1.    a)    i)      State the names of the three basic equations used in circuit analysis.                   

ii)     If a quantity of charge flowing through a resistor at 3 mC / s loses 5 joules of energy per coulomb of charge calculate the resistance.

b)    The circuit shown in figure Q1b converts an AC voltage supplied at its input to a regulated DC voltage at its output. A heating element is connected to the circuit’s output as shown. The circuit has six faults and does not work.

i)      Redraw the circuit into your answer book with the six faults corrected.          

The input voltage has an amplitude of 12 V and a frequency of 50 Hz. The smoothing capacitor is 700 F. The output of the full wave rectifier has a ripple voltage which is 5 % of the input voltage. Assume that all diodes are ideal.

ii)     Determine the current IT .                                                                                   

iii)    Calculate the running cost of the heating element if it is used continuously for 1 week. The energy supplier charges 20 pence per kWh.   Assume 5 mA flows through the       Zener diode under reverse breakdown.

Figure Q1b

c)    The circuit shown in figure Q1c is to be reduced to it’s Thevenin equivalent circuit.

i)      Determine the Thevenin resistance seen between terminals A and B.     

ii)     Draw  the  Thevenin  equivalent  circuit.  Use  an  appropriate  symbol  for  the  unknown Thevenin voltage and the value of the Thevenin resistance obtained          above.

A 10 Ω resistor is connected across terminals A and B of the Thevenin circuit and a current of 35.43 mA is measured through the resistor.

iii)    Obtain the Thevenin voltage.                                                                            

+

-

Figure Q1c

2     a)    Sketch the current - voltage characteristic of a Zener diode. Include the axis labels and indicate the following on your sketch: breakdown voltage, reverse breakdown         region, forward bias and reverse bias regions.

b)    The circuit shown in figure Q2b is a common emitter non-inverting amplifier. The npn type transistor has a DC current gain of 120.

i)     Determine the values for VB, VE, IC  and IB . Assume the voltage drop between the base and emitter is 0.6 V.

ii)    A sinusoidal voltage, of amplitude 5 mV, is applied to the input terminals of the amplifier in figure Q2b. An output voltage of amplitude 1.3 V is then measured. Obtain the voltage gain of the amplifier.

c)

Figure Q2b

Write definitions of the following terms and provide one example of each:

i)     Electromechanics.                                                                                

ii)    Electric drive.                                                                                                  

Question 2 continued

d)    Explain the difference between separately excited, series excited and shunt excited configurations in a motor.

e)    A series wound motor produces a shaft torque of 1.7 Nm at a speed of 1500 rpm. The current into the motor at this condition is 2 A from a 220 V DC supply.

i)      Calculate the mechanical power delivered by the motor.      

ii)     Obtain the electrical power delivered by the power supply.               

iii)    Explain why this motor cannot be considered an ideal motor. Give two possible reasons.

3.    a)    With the aid of a diagram explain what information is shown by magnetic field lines. 

b)    With the aid of three labelled diagrams show the magnetic field lines and directions, in air, for the following systems:

i)       A current carrying conducting rod.                                                              

ii)      An air gap in a magnetic circuit with square end pieces.                           

iii)     A current carrying coil of wire.                                             

c)    A metal bar of length 0.5 m, placed in air, is connected to a high voltage DC power supply. A magnetic flux density of 5 mT is required at a radial distance of 1 cm from the bar.

i)        Calculate the required current needed to produce this field.             

The metal bar is placed into a uniform magnetic field of flux density 0.25 T. The bar is aligned perpendicular to the field lines.

ii)      Using the current obtained above, determine the force on the bar.   

d)    Figure Q3d shows the design of a simple magnetic circuit. A coil of 200 turns is wound onto a ring. The ring has an average radius of 0.25 m, a cross-sectional area of 10-3 m2 and relative permeability, r = 2000. The current in the coil is 0.5 A.

i)     Calculate the magnetic flux inside the ring.

ii)    What is the magnetic flux density inside the ring?

iii)   A sinusoidal current of the form I(t) = Io  sin (2πf t) where Io = 0.5 A and f = 1 kHz is applied to the coil. Determine the voltage across the coil.

Figure Q3d

e)     A multipole alternator, without its rotor, is shown in figure Q3e.

i)      Copy the diagram into your answer book and carefully draw in an 8 pole rotor. Indicate the polarity of each pole.

ii)     The rotor rotates at 1200 rpm. Calculate the frequency of the output voltage.

iii)    Each stator coil generates 21 V amplitude. Obtain the amplitude of the output voltage of the alternator.