التدريب لاختبار FE للهندسة الكهربائية والحاسوب: حزمة المراجعة المكثفة

أوراق القوانين، وأهم خطوات الحل لكل موضوع، و40 مسألة تدريبية، مع الحلول الكاملة في الخلف.

مسائل جديدةالعودة إلى المقرّر

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

1القوانين وطرق الحل

المقاومات على التوالي والتوازي

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

الطريقة

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

تحليل العقد

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

الطريقة

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

تحليل الحلقات

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

الطريقة

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

التراكب

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

الطريقة

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

ثيفنن ونورتن

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

الطريقة

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

الحالات العابرة RC و RL

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

الطريقة

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

معاوقة التيار المتردد والطوريات

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

الطريقة

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

قدرة التيار المتردد ومعامل القدرة

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

القدرة ثلاثية الطور

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

المحوّلات

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

دوائر مكبّرات العمليات

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

الثنائيات والترانزستورات

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

أنظمة العد

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

المنطق الرقمي: البوابات وخرائط كارنو والقلّابات

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

الطريقة

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

الاستقرار: راوث–هرفيتز والمحل الهندسي للجذور

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

الطريقة

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

خطأ الحالة المستقرة والتحكم PID

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

الطريقة

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

2مسائل تدريبية

1.المقاومات على التوالي والتوازيمتوسطة
R1​ = 5 ΩIR1​R3​ = 12 Ω+−V1​24 VR2​20 ΩAR4​20 ΩB

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

V1 = 24 VR1 = 5 ΩR2 = 20 ΩR3 = 12 ΩR4 = 20 Ω
IR1 = A
2.المقاومات على التوالي والتوازيصعبة
R1​ = 15 ΩIR1​R3​ = 20 ΩR5​ = 12 Ω+−V1​15 VR2​3 ΩAR4​25 ΩBR6​12 Ω

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

V1 = 15 VR1 = 15 ΩR2 = 3 ΩR3 = 20 ΩR4 = 25 ΩR5 = 12 ΩR6 = 12 Ω
IR1 = A
3.تحليل العقدمتوسطة
R1​ = 15 ΩR3​ = 5 ΩIR3​+−V1​30 VR2​20 ΩAR4​3 ΩBIs​1,5 A

استخدم تحليل العقد لإيجاد التيار IR3 المارّ في R3 باتجاه السهم.

V1 = 30 VIs = 1,5 AR1 = 15 ΩR2 = 20 ΩR3 = 5 ΩR4 = 3 Ω
IR3 = A
4.تحليل العقدصعبة
R1​ = 15 ΩR2​ = 2 ΩR4​ = 12 ΩIR4​+−V1​18 VR3​30 ΩAR5​15 ΩBIs​4 A+−V2​15 V

استخدم تحليل العقد لإيجاد التيار IR4 المارّ في R4 باتجاه السهم.

V1 = 18 VIs = 4 AV2 = 15 VR1 = 15 ΩR2 = 2 ΩR3 = 30 ΩR4 = 12 ΩR5 = 15 Ω
IR4 = A
5.تحليل الحلقاتمتوسطة
R1​ = 3 ΩIR1​R2​ = 4 Ω+−V1​6 VR3​2 ΩA+−V2​30 VI1​I2​

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

V1 = 6 VV2 = 30 VR1 = 3 ΩR2 = 4 ΩR3 = 2 Ω
IR1 = A
6.تحليل الحلقاتصعبة
R1​ = 12 ΩR2​ = 30 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​18 VR4​2 ΩAR5​8 ΩB+−V2​36 VI1​I2​I3​

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

V1 = 18 VV2 = 36 VR1 = 12 ΩR2 = 30 ΩR3 = 20 ΩR4 = 2 ΩR5 = 8 Ω
I2 = A
7.التراكبمتوسطة
دائرة خطيةVs​Is​IRL​

دائرة مقاومات خطية تحتوي على مصدر جهد واحد Vs ومصدر تيار واحد Is. يُقاس التيار I في مقاومة حِمل مرتين: مع Vs = 12 V و Is = 6 mA، يكون I = 8,7 mA؛ ومع Vs = 20 V و Is = 3 mA، يكون I = 12,75 mA. أوجد تيار الحِمل I عندما Vs = 4 V و Is = 10 mA.

12 V, 6 mA → 8,7 mA20 V, 3 mA → 12,75 mAVs = 4 V, Is = 10 mA
I = mA
8.التراكبصعبة
R1​ = 10 ΩR2​ = 30 ΩR4​ = 20 Ω+−V1​9 VR3​30 ΩIR3​AIs​2 AB−+V2​24 V

استخدم مبدأ التراكب لإيجاد التيار IR3 المارّ في R3 باتجاه السهم.

V1 = 9 VIs = 2 AV2 = 24 VR1 = 10 ΩR2 = 30 ΩR3 = 30 ΩR4 = 20 Ω
IR3 = A
9.ثيفنن ونورتنمتوسطة
R1​ = 5 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​18 VR2​10 ΩAab

أوجد مقاومة ثيفنن Rth المرئية من الطرفين a–b.

V1 = 18 VR1 = 5 ΩR2 = 10 ΩR3 = 5 Ω
Rth = Ω
10.ثيفنن ونورتنصعبة
R1​ = 3 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​36 VR2​2 ΩAIs​1,5 ABab

أوجد جهد ثيفنن Vth المرئي من الطرفين a–b.

V1 = 36 VIs = 1,5 AR1 = 3 ΩR2 = 2 ΩR3 = 15 Ω
Vth = V
11.الحالات العابرة RC و RLمتوسطة
R = 15 Ωt = 0L220 mHi(t)

يحمل الملف تيارًا مستقرًا 1,5 A. عند t = 0 يغلق المفتاح الحلقة عبر R ويُزال المصدر، فيتناقص تيار الملف عبر R. أوجد التيار i عند t = 30 ms.

i(0) = 1,5 AR = 15 ΩL = 220 mHt = 30 ms
i = A
12.الحالات العابرة RC و RLصعبة
+−Vs​15 Vt = 0R = 10 kΩC22 µF+−vC​vC​(0) = 5 V

قبل إغلاق المفتاح عند t = 0 مباشرة، يكون جهد المكثّف 5 V بالقطبية الموضّحة. أوجد جهد المكثّف vC عند t = 150 ms.

Vs = 15 VR = 10 kΩC = 22 µFvC(0) = 5 Vt = 150 ms
vC = V
13.معاوقة التيار المتردد والطورياتمتوسطة
10 V50 HzR = 80 ΩL = 20 mHC = 10 µFI

دائرة RLC على التوالي موصولة بمصدر 10 V (فعّال)، 50 Hz. أوجد التيار الفعّال I.

V = 10 V (rms)f = 50 HzR = 80 ΩL = 20 mHC = 10 µF
I = A
14.معاوقة التيار المتردد والطورياتصعبة
100 V500 HzR1​ = 25 ΩR2​ = 100 ΩC = 10 µF

مقاومة R1 موصولة على التوالي مع توصيلة توازي من R2 ومكثّف C، على مصدر 100 V (فعّال)، 500 Hz. أوجد مقدار المعاوقة |Z|.

V = 100 V (rms)f = 500 HzR1 = 25 ΩR2 = 100 ΩC = 10 µF
|Z| = Ω
15.قدرة التيار المتردد ومعامل القدرةمتوسطة
P = 21 kWQSφ

يستهلك محرّك أحادي الطور 21 kW بمعامل قدرة 0,6 متأخّر من مصدر 240 V. أوجد تيار الخط I.

P = 21 kWpf = 0,6V = 240 V
I = A
16.قدرة التيار المتردد ومعامل القدرةصعبة
24 V50 HzRs​ = 5 ΩXs​ = j3 ΩZL​ = ?

مصدر 24 V (فعّال)، 50 Hz له معاوقة داخلية Zs = 5 + j3 Ω. يمكن اختيار معاوقة الحِمل ZL بحرية. أوجد أقصى قدرة فعلية Pmax يمكن نقلها إلى الحِمل.

Vs = 24 V (rms)f = 50 HzZs = 5 + j3 Ω
Pmax = W
17.القدرة ثلاثية الطورمتوسطة
ABCVL​ = 415 VNZ = 9 + j12 Ωلكل طور

حمل متوازن موصول Y ممانعته 9 + j12 Ω لكل طور موصول بمصدر ثلاثي الطور متوازن جهد خطه 415 V. أوجد القدرة الفعّالة الكلية P التي يمتصّها الحمل بالـ kW.

VL = 415 VZ = 9 + j12 Ω لكل طور
P = kW
18.القدرة ثلاثية الطورصعبة
P = 80 kWφ1​S1​Q2​QC​

حمل ثلاثي الطور متوازن يأخذ 80 kW عند معامل قدرة 0,8 متأخر من مصدر 400 V (جهد خط) و 60 Hz. يجب أن ترفع مجموعة مكثّفات ثلاثية الطور موصولة على التوازي مع الحمل معامل القدرة الكلي إلى 0,95 متأخر. تبقى القدرة الفعّالة كما هي. المكثّفات موصولة دلتا (Δ). أوجد السعة Cph لكل مكثّف بالـ µF.

P = 80 kWpf1 = 0,8pf2 = 0,95VL = 400 Vf = 60 Hz
Cph = µF
19.المحوّلاتمتوسطة
10000 V400 VIHV​ = ?ILV​25 kVA

محوّل أحادي الطور 25 kVA و 10000/400 V يعمل عند حمله المقنَّن. اعتبره مثاليًا. أوجد التيار IHV في ملف الجهد العالي.

S = 25 kVAV1 = 10000 VV2 = 400 V
IHV = A
20.المحوّلاتصعبة
pf 0,8100 kVA, η = 98,5%

محوّل أحادي الطور 100 kVA مفقودات قلبه 600 W. عند الحمل المقنَّن ومعامل قدرة 0,8 متأخر تكون كفاءته 98,5%. أوجد مفقودات النحاس عند الحمل الكامل Pcu,fl بالواط.

S = 100 kVAPcore = 600 Wpf = 0,8η = 98,5%
Pcu,fl = W
21.دوائر مكبّرات العملياتمتوسطة
−+Vout​R2​ = 22 kΩV1​ = 0,6 VR1​ = 47 kΩV2​ = 2,2 VR3​ = 47 kΩR4​ = 22 kΩ

يستخدم مكبّر الفرق مكبّر عمليات مثاليًا بمصدرَي تغذية ±15 V، مع R3 = R1 و R4 = R2. أوجد جهد الخرج Vout.

V1 = 0,6 VV2 = 2,2 VR1 = R3 = 47 kΩR2 = R4 = 22 kΩ
Vout = V
22.دوائر مكبّرات العملياتصعبة
−+Vout​C = 4,7 µFVin​ = 3 VR = 1 kΩ

يستخدم المكامِل مكبّر عمليات مثاليًا بمصدرَي تغذية ±15 V؛ ويتشبّع خرجه عند ±13 V. المكثّف غير مشحون عند تطبيق دخل ثابت Vin = 3 V عند t = 0. أوجد جهد الخرج Vout عند t = 10 ms.

Vin = 3 VR = 1 kΩC = 4,7 µFVsat = ±13 Vt = 10 ms
Vout = V
23.الثنائيات والترانزستوراتمتوسطة
RC​ = 3,3 kΩβ = 150IC​ = ?RE​ = 1 kΩVCC​ = 15 VR1​ = 68 kΩR2​ = 22 kΩ

ترانزستور NPN بـ β = 150 منحاز بمقسّم جهد من VCC = 15 V: R₁ = 68 kΩ من VCC إلى القاعدة و R₂ = 22 kΩ من القاعدة إلى الأرضي. مقاومة المجمِّع RC = 3,3 kΩ ومقاومة الباعث RE = 1 kΩ. خذ VBE = 0,7 V واستخدم مكافئ ثيفنن للمقسّم (لا تُهمل تيار القاعدة). أوجد تيار المجمِّع IC بالـ mA.

VCC = 15 VR1 = 68 kΩR2 = 22 kΩRC = 3,3 kΩRE = 1 kΩβ = 150
IC = mA
24.الثنائيات والترانزستوراتصعبة
V (V)I (mA)0,7612,77Q = ?

يُنمذج صمام ثنائي بـ 0,7 V على التوالي مع 5 Ω (يوصل فوق 0,7 V). وهو على التوالي مع مقاومة 470 Ω عبر مصدر 6 V. أوجد تيار التشغيل ID حيث يلتقي خط الصمام بخط الحمل.

Vs = 6 VR = 470 ΩV0 = 0,7 Vrd = 5 Ω
ID = mA
25.أنظمة العدمتوسطة
المتمم الثنائي ذو 8 بتات0−12806403201608040201

اضبط البتات بحيث تخزن −79 في المتمم الثنائي بـ 8 بتات. إذا قُرئ كعدد بدون إشارة، فما قيمة النمط U؟

N = −798 bit
U =
26.أنظمة العدصعبة
انقر على البتات لضبطها012806403201608040201

اضبط البتات على الناتج بـ 8 بتات لـ 1000 0100 >> 1. ما قيمة الناتج R بالعشري؟

1000 0100>> 1
R =
27.المنطق الرقمي: البوابات وخرائط كارنو والقلّاباتمتوسطة
ABCD000111100001111000010312141507161120130151141809011010

استخدم خريطة كارنو لإيجاد الصيغة الدنيا لجداء المجاميع (POS) للدالة F(A, B, C, D) = Σm(2, 4, 5, 6, 8, 12, 14). كم حد مجموع (عاملًا) N فيها؟

F(A, B, C, D) = Σm(2, 4, 5, 6, 8, 12, 14)
N =
28.المنطق الرقمي: البوابات وخرائط كارنو والقلّاباتصعبة
FFQ0​Q0​FFQ1​Q1​FFQ2​Q2​FFQ3​Q3​CLKMOD-13

بُني عدّاد mod-13 من أصغر عدد ممكن من القلّابات. كم من الحالات الممكنة U لا يُستخدم أبدًا؟

N = 13
U =
29.تحويلات لابلاسمتوسطة
ReIm−1−2−3−4−5−6−7−8−91

F(s) = (5s + 34)/(s² + 13s + 40). تحويله العكسي على الصورة f(t) = A·e−5t + B·e−8t. أوجد المعامل A بالكسور الجزئية.

F(s) = (5s + 34)/(s² + 13s + 40)
A =
30.تحويلات لابلاسصعبة
ReIm−22

يُوصف نظام بالمعادلة التفاضلية y″ + 4y′ + 13y = 3u′ + 4u، مع الدخل u(t) والخرج y(t). أوجد دالة تحويله G(s) = Y(s)/U(s) (شروط ابتدائية صفرية) واحسب استجابة النبضة g(t) عند t = 0,25 s. أوجد g(0,25).

y″ + 4y′ + 13y = 3u′ + 4ut = 0,25 s
g(0.25) =
31.المخططات الصندوقيةمتوسطة
R(s)+7K+7s + 1G(s)C(s)3H₁−−

للنظام المُتحكَّم فيه G(s) = 7/(s + 1) حلقة تغذية راجعة سالبة داخلية (ثانوية) كسبها H₁ = 3. كسب متحكّم K = 7 وحلقة تغذية راجعة سالبة أحادية خارجية يُغلقان النظام. أوجد كسب التيار المستمر للحلقة المغلقة T(0).

G(s) = 7/(s + 1)H₁ = 3K = 7
T(0) =
32.المخططات الصندوقيةصعبة
R(s)+24s(s + 11)G(s)C(s)2H−

النظام المُتحكَّم فيه G(s) = 24/(s(s + 11)) في حلقة تغذية راجعة سالبة كسب مستشعرها H = 2. أقطاب الحلقة المغلقة مركّبة. أوجد جزأها الحقيقي σ.

G(s) = 24/(s(s + 11))H = 2
σ =
33.الاستجابة الخطويةمتوسطة
t (s)y(t)1tp​ = ?

لنظام دالة النقل G(s) = 89/(s² + 10s + 89) ويتلقى دخلًا خطويًا وحدويًا. أوجد زمن الذروة tp للاستجابة الخطوية.

G(s) = 89/(s² + 10s + 89)
tp = s
34.الاستجابة الخطويةصعبة
+−12 VR = 14 ΩL = 50 mHC = 10 µFvC​

دائرة RLC على التسلسل فيها R = 14 Ω وL = 50 mH وC = 10 µF موصولة بخطوة جهد 12 V عند t = 0. المكثف غير مشحون ولا يمر تيار قبل الخطوة. أوجد التردد الطبيعي غير المخمّد ωn بوحدة rad/s.

R = 14 ΩL = 50 mHC = 10 µFV = 12 V
ωn = rad/s
35.مخططات بودي والهوامشمتوسطة
vin​L = 5 mHC = 0,22 µFR = 10 Ωvout​

في مرشح تمرير النطاق RLC على التسلسل الموضح، يؤخذ الخرج على R = 10 Ω، مع L = 5 mH وC = 0,22 µF. أوجد معامل الجودة Q.

R = 10 ΩL = 5 mHC = 0,22 µF
Q =
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) = 722/(s(s + 8)(s + 10)). أوجد هامش الكسب GM بوحدة dB.

L(s) = 722/(s(s + 8)(s + 10))
GM = dB
37.الاستقرار: راوث–هرفيتز والمحل الهندسي للجذورمتوسطة
R(s)+K1s(s + 1)(s + 5)C(s)−

لحلقة المخطط دالة نقل الحلقة المفتوحة L(s) = K/(s(s + 1)(s + 5)). يُرفع الكسب حتى تصبح الحلقة المغلقة على حافة الاستقرار. أوجد تردد ω التذبذب المستمر.

L(s) = K/(s(s + 1)(s + 5))
ω = rad/s
38.الاستقرار: راوث–هرفيتز والمحل الهندسي للجذورصعبة
ReIm−2−4−6−8−10−12j2

لحلقة تغذية عكسية وحدوية L(s) = K(s + 10)/((s + 8)(s + 5)(s + 2)). أوجد النقطة σa التي تقطع فيها الخطوط المقاربة للمحل الهندسي للجذور المحور الحقيقي.

L(s) = K(s + 10)/((s + 8)(s + 5)(s + 2))
σa =
39.خطأ الحالة المستقرة والتحكم PIDمتوسطة
r(t) = 5 + 3t+5s(s + 10)C(s)−

يُطبَّق الدخل r(t) = 5 + 3t (خطوة مع منحدر) على حلقة تغذية عكسية وحدوية فيها G(s) = 5/(s(s + 10)). أوجد خطأ الحالة المستقرة ess.

G(s) = 5/(s(s + 10))r(t) = 5 + 3t
ess =
40.خطأ الحالة المستقرة والتحكم PIDصعبة
R(s)+K = 401s(s + 10)C(s)−

يتحكم متحكم تناسبي K = 40 في المحطة G(s) = 1/(s(s + 10)) ضمن حلقة تغذية عكسية وحدوية. أوجد النسبة المئوية للتجاوز %OS في الاستجابة الخطوية.

G(s) = 1/(s(s + 10))K = 40
%OS = %

3المحاليل

1.المقاومات على التوالي والتوازي

الإجابة: IR1 = 1,387 A

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

R1​ = 5 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​24 VR2​20 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 = 12 + 20 = 32 Ω
R2 ∥ 32 = 20·32/(20+32) = 12,31 Ω
Req = R1 + 12,31 = 5 + 12,31 = 17,31 Ω

التيار من المصدر

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

IR1 = V1/Req = 24/17,31 = 1,387 A

الإجابة

IR1 = 1,387 A
2.المقاومات على التوالي والتوازي

الإجابة: IR1 = 0,8453 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​ = 20 ΩR5​ = 12 Ω+−V1​15 VR2​3 ΩAR4​25 ΩBR6​12 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 = 12 + 12 = 24 Ω
R4 ∥ 24 = 12,24 Ω
R3 + 12,24 = 32,24 Ω
R2 ∥ 32,24 = 2,745 Ω
Req = R1 + 2,745 = 15 + 2,745 = 17,74 Ω

التيار من المصدر

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

IR1 = V1/Req = 15/17,74 = 0,8453 A

الإجابة

IR1 = 0,8453 A
3.تحليل العقد

الإجابة: IR3 = 0,7629 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​ = 15 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​30 VR2​20 ΩAR4​3 ΩBIs​1,5 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/20 + (VA − 30)/15 + (VA − VB)/5 = 0
0,3167·VA − 0,2·VB = 2

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/3 + (VB − VA)/5 = 1,5
−0,2·VA + 0,5333·VB = 1,5

الحل

Δ = (0,3167)(0,5333) − (−0,2)(−0,2) = 0,1289
VA = Δ1/Δ = 1,367/0,1289 = 10,6 V
VB = Δ2/Δ = 0,875/0,1289 = 6,789 V

الإجابة

IR3 = (VA − VB)/R3 = (10,6 − 6,789)/5 = 0,7629 A
4.تحليل العقد

الإجابة: IR4 = 0,9821 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​ = 15 ΩR2​ = 2 ΩR4​ = 12 Ω+−V1​18 VR3​30 ΩAR5​15 ΩBIs​4 A+−V2​15 V

حدّد العقد

الأرضي هو السلك السفلي. جهود العقد المعروفة تأتي مباشرة من المصادر (V1 = 18 V, V2 = 15 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/30 + (VA − 18)/15 + (VA − VB)/2 = 0
0,6·VA − 0,5·VB = 1,2

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/15 + (VB − VA)/2 + (VB − 15)/12 = 4
−0,5·VA + 0,65·VB = 5,25

الحل

Δ = (0,6)(0,65) − (−0,5)(−0,5) = 0,14
VA = Δ1/Δ = 3,405/0,14 = 24,32 V
VB = Δ2/Δ = 3,75/0,14 = 26,79 V

الإجابة

IR4 = (VB − V2)/R4 = (26,79 − 15)/12 = 0,9821 A
5.تحليل الحلقات

الإجابة: IR1 = −0,9231 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​ = 4 Ω+−V1​6 VR3​2 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
3·I1 + 2(I1 − I2) = 6
5·I1 − 2·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
4·I2 + 2(I2 − I1) = (−30)
−2·I1 + 6·I2 = −30

الحل

Δ = (5)(6) − (−2)(−2) = 26
I1 = Δ1/Δ = −24/26 = −0,9231 A
I2 = Δ2/Δ = −138/26 = −5,308 A

الإجابة

IR1 = I1 = −0,9231 A

تيار الحلقة السالب يسري عكس عقارب الساعة.

6.تحليل الحلقات

الإجابة: I2 = −0,2061 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​ = 12 ΩR2​ = 30 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​18 VR4​2 ΩAR5​8 ΩB+−V2​36 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
12·I1 + 2(I1 − I2) = 18
14·I1 − 2·I2 = 18

قانون كيرشوف للجهد حول الحلقة 2

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

R2·I2 + R4(I2 − I1) + R5(I2 − I3) = 0
30·I2 + 2(I2 − I1) + 8(I2 − I3) = 0
−2·I1 + 40·I2 − 8·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
20·I3 + 8(I3 − I2) = (−36)
−8·I2 + 28·I3 = −36

الحل

Δ = محدد مصفوفة المعاملات = 14672
I1 = Δ1/Δ = 18432/14672 = 1,256 A
I2 = Δ2/Δ = −3024/14672 = −0,2061 A
I3 = Δ3/Δ = −19728/14672 = −1,345 A

الإجابة

I2 = −0,2061 A

تيار الحلقة السالب يسري عكس عقارب الساعة.

7.التراكب

الإجابة: I = 4,9 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 الاستجابة كمجموع إسهامات

كل إسهام يتناسب مع مصدره، بثابت يعتمد على المقاومات فقط.

I = k₁·Vs + k₂·Is
12·k₁ + 6·k₂ = 8,7
20·k₁ + 3·k₂ = 12,75

حلّ لإيجاد الثابتين

Δ = (12)(3) − (6)(20) = −84
k₁ = Δ1/Δ = −50,4/−84 = 0,6
k₂ = Δ2/Δ = −21/−84 = 0,25
k₁ = 0,6 mA/V, k₂ = 0,25

توقّع التيار الجديد

I = 0,6·4 + 0,25·10 = 4,9 mA

الإجابة

I = 4,9 mA
8.التراكب

الإجابة: IR3 = −0,2652 A

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

R1​ = 10 ΩR2​ = 30 ΩR4​ = 20 Ω+−V1​9 VR3​30 ΩAمفتوحBقصر

الحالة 1 · V1 يعمل وحده

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

R3 ∥ (R2+R4) = 30 ∥ 50 = 18,75 Ω
VA = 9·18,75/(10+18,75) = 5,87 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 5,87·20/50 = 2,348 V
IR3′ = (0 − VA)/R3 = (0 − 5,87)/30 = −0,1957 A
R1​ = 10 ΩR2​ = 30 ΩR4​ = 20 ΩقصرR3​30 ΩAIs​2 ABقصر

الحالة 2 · Is يعمل وحده

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

R1 ∥ R3 = 7,5 Ω، إذن المسار الأيسر هو R2+7,5 = 37,5 Ω
Req = R4 ∥ 37,5 = 13,04 Ω
VB = Is·Req = 2·13,04 = 26,09 V
VA = VB·7,5/37,5 = 5,217 V
IR3″ = (0 − VA)/R3 = (0 − 5,217)/30 = −0,1739 A
R1​ = 10 ΩR2​ = 30 ΩR4​ = 20 ΩقصرR3​30 ΩAمفتوحB−+V2​24 V

الحالة 3 · V2 يعمل وحده

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

R1 ∥ R3 = 10·30/(10+30) = 7,5 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = (−24)·37,5/57,5 = −15,65 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = −15,65·7,5/37,5 = −3,13 V
IR3‴ = (0 − VA)/R3 = (0 − −3,13)/30 = 0,1043 A

اجمع المساهمات

IR3 = IR3′ + IR3″ + IR3‴
IR3 = (−0,1957) + (−0,1739) + 0,1043 = −0,2652 A

النتيجة السالبة تعني أن التيار يسري عكس السهم في الواقع.

9.ثيفنن ونورتن

الإجابة: Rth = 8,333 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​ = 5 ΩR3​ = 5 ΩقصرR2​10 ΩAabRth​

أوجد Rth مع إطفاء كل المصادر

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

R1 ∥ R2 = 5·10/(5+10) = 3,333 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3,333 + 5 = 8,333 Ω
10.ثيفنن ونورتن

الإجابة: Vth = −9,9 V

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

R1​ = 3 ΩR3​ = 15 ΩقصرR2​2 ΩAمفتوحBabRth​

أوجد Rth مع إطفاء كل المصادر

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

R1 ∥ R2 = 3·2/(3+2) = 1,2 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,2 + 15 = 16,2 Ω
R1​ = 3 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​36 VR2​2 ΩAIs​1,5 ABab+−Vth​

أوجد Vth، جهد الدائرة المفتوحة

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

VA = V1·R2/(R1+R2) + Is·(R1∥R2) = 14,4 + (−1,5)·1,2 = 12,6 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 12,6 + (−1,5)·15 = −9,9 V
11.الحالات العابرة RC و RL

الإجابة: i = 0,194 A

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

الثابت الزمني

τ = L/R = 220 mH / 15 Ω = 14,67 ms

تناقص التيار

i(t) = 1,5·e−30/14,67 = 0,194 A

الإجابة

i = 0,194 A
12.الحالات العابرة RC و RL

الإجابة: vC = 9,943 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.

القيمة الابتدائية، القيمة النهائية، الثابت الزمني

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

vC(0) = 5 V, vC(∞) = Vs = 15 V
τ = R·C = 10 kΩ · 22 µF = 220 ms
vC(t) = 15 + (5 − 15)·e−t/τ

الجهد في اللحظة المعطاة

vC(150) = 15 + (−10)·e−150/220 = 9,943 V

الإجابة

vC = 9,943 V
13.معاوقة التيار المتردد والطوريات

الإجابة: I = 0,03104 A

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

المفاعلات

ω = 2πf = 2π·50 = 314,2 rad/s
XL = ωL = 314,2·0,02 = 6,283 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(314,2·10·10⁻⁶) = 318,3 Ω

المعاوقة

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

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(80² + (−312)²) = 322,1 Ω

التيار

يمرّ التيار نفسه في كل عنصر من عناصر دائرة التوالي.

I = V/|Z| = 10/322,1 = 0,03104 A

الإجابة

I = 0,03104 A
14.معاوقة التيار المتردد والطوريات

الإجابة: |Z| = 44,78 Ω

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|.

المفاعلة

XC = 1/(2π·500·10·10⁻⁶) = 31,83 Ω

توصيلة التوازي

اضرب البسط والمقام في المرافق المركّب لفصل Zp إلى جزأين حقيقي وتخيّلي.

Zp = R₂·(−jXC)/(R₂ − jXC) = (R₂·XC² − jR₂²·XC)/(R₂² + XC²)
Zp = 9,2 − j28,9 Ω

المعاوقة الكلية

Z = 25 + 9,2 − j28,9 = 34,2 − j28,9 Ω
|Z| = √(34,2² + 28,9²) = 44,78 Ω

الإجابة

|Z| = 44,78 Ω
15.قدرة التيار المتردد ومعامل القدرة

الإجابة: I = 145,8 A

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

تيار الخط

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

I = P/(V·cos φ) = 21000/(240·0,6) = 145,8 A

الإجابة

I = 145,8 A
16.قدرة التيار المتردد ومعامل القدرة

الإجابة: Pmax = 28,8 W

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.

المواءمة المرافقة

مفاعلة الحِمل تلغي مفاعلة المصدر، ومقاومة الحِمل تساوي مقاومة المصدر.

ZL = Zs* = 5 − j3 Ω

أقصى قدرة

I = Vs/(2Rs) = 24/10 = 2,4 A
Pmax = I²·RL = Vs²/(4Rs) = 24²/(4·5) = 28,8 W

الإجابة

Pmax = 28,8 W
17.القدرة ثلاثية الطور

الإجابة: P = 6,889 kW

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

جهد الطور

Vph = 415/√3 = 239,6 V

تيار الطور

|Z| = √(9² + 12²) = 15 Ω
Iph = 239,6/15 = 15,97 A

القدرة الفعّالة الكلية

الجزء المقاومي فقط من كل ممانعة يمتصّ القدرة الفعّالة.

P = 3·Iph²·R = 3·15,97²·9 = 6,889 kW

الإجابة

P = 6,889 kW

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

18.القدرة ثلاثية الطور

الإجابة: Cph = 186,3 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 = 80·tan(acos 0,8) = 80·0,75 = 60 kvar
Q2 = 80·tan(acos 0,95) = 80·0,3287 = 26,29 kvar

القدرة غير الفعّالة من المكثّفات

QC = Q1 − Q2 = 33,71 kvar

السعة لكل طور

في مجموعة Δ يوصل كل مكثّف بين خطين.

V = 400 V, ω = 2π·60 = 377 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 11235/(377·400²) = 186,3 µF

الإجابة

Cph = 186,3 µF
19.المحوّلات

الإجابة: IHV = 2,5 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.

التيار المقنَّن

يحمل الملفان القدرة الظاهرية نفسها.

IHV = S/V = 25000/10000 = 2,5 A

الإجابة

IHV = 2,5 A
20.المحوّلات

الإجابة: Pcu,fl = 618,3 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.

قدرتا الخرج والدخل

Pout = 100·0,8 = 80 kW
Pin = 80000/0,985 = 81218 W

المفقودات الكلية ومفقودات النحاس

Ploss = 81218 − 80000 = 1218 W
Pcu,fl = 1218 − 600 = 618,3 W

الإجابة

Pcu,fl = 618,3 W
21.دوائر مكبّرات العمليات

الإجابة: Vout = 0,7489 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.

الجهد عند الدخلين

R₃ و R₄ يحملان التيار نفسه، لذا يشكّلان مقسّم جهد؛ والتغذية الراجعة تجعل V₋ = V₊.

V₊ = V2·R4/(R3 + R4) = 2,2·22/(47 + 22) = 0,7014 V
V₋ = V₊

قانون كيرشوف للتيار عند الدخل العاكس

(0,6 − 0,7014)/47 = (0,7014 − Vout)/22
Vout = (R2/R1)·(V2 − V1) = (22/47)·(2,2 − 0,6) = 0,7489 V

الإجابة

Vout = 0,7489 V
22.دوائر مكبّرات العمليات

الإجابة: Vout = −6,383 V

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

تيار الدخل ومعدّل التغيّر

kΩ مضروبة في µF تعطي ميلي ثانية.

RC = 1 kΩ · 4,7 µF = 4,7 ms
معدّل التغيّر = −Vin/(RC) = −3/4,7 = −0,6383 V/ms

الخرج عند الزمن المعطى

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

Vout = −Vin·t/(RC) = −3·10/4,7 = −6,383 V

الإجابة

Vout = −6,383 V
23.الثنائيات والترانزستورات

الإجابة: IC = 2,655 mA

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 = 15·22/(68 + 22) = 3,667 V
RTH = 68·22/(68 + 22) = 16,62 kΩ

تيار القاعدة

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

IB = (3,667 − 0,7)/(16,62 + 151·1) = 17,7 µA

تيار المجمِّع

IC = 150·17,7 µA = 2,655 mA
IE = 151·17,7 µA = 2,672 mA

الإجابة

IC = 2,655 mA
24.الثنائيات والترانزستورات

الإجابة: ID = 11,16 mA

دوائر الصمام الثنائي الباعث للضوء (LED) والصمامات الثنائية: يهبط جهد LED المنحاز أماميًا بنحو جهده الأمامي VF (نحو 2 V للأحمر و3 V للأزرق أو الأبيض)، مهما كان التيار. وتحدد المقاومة التوالية التيار: R = (Vs − n·VF)/I لعدد n من LED على التوالي. وفي نموذج أدق للصمام V = V₀ + I·rd، تكون نقطة التشغيل حيث يلتقي خط الصمام بخط الحمل I = (Vs − V)/R، إذن I = (Vs − V₀)/(R + rd).

ادمج المعادلتين

6 = 0,7 + I·(470 + 5)

تيار التشغيل

ID = 5,3/475 = 11,16 mA
VD = 0,7 + 0,01116·5 = 0,7558 V

الإجابة

ID = 11,16 mA
25.أنظمة العد

الإجابة: U = 177

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

79 = 0100 1111
مقلوب: 1011 0000
+1 → 1011 0001

اقرأه بلا إشارة

1011 0001₂ = 256 − 79 = 177

الإجابة

U = 177
26.أنظمة العد

الإجابة: R = 66

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

1000 0100 >> 1
= 0100 0010

قيمة الناتج

0100 0010₂ = 66

الإجابة

R = 66
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.

ABCD000111100001111000010312141507161120130151141809011010

جمّع الأصفار

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

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

الصيغة الدنيا POS

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

الإجابة

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

الإجابة: U = 3

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

عدد القلّابات

2ⁿ ≥ 13 → n = 4 (2⁴ = 16)

الحالات غير المستخدمة

U = 16 − 13 = 3

الإجابة

U = 3
29.تحويلات لابلاس

الإجابة: A = 3

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

حلّل المقام

s² + 13s + 40 = (s + 5)(s + 8)
F(s) = A/(s + 5) + B/(s + 8)

قاعدة التغطية

اضرب في (s + 5) وضع s = −5: يختفي حدّ B.

A = (5s + 34)/(s + 8) |s = −5 = 9/3 = 3

الإجابة

A = 3
(B = 2، لذا f(t) = 3·e−5t + 2·e−8t)
30.تحويلات لابلاس

الإجابة: g(0.25) = 1,056

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).

دالة التحويل

G(s) = Y(s)/U(s) = (3s + 4)/(s² + 4s + 13)

الكسور الجزئية

s² + 4s + 13 = (s + 2)² + 3²
G(s) = 3·(s + 2)/((s + 2)² + 3²) + (−2/3)·3/((s + 2)² + 3²)

استجابة النبضة

g(t) = e−2t·(3·cos 3t − 0,6667·sin 3t)
g(0,25) = 1,056

الإجابة

g(0,25) = 1,056
31.المخططات الصندوقية

الإجابة: T(0) = 0,6901

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).

الحلقة الداخلية

Gᵢ = G/(1 + G·H₁) = 7/(s + 1 + 7·3) = 7/(s + 22)

الحلقة الخارجية

T(s) = K·Gᵢ/(1 + K·Gᵢ) = 49/(s + 22 + 49) = 49/(s + 71)

النتيجة

T(0) = 49/71 = 0,6901

الإجابة

T(0) = 0,6901
32.المخططات الصندوقية

الإجابة: σ = −5,5

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).

المعادلة المميزة

s(s + 11) + 24·2 = 0 → s² + 11s + 48 = 0

الجذور

s = −5,5 ± j·√(48 − 30,25) = −5,5 ± j4,213
σ = −5,5

الإجابة

σ = −5,5
33.الاستجابة الخطوية

الإجابة: tp = 0,3927 s

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

قارن مع الصيغة القياسية

يجب أن يطابق المقام s² + 2ζωₙs + ωₙ².

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

النتيجة

ωd = 9,434·√(1 − 0,53²) = 8 rad/s → tp = π/ωd = 0,3927 s

الإجابة

tp = 0,3927 s
34.الاستجابة الخطوية

الإجابة: ωn = 1414 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/√(0,05·1 × 10⁻⁵) = 1414 rad/s
ζ = (R/2)·√(C/L) = (14/2)·√(1 × 10⁻⁵/0,05) = 0,09899

النتيجة

ωₙ = 1414 rad/s

الإجابة

ωn = 1414 rad/s
35.مخططات بودي والهوامش

الإجابة: Q = 15,08

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 الرنين

ω₀ = 1/√(LC) = 1/√(0,005·2,2 × 10⁻⁷) = 30151 rad/s
f₀ = ω₀/(2π) = 4799 Hz

معامل الجودة

BW = R/L = 10/0,005 = 2000 rad/s = 318,3 Hz
Q = ω₀/BW = 30151/2000 = 15,08

الإجابة

Q = 15,08
36.مخططات بودي والهوامش

الإجابة: GM = 5,997 dB

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

تقاطع الطور

(ω/8)·(ω/10) = 1 → ω180 = √(8·10) = 8,944 rad/s

المقدار عند تقاطع الطور

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 64)·√(ω² + 100)) = K/(8·10·(8 + 10)) = K/1440

هامش الكسب

GM = 20·log₁₀(1440/722) = 5,997 dB

الإجابة

GM = 5,997 dB
37.الاستقرار: راوث–هرفيتز والمحل الهندسي للجذور

الإجابة: ω = 2,236 rad/s

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.

جدول روث

s³ + 6s² + 5s + K = 0
s³: 1, 5
s²: 6, K
s¹: (6·5 − K)/6
s⁰: K

الكسب الحرج

K = 6·5 = 30

المعادلة المساعدة

عند الكسب الحرج يكون الصف s¹ صفرًا؛ ويعطي الصف s² الأقطاب الواقعة على المحور التخيلي.

6s² + 30 = 0 → s = ±j√5
ω = 2,236 rad/s

الإجابة

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

الإجابة: σa = −2,5

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.

الأقطاب والأصفار

الأقطاب: −8, −5, −2
أصفار: −10
n − m = 3 − 1 = 2

المركز

σa = (−15 − (−10))/2 = −2,5

الإجابة

σa = −2,5

تنطلق الخطوط المقاربة الـ 2 من المركز بزوايا 90°, 270°.

39.خطأ الحالة المستقرة والتحكم PID

الإجابة: ess = 6

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

Kv = lim s·G(s) = 0,5

جزء الخطوة

Kp = ∞ → estep = 0

خطأ المنحدر

ess = 3/0,5 = 6

الإجابة

ess = 6
40.خطأ الحالة المستقرة والتحكم PID

الإجابة: %OS = 1,732 %

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 + 10) + 40·1 = s² + 10s + 40

ωₙ وζ

ωₙ = √40 = 6,325 rad/s
ζ = 10/(2·6,325) = 0,7906

التجاوز

%OS = 100·e−0,7906π/√(1 − 0,7906²) = 1,732 %

الإجابة

%OS = 1,732 %

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