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 ΩIR1​R3​ = 10 Ω+−V1​30 VR2​8 ΩAR4​3 ΩB

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

V1 = 30 VR1 = 15 ΩR2 = 8 ΩR3 = 10 ΩR4 = 3 Ω
IR1 = A
2.المقاومات على التوالي والتوازيصعبة
R1​ = 20 ΩIR1​R3​ = 15 ΩR5​ = 5 Ω+−V1​12 VR2​8 ΩAR4​30 ΩBR6​3 Ω

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

V1 = 12 VR1 = 20 ΩR2 = 8 ΩR3 = 15 ΩR4 = 30 ΩR5 = 5 ΩR6 = 3 Ω
IR1 = A
3.تحليل العقدمتوسطة
R1​ = 5 ΩIR1​R3​ = 6 Ω+−V1​30 VR2​8 ΩAR4​15 ΩBIs​2,5 A

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

V1 = 30 VIs = 2,5 AR1 = 5 ΩR2 = 8 ΩR3 = 6 ΩR4 = 15 Ω
IR1 = A
4.تحليل العقدصعبة
R1​ = 25 ΩR2​ = 4 ΩR4​ = 6 Ω+−V1​18 VR3​15 ΩAR5​6 ΩBIs​4 A+−V2​10 V

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

V1 = 18 VIs = 4 AV2 = 10 VR1 = 25 ΩR2 = 4 ΩR3 = 15 ΩR4 = 6 ΩR5 = 6 Ω
VA = V
5.تحليل الحلقاتمتوسطة
R1​ = 8 ΩR2​ = 12 Ω+−V1​15 VR3​8 ΩA+−V2​30 VI1​I2​

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

V1 = 15 VV2 = 30 VR1 = 8 ΩR2 = 12 ΩR3 = 8 Ω
I2 = A
6.تحليل الحلقاتصعبة
R1​ = 4 ΩR2​ = 8 ΩR3​ = 30 Ω+−V1​9 VR4​10 ΩAR5​12 ΩB+−V2​15 VI1​I2​I3​

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

V1 = 9 VV2 = 15 VR1 = 4 ΩR2 = 8 ΩR3 = 30 ΩR4 = 10 ΩR5 = 12 Ω
I2 = A
7.التراكبمتوسطة
R1​ = 3 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​10 VR2​12 ΩAR4​15 ΩIR4​BIs​1,5 A

استخدم مبدأ التراكب لإيجاد القدرة PR4 التي يمتصها R4.

V1 = 10 VIs = 1,5 AR1 = 3 ΩR2 = 12 ΩR3 = 20 ΩR4 = 15 Ω
PR4 = W
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 = −8 mA. مع مضاعفة V1 وبقاء الآخرَين دون تغيير، I = 3,5 mA. مع عكس اتجاه Is وبقاء الآخرَين دون تغيير، I = 7 mA. أوجد تيار الحِمل I عند إطفاء V2 مع بقاء V1 و Is بقيمهما العادية.

عادي: I = −8 mA2·V1: I = 3,5 mA−Is: I = 7 mA
I = mA
9.ثيفنن ونورتنمتوسطة
R1​ = 6 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​24 VR2​12 ΩAab

أوجد مقاومة ثيفنن Rth المرئية من الطرفين a–b.

V1 = 24 VR1 = 6 ΩR2 = 12 ΩR3 = 15 Ω
Rth = Ω
10.ثيفنن ونورتنصعبة
R1​ = 3 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​6 VR2​25 ΩAIs​4 ABab

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

V1 = 6 VIs = 4 AR1 = 3 ΩR2 = 25 ΩR3 = 15 Ω
IN = A
11.الحالات العابرة RC و RLمتوسطة
+−Vs​20 Vt = 0R = 15 ΩL68 mHi(t)

لا يمرّ تيار في الملف قبل أن يُغلق المفتاح عند t = 0. بعد كم من الوقت من إغلاق المفتاح يبلغ التيار 99% من قيمته النهائية؟ أوجد t.

Vs = 20 VR = 15 ΩL = 68 mH
t = ms
12.الحالات العابرة RC و RLصعبة
+−Vs​9 Vيُفتح عند t = 0R1​ = 10 kΩR2​ = 4,7 kΩC33 µF+−vC​

المفتاح مغلق منذ وقت طويل، لذا الدائرة في حالة مستقرة. عند t = 0 يُفتح المفتاح. أوجد جهد المكثّف vC عند t = 40 ms.

Vs = 9 VR1 = 10 kΩR2 = 4,7 kΩC = 33 µFt = 40 ms
vC = V
13.معاوقة التيار المتردد والطورياتمتوسطة
Vf0​ = 60 HzRL = 5 mHC = ?

دائرة RLC على التوالي مع L = 5 mH يجب أن ترنّ عند 60 Hz. أوجد السعة C المطلوبة.

f0 = 60 HzL = 5 mH
C = µF
14.معاوقة التيار المتردد والطورياتصعبة
12 Vf0​R = 20 ΩL = 50 mHC = 0,22 µF

دائرة RLC على التوالي يغذّيها مصدر 12 V (فعّال) ضُبط تردّده على تردّد رنين الدائرة. أوجد الجهد الفعّال VL على الملف.

V = 12 V (rms)R = 20 ΩL = 50 mHC = 0,22 µF
VL = V
15.قدرة التيار المتردد ومعامل القدرةمتوسطة
P = 2 kWQ = ?Sφ

يستهلك محرّك أحادي الطور 2 kW بمعامل قدرة 0,65 متأخّر من مصدر 400 V. أوجد القدرة غير الفعّالة Q التي يسحبها.

P = 2 kWpf = 0,65V = 400 V
Q = kvar
16.قدرة التيار المتردد ومعامل القدرةصعبة
P = 45 kWQ1​S1​φ1​QC​

يستهلك حِمل أحادي الطور 45 kW بمعامل قدرة 0,65 متأخّر من مصدر 240 V، 60 Hz. يرفع مكثّف موصول على التوازي معامل القدرة إلى 0,92. أوجد القدرة غير الفعّالة QC التي يجب أن يزوّدها المكثّف.

P = 45 kWpf1 = 0,65pf2 = 0,92V = 240 Vf = 60 Hz
QC = kvar
17.القدرة ثلاثية الطورمتوسطة
ABCVL​ = 400 VIL​ = ?M75 kW, η = 93%cos φ = 0,86

محرّك حثّي ثلاثي الطور يعطي قدرة خرج ميكانيكية مقدارها 75 kW عند الحمل الكامل. عند هذا الحمل تكون كفاءته 93% ومعامل قدرته 0,86 متأخرًا. جهد خط المصدر 400 V. أوجد تيار الخط IL.

Pout = 75 kWη = 93%cos φ = 0,86VL = 400 V
IL = A
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 480 V (جهد خط) و 50 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 نجمة (Y). أوجد السعة Cph لكل مكثّف بالـ µF.

P = 120 kWpf1 = 0,78pf2 = 0,9VL = 480 Vf = 50 Hz
Cph = µF
19.المحوّلاتمتوسطة
50 Ω21

وُصلت مقاومة 50 Ω على طرفي الملف الثانوي لمحوّل مثالي نسبة لفّاته N₁:N₂ = 2:1. أوجد المقاومة R1′ المرئية عند النظر إلى الملف الابتدائي.

N1:N2 = 2:1RL = 50 Ω
R1′ = Ω
20.المحوّلاتصعبة
pf 0,9250 kVA, 25% الحمل

محوّل أحادي الطور 250 kVA مفقودات قلبه 1000 W ومفقودات نحاسه 1500 W عند الحمل المقنَّن. يغذّي 25% من قدرته المقنَّنة بالـ kVA عند معامل قدرة 0,9 متأخر. أوجد المفقودات الكلية Ploss بالواط عند هذا الحمل.

S = 250 kVAPcore = 1000 WPcu,fl = 1500 Wx = 0,25pf = 0,9
Ploss = W
21.دوائر مكبّرات العملياتمتوسطة
−+Vout​Rf​ = 100 kΩR1​ = 10 kΩVin​ = −1,1 V

مكبّر العمليات مثالي ويعمل بمصدرين ±15 V. أوجد جهد الخرج Vout.

Vin = −1,1 VR1 = 10 kΩRf = 100 kΩ
Vout = V
22.دوائر مكبّرات العملياتصعبة
−+Vout​Rf​ = 1 kΩV1​ = −0,8 VR1​ = 1 kΩV2​ = 0,5 VR2​ = 22 kΩ

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

V1 = −0,8 VV2 = 0,5 VR1 = 1 kΩR2 = 22 kΩRf = 1 kΩ
Vout = V
23.الثنائيات والترانزستوراتمتوسطة
RC​ = 5,6 kΩβ = 120RE​ = 1 kΩVCC​ = 20 VR1​ = 68 kΩR2​ = 6,8 kΩ

ترانزستور NPN بـ β = 120 منحاز بمقسّم جهد من VCC = 20 V: R₁ = 68 kΩ من VCC إلى القاعدة و R₂ = 6,8 kΩ من القاعدة إلى الأرضي. مقاومة المجمِّع RC = 5,6 kΩ ومقاومة الباعث RE = 1 kΩ. خذ VBE = 0,7 V واستخدم مكافئ ثيفنن للمقسّم (لا تُهمل تيار القاعدة). أوجد جهد المجمِّع–الباعث VCE.

VCC = 20 VR1 = 68 kΩR2 = 6,8 kΩRC = 5,6 kΩRE = 1 kΩβ = 120
VCE = V
24.الثنائيات والترانزستوراتصعبة
RC​ = 100 Ωβ = 150IC​ = ?VCC​ = 12 V3,3 VRB​ = 10 kΩ

ترانزستور NPN بـ β = 150 يتحكّم بمقاومة حمل 100 Ω موصولة بين VCC = 12 V ومجمِّعه. الباعث موصول بالأرضي. تُغذّى القاعدة من خرج منطقي 3,3 V عبر مقاومة قاعدة RB = 10 kΩ. خذ VBE = 0,7 V و VCE(sat) = 0,2 V. أوجد تيار المجمِّع IC بالـ mA عندما يكون الدخل مرتفعًا. حدّد أولًا ما إذا كان الترانزستور مشبّعًا.

VCC = 12 VRC = 100 Ωβ = 150Vin = 3,3 VVBE = 0,7 VVCE(sat) = 0,2 VRB = 10 kΩ
IC = mA
25.أنظمة العدمتوسطة
المتمم الثنائي ذو 8 بتات0−12806403201608040201

اضبط البتات بحيث تخزن −10 في المتمم الثنائي بـ 8 بتات. إذا قُرئ كعدد بدون إشارة، فما قيمة النمط U؟

N = −108 bit
U =
26.أنظمة العدصعبة
انقر على البتات لضبطها012806403201608040201

اضبط البتات على الناتج بـ 8 بتات لـ 1010 0111 AND 0011 0100. ما قيمة الناتج R بالعشري؟

1010 0111AND0011 0100
R =
27.المنطق الرقمي: البوابات وخرائط كارنو والقلّاباتمتوسطة
ABC00011110010001031214051706

استخدم خريطة كارنو لإيجاد الصيغة الدنيا لجداء المجاميع (POS) للدالة F(A, B, C) = Σm(2, 4, 7). كم حد مجموع (عاملًا) N فيها؟

F(A, B, C) = Σm(2, 4, 7)
N =
28.المنطق الرقمي: البوابات وخرائط كارنو والقلّاباتصعبة
CLKD123456

قلّاب D يُحفَّز بالحافة الموجبة يبدأ بـ Q = 0 ويتلقى المداخل المعروضة عند 6 حافة ساعة صاعدة. كم مرة N يغيّر Q حالته؟

Q₀ = 0D
N =
29.تحويلات لابلاسمتوسطة
t (s)f(t)t = 0,3f(0,3) = ?

أوجد f(t) للدالة F(s) = 35/(s(s + 3)(s + 5)) بالكسور الجزئية، واحسب f(0,3).

F(s) = 35/(s(s + 3)(s + 5))t = 0,3 s
f(0.3) =
30.تحويلات لابلاسصعبة
t (s)y(t)t = 0,1y(0,1) = ?

يخضع نظام للمعادلة y″ + 9y′ + 20y = 40·u(t)، مع y(0) = 5 و y′(0) = 0. عند t = 0 يُطبَّق دخل خطوة u(t) = 5. استخدم تحويل لابلاس لإيجاد y(0,1).

y″ + 9y′ + 20y = 40·u(t)y(0) = 5y′(0) = 0u(t) = 5t = 0,1 s
y(0.1) =
31.المخططات الصندوقيةمتوسطة
R(s)+14s(s + 10)G(s)C(s)−

حلقة تغذية راجعة سالبة أحادية لها G(s) = 14/(s(s + 10)). المرجع منحدر r(t) = 10·t. أوجد خطأ الحالة المستقرة ess.

G(s) = 14/(s(s + 10))r(t) = 10·t
ess =
32.المخططات الصندوقيةصعبة
R(s)+Kالمتحكّم+D(s)+2s + 2النظام المُتحكَّم فيهC(s)−

متحكّم تناسبي K يقود النظام G(s) = 2/(s + 2) في حلقة تغذية راجعة سالبة أحادية. تدخل خطوة اضطراب مقدارها 10 عند دخل النظام بينما R = 0. أوجد أصغر كسب K يُبقي خرج الحالة المستقرة عند 1 أو دونه.

G(s) = 2/(s + 2)D = 10css ≤ 1
K =
33.الاستجابة الخطويةمتوسطة
t (s)y(t)1

لنظام دالة النقل G(s) = 69/(s² + 9s + 69) ويتلقى دخلًا خطويًا وحدويًا. أوجد نسبة التخميد ζ.

G(s) = 69/(s² + 9s + 69)
ζ =
34.الاستجابة الخطويةصعبة
R(s)+235s(s + 20)G(s)C(s)−

لحلقة تغذية عكسية سالبة وحدوية G(s) = 235/(s(s + 20)). أوجد زمن الاستقرار ts عند 2 % للاستجابة الخطوية للحلقة المغلقة باستخدام ts ≈ 4/(ζωₙ).

G(s) = 235/(s(s + 20))
ts = s
35.مخططات بودي والهوامشمتوسطة
|H| (dB)0,10,111101010010010001000−40−200204060ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−135−90−450ω = 1

أوجد الطور ∠G(jω) لـ G(s) = 16(s + 16)/(s(s + 5)) عند ω = 1 rad/s، بالدرجات.

G(s) = 16(s + 16)/(s(s + 5))ω = 1 rad/s
∠G(jω) = °
36.مخططات بودي والهوامشصعبة
|H| (dB)0,10,1111010100100−80−60−40−2002040ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−270−180−900ω180​ = ?

حلقة تغذية عكسية وحدوية دالة نقلها المفتوحة L(s) = 10/(s(s + 1)(s + 5)). أوجد تردد تقاطع الطور ω180، حيث ∠L(jω) = −180°.

L(s) = 10/(s(s + 1)(s + 5))
ω180 = rad/s
37.الاستقرار: راوث–هرفيتز والمحل الهندسي للجذورمتوسطة
R(s)+Ks + 6s(s + 2)(s + 3)C(s)−

لحلقة تغذية عكسية وحدوية L(s) = K(s + 6)/(s(s + 2)(s + 3)) مع K > 0. أوجد أكبر كسب Kmax تكون الحلقة المغلقة عنده مستقرة.

L(s) = K(s + 6)/(s(s + 2)(s + 3))
Kmax =
38.الاستقرار: راوث–هرفيتز والمحل الهندسي للجذورصعبة
ReIm−5j5

رُسم المحل الهندسي للجذور لـ L(s) = K/((s + 2)(s + 4)(s + 6)). أوجد التردد ω الذي يقطع عنده المحل الهندسي المحور التخيلي.

L(s) = K/((s + 2)(s + 4)(s + 6))
ω = rad/s
39.خطأ الحالة المستقرة والتحكم PIDمتوسطة
r(t) = 2t+Ks(s + 10)C(s)−

يجب أن تتبع حلقة تغذية عكسية وحدوية فيها G(s) = K/(s(s + 10)) المنحدر r(t) = 2t بخطأ حالة مستقرة قدره 0,1. أوجد الكسب K.

G(s) = K/(s(s + 10))r(t) = 2tess = 0,1
K =
40.خطأ الحالة المستقرة والتحكم PIDصعبة
R(s)+K2s(s + 8)C(s)−

يتحكم متحكم تناسبي K في المحطة G(s) = 2/(s(s + 8)) ضمن حلقة تغذية عكسية وحدوية. أوجد الكسب K الذي يعطي الحلقة المغلقة نسبة تخميد ζ = 0,4.

G(s) = 2/(s(s + 8))ζ = 0,4
K =

3المحاليل

1.المقاومات على التوالي والتوازي

الإجابة: IR1 = 1,504 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​ = 15 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​30 VR2​8 ΩAR4​3 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 = 10 + 3 = 13 Ω
R2 ∥ 13 = 8·13/(8+13) = 4,952 Ω
Req = R1 + 4,952 = 15 + 4,952 = 19,95 Ω

التيار من المصدر

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

IR1 = V1/Req = 30/19,95 = 1,504 A

الإجابة

IR1 = 1,504 A
2.المقاومات على التوالي والتوازي

الإجابة: IR1 = 0,4648 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​ = 20 ΩR3​ = 15 ΩR5​ = 5 Ω+−V1​12 VR2​8 ΩAR4​30 ΩBR6​3 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 = 5 + 3 = 8 Ω
R4 ∥ 8 = 6,316 Ω
R3 + 6,316 = 21,32 Ω
R2 ∥ 21,32 = 5,817 Ω
Req = R1 + 5,817 = 20 + 5,817 = 25,82 Ω

التيار من المصدر

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

IR1 = V1/Req = 12/25,82 = 0,4648 A

الإجابة

IR1 = 0,4648 A
3.تحليل العقد

الإجابة: IR1 = 1,821 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.

R1​ = 5 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​30 VR2​8 ΩAR4​15 ΩBIs​2,5 A

حدّد العقد

الأرضي هو السلك السفلي. جهود العقد المعروفة تأتي مباشرة من المصادر (V1 = 30 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/8 + (VA − 30)/5 + (VA − VB)/6 = 0
0,4917·VA − 0,1667·VB = 6

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/15 + (VB − VA)/6 = 2,5
−0,1667·VA + 0,2333·VB = 2,5

الحل

Δ = (0,4917)(0,2333) − (−0,1667)(−0,1667) = 0,08694
VA = Δ1/Δ = 1,817/0,08694 = 20,89 V
VB = Δ2/Δ = 2,229/0,08694 = 25,64 V

الإجابة

IR1 = (V1 − VA)/R1 = (30 − 20,89)/5 = 1,821 A
4.تحليل العقد

الإجابة: VA = 12,62 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​ = 25 ΩR2​ = 4 ΩR4​ = 6 Ω+−V1​18 VR3​15 ΩAR5​6 ΩBIs​4 A+−V2​10 V

حدّد العقد

الأرضي هو السلك السفلي. جهود العقد المعروفة تأتي مباشرة من المصادر (V1 = 18 V, V2 = 10 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/15 + (VA − 18)/25 + (VA − VB)/4 = 0
0,3567·VA − 0,25·VB = 0,72

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/6 + (VB − VA)/4 + (VB − 10)/6 = 4
−0,25·VA + 0,5833·VB = 5,667

الحل

Δ = (0,3567)(0,5833) − (−0,25)(−0,25) = 0,1456
VA = Δ1/Δ = 1,837/0,1456 = 12,62 V
VB = Δ2/Δ = 2,201/0,1456 = 15,12 V

الإجابة

VA = 12,62 V
5.تحليل الحلقات

الإجابة: I2 = −1,406 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​ = 8 ΩR2​ = 12 Ω+−V1​15 VR3​8 ΩA+−V2​30 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
8·I1 + 8(I1 − I2) = 15
16·I1 − 8·I2 = 15

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 + 8(I2 − I1) = (−30)
−8·I1 + 20·I2 = −30

الحل

Δ = (16)(20) − (−8)(−8) = 256
I1 = Δ1/Δ = 60/256 = 0,2344 A
I2 = Δ2/Δ = −360/256 = −1,406 A

الإجابة

I2 = −1,406 A

تيار الحلقة السالب يسري عكس عقارب الساعة.

6.تحليل الحلقات

الإجابة: I2 = 0,1103 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​ = 4 ΩR2​ = 8 ΩR3​ = 30 Ω+−V1​9 VR4​10 ΩAR5​12 ΩB+−V2​15 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
4·I1 + 10(I1 − I2) = 9
14·I1 − 10·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
8·I2 + 10(I2 − I1) + 12(I2 − I3) = 0
−10·I1 + 30·I2 − 12·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
30·I3 + 12(I3 − I2) = (−15)
−12·I2 + 42·I3 = −15

الحل

Δ = محدد مصفوفة المعاملات = 11424
I1 = Δ1/Δ = 8244/11424 = 0,7216 A
I2 = Δ2/Δ = 1260/11424 = 0,1103 A
I3 = Δ3/Δ = −3720/11424 = −0,3256 A

الإجابة

I2 = 0,1103 A

تيار الحلقة السالب يسري عكس عقارب الساعة.

7.التراكب

الإجابة: PR4 = 18,56 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​ = 3 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​10 VR2​12 ΩAR4​15 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+15 = 35 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 12·35/(12+35) = 8,936 Ω
VA = 10·8,936/(3+8,936) = 7,487 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 7,487·15/35 = 3,209 V
IR4′ = (VB − 0)/R4 = (3,209 − 0)/15 = 0,2139 A
R1​ = 3 ΩR3​ = 20 ΩقصرR2​12 ΩAR4​15 ΩBIs​1,5 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 = 3·12/(3+12) = 2,4 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 15 ∥ 22,4 = 8,984 Ω
VB = Is·Req = 1,5·8,984 = 13,48 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 13,48·2,4/22,4 = 1,444 V
IR4″ = (VB − 0)/R4 = (13,48 − 0)/15 = 0,8984 A

اجمع إسهامات التيار

IR4 = IR4′ + IR4″ = 0,2139 + 0,8984 = 1,112 A

القدرة في المقاومة

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

PR4 = IR4²·R4 = 1,112²·15 = 18,56 W

الإجابة

PR4 = 18,56 W

جمع قدرات الحالات المنفصلة يعطي 12,79 W، وهذا خطأ.

8.التراكب

الإجابة: I = 4 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 = −8
2·I₁ + I₂ + I₃ = 3,5
I₁ + I₂ − I₃ = 7

حلّ لإيجاد الإسهامات

I₁ = 3,5 − (−8) = 11,5 mA
I₃ = (−8 − 7)/2 = −7,5 mA
I₂ = −8 − 11,5 − (−7,5) = −12 mA

أطفئ V₂

I = I₁ + I₃ = 11,5 + (−7,5) = 4 mA

الإجابة

I = 4 mA
9.ثيفنن ونورتن

الإجابة: Rth = 19 Ω

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​ = 6 ΩR3​ = 15 ΩقصرR2​12 ΩAabRth​

أوجد Rth مع إطفاء كل المصادر

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

R1 ∥ R2 = 6·12/(6+12) = 4 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 4 + 15 = 19 Ω
10.ثيفنن ونورتن

الإجابة: IN = 4,303 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​ = 3 ΩR3​ = 15 ΩقصرR2​25 ΩAمفتوحBabRth​

أوجد Rth مع إطفاء كل المصادر

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

R1 ∥ R2 = 3·25/(3+25) = 2,679 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,679 + 15 = 17,68 Ω
R1​ = 3 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​6 VR2​25 ΩAIs​4 ABab+−Vth​

أوجد Vth، جهد الدائرة المفتوحة

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

VA = V1·R2/(R1+R2) + Is·(R1∥R2) = 5,357 + 4·2,679 = 16,07 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 16,07 + 4·15 = 76,07 V
IN​4,303 ARth​17,68 Ωab

مكافئ نورتن

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

IN = Vth/Rth = 76,07/17,68 = 4,303 A
11.الحالات العابرة RC و RL

الإجابة: t = 20,88 ms

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

الثابت الزمني والتيار النهائي

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

τ = L/R = 68 mH / 15 Ω = 4,533 ms
i(∞) = Vs/R = 20/15 = 1,333 A

حلّ لإيجاد الزمن

0,99 = 1 − e−t/τ → t = −τ·ln(1 − 0,99)
t = −4,533·ln(0,01) = 20,88 ms

الإجابة

t = 20,88 ms
12.الحالات العابرة RC و RL

الإجابة: vC = 2,223 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.

جهد المكثّف الابتدائي

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

vC(0) = 9·4,7/(10 + 4,7) = 2,878 V

الثابت الزمني بعد فتح المفتاح

τ = R2·C = 4,7·33 = 155,1 ms

التفريغ

vC(t) = 2,878·e−40/155,1 = 2,223 V

الإجابة

vC = 2,223 V
13.معاوقة التيار المتردد والطوريات

الإجابة: C = 1407 µF

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·60 = 377 rad/s
C = 1/(ω₀²·L) = 1/(377²·0,005) = 1407 µF

الإجابة

C = 1407 µF
14.معاوقة التيار المتردد والطوريات

الإجابة: VL = 286 V

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

الرنين

عند الرنين تُلغى المفاعلتان، لذا المعاوقة هي R فقط.

ω₀ = 1/√(LC) = 1/√(0,05·0,22·10⁻⁶) = 9535 rad/s
I = V/R = 12/20 = 0,6 A

الجهد على الملف

XL = ω₀L = 9535·0,05 = 476,7 Ω
VL = I·XL = 0,6·476,7 = 286 V

الإجابة

VL = 286 V

هذا Q = 23,84 مرة جهد المصدر.

15.قدرة التيار المتردد ومعامل القدرة

الإجابة: Q = 2,338 kvar

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

الزاوية

φ = arccos(0,65) = 49,46°, tan φ = 1,169

القدرة غير الفعّالة

Q = P·tan φ = 2·1,169 = 2,338 kvar

الإجابة

Q = 2,338 kvar
16.قدرة التيار المتردد ومعامل القدرة

الإجابة: QC = 33,44 kvar

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

القدرة غير الفعّالة قبل وبعد

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

Q1 = P·tan φ1 = 45·tan(49,46°) = 52,61 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 45·tan(23,07°) = 19,17 kvar
QC = Q1 − Q2 = 33,44 kvar

الإجابة

QC = 33,44 kvar
17.القدرة ثلاثية الطور

الإجابة: IL = 135,4 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 = 75/0,93 = 80,65 kW

تيار الخط

IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 80645/(√3·400·0,86) = 135,4 A

الإجابة

IL = 135,4 A
18.القدرة ثلاثية الطور

الإجابة: Cph = 527,1 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 0,78) = 120·0,8023 = 96,27 kvar
Q2 = 120·tan(acos 0,9) = 120·0,4843 = 58,12 kvar

القدرة غير الفعّالة من المكثّفات

QC = Q1 − Q2 = 38,16 kvar

السعة لكل طور

في مجموعة Y يوصل كل مكثّف بين خط ونقطة النجمة.

V = 480/√3 = 277,1 V, ω = 2π·50 = 314,2 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 12718/(314,2·277,1²) = 527,1 µF

الإجابة

Cph = 527,1 µF
19.المحوّلات

الإجابة: R1′ = 200 Ω

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.

المقاومة المحوَّلة

يرتفع الجهد بـ a وينخفض التيار بـ a، لذا ترتفع النسبة V/I بـ a².

R1′ = a²·RL = 2²·50 = 200 Ω

الإجابة

R1′ = 200 Ω
20.المحوّلات

الإجابة: Ploss = 1094 W

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 عند هذا الحمل

Pcu = x²·Pcu,fl = 0,0625·1500 = 93,75 W

المفقودات الكلية

مفقودات القلب هي نفسها عند أي حمل.

Ploss = 1000 + 93,75 = 1094 W

الإجابة

Ploss = 1094 W

الكفاءة عند هذا الحمل η = 98,09%.

21.دوائر مكبّرات العمليات

الإجابة: Vout = −12,1 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.

الدخل العاكس يتبع الدخل

V₋ = V₊ = −1,1 V
I = V₋/R1 = −1,1/10 = −0,11 mA

جهد الخرج

التيار عبر R₁ يمرّ أيضًا عبر Rf.

Vout = V₋ + I·Rf = −1,1 + (−0,11)·100 = −12,1 V

الإجابة

Vout = −12,1 V
22.دوائر مكبّرات العمليات

الإجابة: Vout = 0,7773 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 = −0,8/1 = −0,8 mA
I2 = V2/R2 = 0,5/22 = 0,02273 mA
If = I1 + I2 = −0,7773 mA

جهد الخرج

Vout = −Rf·If = −1·(−0,7773) = 0,7773 V

الإجابة

Vout = 0,7773 V
23.الثنائيات والترانزستورات

الإجابة: VCE = 13,03 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.

مكافئ ثيفنن للمقسّم

VTH = 20·6,8/(68 + 6,8) = 1,818 V
RTH = 68·6,8/(68 + 6,8) = 6,182 kΩ

تيار القاعدة

قانون كيرشوف للجهد حول حلقة القاعدة؛ تيار الباعث هو (β + 1)·IB.

IB = (1,818 − 0,7)/(6,182 + 121·1) = 8,792 µA

تيار المجمِّع

IC = 120·8,792 µA = 1,055 mA
IE = 121·8,792 µA = 1,064 mA

جهد المجمِّع–الباعث

VCE = 20 − 1,055·5,6 − 1,064·1 = 13,03 V

الإجابة

VCE = 13,03 V
24.الثنائيات والترانزستورات

الإجابة: IC = 39 mA

BJT كمفتاح: لتشغيل الحمل تشغيلًا كاملًا يُدفع الترانزستور إلى التشبّع، حيث VCE = VCE(sat) ويحدّد الحمل تيار المجمِّع: IC(sat) = (VCC − VCE(sat))/RC. يتطلّب التشبّع IB = IC(sat)/β على الأقل. إذا كان تيار القاعدة أصغر، يبقى الترانزستور في المنطقة الفعّالة و IC = β·IB.

تيار القاعدة

IB = (3,3 − 0,7)/10 kΩ = 260 µA

مشبّع أم فعّال؟

β·IB أصغر من IC(sat)، لذا يبقى الترانزستور في المنطقة الفعّالة.

β·IB = 39 mA
IC(sat) = (12 − 0,2)/100 = 118 mA

تيار المجمِّع

IC = β·IB = 39 mA

الإجابة

IC = 39 mA

الترانزستور في المنطقة الفعّالة، لذا لا يعمل الحمل تشغيلًا كاملًا.

25.أنظمة العد

الإجابة: U = 246

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

10 = 0000 1010
مقلوب: 1111 0101
+1 → 1111 0110

اقرأه بلا إشارة

1111 0110₂ = 256 − 10 = 246

الإجابة

U = 246
26.أنظمة العد

الإجابة: R = 36

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.

1010 0111
AND 0011 0100
= 0010 0100

قيمة الناتج

0010 0100₂ = 36

الإجابة

R = 36
27.المنطق الرقمي: البوابات وخرائط كارنو والقلّابات

الإجابة: N = 4

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.

ABC00011110010001031214051706

جمّع الأصفار

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

(B + C′)
(A + C′)
(A + B)
(A′ + B′ + C)

الصيغة الدنيا POS

F = (B + C′)(A + C′)(A + B)(A′ + B′ + C)
N = 4

الإجابة

N = 4
28.المنطق الرقمي: البوابات وخرائط كارنو والقلّابات

الإجابة: N = 4

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.

Q بعد كل حافة

يَنسخ قلّاب D القيمة D عند كل حافة صاعدة: Q⁺ = D.

1: D = 0 → Q = 0
2: D = 1 → Q = 1
3: D = 0 → Q = 0
4: D = 0 → Q = 0
5: D = 1 → Q = 1
6: D = 0 → Q = 0

عُدّ التغيرات

0 → 0 → 1 → 0 → 0 → 1 → 0
N = 4

الإجابة

N = 4
29.تحويلات لابلاس

الإجابة: f(0.3) = 0,7426

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 + 3) + C/(s + 5)
A = 35/(3·5) = 2,333
B = 35/((−3)·2) = −5,833
C = 35/((−5)·(−2)) = 3,5

التحويل العكسي

f(t) = 2,333 − 5,833·e−3t + 3,5·e−5t

احسب

f(0,3) = 2,333 − 5,833·e−3·0,3 + 3,5·e−5·0,3 = 0,7426

الإجابة

f(0,3) = 0,7426
30.تحويلات لابلاس

الإجابة: y(0.1) = 5,373

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

(s² + 9s + 20)·Y(s) = 5s + 45 + 200/s
Y(s) = (5s² + 45s + 200)/(s(s + 4)(s + 5))

الكسور الجزئية

A = 200/(4·5) = 10
B = 100/((−4)·1) = −25
C = 100/((−5)·(−1)) = 20

النتيجة

y(t) = 10 − 25·e−4t + 20·e−5t
y(0,1) = 5,373

الإجابة

y(0,1) = 5,373

تحقّق: y(0) = A + B + C = 5.

31.المخططات الصندوقية

الإجابة: ess = 7,143

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 السرعة

Kᵥ = lims→0 s·G(s) = 14/10 = 1,4

خطأ الحالة المستقرة

ess = A/Kᵥ = 10/1,4 = 7,143

الإجابة

ess = 7,143
32.المخططات الصندوقية

الإجابة: K = 9

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)) = 10·2/(2 + 2K)

حلّ لإيجاد K

2 + 2K = 10·2/1 = 20
K = (20 − 2)/2 = 9

الإجابة

K = 9
33.الاستجابة الخطوية

الإجابة: ζ = 0,5417

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 = 69 → ωₙ = 8,307 rad/s
2ζωₙ = 9 → ζ = 9/(2·8,307) = 0,5417

النتيجة

ζ = 0,5417

الإجابة

ζ = 0,5417
34.الاستجابة الخطوية

الإجابة: ts = 0,4 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).

دالة تحويل الحلقة المغلقة

T(s) = 235/(s² + 20s + 235): ωₙ = 15,33 rad/s, ζ = 0,6523

زمن الاستقرار

ζωₙ = 20/2 = 10
ts ≈ 4/(ζωₙ) = 0,4 s

الإجابة

ts = 0,4 s

في هذه الحلقة ζωₙ = a/2 مهما كانت K: زيادة K تزيد التجاوز لكنها لا تقصّر زمن الاستقرار.

35.مخططات بودي والهوامش

الإجابة: ∠G(jω) = −97,73 °

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.

اجمع الزوايا

∠G = atan(1/16) − 90° − atan(1/5) = 3,576° − 90° − 11,31°

النتيجة

∠G(j1) = −97,73°

الإجابة

∠G(jω) = −97,73°
36.مخططات بودي والهوامش

الإجابة: ω180 = 2,236 rad/s

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

تقاطع الطور

(ω/1)·(ω/5) = 1 → ω180 = √(1·5) = 2,236 rad/s

الإجابة

ω180 = 2,236 rad/s
37.الاستقرار: راوث–هرفيتز والمحل الهندسي للجذور

الإجابة: Kmax = 30

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 + 2)(s + 3) + K(s + 6) = s³ + 5s² + (6 + K)s + 6K

جدول روث

s³: 1, 6 + K
s²: 5, 6K
s¹: (5·(6 + K) − 6K)/5
s⁰: 6K

الشرط

30 − 1K > 0
K < 30/1 = 30

الإجابة

Kmax = 30

لو وقع الصفر على يمين s = −5 لبقيت الحلقة مستقرة لكل K > 0.

38.الاستقرار: راوث–هرفيتز والمحل الهندسي للجذور

الإجابة: ω = 6,633 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 + 12s² + 44s + 48 + K = 0
s¹: (12·44 − 48 − K)/12 = 0 → K = 480

تردد التقاطع

12s² + 48 + 480 = 12s² + 528 = 0 → s² = −44
ω = √44 = 6,633 rad/s

الإجابة

ω = 6,633 rad/s
39.خطأ الحالة المستقرة والتحكم PID

الإجابة: K = 200

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 السرعة المطلوب

Kv = A/ess = 2/0,1 = 20

الكسب

K = 10·Kv = 200

الإجابة

K = 200

الكسب الكبير يجعل هذه الحلقة قليلة التخميد جدًا: ζ = 0,3536. وهذا التعارض هو سبب استخدام المعوِّضات.

40.خطأ الحالة المستقرة والتحكم PID

الإجابة: K = 50

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 + 8) + 2K = s² + 8s + 2K

التردد الطبيعي

2·0,4·ωₙ = 8 → ωₙ = 10 rad/s

الكسب

2K = ωₙ² = 100 → K = 50

الإجابة

K = 50

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