تحليل الدوائر الكهربائية 2: دوائر التيار المتردد: حزمة المراجعة المكثفة

أوراق القوانين، وأهم خطوات الحل لكل موضوع، و16 مسألة تدريبية، مع الحلول الكاملة في الخلف.

مسائل جديدةالعودة إلى المقرّر

في نافذة الطباعة اختر «حفظ بصيغة PDF» لحفظ نسخة على جهازك.

1القوانين وطرق الحل

الأعداد المركبة

الصيغة الديكارتية
z = a + jb, j² = −1, z̄ = a − jb
الطويلة والسعة
|z| = √(a² + b²), tan θ = b/a (check the quadrant)
الصيغتان القطبية والأسية
z = r∠θ = r(cos θ + j sin θ) = r·ejθ
القسمة
z₁/z₂ = z₁z̄₂/|z₂|²
حاصل الضرب وناتج القسمة
r₁∠θ₁ · r₂∠θ₂ = r₁r₂∠(θ₁ + θ₂), r₁∠θ₁ / r₂∠θ₂ = (r₁/r₂)∠(θ₁ − θ₂)
دي موافر
(r∠θ)ⁿ = rⁿ∠nθ
الجذور النونية
zk = R1/n∠((φ + 360°·k)/n), k = 0 … n − 1
معادلة تربيعية مع p² < 4q
z = −p/2 ± j√(q − p²/4)

الطريقة

  1. قرّر أي صيغة تناسب العملية: الصيغة الديكارتية a + jb للجمع والطرح، والقطبية r∠θ للضرب والقسمة والقوى والجذور.
  2. اضرب بالفك مع j² = −1؛ واقسم بضرب البسط والمقام في مرافق المقام.
  3. حوّل بـ r = √(a² + b²) و θ من رسم للنقطة (a, b) (تحقق من الربع)، وعد بـ a = r cos θ، b = r sin θ.
  4. للقوى استخدم دي موافر، (r∠θ)ⁿ = rⁿ∠nθ؛ ولـ zⁿ = R∠φ اسرد كل الجذور الـ n: R1/n∠((φ + 360°k)/n).

معاوقة التيار المتردد والطوريات

المعاوقات
ZR = R, ZL = jωL, ZC = 1/(jωC)
التردد الزاوي
ω = 2πf
المقدار والزاوية
|Z| = √(R² + X²), φ = atan(X/R)
قانون أوم بالطوريات
V = I·Z

الطريقة

  1. حوّل التردد: ω = 2πf.
  2. أوجد كل ممانعة مفاعلة: XL = ωL و XC = 1/(ωC).
  3. اجمع الممانعات كما تجمع المقاومات، مع Z = R + jX.
  4. أوجد المقدار |Z| = √(R² + X²) والزاوية φ = atan(X/R)، ثم استخدم قانون أوم بالطوريات.

قدرة التيار المتردد ومعامل القدرة

القدرة الفعلية
P = V·I·cos φ
القدرة غير الفعّالة
Q = V·I·sin φ
القدرة الظاهرية
S = V·I = √(P² + Q²)
معامل القدرة
pf = cos φ = P/S
مكثّف التصحيح
QC = P(tan φ1 − tan φ2), C = QC/(ωV²)

رنين LC ومعامل الجودة وعرض النطاق

التردد الطبيعي
ω0 = 1/√(LC), f0 = 1/(2π√(LC))
الطاقة
W = ½CV0² = ½Cv² + ½Li²
تيار الذروة
Imax = V0√(C/L)
معامل الجودة
Q = 2π·(energy stored)/(energy lost per cycle)
RLC على التوالي
Q = (1/R)√(L/C), BW = R/(2πL)
RLC على التوازي
Q = R√(C/L), BW = 1/(2πRC)
عرض النطاق
BW = f2 − f1 = f0/Q, f0 = √(f1f2)
ترددات نصف القدرة
f1,2 = f0(√(1 + 1/(4Q²)) ∓ 1/(2Q))
دائرة رنين ذات مقاومة ملف r
RD = L/(C·r) = Q²·r
تضاؤل السعة
e−Rt/(2L)

الطريقة

  1. أوجد تردد الرنين أولًا: ω₀ = 1/√(LC) وf₀ = ω₀/(2π).
  2. حدد هل الدائرة على التوالي أم على التوازي: على التوالي Q = (1/R)√(L/C)، وعلى التوازي Q = R√(C/L).
  3. استخدم BW = f₀/Q لعرض النطاق، أو الصيغتين المختصرتين R/(2πL) (توالٍ) و1/(2πRC) (توازٍ).
  4. في أسئلة الطاقة، استخدم أن الطاقة الكلية ½CV₀² تبقى ثابتة في دائرة LC المثالية وتتنقل بين C وL كل ربع دورة.

القدرة ثلاثية الطور

توصيل نجمة (Y)
VL = √3·Vph, IL = Iph
توصيل دلتا (Δ)
VL = Vph, IL = √3·Iph
القدرة الفعّالة الكلية
P = √3·VL·IL·cos φ = 3·Iph²·R
القدرة الظاهرية والقدرة غير الفعّالة
S = √3·VL·IL, Q = P·tan φ
مكثّفات التصحيح
QC = P(tan φ1 − tan φ2), C = QC/(3ωV²)
الجهد على كل مكثّف
Δ: VL Y: VL/√3
قدرة دخل المحرّك
Pin = Pout/η

الحالات العابرة RC و RL

الثابت الزمني
τ = RC | τ = L/R
الاستجابة
x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ
المكثّف في التيار المستمر
دائرة مفتوحة؛ لا يمكن أن يقفز vC
الملف في التيار المستمر
قصر؛ لا يمكن أن يقفز iL
الحالة المستقرة
t ≈ 5τ

الطريقة

  1. أوجد القيمة الابتدائية مباشرة بعد التبديل: جهد المكثّف وتيار الملف لا يقفزان.
  2. أوجد القيمة النهائية بعد التبديل بزمن طويل: يتصرّف المكثّف كدائرة مفتوحة، والملف كقصر.
  3. أوجد الثابت الزمني: τ = RC أو τ = L/R، باستخدام المقاومة التي يراها المكثّف أو الملف.
  4. استخدم x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ.

ثيفنن ونورتن

جهد ثيفنن
Vth = Vopen circuit
مقاومة ثيفنن
Rth: كل المصادر مُطفأة، منظورًا إليها من a–b
تيار نورتن
IN = Vth/Rth
تيار الحِمل
IL = Vth/(Rth + RL)
أقصى نقل للقدرة
RL = Rth, Pmax = Vth²/(4Rth)

الطريقة

  1. أزل الحِمل وعلّم الطرفين a و b.
  2. أوجد جهد الدائرة المفتوحة بين a و b: هذا هو Vth.
  3. أطفئ كل المصادر المستقلة وأوجد المقاومة المرئية من a–b: هذه هي Rth.
  4. أعد الحِمل إلى الدائرة المكافئة: Vth على التوالي مع Rth.
  5. لمكافئ نورتن، حوّل: IN = Vth/Rth، مع RN = Rth على التوازي.

2مسائل تدريبية

1.الأعداد المركبةمتوسطة
ReIm11−1−122−2−2θz

للعدد z = 2,5·ej0,4 زاوية بالراديان. جد جزءه الحقيقي a.

r = 2,5θ = 0,4 rad
a =
2.الأعداد المركبةصعبة
ReIm11−1−122−2−2ABCD

نقطة واحدة بالضبط من النقاط A–D هي جذر للمعادلة z³ = 8∠120°. انقر عليها.

w = 8∠120°n = 3
  1. 1A (2∠−80°)
  2. 2B (1∠−80°)
  3. 3C (2∠80°)
  4. 4D (2∠−20°)
3.معاوقة التيار المتردد والطورياتمتوسطة
120 V60 HzR = 20 ΩL = 50 mHC = 22 µFI

دائرة RLC على التوالي موصولة بمصدر 120 V (فعّال)، 60 Hz. أوجد التيار الفعّال I.

V = 120 V (rms)f = 60 HzR = 20 ΩL = 50 mHC = 22 µF
I = A
4.معاوقة التيار المتردد والطورياتصعبة
12 V500 HzR = 80 ΩL = 200 mHC = 10 µF

دائرة RLC على التوالي موصولة بمصدر 12 V (فعّال)، 500 Hz. أوجد تردّد الرنين f0 للدائرة.

V = 12 V (rms)f = 500 HzR = 80 ΩL = 200 mHC = 10 µF
f0 = Hz
5.قدرة التيار المتردد ومعامل القدرةمتوسطة
P = 19 kWQSφ

يستهلك محرّك أحادي الطور 19 kW بمعامل قدرة 0,9 متأخّر من مصدر 240 V. أوجد تيار الخط I.

P = 19 kWpf = 0,9V = 240 V
I = A
6.قدرة التيار المتردد ومعامل القدرةصعبة
P = 50 kWQ1​S1​φ1​QC​

يستهلك حِمل أحادي الطور 50 kW بمعامل قدرة 0,65 متأخّر من مصدر 400 V، 60 Hz. يرفع مكثّف موصول على التوازي معامل القدرة إلى 0,92. أوجد القدرة غير الفعّالة QC التي يجب أن يزوّدها المكثّف.

P = 50 kWpf1 = 0,65pf2 = 0,92V = 400 Vf = 60 Hz
QC = kvar
7.رنين LC ومعامل الجودة وعرض النطاقمتوسطة
V1 kΩ220 µH2,2 nF

لدائرة RLC على التوازي R = 1 kΩ وL = 220 µH وC = 2,2 nF. أوجد معامل جودتها Q.

R = 1 kΩL = 220 µHC = 2,2 nF
Q =
8.رنين LC ومعامل الجودة وعرض النطاقصعبة
V22 Ω10 mH22 nF50 mA

تعمل دائرة RLC على التوالي (R = 22 Ω، L = 10 mH، C = 22 nF) عند الرنين بسعة تيار 50 mA. أوجد الطاقة Ecycle المبددة في R خلال دورة واحدة، بوحدة µJ.

R = 22 ΩL = 10 mHC = 22 nFIm = 50 mA
Ecycle = µJ
9.القدرة ثلاثية الطورمتوسطة
ABCVL​ = 415 VIL​ = 60 Acos φ = 0,82متأخر

حمل ثلاثي الطور متوازن يسحب تيار خط مقداره 60 A من مصدر جهد خطه 415 V. معامل القدرة 0,82 متأخر. أوجد القدرة الفعّالة الكلية P التي يسحبها الحمل بالـ kW.

VL = 415 VIL = 60 Acos φ = 0,82
P = kW
10.القدرة ثلاثية الطورصعبة
P = 75 kWφ1​S1​Q2​QC​ = ?

حمل ثلاثي الطور متوازن يأخذ 75 kW عند معامل قدرة 0,72 متأخر من مصدر 690 V (جهد خط) و 50 Hz. يجب أن ترفع مجموعة مكثّفات ثلاثية الطور موصولة على التوازي مع الحمل معامل القدرة الكلي إلى 0,92 متأخر. تبقى القدرة الفعّالة كما هي. أوجد القدرة غير الفعّالة الكلية QC التي يجب أن تقدّمها مجموعة المكثّفات، بالـ kvar.

P = 75 kWpf1 = 0,72pf2 = 0,92VL = 690 Vf = 50 Hz
QC = kvar
11.الحالات العابرة RC و RLمتوسطة
+−Vs​20 Vt = 0R = 50 ΩL100 mHi(t)

لا يمرّ تيار في الملف قبل أن يُغلق المفتاح عند t = 0. أوجد التيار i عند t = 5 ms.

Vs = 20 VR = 50 ΩL = 100 mHt = 5 ms
i = A
12.الحالات العابرة RC و RLصعبة
+−Vs​15 Vt = 0R = 100 kΩC?+−vC​

يبدأ مؤقّت بشحن مكثّف غير مشحون عبر مقاومة من مصدر 15 V عند t = 0. يجب أن يُطلق عندما يبلغ جهد المكثّف 9 V، بعد 10 ms بالضبط من البداية. مع R = 100 kΩ، أوجد السعة C المطلوبة.

Vs = 15 VVth = 9 VT = 10 msR = 100 kΩ
C = µF
13.ثيفنن ونورتنمتوسطة
R1​ = 15 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​30 VR2​4 ΩAab

أوجد جهد ثيفنن Vth المرئي من الطرفين a–b.

V1 = 30 VR1 = 15 ΩR2 = 4 ΩR3 = 3 Ω
Vth = V
14.ثيفنن ونورتنصعبة
R1​ = 25 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​15 VR2​3 ΩAIs​4 ABRL​3 ΩIL​

وُصل حِمل RL = 3 Ω بين a–b. استبدل بقية الدائرة بمكافئ ثيفنن وأوجد تيار الحِمل IL.

V1 = 15 VIs = 4 AR1 = 25 ΩR2 = 3 ΩR3 = 3 ΩRL = 3 Ω
IL = A
15.مخططات بودي والهوامشمتوسطة
vin​C = 100 nFR = 3,3 kΩvout​

لـ مرشح RC لتمرير الترددات العالية الموضح R = 3,3 kΩ, C = 100 nF. يُطبَّق دخل جيبي مقداره 960 Hz. أوجد الكسب |H| = |vout/vin| بوحدة dB.

R = 3,3 kΩC = 100 nFf = 960 Hz
|H| = dB
16.مخططات بودي والهوامشصعبة
|H| (dB)0,10,1111010100100−80−60−40−2002040ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−270−180−900ω180​

حلقة تغذية عكسية وحدوية دالة نقلها المفتوحة L(s) = 10/(s(s + 1)(s + 9)). أوجد هامش الكسب GM بوحدة dB.

L(s) = 10/(s(s + 1)(s + 9))
GM = dB

3المحاليل

1.الأعداد المركبة

الإجابة: a = 2,303

الصيغة القطبية: z = r∠θ = r(cos θ + j sin θ) = r·ejθ، حيث r = |z| و θ = arg z. والعودة إلى الصيغة الديكارتية: a = r cos θ، b = r sin θ. تحتاج السعة إلى الربع: θ = atan(b/a) فقط عندما a > 0؛ وعندما a < 0 أضف 180° أو اطرحها. في الصيغة القطبية الضرب سهل: اضرب الطويلتين واجمع السعتين؛ وللقسمة اقسم الطويلتين واطرح السعتين.

صيغة أويلر

z = 2,5·(cos 0,4 + j sin 0,4)

المركّبات (بالراديان)

a = 2,5·cos 0,4 = 2,303
b = 2,5·sin 0,4 = 0,9735
a = 2,303

الإجابة

a = 2,303
2.الأعداد المركبة

الإجابة: A (2∠−80°)

دي موافر والجذور: (r∠θ)ⁿ = rⁿ∠nθ. للمعادلة zⁿ = R∠φ بالضبط n جذرًا، كلها بطويلة R1/n، عند السعات (φ + 360°·k)/n لـ k = 0, 1, …, n − 1: تقع متباعدة بانتظام على دائرة، بفارق 360°/n. للمعادلة التربيعية z² + pz + q = 0 مع p² < 4q جذران مركبان z = −p/2 ± j√(q − p²/4)؛ وكثير الحدود ذو المعاملات الحقيقية تأتي جذوره المركبة دائمًا في أزواج مترافقة a ± jb.

طويلة الجذور وسعاتها

|z| = 2
θ = 40°, 160°, −80°

النقطة

A = 2∠−80°

الإجابة

A (2∠−80°)
3.معاوقة التيار المتردد والطوريات

الإجابة: I = 1,158 A

دوائر التيار المتردد بالطوريات: للمقاومات والملفات والمكثّفات معاوقات R و jωL و 1/(jωC)، مع ω = 2πf. على التوالي تُجمع المعاوقات كالمقاومات، لكن كأعداد مركّبة. ويتبع التيار والجهد الفعّالان قانون أوم مع |Z|.

المفاعلات

ω = 2πf = 2π·60 = 377 rad/s
XL = ωL = 377·0,05 = 18,85 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(377·22·10⁻⁶) = 120,6 Ω

المعاوقة

على التوالي تُجمع المعاوقات كأعداد مركّبة: Z = R + j(XL − XC).

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(20² + (−101,7)²) = 103,7 Ω

التيار

يمرّ التيار نفسه في كل عنصر من عناصر دائرة التوالي.

I = V/|Z| = 120/103,7 = 1,158 A

الإجابة

I = 1,158 A
4.معاوقة التيار المتردد والطوريات

الإجابة: f0 = 112,5 Hz

دوائر التيار المتردد بالطوريات: للمقاومات والملفات والمكثّفات معاوقات R و jωL و 1/(jωC)، مع ω = 2πf. على التوالي تُجمع المعاوقات كالمقاومات، لكن كأعداد مركّبة. ويتبع التيار والجهد الفعّالان قانون أوم مع |Z|.

الرنين

عند الرنين تُلغي المفاعلتان الحثية والسعوية بعضهما: ωL = 1/(ωC). تردّد المصدر لا يهم.

f0 = 1/(2π√(LC)) = 1/(2π·√(0,2·10·10⁻⁶)) = 112,5 Hz

الإجابة

f0 = 112,5 Hz
5.قدرة التيار المتردد ومعامل القدرة

الإجابة: I = 87,96 A

قدرة التيار المتردد: القدرة الظاهرية S = V·I (VA) تنقسم إلى قدرة فعلية P = S·cos φ (W) تؤدّي شغلًا مفيدًا، وقدرة غير فعّالة Q = S·sin φ (var) تتردّد بين المصدر والحِمل. معامل القدرة هو cos φ. المكثّف الموصول على التوازي يزوّد القدرة غير الفعّالة محليًا، فينخفض تيار الخط للقدرة الفعلية نفسها.

تيار الخط

الجزء الفعلي من القدرة فقط يؤدّي الشغل، لذا اقسم على معامل القدرة.

I = P/(V·cos φ) = 19000/(240·0,9) = 87,96 A

الإجابة

I = 87,96 A
6.قدرة التيار المتردد ومعامل القدرة

الإجابة: QC = 37,16 kvar

قدرة التيار المتردد: القدرة الظاهرية S = V·I (VA) تنقسم إلى قدرة فعلية P = S·cos φ (W) تؤدّي شغلًا مفيدًا، وقدرة غير فعّالة Q = S·sin φ (var) تتردّد بين المصدر والحِمل. معامل القدرة هو cos φ. المكثّف الموصول على التوازي يزوّد القدرة غير الفعّالة محليًا، فينخفض تيار الخط للقدرة الفعلية نفسها.

القدرة غير الفعّالة قبل وبعد

لا تتغيّر القدرة الفعلية P؛ تتغيّر فقط القدرة غير الفعّالة المسحوبة من الشبكة.

Q1 = P·tan φ1 = 50·tan(49,46°) = 58,46 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 50·tan(23,07°) = 21,3 kvar
QC = Q1 − Q2 = 37,16 kvar

الإجابة

QC = 37,16 kvar
7.رنين LC ومعامل الجودة وعرض النطاق

الإجابة: Q = 3,162

معامل الجودة وعرض النطاق: في الدائرة الرنانة Q = 2π·(الطاقة المختزنة)/(الطاقة المفقودة في الدورة). في RLC على التوالي Q = ω0L/R = (1/R)√(L/C)؛ وفي RLC على التوازي Q = R/(ω0L) = R√(C/L). عرض النطاق بين ترددي نصف القدرة f1 وf2 (حيث تكون القدرة النصف والتيار أو الجهد 1/√2 من ذروته) هو BW = f2 − f1 = f0/Q، ويساوي R/(2πL) على التوالي و1/(2πRC) على التوازي. تردد الرنين هو الوسط الهندسي f0 = √(f1f2)، وf1,2 = f0(√(1 + 1/(4Q²)) ∓ 1/(2Q)). تجعل الفواقد التذبذب يتضاءل أيضًا: في RLC على التوالي تتناقص السعة كـ e−Rt/(2L).

تردد الرنين

ω₀ = 1/√(LC) = 1,437 × 10⁶ rad/s

معامل الجودة

Q = R/(ω₀L) = 1000/(1,437 × 10⁶·0,00022) = 3,162

الإجابة

Q = 3,162

عرض النطاق هو 1/(2πRC) = 72,34 kHz.

8.رنين LC ومعامل الجودة وعرض النطاق

الإجابة: Ecycle = 2,563 µJ

معامل الجودة وعرض النطاق: في الدائرة الرنانة Q = 2π·(الطاقة المختزنة)/(الطاقة المفقودة في الدورة). في RLC على التوالي Q = ω0L/R = (1/R)√(L/C)؛ وفي RLC على التوازي Q = R/(ω0L) = R√(C/L). عرض النطاق بين ترددي نصف القدرة f1 وf2 (حيث تكون القدرة النصف والتيار أو الجهد 1/√2 من ذروته) هو BW = f2 − f1 = f0/Q، ويساوي R/(2πL) على التوالي و1/(2πRC) على التوازي. تردد الرنين هو الوسط الهندسي f0 = √(f1f2)، وf1,2 = f0(√(1 + 1/(4Q²)) ∓ 1/(2Q)). تجعل الفواقد التذبذب يتضاءل أيضًا: في RLC على التوالي تتناقص السعة كـ e−Rt/(2L).

الطاقة المخزّنة

W = ½·0,01·0,05² = 1,25 × 10⁻⁵ J

معامل الجودة

Q = (1/22)·√(0,01/2,2 × 10⁻⁸) = 30,65

الطاقة المفقودة في الدورة

Ecycle = 2π·W/Q = 2π·1,25 × 10⁻⁵/30,65 = 2,563 × 10⁻⁶ J = 2,563 µJ
تحقّق: ½·0,05²·22/10730 = 2,563 × 10⁻⁶ J

الإجابة

Ecycle = 2,563 µJ
9.القدرة ثلاثية الطور

الإجابة: P = 35,37 kW

النظم ثلاثية الطور المتوازنة: في توصيل Y (النجمة) يكون جهد الخط √3 ضعف جهد الطور، VL = √3·Vph، ويساوي تيار الخط تيار الطور. وفي توصيل Δ (الدلتا) يساوي جهد الخط جهد الطور، ويكون تيار الخط √3 ضعف تيار الطور، IL = √3·Iph. القدرة الكلية ثلاثة أضعاف قدرة الطور الواحد: P = 3·Vph·Iph·cos φ = √3·VL·IL·cos φ.

القدرة الظاهرية

S = √3·VL·IL = √3·415·60 = 43,13 kVA

القدرة الفعلية

P = S·cos φ = 43,13·0,82 = 35,37 kW

الإجابة

P = 35,37 kW
10.القدرة ثلاثية الطور

الإجابة: QC = 40,34 kvar

النظم ثلاثية الطور المتوازنة: في توصيل Y (النجمة) يكون جهد الخط √3 ضعف جهد الطور، VL = √3·Vph، ويساوي تيار الخط تيار الطور. وفي توصيل Δ (الدلتا) يساوي جهد الخط جهد الطور، ويكون تيار الخط √3 ضعف تيار الطور، IL = √3·Iph. القدرة الكلية ثلاثة أضعاف قدرة الطور الواحد: P = 3·Vph·Iph·cos φ = √3·VL·IL·cos φ. تحسين معامل القدرة: تقدّم المكثّفات القدرة غير الفعّالة محليًا، QC = P·(tan φ1 − tan φ2). يقدّم كل مكثّف من المكثّفات الثلاثة QC/3 = V²·ω·C، حيث V الجهد على ذلك المكثّف: VL في مجموعة Δ، و VL/√3 في مجموعة Y.

القدرة غير الفعّالة قبل وبعد

القدرة الفعّالة لا تتغيّر، لذا يحدّد كل معامل قدرة القدرة غير الفعّالة: Q = P·tan φ.

Q1 = 75·tan(acos 0,72) = 75·0,9639 = 72,29 kvar
Q2 = 75·tan(acos 0,92) = 75·0,426 = 31,95 kvar

القدرة غير الفعّالة من المكثّفات

QC = Q1 − Q2 = 40,34 kvar

الإجابة

QC = 40,34 kvar
11.الحالات العابرة RC و RL

الإجابة: i = 0,3672 A

الحالات العابرة من الرتبة الأولى: في دائرة فيها مكثّف واحد أو ملف واحد، يتغيّر كل جهد وتيار أُسّيًا من قيمته الابتدائية إلى قيمته النهائية: x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ، حيث τ = RC أو τ = L/R. بعد نحو 5τ تستقر الدائرة.

الثابت الزمني والتيار النهائي

بعد إغلاق المفتاح بوقت طويل يتصرّف الملف كقصر، لذا يحدّد R وحده التيار النهائي.

τ = L/R = 100 mH / 50 Ω = 2 ms
i(∞) = Vs/R = 20/50 = 0,4 A

التيار في اللحظة المعطاة

i(t) = i(∞)·(1 − e−t/τ) = 0,4·(1 − e−5/2) = 0,3672 A

الإجابة

i = 0,3672 A
12.الحالات العابرة RC و RL

الإجابة: C = 0,1091 µF

الحالات العابرة من الرتبة الأولى: في دائرة فيها مكثّف واحد أو ملف واحد، يتغيّر كل جهد وتيار أُسّيًا من قيمته الابتدائية إلى قيمته النهائية: x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ، حيث τ = RC أو τ = L/R. بعد نحو 5τ تستقر الدائرة.

الثابت الزمني المطلوب

9 = 15·(1 − e−10/τ) → τ = 10/ln(15/(15 − 9))
τ = 10/0,9163 = 10,91 ms

السعة

kΩ مضروبة في µF تعطي ميلي ثانية.

C = τ/R = 10,91/100 = 0,1091 µF

الإجابة

C = 0,1091 µF
13.ثيفنن ونورتن

الإجابة: Vth = 6,316 V

نظرية ثيفنن: أي شبكة خطية ذات طرفين تتصرّف كمصدر جهد واحد Vth على التوالي مع مقاومة Rth. ونظرية نورتن تعطي الشبكة نفسها كمصدر تيار IN = Vth/Rth على التوازي مع Rth.

R1​ = 15 ΩR3​ = 3 ΩقصرR2​4 ΩAabRth​

أوجد Rth مع إطفاء كل المصادر

استبدل مصادر الجهد بقصر ومصادر التيار بدوائر مفتوحة، ثم انظر إلى الدائرة من a–b.

R1 ∥ R2 = 15·4/(15+4) = 3,158 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3,158 + 3 = 6,158 Ω
R1​ = 15 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​30 VR2​4 ΩAab+−Vth​

أوجد Vth، جهد الدائرة المفتوحة

عندما يكون a–b مفتوحًا لا يمرّ تيار في R₃، فلا هبوط عليه و V_b = V_A. يشكّل R₁ و R₂ مقسّم جهد.

Vth = V1·R2/(R1+R2) = 30·4/(15+4) = 6,316 V
14.ثيفنن ونورتن

الإجابة: IL = 2,802 A

نظرية ثيفنن: أي شبكة خطية ذات طرفين تتصرّف كمصدر جهد واحد Vth على التوالي مع مقاومة Rth. ونظرية نورتن تعطي الشبكة نفسها كمصدر تيار IN = Vth/Rth على التوازي مع Rth.

R1​ = 25 ΩR3​ = 3 ΩقصرR2​3 ΩAمفتوحBabRth​

أوجد Rth مع إطفاء كل المصادر

استبدل مصادر الجهد بقصر ومصادر التيار بدوائر مفتوحة، ثم انظر إلى الدائرة من a–b.

R1 ∥ R2 = 25·3/(25+3) = 2,679 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,679 + 3 = 5,679 Ω
R1​ = 25 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​15 VR2​3 ΩAIs​4 ABab+−Vth​

أوجد Vth، جهد الدائرة المفتوحة

عندما يكون a–b مفتوحًا، المسار الوحيد لـ Iₛ هو عبر R₃ إلى العقدة A. أوجد V_A بتراكب V₁ و Iₛ، ثم أضف الهبوط على R₃.

VA = V1·R2/(R1+R2) + Is·(R1∥R2) = 1,607 + 4·2,679 = 12,32 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 12,32 + 4·3 = 24,32 V
Rth​ = 5,679 Ω+−Vth​24,32 VRL​3 ΩIL​

صِل الحِمل بمكافئ ثيفنن

يتصرّف مصدر ثيفنن و R_th على التوالي عند a–b تمامًا كالدائرة الأصلية، فيرى الحِمل حلقة توالٍ بسيطة.

IL = Vth/(Rth + RL) = 24,32/(5,679 + 3) = 2,802 A
15.مخططات بودي والهوامش

الإجابة: |H| = −0,9774 dB

الاستجابة الترددية: عوّض s = jω في دالة النقل. المقدار بالديسيبل هو 20·log₁₀|H(jω)| والطور هو مجموع زوايا عوامل البسط ناقص زوايا عوامل المقام. مرشح RC أو RL من الرتبة الأولى له تردد الركن (−3 dB) عند ωc = 1/(RC) أو R/L، وfc = ωc/(2π)؛ ومرشح تمرير الترددات المنخفضة يعطي |H| = 1/√(1 + (ω/ωc)²) وφ = −atan(ω/ωc). وفي مخطط بودي التقريبي (الخطوط المستقيمة) ينحني كل قطب بالمقدار إلى الأسفل بـ 20 dB/decade عند تردد ركنه، وينحني كل صفر إلى الأعلى بـ 20 dB/decade، ويعطي المكامل 1/s ميلًا قدره −20 dB/decade عند كل الترددات. تردد تقاطع الكسب ωc: |L(jω)| = 1 (0 dB)؛ وهامش الطور PM = 180° + ∠L(jωc). تردد تقاطع الطور ω180: ∠L(jω) = −180°؛ وهامش الكسب GM = −20·log₁₀|L(jω180)| dB. تكون الحلقة المغلقة مستقرة حين يكون الهامشان موجبين.

تردد الركن

ωc = 1/(RC) = 1/(3300·1 × 10⁻⁷) = 3030 rad/s
fc = 482,3 Hz → f/fc = 960/482,3 = 1,991

الكسب

|H| = 1,991/√(1 + 1,991²) = 0,8936
20·log₁₀(0,8936) = −0,9774 dB

الإجابة

|H| = −0,9774 dB
16.مخططات بودي والهوامش

الإجابة: GM = 19,08 dB

الاستجابة الترددية: عوّض s = jω في دالة النقل. المقدار بالديسيبل هو 20·log₁₀|H(jω)| والطور هو مجموع زوايا عوامل البسط ناقص زوايا عوامل المقام. مرشح RC أو RL من الرتبة الأولى له تردد الركن (−3 dB) عند ωc = 1/(RC) أو R/L، وfc = ωc/(2π)؛ ومرشح تمرير الترددات المنخفضة يعطي |H| = 1/√(1 + (ω/ωc)²) وφ = −atan(ω/ωc). وفي مخطط بودي التقريبي (الخطوط المستقيمة) ينحني كل قطب بالمقدار إلى الأسفل بـ 20 dB/decade عند تردد ركنه، وينحني كل صفر إلى الأعلى بـ 20 dB/decade، ويعطي المكامل 1/s ميلًا قدره −20 dB/decade عند كل الترددات. تردد تقاطع الكسب ωc: |L(jω)| = 1 (0 dB)؛ وهامش الطور PM = 180° + ∠L(jωc). تردد تقاطع الطور ω180: ∠L(jω) = −180°؛ وهامش الكسب GM = −20·log₁₀|L(jω180)| dB. تكون الحلقة المغلقة مستقرة حين يكون الهامشان موجبين.

تقاطع الطور

(ω/1)·(ω/9) = 1 → ω180 = √(1·9) = 3 rad/s

المقدار عند تقاطع الطور

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 1)·√(ω² + 81)) = K/(1·9·(1 + 9)) = K/90

هامش الكسب

GM = 20·log₁₀(90/10) = 19,08 dB

الإجابة

GM = 19,08 dB

ExamProblems · examproblems.com/courses/circuit-analysis-2