23
WWW.DOCIRCUITS.COM WWW.DOCIRCUITS.COM © Basic Electronics with DoCircuits Topic: Semiconductor diode Crystal diode Keywords: Diode, Rectifier, Center tap Q1. A crystal diode having an internal resistance r t = 10 Ω is used for center tapped full wave rectification. If the applied voltage is V = 50 sin (πt) and the load resistance is R L = 1 kΩ, determine the followings: Draw the input and output voltage and current waveforms. The efficiency of the circuit. The Ripple factor. Ans: (Figure: Circuit arrangement of centretap Fullwave rectifier) Data given: In a cerrtetap full wave rectifier the internal resistance of diodes D 1 &D 2 i.e. r f = 10Ω The applied input voltage, V=50 sin (πt) As the input applied voltage is V = 50 sin πt which is a sinusoidal signal can be represented as below.

Electronics Circuits : EBOOK

Embed Size (px)

DESCRIPTION

This is a book integrated with practice using www.DoCircuits.com. There are few questions and answers in this book, and is integrated with virtual lab practice.

Citation preview

Page 1: Electronics Circuits : EBOOK

   WWW.DOCIRCUITS.COM  

WWW.DOCIRCUITS.COM  ©  

Basic  Electronics  with  DoCircuits    

Topic:  Semiconductor  diode-­‐  Crystal  diode  

Keywords:  Diode,  Rectifier,  Center  tap  

Q1.     A  crystal  diode  having  an  internal  resistance  rt  =  10  Ω  is  used  for  center  tapped  full  wave  rectification.    If  the  applied  voltage  is  V  =  50  sin  (πt)  and  the  load  resistance  is  RL  =  1  kΩ,  determine  the  followings:  

Draw  the  input  and  output  voltage  and  current  waveforms.  

   The  efficiency  of  the  circuit.  

The  Ripple  factor.        

Ans:  

                                                                                   

                               (Figure:  Circuit  arrangement  of  centre-­‐tap  Fullwave  rectifier)  

  Data  given:  In  a  cerrte-­‐tap  full  wave  rectifier  the  internal  resistance  of  diodes  D1  &  D2  i.e.  rf  =  10Ω  

  The  applied  input  voltage,  V=50  sin  (πt)  

As  the  input  applied  voltage  is  V  =  50  sin  πt  which  is  a  sinusoidal  signal  can  be  represented  as  below.  

Page 2: Electronics Circuits : EBOOK

   WWW.DOCIRCUITS.COM  

WWW.DOCIRCUITS.COM  ©  

                                                             

 

Operation:  During  +ve    half  cycle  (i.e.  o-­‐π)  the  diode  D1  will  conduct  due  to  forward  bias  and  diode  D2  will  be  OFF  due  to  reverse  bias  so  that  the    current  will  flow  at  the  upper  half  portion  of  the  circuit.    As  a  result  a  voltage  will  develop  across  load  RL.  

Similarly  during  –  ve  half  cycle  (i.e.  π-­‐2π)  the  diode  D2  will  conduct  due  to  forward  bias  and  diode  D1  will  conduct  due  to  forward  bias  and  diode  D1  will  be  OFFdue  to  reverse  bias  so  that  the  current  will  flow  at  the  lower  half  portion  of  the  circuit.    As  a  result  a  voltage  will  develop  across  load  RL.  

It  is  observed  that  the  current  which  will  flow  through  load  RL  is  unidirectional  during  both  half  cycle  hence  an  pulsating  during  both  half  cycle  hence  an  pulsating  dc  voltage  obtained  across  load  RL.  

The  input  and  output  waveform  of  centre  trapped  full  wave  rectifier  is  shown  in  figure  below.  

                                             

Page 3: Electronics Circuits : EBOOK

   WWW.DOCIRCUITS.COM  

WWW.DOCIRCUITS.COM  ©  

                                                 (Figure  (b)  Output  waveform  of  centre  tapped  F.W.R.)  

The  efficiency  of  the  circuit.  

Ans.    Maxm  load  current,  

Imax  =  Vmax  /  rf  +  RL    =    50V/(10+1000)Ω  

=50V/1010Ω    =    49.5  m  amp  

The  average  current,  Idc    =    21max  /  Ω  

  =31.5  m  amp  

The  r.m.s.  current,  Irms  =  Imax  /  Square  root  2  =  35  m  amp  

 

Rectification  efficiency  (ŋ)  –  It  is  defined  as  the  ratio  of  dc  output  power  to  the  input  ac  power  i.e.  

%ŋ  =  Podc  /  Piac    x    100%  =  12  d  RL  /  I

2rms  (rf+RL)  

Where  Podc  =  output  dc  power  

Piac  =  input  ac  power  

=  (31.5  m  amp)2    x  1kΩ  /  (35m  amp)2  x  1010Ω  

0.99225  /  1.23725  x  100%  =  80.19%  

 

The  Ripple  factor.  

Ans.  Ripple  factor  (r):  It  is  defined  as  the  ratio  of  r.m.s.  value  of  ac  component  to  the  dc  component  in  the  rectifier  output    

 

 

 

Page 4: Electronics Circuits : EBOOK

   WWW.DOCIRCUITS.COM  

WWW.DOCIRCUITS.COM  ©  

Practice  :  Try  this  out  in  the  virtual  lab  

URL  :  http://www.docircuits.com/circuit-­‐editor/3  

 

 

Topic:  Transistor-­‐Biasing  

Keywords:  Transistor,  BJT,  Bias  

Q.2.  (a)  Explain  the  difference  between  Voltage  divider  bias  and  Self  bias  circuits.  

Ans.   The  difference  between  voltage  divider  bias  and  self  bias  circuit  given  below.  

Self  bias:  The  self  bias  circuit  doesn’t  provide  good  stabilization  for  high  base  voltage.    For  improving  the  performances  of  self  bias  either  increase  the  base  resistor  RB  or  decrease  the  base  bias  supply  voltage  or  both.  

Voltage  divider  bias:  The  voltage  divider  bias  provides  a  better  stabilization  than  others,  for  base  voltage  (VB)  where  the  level  of  VB  depends  on  resistor  R2  and  R2  can  be  change  by  using  a  variable  resistor  so  that  it  divides  the  supply  voltage  Vcc  among  resistors  R1  and  R2.  

Page 5: Electronics Circuits : EBOOK

   WWW.DOCIRCUITS.COM  

WWW.DOCIRCUITS.COM  ©  

(b)For  the  circuit  shown  below,  determine  IB,  ICQ,  VE,  VCEQ  and  VB  where  symbols  denote  their  usual  meaning.  

                                             

Data  given:  

  Biasing  resistors  R1  &  R2  =  510kΩ  Collector  resistor  RC  =  9.1kΩ  

  Emitter  resistor  RE  =  7.5kΩ  

  Supply  voltages,  +VCC  =  +18V  

      &  -­‐VCC  =  -­‐18V  

  Current  amplification  factor  β  =  130  

Let  Base  current  is  IB    

Collector  current  is  IC    

Emitter  current  is  IE    

Page 6: Electronics Circuits : EBOOK

   WWW.DOCIRCUITS.COM  

WWW.DOCIRCUITS.COM  ©  

Collector  voltage  is  VC    

&  emitter  voltage  is  VE.  

The  given  circuit  can  be  simplified  and  base  current  can  be  calculated  by  using  Thevenin  theorem  where,  Thevenin  equivalent  voltage  VTh  can  be  obtained  as  below.  

 

 

In  circuit  applying  KVL  at  indicated  loop,  the  expression  is    

18V  –  I  x  510K  –  I  x  510K  +18=0  

I  =  36  /  1020K  

So  that  Vth  =-­‐18+36/1020K  x  510K  =  0volt  

The  Thevenin  equivalent  resistance  Rth  is  obtained  as  below  

Page 7: Electronics Circuits : EBOOK

   WWW.DOCIRCUITS.COM  

WWW.DOCIRCUITS.COM  ©  

                                                                                     

 

Rth    =  510K      510K  

                 =  255kΩ  

The  resultant  Thevenin  circuit  for  given  circuit  is  as  given  below:  

 

 

Applying  KVL  in  the  input  loop  the  expression  is    

-­‐255KIB  –  0.7V  –  (β+1)  IB  x  7.5K  +  18=0  

IB  (255+131x7.5)K  =  (18-­‐0.7)V  

Page 8: Electronics Circuits : EBOOK

   WWW.DOCIRCUITS.COM  

WWW.DOCIRCUITS.COM  ©  

IB  =  17.3V  /  1237.5K  =  13.97  µamp.  

Therefore  Collector  current  IC  =  βIB  =  130  x  0.1397  

=1.817  MA  

Therefore  Emitter  voltage  VE=  -­‐18+1.817  Max  7.5KΩ  

=-­‐4.37  Volt.  

Applying  KVL  to  the  output  loop;  the  expression  is  

18V  –  1.817mA  x  9.1  KΩ  -­‐  VCE    

-­‐1.817mA  x  7.5kΩ+18V=0  

VCE  =  36V  –  1.817  mAx16.6  kΩ=5.83  Volt.  

The  collector  voltage  VC  =  VCE  +  VE    

=5.83  volt  +  (-­‐4.374_  =  1.46  volt.  

Practice  :  Try  this  out  in  the  virtual  lab  

URL  :  http://www.docircuits.com/circuit-editor/9

 

Page 9: Electronics Circuits : EBOOK

   WWW.DOCIRCUITS.COM  

WWW.DOCIRCUITS.COM  ©  

Topic:  Operational  amp  

Keywords:  Operational  Amplifier,  Inverting  

Q3  (a)      Write  ideal  characteristics  of  an  opamp.  

Ans:  The  ideal  characteristics  of  an  op-­‐amp  is  given  below:  

Open  loop  again,  A  is  infinite.  

Input  resistance  R1  is  infinite  

Output  resistance  Ro  is  zero.  

Output  signal  ins  zero  when  input  signal  is  zero.  

CMRR  (Common  Mode  Rejection  Ratio)  zero.  

Bandwidth,  BW  is  infinite.  

Slew  Rate  (SR)  is  infinite.  

 

(b)     Draw  circuits  for  both  inverting  and  non-­‐inverting  amplifiers  using  opamp.    Derive  an  expression  for  the  gain  of  an  inverting  amplifier.  

Ans.     The  circuit  for  Inverting  Amplifier  using  op-­‐amp  is  shown  below.  

                         

                                                                                     (Figure:  Circuit  of  Inverting  Amplifier)  

Page 10: Electronics Circuits : EBOOK

   WWW.DOCIRCUITS.COM  

WWW.DOCIRCUITS.COM  ©  

                                                                                       

                                                                                 (Figure:  Non-­‐inverting  Amplifier)  

 

                 Applying  Kirchoff’s  current  law  at  node  ‘V2’  of  an  inverting  amplifier,  the  current  expression  can  be  written  as  

I1  =  IF  +IB                         …(1)                      

As  Ri  (input  resistance  of  op-­‐amp)  is  very  large  

 IB  =  0  µA  

Therefore  I1  =  IF                          

Vin    -­‐    V2/R1    =    V2-­‐V0  /RF                       …(2)  

 

Again  the  open  loop  gain,  A=  VO  /  Vd    =    VO  /  V1  –  V2  

As  Voltage  at  Non-­‐inverting  terminal  (V1)  is  zero    

Hence  the  ouput  voltage  (VO)  =  -­‐AV2    

Voltage  at  Inverting  terminal,  V2  =  -­‐VO/A             …(3)  

Substituting  the  eqn  (3)  at  eqn  (2),  it  can  be  written  as    

Page 11: Electronics Circuits : EBOOK

   WWW.DOCIRCUITS.COM  

WWW.DOCIRCUITS.COM  ©  

 

Vin  +  VO  /  A  /  R1  =      -­‐VO  –  VO  /A  /  RF    

So  the  closed  loop  gain  of  the  ckt.  i.e.  

AF  =  VO  /  Vin    =      -­‐A  RF  /  R1  +  RF  +  ARI        (Exact)             …(4)  

As  A  =  106  (For  an  ideal  op-­‐amp)  

Therefore  AR1  >>  R1  +  RF    

Therefore  AF  =  -­‐RF  /  R1        (Ideal)  

Practice  :  Try  this  out  in  the  virtual  lab  

URL1  :  http://www.docircuits.com/circuit-editor/4

 

 

 

Page 12: Electronics Circuits : EBOOK

   WWW.DOCIRCUITS.COM  

WWW.DOCIRCUITS.COM  ©  

URL2  :  http://www.docircuits.com/circuit-editor/5

Topic:  Diode  applications  

Keywords:  Diode,  Clipper,  Wave  shaping  network  

Q.4.  (a)    What  is  a  clipper  circuit  ?  Explain  with  an  example.      

             (b)    Analyze  and  draw  the  output  waveform  of  the  following  circuit  when  Vi=5  Sin  (100πt).      

Ans.  Clipper  Circuit:  The  circuit  with  which  the  waveform  is  shaped  by  removing  (or  clipping)  a  portion  of  the  applied  wave  is  known  as  a  clipping  circuit/clipper/clipper  circuit.  

The  clipper  circuit  may  be  classified  into  three  type  depending  upon  its  clipping  action  i.e.  

Positive  clipper.  

Negative  clipper.  

Biased  clipper.  

Page 13: Electronics Circuits : EBOOK

   WWW.DOCIRCUITS.COM  

WWW.DOCIRCUITS.COM  ©  

The  Half  wave  rectifier  is  an  example  of  a  clipper  which  eliminates  one  of  the  alterations  of  an  ac  signal.  

Explanation:  

  Let  us  consider  a  half  wave  rectifier  ckt  which  given  below:  

                                                     

 

                                                                                                       (Input  wave  form)  

                                 

Page 14: Electronics Circuits : EBOOK

   WWW.DOCIRCUITS.COM  

WWW.DOCIRCUITS.COM  ©  

                                                                                         

                                                                                                                 (Output  wave  form)  

                                                                                                       (Figure  –  b)  

Consider  diode  is  an  ideal  diode  [i.e  it  becomes  short  circuit  when  it  will  forward  bias  i.e  VD  >  0  volt  and  open  circuit  when  it  will  reverse  bias  VD<0V,  where  VD  is  the  voltage  across  diode]  

So  during  the  +Ve  half  cycle  of  an  i/p  ac  signal  (ie  from  0  to  π)  the  diode  will  be  forward  bias  &  make  it  short  circuited.    So  that  there  will  be  a  current  which  flow  through  ‘RL’  

So  that  we  can  obtain  an  output  voltage  which  shown  in  figure  (b).  

But  during  negative  half  cycle  of  an  signal  (ie  from  ‘π’  to  2π)  the  diode  becomes  reverse  bias  so  it  makes  an  open  circuited.    As  a  result  the  current  flow  through  diode  is  zero.    Hence  the  output  voltage  is  zero  during  this  period.  

N.B.:  From  the  input  &  Output  waveform  it  is  clear  that  by  help  of  the  above  circuit  we  can  obtain  the  output  during  +ve  cycle  only  not  in  negative  cycle.    Hence  this  circuit  is  called  as  “Series  negative  clipper”  circuit.  

 

 

 

Page 15: Electronics Circuits : EBOOK

   WWW.DOCIRCUITS.COM  

WWW.DOCIRCUITS.COM  ©  

Practice  :  Try  this  out  in  the  virtual  lab  

URL  :  http://www.docircuits.com/circuit-editor/2

Q.  (b)    Analyze  and  draw  the  output  waveform  of  the  following  circuit  when  Vi=5  Sin  (100πt).  

 

                                           

 

Page 16: Electronics Circuits : EBOOK

   WWW.DOCIRCUITS.COM  

WWW.DOCIRCUITS.COM  ©  

 

Ans.    

                                                                                                                         

 

This  is  positive  biased  clamper  circuit.    The  circuit  can  be  analyzed  as  follows.  

During  “-­‐Ve”  half  cycle  of  input  signal,  the  diode  is  forward  biased.    The  network  will  appear  as  shown  in  figure  below.  

                                           

From  the  above  figure  it  is    clear  that  the  output  voltage,  VO  =  -­‐3.7  volt.  

Further  applying  Kirchholff’s  voltage  law  to  the  input  loop  we  have  

-­‐3.7V  –  VC  +  5V  =  0  

=VC=5V-­‐3.7V  =  1.3  Volt  

Therefore  the  capacitor  will  charge  upto  1.3  volt.  

Page 17: Electronics Circuits : EBOOK

   WWW.DOCIRCUITS.COM  

WWW.DOCIRCUITS.COM  ©  

During  the  positive  half  cycle  of  the  input  signal,  the  diode  is  reverse  biased  and  will  behave  as  open  circuits  as  shown  in  figure  below.  

     

 

Now  battery  of  -­‐3V  has  no  effect  on  ‘VO’.  

 

 

Applying  Kirchhoff’s  voltage  law  to  the  outside  loop  of  above  figure  we  have  

5V+VC  -­‐  VO  =0  

=VO=5V+VC=5V+1.3  Volt=6.3  Volt  

The  clamper  output  is  shown  in  figure  below.  

Page 18: Electronics Circuits : EBOOK

   WWW.DOCIRCUITS.COM  

WWW.DOCIRCUITS.COM  ©  

                                                                                       

N.B.:  The  output  swing  of  10V  matches  with  the  input  swing.  

Practice  :  Try  this  out  in  the  virtual  lab  

URL  :  http://www.docircuits.com/circuit-editor/8

Page 19: Electronics Circuits : EBOOK

   WWW.DOCIRCUITS.COM  

WWW.DOCIRCUITS.COM  ©  

Topic:  Opamp  

Keywords:  Op-­‐amp,  summing  amplifier  

Q.  5.    Find  out  the  output  voltage  for  the  circuit  given  in  the  Figure  below.    Derive  the  necessary  equation.  

                                                     

 

Ans:  

               

 

Page 20: Electronics Circuits : EBOOK

   WWW.DOCIRCUITS.COM  

WWW.DOCIRCUITS.COM  ©  

Consider    the  different  voltage  &  current  with  different  nodes  &  different  paths  as  shown  in  figure  above.  

The  above  circuit  can  be  simplified  by  using  virtual  ground  concept  for  getting  its  output  voltage  VO.  

As  per  virtual  ground  concept  

Let  (i)  AV  =∞=Vd=0  Volt  

=VA  –  VB  =  O  Volt  

But  from  above  circuit  as  VB=0  volt  

Hence  VA  =  0  Volt.  

Again  Ri  =∞Ω.  So  Ii  =  0mAmP  

Applying  KCI  at  node  A  we  can  obtain    

Iin  =  IF    

=I1+I2+I3=IF    

=1V  –  VA  /  20K    +  2V-­‐VA/10K  +  5V  –  VA/30K  =  VA-­‐V0/150K  

=1V/20K  +  2V/10K+5V/30K=-­‐VO/150K[as  VA=0V]  

=V0=-­‐150K  [1V/20K  +  2V  /  10K  +  5V/30K]  

=-­‐  150K/20K  x  1  -­‐150K/10K  x  2V  -­‐150K/30K  x  5V  

=-­‐7.5V  –  30V  –  25V=-­‐62.5  Volt  

 

 

 

 

 

Page 21: Electronics Circuits : EBOOK

   WWW.DOCIRCUITS.COM  

WWW.DOCIRCUITS.COM  ©  

Practice  :  Try  this  out  in  the  virtual  lab  

URL  :  http://www.docircuits.com/circuit-editor/7

 

 

Topic:  Transistor  Biasing  

Keywords:  Transistor,  BJT,  Bias    

Q.6.    Find  Q-­‐  Point  of  the  fixed  bias  circuit  having  ‘Si’  transistor  with  dc  bias  β=50.    Assume  VBE=0.6  Volt.  

                                                                     

Page 22: Electronics Circuits : EBOOK

   WWW.DOCIRCUITS.COM  

WWW.DOCIRCUITS.COM  ©  

Ans.  

Data  given:  The  collector  resistor  RC=2.2KΩ  

Base  resistor    RB  =  270  KΩ  

Supply  voltage,  VCC  =  9V  

Current  amplification  factor  β=50V.  

Base  to  emitter  voltage,  VBE  =0.6  V.  

Let  base  current  is  IB.    

Collector  current  is  IC.  

&  emitter  current  is  IE.  

Collector  to  emitter  voltage  is  VCE  

Redraw  the  above  circuit  as  per  the  following  circuit.  

  Applying  KVL  at  input  loop  we  can  obtain    

  VCC  –  IBRB  –  VBE  =  0  

=IB  =  VCC  –  VBE  /  RB    

=9V  –  0.6V/270KΩ  =  29.6µA  =  Amp  

So  IC  =  βIB  =  50x29.6µA=1.48mA  =  ICQ    

Applying  KVL  at  output  loop,  we  can  obtain    

VCC-­‐IC  RC-­‐VCE  =  O  

=VCE  =  VCC  –  ICRC  =  9V  –  1.48mAx2.2K  

=9V  –  3.26V=5.74  Volt  =  VCEQ    

Hence  the  Q  point  values  of  the  Fixed  bias  is  (5.74V,  1.48mA)  

 

Page 23: Electronics Circuits : EBOOK

   WWW.DOCIRCUITS.COM  

WWW.DOCIRCUITS.COM  ©  

 

Practice  :  Try  this  out  in  the  virtual  lab  

URL  :  http://www.docircuits.com/circuit-editor/6