण पूरी तरह करता है और रैंप का परिमित त्रुटि के साथ।

वेग स्थिरांक

Kv = lim s·G(s) = 2

सोपान वाला भाग

Kp = ∞ → estep = 0

रैंप त्रुटि

ess = 0.5/2 = 0.25

उत्तर

ess = 0.25
40.स्थायी-अवस्था त्रुटि और PID नियंत्रण

उत्तर: Kd = 5.864 s

P, PI और PID नियंत्रण: नियंत्रक C(s) = Kp + Ki/s + Kd·s त्रुटि पर कार्य करता है। आनुपातिक लब्धि लूप को तेज़ बनाती है और प्रकार-0 संयंत्र की त्रुटि घटाती है, पर उसे कभी समाप्त नहीं करती। समाकल पद s = 0 पर एक ध्रुव जोड़ता है: तंत्र का प्रकार एक बढ़ जाता है, और सोपान का अनुसरण बिना त्रुटि के होता है। अवकल पद अवमंदन जोड़ता है। लब्धियाँ चुनने के लिए संवृत-लूप अभिलाक्षणिक बहुपद लिखिए और उसकी तुलना s² + 2ζωns + ωn² से कीजिए। तब %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), tp = π/ωd, जहाँ ωd = ωn√(1 − ζ²), और ts ≈ 4/(ζωn)।

अभिलाक्षणिक बहुपद

s(s + 1) + 2(25 + Kds) = s² + (1 + 2Kd)s + 50

प्राकृतिक आवृत्ति

ωₙ = √50 = 7.071 rad/s

अवकल लब्धि

1 + 2Kd = 2·0.9·7.071 = 12.73
Kd = 5.864 s

उत्तर

Kd = 5.864 s

अवकल पद ωₙ बदले बिना अवमंदन जोड़ता है।

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