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 جديدة العودة 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·e^jθ
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: z_k = R^1/n∠((φ + 360°·k)/n), k = 0 … n − 1
معادلة تربيعية مع p² < 4q: z = −p/2 ± j√(q − p²/4)

الطريقة

قرّر أي صيغة تناسب العملية: الصيغة الديكارتية a + jb للجمع والطرح، والقطبية r∠θ للضرب والقسمة والقوى والجذور.
اضرب بالفك مع j² = −1؛ واقسم بضرب البسط والمقام في مرافق المقام.
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.
للقوى استخدم دي موافر، (r∠θ)ⁿ = rⁿ∠nθ؛ ولـ zⁿ = R∠φ اسرد كل الجذور الـ n: R^1/n∠((φ + 360°k)/n).

معاوقة التيار المتردد والطوريات

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

الطريقة

حوّل التردد: ω = 2πf.
أوجد كل ممانعة مفاعلة: X_L = ωL و X_C = 1/(ωC).
اجمع الممانعات كما تجمع المقاومات، مع Z = R + jX.
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: Q_C = P(tan φ₁ − tan φ₂), C = Q_C/(ωV²)

رنين LC ومعامل الجودة وعرض النطاق

التردد الطبيعي: ω₀ = 1/√(LC), f₀ = 1/(2π√(LC))
الطاقة: W = ½CV₀² = ½Cv² + ½Li²
تيار الذروة: I_max = 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: f_1,2 = f₀(√(1 + 1/(4Q²)) ∓ 1/(2Q))
دائرة رنين ذات مقاومة ملف r: R_D = L/(C·r) = Q²·r
تضاؤل السعة: e^−Rt/(2L)

الطريقة

أوجد تردد الرنين أولًا: ω₀ = 1/√(LC) وf₀ = ω₀/(2π).
حدد هل الدائرة على التوالي أم على التوازي: على التوالي Q = (1/R)√(L/C)، وعلى التوازي Q = R√(C/L).
استخدم BW = f₀/Q لعرض النطاق، أو الصيغتين المختصرتين R/(2πL) (توالٍ) و1/(2πRC) (توازٍ).
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): V_L = √3·V_ph, I_L = I_ph
توصيل دلتا (Δ): V_L = V_ph, I_L = √3·I_ph
القدرة الفعّالة الكلية: P = √3·V_L·I_L·cos φ = 3·I_ph²·R
القدرة الظاهرية والقدرة غير الفعّالة: S = √3·V_L·I_L, Q = P·tan φ
مكثّفات التصحيح: Q_C = P(tan φ₁ − tan φ₂), C = Q_C/(3ωV²)
الجهد على كل مكثّف: Δ: V_L Y: V_L/√3
قدرة دخل المحرّك: P_in = P_out/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 v_C
الملف في التيار المستمر: قصر؛ لا يمكن أن يقفز i_L
الحالة المستقرة: t ≈ 5τ

الطريقة

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

ثيفنن ونورتن

جهد ثيفنن: V_th = V_{open circuit}
مقاومة ثيفنن: R_th: كل المصادر مُطفأة، منظورًا إليها من a–b
تيار نورتن: I_N = V_th/R_th
تيار الحِمل: I_L = V_th/(R_th + R_L)
أقصى نقل للقدرة: R_L = R_th, P_max = V_th²/(4R_th)

الطريقة

أزل الحِمل وعلّم الطرفين a و b.
أوجد جهد الدائرة المفتوحة بين a و b: هذا هو V_th.
أطفئ كل المصادر المستقلة وأوجد المقاومة المرئية من a–b: هذه هي R_th.
أعد الحِمل إلى الدائرة المكافئة: V_th على التوالي مع R_th.
لمكافئ نورتن، حوّل: I_N = V_th/R_th، مع R_N = R_th على التوازي.

2مسائل تدريبية

1.الأعداد المركبةمتوسطة

للعدد z = 2,5·e^j2,4 زاوية بالراديان. جد جزءه التخيلي b.

r = 2,5θ = 2,4 rad

b =

2.الأعداد المركبةصعبة

جذور zⁿ = w مع n = 5 و w = 243∠180° هي z_k = R^1/n∠((φ + 360°·k)/n)، k = 0, 1, …, 4. جد الجزء الحقيقي لـ z₃.

w = 243∠180°n = 5k = 3

Re(z₃) =

3.معاوقة التيار المتردد والطورياتمتوسطة

دائرة RLC على التوالي موصولة بمصدر 10 V (فعّال)، 60 Hz. أوجد زاوية الطور φ للمعاوقة بالدرجات (موجبة عندما يتأخّر التيار عن الجهد).

V = 10 V (rms)f = 60 HzR = 80 ΩL = 100 mHC = 100 µF

φ = °

4.معاوقة التيار المتردد والطورياتصعبة

دائرة RLC على التوالي لها R = 10 Ω و L = 100 mH و C = 2,2 µF. أوجد معامل الجودة Q لها عند الرنين.

R = 10 ΩL = 100 mHC = 2,2 µF

Q =

5.قدرة التيار المتردد ومعامل القدرةمتوسطة

حِملان موصولان على التوازي بمصدر أحادي الطور 230 V: حِمل 12 kW بمعامل قدرة 0,75 متأخّر وحِمل 5 kW بمعامل قدرة 0,95 متقدّم. أوجد التيار الكلي I المسحوب من المصدر.

V = 230 VP₁ = 12 kW, pf₁ = 0,75 متأخرP₂ = 5 kW, pf₂ = 0,95 متقدّم

I = A

6.قدرة التيار المتردد ومعامل القدرةصعبة

يستهلك حِمل أحادي الطور 40 kW بمعامل قدرة 0,65 متأخّر من مصدر 230 V، 50 Hz. يرفع مكثّف موصول على التوازي معامل القدرة إلى 0,95. أوجد السعة C اللازمة.

P = 40 kWpf₁ = 0,65pf₂ = 0,95V = 230 Vf = 50 Hz

C = µF

7.رنين LC ومعامل الجودة وعرض النطاقمتوسطة

ترنّ دائرة RLC على التوالي عند 50 kHz مع Q = 4. أوجد تردد نصف القدرة الأدنى f₁ بدقة، بوحدة kHz.

f₀ = 50 kHzQ = 4

f₁ = kHz

8.رنين LC ومعامل الجودة وعرض النطاقصعبة

تعمل دائرة RLC على التوالي (R = 2 Ω، L = 220 µH، C = 22 nF) عند الرنين بسعة تيار 500 mA. أوجد الطاقة E_cycle المبددة في R خلال دورة واحدة، بوحدة µJ.

R = 2 ΩL = 220 µHC = 22 nFI_m = 500 mA

E_cycle = µJ

9.القدرة ثلاثية الطورمتوسطة

محرّك حثّي ثلاثي الطور يعطي قدرة خرج ميكانيكية مقدارها 18,5 kW عند الحمل الكامل. عند هذا الحمل تكون كفاءته 93% ومعامل قدرته 0,82 متأخرًا. جهد خط المصدر 415 V. أوجد تيار الخط I_L.

P_out = 18,5 kWη = 93%cos φ = 0,82V_L = 415 V

I_L = A

10.القدرة ثلاثية الطورصعبة

حمل ثلاثي الطور متوازن يأخذ 120 kW عند معامل قدرة 0,8 متأخر من مصدر 690 V (جهد خط) و 60 Hz. يجب أن ترفع مجموعة مكثّفات ثلاثية الطور موصولة على التوازي مع الحمل معامل القدرة الكلي إلى 0,98 متأخر. تبقى القدرة الفعّالة كما هي. المكثّفات موصولة دلتا (Δ). أوجد السعة C_ph لكل مكثّف بالـ µF.

P = 120 kWpf₁ = 0,8pf₂ = 0,98V_L = 690 Vf = 60 Hz

C_ph = µF

11.الحالات العابرة RC و RLمتوسطة

يحمل الملف تيارًا مستقرًا 2 A. عند t = 0 يغلق المفتاح الحلقة عبر R ويُزال المصدر، فيتناقص تيار الملف عبر R. كم يستغرق التيار لينخفض إلى 0,2 A؟ أوجد t.

i(0) = 2 AR = 100 ΩL = 100 mH

t = ms

12.الحالات العابرة RC و RLصعبة

المفتاح مغلق منذ وقت طويل، لذا الدائرة في حالة مستقرة. عند t = 0 يُفتح المفتاح. أوجد جهد المكثّف v_C عند t = 60 ms.

V_s = 24 VR₁ = 10 kΩR₂ = 1 kΩC = 22 µFt = 60 ms

v_C = V

13.ثيفنن ونورتنمتوسطة

أوجد تيار نورتن I_N: التيار الذي يسري من a إلى b إذا قُصر الطرفان.

V₁ = 9 VR₁ = 10 ΩR₂ = 8 ΩR₃ = 8 Ω

I_N = A

14.ثيفنن ونورتنصعبة

وُصل حِمل R_L = 6 Ω بين a–b. استبدل بقية الدائرة بمكافئ ثيفنن وأوجد تيار الحِمل I_L.

V₁ = 18 VI_s = 4 AR₁ = 15 ΩR₂ = 4 ΩR₃ = 6 ΩR_L = 6 Ω

I_L = A

15.مخططات بودي والهوامشمتوسطة

لـ مرشح RC لتمرير الترددات المنخفضة الموضح R = 3,3 kΩ, C = 2,2 nF. يُطبَّق دخل جيبي مقداره 66 kHz. أوجد إزاحة الطور φ للجهد v_out بالنسبة إلى v_in، بالدرجات.

R = 3,3 kΩC = 2,2 nFf = 66 kHz

φ = °

16.مخططات بودي والهوامشصعبة

حلقة تغذية عكسية وحدوية دالة نقلها المفتوحة L(s) = 334/(s(s + 5)(s + 7)). أوجد هامش الكسب GM بوحدة dB.

L(s) = 334/(s(s + 5)(s + 7))

GM = dB

3المحاليل

1.الأعداد المركبة

الإجابة: b = 1,689

الصيغة القطبية: z = r∠θ = r(cos θ + j sin θ) = r·e^jθ، 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 2,4 + j sin 2,4)

المركّبات (بالراديان)

a = 2,5·cos 2,4 = −1,843

b = 2,5·sin 2,4 = 1,689

b = 1,689

الإجابة

b = 1,689

2.الأعداد المركبة

الإجابة: Re(z₃) = −0,9271

دي موافر والجذور: (r∠θ)ⁿ = rⁿ∠nθ. للمعادلة zⁿ = R∠φ بالضبط n جذرًا، كلها بطويلة R^1/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

243^1/5 = 3

سعة الجذر

θ₃ = (180° + 360°·3)/5 = 252° → −108°

الصيغة الديكارتية

z₃ = 3·(cos −108° + j sin −108°) = −0,9271 − j2,853

Re(z₃) = −0,9271

الإجابة

Re(z₃) = −0,9271

تقع الجذور الـ 5 على دائرة نصف قطرها 3، تفصل بين كل جذرين زاوية 72°.

3.معاوقة التيار المتردد والطوريات

الإجابة: φ = 7,951 °

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

X_L = ωL = 377·0,1 = 37,7 Ω

X_C = 1/(ωC) = 1/(377·100·10⁻⁶) = 26,53 Ω

المعاوقة

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

|Z| = √(R² + (X_L − X_C)²) = √(80² + (11,17)²) = 80,78 Ω

زاوية الطور

φ = arctan((X_L − X_C)/R) = arctan(11,17/80) = 7,951°

الإجابة

φ = 7,951°

4.معاوقة التيار المتردد والطوريات

الإجابة: Q = 21,32

تردد الرنين

f₀ = 1/(2π·√(0,1·2,2·10⁻⁶)) = 339,3 Hz

معامل الجودة

Q يقارن المفاعلة عند الرنين بالمقاومة: Q = ω₀L/R.

Q = (1/R)·√(L/C) = (1/10)·√(0,1/(2,2·10⁻⁶)) = 21,32

الإجابة

Q = 21,32

5.قدرة التيار المتردد ومعامل القدرة

الإجابة: I = 83,51 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.

القدرة غير الفعّالة لكل حِمل

الحِمل المتأخّر يأخذ قدرة غير فعّالة (Q > 0)؛ والحِمل المتقدّم يزوّدها (Q < 0).

Q₁ = 12·tan(arccos 0,75) = 10,58 kvar

Q₂ = −5·tan(arccos 0,95) = −1,643 kvar

المجاميع

P = 12 + 5 = 17 kW

Q = 10,58 + (−1,643) = 8,94 kvar

S = √(17² + 8,94²) = 19,21 kVA

التيار الكلي

I = S/V = 19207/230 = 83,51 A

الإجابة

I = 83,51 A

6.قدرة التيار المتردد ومعامل القدرة

الإجابة: C = 2023 µF

القدرة غير الفعّالة قبل وبعد

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

Q₁ = P·tan φ₁ = 40·tan(49,46°) = 46,77 kvar

Q₂ = P·tan φ₂ = 40·tan(18,19°) = 13,15 kvar

Q_C = Q₁ − Q₂ = 33,62 kvar

السعة

المكثّف الموصول على المصدر يزوّد Q = V²·ωC.

C = Q_C/(2πf·V²) = 33618/(2π·50·230²) = 2023 µF

الإجابة

C = 2023 µF

7.رنين LC ومعامل الجودة وعرض النطاق

الإجابة: f₁ = 44,14 kHz

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)، وf_1,2 = f₀(√(1 + 1/(4Q²)) ∓ 1/(2Q)). تجعل الفواقد التذبذب يتضاءل أيضًا: في RLC على التوالي تتناقص السعة كـ e^−Rt/(2L).

حدّ الجذر التربيعي

√(1 + 1/(4·4²)) = 1,008

تردد نصف القدرة الأدنى

f₁ = 50000·(1,008 − 0,125) = 44139 Hz = 44,14 kHz

الإجابة

f₁ = 44,14 kHz

التردد الأعلى هو f₂ = 56,64 kHz؛ تحقق: f₂ − f₁ = 12,5 kHz = f₀/Q.

8.رنين LC ومعامل الجودة وعرض النطاق

الإجابة: E_cycle = 3,456 µJ

الطاقة المخزّنة

W = ½·0,00022·0,5² = 2,75 × 10⁻⁵ J

معامل الجودة

Q = (1/2)·√(0,00022/2,2 × 10⁻⁸) = 50

الطاقة المفقودة في الدورة

E_cycle = 2π·W/Q = 2π·2,75 × 10⁻⁵/50 = 3,456 × 10⁻⁶ J = 3,456 µJ

تحقّق: ½·0,5²·2/72343 = 3,456 × 10⁻⁶ J

الإجابة

E_cycle = 3,456 µJ

9.القدرة ثلاثية الطور

الإجابة: I_L = 33,75 A

القدرة الكهربائية الداخلة

P_in = P_out/η = 18,5/0,93 = 19,89 kW

تيار الخط

I_L = P_in/(√3·V_L·cos φ) = 19892/(√3·415·0,82) = 33,75 A

الإجابة

I_L = 33,75 A

10.القدرة ثلاثية الطور

الإجابة: C_ph = 121,9 µF

النظم ثلاثية الطور المتوازنة: في توصيل Y (النجمة) يكون جهد الخط √3 ضعف جهد الطور، V_L = √3·V_ph، ويساوي تيار الخط تيار الطور. وفي توصيل Δ (الدلتا) يساوي جهد الخط جهد الطور، ويكون تيار الخط √3 ضعف تيار الطور، I_L = √3·I_ph. القدرة الكلية ثلاثة أضعاف قدرة الطور الواحد: P = 3·V_ph·I_ph·cos φ = √3·V_L·I_L·cos φ. تحسين معامل القدرة: تقدّم المكثّفات القدرة غير الفعّالة محليًا، Q_C = P·(tan φ₁ − tan φ₂). يقدّم كل مكثّف من المكثّفات الثلاثة Q_C/3 = V²·ω·C، حيث V الجهد على ذلك المكثّف: V_L في مجموعة Δ، و V_L/√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 = 120·tan(acos 0,8) = 120·0,75 = 90 kvar

Q₂ = 120·tan(acos 0,98) = 120·0,2031 = 24,37 kvar

القدرة غير الفعّالة من المكثّفات

Q_C = Q₁ − Q₂ = 65,63 kvar

السعة لكل طور

في مجموعة Δ يوصل كل مكثّف بين خطين.

V = 690 V, ω = 2π·60 = 377 rad/s

C_ph = (Q_C/3)/(ω·V²) = 21878/(377·690²) = 121,9 µF

الإجابة

C_ph = 121,9 µF

11.الحالات العابرة RC و RL

الإجابة: t = 2,303 ms

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

τ = L/R = 100 mH / 100 Ω = 1 ms

حلّ لإيجاد الزمن

0,2 = 2·e^−t/τ → t = τ·ln(2/0,2)

t = 1·ln(10) = 2,303 ms

الإجابة

t = 2,303 ms

12.الحالات العابرة RC و RL

الإجابة: v_C = 0,1427 V

جهد المكثّف الابتدائي

في الحالة المستقرة يكون المكثّف دائرة مفتوحة، لذا يشكّل R₁ و R₂ مقسّم جهد. لا يمكن لجهد المكثّف أن يقفز عند فتح المفتاح.

v_C(0) = 24·1/(10 + 1) = 2,182 V

الثابت الزمني بعد فتح المفتاح

τ = R₂·C = 1·22 = 22 ms

التفريغ

v_C(t) = 2,182·e^−60/22 = 0,1427 V

الإجابة

v_C = 0,1427 V

13.ثيفنن ونورتن

الإجابة: I_N = 0,3214 A

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

أوجد R_th مع إطفاء كل المصادر

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

R₁ ∥ R₂ = 10·8/(10+8) = 4,444 Ω

R_th = (R₁ ∥ R₂) + R₃ = 4,444 + 8 = 12,44 Ω

أوجد V_th، 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.

V_th = V₁·R₂/(R₁+R₂) = 9·8/(10+8) = 4 V

مكافئ نورتن

مصدر نورتن هو الدائرة نفسها منظورًا إليها كمصدر تيار على التوازي مع R_th. تياره هو تيار القصر بين a–b.

I_N = V_th/R_th = 4/12,44 = 0,3214 A

14.ثيفنن ونورتن

الإجابة: I_L = 2,667 A

أوجد R_th 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

R_th = (R₁ ∥ R₂) + R₃ = 3,158 + 6 = 9,158 Ω

أوجد V_th، 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.

V_A = V₁·R₂/(R₁+R₂) + I_s·(R₁∥R₂) = 3,789 + 4·3,158 = 16,42 V

V_th = V_B = V_A + I_s·R₃ = 16,42 + 4·6 = 40,42 V

صِل الحِمل بمكافئ ثيفنن

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

I_L = V_th/(R_th + R_L) = 40,42/(9,158 + 6) = 2,667 A

15.مخططات بودي والهوامش

الإجابة: φ = −71,63 °

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 ω_c = 1/(RC) أو R/L، وf_c = ω_c/(2π)؛ ومرشح تمرير الترددات المنخفضة يعطي |H| = 1/√(1 + (ω/ω_c)²) وφ = −atan(ω/ω_c). 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 ω_c: |L(jω)| = 1 (0 dB)؛ وهامش الطور PM = 180° + ∠L(jω_c). 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

ω_c = 1/(RC) = 1/(3300·2,2 × 10⁻⁹) = 137741 rad/s

f_c = 21922 Hz → f/f_c = 66000/21922 = 3,011

الطور

φ = − atan(3,011) = −71,63°

الإجابة

φ = −71,63°

16.مخططات بودي والهوامش

الإجابة: GM = 1,99 dB

تقاطع الطور

(ω/5)·(ω/7) = 1 → ω₁₈₀ = √(5·7) = 5,916 rad/s

المقدار عند تقاطع الطور

|L(jω₁₈₀)| = K/(ω·√(ω² + 25)·√(ω² + 49)) = K/(5·7·(5 + 7)) = K/420

هامش الكسب

GM = 20·log₁₀(420/334) = 1,99 dB

الإجابة

GM = 1,99 dB

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

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

1القوانين وطرق الحل

الأعداد المركبة

الطريقة

معاوقة التيار المتردد والطوريات

الطريقة

قدرة التيار المتردد ومعامل القدرة

رنين LC ومعامل الجودة وعرض النطاق

الطريقة

القدرة ثلاثية الطور

الحالات العابرة RC و RL

الطريقة

ثيفنن ونورتن

الطريقة

2مسائل تدريبية

3المحاليل

صيغة أويلر

المركّبات (بالراديان)

الإجابة

طويلة الجذور

سعة الجذر

الصيغة الديكارتية

الإجابة

المفاعلات

المعاوقة

زاوية الطور

الإجابة

تردد الرنين

معامل الجودة

الإجابة

القدرة غير الفعّالة لكل حِمل

المجاميع

التيار الكلي

الإجابة

القدرة غير الفعّالة قبل وبعد

السعة

الإجابة

حدّ الجذر التربيعي

تردد نصف القدرة الأدنى

الإجابة

الطاقة المخزّنة

معامل الجودة

الطاقة المفقودة في الدورة

الإجابة

القدرة الكهربائية الداخلة

تيار الخط

الإجابة

القدرة غير الفعّالة قبل وبعد

القدرة غير الفعّالة من المكثّفات

السعة لكل طور

الإجابة

الثابت الزمني

حلّ لإيجاد الزمن

الإجابة

جهد المكثّف الابتدائي

الثابت الزمني بعد فتح المفتاح

التفريغ

الإجابة

أوجد Rth مع إطفاء كل المصادر

أوجد Vth، جهد الدائرة المفتوحة

مكافئ نورتن

أوجد Rth مع إطفاء كل المصادر

أوجد Vth، جهد الدائرة المفتوحة

صِل الحِمل بمكافئ ثيفنن

تردد الركن

الطور

الإجابة

تقاطع الطور

المقدار عند تقاطع الطور

هامش الكسب

الإجابة

أوجد R_th مع إطفاء كل المصادر

أوجد V_th، جهد الدائرة المفتوحة

أوجد R_th مع إطفاء كل المصادر

أوجد V_th، جهد الدائرة المفتوحة