التدريب لاختبار FE للهندسة الكهربائية والحاسوب: حزمة المراجعة المكثفة

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

مسائل جديدةالعودة إلى المقرّر

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

1القوانين وطرق الحل

المقاومات على التوالي والتوازي

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

الطريقة

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

تحليل العقد

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

الطريقة

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

تحليل الحلقات

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

الطريقة

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

التراكب

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

الطريقة

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

ثيفنن ونورتن

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

الطريقة

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

الحالات العابرة RC و RL

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

الطريقة

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

معاوقة التيار المتردد والطوريات

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

الطريقة

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

قدرة التيار المتردد ومعامل القدرة

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

القدرة ثلاثية الطور

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

المحوّلات

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

دوائر مكبّرات العمليات

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

الثنائيات والترانزستورات

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

أنظمة العد

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

المنطق الرقمي: البوابات وخرائط كارنو والقلّابات

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

الطريقة

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

الاستقرار: راوث–هرفيتز والمحل الهندسي للجذور

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

الطريقة

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

خطأ الحالة المستقرة والتحكم PID

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

الطريقة

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

2مسائل تدريبية

1.المقاومات على التوالي والتوازيمتوسطة
R1​ = 5 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​18 VR2​6 ΩAR4​5 ΩB

أوجد المقاومة المكافئة Req التي يراها المصدر V1.

V1 = 18 VR1 = 5 ΩR2 = 6 ΩR3 = 4 ΩR4 = 5 Ω
Req = Ω
2.المقاومات على التوالي والتوازيصعبة
R1​ = 5 ΩIR1​R3​ = 8 ΩR5​ = 20 Ω+−V1​15 VR2​5 ΩAR4​12 ΩBR6​15 Ω

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

V1 = 15 VR1 = 5 ΩR2 = 5 ΩR3 = 8 ΩR4 = 12 ΩR5 = 20 ΩR6 = 15 Ω
IR1 = A
3.تحليل العقدمتوسطة
R1​ = 4 ΩIR1​R3​ = 4 Ω+−V1​24 VR2​4 ΩAR4​20 ΩBIs​5 A

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

V1 = 24 VIs = 5 AR1 = 4 ΩR2 = 4 ΩR3 = 4 ΩR4 = 20 Ω
IR1 = A
4.تحليل العقدصعبة
R1​ = 25 ΩIR1​R2​ = 5 ΩR4​ = 10 Ω+−V1​10 VR3​4 ΩAR5​6 ΩBIs​6 A+−V2​10 V

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

V1 = 10 VIs = 6 AV2 = 10 VR1 = 25 ΩR2 = 5 ΩR3 = 4 ΩR4 = 10 ΩR5 = 6 Ω
IR1 = A
5.تحليل الحلقاتمتوسطة
R1​ = 3 ΩR2​ = 4 Ω+−V1​6 VR3​6 ΩA+−V2​12 VI1​I2​

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

V1 = 6 VV2 = 12 VR1 = 3 ΩR2 = 4 ΩR3 = 6 Ω
I2 = A
6.تحليل الحلقاتصعبة
R1​ = 25 ΩR2​ = 4 ΩR3​ = 6 Ω+−VR3​+−V1​12 VR4​3 ΩAR5​20 ΩB+−V2​6 VI1​I2​I3​

استخدم تحليل الحلقات لإيجاد الجهد VR3 على طرفي R3 بالقطبية الموضّحة.

V1 = 12 VV2 = 6 VR1 = 25 ΩR2 = 4 ΩR3 = 6 ΩR4 = 3 ΩR5 = 20 Ω
VR3 = V
7.التراكبمتوسطة
R1​ = 5 ΩIR1​R3​ = 5 Ω+−V1​30 VR2​6 ΩAR4​4 ΩBIs​3 A

استخدم مبدأ التراكب لإيجاد التيار IR1 المارّ في R1 باتجاه السهم.

V1 = 30 VIs = 3 AR1 = 5 ΩR2 = 6 ΩR3 = 5 ΩR4 = 4 Ω
IR1 = A
8.التراكبصعبة
دائرة خطيةV1​V2​Is​IRL​

دائرة مقاومات خطية تحتوي على ثلاثة مصادر مستقلة: V1 و V2 و Is. يُقاس التيار I في حِمل ثلاث مرات. مع كل المصادر بقيمها العادية، I = −4 mA. مع مضاعفة V1 وبقاء الآخرَين دون تغيير، I = −9,5 mA. مع عكس اتجاه Is وبقاء الآخرَين دون تغيير، I = −11 mA. أوجد تيار الحِمل I عند إطفاء V2 مع بقاء V1 و Is بقيمهما العادية.

عادي: I = −4 mA2·V1: I = −9,5 mA−Is: I = −11 mA
I = mA
9.ثيفنن ونورتنمتوسطة
R1​ = 8 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​24 VR2​6 ΩAab

أوجد جهد ثيفنن Vth المرئي من الطرفين a–b.

V1 = 24 VR1 = 8 ΩR2 = 6 ΩR3 = 12 Ω
Vth = V
10.ثيفنن ونورتنصعبة
R1​ = 2 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​6 VR2​6 ΩAIs​1,5 ABab

أوجد جهد ثيفنن Vth المرئي من الطرفين a–b.

V1 = 6 VIs = 1,5 AR1 = 2 ΩR2 = 6 ΩR3 = 8 Ω
Vth = V
11.الحالات العابرة RC و RLمتوسطة
+−Vs​15 Vt = 0R1​ = 2,2 kΩR2​ = 6,8 kΩC220 µF+−vC​

يشحن المصدر Vₛ المكثّف عبر R₁، و R₂ موصول على التوازي مع C. المكثّف غير مشحون عندما يُغلق المفتاح عند t = 0. أوجد جهد المكثّف vC عند t = 120 ms.

Vs = 15 VR1 = 2,2 kΩR2 = 6,8 kΩC = 220 µFt = 120 ms
vC = V
12.الحالات العابرة RC و RLصعبة
+−Vs​6 Vt = 0R = 1 kΩC220 µF+−vC​vC​(0) = 30 V

قبل إغلاق المفتاح عند t = 0 مباشرة، يكون جهد المكثّف 30 V بالقطبية الموضّحة. أوجد جهد المكثّف vC عند t = 75 ms.

Vs = 6 VR = 1 kΩC = 220 µFvC(0) = 30 Vt = 75 ms
vC = V
13.معاوقة التيار المتردد والطورياتمتوسطة
50 V200 HzR = 15 ΩL = 20 mHC = 10 µFI

دائرة RLC على التوالي موصولة بمصدر 50 V (فعّال)، 200 Hz. أوجد التيار الفعّال I.

V = 50 V (rms)f = 200 HzR = 15 ΩL = 20 mHC = 10 µF
I = A
14.معاوقة التيار المتردد والطورياتصعبة
24 V50 HzR1​ = 25 ΩR2​ = 100 ΩC = 10 µFI

مقاومة R1 موصولة على التوالي مع توصيلة توازي من R2 ومكثّف C، على مصدر 24 V (فعّال)، 50 Hz. أوجد التيار الفعّال I.

V = 24 V (rms)f = 50 HzR1 = 25 ΩR2 = 100 ΩC = 10 µF
I = A
15.قدرة التيار المتردد ومعامل القدرةمتوسطة
230 V127 kW, 0,7229 kW, 0,8I = ?

حِملان موصولان على التوازي بمصدر أحادي الطور 230 V: حِمل 27 kW بمعامل قدرة 0,7 متأخّر وحِمل 29 kW بمعامل قدرة 0,8 متأخّر. أوجد التيار الكلي I المسحوب من المصدر.

V = 230 VP1 = 27 kW, pf1 = 0,7 متأخرP2 = 29 kW, pf2 = 0,8 متأخر
I = A
16.قدرة التيار المتردد ومعامل القدرةصعبة
240 V50 Hzالحمل4 kW, 0,7C150 µFI = ?

يأخذ حِمل أحادي الطور 4 kW بمعامل قدرة 0,7 متأخّر من مصدر 240 V، 50 Hz. يُوصل مكثّف سعته 150 µF على التوازي مع الحِمل. أوجد تيار الخط الجديد I.

P = 4 kWpf1 = 0,7V = 240 Vf = 50 HzC = 150 µF
I = A
17.القدرة ثلاثية الطورمتوسطة
ABCVL​ = 415 VZ = 12 + j5 Ωلكل طور

حمل متوازن موصول Δ ممانعته 12 + j5 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 = 12 + j5 Ω لكل طور
P = kW
18.القدرة ثلاثية الطورصعبة
P = 150 kWφ1​S1​Q2​QC​

حمل ثلاثي الطور متوازن يأخذ 150 kW عند معامل قدرة 0,65 متأخر من مصدر 415 V (جهد خط) و 60 Hz. يجب أن ترفع مجموعة مكثّفات ثلاثية الطور موصولة على التوازي مع الحمل معامل القدرة الكلي إلى 0,9 متأخر. تبقى القدرة الفعّالة كما هي. المكثّفات موصولة نجمة (Y). أوجد السعة Cph لكل مكثّف بالـ µF.

P = 150 kWpf1 = 0,65pf2 = 0,9VL = 415 Vf = 60 Hz
Cph = µF
19.المحوّلاتمتوسطة
75 ΩN1​N2​675 Ω

مكبّر مقاومة خرجه 675 Ω يغذّي مكبّر صوت 75 Ω عبر محوّل مثالي. لأقصى نقل للقدرة يجب أن يبدو مكبّر الصوت 675 Ω من جهة المكبّر. أوجد نسبة اللفّات a = N₁/N₂.

Rs = 675 ΩRL = 75 Ω
a =
20.المحوّلاتصعبة
pf 0,825 kVA, η = 99%

محوّل أحادي الطور 25 kVA مفقودات قلبه 75 W. عند الحمل المقنَّن ومعامل قدرة 0,8 متأخر تكون كفاءته 99%. أوجد مفقودات النحاس عند الحمل الكامل Pcu,fl بالواط.

S = 25 kVAPcore = 75 Wpf = 0,8η = 99%
Pcu,fl = W
21.دوائر مكبّرات العملياتمتوسطة
−+Vout​Rf​ = 10 kΩR1​ = 2 kΩVin​

مكبّر العمليات مثالي ويعمل من مصدرَي تغذية ±15 V؛ ويتشبّع خرجه عند ±12 V. يُغذّى المكبّر غير العاكس بموجة جيبية. أوجد أكبر سعة دخل Vin,max (القيمة القصوى) لا يُقصّ عندها الخرج.

R1 = 2 kΩRf = 10 kΩVsat = ±12 V
Vin,max = V
22.دوائر مكبّرات العملياتصعبة
−+Vout​R2​ = 47 kΩV1​ = 0,3 VR1​ = 4,7 kΩV2​ = 1,4 VR3​ = 4,7 kΩR4​ = 1 kΩ

مكبّر العمليات مثالي ويعمل بمصدرين ±15 V. نسب المقاومات غير متطابقة. أوجد جهد الخرج Vout.

V1 = 0,3 VV2 = 1,4 VR1 = 4,7 kΩR2 = 47 kΩR3 = 4,7 kΩR4 = 1 kΩ
Vout = V
23.الثنائيات والترانزستوراتمتوسطة
RC​ = 1,2 kΩβ = 75IC​ = ?VCC​ = 12 VRB​ = 680 kΩ

ترانزستور NPN بـ β = 75 منحاز بمقاومة قاعدة RB = 680 kΩ من المصدر VCC = 12 V. مقاومة المجمِّع RC = 1,2 kΩ والباعث موصول بالأرضي. خذ VBE = 0,7 V وافترض أن الترانزستور في المنطقة الفعّالة. أوجد تيار المجمِّع IC بالـ mA.

VCC = 12 VRB = 680 kΩRC = 1,2 kΩβ = 75VBE = 0,7 V
IC = mA
24.الثنائيات والترانزستوراتصعبة
RC​ = 150 Ωβ = 50IC​ = ?VCC​ = 5 V3,3 VRB​ = 47 kΩ

ترانزستور NPN بـ β = 50 يتحكّم بمقاومة حمل 150 Ω موصولة بين VCC = 5 V ومجمِّعه. الباعث موصول بالأرضي. تُغذّى القاعدة من خرج منطقي 3,3 V عبر مقاومة قاعدة RB = 47 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 = 5 VRC = 150 Ωβ = 50Vin = 3,3 VVBE = 0,7 VVCE(sat) = 0,2 VRB = 47 kΩ
IC = mA
25.أنظمة العدمتوسطة
المتمم الثنائي ذو 8 بتات0−12806403201608040201

اضبط البتات بحيث تخزن −53 في المتمم الثنائي بـ 8 بتات. إذا قُرئ كعدد بدون إشارة، فما قيمة النمط U؟

N = −538 bit
U =
26.أنظمة العدصعبة
473 رموز، b = ؟ بت?2ᵇ⁻¹…?4?2?1

يجب أن يعطي نظام كل واحد من 473 عنصرًا رمزًا ثنائيًا خاصًا به بالطول نفسه. ما أقل عدد من البتات b يلزم؟

473
b = bit
27.المنطق الرقمي: البوابات وخرائط كارنو والقلّاباتمتوسطة
ABCD00011110000111101111

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

F = Σm(2, 4, 12, 13)
  1. 1AB = 00, CD = 00
  2. 2AB = 00, CD = 01
  3. 3AB = 00, CD = 11
  4. 4AB = 00, CD = 10
  5. 5AB = 01, CD = 00
  6. 6AB = 01, CD = 01
  7. 7AB = 01, CD = 11
  8. 8AB = 01, CD = 10
  9. 9AB = 11, CD = 00
  10. 10AB = 11, CD = 01
  11. 11AB = 11, CD = 11
  12. 12AB = 11, CD = 10
  13. 13AB = 10, CD = 00
  14. 14AB = 10, CD = 01
  15. 15AB = 10, CD = 11
  16. 16AB = 10, CD = 10
28.المنطق الرقمي: البوابات وخرائط كارنو والقلّاباتصعبة
CLKT123456

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

Q₀ = 0T
N =
29.تحويلات لابلاسمتوسطة
t (s)f(t)t = 1f(1) = ?

أوجد f(t) للدالة F(s) = 60/(s(s + 1)(s + 6)) بالكسور الجزئية، واحسب f(1).

F(s) = 60/(s(s + 1)(s + 6))t = 1 s
f(1) =
30.تحويلات لابلاسصعبة
ReIm−5−10−15

يُوصف نظام بالمعادلة التفاضلية y″ + 7y′ + 10y = u′ + 17u، 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 = 0,1 s. أوجد g(0,1).

y″ + 7y′ + 10y = u′ + 17ut = 0,1 s
g(0.1) =
31.المخططات الصندوقيةمتوسطة
R(s)+12s(s + 7)G(s)C(s)−

حلقة تغذية راجعة سالبة أحادية لها G(s) = 12/(s(s + 7)). المرجع منحدر r(t) = 1·t. أوجد خطأ الحالة المستقرة ess.

G(s) = 12/(s(s + 7))r(t) = 1·t
ess =
32.المخططات الصندوقيةصعبة
R(s)+5المتحكّم+D(s)+7s + 2النظام المُتحكَّم فيهC(s)−

متحكّم تناسبي K = 5 يقود النظام G(s) = 7/(s + 2) في حلقة تغذية راجعة سالبة أحادية. يدخل اضطراب D عند دخل النظام (يُضاف إلى خرج المتحكّم). مع R = 0، تُطبَّق خطوة اضطراب مقدارها 1. أوجد خرج الحالة المستقرة css.

K = 5G(s) = 7/(s + 2)D = 1R = 0
css =
33.الاستجابة الخطويةمتوسطة
t (s)y(t)2tp​ = ?

لنظام دالة النقل G(s) = 14/(s² + 4s + 7) ويتلقى دخلًا خطويًا وحدويًا. أوجد زمن الذروة tp للاستجابة الخطوية.

G(s) = 14/(s² + 4s + 7)
tp = s
34.الاستجابة الخطويةصعبة
+−5 VR = 85 ΩL = 50 mHC = 10 µFvC​

دائرة RLC على التسلسل فيها R = 85 Ω وL = 50 mH وC = 10 µF موصولة بخطوة جهد 5 V عند t = 0. المكثف غير مشحون ولا يمر تيار قبل الخطوة. أوجد ذروة جهد المكثف vC,max.

R = 85 ΩL = 50 mHC = 10 µFV = 5 V
vC,max = V
35.مخططات بودي والهوامشمتوسطة
vin​C = 2,2 nFR = 3,3 kΩvout​

لـ مرشح RC لتمرير الترددات العالية الموضح R = 3,3 kΩ, C = 2,2 nF. يُطبَّق دخل جيبي مقداره 11 kHz. أوجد إزاحة الطور φ للجهد vout بالنسبة إلى vin، بالدرجات.

R = 3,3 kΩC = 2,2 nFf = 11 kHz
φ = °
36.مخططات بودي والهوامشصعبة
|H| (dB)11101010010010001000−80−60−40−2002040ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−180−135−90−450ωc​ = ?

حلقة تغذية عكسية وحدوية دالة نقلها المفتوحة L(s) = 350/(s(s + 10)). أوجد تردد تقاطع الكسب ωc، حيث |L(jω)| = 1.

L(s) = 350/(s(s + 10))
ωc = rad/s
37.الاستقرار: راوث–هرفيتز والمحل الهندسي للجذورمتوسطة
R(s)+K1s(s + 1)(s + 6)C(s)−

لحلقة المخطط دالة نقل الحلقة المفتوحة L(s) = K/(s(s + 1)(s + 6)). يُرفع الكسب حتى تصبح الحلقة المغلقة على حافة الاستقرار. أوجد تردد ω التذبذب المستمر.

L(s) = K/(s(s + 1)(s + 6))
ω = rad/s
38.الاستقرار: راوث–هرفيتز والمحل الهندسي للجذورصعبة
ReIm−1−2−3−4−5−6−71j1j2

لحلقة تغذية عكسية وحدوية L(s) = K(s + 4)/(s(s + 1)(s + 6)). أوجد النقطة σa التي تقطع فيها الخطوط المقاربة للمحل الهندسي للجذور المحور الحقيقي.

L(s) = K(s + 4)/(s(s + 1)(s + 6))
σa =
39.خطأ الحالة المستقرة والتحكم PIDمتوسطة
R(s)+K(s + 4)(s + 10)C(s)−

لحلقة تغذية عكسية وحدوية G(s) = K/((s + 4)(s + 10)). أوجد الكسب K الذي يعطي خطأ حالة مستقرة قدره 2 % لدخل خطوة.

G(s) = K/((s + 4)(s + 10))ess = 2 %
K =
40.خطأ الحالة المستقرة والتحكم PIDصعبة
R(s)+4 + Kd​s2s(s + 2)C(s)−

يتحكم متحكم PD بالصيغة C(s) = 4 + Kd·s في المحطة G(s) = 2/(s(s + 2)) ضمن حلقة تغذية عكسية وحدوية. أوجد كسب المشتقة Kd الذي يعطي الحلقة المغلقة نسبة تخميد ζ = 0,5.

G(s) = 2/(s(s + 2))Kp = 4ζ = 0,5
Kd = s

3المحاليل

1.المقاومات على التوالي والتوازي

الإجابة: Req = 8,6 Ω

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

R1​ = 5 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​18 VR2​6 ΩAR4​5 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 = 4 + 5 = 9 Ω
R2 ∥ 9 = 6·9/(6+9) = 3,6 Ω
Req = R1 + 3,6 = 5 + 3,6 = 8,6 Ω

الإجابة

Req = 8,6 Ω
2.المقاومات على التوالي والتوازي

الإجابة: IR1 = 1,693 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​ = 8 ΩR5​ = 20 Ω+−V1​15 VR2​5 ΩAR4​12 ΩBR6​15 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 = 20 + 15 = 35 Ω
R4 ∥ 35 = 8,936 Ω
R3 + 8,936 = 16,94 Ω
R2 ∥ 16,94 = 3,86 Ω
Req = R1 + 3,86 = 5 + 3,86 = 8,86 Ω

التيار من المصدر

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

IR1 = V1/Req = 15/8,86 = 1,693 A

الإجابة

IR1 = 1,693 A
3.تحليل العقد

الإجابة: IR1 = 5,154 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​ = 4 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​24 VR2​4 ΩAR4​20 ΩBIs​5 A

حدّد العقد

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

قانون كيرشوف للتيار عند العقدة A

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

VA/R2 + (VA − V1)/R1 + (VA − VB)/R3 = 0
VA/4 + (VA − 24)/4 + (VA − VB)/4 = 0
0,75·VA − 0,25·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/20 + (VB − VA)/4 = (−5)
−0,25·VA + 0,3·VB = −5

الحل

Δ = (0,75)(0,3) − (−0,25)(−0,25) = 0,1625
VA = Δ1/Δ = 0,55/0,1625 = 3,385 V
VB = Δ2/Δ = −2,25/0,1625 = −13,85 V

الإجابة

IR1 = (V1 − VA)/R1 = (24 − 3,385)/4 = 5,154 A
4.تحليل العقد

الإجابة: IR1 = 0,0636 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​ = 25 ΩR2​ = 5 ΩR4​ = 10 Ω+−V1​10 VR3​4 ΩAR5​6 ΩBIs​6 A+−V2​10 V

حدّد العقد

الأرضي هو السلك السفلي. جهود العقد المعروفة تأتي مباشرة من المصادر (V1 = 10 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/4 + (VA − 10)/25 + (VA − VB)/5 = 0
0,49·VA − 0,2·VB = 0,4

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)/5 + (VB − 10)/10 = 6
−0,2·VA + 0,4667·VB = 7

الحل

Δ = (0,49)(0,4667) − (−0,2)(−0,2) = 0,1887
VA = Δ1/Δ = 1,587/0,1887 = 8,41 V
VB = Δ2/Δ = 3,51/0,1887 = 18,6 V

الإجابة

IR1 = (V1 − VA)/R1 = (10 − 8,41)/25 = 0,0636 A
5.تحليل الحلقات

الإجابة: I2 = −1,333 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​6 ΩA+−V2​12 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 + 6(I1 − I2) = 6
9·I1 − 6·I2 = 6

قانون كيرشوف للجهد حول الحلقة 2

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

R2·I2 + R3(I2 − I1) = −V2
4·I2 + 6(I2 − I1) = (−12)
−6·I1 + 10·I2 = −12

الحل

Δ = (9)(10) − (−6)(−6) = 54
I1 = Δ1/Δ = −12/54 = −0,2222 A
I2 = Δ2/Δ = −72/54 = −1,333 A

الإجابة

I2 = −1,333 A

تيار الحلقة السالب يسري عكس عقارب الساعة.

6.تحليل الحلقات

الإجابة: VR3 = −2,745 V

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​ = 25 ΩR2​ = 4 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​12 VR4​3 ΩAR5​20 ΩB+−V2​6 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
25·I1 + 3(I1 − I2) = 12
28·I1 − 3·I2 = 12

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
4·I2 + 3(I2 − I1) + 20(I2 − I3) = 0
−3·I1 + 27·I2 − 20·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
6·I3 + 20(I3 − I2) = (−6)
−20·I2 + 26·I3 = −6

الحل

Δ = محدد مصفوفة المعاملات = 8222
I1 = Δ1/Δ = 3264/8222 = 0,397 A
I2 = Δ2/Δ = −2424/8222 = −0,2948 A
I3 = Δ3/Δ = −3762/8222 = −0,4576 A

الإجابة

IR3 = I3 = −0,4576 A
VR3 = IR3·R3 = −0,4576·6 = −2,745 V

تيار الحلقة السالب يسري عكس عقارب الساعة.

7.التراكب

الإجابة: IR1 = 2,93 A

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

R1​ = 5 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​30 VR2​6 ΩAR4​4 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 = 5+4 = 9 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 6·9/(6+9) = 3,6 Ω
VA = 30·3,6/(5+3,6) = 12,56 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 12,56·4/9 = 5,581 V
IR1′ = (V1 − VA)/R1 = (30 − 12,56)/5 = 3,488 A
R1​ = 5 ΩR3​ = 5 ΩقصرR2​6 ΩAR4​4 ΩBIs​3 A

الحالة 2 · Is يعمل وحده

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

R1 ∥ R2 = 5·6/(5+6) = 2,727 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 4 ∥ 7,727 = 2,636 Ω
VB = Is·Req = 3·2,636 = 7,907 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 7,907·2,727/7,727 = 2,791 V
IR1″ = (V1 − VA)/R1 = (0 − 2,791)/5 = −0,5581 A

اجمع المساهمات

IR1 = IR1′ + IR1″
IR1 = 3,488 + (−0,5581) = 2,93 A

النتيجة السالبة تعني أن التيار يسري عكس السهم في الواقع.

8.التراكب

الإجابة: I = −2 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 = −4
2·I₁ + I₂ + I₃ = −9,5
I₁ + I₂ − I₃ = −11

حلّ لإيجاد الإسهامات

I₁ = −9,5 − (−4) = −5,5 mA
I₃ = (−4 − (−11))/2 = 3,5 mA
I₂ = −4 − (−5,5) − 3,5 = −2 mA

أطفئ V₂

I = I₁ + I₃ = (−5,5) + 3,5 = −2 mA

الإجابة

I = −2 mA
9.ثيفنن ونورتن

الإجابة: Vth = 10,29 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​ = 8 ΩR3​ = 12 ΩقصرR2​6 ΩAabRth​

أوجد Rth مع إطفاء كل المصادر

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

R1 ∥ R2 = 8·6/(8+6) = 3,429 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3,429 + 12 = 15,43 Ω
R1​ = 8 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​24 VR2​6 ΩAab+−Vth​

أوجد Vth، جهد الدائرة المفتوحة

عندما يكون a–b مفتوحًا لا يمرّ تيار في R₃، فلا هبوط عليه و V_b = V_A. يشكّل R₁ و R₂ مقسّم جهد.

Vth = V1·R2/(R1+R2) = 24·6/(8+6) = 10,29 V
10.ثيفنن ونورتن

الإجابة: Vth = −9,75 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​ = 2 ΩR3​ = 8 ΩقصرR2​6 ΩAمفتوحBabRth​

أوجد Rth مع إطفاء كل المصادر

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

R1 ∥ R2 = 2·6/(2+6) = 1,5 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,5 + 8 = 9,5 Ω
R1​ = 2 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​6 VR2​6 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) = 4,5 + (−1,5)·1,5 = 2,25 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 2,25 + (−1,5)·8 = −9,75 V
11.الحالات العابرة RC و RL

الإجابة: vC = 3,17 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.

مكافئ ثيفينين كما يراه المكثّف

اقصر المصدر لإيجاد Rth؛ وافتح المكثّف لإيجاد الجهد الذي سيستقر عنده.

Rth = R1 ∥ R2 = 2,2·6,8/(2,2 + 6,8) = 1,662 kΩ
vC(∞) = 15·6,8/(2,2 + 6,8) = 11,33 V

الثابت الزمني

τ = Rth·C = 1,662·220 = 365,7 ms

منحنى الشحن

vC(t) = 11,33·(1 − e−120/365,7) = 3,17 V

الإجابة

vC = 3,17 V
12.الحالات العابرة RC و RL

الإجابة: vC = 23,07 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) = 30 V, vC(∞) = Vs = 6 V
τ = R·C = 1 kΩ · 220 µF = 220 ms
vC(t) = 6 + (30 − 6)·e−t/τ

الجهد في اللحظة المعطاة

vC(75) = 6 + (24)·e−75/220 = 23,07 V

الإجابة

vC = 23,07 V
13.معاوقة التيار المتردد والطوريات

الإجابة: I = 0,8854 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·200 = 1257 rad/s
XL = ωL = 1257·0,02 = 25,13 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(1257·10·10⁻⁶) = 79,58 Ω

المعاوقة

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

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(15² + (−54,44)²) = 56,47 Ω

التيار

يمرّ التيار نفسه في كل عنصر من عناصر دائرة التوالي.

I = V/|Z| = 50/56,47 = 0,8854 A

الإجابة

I = 0,8854 A
14.معاوقة التيار المتردد والطوريات

الإجابة: I = 0,2009 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|.

المفاعلة

XC = 1/(2π·50·10·10⁻⁶) = 318,3 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 = 91,02 − j28,59 Ω

المعاوقة الكلية

Z = 25 + 91,02 − j28,59 = 116 − j28,59 Ω
|Z| = √(116² + 28,59²) = 119,5 Ω

التيار

I = V/|Z| = 24/119,5 = 0,2009 A

الإجابة

I = 0,2009 A
15.قدرة التيار المتردد ومعامل القدرة

الإجابة: I = 324,4 A

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

القدرة غير الفعّالة لكل حِمل

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

Q1 = 27·tan(arccos 0,7) = 27,55 kvar
Q2 = 29·tan(arccos 0,8) = 21,75 kvar

المجاميع

P = 27 + 29 = 56 kW
Q = 27,55 + 21,75 = 49,3 kvar
S = √(56² + 49,3²) = 74,61 kVA

التيار الكلي

I = S/V = 74606/230 = 324,4 A

الإجابة

I = 324,4 A
16.قدرة التيار المتردد ومعامل القدرة

الإجابة: I = 17,61 A

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

القدرة غير الفعّالة قبل وبعد

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

Q1 = 4·tan(arccos 0,7) = 4,081 kvar
QC = V²·2πf·C = 240²·2π·50·150·10⁻⁶ = 2714 var = 2,714 kvar
Q2 = 4,081 − 2,714 = 1,366 kvar

القدرة الظاهرية الجديدة

S2 = √(4² + 1,366²) = 4,227 kVA

تيار الخط الجديد

I = S2/V = 4227/240 = 17,61 A

الإجابة

I = 17,61 A
17.القدرة ثلاثية الطور

الإجابة: P = 36,69 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 = VL = 415 V

تيار الطور

|Z| = √(12² + 5²) = 13 Ω
Iph = 415/13 = 31,92 A

القدرة الفعّالة الكلية

الجزء المقاومي فقط من كل ممانعة يمتصّ القدرة الفعّالة.

P = 3·Iph²·R = 3·31,92²·12 = 36,69 kW

الإجابة

P = 36,69 kW

تحقّق: cos φ = R/|Z| = 0,9231، و √3·VL·IL·cos φ يعطي القدرة نفسها.

18.القدرة ثلاثية الطور

الإجابة: Cph = 1582 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 = 150·tan(acos 0,65) = 150·1,169 = 175,4 kvar
Q2 = 150·tan(acos 0,9) = 150·0,4843 = 72,65 kvar

القدرة غير الفعّالة من المكثّفات

QC = Q1 − Q2 = 102,7 kvar

السعة لكل طور

في مجموعة Y يوصل كل مكثّف بين خط ونقطة النجمة.

V = 415/√3 = 239,6 V, ω = 2π·60 = 377 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 34240/(377·239,6²) = 1582 µF

الإجابة

Cph = 1582 µF
19.المحوّلات

الإجابة: a = 3

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.

مواءمة الحمل المحوَّل

a²·75 = 675
a = √(675/75) = √9 = 3

الإجابة

a = 3
20.المحوّلات

الإجابة: Pcu,fl = 127 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 = 25·0,8 = 20 kW
Pin = 20000/0,99 = 20202 W

المفقودات الكلية ومفقودات النحاس

Ploss = 20202 − 20000 = 202 W
Pcu,fl = 202 − 75 = 127 W

الإجابة

Pcu,fl = 127 W
21.دوائر مكبّرات العمليات

الإجابة: Vin,max = 2 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.

الكسب

Av = 1 + Rf/R1 = 1 + 10/2 = 6

أكبر دخل قبل القصّ

Vin,max = Vsat/|Av| = 12/6 = 2 V

الإجابة

Vin,max = 2 V
22.دوائر مكبّرات العمليات

الإجابة: Vout = −0,2982 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 الدخل +

V₊ = V2·R4/(R3 + R4) = 1,4·1/(4,7 + 1) = 0,2456 V

طبّق التراكب على الدخلين

مع V₂ = 0 يرى V₁ مكبّرًا عاكسًا. ومع V₁ = 0 يُكبَّر V₊ بالكسب غير العاكس 1 + R₂/R₁.

Vout = −(47/4,7)·0,3 + (1 + 47/4,7)·0,2456 = −3 + 2,702 = −0,2982 V

الإجابة

Vout = −0,2982 V
23.الثنائيات والترانزستورات

الإجابة: IC = 1,246 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.

تيار القاعدة

IB = (VCC − VBE)/RB = (12 − 0,7)/680 kΩ = 16,62 µA

تيار المجمِّع

IC = β·IB = 75·16,62 µA = 1,246 mA

الإجابة

IC = 1,246 mA

تحقّق: VCE = 10,5 V أعلى بوضوح من 0,2 V، لذا الترانزستور فعلًا في المنطقة الفعّالة.

24.الثنائيات والترانزستورات

الإجابة: IC = 2,766 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)/47 kΩ = 55,32 µA

مشبّع أم فعّال؟

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

β·IB = 2,766 mA
IC(sat) = (5 − 0,2)/150 = 32 mA

تيار المجمِّع

IC = β·IB = 2,766 mA

الإجابة

IC = 2,766 mA

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

25.أنظمة العد

الإجابة: U = 203

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

53 = 0011 0101
مقلوب: 1100 1010
+1 → 1100 1011

اقرأه بلا إشارة

1100 1011₂ = 256 − 53 = 203

الإجابة

U = 203
26.أنظمة العد

الإجابة: b = 9 bit

أنظمة العد الموضعية: قيمة كل رقم هي قيمته مضروبة في قوة من قوى الأساس. في النظام الثنائي تساوي المواضع 1، 2، 4، 8، 16، …؛ وفي السداسي عشري 1، 16، 256، …، حيث تمثل A–F القيم 10–15. في المتمم الثنائي ذي 8 بتات تساوي البتة اليسرى −128 بدلًا من +128، وهكذا تُخزَّن الأعداد السالبة.

قوى العدد 2

28 = 256 < 473
29 = 512 ≥ 473

الإجابة

b = 9
27.المنطق الرقمي: البوابات وخرائط كارنو والقلّابات

الإجابة: AB = 00, CD = 10

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

جيران كل 1

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

m2: m3, m0, m6, m10 → 0
ABCD00011110000111101111

الـ 1 المعزول

m2 = A′B′CD′ → AB = 00, CD = 10

الإجابة

AB = 00, CD = 10
28.المنطق الرقمي: البوابات وخرائط كارنو والقلّابات

الإجابة: N = 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.

Q بعد كل حافة

يتبدّل قلّاب T عند كل حافة صاعدة مع T = 1 ويحتفظ بقيمته مع T = 0.

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

عُدّ التغيرات

0 → 0 → 1 → 1 → 0 → 0 → 1
N = 3

الإجابة

N = 3
29.تحويلات لابلاس

الإجابة: f(1) = 5,59

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

الكسور الجزئية

F(s) = A/s + B/(s + 1) + C/(s + 6)
A = 60/(1·6) = 10
B = 60/((−1)·5) = −12
C = 60/((−6)·(−5)) = 2

التحويل العكسي

f(t) = 10 − 12·e−t + 2·e−6t

احسب

f(1) = 10 − 12·e−1 + 2·e−6·1 = 5,59

الإجابة

f(1) = 5,59
30.تحويلات لابلاس

الإجابة: g(0.1) = 1,668

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) = (s + 17)/(s² + 7s + 10)

الكسور الجزئية

s² + 7s + 10 = (s + 2)(s + 5)
A = 5, B = −4

استجابة النبضة

g(t) = 5·e−2t − 4·e−5t
g(0,1) = 1,668

الإجابة

g(0,1) = 1,668
31.المخططات الصندوقية

الإجابة: ess = 0,5833

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) = 12/7 = 1,714

خطأ الحالة المستقرة

ess = A/Kᵥ = 1/1,714 = 0,5833

الإجابة

ess = 0,5833
32.المخططات الصندوقية

الإجابة: css = 0,1892

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).

دوال التحويل

C/D = G/(1 + K·G) = 7/(s + 2 + 35)

الحالة المستقرة

css = 1·7/37 = 0,1892

الإجابة

css = 0,1892

K الأكبر يقلّل أثر الاضطراب، لكن لا يجعله صفرًا أبدًا مع متحكّم تناسبي.

33.الاستجابة الخطوية

الإجابة: tp = 1,814 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 = 7 → ωₙ = 2,646 rad/s
2ζωₙ = 4 → ζ = 4/(2·2,646) = 0,7559

النتيجة

ωd = 2,646·√(1 − 0,7559²) = 1,732 rad/s → tp = π/ωd = 1,814 s

الإجابة

tp = 1,814 s
34.الاستجابة الخطوية

الإجابة: vC,max = 5,471 V

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) = (85/2)·√(1 × 10⁻⁵/0,05) = 0,601

النتيجة

%OS = 9,418 %
vC,max = 5·(1 + 0,09418) = 5,471 V

الإجابة

vC,max = 5,471 V
35.مخططات بودي والهوامش

الإجابة: φ = 63,35 °

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

تردد الركن

ωc = 1/(RC) = 1/(3300·2,2 × 10⁻⁹) = 137741 rad/s
fc = 21922 Hz → f/fc = 11000/21922 = 0,5018

الطور

φ = 90° − atan(0,5018) = 63,35°

الإجابة

φ = 63,35°
36.مخططات بودي والهوامش

الإجابة: ωc = 17,42 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 الكسب

ω⁴ + 100ω² − 122500 = 0
ω² = (−100 + √(10000 + 4·122500))/2 = 303,6
ωc = 17,42 rad/s

الإجابة

ωc = 17,42 rad/s
37.الاستقرار: راوث–هرفيتز والمحل الهندسي للجذور

الإجابة: ω = 2,449 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 + 7s² + 6s + K = 0
s³: 1, 6
s²: 7, K
s¹: (7·6 − K)/7
s⁰: K

الكسب الحرج

K = 7·6 = 42

المعادلة المساعدة

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

7s² + 42 = 0 → s = ±j√6
ω = 2,449 rad/s

الإجابة

ω = 2,449 rad/s
38.الاستقرار: راوث–هرفيتز والمحل الهندسي للجذور

الإجابة: σa = −1,5

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: 0, −1, −6
أصفار: −4
n − m = 3 − 1 = 2

المركز

σa = (−7 − (−4))/2 = −1,5

الإجابة

σa = −1,5

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

39.خطأ الحالة المستقرة والتحكم PID

الإجابة: K = 1960

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

ثابت الخطأ المطلوب

1/(1 + Kp) = 0,02 → Kp = 49

الكسب

K/40 = 49 → K = 1960

الإجابة

K = 1960

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

40.خطأ الحالة المستقرة والتحكم PID

الإجابة: Kd = 0,4142 s

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

كثير الحدود المميِّز

s(s + 2) + 2(4 + Kds) = s² + (2 + 2Kd)s + 8

التردد الطبيعي

ωₙ = √8 = 2,828 rad/s

كسب المشتقة

2 + 2Kd = 2·0,5·2,828 = 2,828
Kd = 0,4142 s

الإجابة

Kd = 0,4142 s

الحد التفاضلي يضيف تخميدًا دون تغيير ωₙ.

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

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