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​ = 15 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​9 VR2​12 ΩAR4​20 ΩB

أوجد المقاومة المكافئة Req التي يراها المصدر V1.

V1 = 9 VR1 = 15 ΩR2 = 12 ΩR3 = 15 ΩR4 = 20 Ω
Req = Ω
2.المقاومات على التوالي والتوازيصعبة
R1​ = 8 ΩIR1​R3​ = 10 ΩR5​ = 4 Ω+−V1​36 VR2​12 ΩAR4​12 ΩBR6​4 Ω

أوجد التيار IR1 الذي يورّده المصدر، والذي يمرّ عبر R1.

V1 = 36 VR1 = 8 ΩR2 = 12 ΩR3 = 10 ΩR4 = 12 ΩR5 = 4 ΩR6 = 4 Ω
IR1 = A
3.تحليل العقدمتوسطة
R1​10 Ω+−V1​24 VR2​6 Ω−+V2​10 VI2​R3​5 Ω+−V3​30 VA

ثلاثة فروع موصولة بين العقدة A والأرضي، كما هو موضّح. استخدم تحليل العقد لإيجاد التيار I2 في الفرع 2، الجاري إلى الأعلى نحو العقدة A باتجاه السهم.

V1 = 24 VR1 = 10 ΩV2 = 10 VR2 = 6 ΩV3 = 30 VR3 = 5 Ω
I2 = A
4.تحليل العقدصعبة
R1​ = 8 ΩR2​ = 3 ΩR4​ = 2 Ω+−V1​9 VR3​6 ΩAR5​25 ΩBIs​6 A−+V2​9 V

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

V1 = 9 VIs = 6 AV2 = 9 VR1 = 8 ΩR2 = 3 ΩR3 = 6 ΩR4 = 2 ΩR5 = 25 Ω
VB = V
5.تحليل الحلقاتمتوسطة
R1​ = 3 ΩR2​ = 5 Ω+−V1​6 VR3​4 ΩA+−V2​24 VI1​I2​

استخدم تحليل الحلقات لإيجاد تيار الحلقة I2 (باتجاه عقارب الساعة).

V1 = 6 VV2 = 24 VR1 = 3 ΩR2 = 5 ΩR3 = 4 Ω
I2 = A
6.تحليل الحلقاتصعبة
R1​ = 6 ΩR2​ = 20 ΩIR2​R3​ = 5 Ω+−V1​9 VR4​20 ΩAR5​6 ΩB+−V2​9 VI1​I2​I3​

استخدم تحليل الحلقات لإيجاد التيار IR2 المارّ في R2 باتجاه السهم.

V1 = 9 VV2 = 9 VR1 = 6 ΩR2 = 20 ΩR3 = 5 ΩR4 = 20 ΩR5 = 6 Ω
IR2 = A
7.التراكبمتوسطة
R1​ = 5 ΩR3​ = 20 ΩIR3​+−V1​15 VR2​2 ΩAR4​8 ΩBIs​?

أوجد قيمة مصدر التيار Is (بالاتجاه الموضّح) التي تجعل التيار IR3 في R3 مساويًا للصفر.

V1 = 15 VR1 = 5 ΩR2 = 2 ΩR3 = 20 ΩR4 = 8 Ω
Is = A
8.التراكبصعبة
دائرة خطيةV1​V2​Is​IRL​

دائرة مقاومات خطية تحتوي على ثلاثة مصادر مستقلة: V1 و V2 و Is. يُقاس التيار I في حِمل ثلاث مرات. مع كل المصادر بقيمها العادية، I = 17 mA. مع مضاعفة V1 وبقاء الآخرَين دون تغيير، I = 29 mA. مع عكس اتجاه Is وبقاء الآخرَين دون تغيير، I = 13 mA. أوجد تيار الحِمل I عند إطفاء V2 مع بقاء V1 و Is بقيمهما العادية.

عادي: I = 17 mA2·V1: I = 29 mA−Is: I = 13 mA
I = mA
9.ثيفنن ونورتنمتوسطة
R1​ = 4 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​30 VR2​20 ΩARL​5 ΩIL​B

وُصل حِمل RL = 5 Ω بين a–b. استبدل بقية الدائرة بمكافئ ثيفنن وأوجد تيار الحِمل IL.

V1 = 30 VR1 = 4 ΩR2 = 20 ΩR3 = 3 ΩRL = 5 Ω
IL = A
10.ثيفنن ونورتنصعبة
R1​ = 5 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​5 VR2​4 ΩAIs​2 ABRL​20 ΩIL​

وُصل حِمل RL = 20 Ω بين a–b. استخدم مكافئ ثيفنن لإيجاد القدرة PL المسلَّمة إلى الحِمل.

V1 = 5 VIs = 2 AR1 = 5 ΩR2 = 4 ΩR3 = 2 ΩRL = 20 Ω
PL = W
11.الحالات العابرة RC و RLمتوسطة
+−Vs​24 Vt = 0R = 50 ΩL10 mHi(t)

لا يمرّ تيار في الملف قبل أن يُغلق المفتاح عند t = 0. أوجد الطاقة W المخزّنة في الملف عند t = 1 ms، بوحدة mJ.

Vs = 24 VR = 50 ΩL = 10 mHt = 1 ms
W = mJ
12.الحالات العابرة RC و RLصعبة
+−Vs​9 Vt = 0R = 4,7 kΩC68 µF+−vC​vC​(0) = 4 V

قبل إغلاق المفتاح عند t = 0 مباشرة، يكون جهد المكثّف 4 V بالقطبية الموضّحة. كم يستغرق vC ليبلغ 8 V؟ أوجد t.

Vs = 9 VR = 4,7 kΩC = 68 µFvC(0) = 4 V
t = ms
13.معاوقة التيار المتردد والطورياتمتوسطة
Vf0​ = 200 HzRL = ?C = 4,7 µF

دائرة RLC على التوالي مع C = 4,7 µF يجب أن ترنّ عند 200 Hz. أوجد المحاثة L المطلوبة.

f0 = 200 HzC = 4,7 µF
L = mH
14.معاوقة التيار المتردد والطورياتصعبة
VfR = 10 ΩL = 200 mHC = 2,2 µF

دائرة RLC على التوالي لها R = 10 Ω و L = 200 mH و C = 2,2 µF. أوجد عرض النطاق B لها (عرض النطاق بين تردّدَي نصف القدرة)، بوحدة Hz.

R = 10 ΩL = 200 mHC = 2,2 µF
B = Hz
15.قدرة التيار المتردد ومعامل القدرةمتوسطة
P = 31 kWQSφ

يستهلك محرّك أحادي الطور 31 kW بمعامل قدرة 0,7 متأخّر من مصدر 230 V. أوجد تيار الخط I.

P = 31 kWpf = 0,7V = 230 V
I = A
16.قدرة التيار المتردد ومعامل القدرةصعبة
P = 35 kWQ1​S1​φ1​QC​

يستهلك حِمل أحادي الطور 35 kW بمعامل قدرة 0,8 متأخّر من مصدر 230 V، 60 Hz. يرفع مكثّف موصول على التوازي معامل القدرة إلى 0,9. أوجد السعة C اللازمة.

P = 35 kWpf1 = 0,8pf2 = 0,9V = 230 Vf = 60 Hz
C = µF
17.القدرة ثلاثية الطورمتوسطة
ABCVL​ = 415 VIL​ = ?M110 kW, η = 93%cos φ = 0,85

محرّك حثّي ثلاثي الطور يعطي قدرة خرج ميكانيكية مقدارها 110 kW عند الحمل الكامل. عند هذا الحمل تكون كفاءته 93% ومعامل قدرته 0,85 متأخرًا. جهد خط المصدر 415 V. أوجد تيار الخط IL.

Pout = 110 kWη = 93%cos φ = 0,85VL = 415 V
IL = A
18.القدرة ثلاثية الطورصعبة
P = 120 kWφ1​S1​Q2​QC​

حمل ثلاثي الطور متوازن يأخذ 120 kW عند معامل قدرة 0,75 متأخر من مصدر 480 V (جهد خط) و 60 Hz. يجب أن ترفع مجموعة مكثّفات ثلاثية الطور موصولة على التوازي مع الحمل معامل القدرة الكلي إلى 0,9 متأخر. تبقى القدرة الفعّالة كما هي. المكثّفات موصولة دلتا (Δ). أوجد السعة Cph لكل مكثّف بالـ µF.

P = 120 kWpf1 = 0,75pf2 = 0,9VL = 480 Vf = 60 Hz
Cph = µF
19.المحوّلاتمتوسطة
RL​ = 48 Ω51600 VV2​I1​ = ?I2​

محوّل مثالي نسبة لفّاته N₁:N₂ = 5:1، طُبّق على ملفه الابتدائي جهد 600 V. وُصلت مقاومة 48 Ω على طرفي الملف الثانوي. أوجد التيار الابتدائي I1.

N1:N2 = 5:1V1 = 600 VRL = 48 Ω
I1 = A
20.المحوّلاتصعبة
150 kVA

محوّل أحادي الطور 150 kVA مفقودات قلبه 750 W ومفقودات نحاسه 3000 W عند الحمل المقنَّن. عند أي حمل Sη,max، بالـ kVA، تكون كفاءته في أعلاها؟

S = 150 kVAPcore = 750 WPcu,fl = 3000 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 31.

R1 = 100 kΩAv = 31
Rf = kΩ
22.دوائر مكبّرات العملياتصعبة
−+Vout​Rf​ = 1 kΩV1​ = −1,5 VR1​ = 4,7 kΩV2​ = 0,3 VR2​ = 22 kΩ

يستخدم المكبّر الجامع مكبّر عمليات مثاليًا بمصدرين ±15 V. أوجد جهد الخرج Vout.

V1 = −1,5 VV2 = 0,3 VR1 = 4,7 kΩR2 = 22 kΩRf = 1 kΩ
Vout = V
23.الثنائيات والترانزستوراتمتوسطة
RC​ = 470 Ωβ = 100VCC​ = 15 VRB​ = 270 kΩ

ترانزستور NPN بـ β = 100 منحاز بمقاومة قاعدة RB = 270 kΩ من المصدر VCC = 15 V. مقاومة المجمِّع RC = 470 Ω والباعث موصول بالأرضي. خذ VBE = 0,7 V وافترض أن الترانزستور في المنطقة الفعّالة. أوجد جهد المجمِّع–الباعث VCE.

VCC = 15 VRB = 270 kΩRC = 470 Ωβ = 100VBE = 0,7 V
VCE = V
24.الثنائيات والترانزستوراتصعبة
+−≥ 20 VR = ?5,6 V≤ 25 mA

يجب أن يغذّي منظم زينر 5,6 V حملًا بتيار يصل إلى 25 mA. قد ينخفض الدخل إلى 20 V، ويحتاج زينر إلى 5 mA على الأقل ليظل منظِّمًا. أوجد أكبر مقاومة توالٍ Rmax تبقيه منظِّمًا.

Vin,min = 20 VVZ = 5,6 VIL,max = 25 mAIZ,min = 5 mA
Rmax = Ω
25.أنظمة العدمتوسطة
المتمم الثنائي ذو 8 بتات0−12806403201608040201

اضبط البتات بحيث تخزن −60 في المتمم الثنائي بـ 8 بتات. إذا قُرئ كعدد بدون إشارة، فما قيمة النمط U؟

N = −608 bit
U =
26.أنظمة العدصعبة
انقر على البتات لضبطها012806403201608040201

اضبط البتات على الناتج بـ 8 بتات لـ 0010 1011 << 1. ما قيمة الناتج R بالعشري؟

0010 1011<< 1
R =
27.المنطق الرقمي: البوابات وخرائط كارنو والقلّاباتمتوسطة
ABCD000111100001111011111

في خريطة كارنو هذه يوجد 1 واحد بالضبط لا جار 1 له، فيبقى مجموعة من خلية واحدة (حد أصغري كامل من أربعة حروف) في الصيغة الدنيا SOP. الجيران عبر حواف الخريطة تُحسب. انقر على تلك الخلية.

F = Σm(1, 2, 10, 11, 14)
  1. 1AB = 00, CD = 00
  2. 2AB = 00, CD = 01
  3. 3AB = 00, CD = 11
  4. 4AB = 00, CD = 10
  5. 5AB = 01, CD = 00
  6. 6AB = 01, CD = 01
  7. 7AB = 01, CD = 11
  8. 8AB = 01, CD = 10
  9. 9AB = 11, CD = 00
  10. 10AB = 11, CD = 01
  11. 11AB = 11, CD = 11
  12. 12AB = 11, CD = 10
  13. 13AB = 10, CD = 00
  14. 14AB = 10, CD = 01
  15. 15AB = 10, CD = 11
  16. 16AB = 10, CD = 10
28.المنطق الرقمي: البوابات وخرائط كارنو والقلّاباتصعبة
TQ0​Q0​TQ1​Q1​TQ2​Q2​TQ3​Q3​TQ4​Q4​TQ5​Q5​CLK

بُني عدّاد متموّج (غير متزامن) من 6 بتّات من قلّابات تأخير انتشار كل منها 15 ns. يجب أن تكون كل المخارج قد استقرت قبل حافة الساعة التالية. جد أقصى تردد ساعة fmax.

n = 6tpd = 15 ns
fmax = MHz
29.تحويلات لابلاسمتوسطة
t (s)f(t)t = 0,4f(0,4) = ?

أوجد f(t) للدالة F(s) = 10/(s(s + 1)(s + 4)) بالكسور الجزئية، واحسب f(0,4).

F(s) = 10/(s(s + 1)(s + 4))t = 0,4 s
f(0.4) =
30.تحويلات لابلاسصعبة
t (s)y(t)t = 0,2y(0,2) = ?

حلّ y″ + 10y′ + 24y = 0 مع y(0) = 5 و y′(0) = 15 باستخدام تحويل لابلاس، وأوجد y(0,2).

y″ + 10y′ + 24y = 0y(0) = 5y′(0) = 15t = 0,2 s
y(0.2) =
31.المخططات الصندوقيةمتوسطة
R(s)+11(s + 6)(s + 1)(s + 8)G(s)C(s)−

حلقة تغذية راجعة سالبة أحادية لها G(s) = 11(s + 6)/((s + 1)(s + 8)). تُطبَّق خطوة مقدارها 1 عند المرجع. أوجد خطأ الحالة المستقرة ess.

G(s) = 11(s + 6)/((s + 1)(s + 8))R = 1
ess =
32.المخططات الصندوقيةصعبة
R(s)+Kالمتحكّم+D(s)+6s + 9النظام المُتحكَّم فيهC(s)−

متحكّم تناسبي K يقود النظام G(s) = 6/(s + 9) في حلقة تغذية راجعة سالبة أحادية. تدخل خطوة اضطراب مقدارها 0,5 عند دخل النظام بينما R = 0. أوجد أصغر كسب K يُبقي خرج الحالة المستقرة عند 0,03333 أو دونه.

G(s) = 6/(s + 9)D = 0,5css ≤ 0,03333
K =
33.الاستجابة الخطويةمتوسطة
t (s)y(t)0,5tp​ = ?

لنظام دالة النقل G(s) = 10,5/(s² + 2s + 21) ويتلقى دخلًا خطويًا وحدويًا. أوجد زمن الذروة tp للاستجابة الخطوية.

G(s) = 10,5/(s² + 2s + 21)
tp = s
34.الاستجابة الخطويةصعبة
+−24 VR = 45 ΩL = 20 mHC = 10 µFvC​

دائرة RLC على التسلسل فيها R = 45 Ω وL = 20 mH وC = 10 µF موصولة بخطوة جهد 24 V عند t = 0. المكثف غير مشحون ولا يمر تيار قبل الخطوة. أوجد التردد الطبيعي غير المخمّد ωn بوحدة rad/s.

R = 45 ΩL = 20 mHC = 10 µFV = 24 V
ωn = rad/s
35.مخططات بودي والهوامشمتوسطة
vin​L = 10 mHR = 470 Ωvout​

لـ مرشح RL لتمرير الترددات المنخفضة الموضح R = 470 Ω, L = 10 mH. يُطبَّق دخل جيبي مقداره 3,7 kHz. أوجد إزاحة الطور φ للجهد vout بالنسبة إلى vin، بالدرجات.

R = 470 ΩL = 10 mHf = 3,7 kHz
φ = °
36.مخططات بودي والهوامشصعبة
|H| (dB)11101010010010001000−80−60−40−2002040ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−180−135−90−450ωc​

حلقة تغذية عكسية وحدوية دالة نقلها المفتوحة L(s) = 150/(s(s + 10)). أوجد هامش الطور PM بالدرجات.

L(s) = 150/(s(s + 10))
PM = °
37.الاستقرار: راوث–هرفيتز والمحل الهندسي للجذورمتوسطة
R(s)+101s(s + 2)(s + 4)C(s)+

تستخدم حلقة المخطط تغذية عكسية موجبة، مع L(s) = 10/(s(s + 2)(s + 4)). كم عدد أقطاب الحلقة المغلقة N الواقعة في النصف الأيمن من المستوى؟

L(s) = 10/(s(s + 2)(s + 4))
N =
38.الاستقرار: راوث–هرفيتز والمحل الهندسي للجذورصعبة
ReIm−1−2j1j2

لـ L(s) = K/((s + 1)(s² + 4s + 8))، أوجد زاوية المغادرة θd للمحل الهندسي للجذور من القطب المركّب في النصف العلوي من المستوى، مقيسة من المحور الحقيقي الموجب.

L(s) = K/((s + 1)(s² + 4s + 8))
θd = °
39.خطأ الحالة المستقرة والتحكم PIDمتوسطة
r(t) = 10·t²/2+5(s + 1)s²(s + 4)C(s)−

يُطبَّق الدخل القطعي المكافئ r(t) = 10·t²/2 على حلقة تغذية عكسية وحدوية فيها G(s) = 5(s + 1)/(s²(s + 4)). أوجد خطأ الحالة المستقرة ess.

G(s) = 5(s + 1)/(s²(s + 4))r(t) = 10·t²/2
ess =
40.خطأ الحالة المستقرة والتحكم PIDصعبة
R(s)+20 + Kd​s2s(s + 1)C(s)−

يتحكم متحكم PD بالصيغة C(s) = 20 + Kd·s في المحطة G(s) = 2/(s(s + 1)) ضمن حلقة تغذية عكسية وحدوية. أوجد كسب المشتقة Kd الذي يعطي الحلقة المغلقة نسبة تخميد ζ = 0,8.

G(s) = 2/(s(s + 1))Kp = 20ζ = 0,8
Kd = s

3المحاليل

1.المقاومات على التوالي والتوازي

الإجابة: Req = 23,94 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​ = 15 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​9 VR2​12 ΩAR4​20 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 + 20 = 35 Ω
R2 ∥ 35 = 12·35/(12+35) = 8,936 Ω
Req = R1 + 8,936 = 15 + 8,936 = 23,94 Ω

الإجابة

Req = 23,94 Ω
2.المقاومات على التوالي والتوازي

الإجابة: IR1 = 2,461 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​ = 8 ΩR3​ = 10 ΩR5​ = 4 Ω+−V1​36 VR2​12 ΩAR4​12 ΩBR6​4 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 + 4 = 8 Ω
R4 ∥ 8 = 4,8 Ω
R3 + 4,8 = 14,8 Ω
R2 ∥ 14,8 = 6,627 Ω
Req = R1 + 6,627 = 8 + 6,627 = 14,63 Ω

التيار من المصدر

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

IR1 = V1/Req = 36/14,63 = 2,461 A

الإجابة

IR1 = 2,461 A
3.تحليل العقد

الإجابة: I2 = −4,071 A

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

اعتبر السلك السفلي هو الأرضي. كل فرع يحمل (VA − Vk)/Rk خارجًا من A، حيث Vk جهد مصدره (صفر للمقاومة وحدها). مجموع التيارات الخارجة من A يساوي صفرًا.

(VA − 24)/10 + (VA − (−10))/6 + (VA − 30)/5 = 0

حلّ لإيجاد VA

VA = (24/10 + (−10)/6 + 30/5) / (1/10 + 1/6 + 1/5) = 6,733/0,4667 = 14,43 V

تيار الفرع

يشير السهم إلى الأعلى عبر الفرع، داخلًا إلى العقدة A.

I2 = ((−10) − VA)/R2 = ((−10) − 14,43)/6 = −4,071 A

الإجابة

I2 = −4,071 A

النتيجة السالبة تعني أن التيار الفعلي يجري عكس السهم.

4.تحليل العقد

الإجابة: VB = −14,23 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​ = 8 ΩR2​ = 3 ΩR4​ = 2 Ω+−V1​9 VR3​6 ΩAR5​25 ΩBIs​6 A−+V2​9 V

حدّد العقد

الأرضي هو السلك السفلي. جهود العقد المعروفة تأتي مباشرة من المصادر (V1 = 9 V, V2 = −9 V). المجاهيل: VA, VB.

قانون كيرشوف للتيار عند العقدة A

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

VA/R3 + (VA − V1)/R1 + (VA − VB)/R2 = 0
VA/6 + (VA − 9)/8 + (VA − VB)/3 = 0
0,625·VA − 0,3333·VB = 1,125

قانون كيرشوف للتيار عند العقدة B

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

VB/R5 + (VB − VA)/R2 + (VB − V2)/R4 = Is
VB/25 + (VB − VA)/3 + (VB − (−9))/2 = (−6)
−0,3333·VA + 0,8733·VB = −10,5

الحل

Δ = (0,625)(0,8733) − (−0,3333)(−0,3333) = 0,4347
VA = Δ1/Δ = −2,518/0,4347 = −5,791 V
VB = Δ2/Δ = −6,188/0,4347 = −14,23 V

الإجابة

VB = −14,23 V
5.تحليل الحلقات

الإجابة: I2 = −3,064 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​ = 3 ΩR2​ = 5 Ω+−V1​6 VR3​4 ΩA+−V2​24 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
3·I1 + 4(I1 − I2) = 6
7·I1 − 4·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 + R3(I2 − I1) = −V2
5·I2 + 4(I2 − I1) = (−24)
−4·I1 + 9·I2 = −24

الحل

Δ = (7)(9) − (−4)(−4) = 47
I1 = Δ1/Δ = −42/47 = −0,8936 A
I2 = Δ2/Δ = −144/47 = −3,064 A

الإجابة

I2 = −3,064 A

تيار الحلقة السالب يسري عكس عقارب الساعة.

6.تحليل الحلقات

الإجابة: IR2 = 0,07366 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​ = 6 ΩR2​ = 20 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​9 VR4​20 ΩAR5​6 ΩB+−V2​9 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
6·I1 + 20(I1 − I2) = 9
26·I1 − 20·I2 = 9

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
20·I2 + 20(I2 − I1) + 6(I2 − I3) = 0
−20·I1 + 46·I2 − 6·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
5·I3 + 6(I3 − I2) = (−9)
−6·I2 + 11·I3 = −9

الحل

Δ = محدد مصفوفة المعاملات = 7820
I1 = Δ1/Δ = 3150/7820 = 0,4028 A
I2 = Δ2/Δ = 576/7820 = 0,07366 A
I3 = Δ3/Δ = −6084/7820 = −0,778 A

الإجابة

IR2 = I2 = 0,07366 A

تيار الحلقة السالب يسري عكس عقارب الساعة.

7.التراكب

الإجابة: Is = 0,5357 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​ = 5 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​15 VR2​2 ΩAR4​8 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 = 20+8 = 28 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 2·28/(2+28) = 1,867 Ω
VA = 15·1,867/(5+1,867) = 4,078 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 4,078·8/28 = 1,165 V
IR3′ = (VA − VB)/R3 = (4,078 − 1,165)/20 = 0,1456 A

الحالة 2 · Is يعمل وحده

يصبح V₁ قصرًا، فيتصل R₁ ∥ R₂ من A إلى الأرضي. يتفرّع Iₛ عند B بين R₄ والمسار R₃ + R₁∥R₂؛ والجزء المارّ في R₃ يجري من B إلى A، عكس السهم.

R1 ∥ R2 = 1,429 Ω
IR3″ = −Is·R4/(R4 + R3 + R1∥R2) = −Is·8/29,43 = −0,2718·Is

اجعل المجموع صفرًا

IR3′ + IR3″ = 0,1456 − 0,2718·Is = 0
Is = 0,1456/0,2718 = 0,5357 A

الإجابة

Is = 0,5357 A
8.التراكب

الإجابة: I = 14 mA

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.

اكتب القياسات بدلالة الإسهامات

كل إسهام يتناسب مع مصدره.

I₁ + I₂ + I₃ = 17
2·I₁ + I₂ + I₃ = 29
I₁ + I₂ − I₃ = 13

حلّ لإيجاد الإسهامات

I₁ = 29 − 17 = 12 mA
I₃ = (17 − 13)/2 = 2 mA
I₂ = 17 − 12 − 2 = 3 mA

أطفئ V₂

I = I₁ + I₃ = 12 + 2 = 14 mA

الإجابة

I = 14 mA
9.ثيفنن ونورتن

الإجابة: IL = 2,206 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​ = 4 ΩR3​ = 3 ΩقصرR2​20 ΩAabRth​

أوجد Rth مع إطفاء كل المصادر

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

R1 ∥ R2 = 4·20/(4+20) = 3,333 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3,333 + 3 = 6,333 Ω
R1​ = 4 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​30 VR2​20 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) = 30·20/(4+20) = 25 V
Rth​ = 6,333 Ω+−Vth​25 VRL​5 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) = 25/(6,333 + 5) = 2,206 A
10.ثيفنن ونورتن

الإجابة: PL = 3,878 W

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​ = 5 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 = 5·4/(5+4) = 2,222 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,222 + 2 = 4,222 Ω
R1​ = 5 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​5 VR2​4 ΩAIs​2 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) = 2,222 + 2·2,222 = 6,667 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 6,667 + 2·2 = 10,67 V
Rth​ = 4,222 Ω+−Vth​10,67 VRL​20 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) = 10,67/(4,222 + 20) = 0,4404 A
PL = IL²·RL = 0,4404²·20 = 3,878 W
11.الحالات العابرة RC و RL

الإجابة: W = 1,137 mJ

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 = 10 mH / 50 Ω = 0,2 ms
i(∞) = Vs/R = 24/50 = 0,48 A

التيار في اللحظة المعطاة

i(t) = 0,48·(1 − e−1/0,2) = 0,4768 A

الطاقة المخزّنة

W = ½·L·i² = ½·10·0,4768² = 1,137 mJ

الإجابة

W = 1,137 mJ
12.الحالات العابرة RC و RL

الإجابة: t = 514,4 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.

القيمة الابتدائية، القيمة النهائية، الثابت الزمني

لا يمكن لجهد المكثّف أن يقفز، لذا يبدأ من قيمته المخزّنة ويتّجه نحو جهد المصدر.

vC(0) = 4 V, vC(∞) = Vs = 9 V
τ = R·C = 4,7 kΩ · 68 µF = 319,6 ms
vC(t) = 9 + (4 − 9)·e−t/τ

حلّ لإيجاد الزمن

8 = 9 + (−5)·e−t/τ → e−t/τ = (8 − 9)/(4 − 9) = 0,2
t = τ·ln((4 − 9)/(8 − 9)) = 319,6·ln(5) = 514,4 ms

الإجابة

t = 514,4 ms
13.معاوقة التيار المتردد والطوريات

الإجابة: L = 134,7 mH

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|.

شرط الرنين

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

ω₀ = 2π·200 = 1257 rad/s
L = 1/(ω₀²·C) = 1/(1257²·4,7·10⁻⁶) = 134,7 mH

الإجابة

L = 134,7 mH
14.معاوقة التيار المتردد والطوريات

الإجابة: B = 7,958 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|.

تردد الرنين

f0 = 1/(2π·√(0,2·2,2·10⁻⁶)) = 239,9 Hz

معامل الجودة

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

Q = (1/R)·√(L/C) = (1/10)·√(0,2/(2,2·10⁻⁶)) = 30,15

عرض النطاق

B = f0/Q = 239,9/30,15 = 7,958 Hz

الإجابة

B = 7,958 Hz
15.قدرة التيار المتردد ومعامل القدرة

الإجابة: I = 192,5 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) = 31000/(230·0,7) = 192,5 A

الإجابة

I = 192,5 A
16.قدرة التيار المتردد ومعامل القدرة

الإجابة: C = 466,3 µF

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 = 35·tan(36,87°) = 26,25 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 35·tan(25,84°) = 16,95 kvar
QC = Q1 − Q2 = 9,299 kvar

السعة

المكثّف الموصول على المصدر يزوّد Q = V²·ωC.

C = QC/(2πf·V²) = 9299/(2π·60·230²) = 466,3 µF

الإجابة

C = 466,3 µF
17.القدرة ثلاثية الطور

الإجابة: IL = 193,6 A

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 الكهربائية الداخلة

Pin = Pout/η = 110/0,93 = 118,3 kW

تيار الخط

IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 118280/(√3·415·0,85) = 193,6 A

الإجابة

IL = 193,6 A
18.القدرة ثلاثية الطور

الإجابة: Cph = 183,1 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 0,75) = 120·0,8819 = 105,8 kvar
Q2 = 120·tan(acos 0,9) = 120·0,4843 = 58,12 kvar

القدرة غير الفعّالة من المكثّفات

QC = Q1 − Q2 = 47,71 kvar

السعة لكل طور

في مجموعة Δ يوصل كل مكثّف بين خطين.

V = 480 V, ω = 2π·60 = 377 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 15904/(377·480²) = 183,1 µF

الإجابة

Cph = 183,1 µF
19.المحوّلات

الإجابة: I1 = 0,5 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 = 600/5 = 120 V
I2 = 120/48 = 2,5 A

التيار الابتدائي

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

I1 = I2/5 = 0,5 A

الإجابة

I1 = 0,5 A

تحقّق: الحمل المرئي من الملف الابتدائي هو a²·RL = 1200 Ω، و 600/1200 يعطي التيار نفسه.

20.المحوّلات

الإجابة: Sη,max = 75 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

x²·3000 = 750 → x = √(750/3000) = 0,5

الحمل عند أقصى كفاءة

Sη,max = x·S = 0,5·150 = 75 kVA

الإجابة

Sη,max = 75 kVA
21.دوائر مكبّرات العمليات

الإجابة: Rf = 3000 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 = (31 − 1)·100 = 3000 kΩ

الإجابة

Rf = 3000 kΩ
22.دوائر مكبّرات العمليات

الإجابة: Vout = 0,3055 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.

تيارات الدخل

V₋ = 0، لذا يقع على كل مقاومة دخل كامل جهد دخلها.

I1 = V1/R1 = −1,5/4,7 = −0,3191 mA
I2 = V2/R2 = 0,3/22 = 0,01364 mA
If = I1 + I2 = −0,3055 mA

جهد الخرج

Vout = −Rf·If = −1·(−0,3055) = 0,3055 V

الإجابة

Vout = 0,3055 V
23.الثنائيات والترانزستورات

الإجابة: VCE = 12,51 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)/270 kΩ = 52,96 µA

تيار المجمِّع

IC = β·IB = 100·52,96 µA = 5,296 mA

جهد المجمِّع–الباعث

VCE = 15 − 5,296 mA·0,47 kΩ = 12,51 V

الإجابة

VCE = 12,51 V
24.الثنائيات والترانزستورات

الإجابة: Rmax = 480 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 = 25 + 5 = 30 mA

أكبر مقاومة

Rmax = 14,4/0,03 = 480 Ω

الإجابة

Rmax = 480 Ω
25.أنظمة العد

الإجابة: U = 196

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

60 = 0011 1100
مقلوب: 1100 0011
+1 → 1100 0100

اقرأه بلا إشارة

1100 0100₂ = 256 − 60 = 196

الإجابة

U = 196
26.أنظمة العد

الإجابة: R = 86

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

الإزاحة إلى اليسار بمقدار 1 تنقل كل بت 1 مواضع إلى اليسار؛ وتُفقد البتات التي تسقط من الطرف الأيسر وتدخل أصفار من اليمين.

0010 1011 << 1
= 0101 0110

قيمة الناتج

0101 0110₂ = 86

الإجابة

R = 86
27.المنطق الرقمي: البوابات وخرائط كارنو والقلّابات

الإجابة: AB = 00, CD = 01

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.

جيران كل 1

يمكن لـ 1 له جار 1 أن ينضم إلى مجموعة من اثنين أو أكثر.

m1: m0, m3, m5, m9 → 0
ABCD000111100001111011111

الـ 1 المعزول

m1 = A′B′C′D → AB = 00, CD = 01

الإجابة

AB = 00, CD = 01
28.المنطق الرقمي: البوابات وخرائط كارنو والقلّابات

الإجابة: fmax = 11,11 MHz

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.

أسوأ زمن استقرار

T = 6·15 ns = 90 ns

أقصى تردد

fmax = 1/90 ns = 11,11 MHz

الإجابة

fmax = 11,11 MHz
29.تحويلات لابلاس

الإجابة: f(0.4) = 0,4338

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).

الكسور الجزئية

F(s) = A/s + B/(s + 1) + C/(s + 4)
A = 10/(1·4) = 2,5
B = 10/((−1)·3) = −3,333
C = 10/((−4)·(−3)) = 0,8333

التحويل العكسي

f(t) = 2,5 − 3,333·e−t + 0,8333·e−4t

احسب

f(0,4) = 2,5 − 3,333·e−0,4 + 0,8333·e−4·0,4 = 0,4338

الإجابة

f(0,4) = 0,4338
30.تحويلات لابلاس

الإجابة: y(0.2) = 4,839

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

s²Y − 5s − 15 + 10(sY − 5) + 24Y = 0
Y(s) = (5s + 65)/((s + 4)(s + 6))

الكسور الجزئية

A = 45/2 = 22,5
B = 35/(−2) = −17,5

النتيجة

y(t) = 22,5·e−4t − 17,5·e−6t
y(0,2) = 4,839

الإجابة

y(0,2) = 4,839

تحقّق: y(0) = A + B = 5.

31.المخططات الصندوقية

الإجابة: ess = 0,1081

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).

ثابت خطأ الموضع

Kₚ = G(0) = 11·6/(1·8) = 8,25

خطأ الحالة المستقرة

ess = A/(1 + Kₚ) = 1/(1 + 8,25) = 0,1081

الإجابة

ess = 0,1081
32.المخططات الصندوقية

الإجابة: K = 13,5

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)) = 0,5·6/(9 + 6K)

حلّ لإيجاد K

9 + 6K = 0,5·6/0,03333 = 90
K = (90 − 9)/6 = 13,5

الإجابة

K = 13,5
33.الاستجابة الخطوية

الإجابة: tp = 0,7025 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 = 21 → ωₙ = 4,583 rad/s
2ζωₙ = 2 → ζ = 2/(2·4,583) = 0,2182

النتيجة

ωd = 4,583·√(1 − 0,2182²) = 4,472 rad/s → tp = π/ωd = 0,7025 s

الإجابة

tp = 0,7025 s
34.الاستجابة الخطوية

الإجابة: ωn = 2236 rad/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).

التردد الطبيعي ونسبة التخميد

ωₙ = 1/√(LC) = 1/√(0,02·1 × 10⁻⁵) = 2236 rad/s
ζ = (R/2)·√(C/L) = (45/2)·√(1 × 10⁻⁵/0,02) = 0,5031

النتيجة

ωₙ = 2236 rad/s

الإجابة

ωn = 2236 rad/s
35.مخططات بودي والهوامش

الإجابة: φ = −26,32 °

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 = R/L = 470/0,01 = 47000 rad/s
fc = 7480 Hz → f/fc = 3700/7480 = 0,4946

الطور

φ = − atan(0,4946) = −26,32°

الإجابة

φ = −26,32°
36.مخططات بودي والهوامش

الإجابة: PM = 43,88 °

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 + 100ω² − 22500 = 0
ω² = (−100 + √(10000 + 4·22500))/2 = 108,1
ωc = 10,4 rad/s

هامش الطور

∠L(jωc) = −90° − atan(10,4/10) = −136,1°
PM = 180° + ∠L = 43,88°

الإجابة

PM = 43,88°
37.الاستقرار: راوث–هرفيتز والمحل الهندسي للجذور

الإجابة: N = 1

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

s³ + 6s² + 8s − 10 = 0

جدول روث

s³: 1, 8
s²: 6, −10
s¹: 9,667
s⁰: −10

تغيّرات الإشارة في العمود الأول

1 → 6 → 9,667 → −10
N = 1

الإجابة

N = 1

التغذية العكسية الموجبة تجعل المعامل الثابت سالبًا: فينتقل قطب حقيقي واحد دائمًا إلى النصف الأيمن من المستوى.

38.الاستقرار: راوث–هرفيتز والمحل الهندسي للجذور

الإجابة: θd = −26,57 °

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.

مواضع الأقطاب

s² + 4s + 8 = 0 → s = −2 ± j2
s = −1

الزوايا من الأقطاب الأخرى

∠(−2 + j2 + 1) = atan2(2, -1) = 116,6°
∠(−2 + j2 − (−2 − j2)) = ∠(j4) = 90°

زاوية المغادرة

θd = 180° − 116,6° − 90° = −26,57°

الإجابة

θd = −26,57°
39.خطأ الحالة المستقرة والتحكم PID

الإجابة: ess = 8

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 التسارع

Ka = 5·1/4 = 1,25

خطأ القطع المكافئ

ess = 10/1,25 = 8

الإجابة

ess = 8
40.خطأ الحالة المستقرة والتحكم PID

الإجابة: Kd = 4,56 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 + 1) + 2(20 + Kds) = s² + (1 + 2Kd)s + 40

التردد الطبيعي

ωₙ = √40 = 6,325 rad/s

كسب المشتقة

1 + 2Kd = 2·0,8·6,325 = 10,12
Kd = 4,56 s

الإجابة

Kd = 4,56 s

الحد التفاضلي يضيف تخميدًا دون تغيير ωₙ.

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