التدريب لاختبار FE للهندسة الكهربائية والحاسوب: حزمة المراجعة المكثفة

أوراق القوانين، وأهم خطوات الحل لكل موضوع، و40 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

المقاومات على التوالي والتوازي

مقاومات على التوالي
Req = R1 + R2 + …
مقاومات على التوازي
1/Req = 1/R1 + 1/R2 + …
مقاومتان على التوازي
Req = R1R2 / (R1 + R2)
قانون أوم
V = I·R
القدرة
P = V·I = I²R = V²/R

الطريقة

  1. ابدأ من طرف الشبكة الأبعد عن الطرفين.
  2. اجمع المقاومات المتوالية بجمعها، والمقاومات المتوازية بـ 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …
  3. أعد رسم الدائرة بعد كل خطوة.
  4. كرّر حتى تبقى مقاومة واحدة بين الطرفين.

تحليل العقد

قانون كيرشوف للتيار
ΣIin = ΣIout
تيار الفرع
I = (Va − Vb)/R
العقدة المرجعية
Vground = 0

الطريقة

  1. اختر عقدة مرجعية (الأرضي) وسمِّ جهود العقد الأخرى.
  2. اكتب قانون كيرشوف للتيار عند كل عقدة مجهولة: التيارات الخارجة عبر الفروع تساوي التيارات الداخلة.
  3. عبّر عن كل تيار فرع بالصيغة (Va − Vb)/R.
  4. حلّ نظام المعادلات، ثم أوجد أي تيار تحتاجه.

تحليل الحلقات

قانون كيرشوف للجهد
ΣV = 0 حول كل حلقة
مقاومة مشتركة
التيار = I1 − I2
مصدر تيار في حلقة
يحدّد تيار تلك الحلقة

الطريقة

  1. ارسم تيارًا باتجاه عقارب الساعة في كل حلقة (نافذة) من الدائرة.
  2. طبّق قانون كيرشوف للجهد حول كل حلقة: مجموع هبوطات الجهد يساوي صفرًا.
  3. في المقاومة المشتركة بين حلقتين يكون التيار هو الفرق بين تياري الحلقتين.
  4. حلّ المعادلات؛ النتيجة السالبة تعني أن التيار يسري في الاتجاه المعاكس.

التراكب

التراكب
x = x1 + x2 + … (one source at a time)
مصدر جهد مُطفأ
قصر (0 V)
مصدر تيار مُطفأ
دائرة مفتوحة (0 A)
مقسّم الجهد
V2 = V·R2/(R1 + R2)
مقسّم التيار
I1 = I·R2/(R1 + R2)

الطريقة

  1. عُدّ المصادر المستقلة. ستحلّ دائرة أبسط واحدة لكل مصدر.
  2. أبقِ مصدرًا واحدًا وأطفئ الباقي: يصبح مصدر الجهد قصرًا (سلكًا)، ويصبح مصدر التيار دائرة مفتوحة (فجوة).
  3. حلّ الدائرة الأبسط لإيجاد الجهد أو التيار المطلوب، مع متابعة اتجاهه.
  4. كرّر ذلك لكل مصدر، ثم اجمع المساهمات بإشاراتها.

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.

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.

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)

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

المحوّلات

نسبة اللفّات
a = N1/N2 = V1/V2
نسبة التيارات
I1/I2 = N2/N1 = 1/a
التيار المقنَّن
I = S/V
الممانعة المحوَّلة
Z1′ = a²·ZL
مفقودات النحاس عند حمل جزئي
Pcu = x²·Pcu,fl
الكفاءة
η = x·S·pf/(x·S·pf + Pcore + x²·Pcu,fl)
أقصى كفاءة
x = √(Pcore/Pcu,fl)

دوائر مكبّرات العمليات

المكبّر العاكس
Vout = −(Rf/Rin)·Vin
المكبّر غير العاكس
Vout = (1 + Rf/R1)·Vin
المكبّر الجامع
Vout = −Rf(V1/R1 + V2/R2)
مكبّر العمليات المثالي
V+ = V−, Iin = 0

الثنائيات والترانزستورات

الثنائي (هبوط ثابت)
VD = 0,7 V when conducting
المنطقة الفعّالة
VBE = 0,7 V, IC = β·IB, IE = (β + 1)·IB
الانحياز الثابت
IB = (VCC − 0,7)/RB
انحياز مقسّم الجهد
IB = (VTH − 0,7)/(RTH + (β + 1)RE)
مكافئ ثيفنن لمقسّم الجهد
VTH = VCC·R2/(R1 + R2), RTH = R1∥R2
حلقة المجمِّع
VCE = VCC − ICRC − IERE
التشبّع
IC(sat) = (VCC − VCE(sat))/RC, IB ≥ IC(sat)/β

أنظمة العد

القيم الموضعية
الثنائي 2k، الثماني 8k، الست عشري 16k
إلى العشري
Σ dk·bk
من العشري
اقسم على الأساس، واقرأ البواقي من الأسفل إلى الأعلى
الست عشري ↔ الثنائي
رقم ست عشري واحد = 4 بتات
المتمم الثنائي
اعكس البتات وأضف 1

المنطق الرقمي: البوابات وخرائط كارنو والقلّابات

البوابات الأساسية
A·B, A + B, A′, (A·B)′, (A + B)′, A ⊕ B
القواعد البولية
X + X′ = 1, X·X′ = 0, X + XY = X, XY + XY′ = X
دي مورغان
(X·Y)′ = X′ + Y′, (X + Y)′ = X′·Y′
ترتيب خريطة كارنو
00, 01, 11, 10 (Gray code)
مجموعة من 2ᵏ خلية
تفقد k متغيرًا
مضاعِف 4-إلى-1
F = A′B′I0 + A′BI1 + AB′I2 + ABI3
القلّابات
D: Q⁺ = D, T: Q⁺ = T ⊕ Q, JK: Q⁺ = JQ′ + K′Q
العدّادات
n بتّات: 2ⁿ حالة؛ mod-N: أصغر n يحقق 2ⁿ ≥ N؛ fout = fclk/N
العدّاد المتموّج
fmax = 1/(n·tpd)
العدّادان الحلقي وجونسون
n و 2n حالة

الطريقة

  1. لدارة ما، اعمل من المداخل إلى المخرج بوابةً بوابةً واكتب القيمة على كل سلك، أو اكتب تعبيرها واملأ جدول الصدق.
  2. للتبسيط ضع الآحاد (وحالات عدم الاكتراث على شكل X) في خريطة كارنو بصفوف وأعمدة بشيفرة غراي: 00, 01, 11, 10.
  3. غطِّ الآحاد بأقل عدد ممكن وأكبر حجم ممكن من المجموعات ذات 1 أو 2 أو 4 أو 8 أو 16 خلية، مع الالتفاف حول الحواف؛ كل مجموعة حد جداء واحد من المتغيرات التي تبقى ثابتة. جمّع الأصفار للصيغة POS.
  4. للقلّابات والعدّادات اقرأ المداخل عند كل حافة ساعة فعالة، واكتب الحالة بعد كل حافة، وتذكّر أن عدّادًا ذا n بتّات يلتف بعد 2ⁿ حالة.

الاستقرار: راوث–هرفيتز والمحل الهندسي للجذور

الاستقرار
جميع جذور كثير الحدود المميِّز في النصف الأيسر من المستوى
جدول راوث، عنصر الصف s¹ في كثير حدود تكعيبي
b1 = (a2a1 − a3a0)/a2
جذور النصف الأيمن من المستوى
عدد تغيّرات الإشارة في العمود الأول
كثير الحدود التكعيبي s³ + a₂s² + a₁s + a₀
مستقر حين a > 0 لجميع المعاملات وa₂·a₁ > a₀
K/(s(s + a)(s + b))
Kmax = ab(a + b), ω = √(ab)
المعادلة المميزة
1 + K·G(s) = 0
الخطوط المقاربة
σa = (Σp − Σz)/(n − m), θ = (2q + 1)·180°/(n − m)
نقطتا الانفصال والالتقاء
dK/ds = 0
شرط المقدار
K = 1/|G(s)|
زاوية المغادرة
θd = 180° − Σ∠(from other poles) + Σ∠(from zeros)

الطريقة

  1. اكتب كثير الحدود المميِّز للحلقة المغلقة: مقام 1 + K·G(s) = 0، بعد فكّه.
  2. ضع المعاملات بالتناوب في الصفين الأولين من جدول راوث وابنِ بقية الصفوف.
  3. عُدّ تغيّرات الإشارة في العمود الأول: كل تغيّر قطب في النصف الأيمن من المستوى. ومع وجود K في الجدول اشترط أن يبقى كل عنصر في العمود الأول موجبًا.
  4. للمحل الهندسي للجذور عيّن الأقطاب والأصفار وقطع المحور الحقيقي والخطوط المقاربة من المركز ونقاط الانفصال حيث dK/ds = 0. واستخدم K = 1/|G(s)| لإيجاد الكسب عند نقطة.

خطأ الحالة المستقرة والتحكم PID

نوع النظام
عدد أقطاب G(s) عند s = 0
ثوابت الخطأ
Kp = lim G(s), Kv = lim s·G(s), Ka = lim s²·G(s) (s → 0)
الخطوة A
ess = A/(1 + Kp)
المنحدر A·t
ess = A/Kv
القطع المكافئ A·t²/2
ess = A/Ka
المتحكم PID
C(s) = Kp + Ki/s + Kd·s
الهدف من الرتبة الثانية
s² + 2ζωns + ωn²
التجاوز والتوقيت
%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), tp = π/ωd, ts ≈ 4/(ζωn)

الطريقة

  1. عُدّ أقطاب الحلقة المفتوحة C(s)·G(s) عند s = 0: فذلك هو نوع النظام.
  2. احسب ثابت الخطأ المناسب للدخل: Kp للخطوة، وKv للمنحدر، وKa للقطع المكافئ.
  3. طبّق ess = A/(1 + Kp) أو A/Kv أو A/Ka، أو حُلّها لإيجاد الكسب المطلوب.
  4. لمواصفة التخميد أو السرعة اكتب كثير الحدود المميِّز للحلقة المغلقة وطابقه مع s² + 2ζω_n·s + ω_n².

2مسائل تدريبية

1.المقاومات على التوالي والتوازيمتوسطة
R1​ = 5 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​6 VR2​5 ΩIR2​AR4​4 ΩB

أوجد التيار IR2 عبر R2.

V1 = 6 VR1 = 5 ΩR2 = 5 ΩR3 = 15 ΩR4 = 4 Ω
IR2 = A
2.المقاومات على التوالي والتوازيصعبة
R1​ = 30 ΩR3​ = 5 ΩR5​ = 4 Ω+−V1​36 VR2​15 ΩAR4​12 ΩBR6​5 Ω

أوجد المقاومة المكافئة Req التي يراها المصدر V1.

V1 = 36 VR1 = 30 ΩR2 = 15 ΩR3 = 5 ΩR4 = 12 ΩR5 = 4 ΩR6 = 5 Ω
Req = Ω
3.تحليل العقدمتوسطة
R1​ = 10 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​24 VR2​15 ΩAR4​10 ΩBIs​1,5 A

استخدم تحليل العقد لإيجاد جهد العقدة VB (مقيسًا بالنسبة إلى الأرضي).

V1 = 24 VIs = 1,5 AR1 = 10 ΩR2 = 15 ΩR3 = 4 ΩR4 = 10 Ω
VB = V
4.تحليل العقدصعبة
R1​ = 20 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​9 VR2​3 ΩAR4​20 ΩB0,4·VA​

المعيّن هو مصدر تيار يتحكّم فيه الجهد، يدفع تيارًا مقداره 0,4·VA (بالأمبير، مع VA بالفولت) إلى الأعلى نحو العقدة B. استخدم تحليل العقد لإيجاد جهد العقدة VB (مقيسًا بالنسبة إلى الأرضي).

V1 = 9 VR1 = 20 ΩR2 = 3 ΩR3 = 8 ΩR4 = 20 Ωg = 0,4 A/V
VB = V
5.تحليل الحلقاتمتوسطة
R1​ = 20 ΩIR1​R2​ = 12 Ω+−V1​18 VR3​15 ΩA+−V2​15 VI1​I2​

استخدم تحليل الحلقات لإيجاد التيار IR1 المارّ في R1 باتجاه السهم.

V1 = 18 VV2 = 15 VR1 = 20 ΩR2 = 12 ΩR3 = 15 Ω
IR1 = A
6.تحليل الحلقاتصعبة
R1​ = 2 ΩR2​ = 6 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​6 VR4​6 ΩAR5​4 ΩB+−V2​10 VI1​I2​I3​

استخدم تحليل الحلقات لإيجاد تيار الحلقة I3 (باتجاه عقارب الساعة).

V1 = 6 VV2 = 10 VR1 = 2 ΩR2 = 6 ΩR3 = 4 ΩR4 = 6 ΩR5 = 4 Ω
I3 = A
7.التراكبمتوسطة
R1​ = 5 ΩIR1​R3​ = 15 Ω+−V1​6 VR2​2 ΩAR4​2 ΩBIs​4 A

استخدم مبدأ التراكب لإيجاد القدرة PR1 التي يمتصها R1.

V1 = 6 VIs = 4 AR1 = 5 ΩR2 = 2 ΩR3 = 15 ΩR4 = 2 Ω
PR1 = W
8.التراكبصعبة
R1​ = 10 ΩR2​ = 2 ΩR4​ = 3 ΩIR4​+−V1​15 VR3​5 ΩAIs​4 AB−+V2​6 V

استخدم مبدأ التراكب لإيجاد التيار IR4 المارّ في R4 باتجاه السهم.

V1 = 15 VIs = 4 AV2 = 6 VR1 = 10 ΩR2 = 2 ΩR3 = 5 ΩR4 = 3 Ω
IR4 = A
9.ثيفنن ونورتنمتوسطة
R1​ = 12 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​18 VR2​10 ΩAab

أوجد جهد ثيفنن Vth المرئي من الطرفين a–b.

V1 = 18 VR1 = 12 ΩR2 = 10 ΩR3 = 2 Ω
Vth = V
10.ثيفنن ونورتنصعبة
R1​ = 3 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​15 VR2​4 ΩAIs​0,5 ABab

أوجد جهد ثيفنن Vth المرئي من الطرفين a–b.

V1 = 15 VIs = 0,5 AR1 = 3 ΩR2 = 4 ΩR3 = 2 Ω
Vth = V
11.الحالات العابرة RC و RLمتوسطة
R = 100 Ωt = 0L100 mHi(t)

يحمل الملف تيارًا مستقرًا 2 A. عند t = 0 يغلق المفتاح الحلقة عبر R ويُزال المصدر، فيتناقص تيار الملف عبر R. أوجد الجهد vR على R عند t = 1 ms.

i(0) = 2 AR = 100 ΩL = 100 mHt = 1 ms
vR = V
12.الحالات العابرة RC و RLصعبة
+−Vs​9 Vt = 0R = 1 kΩC?+−vC​

يبدأ مؤقّت بشحن مكثّف غير مشحون عبر مقاومة من مصدر 9 V عند t = 0. يجب أن يُطلق عندما يبلغ جهد المكثّف 4,5 V، بعد 100 ms بالضبط من البداية. مع R = 1 kΩ، أوجد السعة C المطلوبة.

Vs = 9 VVth = 4,5 VT = 100 msR = 1 kΩ
C = µF
13.معاوقة التيار المتردد والطورياتمتوسطة
50 V200 HzR = 60 ΩL = 20 mHC = 1 µF

دائرة RLC على التوالي موصولة بمصدر 50 V (فعّال)، 200 Hz. أوجد زاوية الطور φ للمعاوقة بالدرجات (موجبة عندما يتأخّر التيار عن الجهد).

V = 50 V (rms)f = 200 HzR = 60 ΩL = 20 mHC = 1 µF
φ = °
14.معاوقة التيار المتردد والطورياتصعبة
230 V100 HzR = 100 ΩL = 20 mHC = 1 µFI

دائرة RLC على التوالي موصولة بمصدر 230 V (فعّال)، 100 Hz. أوجد التيار الفعّال I.

V = 230 V (rms)f = 100 HzR = 100 ΩL = 20 mHC = 1 µF
I = A
15.قدرة التيار المتردد ومعامل القدرةمتوسطة
240 VR + jXP = 648 W3 A

يأخذ حِمل حثي 3 A و 648 W من مصدر أحادي الطور 240 V (فعّال). مثّله بمقاومة R على التوالي مع مفاعلة X. أوجد X.

V = 240 VI = 3 AP = 648 W
X = Ω
16.قدرة التيار المتردد ومعامل القدرةصعبة
P = 45 kWQ1​S1​φ1​QC​

يستهلك حِمل أحادي الطور 45 kW بمعامل قدرة 0,8 متأخّر من مصدر 400 V، 50 Hz. يرفع مكثّف موصول على التوازي معامل القدرة إلى 0,98. أوجد تيار الخط الجديد Inew.

P = 45 kWpf1 = 0,8pf2 = 0,98V = 400 Vf = 50 Hz
Inew = A
17.القدرة ثلاثية الطورمتوسطة
ABCVL​ = 480 VNZ = 12 + j16 Ωلكل طور

حمل متوازن موصول Y ممانعته 12 + j16 Ω لكل طور موصول بمصدر ثلاثي الطور متوازن جهد خطه 480 V. أوجد القدرة الفعّالة الكلية P التي يمتصّها الحمل بالـ kW.

VL = 480 VZ = 12 + j16 Ω لكل طور
P = kW
18.القدرة ثلاثية الطورصعبة
P = 120 kWφ1​S1​Q2​QC​

حمل ثلاثي الطور متوازن يأخذ 120 kW عند معامل قدرة 0,78 متأخر من مصدر 415 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. المكثّفات موصولة نجمة (Y). أوجد السعة Cph لكل مكثّف بالـ µF.

P = 120 kWpf1 = 0,78pf2 = 0,92VL = 415 Vf = 50 Hz
Cph = µF
19.المحوّلاتمتوسطة
RL​ = 5 Ω41920 VV2​I1​ = ?I2​

محوّل مثالي نسبة لفّاته N₁:N₂ = 4:1، طُبّق على ملفه الابتدائي جهد 920 V. وُصلت مقاومة 5 Ω على طرفي الملف الثانوي. أوجد التيار الابتدائي I1.

N1:N2 = 4:1V1 = 920 VRL = 5 Ω
I1 = A
20.المحوّلاتصعبة
25 kVA

محوّل أحادي الطور 25 kVA مفقودات قلبه 150 W ومفقودات نحاسه 600 W عند الحمل المقنَّن. عند أي حمل Sη,max، بالـ kVA، تكون كفاءته في أعلاها؟

S = 25 kVAPcore = 150 WPcu,fl = 600 W
Sη,max = kVA
21.دوائر مكبّرات العملياتمتوسطة
−+Vout​Rf​ = ?R1​ = 100 kΩVin​

اختر مقاومة التغذية الراجعة Rf التي تعطي هذا المكبّر غير العاكس كسب جهد 11.

R1 = 100 kΩAv = 11
Rf = kΩ
22.دوائر مكبّرات العملياتصعبة
−+Vout​C = 4,7 µFVin​ = −2,4 VR = 47 kΩ

يستخدم المكامِل مكبّر عمليات مثاليًا بمصدرَي تغذية ±15 V؛ ويتشبّع خرجه عند ±14 V. المكثّف غير مشحون عند تطبيق دخل ثابت Vin = −2,4 V عند t = 0. أوجد جهد الخرج Vout عند t = 200 ms.

Vin = −2,4 VR = 47 kΩC = 4,7 µFVsat = ±14 Vt = 200 ms
Vout = V
23.الثنائيات والترانزستوراتمتوسطة
RC​ = 3,3 kΩβ = 150VCC​ = 15 VRB​ = 1000 kΩ

ترانزستور NPN بـ β = 150 منحاز بمقاومة قاعدة RB = 1000 kΩ من المصدر VCC = 15 V. مقاومة المجمِّع RC = 3,3 kΩ والباعث موصول بالأرضي. خذ VBE = 0,7 V وافترض أن الترانزستور في المنطقة الفعّالة. أوجد جهد المجمِّع–الباعث VCE.

VCC = 15 VRB = 1000 kΩRC = 3,3 kΩβ = 150VBE = 0,7 V
VCE = V
24.الثنائيات والترانزستوراتصعبة
+−≥ 24 VR = ?5,1 V≤ 10 mA

يجب أن يغذّي منظم زينر 5,1 V حملًا بتيار يصل إلى 10 mA. قد ينخفض الدخل إلى 24 V، ويحتاج زينر إلى 2 mA على الأقل ليظل منظِّمًا. أوجد أكبر مقاومة توالٍ Rmax تبقيه منظِّمًا.

Vin,min = 24 VVZ = 5,1 VIL,max = 10 mAIZ,min = 2 mA
Rmax = Ω
25.أنظمة العدمتوسطة
المتمم الثنائي ذو 8 بتات0−12806403201608040201

اضبط البتات بحيث تخزن −108 في المتمم الثنائي بـ 8 بتات. إذا قُرئ كعدد بدون إشارة، فما قيمة النمط U؟

N = −1088 bit
U =
26.أنظمة العدصعبة
انقر على البتات لضبطها012806403201608040201

اضبط البتات على الناتج بـ 8 بتات لـ 0010 1101 AND 0011 1000. ما قيمة الناتج R بالعشري؟

0010 1101AND0011 1000
R =
27.المنطق الرقمي: البوابات وخرائط كارنو والقلّاباتمتوسطة
ABCD000111100001111010110302141507061120130150141819011010

استخدم خريطة كارنو لإيجاد الصيغة الدنيا لجداء المجاميع (POS) للدالة F(A, B, C, D) = Σm(0, 1, 4, 5, 8, 9, 12). كم حد مجموع (عاملًا) N فيها؟

F(A, B, C, D) = Σm(0, 1, 4, 5, 8, 9, 12)
N =
28.المنطق الرقمي: البوابات وخرائط كارنو والقلّاباتصعبة
DQ3​Q3​DQ2​Q2​DQ1​Q1​DQ0​Q0​CLKRING

عدّاد حلقي من 4 بتّات Q₃Q₂Q₁Q₀ يبدأ من 1001. عند كل حافة ساعة تنزاح البتّات مكانًا واحدًا إلى اليمين (Q₃ → Q₂ → Q₁ → Q₀) ويتلقى Q₃ القيمة Q₀. أعطِ الحالة Q = Q₃Q₂Q₁Q₀ كعدد عشري بعد 3 حافة ساعة.

Q₃Q₂Q₁Q₀ = 10013
Q =
29.تحويلات لابلاسمتوسطة
ReIm−1−2−3−4−5−6−7−81

F(s) = (4s + 5)/(s² + 13s + 42). تحويله العكسي على الصورة f(t) = A·e−6t + B·e−7t. أوجد المعامل A بالكسور الجزئية.

F(s) = (4s + 5)/(s² + 13s + 42)
A =
30.تحويلات لابلاسصعبة
t (s)y(t)t = 0,1y(0,1) = ?

يخضع نظام للمعادلة y″ + 6y′ + 8y = 12·u(t). يبدأ من السكون (y(0) = 0، y′(0) = 0) والدخل خطوة u(t) = 1 لـ t ≥ 0. استخدم تحويل لابلاس لإيجاد الخرج y(0,1).

y″ + 6y′ + 8y = 12·u(t)u(t) = 1y(0) = 0, y′(0) = 0t = 0,1 s
y(0.1) =
31.المخططات الصندوقيةمتوسطة
R(s)+Ks(s + 15)G(s)C(s)−

النظام المُتحكَّم فيه G(s) = K/(s(s + 15)) في حلقة تغذية راجعة سالبة أحادية. أوجد الكسب K الذي تكون عنده الحلقة المغلقة متخامدة تخميدًا حرجًا (قطبان حقيقيان متساويان).

G(s) = K/(s(s + 15))تغذية راجعة سالبة أحادية
K =
32.المخططات الصندوقيةصعبة
R(s)+Kالمتحكّم+D(s)+7s + 6النظام المُتحكَّم فيهC(s)−

متحكّم تناسبي K يقود النظام G(s) = 7/(s + 6) في حلقة تغذية راجعة سالبة أحادية. تدخل خطوة اضطراب مقدارها 5 عند دخل النظام بينما R = 0. أوجد أصغر كسب K يُبقي خرج الحالة المستقرة عند 0,5833 أو دونه.

G(s) = 7/(s + 6)D = 5css ≤ 0,5833
K =
33.الاستجابة الخطويةمتوسطة
t (s)y(t)0,5ts​ = ?

لنظام دالة النقل G(s) = 44,5/(s² + 10s + 89) ويتلقى دخلًا خطويًا وحدويًا. أوجد زمن الاستقرار ts عند 2 % للاستجابة الخطوية باستخدام ts ≈ 4/(ζωₙ).

G(s) = 44,5/(s² + 10s + 89)
ts = s
34.الاستجابة الخطويةصعبة
R(s)+Ks(s + 16)G(s)C(s)−

لحلقة تغذية عكسية سالبة وحدوية G(s) = K/(s(s + 16)). أوجد الكسب K الذي يعطي استجابة خطوية بتجاوز 25 %.

G(s) = K/(s(s + 16))%OS = 25 %
K =
35.مخططات بودي والهوامشمتوسطة
vin​R = 10 kΩC = 47 nFvout​

لـ مرشح RC لتمرير الترددات المنخفضة الموضح R = 10 kΩ, C = 47 nF. يُطبَّق دخل جيبي مقداره 1 kHz. أوجد الكسب |H| = |vout/vin| بوحدة dB.

R = 10 kΩC = 47 nFf = 1 kHz
|H| = dB
36.مخططات بودي والهوامشصعبة
|H| (dB)0,010,010,10,1111010100100−80−60−40−2002040ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−180−135−90−450ωc​

حلقة تغذية عكسية وحدوية دالة نقلها المفتوحة L(s) = 4/(s(s + 4)). أوجد هامش الطور PM بالدرجات.

L(s) = 4/(s(s + 4))
PM = °
37.الاستقرار: راوث–هرفيتز والمحل الهندسي للجذورمتوسطة
R(s)+Ks + 5s(s + 1)(s + 3)C(s)−

لحلقة تغذية عكسية وحدوية L(s) = K(s + 5)/(s(s + 1)(s + 3)) مع K > 0. أوجد أكبر كسب Kmax تكون الحلقة المغلقة عنده مستقرة.

L(s) = K(s + 5)/(s(s + 1)(s + 3))
Kmax =
38.الاستقرار: راوث–هرفيتز والمحل الهندسي للجذورصعبة
ReIm−2−4−6j2j4

رُسم المحل الهندسي للجذور لـ L(s) = K/((s + 1)(s + 2)(s + 6)). أوجد التردد ω الذي يقطع عنده المحل الهندسي المحور التخيلي.

L(s) = K/((s + 1)(s + 2)(s + 6))
ω = rad/s
39.خطأ الحالة المستقرة والتحكم PIDمتوسطة
R(s)+K(s + 2)(s + 10)C(s)−

لحلقة تغذية عكسية وحدوية G(s) = K/((s + 2)(s + 10)). أوجد الكسب K الذي يعطي خطأ حالة مستقرة قدره 10 % لدخل خطوة.

G(s) = K/((s + 2)(s + 10))ess = 10 %
K =
40.خطأ الحالة المستقرة والتحكم PIDصعبة
R(s)+K = 401s(s + 5)C(s)−

يتحكم متحكم تناسبي K = 40 في المحطة G(s) = 1/(s(s + 5)) ضمن حلقة تغذية عكسية وحدوية. أوجد زمن الاستقرار ts عند 2 % للاستجابة الخطوية باستخدام ts ≈ 4/(ζωₙ).

G(s) = 1/(s(s + 5))K = 40
ts = s

3المحاليل

1.المقاومات على التوالي والتوازي

الإجابة: IR2 = 0,5302 A

المقاومات على التوالي والتوازي: على التوالي يمرّ التيار نفسه في كل مقاومة و R = R₁ + R₂ + …. وعلى التوازي يكون الجهد نفسه على كل مقاومة و 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …. تُبسَّط شبكة السلّم زوجًا بعد زوج حتى تبقى مقاومة مكافئة واحدة.

R1​ = 5 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​6 VR2​5 ΩAR4​4 ΩB

اجمع المقاومات بدءًا من الطرف البعيد

ابدأ من الطرف الأبعد عن المصدر وتقدّم نحوه. المقاومات التي يمرّ بها التيار نفسه على التوالي؛ والمقاومات بين العقدتين نفسيهما على التوازي.

R3 + R4 = 15 + 4 = 19 Ω
R2 ∥ 19 = 5·19/(5+19) = 3,958 Ω
Req = R1 + 3,958 = 5 + 3,958 = 8,958 Ω

التيار من المصدر

لا يرى المصدر إلا Req، فيعطي قانون أوم التيار الذي يورّده. وهذا التيار يمرّ عبر R₁.

IR1 = V1/Req = 6/8,958 = 0,6698 A

التيار عبر R₂

اطرح الهبوط على R₁ لتحصل على الجهد عند العقدة A، وهو الجهد على R₂.

VA = V1 − IR1·R1 = 6 − 0,6698·5 = 2,651 V
IR2 = VA/R2 = 2,651/5 = 0,5302 A

الإجابة

IR2 = 0,5302 A
2.المقاومات على التوالي والتوازي

الإجابة: Req = 36,05 Ω

المقاومات على التوالي والتوازي: على التوالي يمرّ التيار نفسه في كل مقاومة و R = R₁ + R₂ + …. وعلى التوازي يكون الجهد نفسه على كل مقاومة و 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …. تُبسَّط شبكة السلّم زوجًا بعد زوج حتى تبقى مقاومة مكافئة واحدة.

R1​ = 30 ΩR3​ = 5 ΩR5​ = 4 Ω+−V1​36 VR2​15 ΩAR4​12 ΩBR6​5 Ω

اجمع المقاومات بدءًا من الطرف البعيد

ابدأ من الطرف الأبعد عن المصدر وتقدّم نحوه. المقاومات التي يمرّ بها التيار نفسه على التوالي؛ والمقاومات بين العقدتين نفسيهما على التوازي.

R5 + R6 = 4 + 5 = 9 Ω
R4 ∥ 9 = 5,143 Ω
R3 + 5,143 = 10,14 Ω
R2 ∥ 10,14 = 6,051 Ω
Req = R1 + 6,051 = 30 + 6,051 = 36,05 Ω

الإجابة

Req = 36,05 Ω
3.تحليل العقد

الإجابة: VB = 14,7 V

تحليل العقد: اختر عقدة مرجعية، وسمِّ جهود العقد المجهولة، واكتب قانون كيرشوف للتيار عند كل عقدة مجهولة باستخدام قانون أوم (I = ΔV/R)، ثم حلّ المعادلات الناتجة.

R1​ = 10 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​24 VR2​15 ΩAR4​10 ΩBIs​1,5 A

حدّد العقد

الأرضي هو السلك السفلي. جهود العقد المعروفة تأتي مباشرة من المصادر (V1 = 24 V). المجاهيل: VA, VB.

قانون كيرشوف للتيار عند العقدة A

التيارات الخارجة من A عبر المقاومات تساوي التيار الذي تدفعه المصادر إلى A.

VA/R2 + (VA − V1)/R1 + (VA − VB)/R3 = 0
VA/15 + (VA − 24)/10 + (VA − VB)/4 = 0
0,4167·VA − 0,25·VB = 2,4

قانون كيرشوف للتيار عند العقدة B

التيارات الخارجة من B عبر المقاومات تساوي التيار الذي تدفعه المصادر إلى B.

VB/R4 + (VB − VA)/R3 = Is
VB/10 + (VB − VA)/4 = 1,5
−0,25·VA + 0,35·VB = 1,5

الحل

Δ = (0,4167)(0,35) − (−0,25)(−0,25) = 0,08333
VA = Δ1/Δ = 1,215/0,08333 = 14,58 V
VB = Δ2/Δ = 1,225/0,08333 = 14,7 V

الإجابة

VB = 14,7 V
4.تحليل العقد

الإجابة: VB = 10,13 V

تحليل العقد: اختر عقدة مرجعية، وسمِّ جهود العقد المجهولة، واكتب قانون كيرشوف للتيار عند كل عقدة مجهولة باستخدام قانون أوم (I = ΔV/R)، ثم حلّ المعادلات الناتجة.

قانون كيرشوف للتيار عند العقدة A

التيارات الخارجة من A عبر المقاومات تساوي التيار الذي تدفعه المصادر إلى A.

(VA − V1)/R1 + VA/R2 + (VA − VB)/R3 = 0
0,5083·VA − 0,125·VB = 0,45

قانون كيرشوف للتيار عند العقدة B

المصدر التابع يدفع g·VA إلى العقدة B. عامله كمصدر مستقل، ثم انقل حدّ VA إلى الطرف الأيسر.

(VB − VA)/R3 + VB/R4 = 0,4·VA
−0,525·VA + 0,175·VB = 0

الحل

Δ = (0,5083)(0,175) − (−0,125)(−0,525) = 0,02333
VA = Δ1/Δ = 0,07875/0,02333 = 3,375 V
VB = Δ2/Δ = 0,2363/0,02333 = 10,13 V

الإجابة

VB = 10,13 V
5.تحليل الحلقات

الإجابة: IR1 = 0,3625 A

تحليل الحلقات: أعطِ كل نافذة في دائرة مستوية تيار حلقة خاصًا بها، واكتب قانون كيرشوف للجهد حول كل حلقة (مجموع الهبوطات = مجموع الارتفاعات)، ثم حلّ. تيارات الفروع هي تيار الحلقة، أو الفرق بين تياري حلقتين في فرع مشترك.

R1​ = 20 ΩR2​ = 12 Ω+−V1​18 VR3​15 ΩA+−V2​15 VI1​I2​

عيّن تيارات الحلقات

ارسم في كل نافذة تيارًا باتجاه عقارب الساعة: I1, I2. المقاومة المشتركة بين حلقتين تحمل الفرق بين تياريهما.

قانون كيرشوف للجهد حول الحلقة 1

عند الدوران باتجاه عقارب الساعة، تساوي هبوطات الجهد على المقاومات ارتفاعات جهد المصادر (من − إلى + باتجاه الدوران).

R1·I1 + R3(I1 − I2) = V1
20·I1 + 15(I1 − I2) = 18
35·I1 − 15·I2 = 18

قانون كيرشوف للجهد حول الحلقة 2

عند الدوران باتجاه عقارب الساعة، تساوي هبوطات الجهد على المقاومات ارتفاعات جهد المصادر (من − إلى + باتجاه الدوران).

R2·I2 + R3(I2 − I1) = −V2
12·I2 + 15(I2 − I1) = (−15)
−15·I1 + 27·I2 = −15

الحل

Δ = (35)(27) − (−15)(−15) = 720
I1 = Δ1/Δ = 261/720 = 0,3625 A
I2 = Δ2/Δ = −255/720 = −0,3542 A

الإجابة

IR1 = I1 = 0,3625 A

تيار الحلقة السالب يسري عكس عقارب الساعة.

6.تحليل الحلقات

الإجابة: I3 = −1,276 A

تحليل الحلقات: أعطِ كل نافذة في دائرة مستوية تيار حلقة خاصًا بها، واكتب قانون كيرشوف للجهد حول كل حلقة (مجموع الهبوطات = مجموع الارتفاعات)، ثم حلّ. تيارات الفروع هي تيار الحلقة، أو الفرق بين تياري حلقتين في فرع مشترك.

R1​ = 2 ΩR2​ = 6 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​6 VR4​6 ΩAR5​4 ΩB+−V2​10 VI1​I2​I3​

عيّن تيارات الحلقات

ارسم في كل نافذة تيارًا باتجاه عقارب الساعة: I1, I2, I3. المقاومة المشتركة بين حلقتين تحمل الفرق بين تياريهما.

قانون كيرشوف للجهد حول الحلقة 1

عند الدوران باتجاه عقارب الساعة، تساوي هبوطات الجهد على المقاومات ارتفاعات جهد المصادر (من − إلى + باتجاه الدوران).

R1·I1 + R4(I1 − I2) = V1
2·I1 + 6(I1 − I2) = 6
8·I1 − 6·I2 = 6

قانون كيرشوف للجهد حول الحلقة 2

عند الدوران باتجاه عقارب الساعة، تساوي هبوطات الجهد على المقاومات ارتفاعات جهد المصادر (من − إلى + باتجاه الدوران).

R2·I2 + R4(I2 − I1) + R5(I2 − I3) = 0
6·I2 + 6(I2 − I1) + 4(I2 − I3) = 0
−6·I1 + 16·I2 − 4·I3 = 0

قانون كيرشوف للجهد حول الحلقة 3

عند الدوران باتجاه عقارب الساعة، تساوي هبوطات الجهد على المقاومات ارتفاعات جهد المصادر (من − إلى + باتجاه الدوران).

R3·I3 + R5(I3 − I2) = −V2
4·I3 + 4(I3 − I2) = (−10)
−4·I2 + 8·I3 = −10

الحل

Δ = محدد مصفوفة المعاملات = 608
I1 = Δ1/Δ = 432/608 = 0,7105 A
I2 = Δ2/Δ = −32/608 = −0,05263 A
I3 = Δ3/Δ = −776/608 = −1,276 A

الإجابة

I3 = −1,276 A

تيار الحلقة السالب يسري عكس عقارب الساعة.

7.التراكب

الإجابة: PR1 = 2,886 W

التراكب: في الدائرة الخطية، أي جهد أو تيار هو مجموع الاستجابات لكل مصدر مستقل يعمل وحده. لإطفاء مصدر، استبدل مصدر الجهد المثالي بـقصر ومصدر التيار المثالي بـدائرة مفتوحة. تبقى المقاومات في مكانها.

R1​ = 5 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​6 VR2​2 ΩAR4​2 ΩBمفتوح

الحالة 1 · V1 يعمل وحده

يصبح Iₛ دائرة مفتوحة، فيشكّل R₃ و R₄ فرعًا واحدًا على التوالي من A إلى الأرضي، على التوازي مع R₂.

R3+R4 = 15+2 = 17 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 2·17/(2+17) = 1,789 Ω
VA = 6·1,789/(5+1,789) = 1,581 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 1,581·2/17 = 0,186 V
IR1′ = (V1 − VA)/R1 = (6 − 1,581)/5 = 0,8837 A
R1​ = 5 ΩR3​ = 15 ΩقصرR2​2 ΩAR4​2 ΩBIs​4 A

الحالة 2 · Is يعمل وحده

يصبح V₁ قصرًا، فيكون R₁ على التوازي مع R₂. ينقسم Iₛ عند B بين R₄ والمسار عبر R₃.

R1 ∥ R2 = 5·2/(5+2) = 1,429 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 2 ∥ 16,43 = 1,783 Ω
VB = Is·Req = 4·1,783 = 7,132 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 7,132·1,429/16,43 = 0,6202 V
IR1″ = (V1 − VA)/R1 = (0 − 0,6202)/5 = −0,124 A

اجمع إسهامات التيار

IR1 = IR1′ + IR1″ = 0,8837 + (−0,124) = 0,7597 A

القدرة في المقاومة

تعتمد القدرة على مربّع التيار، لذا لا تخضع لمبدأ التراكب: اجمع التيارات أولًا، ثم ربّع.

PR1 = IR1²·R1 = 0,7597²·5 = 2,886 W

الإجابة

PR1 = 2,886 W

جمع قدرات الحالات المنفصلة يعطي 3,982 W، وهذا خطأ.

8.التراكب

الإجابة: IR4 = 3,88 A

التراكب: في الدائرة الخطية، أي جهد أو تيار هو مجموع الاستجابات لكل مصدر مستقل يعمل وحده. لإطفاء مصدر، استبدل مصدر الجهد المثالي بـقصر ومصدر التيار المثالي بـدائرة مفتوحة. تبقى المقاومات في مكانها.

R1​ = 10 ΩR2​ = 2 ΩR4​ = 3 Ω+−V1​15 VR3​5 ΩAمفتوحBقصر

الحالة 1 · V1 يعمل وحده

يصبح V₂ قصرًا و Iₛ دائرة مفتوحة. من جهة A يكون R₃ على التوازي مع الزوج المتوالي R₂+R₄.

R3 ∥ (R2+R4) = 5 ∥ 5 = 2,5 Ω
VA = 15·2,5/(10+2,5) = 3 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 3·3/5 = 1,8 V
IR4′ = (VB − V2)/R4 = (1,8 − 0)/3 = 0,6 A
R1​ = 10 ΩR2​ = 2 ΩR4​ = 3 ΩقصرR3​5 ΩAIs​4 ABقصر

الحالة 2 · Is يعمل وحده

يصبح مصدرا الجهد كلاهما قصرًا. ينقسم Iₛ عند B بين R₄ (الآن إلى الأرضي) و R₂ على التوالي مع R₁ ∥ R₃.

R1 ∥ R3 = 3,333 Ω، إذن المسار الأيسر هو R2+3,333 = 5,333 Ω
Req = R4 ∥ 5,333 = 1,92 Ω
VB = Is·Req = 4·1,92 = 7,68 V
VA = VB·3,333/5,333 = 4,8 V
IR4″ = (VB − V2)/R4 = (7,68 − 0)/3 = 2,56 A
R1​ = 10 ΩR2​ = 2 ΩR4​ = 3 ΩقصرR3​5 ΩAمفتوحB−+V2​6 V

الحالة 3 · V2 يعمل وحده

يصبح V₁ قصرًا و Iₛ دائرة مفتوحة. يتدلّى R₁ ∥ R₃ من A، على التوالي مع R₂ عودةً إلى B.

R1 ∥ R3 = 10·5/(10+5) = 3,333 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = (−6)·5,333/8,333 = −3,84 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = −3,84·3,333/5,333 = −2,4 V
IR4‴ = (VB − V2)/R4 = (−3,84 − −6)/3 = 0,72 A

اجمع المساهمات

IR4 = IR4′ + IR4″ + IR4‴
IR4 = 0,6 + 2,56 + 0,72 = 3,88 A

النتيجة السالبة تعني أن التيار يسري عكس السهم في الواقع.

9.ثيفنن ونورتن

الإجابة: Vth = 8,182 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​ = 12 ΩR3​ = 2 ΩقصرR2​10 ΩAabRth​

أوجد Rth مع إطفاء كل المصادر

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

R1 ∥ R2 = 12·10/(12+10) = 5,455 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 5,455 + 2 = 7,455 Ω
R1​ = 12 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​18 VR2​10 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) = 18·10/(12+10) = 8,182 V
10.ثيفنن ونورتن

الإجابة: Vth = 6,714 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​ = 3 ΩR3​ = 2 ΩقصرR2​4 ΩAمفتوحBabRth​

أوجد Rth مع إطفاء كل المصادر

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

R1 ∥ R2 = 3·4/(3+4) = 1,714 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,714 + 2 = 3,714 Ω
R1​ = 3 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​15 VR2​4 ΩAIs​0,5 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) = 8,571 + (−0,5)·1,714 = 7,714 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 7,714 + (−0,5)·2 = 6,714 V
11.الحالات العابرة RC و RL

الإجابة: vR = 73,58 V

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

تناقص التيار

i(t) = 2·e−1/1 = 0,7358 A
vR = R·i = 100·0,7358 = 73,58 V

الإجابة

vR = 73,58 V
12.الحالات العابرة RC و RL

الإجابة: C = 144,3 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

4,5 = 9·(1 − e−100/τ) → τ = 100/ln(9/(9 − 4,5))
τ = 100/0,6931 = 144,3 ms

السعة

kΩ مضروبة في µF تعطي ميلي ثانية.

C = τ/R = 144,3/1 = 144,3 µF

الإجابة

C = 144,3 µF
13.معاوقة التيار المتردد والطوريات

الإجابة: φ = −85,55 °

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·200 = 1257 rad/s
XL = ωL = 1257·0,02 = 25,13 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(1257·1·10⁻⁶) = 795,8 Ω

المعاوقة

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

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(60² + (−770,6)²) = 773 Ω

زاوية الطور

φ = arctan((XL − XC)/R) = arctan(−770,6/60) = −85,55°

الإجابة

φ = −85,55°
14.معاوقة التيار المتردد والطوريات

الإجابة: I = 0,1454 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·100 = 628,3 rad/s
XL = ωL = 628,3·0,02 = 12,57 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(628,3·1·10⁻⁶) = 1592 Ω

المعاوقة

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

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(100² + (−1579)²) = 1582 Ω

التيار

يمرّ التيار نفسه في كل عنصر من عناصر دائرة التوالي.

I = V/|Z| = 230/1582 = 0,1454 A

الإجابة

I = 0,1454 A
15.قدرة التيار المتردد ومعامل القدرة

الإجابة: X = 34,87 Ω

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.

المقاومة من القدرة الفعلية

R = P/I² = 648/3² = 72 Ω

المفاعلة من المعاوقة

|Z| = V/I = 240/3 = 80 Ω
X = √(|Z|² − R²) = √(80² − 72²) = 34,87 Ω

الإجابة

X = 34,87 Ω
16.قدرة التيار المتردد ومعامل القدرة

الإجابة: Inew = 114,8 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 قبل وبعد

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

Q1 = P·tan φ1 = 45·tan(36,87°) = 33,75 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 45·tan(11,48°) = 9,138 kvar
QC = Q1 − Q2 = 24,61 kvar

تيار الخط الجديد

Inew = P/(V·cos φ2) = 45000/(400·0,98) = 114,8 A

الإجابة

Inew = 114,8 A
17.القدرة ثلاثية الطور

الإجابة: P = 6,912 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.

جهد الطور

Vph = 480/√3 = 277,1 V

تيار الطور

|Z| = √(12² + 16²) = 20 Ω
Iph = 277,1/20 = 13,86 A

القدرة الفعّالة الكلية

الجزء المقاومي فقط من كل ممانعة يمتصّ القدرة الفعّالة.

P = 3·Iph²·R = 3·13,86²·12 = 6,912 kW

الإجابة

P = 6,912 kW

تحقّق: cos φ = R/|Z| = 0,6، و √3·VL·IL·cos φ يعطي القدرة نفسها.

18.القدرة ثلاثية الطور

الإجابة: Cph = 834,5 µF

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 = 120·tan(acos 0,78) = 120·0,8023 = 96,27 kvar
Q2 = 120·tan(acos 0,92) = 120·0,426 = 51,12 kvar

القدرة غير الفعّالة من المكثّفات

QC = Q1 − Q2 = 45,15 kvar

السعة لكل طور

في مجموعة Y يوصل كل مكثّف بين خط ونقطة النجمة.

V = 415/√3 = 239,6 V, ω = 2π·50 = 314,2 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 15051/(314,2·239,6²) = 834,5 µF

الإجابة

Cph = 834,5 µF
19.المحوّلات

الإجابة: I1 = 11,5 A

المحوّل المثالي: نسبة الجهود تساوي نسبة اللفّات، ونسبة التيارات عكسها: V₁/V₂ = N₁/N₂ = a و I₁/I₂ = N₂/N₁ = 1/a، لذا القدرة الداخلة تساوي القدرة الخارجة، V₁·I₁ = V₂·I₂. ممانعة الحمل Z على الملف الثانوي تبدو a²·Z من جهة الملف الابتدائي.

الجهد والتيار الثانويان

V2 = 920/4 = 230 V
I2 = 230/5 = 46 A

التيار الابتدائي

المحوّل المثالي بلا مفقودات: V₁·I₁ = V₂·I₂.

I1 = I2/4 = 11,5 A

الإجابة

I1 = 11,5 A

تحقّق: الحمل المرئي من الملف الابتدائي هو a²·RL = 80 Ω، و 920/80 يعطي التيار نفسه.

20.المحوّلات

الإجابة: Sη,max = 12,5 kVA

مفقودات المحوّل: مفقودات القلب (التخلّف المغناطيسي والتيارات الدوّامية) تعتمد على الجهد وهي نفسها عند أي حمل. مفقودات النحاس في الملفات تتناسب مع مربع التيار، لذا عند جزء x من الحمل المقنَّن تكون x²·Pcu,fl. الكفاءة η = Pout/(Pout + Pcore + Pcu)، حيث Pout = x·S·pf. تكون الكفاءة في أعلاها عند الحمل الذي تتساوى فيه مفقودات النحاس مع مفقودات القلب.

مفقودات النحاس تساوي مفقودات القلب

x²·600 = 150 → x = √(150/600) = 0,5

الحمل عند أقصى كفاءة

Sη,max = x·S = 0,5·25 = 12,5 kVA

الإجابة

Sη,max = 12,5 kVA
21.دوائر مكبّرات العمليات

الإجابة: Rf = 1000 kΩ

قواعد مكبّر العمليات المثالي: مع التغذية الراجعة السالبة، يضبط المكبّر خرجه بحيث يكون دخلاه على الجهد نفسه (V₋ = V₊)، ولا يدخل أي تيار إلى أي من الدخلين. كتابة قانون كيرشوف للتيار عند الدخل العاكس مع هاتين الحقيقتين تعطي الخرج.

كسب المكبّر غير العاكس

V₋ = V₊ = Vin، والتيار عبر R₁ يمرّ أيضًا عبر Rf، إذن Vout = Vin·(1 + Rf/R₁).

Av = 1 + Rf/R1
Rf = (11 − 1)·100 = 1000 kΩ

الإجابة

Rf = 1000 kΩ
22.دوائر مكبّرات العمليات

الإجابة: Vout = 2,173 V

قواعد مكبّر العمليات المثالي: مع التغذية الراجعة السالبة، يضبط المكبّر خرجه بحيث يكون دخلاه على الجهد نفسه (V₋ = V₊)، ولا يدخل أي تيار إلى أي من الدخلين. كتابة قانون كيرشوف للتيار عند الدخل العاكس مع هاتين الحقيقتين تعطي الخرج.

تيار الدخل ومعدّل التغيّر

kΩ مضروبة في µF تعطي ميلي ثانية.

RC = 47 kΩ · 4,7 µF = 220,9 ms
معدّل التغيّر = −Vin/(RC) = −(−2,4)/220,9 = 0,01086 V/ms

الخرج عند الزمن المعطى

القيمة المثالية داخل ±Vsat، لذا لم يُقصّ المكامِل بعد.

Vout = −Vin·t/(RC) = −(−2,4)·200/220,9 = 2,173 V

الإجابة

Vout = 2,173 V
23.الثنائيات والترانزستورات

الإجابة: VCE = 7,921 V

نقطة انحياز BJT: في المنطقة الفعّالة VBE = 0,7 V، و IC = β·IB، و IE = (β + 1)·IB. أوجد IB من حلقة القاعدة بقانون كيرشوف للجهد، ثم IC، ثم VCE من حلقة المجمِّع–الباعث. يُستبدل مقسّم الجهد عند القاعدة بمكافئ ثيفنن VTH = VCC·R₂/(R₁ + R₂)، RTH = R₁∥R₂؛ وتظهر مقاومة الباعث أكبر بـ (β + 1) مرة في حلقة القاعدة.

تيار القاعدة

IB = (VCC − VBE)/RB = (15 − 0,7)/1000 kΩ = 14,3 µA

تيار المجمِّع

IC = β·IB = 150·14,3 µA = 2,145 mA

جهد المجمِّع–الباعث

VCE = 15 − 2,145 mA·3,3 kΩ = 7,921 V

الإجابة

VCE = 7,921 V
24.الثنائيات والترانزستورات

الإجابة: Rmax = 1575 Ω

منظم زينر: يثبّت صمام زينر الثنائي المنحاز عكسيًا جهده VZ ما دام تياره فوق حد أدنى IZ,min. تأخذ المقاومة التوالية R الفرق بين الدخل والخرج: IR = (Vin − VZ)/R. وينقسم هذا التيار بين الحمل، IL = VZ/RL، وصمام زينر: IZ = IR − IL. صمّم لأسوأ الحالات: أدنى دخل مع أكبر حمل يجب أن يترك IZ,min مع ذلك، وأعلى دخل بلا حمل يعطي أكبر قدرة لصمام زينر PZ = VZ·IZ.

التيار في أسوأ حالة

IR = 10 + 2 = 12 mA

أكبر مقاومة

Rmax = 18,9/0,012 = 1575 Ω

الإجابة

Rmax = 1575 Ω
25.أنظمة العد

الإجابة: U = 148

ضبط البتات: قيمة كل بت قوة للعدد اثنين (128 و64 … و1). الرقم السداسي عشري الواحد يساوي أربع بتات تمامًا، وفي المتمم الثنائي بـ 8 بتات تساوي قيمة البت الأيسر −128. وتعمل العمليات على مستوى البت على كل موضع بت على حدة.

اقلب وأضف واحدًا

108 = 0110 1100
مقلوب: 1001 0011
+1 → 1001 0100

اقرأه بلا إشارة

1001 0100₂ = 256 − 108 = 148

الإجابة

U = 148
26.أنظمة العد

الإجابة: R = 40

ضبط البتات: قيمة كل بت قوة للعدد اثنين (128 و64 … و1). الرقم السداسي عشري الواحد يساوي أربع بتات تمامًا، وفي المتمم الثنائي بـ 8 بتات تساوي قيمة البت الأيسر −128. وتعمل العمليات على مستوى البت على كل موضع بت على حدة.

بتًا ببت

تعطي AND القيمة 1 حيث يكون البتان 1 فقط.

0010 1101
AND 0011 1000
= 0010 1000

قيمة الناتج

0010 1000₂ = 40

الإجابة

R = 40
27.المنطق الرقمي: البوابات وخرائط كارنو والقلّابات

الإجابة: N = 2

خرائط كارنو: ترتَّب الخلايا بشيفرة غراي (00, 01, 11, 10)، فتختلف الخلايا المتجاورة، بما فيها تلك التي عبر الحواف، في متغير واحد بالضبط. جمّع الآحاد في مستطيلات من 1 أو 2 أو 4 أو 8 أو 16 خلية، بأكبر حجم وأقل عدد ممكنين، حتى يُغطى كل 1. كل مجموعة حد جداء واحد: المتغيرات التي تبقى ثابتة داخلها. المجموعة من 2ᵏ خلية تفقد k متغيرًا. يجوز استخدام حالات عدم الاكتراث (X) لتكبير المجموعات لكن لا يجب تغطيتها أبدًا. أما تجميع الأصفار فيعطي الصيغة الدنيا POS.

ABCD000111100001111010110302141507061120130150141819011010

جمّع الأصفار

كل مجموعة مستطيل من 2ᵏ خلية؛ وخلايا الحافة جارة للخلايا على الحافة المقابلة.

C′
(A′ + B′ + D′)

الصيغة الدنيا POS

F = C′(A′ + B′ + D′)
N = 2

الإجابة

N = 2
28.المنطق الرقمي: البوابات وخرائط كارنو والقلّابات

الإجابة: Q = 3

القلّابات والعدّادات: لا يتغير القلّاب إلا عند الحافة الفعالة للساعة. يَنسخ D مدخله (Q⁺ = D)؛ و T يتبدّل عندما T = 1؛ و JK يحتفظ عند 00، ويصفّر عند 01، ويضبط عند 10، ويتبدّل عند 11. للعدّاد الثنائي ذي n بتّات 2ⁿ حالة ويعدّ بالنمط 2ⁿ؛ وعدّاد mod-N يعدّ 0 و 1 … حتى N − 1 ثم يعود إلى 0، ويحتاج إلى أصغر n يحقق 2ⁿ ≥ N قلّابات. تُنصّف كل مرحلة في العدّاد المتموّج التردد، فيعمل الخرج الأخير لعدّاد mod-N بالتردد fclk/N. لعدّاد جونسون من n قلّابات 2n حالة، وللعدّاد الحلقي n.

الحالة بعد كل حافة

1001 → 1100 → 0110 → 0011

القيمة العشرية

0011₂ = 3

الإجابة

Q = 3
29.تحويلات لابلاس

الإجابة: A = −19

تحويل لابلاس: F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt يحوّل المشتقات إلى ضرب في s: ℒ{f′} = sF(s) − f(0)، ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0). الأزواج القياسية: 1 ↔ 1/s، e−at ↔ 1/(s + a)، t·e−at ↔ 1/(s + a)²، sin ωt ↔ ω/(s² + ω²)، cos ωt ↔ s/(s² + ω²)، والإزاحة s → s + σ تضرب دالة الزمن في e−σt. لعكس F(s) كسرية، جزّئها إلى كسور جزئية: باقي القطب البسيط p هو A = [(s − p)·F(s)] عند s = p. نظرية القيمة النهائية: f(∞) = lims→0 s·F(s)، وتصحّ فقط عندما تقع كل أقطاب s·F(s) في نصف المستوى الأيسر. نظرية القيمة الابتدائية: f(0⁺) = lims→∞ s·F(s).

حلّل المقام

s² + 13s + 42 = (s + 6)(s + 7)
F(s) = A/(s + 6) + B/(s + 7)

قاعدة التغطية

اضرب في (s + 6) وضع s = −6: يختفي حدّ B.

A = (4s + 5)/(s + 7) |s = −6 = −19/1 = −19

الإجابة

A = −19
(B = 23، لذا f(t) = −19·e−6t + 23·e−7t)
30.تحويلات لابلاس

الإجابة: y(0.1) = 0,04929

تحويل لابلاس: F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt يحوّل المشتقات إلى ضرب في s: ℒ{f′} = sF(s) − f(0)، ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0). الأزواج القياسية: 1 ↔ 1/s، e−at ↔ 1/(s + a)، t·e−at ↔ 1/(s + a)²، sin ωt ↔ ω/(s² + ω²)، cos ωt ↔ s/(s² + ω²)، والإزاحة s → s + σ تضرب دالة الزمن في e−σt. لعكس F(s) كسرية، جزّئها إلى كسور جزئية: باقي القطب البسيط p هو A = [(s − p)·F(s)] عند s = p. نظرية القيمة النهائية: f(∞) = lims→0 s·F(s)، وتصحّ فقط عندما تقع كل أقطاب s·F(s) في نصف المستوى الأيسر. نظرية القيمة الابتدائية: f(0⁺) = lims→∞ s·F(s).

حوّل المعادلة

Y(s) = 12/(s(s + 2)(s + 4))

الكسور الجزئية

A = 12/(2·4) = 1,5
B = 12/((−2)·2) = −3
C = 12/((−4)·(−2)) = 1,5

المخرَج

y(t) = 1,5 − 3·e−2t + 1,5·e−4t
y(0,1) = 0,04929

الإجابة

y(0,1) = 0,04929
31.المخططات الصندوقية

الإجابة: K = 56,25

جبر المخططات الصندوقية: الصناديق على التوالي تُضرب (G₁·G₂)، والصناديق على التوازي تُجمع (G₁ + G₂)، والحلقة ذات المسار الأمامي G ومسار التغذية الراجعة H تُختزل إلى T = G/(1 + G·H) للتغذية الراجعة السالبة و G/(1 − G·H) للتغذية الراجعة الموجبة. اختزل الحلقات الداخلية أولًا، ثم اتجه إلى الخارج. أقطاب الحلقة المغلقة هي جذور المعادلة المميّزة 1 + G(s)H(s) = 0. لحلقة مستقرة، دخل خطوة مقداره A يعطي خرج الحالة المستقرة A·T(0)؛ ومع التغذية الراجعة الأحادية يكون خطأ الحالة المستقرة لخطوة A/(1 + Kp) مع Kp = G(0).

المعادلة المميزة

1 + K/(s(s + 15)) = 0 → s² + 15s + K = 0

جذر مكرّر

كثيرة الحدود التربيعية s² + βs + γ لها جذر مزدوج عندما β² = 4γ.

15² = 4K → K = 225/4 = 56,25

الإجابة

K = 56,25
يقع القطبان للحلقة المغلقة عندئذٍ عند s = −7,5.
32.المخططات الصندوقية

الإجابة: K = 7,714

جبر المخططات الصندوقية: الصناديق على التوالي تُضرب (G₁·G₂)، والصناديق على التوازي تُجمع (G₁ + G₂)، والحلقة ذات المسار الأمامي G ومسار التغذية الراجعة H تُختزل إلى T = G/(1 + G·H) للتغذية الراجعة السالبة و G/(1 − G·H) للتغذية الراجعة الموجبة. اختزل الحلقات الداخلية أولًا، ثم اتجه إلى الخارج. أقطاب الحلقة المغلقة هي جذور المعادلة المميّزة 1 + G(s)H(s) = 0. لحلقة مستقرة، دخل خطوة مقداره A يعطي خرج الحالة المستقرة A·T(0)؛ ومع التغذية الراجعة الأحادية يكون خطأ الحالة المستقرة لخطوة A/(1 + Kp) مع Kp = G(0).

استجابة الاضطراب

css = D·G(0)/(1 + K·G(0)) = 5·7/(6 + 7K)

حلّ لإيجاد K

6 + 7K = 5·7/0,5833 = 60
K = (60 − 6)/7 = 7,714

الإجابة

K = 7,714
33.الاستجابة الخطوية

الإجابة: ts = 0,8 s

الاستجابة للدخل الخطوي: النظام من الرتبة الأولى G(s) = K/(τs + 1) يستجيب لخطوة مقدارها U بالعلاقة y(t) = K·U·(1 − e−t/τ): يبلغ 63,2 % من القيمة النهائية K·U بعد ثابت زمني واحد τ و98 % بعد 4τ. والنظام من الرتبة الثانية G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) له القطبان s = −ζωₙ ± jωd مع ωd = ωₙ√(1 − ζ²). وعندما 0 < ζ < 1 تتجاوز الاستجابة الخطوية القيمة النهائية: النسبة المئوية للتجاوز %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²)، وزمن الذروة tp = π/ωd، وزمن الاستقرار عند 2 % هو ts ≈ 4/(ζωₙ). قارن المقام مع s² + 2ζωₙs + ωₙ² لقراءة ωₙ وζ. وفي نظام كتلة–نابض–مخمّد ωₙ = √(k/m) وζ = c/(2√(km))؛ وفي دائرة RLC على التسلسل ωₙ = 1/√(LC) وζ = (R/2)·√(C/L).

قارن مع الصيغة القياسية

يجب أن يطابق المقام s² + 2ζωₙs + ωₙ².

ωₙ² = 89 → ωₙ = 9,434 rad/s
2ζωₙ = 10 → ζ = 10/(2·9,434) = 0,53

النتيجة

ζωₙ = 5 → ts ≈ 4/5 = 0,8 s

الإجابة

ts = 0,8 s
34.الاستجابة الخطوية

الإجابة: K = 392,7

الاستجابة للدخل الخطوي: النظام من الرتبة الأولى G(s) = K/(τs + 1) يستجيب لخطوة مقدارها U بالعلاقة y(t) = K·U·(1 − e−t/τ): يبلغ 63,2 % من القيمة النهائية K·U بعد ثابت زمني واحد τ و98 % بعد 4τ. والنظام من الرتبة الثانية G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) له القطبان s = −ζωₙ ± jωd مع ωd = ωₙ√(1 − ζ²). وعندما 0 < ζ < 1 تتجاوز الاستجابة الخطوية القيمة النهائية: النسبة المئوية للتجاوز %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²)، وزمن الذروة tp = π/ωd، وزمن الاستقرار عند 2 % هو ts ≈ 4/(ζωₙ). قارن المقام مع s² + 2ζωₙs + ωₙ² لقراءة ωₙ وζ. وفي نظام كتلة–نابض–مخمّد ωₙ = √(k/m) وζ = c/(2√(km))؛ وفي دائرة RLC على التسلسل ωₙ = 1/√(LC) وζ = (R/2)·√(C/L).

دالة تحويل الحلقة المغلقة

T(s) = K/(s² + 16s + K)

نسبة التخميد من التجاوز

ζ = −ln(0,25)/√(π² + ln²(0,25)) = 0,4037

الكسب

ωₙ = 16/(2ζ) = 19,82 rad/s
K = ωₙ² = 392,7

الإجابة

K = 392,7
35.مخططات بودي والهوامش

الإجابة: |H| = −9,877 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/(10000·4,7 × 10⁻⁸) = 2128 rad/s
fc = 338,6 Hz → f/fc = 1000/338,6 = 2,953

الكسب

|H| = 1/√(1 + 2,953²) = 0,3207
20·log₁₀(0,3207) = −9,877 dB

الإجابة

|H| = −9,877 dB
36.مخططات بودي والهوامش

الإجابة: PM = 76,35 °

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 الكسب

ω⁴ + 16ω² − 16 = 0
ω² = (−16 + √(256 + 4·16))/2 = 0,9443
ωc = 0,9717 rad/s

هامش الطور

∠L(jωc) = −90° − atan(0,9717/4) = −103,7°
PM = 180° + ∠L = 76,35°

الإجابة

PM = 76,35°
37.الاستقرار: راوث–هرفيتز والمحل الهندسي للجذور

الإجابة: Kmax = 12

معيار راوث–هرفيتز: يكون النظام الخطي مستقرًا حين يقع كل جذر من جذور كثير حدوده المميِّز في النصف الأيسر من المستوى s. اكتب المعاملات بالتناوب في الصفين الأولين من جدول راوث. يأتي كل عنصر في صف جديد من الصفين اللذين فوقه؛ وبالنسبة إلى كثير حدود تكعيبي a₃s³ + a₂s² + a₁s + a₀ يكون عنصر الصف s¹ هو b₁ = (a₂·a₁ − a₃·a₀)/a₂. عدد تغيّرات الإشارة في العمود الأول يساوي عدد الجذور في النصف الأيمن من المستوى. وحين يدخل الكسب K في المعاملات يجب أن يبقى كل عنصر في العمود الأول موجبًا: الكسب الذي يجعل عنصر الصف s¹ صفرًا هو حدّ الاستقرار، ثم يعطي الصف s² تردد التذبذب المستمر.

كثير الحدود المميِّز

s(s + 1)(s + 3) + K(s + 5) = s³ + 4s² + (3 + K)s + 5K

جدول روث

s³: 1, 3 + K
s²: 4, 5K
s¹: (4·(3 + K) − 5K)/4
s⁰: 5K

الشرط

12 − 1K > 0
K < 12/1 = 12

الإجابة

Kmax = 12

لو وقع الصفر على يمين s = −4 لبقيت الحلقة مستقرة لكل K > 0.

38.الاستقرار: راوث–هرفيتز والمحل الهندسي للجذور

الإجابة: ω = 4,472 rad/s

المحل الهندسي للجذور: حين يتغير الكسب K من 0 إلى ∞ تتحرك أقطاب الحلقة المغلقة، وهي جذور 1 + K·G(s) = 0، من أقطاب الحلقة المفتوحة إلى أصفار الحلقة المفتوحة أو إلى ما لا نهاية. تنتمي نقطة على المحور الحقيقي إلى المحل الهندسي حين يكون عدد الأقطاب والأصفار الحقيقية على يمينها فرديًا. تتبع الفروع n − m المتجهة إلى ما لا نهاية خطوطًا مقاربة بالزوايا (2q + 1)·180°/(n − m)، وتنطلق من المركز σₐ = (Σ الأقطاب − Σ الأصفار)/(n − m). تغادر الفروع المحور الحقيقي أو تنضم إليه حيث dK/ds = 0. يحدد شرط الزاوية ∠G(s) = 180° الشكل، ويعطي شرط المقدار K = 1/|G(s)| الكسب عند أي نقطة من المحل الهندسي.

الكسب الحرج

s³ + 9s² + 20s + 12 + K = 0
s¹: (9·20 − 12 − K)/9 = 0 → K = 168

تردد التقاطع

9s² + 12 + 168 = 9s² + 180 = 0 → s² = −20
ω = √20 = 4,472 rad/s

الإجابة

ω = 4,472 rad/s
39.خطأ الحالة المستقرة والتحكم PID

الإجابة: K = 180

خطأ الحالة المستقرة: في حلقة تغذية عكسية وحدوية بدالة نقل الحلقة المفتوحة G(s) يكون الخطأ E(s) = R(s)/(1 + G(s))، وبنظرية القيمة النهائية ess = lims→0 s·E(s). نوع النظام هو عدد أقطاب G(s) عند s = 0. ثوابت الخطأ هي Kp = lim G(s) وKv = lim s·G(s) وKa = lim s²·G(s)، كلها عندما s → 0. تعطي دالة خطوة بحجم A الخطأ ess = A/(1 + Kp)، وتعطي دالة منحدرة A·t الخطأ A/Kv، وتعطي دالة قطع مكافئ A·t²/2 الخطأ A/Ka. تتبع حلقة من النوع 0 دالة الخطوة بخطأ منتهٍ، أما حلقة من النوع 1 فتتبعها تمامًا وتتبع دالة المنحدر بخطأ منتهٍ.

ثابت الخطأ المطلوب

1/(1 + Kp) = 0,1 → Kp = 9

الكسب

K/20 = 9 → K = 180

الإجابة

K = 180

تحقق أيضًا من استقرار الحلقة المغلقة: في هذه الحلقة من الرتبة الثانية يكون أي K > 0 مستقرًا.

40.خطأ الحالة المستقرة والتحكم PID

الإجابة: ts = 1,6 s

التحكم P وPI وPID: يعمل المتحكم C(s) = Kp + Ki/s + Kd·s على الخطأ. الكسب التناسبي يجعل الحلقة أسرع ويقلل خطأ محطة من النوع 0، لكنه لا يزيله أبدًا. يضيف الحد التكاملي قطبًا عند s = 0: فيرتفع نوع النظام بواحد، وتُتبع الخطوة دون خطأ. ويضيف الحد التفاضلي تخميدًا. لاختيار الكسوب اكتب كثير الحدود المميِّز للحلقة المغلقة وقارنه بـ s² + 2ζωns + ωn². عندئذٍ %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²)، وtp = π/ωd مع ωd = ωn√(1 − ζ²)، وts ≈ 4/(ζωn).

كثير الحدود المميِّز

s(s + 5) + 40·1 = s² + 5s + 40

ωₙ وζ

ωₙ = √40 = 6,325 rad/s
ζ = 5/(2·6,325) = 0,3953

زمن الاستقرار

ζωₙ = 5/2 = 2,5
ts ≈ 4/2,5 = 1,6 s

الإجابة

ts = 1,6 s

لا يعتمد زمن الاستقرار هنا على K: فرفع K لا يجعل الاستجابة إلا أسرع تذبذبًا.

هذه مادة تدريب مستقلة. ExamProblems غير تابع للجهة التي تنظّم هذا الامتحان ولا معتمد منها، ويُستخدم اسم الامتحان لوصف المحتوى فقط. يُجري اختبار FE exam جهةُ NCEES، وهي غير تابعة لـ ExamProblems ولا تؤيده.

ExamProblems · examproblems.com/courses/fe-exam-electrical