Electrical Engineering

UPSC Electrical Engineering 2026 — Paper I

All 8 questions from UPSC Civil Services Mains Electrical Engineering 2026 Paper I (400 marks total). Every stem reproduced in full, with directive-word analysis, marks, word limits, and answer-approach pointers.

8Questions
400Total marks
2026Year
Paper IPaper

A

Q1
50M Compulsory solve

(a) For the circuit shown below, if the power loss in 1 Ω resistor is 16 W, find the value of k in the dependent source using nodal method : (10 marks) (b) Consider the continuous-time system shown in the figure above, which is characterized by the following input-output relationships : System 1 : w(t) = ∫_{t-3}^{t} x(T) dT System 2 : y(t) = ∫_{t-6}^{t} w(T) dT (i) Determine whether the overall system is linear and time-invariant. (ii) Determine and plot impulse response of the overall system. (10 marks) (c) Two line currents of infinite extent in the z-direction are at distance d apart along the y-axis. The current I₁ is located at y = d/2 and the current I₂ is located at y = -d/2 as shown in the figure. Find the magnetic field at any point in the y = 0 plane, when the currents are equal, i.e., I₁ = I₂ = I : (10 marks) (d) A combinational logic circuit consisting of two numbers of 2 to 4 decoders is shown in the figure below : [Figure : 2 to 4 Decoder with inputs X → A₁, Y → B₁, outputs D₀, D₁, D₂, D₃; OR gates; 2 to 4 Decoder with inputs A₂, B₂ and outputs Y₀, Y₁, Y₂, Y₃] In this circuit, (A₁, B₁) are the inputs and (D₀ to D₃) are the outputs of the first decoder, while (A₂, B₂) are the inputs and (Y₀ to Y₃) are the outputs of the second decoder. Determine the logic expressions for Y₁ and Y₂ in terms of X and Y. (10 marks) (e) A 1250 r.p.m., 220 V, 4·5 kW, DC shunt machine is running as a generator delivering rated load at rated speed and voltage. The machine has rated core loss of 250 W, rated armature copper loss of 200 W and field copper loss of 50 W. Now, the prime mover speed is increased by 20% and simultaneously an external resistance is added in the field circuit so that the developed voltage in armature remains the same and load remains unchanged. Find the— (i) value of the added resistance; (ii) loss in external resistance and field; (iii) input power to the generator; (iv) armature developed voltage. Neglect friction and windage losses. Assume constant core loss and linear magnetic circuit. (10 marks)

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(a) नीचे प्रदर्शित परिपथ में यदि 1 Ω प्रतिरोध में शक्ति क्षय 16 W है, तो नोडल विधि का प्रयोग करते हुए आश्रित स्रोत में k का मान ज्ञात कीजिए : (10 अंक) (b) ऊपर प्रदर्शित चित्र में अनवरत-काल प्रणाली का विचार कीजिए, जो कि निम्नलिखित निवेश-निर्गत संबंध से परिलक्षित है : प्रणाली 1 : w(t) = ∫_{t-3}^{t} x(T) dT प्रणाली 2 : y(t) = ∫_{t-6}^{t} w(T) dT (i) निर्धारण कीजिए कि क्या समग्र प्रणाली रैखिक और काल-अचर है। (ii) समग्र प्रणाली की आवेग प्रतिक्रिया का निर्धारण कीजिए एवं उसका आरेख बनाइए। (10 अंक) (c) z-दिशा में अनंत विस्तार की दो रेखीय धाराएँ एक-दूसरे से y-अक्ष में d दूरी पर हैं। धारा I₁, y = d/2 पर स्थित है तथा धारा I₂, y = -d/2 पर स्थित है, जैसा कि चित्र में प्रदर्शित है। y = 0 सतह (प्लेन) के किसी बिंदु पर चुम्बकीय क्षेत्र ज्ञात कीजिए, जबकि दोनों धाराएँ समान हैं, यानि I₁ = I₂ = I : (10 अंक) (d) एक संयोजनात्मक तार्किक परिपथ, जिसमें दो 2 से 4 कूटवाचक (डिकोडर) निहित हैं, नीचे के चित्र में प्रदर्शित है : [चित्र : X → A₁, Y → B₁ निवेश वाला 2 से 4 कूटवाचक, निर्गत D₀, D₁, D₂, D₃; OR द्वार; A₂, B₂ निवेश तथा Y₀, Y₁, Y₂, Y₃ निर्गत वाला 2 से 4 कूटवाचक] इस परिपथ में पहले कूटवाचक के निवेश (A₁, B₁) तथा निर्गत (D₀ से D₃) हैं, जबकि दूसरे कूटवाचक के निवेश (A₂, B₂) एवं निर्गत (Y₀ से Y₃) हैं। X और Y के पदों में, Y₁ और Y₂ के लिए तार्किक व्यंजकों का निर्धारण कीजिए। (10 अंक) (e) एक 1250 r.p.m., 220 V, 4·5 kW की DC शंट मशीन, निर्धारित गति एवं वोल्टता पर निर्धारित भार प्रदत्त करते हुए जनित्र की तरह कार्य कर रही है। इस मशीन का निर्धारित क्रोड क्षय 250 W, निर्धारित आर्मेचर ताम्र (कॉपर) क्षय 200 W एवं क्षेत्र (फील्ड) ताम्र क्षय 50 W है। अब, इस मशीन के मूल गति उत्पादक (प्राइम मूवर) की गति में 20% की वृद्धि की जाती है तथा उसी समय क्षेत्र परिपथ में एक बाहरी प्रतिरोध इस तरह संयोजित किया जाता है कि आर्मेचर में उत्पादित वोल्टता वैसी ही बनी रहती है तथा मशीन का भार भी स्थिर रहता है। ज्ञात कीजिए— (i) संयोजित प्रतिरोध का मान; (ii) बाहरी प्रतिरोध एवं क्षेत्र में हानि; (iii) जनित्र में निवेशित शक्ति; (iv) आर्मेचर में उत्पादित वोल्टता। घर्षण और वायु प्रतिरोध के कारण हानियों को नगण्य मानिए। क्रोड हानि को नियत एवं चुम्बकीय परिपथ को रेखीय मान लीजिए। (10 अंक)

Answer approach & key points

(a) calculate: given > formula > substitution > result with units > interpretation | (b) analyse: intro > causes > effects > stakeholders/linkages > way forward | (c) calculate: given > formula > substitution > result with units > interpretation | (d) calculate: given > formula > substitution > result with units > interpretation | (e) calculate: given > formula > substitution > result with units > interpretation Full marks: Complete method with correct results and clear interpretation

  • V_B = 20 V fixed by the ideal source; the 5 Ω resistor does not enter the nodal equation
  • Power 16 W in 1 Ω gives |I| = 4 A; KCL at A: 10 = V_A/2 + I, so V_A = 12 V and i₀ = 6 A
  • Dependent-source equation with the polarity as drawn: 20 = (V_A − I) + k i₀
  • k = 2, with the check that the loss in 1 Ω is 16 W
  • Both stages are linear and time-invariant, so the cascade is LTI
  • h₁(t) = u(t) − u(t − 3) and h₂(t) = u(t) − u(t − 6)
  • h = h₁ * h₂ is a trapezoid: t on 0 to 3, 3 on 3 to 6, 9 − t on 6 to 9, zero outside
  • Plot with labelled breakpoints 0, 3, 6, 9 and peak 3
  • B = μ₀I/(2πr) for each wire with r = √(x² + d²/4)
  • Vector addition: components along x cancel by symmetry
  • B = μ₀I x/(π(x² + d²/4)), directed along y (sign follows x)
  • Checks: B = 0 at x = 0 and B → μ₀(2I)/(2πx) at large x
  • First decoder: D₀ = X′Y′, D₃ = XY; only D₀ and D₃ are connected, D₁ and D₂ are open
  • A₂ = D₀ ⊕ D₃ = X ⊙ Y (XNOR); B₂ = its complement = X ⊕ Y
  • Second decoder: Y₁ = A₂′B₂ and Y₂ = A₂B₂′
  • Y₁ = X ⊕ Y = XY′ + X′Y and Y₂ = X ⊙ Y = XY + X′Y′; Y₀ = Y₃ = 0
  • Rated: I_L = 20.45 A, I_f = 0.2273 A, R_f = 968 Ω, I_a = 20.68 A, R_a = 0.4676 Ω, E = 229.67 V
  • Flux and I_f fall by 1/1.2: I_f′ = 0.1894 A; total field resistance 1161.6 Ω, added resistance = 193.6 Ω
  • Field-circuit loss = 220 × 0.1894 = 41.7 W (34.7 W in field, 6.9 W in the external resistor)
  • Input = 4500 + 199.3 + 41.7 + 250 ≈ 4991 W; developed voltage ≈ 229.7 V
Q2
50M solve

(a) (i) Find the values of R and C in the figure shown below, so that V_b = 3V_a, also V̄_b and V̄_a are in quadrature. Find also the phase relation between V and V_b, and V_a and I : (10 marks) (ii) For the circuit shown below, find the value of R, if the power supplied by both the sources is equal : [Circuit : 5 Ω, 20 Ω, 10 Ω, R, 100 V (+), 10 A (↑)] (10 marks) (b) (i) A continuous-time signal x(t), shown in the figure below, has a Fourier transform X(ω). Without explicitly determining X(ω), compute the following quantities : 1. The value of X(0) 2. The value of the integral ∫₋∞^∞ X(ω) dω 3. The value of the integral ∫₋∞^∞ |X(ω)|² dω 4. The phase angle of X(ω) [Diagram : x(t) versus t, triangular peak at (1, 2) with base from (–1, 0) to (3, 0)] (10 marks) (ii) Determine the Z-transform and the corresponding region of convergence (ROC) for the discrete-time sequence x(n) = |n| (1/2)^|n|. (10 marks) (c) A uniform plane wave in air is normally incident onto a lossless dielectric plate of thickness λ/8 and intrinsic impedance η = 260 Ω. Determine the standing wave ratio in front of the plate. (10 marks)

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(a) (i) नीचे प्रदर्शित चित्र में R और C के मान ज्ञात कीजिए, जबकि V_b = 3V_a और V̄_b तथा V̄_a लम्बवत् हैं। V एवं V_b, तथा V_a एवं I के बीच कला संबंध भी ज्ञात कीजिए : (10 अंक) (ii) निम्न प्रदर्शित परिपथ में, यदि दोनों स्रोतों द्वारा आपूर्ति की गयी शक्ति समान हो, तो R का मान ज्ञात कीजिए : [परिपथ : 5 Ω, 20 Ω, 10 Ω, R, 100 V (+), 10 A (↑)] (10 अंक) (b) (i) नीचे प्रदर्शित चित्र में, एक अनवरत-काल संकेत x(t) का फूरियर रूपांतरण X(ω) है। X(ω) का स्पष्ट रूप से निर्धारण किए बिना, निम्न राशियों को ज्ञात कीजिए : 1. X(0) का मान 2. समाकलन ∫_{-∞}^{∞} X(ω) dω का मान 3. समाकलन ∫_{-∞}^{∞} |X(ω)|² dω का मान 4. X(ω) का कला (चरण) कोण [आरेख : x(t) बनाम t, शिखर (1, 2), के आधार बिन्दु (-1, 0) और (3, 0) के साथ] (10 अंक) (ii) असतत-काल अनुक्रम x(n) = |n| (1/2)^|n| के लिए Z-रूपांतरण तथा संबंधित (संगत) अभिसरण-क्षेत्र (ROC) का निर्धारण कीजिए। (10 अंक) (c) वायु में एकसमान समतल तरंग, एक क्षयहीन परावैद्युत प्लेट पर, जिसकी मोटाई λ/8 और आंतरिक प्रतिबाधा η = 260 Ω है, लम्बवत् आपतित है। प्लेट के समक्ष अग्रगामी तरंग अनुपात (स्टैंडिंग वेव रेशियो) का निर्धारण कीजिए। (10 अंक)

Answer approach & key points

(a(i)) In a series circuit (6 ohm + 0.0255 H forming the Vb section, R + C forming the Va section) across 240 V, 50 Hz, find R and C so that |Vb| = 3|Va| AND Vb, Va are in quadrature; then state the phase relation between V and Vb, and between Va and I. (a(ii)) Find R in the two-source ladder so that the power supplied by the 100 V source equals the power supplied by the 10 A source. Requires expressing both supplied powers in terms of the node voltages and solving simultaneously. (b(i)) For the triangular pulse x(t) with vertices (-1,0), (1,2), (3,0), evaluate four Fourier-transform quantities WITHOUT computing X(omega) explicitly: X(0), the integral of X(omega) over all omega, the integral of |X(omega)|^2, and the phase angle of X(omega). Each of the four must be answered using a transform property. (b(ii)) Determine the two-sided Z-transform of the non-causal sequence x(n) = |n|(1/2)^|n| and state the corresponding ROC. Both the closed-form X(z) and the annular ROC must appear. (c) A plane wave in air is normally incident on a lossless dielectric SLAB of thickness lambda/8 with eta = 260 ohm (air on both sides). Compute the standing-wave ratio in the air region in front of the slab. Requires a quarter-wave-line-type input-impedance transformation followed by a reflection-coefficient/SWR calculation.

  • X_L ≈ 8 Ω, Z_b = 6 + j8 = 10 Ω at 53.13°; |Z_a| = 10/3 Ω from V_b = 3V_a
  • Quadrature: 53.13° + φ_a = 90°, so φ_a = 36.87°
  • R = 2.67 Ω, X_C = 2 Ω, C ≈ 1592 μF
  • V lags V_b by 18.43° (I = 22.77 A, V leads I by 34.7°); V_a lags I by 36.87°
  • Node equations at the 10 Ω node and the R node
  • P_v = 100(100 − V₁)/5 and P_i = 10 V₂, set equal
  • V₁ = V₂ = 66.67 V, so no current in 20 Ω
  • R = 20/3 ≈ 6.67 Ω, with both powers 666.7 W
  • X(0) = area = 4
  • ∫X(ω)dω = 2πx(0) = 2π
  • ∫|X|²dω = 2π∫x²dt = 2π × 16/3 = 32π/3 by Parseval
  • Phase = −ω: pulse is an even triangle shifted by 1, so X = G(ω)e^(−jω) with G real and non-negative
  • Split into causal part n(1/2)ⁿ and anti-causal part with n < 0
  • Right part 2z/(2z − 1)², |z| > 1/2; left part 2z/(z − 2)², |z| < 2
  • X(z) = 2z/(2z−1)² + 2z/(z−2)² = 2z(5z² − 8z + 5)/[(2z − 1)²(z − 2)²]
  • ROC is the annulus 1/2 < |z| < 2, including the unit circle
  • Termination is η₀ = 377 Ω (air on both sides); electrical length π/4
  • Z_in = η(η₀ + jη tan βd)/(η + jη₀ tan βd) ≈ 243 − j92.4 Ω
  • |Γ| = |Z_in − η₀|/|Z_in + η₀| ≈ 0.26
  • SWR = (1 + |Γ|)/(1 − |Γ|) ≈ 1.70
Q3
50M state

(a) (i) For the circuit shown below, steady state is achieved with switch K open. At t = 0, switch K is closed. Find the time expression of current in R_L. Also find its initial and final values : (10 marks) (ii) Find the y-parameters of the two-port network shown below : (10 marks) (b) For the following circuit given in Fig. (1) below, the diode has the I-V characteristic in forward direction as shown in Fig. (2) : Fig. (1) Fig. (2) Find the (i) diode current, (ii) diode power loss and (iii) power supplied by the source. (20 marks) (c) The outer diameter of the inner conductor and the inner diameter of the outer conductor of a coaxial copper transmission line are 2 mm and 7 mm, respectively. Both the conductors have thickness much greater than the skin depth. The dielectric is lossless and the operating frequency is 400 MHz. Calculate the resistance per meter length of the transmission line. The resistivity and relative permeability of the copper are approximately ρ = 1·724 × 10⁻⁸ Ω-m and 1, respectively. (10 marks)

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(a) (i) नीचे प्रदर्शित परिपथ, कुंजी K की वियोजित दशा में, स्थिर अवस्था प्राप्त करता है। समय t = 0 पर कुंजी K संयोजित (बंद) की जाती है। R_L में धारा का काल-व्यंजक ज्ञात कीजिए। धारा का प्रारम्भिक एवं अंतिम मान भी ज्ञात कीजिए : (10 अंक) (ii) नीचे प्रदर्शित द्वि-द्वार (पोर्ट) जालक्रम (नेटवर्क) के लिए y-प्राचलों को ज्ञात कीजिए : (10 अंक) (b) नीचे चित्र (1) में प्रदर्शित परिपथ के लिए डायोड का अग्रगामी दिशा में I-V अभिलक्षण चित्र (2) में दर्शाया गया है : चित्र (1) चित्र (2) ज्ञात कीजिए (i) डायोड में धारा, (ii) डायोड में शक्ति क्षय तथा (iii) स्रोत द्वारा शक्ति आपूर्ति। (20 अंक) (c) एक समाक्ष ताम्र संचरण (प्रेषण) लाइन के आंतरिक चालक का बाह्य व्यास तथा बाह्य चालक का आंतरिक व्यास क्रमशः 2 mm तथा 7 mm हैं। दोनों चालकों की मोटाई, त्वचा की गहराई से बहुत अधिक है। परावैद्युत क्षयहीन है, और 400 MHz की आवृत्ति पर संचालित है। संचरण लाइन की प्रति मीटर लम्बाई के लिए प्रतिरोध की गणना कीजिए। ताम्र की प्रतिरोधकता एवं सापेक्ष पारगम्यता क्रमशः लगभग ρ = 1·724 × 10⁻⁸ Ω-m और 1 हैं। (10 अंक)

Answer approach & key points

(a(i)) A first-order switching transient: with K open the circuit is in steady state; K closes at t = 0 connecting R_L = 20 ohm. Find i_RL(t) as an explicit time expression and state its initial (t = 0+) and final (t = infinity) values. (a(ii)) Find all four y-parameters (y11, y12, y21, y22) of the given two-port containing a 1 ohm shunt, a 2 ohm series arm, a 2 ohm shunt and a current-controlled current source 3*I1. The dependent source makes the network non-reciprocal, so y12 and y21 must differ. (b) A diode bridges the two mid-points of a resistive bridge fed by 20 V; the diode is described by a piecewise-linear forward characteristic. Find (i) the diode current, (ii) the diode power loss and (iii) the total power supplied by the 20 V source - all three parts must be answered. (c) Compute the a.c. resistance per metre of a coaxial copper line at 400 MHz given inner-conductor outer diameter 2 mm, outer-conductor inner diameter 7 mm, conductor thickness >> skin depth, resistivity 1.724e-8 ohm-m and mu_r = 1. Requires the skin-depth/surface-resistance route, not the d.c. cross-sectional formula.

  • Inductor current before switching: 50/(5 + 20) = 2 A, continuous at t = 0
  • Thevenin behind the inductor branch: 40 V and 4 Ω; τ = 1/24 s; i_L(∞) = 5/3 A
  • i_RL(t) = 5/3 − (1/15)e^(−24t) A, from v = 20 i_L + L di_L/dt
  • Initial value 1.6 A at 0⁺ (jump from 0) and final value 1.667 A
  • Definition I₁ = y₁₁V₁ + y₁₂V₂, I₂ = y₂₁V₁ + y₂₂V₂
  • Port 1: I₁ = 1.5V₁ − 0.5V₂, so y₁₁ = 1.5 S and y₁₂ = −0.5 S
  • KCL at port-2 node with the source 3I₁ drawing current out of the node
  • y₂₁ = 4 S and y₂₂ = −0.5 S
  • Diode model from Fig. (2): v_d = 0.7 + 0.2 i_d for 0 ≤ i_d ≤ 1 A, r_d = 0.2 Ω
  • Thevenin across the diode: V_th = 5 V, R_th = (2∥6) + (8∥8) = 5.5 Ω
  • i_d = 4.3/5.7 = 0.754 A with v_d = 0.851 V, both in range
  • Diode power 0.642 W; source power ≈ 78.8 W from I_s = 3.94 A
  • Skin effect: R_s = √(πfμ₀ρ) = 5.22 × 10⁻³ Ω per square
  • Skin depth 3.3 μm much less than the thickness, so surface resistance applies
  • Radii a = 1 mm and b = 3.5 mm
  • R = (R_s/2π)(1/a + 1/b) ≈ 1.07 Ω/m
Q4
50M solve

(a) (i) The continuous-time signal x(t) = cos(20πt + π/4) is ideally sampled at a rate of 30 samples per second. The resulting sampled signal is then passed through a filter whose impulse response is h(t) = sin(πt)/πt · cos(80πt − π/2). Find the expression for the output signal of the filter. (15 marks) (ii) A discrete-time sequence x(n) = {3, 5, 1, 4, −3, 5, −2, −2, 4} of length 9 has a 9-point DFT denoted by X(k), where k = 0, 1, 2, ..., 8. Another discrete-time sequence y(n) has a 9-point DFT given by Y(k) = e^(j4πk/3) X(k), k = 0, 1, 2, ..., 8. Without explicitly computing DFT or inverse DFT, determine the sequence y(n). (5 marks) (b) (i) For the circuit shown in the figure below, the two transistors Q₁ and Q₂ have β₁ = 35 and β₂ = 30. The resistance R₂ is variable. The output voltage V_o across resistance R_o is +5·0 V. If the voltage V_CC is kept at +12·0 V, find the value of R_2. Derive any formula used. Assume V_BE = 0·7 V for both the transistors : (10 marks) (ii) A single-phase, full-wave bridge diode rectifier supplied from 240 V, 50 Hz AC source is feeding a resistive load R_L = 100 Ω as shown in the figure below. Due to fault in the diode D_2, it behaves like a resistance of 1 kΩ. Sketch the load voltage, load current and source current waveforms under faulty condition. Also calculate the load average voltage and r.m.s. source current under this situation : (10 marks) (c) A lossless transmission line is 50 cm in length and operating at a frequency of 100 MHz. The line parameters are L = 0·2 μH/m and C = 80 pF/m. The line is terminated in a short circuit at z = 0 and there is a load Z_L = 50 + j20 Ω across the line at z = –20 cm. What average power is delivered to the load Z_L, if the input voltage is 100 V? (10 marks)

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(a) (i) एक अनवरत-काल संकेत, x(t) = cos(20πt + π/4), आदर्श रूप से, 30 प्रतिदर्श प्रति सेकंड की दर से प्रतिचयनित है। परिणामी प्रतिचयनित संकेत को एक छन्नक (फिल्टर) से गुजारा जाता है, जिसकी आवेग प्रतिक्रिया h(t) = sin(πt)/(πt) · cos(80πt − π/2) है। छन्नक से निर्गत संकेत का व्यंजक ज्ञात कीजिए। (15 अंक) (ii) एक 9 लम्बाई का असतत-काल अनुक्रम x(n) = {3, 5, 1, 4, −3, 5, −2, −2, 4}, का 9-बिन्दु DFT है, जो X(k) द्वारा प्रदर्शित है, जहाँ k = 0, 1, 2, ..., 8. एक दूसरे असतत-काल अनुक्रम y(n), का 9-बिन्दु DFT है, जो Y(k) = e^(j4πk/3) X(k), k = 0, 1, 2, ..., 8 द्वारा प्रदर्शित है। स्पष्ट रूप से DFT या व्युत्क्रम DFT की गणना किए बिना अनुक्रम y(n) का निर्धारण कीजिए। (5 अंक) (b) (i) निम्नांकित चित्र में प्रदर्शित परिपथ में दो ट्रांजिस्टरों, Q₁ और Q₂ के लिए β₁ = 35 और β₂ = 30 हैं। प्रतिरोध R₂ परिवर्तनीय है। R_o प्रतिरोध के आर-पार निर्गत वोल्टता V_o = +5·0 V है। यदि V_CC वोल्टता को +12·0 V पर रखा जाता है, तो R₂ का मान ज्ञात कीजिए। उपयोग किए गए किसी भी सूत्र (नियम) को व्युत्पन्न कीजिए। दोनों ट्रांजिस्टरों के लिए V_BE = 0·7 V मान लीजिए : (10 अंक) (ii) निम्नांकित चित्र में प्रदर्शित एक 240 V, 50 Hz AC स्रोत से आपूर्तित एक एकल-कला, पूर्ण-तरंग सेतु डायोड दिष्टकारी (रेक्टिफायर), एक प्रतिरोधक भार R_L = 100 Ω को पोषित करता है। डायोड D_2 में दोष के कारण यह एक 1 kΩ के प्रतिरोध की तरह व्यवहार करता है। दोष की स्थिति में भार वोल्टता, भार धारा एवं स्रोत धारा के तरंगरूप को आरेखित कीजिए। इसी स्थिति में भार की औसत वोल्टता एवं r.m.s. स्रोत धारा की भी गणना कीजिए : (10 अंक) (c) एक 50 cm लम्बाई की क्षयहीन संचरण लाइन 100 MHz की आवृत्ति पर संचालित है। लाइन के प्राचल L = 0·2 μH/m और C = 80 pF/m हैं। z = 0 पर लाइन लघु परिपथ (SC) पर समाप्त होती है, तथा z = –20 cm पर लाइन के आर-पार एक भार Z_L = 50 + j20 Ω है। यदि निवेश वोल्टता 100 V है, तो Z_L भार में आपूर्ति होने वाली औसत शक्ति क्या है? (10 अंक)

Answer approach & key points

(a(i)) x(t) = cos(20*pi*t + pi/4) is ideally sampled at 30 samples/s and the impulse train is filtered by h(t) = [sin(pi t)/(pi t)] cos(80*pi*t - pi/2). Find the closed-form output signal - this needs the sampled spectrum, identification of h(t) as a narrow band-pass filter, and the magnitude AND phase of H at the surviving component. (a(ii)) Given a 9-point sequence x(n) and Y(k) = e^(j 4 pi k/3) X(k), determine y(n) WITHOUT computing any DFT - i.e. recognise the circular time-shift property and apply it. (b(i)) For the Darlington emitter-follower with a 100 k / R2 divider bias, find R2 given V_o = +5.0 V across R_o = 1 kohm, V_CC = 12 V, beta1 = 35, beta2 = 30, V_BE = 0.7 V for both. The question explicitly asks the formula used to be DERIVED, so the Darlington current relation must be shown. (b(ii)) A 240 V, 50 Hz single-phase diode bridge feeds R_L = 100 ohm; diode D2 has failed to a 1 kohm resistance. SKETCH the load voltage, load current and source current waveforms under this fault, AND calculate the average load voltage and the r.m.s. source current. Both the sketches and the two numbers carry marks. (c) A 50 cm lossless line (L = 0.2 uH/m, C = 80 pF/m) at 100 MHz is short-circuited at z = 0, with Z_L = 50 + j20 ohm shunted ACROSS the line at z = -20 cm. With 100 V at the input (z = -50 cm), find the average power delivered to Z_L.

  • f₀ = 10 Hz, f_s = 30 Hz; X_s(f) = f_s ΣX(f − kf_s), lines at ±10 + 30k Hz
  • sinc ↔ rect; h(t) is a narrow band-pass filter, pass band 39.5–40.5 Hz
  • H(40) = ½ e^(−jπ/2), gain ½ and phase −90°; only the 40 Hz line (k = 1) survives
  • y(t) = 15 cos(80πt − π/4)
  • N = 9 and e^(j4πk/3) = e^(j2πk·6/9)
  • Circular time-shift property of the DFT
  • y(n) = x((n − 3)) mod 9 (equivalently x((n + 6)) mod 9)
  • y(n) = {−2, −2, 4, 3, 5, 1, 4, −3, 5}
  • Derivation I_E2 = (1 + β₁)(1 + β₂)I_B1 and V_B1 = V_o + 2V_BE
  • I_E2 = 5 mA, I_B1 = 4.48 μA, V_B1 = 6.4 V
  • I_R1 = 56 μA and I_R2 = I_R1 − I_B1 = 51.5 μA
  • R₂ = 6.4/51.5 μA ≈ 124 kΩ
  • V_m = 339.4 V; positive half: 1100 Ω in the path, v_L = v_s/11 (peak 30.9 V)
  • Negative half: v_L = |v_s| (peak 339.4 V) and source current |v_s|(1/100 + 1/1000), peak 3.73 A
  • Three waveform sketches: unbalanced load voltage/current and asymmetric source current
  • V_L(avg) ≈ 117.9 V and I_s(rms) ≈ 1.87 A
  • Z₀ = 50 Ω, v = 2.5 × 10⁸ m/s, λ = 2.5 m (0.2 m = 0.08λ and 0.3 m = 0.12λ)
  • Shorted stub Z = j50 tan 28.8° = j27.5 Ω in parallel with Z_L: Z_j = 7.94 + j19.9 Ω
  • Z_in = 36.2 + j98.3 Ω by transforming through 0.12λ
  • P = |V|²Re(Z_in)/|Z_in|² ≈ 32.9 W (100 V taken as r.m.s.)

B

Q5
50M Compulsory calculate

(a) For the circuit given in the figure below, the input voltage signal is given by V_in = 1·5 sin 62·8t + 0·5 sin 188·4t volts. Determine the output voltage expression for each input component indicating their magnitude and phases. Derive the frequency domain expression for the output voltage : (10 marks) (b) A 110/220 V, 1·5 kVA, 50 Hz, single-phase transformer absorbs 150 W power when supplied from a 10 V DC source to its LV side with HV side shorted. It absorbs 10 W at 0·4 p.f. lag when the source voltage is changed to 10 V, 50 Hz AC at the LV side and HV side shorted. It takes 50 W power at 0·2 p.f. lag with rated voltage at LV side and HV side open. Now, if the transformer is to be used at 60 Hz frequency at rated voltage and kVA, then find (i) the maximum efficiency at unity power factor load and (ii) the no-load current, input power and power factor at the LV side with rated voltage. Neglect skin effect and stray losses. Assume linear magnetic circuit, core loss without hysteresis component and same R/X ratio at both LV and HV side. (10 marks) (c) The thyristor T in the circuit shown below is turned on at t = 0, when key K is switched off. Determine the conduction time of T and the capacitor voltage after T is turned off. Given that the inductor carries an initial current of 250 A and initial capacitor voltage is zero : (10 marks) (d) A discrete random variable has two possible values X = 1 or X = 0 with probabilities p and 1 – p, respectively. The probability density function of X is shown in the figure : [Figure : impulses versus x — height 1 – p at x = 0 and height p at x = 1] If Y = ∑_{i=1}^{n} X_i, where X_i, i = 1, 2, ..., n are statistically independent and identically distributed random variables, what is the probability distribution function of Y ? (10 marks) (e) A circuit consists of a resistor, a variable inductor and a capacitor, all in series. When the circuit is connected across a 300 V, 50 Hz supply, the maximum current is recorded as 0·3 A by varying the inductor. The voltage across the capacitor is then recorded as 900 V. Determine the resistance, inductance and capacitance of the circuit. (10 marks)

हिंदी में पढ़ें

(a) नीचे चित्र में प्रदर्शित परिपथ के लिए निवेश वोल्टता सिग्नल V_in = 1·5 sin 62·8t + 0·5 sin 188·4t volts है। निवेश के प्रत्येक घटक के लिए निर्गत वोल्टता व्यंजक का, उसके आयाम और कला को दर्शाते हुए, निर्धारण कीजिए। निर्गत वोल्टता के लिए आवृत्ति प्रक्षेत्र का व्यंजक व्युत्पन्न कीजिए : (10 अंक) (b) एक 110/220 V, 1·5 kVA, 50 Hz, एकल-कला परिणामित्र के HV छोर को लघुपथन (shorted) करते हुए इसके LV छोर को जब 10 V DC स्रोत से आपूर्ति करते हैं, तो यह 150 W की शक्ति अवशोषित करता है। HV छोर को लघुपथन रखते हुए जब LV छोर को स्रोत वोल्टता को 10 V, 50 Hz AC में परिवर्तित कर दिया जाता है, तो यह 10 W की शक्ति, 0·4 पश्च शक्ति गुणक के साथ अवशोषित करता है। जब HV छोर को खुला रखते हैं, तो LV छोर पर निर्धारित वोल्टता के साथ यह 50 W की शक्ति, 0·2 पश्च शक्ति गुणक पर अवशोषित करता है। अब यदि इस परिणामित्र को 60 Hz की आवृत्ति पर निर्धारित वोल्टता एवं kVA पर उपयोग करना है, तो ज्ञात कीजिए (i) एकल शक्ति गुणक भार पर अधिकतम दक्षता तथा (ii) निर्धारित वोल्टता के साथ, LV छोर पर शून्य-भार धारा, निवेशित शक्ति और शक्ति गुणक। मान लीजिए कि त्वचा प्रभाव एवं अनपेक्षित हानियाँ नगण्य हैं, चुम्बकीय परिपथ रेखीय है, क्रोड हानि बिना हिस्टेरेसिस घटक के है तथा LV और HV दोनों छोरों पर R/X अनुपात समान है। (10 अंक) (c) नीचे प्रदर्शित परिपथ में थाइरिस्टर T, t = 0 पर संयोजित हो जाता है, जब कुंजी K को वियोजित किया जाता है। T के चालन काल का निर्धारण कीजिए तथा T के वियोजित (turned off) होने पर संधारित्र की वोल्टता ज्ञात कीजिए। दिया गया है कि प्रेरक में 250 A की प्रारम्भिक धारा प्रवाहित हो रही है तथा संधारित्र की प्रारम्भिक वोल्टता शून्य है : (t = 0 पर वियोजित) (10 अंक) (d) एक असतत यादृच्छिक चर के दो संभावित मान X = 1 या X = 0 के लिए प्रायिकताएँ क्रमशः p और 1 – p हैं। X का प्रायिकता घनत्व फलन नीचे चित्र में प्रदर्शित है : [चित्र : x के सापेक्ष आवेग रेखाएँ — x = 0 पर ऊंचाई 1 – p तथा x = 1 पर ऊंचाई p] यदि Y = ∑_{i=1}^{n} X_i, जहाँ X_i, i = 1, 2, ..., n सांख्यिकीय रूप से स्वतंत्र और एकसमान रूप से वितरित यादृच्छिक चर हैं, Y का प्रायिकता वितरण फलन क्या है? (10 अंक) (e) एक परिपथ में एक प्रतिरोधक, एक परिवर्ती प्रेरक तथा एक संधारित्र, सभी श्रेणी में संयोजित हैं। जब परिपथ को 300 V, 50 Hz की आपूर्ति के आर-पार जोड़ा जाता है, तो प्रेरक को परिवर्तित करके अधिकतम धारा 0·3 A दर्ज की जाती है। तत्पश्चात संधारित्र के आर-पार वोल्टता 900 V दर्ज की जाती है। परिपथ का प्रतिरोध, प्रेरकत्व तथा धारिता ज्ञात कीजिए। (10 अंक)

Answer approach & key points

(a) For the op-amp circuit (series C = 1 uF, shunt R1 = 10 k into the non-inverting input, feedback R3 = 10 k with R2 = 22 k to ground), derive the frequency-domain transfer function and give the output expression - magnitude AND phase - for each of the two input components 1.5 sin 62.8t and 0.5 sin 188.4t. (b) From DC, short-circuit and open-circuit tests on a 110/220 V, 1.5 kVA, 50 Hz transformer, predict its behaviour at 60 Hz with rated voltage and kVA: (i) the maximum efficiency at unity power factor and (ii) the no-load current, input power and power factor at the LV side. The core loss is purely eddy-current (no hysteresis), which is the key to the frequency scaling. (c) A thyristor is fired at t = 0 in an L-C circuit fed by V_s = 200 V, with an initial inductor current of 250 A and zero initial capacitor voltage. Determine (a) the conduction time of T (the time for the resonant current to reach zero) and (b) the capacitor voltage at that instant. Both parts must be answered. (d) X is Bernoulli with P(X=1) = p and P(X=0) = 1-p. Y is the sum of n i.i.d. copies. State and justify the probability distribution of Y - i.e. identify it as binomial, give the pmf/CDF and (desirably) the mean and variance. (e) A series R-L-C circuit on 300 V, 50 Hz gives a maximum current of 0.3 A as L is varied, and the capacitor voltage is then 900 V. Determine all three of R, L and C.

  • High-pass RC at the input, R₁C = 0.01 s, ω_c = 100 rad/s
  • Non-inverting gain 1 + R₃/R₂ = 1.4545; V_o/V_in = 1.4545 jωR₁C/(1 + jωR₁C)
  • 1.16 sin(62.8t + 57.9°) for the first component
  • 0.642 sin(188.4t + 28.0°) for the second component; phase lead in both
  • R₁ = 0.667 Ω from the DC test; R_eq = 1.6 Ω and X_eq = 3.67 Ω from the short-circuit test
  • I₀ = 2.273 A at 50 Hz, R₀ = 242 Ω, X₀ = 49.4 Ω
  • Eddy-current core loss is independent of frequency at constant voltage: 50 W at 60 Hz
  • η_max = 86.0% at x = 0.41; I₀(60 Hz) = 1.91 A, 50 W, power factor 0.238 lag
  • ω₀ = 10⁵ rad/s and Z₀ = √(L/C) = 1 Ω
  • i(t) = 250 cos ω₀t + 200 sin ω₀t A, peak about 320 A
  • Conduction time until i = 0: 22.5 μs
  • v_C = V_s(1 − cos ω₀t) + I₀Z₀ sin ω₀t = 520 V at turn-off
  • Y is binomial B(n, p), justified from the product of moment generating functions or by counting successes
  • P(Y = k) = C(n, k) pᵏ (1 − p)^(n−k), k = 0, 1, …, n
  • Distribution function F_Y(y) as the sum of the pmf up to ⌊y⌋
  • E[Y] = np, Var[Y] = np(1 − p)
  • Maximum current means series resonance, X_L = X_C
  • R = 300/0.3 = 1000 Ω
  • X_C = 900/0.3 = 3000 Ω = X_L
  • C = 1.06 μF and L = 9.55 H; Q = 3
Q6
50M design

(a) Design a MOD-6 synchronous DOWN counter using J-K flip-flops. (20 marks) (b) A three-phase, star-connected, 415 V, 50 Hz, cage-type induction motor takes a starting current equal to 10 times of its no-load current magnitude. The starting torque is one-third (1/3 times) of its pull-out torque (POT), all under rated conditions. The motor takes 300 W input power at 0·2 p.f. lag with rated supply voltage and frequency. Its core loss has no hysteresis component. Find the starting current and input p.f. of the motor at 5 Hz supply voltage maintaining rated V/f ratio. Neglect stator leakage impedance and rotor current at no load. Assume linear magnetic circuit. (20 marks) (c) A three-stage cascade amplifier given below receives a noise power of 1×10⁻¹⁶ W. What will be the output noise power? (Diagram: P_{n_i} → 1 → 2 → 3 → P_{n_o}, with F₁ = 10, F₂ = 20, F₃ = 30; G₁ = 20, G₂ = 40, G₃ = 50) where F_i and G_i are the noise figure and gain of the iᵗʰ amplifier. (10 marks)

हिंदी में पढ़ें

(a) J-K फ्लिप-फ्लॉप का उपयोग करते हुए एक मॉड-6 तुल्यकालिक अवरोह गणित्र (सिंक्रोनस डाउन काउंटर) की रचना कीजिए। (20 अंक) (b) एक त्रि-कला, तारा-संयोजित, 415 V, 50 Hz, पिंजरा-टाइप प्रेरण मोटर की निर्धारित परिस्थितियों में प्रवर्तन (शुरुआती) धारा, शून्य-भार धारा के परिमाण की 10 गुना है तथा प्रवर्तन बल-आघूर्ण इसके अधिकतम बल-आघूर्ण (POT) का एक-तिहाई (1/3 गुना) है। निर्धारित स्रोत वोल्टता और आवृत्ति पर मोटर 300 W की निवेश शक्ति, 0·2 पश्च शक्ति गुणक पर अवशोषित करती है। इसके क्रोड क्षय में शैथिल्य (हिस्टेरेसिस) घटक नहीं है। निर्धारित V/f अनुपात बनाए रखते हुए 5 Hz की स्रोत वोल्टता पर मोटर की प्रवर्तन धारा तथा निवेश शक्ति गुणक ज्ञात कीजिए। स्थिर भाग (स्टेटर) की रिसाव (लीकेज) प्रतिबाधा एवं शून्य भार पर घूर्णक (रोटर) धारा को नगण्य मान लीजिए। चुम्बकीय परिपथ को रेखीय मान लीजिए। (20 अंक) (c) नीचे प्रदर्शित एक तीन-चरण सोपान (कैस्केड) प्रवर्धक (ऐम्प्लीफायर) 1×10⁻¹⁶ W की शक्ति प्राप्त करता है। निर्गत रव शक्ति क्या होगी? (आरेख: P_{n_i} → 1 → 2 → 3 → P_{n_o}, जहाँ F₁ = 10, F₂ = 20, F₃ = 30; G₁ = 20, G₂ = 40, G₃ = 50) जहाँ F_i और G_i, iवें प्रवर्धक के रव अंक और लाभांक हैं। (10 अंक)

Answer approach & key points

(a) Full synchronous sequential design of a MOD-6 DOWN counter with J-K flip-flops: state sequence, state/excitation table, K-map simplification for all six J and K inputs, the logic diagram, and a check on the unused states. (b) For a 415 V, 50 Hz star-connected cage induction motor with starting current = 10 x no-load current, starting torque = (1/3) x pull-out torque, and no-load input 300 W at 0.2 pf lag, find the starting current AND the input power factor at 5 Hz with the rated V/f ratio maintained. Stator leakage impedance and no-load rotor current are neglected; core loss has no hysteresis component. (c) A three-stage cascade with F1 = 10, F2 = 20, F3 = 30 and G1 = 20, G2 = 40, G3 = 50 receives 1 x 10^-16 W of noise power. Compute the OUTPUT noise power, which needs Friis' formula for the overall noise figure and the definition of noise figure.

  • Three flip-flops (2³ ≥ 6) with a common clock; down sequence 101-100-011-010-001-000-101
  • J-K excitation table and the state/excitation table for all six transitions
  • J₀ = K₀ = 1, J₁ = Q₂Q₀′, K₁ = Q₀′, J₂ = Q₁′Q₀′, K₂ = Q₀′ from K-maps with 110 and 111 as don't cares
  • Logic diagram and check that 110 and 111 return to the sequence (self-correcting)
  • V_ph = 239.6 V, I₀ = 2.087 A, R_c = 574 Ω, X_m = 117.2 Ω
  • T_st/T_max = 2s_m/(1 + s_m²) = ⅓ gives s_m = 3 − 2√2 = 0.172 = R₂′/X₂′
  • |I₀ + I₂′| = 10 I₀ gives X₂′ = 12.57 Ω and R₂′ = 2.16 Ω at 50 Hz
  • At 5 Hz: V = 23.96 V, X₂′ = 1.257 Ω, X_m = 11.72 Ω, R₂′ and R_c unchanged; I_st = 10.8 A at pf 0.771 lag
  • Friis' formula F = F₁ + (F₂ − 1)/G₁ + (F₃ − 1)/(G₁G₂)
  • F ≈ 10.99 and G = 40 000
  • Noise figure definition N_o = F G N_i
  • P_no ≈ 4.39 × 10⁻¹¹ W
Q7
50M construct

(a) Design a Programmable Logic Array (PLA) for a combinational logic circuit that computes the square of 3-bit binary numbers. Determine the minimum number of product terms required and construct the corresponding PLA programming table for the implementation. (20 marks) (b) (i) A single-phase, one-pulse, SCR-controlled converter with R-L-E load has the following data : Supply voltage Vs = 230 V at 50 Hz, R = 2 Ω, L = 1 mH, E = 120 V, firing angle α = 25° and extinction angle β = 220° 1. Calculate the voltage across the SCR at the instant SCR is triggered. 2. Find the voltage that appears across the SCR when current decays to zero. 3. Find the peak inverse voltage for the SCR. (10 marks) (ii) For a type-A chopper feeding an R-L-E load, show that the maximum value of average current rating for the freewheeling diode, in case the load current remains continuous, is given by Ifd max = [ Vs/4R (1 − E/Vs)² ] where Vs is the input voltage to the chopper. (10 marks) (c) The signal m(t) shown in the following figure is used once to frequency modulate a carrier and once to phase modulate the same carrier : Find the relation between k_p and k_f such that the maximum phase of the modulated signal in both the cases is equal, where k_p and k_f are phase and frequency sensitivities, respectively of the modulator. (10 marks)

हिंदी में पढ़ें

(a) एक संयोजनात्मक (कॉम्बिनेशनल) तार्किक परिपथ के लिए एक क्रमादेश्य (प्रोग्रामेयोग्य) तार्किक व्यूह (सरणी) [PLA] की रचना कीजिए, जो कि 3-बिट बाइनरी अंकों के वर्ग की गणना करता है। आवश्यक गुणनपदों (प्रोडक्ट टर्म) की न्यूनतम संख्या निर्धारित कीजिए और इसके कार्यान्वयन के लिए संबंधित PLA प्रोग्रामिंग सारणी की रचना कीजिए। (20 अंक) (b) (i) R-L-E भार के साथ एक एकल-कला, एकल-स्पंद (पल्स), SCR-नियंत्रित परिवर्तक के आँकड़े निम्नलिखित हैं : स्रोत वोल्टता Vs = 230 V, 50 Hz, R = 2 Ω, L = 1 mH, E = 120 V, उत्तेजन (फायरिंग) कोण α = 25° और विलुप्त कोण β = 220° 1. उत्तेजन के समय SCR के आर-पार वोल्टता की गणना कीजिए। 2. जब SCR की धारा शून्य हो जाती है, तो इसके आर-पार वोल्टता ज्ञात कीजिए। 3. SCR की शिखर व्युत्क्रम वोल्टता (पीक इन्वर्स वोल्टेज) ज्ञात कीजिए। (10 अंक) (ii) R-L-E भार का पोषण करने वाले एक टाइप-A चॉपर की भार धारा यदि अनवरत रहती है, तो दर्शाइए कि इसके फ्रीह्वीलिंग डायोड की औसत धारा की अनुमत सीमा का अधिकतम मान Ifd max = [ Vs/4R (1 − E/Vs)² ] से दिया जाता है, जहाँ पर Vs, चॉपर की निवेश वोल्टता है। (10 अंक) (c) निचे प्रदर्शित चित्र में, संकेत m(t) को एक बार किसी वाहक (कैरियर) को आवृत्ति मॉडुलित करने के लिए तथा एक बार उसी वाहक को कला मॉडुलित करने के लिए प्रयोग किया जाता है : k_p और k_f के बीच संबंध ज्ञात कीजिए, जबकि मॉडुलित संकेत की अधिकतम कला दोनों ही दशाओं में समान है, जहाँ k_p और k_f क्रमशः मॉडूलक की कला एवं आवृत्ति संवेदनशीलताएँ हैं। (10 अंक)

Answer approach & key points

(a) Design a PLA that squares a 3-bit binary number: build the truth table, minimise all output functions, determine the MINIMUM number of product terms, and construct the PLA programming table. All three deliverables (minimum product-term count, simplified expressions, programming table) are demanded. (b(i)) For a single-phase half-wave (one-pulse) SCR converter with R-L-E load (Vs = 230 V, 50 Hz, R = 2 ohm, L = 1 mH, E = 120 V, alpha = 25 deg, beta = 220 deg), find three voltages across the SCR: (1) at the triggering instant, (2) when the current decays to zero, and (3) the peak inverse voltage. (b(ii)) Prove (not merely quote) that for a type-A chopper feeding an R-L-E load in continuous conduction, the maximum average freewheeling-diode current is I_fd(max) = (Vs/4R)(1 - E/Vs)^2. Requires the average-current expression and an optimisation over the duty ratio. (c) The given piecewise signal m(t) modulates a carrier once in FM and once in PM. Find the relation between k_p and k_f that makes the MAXIMUM phase deviation equal in the two cases. Requires max|m(t)| for PM and max|integral of m| for FM.

  • Squares 0, 1, 4, 9, 16, 25, 36, 49 need six output bits
  • B₀ = A₀, B₁ = 0, B₂ = A₁A₀′, B₃ = A₂′A₁A₀ + A₂A₁′A₀, B₄ = A₂A₁′ + A₂A₀, B₅ = A₂A₁
  • Minimum of 7 distinct product terms
  • Programming table for the AND plane (3 inputs, 7 terms) and OR plane (6 outputs), a 3 × 7 × 6 PLA
  • V_m = 325.3 V and v_SCR = v_s − E while the SCR is blocking
  • +17.5 V at α = 25°
  • −329 V at β = 220°
  • PIV = V_m + E = 445 V
  • V_o = δV_s and I_a = (δV_s − E)/R for continuous conduction
  • Diode conducts for (1 − δ)T, so I_fd = (1 − δ)I_a
  • Differentiation gives δ_opt = ½(1 + E/V_s), with a second-derivative check
  • Substitution gives I_fd,max = (V_s/4R)(1 − E/V_s)²
  • PM phase k_p m(t), maximum k_p × 1
  • FM phase 2πk_f ∫m dt
  • max|∫m| = 1.5 at t = 2 s, so maximum FM phase 3πk_f
  • k_p = 3πk_f ≈ 9.42 k_f
Q8
50M solve

(a) A 6·6 kV, three-phase, star-connected, cylindrical-rotor alternator develops rated voltage on open circuit with a field current of 5 A. With its armature short-circuited through equal impedances, it takes an armature current of 100 A at 0·2 power factor lagging, with a field current of 1·0 A. All this occurs at rated speed. At its rated speed, the alternator delivers maximum power to a 6·6 kV bus with a field current of 4·5 A. Find (i) the powers generated and delivered by the alternator, (ii) the load angle, and (iii) the power factor and the reactive power of the alternator. Assume the magnetic circuit to be linear. (20 marks) (b) (i) A 240 V, 1200 r.p.m., 15 A, separately excited DC motor has armature resistance of 1·0 Ω. The motor is operated under dynamic braking with chopper control. The braking resistance has a value of 20 Ω. 1. Calculate the duty ratio of the chopper for the motor speed of 1000 r.p.m. and braking torque equal to 1·5 times the rated motor torque. 2. What will be the motor speed for the duty ratio of 0·5 and motor torque equal to its rated torque? (10 marks) (ii) A 200 V, 875 r.p.m., 150 A, separately excited DC motor has an armature resistance of 0·06 Ω. It is fed from a single-phase fully controlled rectifier with an AC source voltage of 230 V, 50 Hz. Assuming the continuous conduction, calculate the— 1. firing angle (α) for rated motor torque and 750 r.p.m.; 2. firing angle for rated motor torque and (–500) r.p.m.; 3. motor speed for α = 160° and rated torque. (10 marks) (c) An FM signal with a frequency deviation of 15 kHz at a modulation frequency of 5 kHz is applied to two frequency multipliers connected in cascade. The first multiplier multiplies the frequency by 1.5 times and the second multiplier multiplies it by 4 times. Determine the frequency deviation and the modulation index of the FM signal obtained at second multiplier output. Also compute the approximate bandwidth of the FM signal. (10 marks)

हिंदी में पढ़ें

(a) एक 6·6 kV, त्रि-कला, तारा-संयोजित, बहुल (बेलनाकार) घूर्णक (रोटर) प्रत्यावर्तित्र खुले परिपथ पर 5 A क्षेत्र धारा के साथ निर्धारित वोल्टता विकसित करता है। इसके आर्मेचर को समान रूप से लघुपथन (शार्ट) करने पर यह 1·0 A की क्षेत्र धारा के साथ 100 A की आर्मेचर धारा, 0·2 पश्च शक्ति गुणक पर लेता है। ये सब निर्धारित गति पर होता है। प्रत्यावर्तित्र अपनी निर्धारित गति पर 6·6 kV बस को, 4·5 A की क्षेत्र धारा के साथ, अधिकतम शक्ति प्रदान करता है। ज्ञात कीजिए (i) प्रत्यावर्तित्र द्वारा उत्पादित एवं प्रदत्त शक्तियाँ, (ii) भार कोण तथा (iii) शक्ति गुणक और प्रत्यावर्तित्र की प्रतिघाती शक्ति। चुम्बकीय परिपथ को रेखीय मान लीजिए। (20 अंक) (b) (i) एक 240 V, 1200 r.p.m., 15 A, पृथक् रूप से उत्तेजित DC मोटर का आर्मेचर प्रतिरोध 1·0 Ω है। यह मोटर, एक चॉपर द्वारा नियंत्रित गतिशील (डाइनैमिक) ब्रेकिंग के तहत संचालित है। ब्रेकिंग प्रतिरोध का मान 20 Ω है। 1. 1000 r.p.m. की गति एवं मोटर के निर्धारित बल-आघूर्ण का 1·5 गुना ब्रेकिंग बल-आघूर्ण के लिए चॉपर के कर्मचक्र अनुपात की गणना कीजिए। 2. 0·5 कर्मचक्र अनुपात एवं मोटर के निर्धारित बल-आघूर्ण के लिए मोटर की गति क्या होगी? (10 अंक) (ii) एक 200 V, 875 r.p.m., 150 A, पृथक् रूप से उत्तेजित DC मोटर का आर्मेचर प्रतिरोध 0·06 Ω है। यह एक एकल-कला पूर्ण नियंत्रित दिष्टकारी (रेक्टिफायर) द्वारा पोषित है, जिसकी AC स्रोत वोल्टता 230 V, 50 Hz है। अनवरत चालन मानते हुए गणना कीजिए— 1. निर्धारित मोटर बल-आघूर्ण एवं 750 r.p.m. की गति के लिए उत्तेजन (फायरिंग) कोण (α); 2. निर्धारित मोटर बल-आघूर्ण एवं (–500) r.p.m. गति के लिए उत्तेजन कोण; 3. निर्धारित मोटर बल-आघूर्ण एवं उत्तेजन कोण α = 160° के लिए मोटर की गति। (10 अंक) (c) सोपान (कैस्केड) में संयोजित दो आवृत्ति गुणकों पर 5 kHz मॉडुलन आवृत्ति और 15 kHz आवृत्ति विचलन का एक FM संकेत निवेशित है। पहला आवृत्ति गुणक आवृत्ति को 1.5 से, और दूसरा आवृत्ति गुणक आवृत्ति को 4 से गुणा करता है। दूसरे गुणक के निर्गम से प्राप्त FM संकेत का आवृत्ति विचलन एवं मॉडुलन सूचकांक (इंडेक्स) का निर्धारण कीजिए। FM संकेत की बैंड चौड़ाई (बैंडविड्थ) की भी सन्निकट गणना कीजिए। (10 अंक)

Answer approach & key points

(a) A 6.6 kV star-connected cylindrical-rotor alternator delivering MAXIMUM power to a 6.6 kV bus with I_f = 4.5 A. Using the OC (rated voltage at 5 A) and SC (100 A at 0.2 pf lag with 1.0 A) data, find (i) both the generated and the delivered power, (ii) the load angle and (iii) the power factor and reactive power. All three parts required. (b(i)) A 240 V, 1200 rpm, 15 A separately excited DC motor (R_a = 1.0 ohm) under chopper-controlled dynamic (rheostatic) braking with R_B = 20 ohm. Find (1) the duty ratio for 1000 rpm at 1.5 times rated braking torque and (2) the speed for duty ratio 0.5 at rated torque. (b(ii)) A 200 V, 875 rpm, 150 A separately excited DC motor (R_a = 0.06 ohm) fed by a single-phase fully controlled rectifier from 230 V, 50 Hz in continuous conduction. Compute (1) alpha for rated torque at 750 rpm, (2) alpha for rated torque at -500 rpm and (3) the speed at alpha = 160 degrees with rated torque. (c) An FM signal with 15 kHz deviation at a 5 kHz modulating frequency passes through cascaded frequency multipliers of 1.5 and 4. Find the output frequency deviation, the output modulation index and the approximate (Carson) bandwidth. All three quantities required.

  • V = 3810.5 V/phase; E ∝ I_f so E = 3429.5 V at 4.5 A
  • Z_s = 7.62 Ω at 78.46°, R_a = 1.524 Ω, X_s = 7.47 Ω
  • Maximum power delivered when δ = θ = 78.5°; P_del = 4.00 MW
  • P_gen = 5.66 MW (I = 602 A, copper loss 1.66 MW); pf 0.581 leading; Q ≈ 5.6 MVAr absorbed
  • Kφ = 225/1200 = 0.1875 V/rpm
  • Effective braking resistance (1 − δ)R_B and E = I_a[R_a + (1 − δ)R_B]
  • 1.5 × rated torque gives I_a = 22.5 A; δ = 0.633
  • δ = 0.5 at rated torque gives E = 165 V, N = 880 rpm
  • V_dc = (2V_m/π) cos α = 207.07 cos α; Kφ = 0.2183 V/rpm
  • 750 rpm: V_dc = 172.7 V, α = 33.5°
  • −500 rpm: V_dc = −100.1 V, α = 118.9° (inverting mode)
  • α = 160°: V_dc = −194.6 V, N ≈ −933 rpm
  • Overall multiplication factor 6
  • Deviation 6 × 15 = 90 kHz; f_m stays 5 kHz
  • Modulation index β = 90/5 = 18
  • Carson's rule BW = 2(Δf + f_m) = 190 kHz

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