ફંડામેન્ટલ્સ ઓફ ઇલેક્ટ્રોનિક્સ (4311102) - વિન્ટર 2024 સોલ્યુશન

પ્રશ્ન 1(અ) [3 ગુણ]

#

એક્ટિવ અને પેસિવ કમ્પોનન્ટ વચ્ચેનો તફાવત આપો.

જવાબ:

મનેમોનિક: “PAPER-A” - Passive Are Power-free, Energy-storing/Resistive; Active Are Amplifying

પ્રશ્ન 1(બ) [4 ગુણ]

#

આકૃતિ સહિત Light dependent resistor ની કામગીરી સમજાવો.

જવાબ:

graph LR
    A[પ્રકાશ] --> B[LDR]
    B --> C[રેઝિસ્ટન્સમાં ફેરફાર]
    style A fill:#lightblue
    style B fill:#lightgreen
    style C fill:#lightpink

LDR ની કાર્યપદ્ધતિ:

• રચના: LDR અંધારામાં ઉચ્ચ રેઝિસ્ટન્સ ધરાવતા સેમિકન્ડક્ટર મટેરિયલ (સામાન્ય રીતે કેડમિયમ સલ્ફાઇડ) થી બનેલું હોય છે
• ફોટોકન્ડક્ટિવિટી: જ્યારે સપાટી પર પ્રકાશ પડે છે, ત્યારે ફોટોન ઇલેક્ટ્રોન્સને ઊર્જા આપે છે, જેનાથી ફ્રી ઇલેક્ટ્રોન-હોલ જોડી બને છે
• રેઝિસ્ટન્સમાં ફેરફાર: પ્રકાશની તીવ્રતા વધતાં રેઝિસ્ટન્સ નાટકીય રીતે ઘટે છે - અંધારામાં મેગાઓમ્સથી પ્રકાશમાં ફક્ત થોડાસો ઓમ્સ સુધી
• ઉપયોગો: લાઇટ સેન્સિંગ સર્કિટ, ઓટોમેટિક સ્ટ્રીટ લાઇટ્સ, કેમેરા એક્સપોઝર કંટ્રોલમાં વપરાય છે

મનેમોનિક: “MILD” - More Illumination, Less resistance in Devices

પ્રશ્ન 1(ક) [7 ગુણ]

#

Intrinsic અને Extrinsic સેમિકન્ડક્ટર વ્યાખ્યાયિત કરો. P અને N પ્રકારના સેમીકન્ડક્ટરને સવિસ્તર સમજાવો.

જવાબ:

P-પ્રકારના સેમિકન્ડક્ટર:

• ડોપિંગ: શુદ્ધ સિલિકોનમાં ત્રિ-સંયોજી અશુદ્ધિઓ (બોરોન, ગેલિયમ, ઇન્ડિયમ) ઉમેરીને બનાવવામાં આવે છે
• હોલ ક્રિએશન: દરેક અશુદ્ધિ અણુ વેલેન્સ ઇલેક્ટ્રોન સ્વીકારીને એક હોલ બનાવે છે
• મેજોરિટી કેરિયર્સ: હોલ મેજોરિટી કેરિયર છે
• માઈનોરિટી કેરિયર્સ: ઇલેક્ટ્રોન્સ માઈનોરિટી કેરિયર છે
• ઇલેક્ટ્રિકલ પ્રોપર્ટીઝ: પોઝિટિવ ચાર્જ કેરિયર્સ કન્ડક્શનમાં મુખ્ય ભાગ ભજવે છે

N-પ્રકારના સેમિકન્ડક્ટર:

• ડોપિંગ: શુદ્ધ સિલિકોનમાં પંચ-સંયોજી અશુદ્ધિઓ (ફોસ્ફરસ, આર્સેનિક, એન્ટિમની) ઉમેરીને બનાવવામાં આવે છે
• ઇલેક્ટ્રોન ક્રિએશન: દરેક અશુદ્ધિ અણુ એક વધારાનો ઇલેક્ટ્રોન આપે છે
• મેજોરિટી કેરિયર્સ: ઇલેક્ટ્રોન મેજોરિટી કેરિયર છે
• માઈનોરિટી કેરિયર્સ: હોલ માઈનોરિટી કેરિયર છે
• ઇલેક્ટ્રિકલ પ્રોપર્ટીઝ: નેગેટિવ ચાર્જ કેરિયર્સ કન્ડક્શનમાં મુખ્ય ભાગ ભજવે છે

આકૃતિ:

મનેમોનિક: “PINE” - Positive Impurities make N-type Electrons, Pentavalent donors

પ્રશ્ન 1(ક) OR [7 ગુણ]

#

ફિલ્ટર સર્કિટ એટલે શું? તેના પ્રકાર અને જરૂરિયાત જણાવો અને “પાઇ” ફિલ્ટર સર્કિટને ટૂંકમાં સમજાવો.

જવાબ:

ફિલ્ટર સર્કિટ: ઇલેક્ટ્રોનિક સર્કિટ જે સિગ્નલમાંથી અવાંછિત ફ્રિક્વન્સી કમ્પોનન્ટ્સને દૂર કરે છે, અને ઇચ્છિત ફ્રિક્વન્સીને પસાર થવા દે છે.

ફિલ્ટરની જરૂરિયાત:

• રિપલ ઘટાડવા: રેક્ટિફાયર આઉટપુટમાંથી AC રિપલ ઘટાડે છે
• ક્લિન DC: વધુ સારી રીતે સ્મૂધ DC આઉટપુટ વોલ્ટેજ પ્રદાન કરે છે
• કમ્પોનન્ટ સુરક્ષા: ડાઉનસ્ટ્રીમ કમ્પોનન્ટ્સને વોલ્ટેજ ફ્લક્ચ્યુએશનથી બચાવે છે
• કાર્યક્ષમતા: સમગ્ર પાવર સપ્લાયની કાર્યક્ષમતા સુધારે છે

ફિલ્ટરના પ્રકાર:

પાઇ (π) ફિલ્ટર:

graph LR
    A[ઇનપુટ] --> B[કેપેસિટર C1]
    B --> C[ઇન્ડક્ટર L]
    C --> D[કેપેસિટર C2]
    D --> E[આઉટપુટ]
    style A fill:#lightblue
    style B fill:#lightgreen
    style C fill:#lightpink
    style D fill:#lightgreen
    style E fill:#lightblue

• કાર્યપદ્ધતિ: પ્રથમ કેપેસિટર (C1) પ્રારંભિક રિપલ ઘટાડે છે, ઇન્ડક્ટર (L) AC કમ્પોનન્ટને અવરોધે છે, બીજો કેપેસિટર (C2) બાકીના રિપલ્સને ફિલ્ટર કરે છે
• ફાયદો: સાધારણ રીતે 0.5% થી નીચેના રિપલ ફેક્ટર સાથે સુપિરિયર ફિલ્ટરિંગ પ્રદાન કરે છે
• ઉપયોગો: હાઇ-કરંટ પાવર સપ્લાયમાં વપરાય છે જ્યાં ક્લિન DC જરૂરી હોય

મનેમોનિક: “PIRO” - Pi filters Input Ripples Out effectively

પ્રશ્ન 2(અ) [3 ગુણ]

#

વિવિધ પ્રકારના કેપેસિટર લખો અને કોઈ પણ બે સમજાવો.

જવાબ:

કેપેસિટરના પ્રકાર:

• સિરામિક કેપેસિટર
• ઇલેક્ટ્રોલિટિક કેપેસિટર
• ટેન્ટાલમ કેપેસિટર
• ફિલ્મ કેપેસિટર
• માઇકા કેપેસિટર
• વેરિએબલ કેપેસિટર

સિરામિક કેપેસિટર:

• રચના: ધાતુની પ્લેટો વચ્ચે ડાઇઇલેક્ટ્રિક તરીકે સિરામિક મટેરિયલથી બનેલા
• કેપેસિટી: 1pF થી 1μF
• ફાયદા: ઓછી કિંમત, ઉચ્ચ સ્થિરતા, નોન-પોલરાઈઝ્ડ
• ઉપયોગો: હાઇ-ફ્રિક્વન્સી ફિલ્ટરિંગ

ઇલેક્ટ્રોલિટિક કેપેસિટર:

• રચના: એલ્યુમિનિયમ ફોઇલ સાથે ડાઇઇલેક્ટ્રિક તરીકે ઓક્સાઇડ લેયર
• કેપેસિટી: 1μF થી 10,000μF
• લાક્ષણિકતાઓ: પોલરાઈઝ્ડ, ઉચ્ચ લીકેજ કરંટ
• ઉપયોગો: પાવર સપ્લાય ફિલ્ટરિંગ, ઓડિયો કપલિંગ

મનેમોનિક: “CAPEX” - Ceramics Are Precise, Electrolytics Expand capacity

પ્રશ્ન 2(બ) [4 ગુણ]

#

એર કોર અને ટોરોઇડલ ઇન્ડક્ટર સમજાવો.

જવાબ:

એર કોર ઇન્ડક્ટર:

• રચના: નોન-મેગ્નેટિક મટેરિયલ (પ્લાસ્ટિક, એર) પર વાયર કોઇલ કરીને બનાવવામાં આવે છે
• ગુણધર્મો: ઓછી ઇન્ડક્ટન્સ, મેગ્નેટિક કોર સેચ્યુરેશન નથી
• ઉપયોગો: હાઇ-ફ્રિક્વન્સી સર્કિટ, RF એપ્લિકેશન
• ફાયદા: કોર લોસેસ નથી, લિનિયર ઓપરેશન, સેચ્યુરેશન નથી

ટોરોઇડલ ઇન્ડક્ટર:

• રચના: રિંગ-આકારના મેગ્નેટિક કોર પર વાયર વીંટાળીને બનાવવામાં આવે છે
• ગુણધર્મો: ઉચ્ચ ઇન્ડક્ટન્સ, સેલ્ફ-શીલ્ડિંગ મેગ્નેટિક ફિલ્ડ
• ઉપયોગો: પાવર સપ્લાય, ફિલ્ટર, ટ્રાન્સફોર્મર
• ફાયદા: ઓછી ઇલેક્ટ્રોમેગ્નેટિક ઇન્ટરફેરન્સ, કાર્યક્ષમ ફ્લક્સ કન્ટેઇનમેન્ટ

મનેમોનિક: “TACO” - Toroids Are Contained, Omnidirectional field reduction

પ્રશ્ન 2(ક) [7 ગુણ]

#

હાફ વેવ રેક્ટિફાયર સમજાવો અને જુદા જુદા રેક્ટિફાયર સરખાવો.

જવાબ:

હાફ વેવ રેક્ટિફાયર:

graph LR
    A[AC ઇનપુટ] --> B[ટ્રાન્સફોર્મર]
    B --> C[ડાયોડ]
    C --> D[લોડ]
    C --> E[ગ્રાઉન્ડ]
    style A fill:#lightblue
    style B fill:#lightpink
    style C fill:#lightyellow
    style D fill:#lightgreen
    style E fill:#lightgray

કાર્યસિદ્ધાંત:

• પોઝિટિવ હાફ-સાયકલ દરમિયાન: ડાયોડ કન્ડક્ટ કરે છે, કરંટ લોડ દ્વારા વહે છે
• નેગેટિવ હાફ-સાયકલ દરમિયાન: ડાયોડ બ્લોક કરે છે, કરંટ વહેતો નથી
• આઉટપુટમાં ફક્ત ઇનપુટ વેવફોર્મના પોઝિટિવ હાફ-સાયકલ હોય છે

રેક્ટિફાયરની સરખામણી:

મનેમોનિક: “BRIEF” - Bridge Rectifiers Improve Efficiency Fundamentally

પ્રશ્ન 2(અ) OR [3 ગુણ]

#

વિવિધ કેપેસિટર સ્પષ્ટીકરણો લખો અને કોઈ પણ બે વિગતવાર સમજાવો.

જવાબ:

કેપેસિટર સ્પષ્ટીકરણો:

• કેપેસિટન્સ વેલ્યુ
• વોલ્ટેજ રેટિંગ
• ટોલરન્સ
• તાપમાન ગુણાંક
• ESR (ઇક્વિવેલન્ટ સિરીઝ રેઝિસ્ટન્સ)
• લીકેજ કરંટ
• ડાઇઇલેક્ટ્રિક પ્રકાર

કેપેસિટન્સ વેલ્યુ:

• વ્યાખ્યા: દર વોલ્ટે સંગ્રહિત ઇલેક્ટ્રિક ચાર્જની માત્રા
• એકમો: ફેરડ (F)માં માપવામાં આવે છે, સામાન્ય રીતે માઇક્રોફેરડ (μF), નેનોફેરડ (nF), અથવા પિકોફેરડ (pF)
• મહત્વ: કપલિંગ, ફિલ્ટરિંગ, ટાઇમિંગ માટે એપ્લિકેશન યોગ્યતા નક્કી કરે છે
• માર્કિંગ: સીધી રીતે પ્રિન્ટ કરેલી અથવા કમ્પોનન્ટ પર કલર-કોડેડ

વોલ્ટેજ રેટિંગ:

• વ્યાખ્યા: બ્રેકડાઉન વગર લાગુ કરી શકાય તેવું મહત્તમ વોલ્ટેજ
• સ્પેસિફિકેશન: વર્કિંગ વોલ્ટેજ (WVDC) અને સર્જ વોલ્ટેજ
• મહત્વ: રેટિંગથી વધારે જવાથી ડાઇઇલેક્ટ્રિક બ્રેકડાઉન અને નિષ્ફળતા થાય છે
• સેફ્ટી ફેક્ટર: સામાન્ય રીતે સર્કિટ વોલ્ટેજથી 50% વધુ રેટિંગવાળા કેપેસિટર વાપરવા જોઈએ

મનેમોનિક: “CAVERN” - Capacitance And Voltage Ensure Reliable Network

પ્રશ્ન 2(બ) OR [4 ગુણ]

#

સામગ્રીના આધારે રેઝિસ્ટરનું વર્ગીકરણ સમજાવો.

જવાબ:

કાર્બન ફિલ્મ રેઝિસ્ટરની લાક્ષણિકતાઓ:

• તાપમાન ગુણાંક: -250 થી 500 ppm/°C
• ટોલરન્સ: 5% થી 10%
• નોઇઝ: મધ્યમથી ઓછો

મેટલ ફિલ્મ રેઝિસ્ટરની લાક્ષણિકતાઓ:

• તાપમાન ગુણાંક: 50 થી 100 ppm/°C
• ટોલરન્સ: 0.1% થી 2%
• નોઇઝ: ખૂબ જ ઓછો

મનેમોનિક: “COMFORT” - Carbon Offers Moderate Films, Others Resist Temperature better

પ્રશ્ન 2(ક) OR [7 ગુણ]

#

ફુલ વેવ બ્રિજ અને સેન્ટર ટેપ્ડ રેક્ટિફાયર આકૃતિ સાથે સમજાવો.

જવાબ:

ફુલ વેવ બ્રિજ રેક્ટિફાયર:

graph LR
    A[AC ઇનપુટ] --> B[ટ્રાન્સફોર્મર]
    B --> C[બ્રિજ
રેક્ટિફાયર]
    C --> D[D1]
    C --> E[D2]
    C --> F[D3]
    C --> G[D4]
    D & E & F & G --> H[લોડ]
    H --> I[ગ્રાઉન્ડ]
    style A fill:#lightblue
    style B fill:#lightpink
    style C fill:#lightyellow
    style H fill:#lightgreen
    style I fill:#lightgray

કાર્યપદ્ધતિ:

• પોઝિટિવ હાફ-સાયકલ: D1 અને D3 કન્ડક્ટ કરે છે, કરંટ લોડ મારફતે વહે છે
• નેગેટિવ હાફ-સાયકલ: D2 અને D4 કન્ડક્ટ કરે છે, કરંટ હજુ પણ એ જ દિશામાં લોડ મારફતે વહે છે
• આઉટપુટ: ઇનપુટના બંને હાફ-સાયકલ પોઝિટિવ આઉટપુટમાં રૂપાંતરિત થાય છે

સેન્ટર ટેપ્ડ ફુલ વેવ રેક્ટિફાયર:

graph LR
    A[AC ઇનપુટ] --> B[સેન્ટર-ટેપ્ડ
ટ્રાન્સફોર્મર]
    B -->|ઉપર અર્ધો| C[D1]
    B -->|નીચે અર્ધો| D[D2]
    C & D --> E[લોડ]
    E --> F[ગ્રાઉન્ડ]
    F --> B
    style A fill:#lightblue
    style B fill:#lightpink
    style C fill:#lightyellow
    style D fill:#lightyellow
    style E fill:#lightgreen
    style F fill:#lightgray

કાર્યપદ્ધતિ:

• પોઝિટિવ હાફ-સાયકલ: D1 કન્ડક્ટ કરે છે, D2 બ્લોક કરે છે
• નેગેટિવ હાફ-સાયકલ: D2 કન્ડક્ટ કરે છે, D1 બ્લોક કરે છે
• આઉટપુટ: ઇનપુટના બંને હાફ-સાયકલ પોઝિટિવ આઉટપુટમાં રૂપાંતરિત થાય છે

વેવફોર્મ:

મનેમોનિક: “FOUR-TWO” - FOUr diodes for Bridge, TWO diodes for Center-Tap

પ્રશ્ન 3(અ) [3 ગુણ]

#

વેરેક્ટર ડાયોડની લાક્ષણિકતા સમજાવો.

જવાબ:

વેરેક્ટર ડાયોડની લાક્ષણિકતાઓ:

graph LR
    A[રિવર્સ બાયસ
વોલ્ટેજ] --> B[ડિપ્લિશન
લેયર વિડ્થ]
    B --> C[જંક્શન
કેપેસિટન્સ]
    C --> D[ફ્રિક્વન્સી
ટ્યુનિંગ]
    style A fill:#lightblue
    style B fill:#lightpink
    style C fill:#lightgreen
    style D fill:#lightyellow

• ઓપરેટિંગ સિદ્ધાંત: જંક્શન કેપેસિટન્સ રિવર્સ બાયસ વોલ્ટેજ સાથે બદલાય છે
• C-V સંબંધ: રિવર્સ વોલ્ટેજ વધતાં કેપેસિટન્સ ઘટે છે
• ટ્યુનિંગ રેશિયો: સામાન્ય રીતે 4:1 થી 10:1 કેપેસિટન્સ વેરિએશન
• ઉપયોગો: વોલ્ટેજ-કંટ્રોલ્ડ ઓસિલેટર, FM મોડ્યુલેશન, ટ્યુનિંગ સર્કિટ

મનેમોનિક: “VARA” - Voltage Adjusts Reverse-biased capacitance Automatically

પ્રશ્ન 3(બ) [4 ગુણ]

#

ઇલેક્ટ્રોમેગ્નેટિક ઇન્ડક્શનના ફેરાડેના નિયમો જણાવો અને સમજાવો.

જવાબ:

ફેરાડેના ઇલેક્ટ્રોમેગ્નેટિક ઇન્ડક્શનના નિયમો:

પ્રથમ નિયમ:

• સ્ટેટમેન્ટ: જ્યારે પણ કન્ડક્ટર મેગ્નેટિક ફ્લક્સને કાપે છે, ત્યારે કન્ડક્ટરમાં EMF ઇન્ડ્યુસ થાય છે
• ગણિતીય અભિવ્યક્તિ: EMF ∝ મેગ્નેટિક ફ્લક્સના પરિવર્તનનો દર
• ઉપયોગ: જનરેટર, ટ્રાન્સફોર્મર, ઇન્ડક્ટરનો આધાર

બીજો નિયમ:

• સ્ટેટમેન્ટ: ઇન્ડ્યુસ્ડ EMFનું પરિમાણ મેગ્નેટિક ફ્લક્સ લિંકેજના પરિવર્તનના દર સાથે સમાન છે
• ગણિતીય અભિવ્યક્તિ: EMF = -N × (dΦ/dt)
  • જ્યાં: N = લપેટાઓની સંખ્યા, dΦ/dt = ફ્લક્સના પરિવર્તનનો દર
• નેગેટિવ ચિહ્ન: દિશા દર્શાવે છે (લેન્ઝનો નિયમ) - ઇન્ડ્યુસ્ડ કરંટ પરિવર્તનનો વિરોધ કરે છે

આકૃતિ:

મનેમોનિક: “FACE” - Flux Alteration Creates Electricity

પ્રશ્ન 3(ક) [7 ગુણ]

#

વિવિધ ટ્રાન્ઝિસ્ટર રૂપરેખાંકનોની તુલના કરો.

જવાબ:

α, β અને γ વચ્ચેનો સંબંધ:

• β = α/(1-α)
• α = β/(1+β)
• γ = β+1

મનેમોનિક: “BEC” - Base input for Emitter output needs Collector as common terminal

પ્રશ્ન 3(અ) OR [3 ગુણ]

#

ફોરબિડન એનર્જી ગેપ શું છે? અવાહક, વાહક અને સેમીકન્ડક્ટર માટે એનર્જી બેન્ડ ડાયાગ્રામ દોરો.

જવાબ:

ફોરબિડન એનર્જી ગેપ: ઘન પદાર્થમાં એનર્જીની શ્રેણી જ્યાં કોઈ ઇલેક્ટ્રોન સ્ટેટ અસ્તિત્વમાં નથી, વેલેન્સ બેન્ડને કન્ડક્શન બેન્ડથી અલગ કરે છે.

એનર્જી બેન્ડ ડાયાગ્રામ:

• અવાહક (ઇન્સુલેટર): મોટો ફોરબિડન ગેપ (>5eV) ઇલેક્ટ્રોન્સને કન્ડક્શન બેન્ડ સુધી પહોંચતા અટકાવે છે
• વાહક (કન્ડક્ટર): ઓવરલેપિંગ બેન્ડ મુક્ત ઇલેક્ટ્રોન મૂવમેન્ટની મંજૂરી આપે છે
• સેમિકન્ડક્ટર: નાનો ગેપ (~1eV) થોડા ઇલેક્ટ્રોન્સને રૂમ ટેમ્પરેચર પર અથવા ઉત્તેજિત થયા પછી ક્રોસ કરવાની મંજૂરી આપે છે

મનેમોનિક: “IBCS” - Insulators Block, Conductors Share, Semiconductors have gap Between

પ્રશ્ન 3(બ) OR [4 ગુણ]

#

ઝેનર વોલ્ટેજ રેગ્યુલેટર સર્કિટની કામગીરીનું વર્ણન કરો.

જવાબ:

graph LR
    A[અનરેગ્યુલેટેડ
DC ઇનપુટ] --> B[સિરીઝ
રેઝિસ્ટર]
    B --> C[લોડ]
    B --> D[ઝેનર
ડાયોડ]
    D --> E[ગ્રાઉન્ડ]
    style A fill:#lightblue
    style B fill:#lightpink
    style C fill:#lightgreen
    style D fill:#lightyellow
    style E fill:#lightgray

કાર્યસિદ્ધાંત:

• સામાન્ય ઓપરેશન: ઝેનર ડાયોડ રિવર્સ બાયસ્ડ છે અને જ્યારે વોલ્ટેજ બ્રેકડાઉન વોલ્ટેજ સુધી પહોંચે ત્યારે કન્ડક્ટ કરે છે
• વોલ્ટેજ રેગ્યુલેશન: જ્યારે ઇનપુટ વોલ્ટેજ વધે છે, ત્યારે ઝેનર ડાયોડ મારફતે વધુ કરંટ વહે છે, જેનાથી તેના પર સ્થિર વોલ્ટેજ જળવાઈ રહે છે
• લોડ વેરિએશન: જ્યારે લોડ વધુ કરંટ લે છે, ત્યારે ઝેનર મારફતે ઓછો કરંટ વહે છે, જેનાથી વોલ્ટેજ સ્થિર રહે છે
• સિરીઝ રેઝિસ્ટર: કરંટને મર્યાદિત કરે છે અને વધારાના વોલ્ટેજને ડ્રોપ કરે છે

સર્કિટ બિહેવિયર:

• V_out = V_z (ઝેનર બ્રેકડાઉન વોલ્ટેજ)
• I_z = (V_in - V_z)/R - I_L

મનેમોનિક: “SERZ” - Series resistor Enables Regulation with Zener

પ્રશ્ન 3(ક) OR [7 ગુણ]

#

P-N જંક્શન ડાયોડની V-I લાક્ષણિકતા સમજાવો અને P-N જંક્શન ડાયોડ અને ઝેનર ડાયોડ વચ્ચે સરખામણી આપો.

જવાબ:

P-N જંક્શન ડાયોડની V-I લાક્ષણિકતા:

મુખ્ય પોઇન્ટ્સ:

• ફોરવર્ડ બાયસ: ની વોલ્ટેજ (~0.7V સિલિકોન માટે) પછી સરળતાથી કન્ડક્ટ કરે છે
• રિવર્સ બાયસ: બ્રેકડાઉન વોલ્ટેજ સુધી ખૂબ જ ઓછો લીકેજ કરંટ
• બ્રેકડાઉન રીજન: ઉચ્ચ રિવર્સ વોલ્ટેજ પર થાય છે, સામાન્ય ડાયોડમાં નુકસાન કરે છે

P-N જંક્શન ડાયોડ અને ઝેનર ડાયોડ વચ્ચેની સરખામણી:

મનેમોનિક: “FORD” - Forward Operation for Rectifiers, Diodes; reverse operation for Zeners

પ્રશ્ન 4(અ) [3 ગુણ]

#

ફોટો ડાયોડના કાર્ય સિદ્ધાંતનું વર્ણન કરો.

જવાબ:

ફોટોડાયોડના કાર્યસિદ્ધાંત:

graph LR
    A[પ્રકાશ] --> B[P-N જંક્શન]
    B --> C[ઇલેક્ટ્રોન-હોલ
જોડીઓ]
    C --> D[ફોટોકરંટ]
    style A fill:#lightyellow
    style B fill:#lightpink
    style C fill:#lightblue
    style D fill:#lightgreen

• રચના: પારદર્શક વિન્ડો અથવા લેન્સ સાથેનો P-N જંક્શન ડાયોડ
• ઓપરેશન: પ્રકાશ ડિટેક્શન માટે રિવર્સ બાયસ્ડ ઓપરેશન
• ફોટોન એબ્સોર્પશન: આવતા ફોટોન્સ ડિપ્લિશન રીજનમાં ઇલેક્ટ્રોન-હોલ જોડીઓ બનાવે છે
• કરંટ જનરેશન: ઇલેક્ટ્રિક ફિલ્ડ કેરિયર્સને તેમના સંબંધિત ટર્મિનલ તરફ મોકલે છે, જેનાથી ફોટોકરંટ બને છે
• લાઇટ સેન્સિટિવિટી: કરંટ પ્રકાશની તીવ્રતાના પ્રમાણમાં હોય છે

મનેમોનિક: “LIGER” - Light Induces Generation of Electrons in Reverse-bias

પ્રશ્ન 4(બ) [4 ગુણ]

#

શોટકી બેરિયર ડાયોડની લાક્ષણિકતા સમજાવો.

જવાબ:

શોટકી બેરિયર ડાયોડની લાક્ષણિકતાઓ:

• ઓછો ફોરવર્ડ વોલ્ટેજ ડ્રોપ: સિલિકોન PN જંક્શનના 0.7V ની તુલનામાં 0.2-0.3V
• ફાસ્ટ સ્વિચિંગ: કોઈ માઈનોરિટી કેરિયર સ્ટોરેજ નહીં, મિનિમલ રિવર્સ રિકવરી ટાઇમ
• રચના: P-N જંક્શનને બદલે મેટલ-સેમિકન્ડક્ટર જંક્શન
• કોઈ રિવર્સ રિકવરી ટાઇમ નહીં: મેજોરિટી કેરિયર ડિવાઇસ (કોઈ સ્ટોર્ડ ચાર્જ નહીં)
• ઉપયોગો: હાઈ-ફ્રિક્વન્સી એપ્લિકેશન, પાવર સપ્લાયમાં રેક્ટિફાયર

મનેમોનિક: “FAST” - Forward voltage low, Allows Switching Timely

પ્રશ્ન 4(ક) [7 ગુણ]

#

PNP અને NPN ટ્રાન્ઝિસ્ટરના કાર્ય સિદ્ધાંતને સમજાવો.

જવાબ:

NPN ટ્રાન્ઝિસ્ટરની સ્ટ્રક્ચર અને કાર્યપદ્ધતિ:

• બાયસિંગ: ઇમિટર-બેઝ જંક્શન ફોરવર્ડ બાયસ્ડ, કલેક્ટર-બેઝ જંક્શન રિવર્સ બાયસ્ડ
• કરંટ ફ્લો: ઇલેક્ટ્રોન્સ પાતળા બેઝ રીજન મારફતે ઇમિટરથી કલેક્ટર તરફ
• એમ્પલિફિકેશન સિદ્ધાંત: નાનો બેઝ કરંટ મોટા કલેક્ટર કરંટને નિયંત્રિત કરે છે
• કરંટ સંબંધ: I_E = I_B + I_C
• મેજોરિટી કેરિયર્સ: ઇલેક્ટ્રોન્સ

PNP ટ્રાન્ઝિસ્ટરની સ્ટ્રક્ચર અને કાર્યપદ્ધતિ:

• બાયસિંગ: ઇમિટર-બેઝ જંક્શન ફોરવર્ડ બાયસ્ડ, કલેક્ટર-બેઝ જંક્શન રિવર્સ બાયસ્ડ
• કરંટ ફ્લો: હોલ્સ પાતળા બેઝ રીજન મારફતે ઇમિટરથી કલેક્ટર તરફ
• એમ્પલિફિકેશન સિદ્ધાંત: નાનો બેઝ કરંટ મોટા કલેક્ટર કરંટને નિયંત્રિત કરે છે
• કરંટ સંબંધ: I_E = I_B + I_C
• મેજોરિટી કેરિયર્સ: હોલ્સ
• કરંટ દિશા: NPN કરતાં વિપરીત (કન્વેન્શનલ કરંટ ઇમિટરથી કલેક્ટર તરફ)

મનેમોનિક: “NPNP” - Negative carriers in NPN, Positive carriers in PNP

પ્રશ્ન 4(અ) OR [3 ગુણ]

#

LED ના કાર્ય સિદ્ધાંતનું વર્ણન કરો.

જવાબ:

LED (લાઇટ ઇમિટિંગ ડાયોડ)ના કાર્યસિદ્ધાંત:

graph LR
    A[ફોરવર્ડ બાયસ] --> B[ઇલેક્ટ્રોન-હોલ
રિકોમ્બિનેશન]
    B --> C[ફોટોન તરીકે
ઊર્જા મુક્ત થાય]
    C --> D[પ્રકાશ ઉત્સર્જન]
    style A fill:#lightblue
    style B fill:#lightpink
    style C fill:#lightyellow
    style D fill:#lightgreen

• રચના: ડાયરેક્ટ બેન્ડગેપ સેમિકન્ડક્ટર મટેરિયલથી બનેલા P-N જંક્શન
• ફોરવર્ડ બાયસિંગ: n-રીજનમાંથી ઇલેક્ટ્રોન્સ અને p-રીજનમાંથી હોલ્સ જંક્શન પર રિકોમ્બાઇન થાય છે
• રિકોમ્બિનેશન: ઇલેક્ટ્રોન કન્ડક્શન બેન્ડમાંથી વેલેન્સ બેન્ડમાં પડે છે
• ઊર્જા ઉત્સર્જન: રિકોમ્બિનેશન દરમિયાન છૂટી પડેલી ઊર્જા ફોટોન્સ (પ્રકાશ) ઉત્સર્જિત કરે છે
• કલર ડિટરમિનેશન: બેન્ડગેપ ઊર્જા ઉત્સર્જિત પ્રકાશની તરંગલંબાઈ (રંગ) નક્કી કરે છે

મનેમોનિક: “REBEL” - Recombination of Electrons and holes By Energetic Light emission

પ્રશ્ન 4(બ) OR [4 ગુણ]

#

કટ ઓફ અને સેચ્યુરેશન રીજીયનમાં ટ્રાન્ઝિસ્ટરનું સ્વિચ તરીકે એપ્લિકેશન કાર્ય સમજાવો.

જવાબ:

ટ્રાન્ઝિસ્ટર એઝ અ સ્વિચ:

કટ-ઓફ રીજન (સ્વિચ OFF):

• બેઝ વોલ્ટેજ: 0.7V (સિલિકોન માટે) થી નીચે
• બેઝ કરંટ: લગભગ શૂન્ય
• કલેક્ટર કરંટ: લગભગ શૂન્ય
• કલેક્ટર-ઇમિટર વોલ્ટેજ: સપ્લાય વોલ્ટેજના બરાબર
• ઉપયોગો: લોજિક ગેટ્સ, ડિજિટલ સર્કિટ, રિલે ડ્રાઇવર

સેચ્યુરેશન રીજન (સ્વિચ ON):

• બેઝ વોલ્ટેજ: 0.7V કરતાં ઘણું ઊંચું
• બેઝ કરંટ: લઘુત્તમ V_CE સુનિશ્ચિત કરવા માટે પર્યાપ્ત
• કલેક્ટર કરંટ: મહત્તમ (કલેક્ટર રેઝિસ્ટર દ્વારા મર્યાદિત)
• કલેક્ટર-ઇમિટર વોલ્ટેજ: ખૂબ જ ઓછું (0.2V - 0.3V)
• ઉપયોગો: ડિજિટલ સ્વીચ, મોટર ડ્રાઇવર, LED ડ્રાઇવર

મનેમોનિક: “COSI” - Cutoff Opens Switch, Input saturates to close

પ્રશ્ન 4(ક) OR [7 ગુણ]

#

C-E ટ્રાન્ઝિસ્ટર એમ્પ્લિફાયર રચના ટૂંકમાં સમજાવો. ટ્રાન્ઝિસ્ટર એમ્પ્લીફાયર માટે α અને β વચ્ચેનો સંબંધ મેળવો.

જવાબ:

કોમન ઇમિટર કોન્ફિગરેશન:

graph TB
    A[ઇનપુટ સિગ્નલ] --> B[બેઝ]
    C[આઉટપુટ સિગ્નલ] --> D[કલેક્ટર]
    E[ગ્રાઉન્ડ] --> F[ઇમિટર]
    style A fill:#lightblue
    style B fill:#lightpink
    style C fill:#lightgreen
    style D fill:#lightyellow
    style E fill:#lightgray
    style F fill:#lightcyan

કોમન ઇમિટર કોન્ફિગરેશનની લાક્ષણિકતાઓ:

• ઇનપુટ ટર્મિનલ: બેઝ
• આઉટપુટ ટર્મિનલ: કલેક્ટર
• કોમન ટર્મિનલ: ઇમિટર (ગ્રાઉન્ડેડ)
• કરંટ ગેઇન (β): હાઈ (20-500)
• વોલ્ટેજ ગેઇન: હાઈ (250-1000)
• ઇનપુટ ઇમ્પિડન્સ: મધ્યમ (1-2kΩ)
• આઉટપુટ ઇમ્પિડન્સ: હાઈ (30-50kΩ)
• ફેઝ શિફ્ટ: 180° (આઉટપુટ ઇનપુટથી ઇન્વર્ટેડ)

α અને β વચ્ચેનો સંબંધ:

વ્યાખ્યા પ્રમાણે:

• α = I_C/I_E (કોમન બેઝ કરંટ ગેઇન)
• β = I_C/I_B (કોમન ઇમિટર કરંટ ગેઇન)

કિરચોફના કરંટ લૉ પરથી:

• I_E = I_B + I_C

બંને બાજુને I_E વડે ભાગીએ:

• 1 = I_B/I_E + I_C/I_E
• 1 = I_B/I_E + α

તેથી:

• I_B/I_E = 1 - α

હવે, β = I_C/I_B = (I_C/I_E)/(I_B/I_E) = α/(1-α)

અને તેથી ઉલટું:

• α = β/(1+β)

મનેમોનિક: “BEAR” - Beta Equals Alpha divided by (1-alpha) Relation

પ્રશ્ન 5(અ) [3 ગુણ]

#

ઇ-વેસ્ટનો અર્થ શું છે? ઇ-કચરાના નિકાલની વિવિધ પદ્ધતિઓ શું છે?

જવાબ:

ઇ-વેસ્ટ (ઇલેક્ટ્રોનિક વેસ્ટ): ત્યજાયેલા ઇલેક્ટ્રોનિક ડિવાઇસ અને કમ્પોનન્ટ્સ જે તેમના જીવનકાળનાં અંતે પહોંચ્યા છે અથવા હવે ઉપયોગી નથી.

ઇ-વેસ્ટ નિકાલની પદ્ધતિઓ:

મનેમોનિક: “RIPER” - Recycling Is Preferable to Environmentally-harmful Remedies

પ્રશ્ન 5(બ) [4 ગુણ]

#

ઉદાહરણો સાથે ઈલેક્ટ્રોનિક કચરાનું સંચાલન કરવાની પદ્ધતિઓ સમજાવો.

જવાબ:

ઇલેક્ટ્રોનિક વેસ્ટ હેન્ડલિંગની પદ્ધતિઓ:

graph TD
    A[ઇ-વેસ્ટ
કલેક્શન] --> B[સોર્ટિંગ]
    B --> C[ડિસમેન્ટલિંગ]
    C --> D[મટેરિયલ
રિકવરી]
    D --> E[સેફ
ડિસ્પોઝલ]
    style A fill:#lightblue
    style B fill:#lightpink
    style C fill:#lightyellow
    style D fill:#lightgreen
    style E fill:#lightgray

કલેક્શન અને સેગ્રિગેશન:

• ઉદાહરણ: જાહેર સ્થળોએ સમર્પિત ઇ-વેસ્ટ બિન્સ, ઇ-વેસ્ટ કલેક્શન ડ્રાઇવ્સ
• લાભ: સામાન્ય કચરા સાથે મિશ્રણ અટકાવે છે, યોગ્ય પ્રોસેસિંગ સક્ષમ કરે છે

ડિસમેન્ટલિંગ અને રિસોર્સ રિકવરી:

• ઉદાહરણ: સર્કિટ બોર્ડ અને કનેક્ટર્સમાંથી સોનું, ચાંદી, કોપર રિકવર કરવા
• લાભ: મૂલ્યવાન ધાતુઓ પુન:પ્રાપ્ત કરે છે, માઇનિંગની માંગ ઘટાડે છે

રિફર્બિશમેન્ટ અને રિયુઝ:

• ઉદાહરણ: શૈક્ષણિક સંસ્થાઓ માટે જૂના કમ્પ્યુટર્સની મરામત
• લાભ: પ્રોડક્ટ લાઇફસાયકલ વિસ્તૃત કરે છે, કચરા ઉત્પાદન ઘટાડે છે

હાનિકારક કમ્પોનન્ટ્સનો યોગ્ય નિકાલ:

• ઉદાહરણ: મર્ક્યુરી-ધરાવતા કમ્પોનન્ટ્સ માટે સ્પેશિયલાઇઝ્ડ ટ્રીટમેન્ટ
• લાભ: ઝેરી પદાર્થોને પર્યાવરણમાં પ્રવેશતા અટકાવે છે

મનેમોનિક: “CREED” - Collect, Recover, Extract, Extend, Dispose safely

પ્રશ્ન 5(ક) [7 ગુણ]

#

રિપલ ફેક્ટર શું છે? રેક્ટિફાયર માટે રિપલ ફેક્ટરનું સમીકરણ મેળવો.

જવાબ:

રિપલ ફેક્ટર: રેક્ટિફાયરની ફિલ્ટરિંગની અસરકારકતાનું માપ - આઉટપુટમાં AC કમ્પોનન્ટ (રિપલ)નો DC કમ્પોનન્ટ સાથેનો ગુણોત્તર.

વ્યાખ્યા:

• રિપલ ફેક્ટર (γ) = AC કમ્પોનન્ટની RMS વેલ્યુ / DC વેલ્યુ
• ઓછો રિપલ ફેક્ટર વધુ સારા ફિલ્ટરિંગનો સંકેત આપે છે

હાફ વેવ રેક્ટિફાયર માટે ડેરિવેશન:

ચાલો ધારીએ કે સાઇન્યુસોઇડલ ઇનપુટ: v = V_msinωt

હાફ વેવ રેક્ટિફાયર માટે:

• આઉટપુટ v = V_msinωt જ્યારે 0 ≤ ωt ≤ π
• આઉટપુટ v = 0 જ્યારે π ≤ ωt ≤ 2π

સ્ટેપ 1: DC કમ્પોનન્ટ (એવરેજ વેલ્યુ) શોધો

• V_DC = (1/2π) ∫₀^2π v(ωt) d(ωt)
• V_DC = (1/2π) ∫₀^π V_msinωt d(ωt)
• V_DC = V_m/π

સ્ટેપ 2: RMS વેલ્યુ શોધો

• V_RMS = √[(1/2π) ∫₀^2π v²(ωt) d(ωt)]
• V_RMS = √[(1/2π) ∫₀^π V_m²sin²ωt d(ωt)]
• V_RMS = V_m/2

સ્ટેપ 3: AC કમ્પોનન્ટ શોધો

• V_AC² = V_RMS² - V_DC²
• V_AC² = (V_m/2)² - (V_m/π)²
• V_AC² = V_m²(1/4 - 1/π²)

સ્ટેપ 4: રિપલ ફેક્ટર ગણો

• γ = V_AC/V_DC
• γ = √(V_m²(1/4 - 1/π²))/(V_m/π)
• γ = π√(1/4 - 1/π²)
• γ = 1.21 (હાફ વેવ રેક્ટિફાયર માટે)

ફુલ વેવ રેક્ટિફાયર માટે: સમાન પગલાં અનુસરીને γ = 0.48 મળે છે

મનેમોનિક: “ROAD” - Ripple is Output’s AC Divided by DC component

પ્રશ્ન 5(અ) OR [3 ગુણ]

#

ઈ-વેસ્ટમાં કયા ઝેરી પદાર્થો હોય છે?

જવાબ:

ઇ-વેસ્ટમાં ઝેરી પદાર્થો:

મનેમોનિક: “LMBCHB” - Lead, Mercury, and Beryllium Cause Harmful Bodily effects

પ્રશ્ન 5(બ) OR [4 ગુણ]

#

તમારી એપ્લિકેશન માટે યોગ્ય ટ્રાન્ઝિસ્ટર પસંદ કરવા માટેના મહત્વપૂર્ણ પરિમાણો લખો અને કોઈપણ બે સમજાવો.

જવાબ:

મહત્વપૂર્ણ ટ્રાન્ઝિસ્ટર સિલેક્શન પેરામીટર્સ:

• મહત્તમ કલેક્ટર કરંટ (I_C)
• મહત્તમ કલેક્ટર-ઇમિટર વોલ્ટેજ (V_CEO)
• મહત્તમ કલેક્ટર-બેઝ વોલ્ટેજ (V_CBO)
• કરંટ ગેઇન (hFE અથવા β)
• ફ્રિક્વન્સી રિસ્પોન્સ (f_T)
• પાવર ડિસિપેશન (P_tot)
• પેકેજ ટાઇપ (TO-3, SMT, વગેરે)
• તાપમાન રેન્જ

મહત્તમ કલેક્ટર કરંટ (I_C):

• વ્યાખ્યા: નુકસાન વિના કલેક્ટર મારફતે વહી શકે તેવો મહત્તમ કરંટ
• મહત્વ: એપ્લિકેશનની પીક કરંટ જરૂરિયાતોને સેફ્ટી માર્જિન સાથે વટાવવો જોઈએ
• સામાન્ય વેલ્યુ: ટ્રાન્ઝિસ્ટર પ્રકાર પર આધારિત 100mA થી 100A
• એપ્લિકેશન કન્સિડરેશન: મહત્તમ જરૂરી કરંટ કરતાં 50% વધુ રેટિંગ પસંદ કરવી

કરંટ ગેઇન (hFE અથવા β):

• વ્યાખ્યા: કલેક્ટર કરંટનો બેઝ કરંટ સાથેનો ગુણોત્તર
• મહત્વ: એમ્પલિફિકેશન ક્ષમતા અને જરૂરી બેઝ ડ્રાઇવ નક્કી કરે છે
• સામાન્ય વેલ્યુ: સામાન્ય-હેતુના ટ્રાન્ઝિસ્ટર માટે 20-500
• એપ્લિકેશન કન્સિડરેશન: સ્વિચિંગ માટે, ઉચ્ચ ગેઇન બેઝ કરંટની જરૂરિયાત ઘટાડે છે; એમ્પલિફાયર માટે, ઓપરેટિંગ રેન્જમાં સુસંગત ગેઇન મહત્વપૂર્ણ છે

મનેમોનિક: “GIVE” - Gain and Ic are Very Essential parameters

પ્રશ્ન 5(ક) OR [7 ગુણ]

#

રેક્ટિફાયર કાર્યક્ષમતા શું છે? ફુલ વેવ રેક્ટિફાયરની કાર્યક્ષમતા શોધો.

જવાબ:

રેક્ટિફાયર કાર્યક્ષમતા: DC આઉટપુટ પાવરનો AC ઇનપુટ પાવર સાથેનો ગુણોત્તર, ટકાવારીમાં વ્યક્ત.

વ્યાખ્યા:

• કાર્યક્ષમતા (η) = (P_DC/P_AC) × 100%
• ઉચ્ચ કાર્યક્ષમતા એટલે AC થી DC માં વધુ સારું રૂપાંતરણ

ફુલ વેવ રેક્ટિફાયર માટે ડેરિવેશન:

સ્ટેપ 1: DC આઉટપુટ પાવર ગણો

• I_DC = V_DC/R_L
• P_DC = I_DC² × R_L = V_DC²/R_L
• ફુલ વેવ માટે, V_DC = 2V_m/π
• P_DC = (2V_m/π)²/R_L = 4V_m²/(π²R_L)

સ્ટેપ 2: AC ઇનપુટ પાવર ગણો

• I_RMS = V_RMS/R_L
• P_AC = I_RMS² × R_L = V_RMS²/R_L
• સાઇન વેવ માટે, V_RMS = V_m/√2
• P_AC = (V_m/√2)²/R_L = V_m²/(2R_L)

સ્ટેપ 3: કાર્યક્ષમતા ગણો

• η = (P_DC/P_AC) × 100%
• η = [4V_m²/(π²R_L)] / [V_m²/(2R_L)] × 100%
• η = [4/(π²)] × 2 × 100%
• η = 8/(π²) × 100%
• η = 8/9.87 × 100%
• η = 81.2%

ફુલ વેવ રેક્ટિફાયર કાર્યક્ષમતા = 81.2%

તુલના માટે:

• હાફ વેવ રેક્ટિફાયર કાર્યક્ષમતા = 40.6%
• બ્રિજ રેક્ટિફાયર કાર્યક્ષમતા = 81.2%

મનેમોનિક: “PIDE” - Power Input Determines Efficiency