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​ = 10 ΩIR1​R3​ = 15 Ω+−V1​18 VR2​2 ΩAR4​10 ΩB

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

V1 = 18 VR1 = 10 ΩR2 = 2 ΩR3 = 15 ΩR4 = 10 Ω
IR1 = A
2.المقاومات على التوالي والتوازيصعبة
R1​ = 30 ΩR3​ = 6 ΩR5​ = 15 Ω+−V1​15 VR2​4 ΩAR4​5 ΩBR6​2 Ω

أوجد المقاومة المكافئة Req التي يراها المصدر V1.

V1 = 15 VR1 = 30 ΩR2 = 4 ΩR3 = 6 ΩR4 = 5 ΩR5 = 15 ΩR6 = 2 Ω
Req = Ω
3.تحليل العقدمتوسطة
R1​ = 2 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​9 VR2​4 ΩAR4​5 ΩBIs​3 A

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

V1 = 9 VIs = 3 AR1 = 2 ΩR2 = 4 ΩR3 = 15 ΩR4 = 5 Ω
VA = V
4.تحليل العقدصعبة
R1​ = 8 ΩR2​ = 6 ΩR4​ = 3 Ω+−V1​6 VR3​15 ΩAR5​20 ΩBIs​5 A+−V2​5 V

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

V1 = 6 VIs = 5 AV2 = 5 VR1 = 8 ΩR2 = 6 ΩR3 = 15 ΩR4 = 3 ΩR5 = 20 Ω
VA = V
5.تحليل الحلقاتمتوسطة
R1​ = 15 ΩR2​ = 4 ΩIR2​+−V1​18 VR3​3 ΩA+−V2​18 VI1​I2​

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

V1 = 18 VV2 = 18 VR1 = 15 ΩR2 = 4 ΩR3 = 3 Ω
IR2 = A
6.تحليل الحلقاتصعبة
R1​ = 4 ΩR2​ = 25 Ω+−VR2​R3​ = 2 Ω+−V1​5 VR4​15 ΩAR5​20 ΩB+−V2​9 VI1​I2​I3​

استخدم تحليل الحلقات لإيجاد الجهد VR2 على طرفي R2 بالقطبية الموضّحة.

V1 = 5 VV2 = 9 VR1 = 4 ΩR2 = 25 ΩR3 = 2 ΩR4 = 15 ΩR5 = 20 Ω
VR2 = V
7.التراكبمتوسطة
R1​ = 2 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​24 VR2​6 ΩIR2​AR4​10 ΩBIs​2 A

استخدم مبدأ التراكب لإيجاد التيار IR2 المارّ في R2 باتجاه السهم.

V1 = 24 VIs = 2 AR1 = 2 ΩR2 = 6 ΩR3 = 15 ΩR4 = 10 Ω
IR2 = A
8.التراكبصعبة
R1​ = 20 ΩR2​ = 8 ΩIR2​R4​ = 6 Ω+−V1​18 VR3​6 ΩAIs​2,5 AB+−V2​6 V

استخدم مبدأ التراكب لإيجاد التيار IR2 المارّ في R2 باتجاه السهم.

V1 = 18 VIs = 2,5 AV2 = 6 VR1 = 20 ΩR2 = 8 ΩR3 = 6 ΩR4 = 6 Ω
IR2 = A
9.ثيفنن ونورتنمتوسطة
R1​ = 2 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​24 VR2​20 ΩARL​5 ΩIL​B

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

V1 = 24 VR1 = 2 ΩR2 = 20 ΩR3 = 2 ΩRL = 5 Ω
IL = A
10.ثيفنن ونورتنصعبة
R1​ = 30 ΩR3​ = 30 Ω+−V1​9 VR2​10 ΩAIs​1,5 ABab

أوجد جهد ثيفنن Vth المرئي من الطرفين a–b.

V1 = 9 VIs = 1,5 AR1 = 30 ΩR2 = 10 ΩR3 = 30 Ω
Vth = V
11.الحالات العابرة RC و RLمتوسطة
+−Vs​24 Vt = 0R = 5 ΩL33 mHi(t)

لا يمرّ تيار في الملف قبل أن يُغلق المفتاح عند t = 0. أوجد الطاقة W(∞) المخزّنة في الملف بعد استقرار الدائرة، بوحدة mJ.

Vs = 24 VR = 5 ΩL = 33 mH
W(∞) = mJ
12.الحالات العابرة RC و RLصعبة
+−Vs​12 Vيُفتح عند t = 0R1​ = 1 kΩR2​ = 10 kΩC220 µF+−vC​

المفتاح مغلق منذ وقت طويل، لذا الدائرة في حالة مستقرة. عند t = 0 يُفتح المفتاح. أوجد جهد المكثّف vC عند t = 1000 ms.

Vs = 12 VR1 = 1 kΩR2 = 10 kΩC = 220 µFt = 1000 ms
vC = V
13.معاوقة التيار المتردد والطورياتمتوسطة
50 V60 HzR = 15 ΩL = 20 mHC = 100 µFI

دائرة RLC على التوالي موصولة بمصدر 50 V (فعّال)، 60 Hz. أوجد التيار الفعّال I.

V = 50 V (rms)f = 60 HzR = 15 ΩL = 20 mHC = 100 µF
I = A
14.معاوقة التيار المتردد والطورياتصعبة
24 Vf0​R = 20 ΩL = 50 mHC = 0,47 µF

دائرة RLC على التوالي يغذّيها مصدر 24 V (فعّال) ضُبط تردّده على تردّد رنين الدائرة. أوجد الجهد الفعّال VL على الملف.

V = 24 V (rms)R = 20 ΩL = 50 mHC = 0,47 µF
VL = V
15.قدرة التيار المتردد ومعامل القدرةمتوسطة
240 VR + jXP = 900 W7,5 A

يأخذ حِمل حثي 7,5 A و 900 W من مصدر أحادي الطور 240 V (فعّال). مثّله بمقاومة R على التوالي مع مفاعلة X. أوجد X.

V = 240 VI = 7,5 AP = 900 W
X = Ω
16.قدرة التيار المتردد ومعامل القدرةصعبة
P = 45 kWQ1​S1​φ1​QC​

يستهلك حِمل أحادي الطور 45 kW بمعامل قدرة 0,75 متأخّر من مصدر 230 V، 50 Hz. يرفع مكثّف موصول على التوازي معامل القدرة إلى 0,98. أوجد تيار الخط الجديد Inew.

P = 45 kWpf1 = 0,75pf2 = 0,98V = 230 Vf = 50 Hz
Inew = A
17.القدرة ثلاثية الطورمتوسطة
ABCVL​ = 400 VNZ = 6 + j8 Ωلكل طور

حمل متوازن موصول Y ممانعته 6 + j8 Ω لكل طور موصول بمصدر ثلاثي الطور متوازن جهد خطه 400 V. أوجد القدرة الفعّالة الكلية P التي يمتصّها الحمل بالـ kW.

VL = 400 VZ = 6 + j8 Ω لكل طور
P = kW
18.القدرة ثلاثية الطورصعبة
P = 120 kWφ1​S1​Q2​QC​ = ?

حمل ثلاثي الطور متوازن يأخذ 120 kW عند معامل قدرة 0,75 متأخر من مصدر 415 V (جهد خط) و 50 Hz. يجب أن ترفع مجموعة مكثّفات ثلاثية الطور موصولة على التوازي مع الحمل معامل القدرة الكلي إلى 0,92 متأخر. تبقى القدرة الفعّالة كما هي. أوجد القدرة غير الفعّالة الكلية QC التي يجب أن تقدّمها مجموعة المكثّفات، بالـ kvar.

P = 120 kWpf1 = 0,75pf2 = 0,92VL = 415 Vf = 50 Hz
QC = kvar
19.المحوّلاتمتوسطة
2400 V240 VIHV​ = ?ILV​75 kVA

محوّل أحادي الطور 75 kVA و 2400/240 V يعمل عند حمله المقنَّن. اعتبره مثاليًا. أوجد التيار IHV في ملف الجهد العالي.

S = 75 kVAV1 = 2400 VV2 = 240 V
IHV = A
20.المحوّلاتصعبة
500 kVA

محوّل أحادي الطور 500 kVA مفقودات قلبه 2000 W ومفقودات نحاسه 4000 W عند الحمل المقنَّن. عند أي حمل Sη,max، بالـ kVA، تكون كفاءته في أعلاها؟

S = 500 kVAPcore = 2000 WPcu,fl = 4000 W
Sη,max = kVA
21.دوائر مكبّرات العملياتمتوسطة
−+Vout​R2​ = 4,7 kΩV1​ = −2,9 VR1​ = 2 kΩV2​ = −2,6 VR3​ = 2 kΩR4​ = 4,7 kΩ

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

V1 = −2,9 VV2 = −2,6 VR1 = R3 = 2 kΩR2 = R4 = 4,7 kΩ
Vout = V
22.دوائر مكبّرات العملياتصعبة
−+Vout​Rf​ = 1 kΩV1​ = −1,1 VR1​ = 2 kΩV2​ = −0,9 VR2​ = 10 kΩ

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

V1 = −1,1 VV2 = −0,9 VR1 = 2 kΩR2 = 10 kΩRf = 1 kΩ
Vout = V
23.الثنائيات والترانزستوراتمتوسطة
RC​ = 1,5 kΩβ = 120VCC​ = 12 VRB​ = 270 kΩ

ترانزستور NPN بـ β = 120 منحاز بمقاومة قاعدة RB = 270 kΩ من المصدر VCC = 12 V. مقاومة المجمِّع RC = 1,5 kΩ والباعث موصول بالأرضي. خذ VBE = 0,7 V وافترض أن الترانزستور في المنطقة الفعّالة. أوجد جهد المجمِّع–الباعث VCE.

VCC = 12 VRB = 270 kΩRC = 1,5 kΩβ = 120VBE = 0,7 V
VCE = V
24.الثنائيات والترانزستوراتصعبة
+−≥ 20 VR = ?12 V≤ 25 mA

يجب أن يغذّي منظم زينر 12 V حملًا بتيار يصل إلى 25 mA. قد ينخفض الدخل إلى 20 V، ويحتاج زينر إلى 1 mA على الأقل ليظل منظِّمًا. أوجد أكبر مقاومة توالٍ Rmax تبقيه منظِّمًا.

Vin,min = 20 VVZ = 12 VIL,max = 25 mAIZ,min = 1 mA
Rmax = Ω
25.أنظمة العدمتوسطة
المتمم الثنائي ذو 8 بتات0−12806403201608040201

اضبط البتات بحيث تخزن −84 في المتمم الثنائي بـ 8 بتات. إذا قُرئ كعدد بدون إشارة، فما قيمة النمط U؟

N = −848 bit
U =
26.أنظمة العدصعبة
انقر على البتات لضبطها012806403201608040201

اضبط البتات على الناتج بـ 8 بتات لـ 1110 0101 OR 0010 1011. ما قيمة الناتج R بالعشري؟

1110 0101OR0010 1011
R =
27.المنطق الرقمي: البوابات وخرائط كارنو والقلّاباتمتوسطة
ABC00011110011001131204051716

استخدم خريطة كارنو لإيجاد الصيغة الدنيا لجداء المجاميع (POS) للدالة F(A, B, C) = Σm(0, 2, 3, 6, 7). كم حد مجموع (عاملًا) N فيها؟

F(A, B, C) = Σm(0, 2, 3, 6, 7)
N =
28.المنطق الرقمي: البوابات وخرائط كارنو والقلّاباتصعبة
DQ3​Q3​DQ2​Q2​DQ1​Q1​DQ0​Q0​CLKRING

عدّاد حلقي من 4 بتّات Q₃Q₂Q₁Q₀ يبدأ من 1010. عند كل حافة ساعة تنزاح البتّات مكانًا واحدًا إلى اليمين (Q₃ → Q₂ → Q₁ → Q₀) ويتلقى Q₃ القيمة Q₀. أعطِ الحالة Q = Q₃Q₂Q₁Q₀ كعدد عشري بعد 9 حافة ساعة.

Q₃Q₂Q₁Q₀ = 10109
Q =
29.تحويلات لابلاسمتوسطة
ReIm−1−2−3−4−5−61

F(s) = (6s + 25)/(s² + 11s + 30). تحويله العكسي على الصورة f(t) = A·e−5t + B·e−6t. أوجد المعامل A بالكسور الجزئية.

F(s) = (6s + 25)/(s² + 11s + 30)
A =
30.تحويلات لابلاسصعبة
ReIm−2−42

يُوصف نظام بالمعادلة التفاضلية y″ + 2y′ + 10y = 4u′ + 14u، 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 = 0,2 s. أوجد g(0,2).

y″ + 2y′ + 10y = 4u′ + 14ut = 0,2 s
g(0.2) =
31.المخططات الصندوقيةمتوسطة
R(s)+24s + 9G(s)C(s)0,1H−

يُتحكَّم في نظام G(s) = 24/(s + 9) في حلقة تغذية راجعة سالبة كسب مستشعرها H = 0,1. تُطبَّق خطوة مقدارها 1 عند R. أوجد خرج الحالة المستقرة css.

G(s) = 24/(s + 9)H = 0,1R = 1
css =
32.المخططات الصندوقيةصعبة
R(s)+19s + 2G₁+4s + 6G₂C(s)0,5H₁−0,25H₂−

اختزل المخطط الصندوقي مع G₁ = 19/(s + 2) و G₂ = 4/(s + 6) وتغذية راجعة سالبة داخلية H₁ = 0,5 حول G₂ وتغذية راجعة سالبة خارجية H₂ = 0,25. أوجد كسب التيار المستمر T(0) للنسبة C(s)/R(s).

G₁ = 19/(s + 2)G₂ = 4/(s + 6)H₁ = 0,5H₂ = 0,25
T(0) =
33.الاستجابة الخطويةمتوسطة
t (s)y(t)0,5

لنظام دالة النقل G(s) = 14/(s² + 7s + 28) ويتلقى دخلًا خطويًا وحدويًا. القطبان هما s = σ ± jωd. أوجد الجزء الحقيقي σ.

G(s) = 14/(s² + 7s + 28)
σ =
34.الاستجابة الخطويةصعبة
+−24 VR = 179 ΩL = 200 mHC = 1 µFvC​

دائرة RLC على التسلسل فيها R = 179 Ω وL = 200 mH وC = 1 µF موصولة بخطوة جهد 24 V عند t = 0. المكثف غير مشحون ولا يمر تيار قبل الخطوة. أوجد التردد الطبيعي غير المخمّد ωn بوحدة rad/s.

R = 179 ΩL = 200 mHC = 1 µFV = 24 V
ωn = rad/s
35.مخططات بودي والهوامشمتوسطة
|H| (dB)0,1110100−60−40−20020ω (rad/s)ω = 1

أوجد المقدار الدقيق |G(jω)| لـ G(s) = 32/((s + 1)(s + 8)) عند ω = 1 rad/s، بوحدة dB.

G(s) = 32/((s + 1)(s + 8))ω = 1 rad/s
|G(jω)| = dB
36.مخططات بودي والهوامشصعبة
|H| (dB)0,10,1111010100100−60−40−200204060ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−180−135−90−450ωc​

حلقة تغذية عكسية وحدوية دالة نقلها المفتوحة L(s) = 50/(s(s + 2)). أوجد هامش الطور PM بالدرجات.

L(s) = 50/(s(s + 2))
PM = °
37.الاستقرار: راوث–هرفيتز والمحل الهندسي للجذورمتوسطة
R(s)+K1s(s + 8)(s + 10)C(s)−

لحلقة المخطط دالة نقل الحلقة المفتوحة L(s) = K/(s(s + 8)(s + 10)). أوجد أكبر كسب Kmax تكون الحلقة المغلقة عنده مستقرة.

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

يغادر المحل الهندسي للجذور لـ L(s) = K/(s(s + 3)(s + 10)) المحور الحقيقي بين s = 0 وs = −3. أوجد نقطة الانفصال sb.

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

يجب أن تتبع حلقة تغذية عكسية وحدوية فيها G(s) = K/(s(s + 2)) المنحدر r(t) = 2t بخطأ حالة مستقرة قدره 0,05. أوجد الكسب K.

G(s) = K/(s(s + 2))r(t) = 2tess = 0,05
K =
40.خطأ الحالة المستقرة والتحكم PIDصعبة
R(s)+K10s(s + 10)C(s)−

يتحكم متحكم تناسبي K في المحطة G(s) = 10/(s(s + 10)) ضمن حلقة تغذية عكسية وحدوية. أوجد الكسب K الذي يعطي الحلقة المغلقة نسبة تخميد ζ = 0,6.

G(s) = 10/(s(s + 10))ζ = 0,6
K =

3المحاليل

1.المقاومات على التوالي والتوازي

الإجابة: IR1 = 1,519 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​ = 10 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​18 VR2​2 ΩAR4​10 ΩB

اجمع المقاومات بدءًا من الطرف البعيد

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

R3 + R4 = 15 + 10 = 25 Ω
R2 ∥ 25 = 2·25/(2+25) = 1,852 Ω
Req = R1 + 1,852 = 10 + 1,852 = 11,85 Ω

التيار من المصدر

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

IR1 = V1/Req = 18/11,85 = 1,519 A

الإجابة

IR1 = 1,519 A
2.المقاومات على التوالي والتوازي

الإجابة: Req = 32,85 Ω

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

R1​ = 30 ΩR3​ = 6 ΩR5​ = 15 Ω+−V1​15 VR2​4 ΩAR4​5 ΩBR6​2 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 = 15 + 2 = 17 Ω
R4 ∥ 17 = 3,864 Ω
R3 + 3,864 = 9,864 Ω
R2 ∥ 9,864 = 2,846 Ω
Req = R1 + 2,846 = 30 + 2,846 = 32,85 Ω

الإجابة

Req = 32,85 Ω
3.تحليل العقد

الإجابة: VA = 4,688 V

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

R1​ = 2 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​9 VR2​4 ΩAR4​5 ΩBIs​3 A

حدّد العقد

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

قانون كيرشوف للتيار عند العقدة A

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

VA/R2 + (VA − V1)/R1 + (VA − VB)/R3 = 0
VA/4 + (VA − 9)/2 + (VA − VB)/15 = 0
0,8167·VA − 0,06667·VB = 4,5

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/5 + (VB − VA)/15 = (−3)
−0,06667·VA + 0,2667·VB = −3

الحل

Δ = (0,8167)(0,2667) − (−0,06667)(−0,06667) = 0,2133
VA = Δ1/Δ = 1/0,2133 = 4,688 V
VB = Δ2/Δ = −2,15/0,2133 = −10,08 V

الإجابة

VA = 4,688 V
4.تحليل العقد

الإجابة: VA = 8,999 V

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

R1​ = 8 ΩR2​ = 6 ΩR4​ = 3 Ω+−V1​6 VR3​15 ΩAR5​20 ΩBIs​5 A+−V2​5 V

حدّد العقد

الأرضي هو السلك السفلي. جهود العقد المعروفة تأتي مباشرة من المصادر (V1 = 6 V, V2 = 5 V). المجاهيل: VA, VB.

قانون كيرشوف للتيار عند العقدة A

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

VA/R3 + (VA − V1)/R1 + (VA − VB)/R2 = 0
VA/15 + (VA − 6)/8 + (VA − VB)/6 = 0
0,3583·VA − 0,1667·VB = 0,75

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/20 + (VB − VA)/6 + (VB − 5)/3 = 5
−0,1667·VA + 0,55·VB = 6,667

الحل

Δ = (0,3583)(0,55) − (−0,1667)(−0,1667) = 0,1693
VA = Δ1/Δ = 1,524/0,1693 = 8,999 V
VB = Δ2/Δ = 2,514/0,1693 = 14,85 V

الإجابة

VA = 8,999 V
5.تحليل الحلقات

الإجابة: IR2 = −2,308 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​ = 15 ΩR2​ = 4 Ω+−V1​18 VR3​3 ΩA+−V2​18 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
15·I1 + 3(I1 − I2) = 18
18·I1 − 3·I2 = 18

قانون كيرشوف للجهد حول الحلقة 2

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

R2·I2 + R3(I2 − I1) = −V2
4·I2 + 3(I2 − I1) = (−18)
−3·I1 + 7·I2 = −18

الحل

Δ = (18)(7) − (−3)(−3) = 117
I1 = Δ1/Δ = 72/117 = 0,6154 A
I2 = Δ2/Δ = −270/117 = −2,308 A

الإجابة

IR2 = I2 = −2,308 A

تيار الحلقة السالب يسري عكس عقارب الساعة.

6.تحليل الحلقات

الإجابة: VR2 = −3,532 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​ = 4 ΩR2​ = 25 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​5 VR4​15 ΩAR5​20 ΩB+−V2​9 VI1​I2​I3​

عيّن تيارات الحلقات

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

قانون كيرشوف للجهد حول الحلقة 1

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

R1·I1 + R4(I1 − I2) = V1
4·I1 + 15(I1 − I2) = 5
19·I1 − 15·I2 = 5

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
25·I2 + 15(I2 − I1) + 20(I2 − I3) = 0
−15·I1 + 60·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
2·I3 + 20(I3 − I2) = (−9)
−20·I2 + 22·I3 = −9

الحل

Δ = محدد مصفوفة المعاملات = 12530
I1 = Δ1/Δ = 1900/12530 = 0,1516 A
I2 = Δ2/Δ = −1770/12530 = −0,1413 A
I3 = Δ3/Δ = −6735/12530 = −0,5375 A

الإجابة

IR2 = I2 = −0,1413 A
VR2 = IR2·R2 = −0,1413·25 = −3,532 V

تيار الحلقة السالب يسري عكس عقارب الساعة.

7.التراكب

الإجابة: IR2 = 2,642 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​ = 2 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​24 VR2​6 ΩAR4​10 ΩBمفتوح

الحالة 1 · V1 يعمل وحده

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

R3+R4 = 15+10 = 25 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 6·25/(6+25) = 4,839 Ω
VA = 24·4,839/(2+4,839) = 16,98 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 16,98·10/25 = 6,792 V
IR2′ = (VA − 0)/R2 = (16,98 − 0)/6 = 2,83 A
R1​ = 2 ΩR3​ = 15 ΩقصرR2​6 ΩAR4​10 ΩBIs​2 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 = 2·6/(2+6) = 1,5 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 10 ∥ 16,5 = 6,226 Ω
VB = Is·Req = (−2)·6,226 = −12,45 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = −12,45·1,5/16,5 = −1,132 V
IR2″ = (VA − 0)/R2 = (−1,132 − 0)/6 = −0,1887 A

اجمع المساهمات

IR2 = IR2′ + IR2″
IR2 = 2,83 + (−0,1887) = 2,642 A

النتيجة السالبة تعني أن التيار يسري عكس السهم في الواقع.

8.التراكب

الإجابة: IR2 = −0,905 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​ = 20 ΩR2​ = 8 ΩR4​ = 6 Ω+−V1​18 VR3​6 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) = 6 ∥ 14 = 4,2 Ω
VA = 18·4,2/(20+4,2) = 3,124 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 3,124·6/14 = 1,339 V
IR2′ = (VA − VB)/R2 = (3,124 − 1,339)/8 = 0,2231 A
R1​ = 20 ΩR2​ = 8 ΩR4​ = 6 ΩقصرR3​6 ΩAIs​2,5 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 = 4,615 Ω، إذن المسار الأيسر هو R2+4,615 = 12,62 Ω
Req = R4 ∥ 12,62 = 4,066 Ω
VB = Is·Req = 2,5·4,066 = 10,17 V
VA = VB·4,615/12,62 = 3,719 V
IR2″ = (VA − VB)/R2 = (3,719 − 10,17)/8 = −0,8058 A
R1​ = 20 ΩR2​ = 8 ΩR4​ = 6 ΩقصرR3​6 ΩAمفتوحB+−V2​6 V

الحالة 3 · V2 يعمل وحده

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

R1 ∥ R3 = 20·6/(20+6) = 4,615 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = 6·12,62/18,62 = 4,066 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = 4,066·4,615/12,62 = 1,488 V
IR2‴ = (VA − VB)/R2 = (1,488 − 4,066)/8 = −0,3223 A

اجمع المساهمات

IR2 = IR2′ + IR2″ + IR2‴
IR2 = 0,2231 + (−0,8058) + (−0,3223) = −0,905 A

النتيجة السالبة تعني أن التيار يسري عكس السهم في الواقع.

9.ثيفنن ونورتن

الإجابة: IL = 2,474 A

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

R1​ = 2 ΩR3​ = 2 ΩقصرR2​20 ΩAabRth​

أوجد Rth مع إطفاء كل المصادر

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

R1 ∥ R2 = 2·20/(2+20) = 1,818 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,818 + 2 = 3,818 Ω
R1​ = 2 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​24 VR2​20 ΩAab+−Vth​

أوجد Vth، جهد الدائرة المفتوحة

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

Vth = V1·R2/(R1+R2) = 24·20/(2+20) = 21,82 V
Rth​ = 3,818 Ω+−Vth​21,82 VRL​5 ΩIL​

صِل الحِمل بمكافئ ثيفنن

يتصرّف مصدر ثيفنن و R_th على التوالي عند a–b تمامًا كالدائرة الأصلية، فيرى الحِمل حلقة توالٍ بسيطة.

IL = Vth/(Rth + RL) = 21,82/(3,818 + 5) = 2,474 A
10.ثيفنن ونورتن

الإجابة: Vth = −54 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​ = 30 ΩR3​ = 30 ΩقصرR2​10 ΩAمفتوحBabRth​

أوجد Rth مع إطفاء كل المصادر

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

R1 ∥ R2 = 30·10/(30+10) = 7,5 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 7,5 + 30 = 37,5 Ω
R1​ = 30 ΩR3​ = 30 Ω+−V1​9 VR2​10 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) = 2,25 + (−1,5)·7,5 = −9 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = −9 + (−1,5)·30 = −54 V
11.الحالات العابرة RC و RL

الإجابة: W(∞) = 380,2 mJ

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

الثابت الزمني والتيار النهائي

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

τ = L/R = 33 mH / 5 Ω = 6,6 ms
i(∞) = Vs/R = 24/5 = 4,8 A

الطاقة المخزّنة

W(∞) = ½·L·i(∞)² = ½·33·4,8² = 380,2 mJ

الإجابة

W(∞) = 380,2 mJ
12.الحالات العابرة RC و RL

الإجابة: vC = 6,924 V

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

جهد المكثّف الابتدائي

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

vC(0) = 12·10/(1 + 10) = 10,91 V

الثابت الزمني بعد فتح المفتاح

τ = R2·C = 10·220 = 2200 ms

التفريغ

vC(t) = 10,91·e−1000/2200 = 6,924 V

الإجابة

vC = 6,924 V
13.معاوقة التيار المتردد والطوريات

الإجابة: I = 2,066 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·60 = 377 rad/s
XL = ωL = 377·0,02 = 7,54 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(377·100·10⁻⁶) = 26,53 Ω

المعاوقة

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

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(15² + (−18,99)²) = 24,2 Ω

التيار

يمرّ التيار نفسه في كل عنصر من عناصر دائرة التوالي.

I = V/|Z| = 50/24,2 = 2,066 A

الإجابة

I = 2,066 A
14.معاوقة التيار المتردد والطوريات

الإجابة: VL = 391,4 V

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

الرنين

عند الرنين تُلغى المفاعلتان، لذا المعاوقة هي R فقط.

ω₀ = 1/√(LC) = 1/√(0,05·0,47·10⁻⁶) = 6523 rad/s
I = V/R = 24/20 = 1,2 A

الجهد على الملف

XL = ω₀L = 6523·0,05 = 326,2 Ω
VL = I·XL = 1,2·326,2 = 391,4 V

الإجابة

VL = 391,4 V

هذا Q = 16,31 مرة جهد المصدر.

15.قدرة التيار المتردد ومعامل القدرة

الإجابة: X = 27,71 Ω

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

المقاومة من القدرة الفعلية

R = P/I² = 900/7,5² = 16 Ω

المفاعلة من المعاوقة

|Z| = V/I = 240/7,5 = 32 Ω
X = √(|Z|² − R²) = √(32² − 16²) = 27,71 Ω

الإجابة

X = 27,71 Ω
16.قدرة التيار المتردد ومعامل القدرة

الإجابة: Inew = 199,6 A

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

القدرة غير الفعّالة قبل وبعد

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

Q1 = P·tan φ1 = 45·tan(41,41°) = 39,69 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 45·tan(11,48°) = 9,138 kvar
QC = Q1 − Q2 = 30,55 kvar

تيار الخط الجديد

Inew = P/(V·cos φ2) = 45000/(230·0,98) = 199,6 A

الإجابة

Inew = 199,6 A
17.القدرة ثلاثية الطور

الإجابة: P = 9,6 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 = 400/√3 = 230,9 V

تيار الطور

|Z| = √(6² + 8²) = 10 Ω
Iph = 230,9/10 = 23,09 A

القدرة الفعّالة الكلية

الجزء المقاومي فقط من كل ممانعة يمتصّ القدرة الفعّالة.

P = 3·Iph²·R = 3·23,09²·6 = 9,6 kW

الإجابة

P = 9,6 kW

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

18.القدرة ثلاثية الطور

الإجابة: QC = 54,71 kvar

النظم ثلاثية الطور المتوازنة: في توصيل Y (النجمة) يكون جهد الخط √3 ضعف جهد الطور، VL = √3·Vph، ويساوي تيار الخط تيار الطور. وفي توصيل Δ (الدلتا) يساوي جهد الخط جهد الطور، ويكون تيار الخط √3 ضعف تيار الطور، IL = √3·Iph. القدرة الكلية ثلاثة أضعاف قدرة الطور الواحد: P = 3·Vph·Iph·cos φ = √3·VL·IL·cos φ. تحسين معامل القدرة: تقدّم المكثّفات القدرة غير الفعّالة محليًا، QC = P·(tan φ1 − tan φ2). يقدّم كل مكثّف من المكثّفات الثلاثة QC/3 = V²·ω·C، حيث V الجهد على ذلك المكثّف: VL في مجموعة Δ، و VL/√3 في مجموعة Y.

القدرة غير الفعّالة قبل وبعد

القدرة الفعّالة لا تتغيّر، لذا يحدّد كل معامل قدرة القدرة غير الفعّالة: Q = P·tan φ.

Q1 = 120·tan(acos 0,75) = 120·0,8819 = 105,8 kvar
Q2 = 120·tan(acos 0,92) = 120·0,426 = 51,12 kvar

القدرة غير الفعّالة من المكثّفات

QC = Q1 − Q2 = 54,71 kvar

الإجابة

QC = 54,71 kvar
19.المحوّلات

الإجابة: IHV = 31,25 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 = 75000/2400 = 31,25 A

الإجابة

IHV = 31,25 A
20.المحوّلات

الإجابة: Sη,max = 353,6 kVA

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

مفقودات النحاس تساوي مفقودات القلب

x²·4000 = 2000 → x = √(2000/4000) = 0,7071

الحمل عند أقصى كفاءة

Sη,max = x·S = 0,7071·500 = 353,6 kVA

الإجابة

Sη,max = 353,6 kVA
21.دوائر مكبّرات العمليات

الإجابة: Vout = 0,705 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) = −2,6·4,7/(2 + 4,7) = −1,824 V
V₋ = V₊

قانون كيرشوف للتيار عند الدخل العاكس

(−2,9 − −1,824)/2 = (−1,824 − Vout)/4,7
Vout = (R2/R1)·(V2 − V1) = (4,7/2)·(−2,6 − (−2,9)) = 0,705 V

الإجابة

Vout = 0,705 V
22.دوائر مكبّرات العمليات

الإجابة: Vout = 0,64 V

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

تيارات الدخل

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

I1 = V1/R1 = −1,1/2 = −0,55 mA
I2 = V2/R2 = −0,9/10 = −0,09 mA
If = I1 + I2 = −0,64 mA

جهد الخرج

Vout = −Rf·If = −1·(−0,64) = 0,64 V

الإجابة

Vout = 0,64 V
23.الثنائيات والترانزستورات

الإجابة: VCE = 4,467 V

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

تيار القاعدة

IB = (VCC − VBE)/RB = (12 − 0,7)/270 kΩ = 41,85 µA

تيار المجمِّع

IC = β·IB = 120·41,85 µA = 5,022 mA

جهد المجمِّع–الباعث

VCE = 12 − 5,022 mA·1,5 kΩ = 4,467 V

الإجابة

VCE = 4,467 V
24.الثنائيات والترانزستورات

الإجابة: Rmax = 307,7 Ω

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

التيار في أسوأ حالة

IR = 25 + 1 = 26 mA

أكبر مقاومة

Rmax = 8/0,026 = 307,7 Ω

الإجابة

Rmax = 307,7 Ω
25.أنظمة العد

الإجابة: U = 172

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

84 = 0101 0100
مقلوب: 1010 1011
+1 → 1010 1100

اقرأه بلا إشارة

1010 1100₂ = 256 − 84 = 172

الإجابة

U = 172
26.أنظمة العد

الإجابة: R = 239

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

بتًا ببت

تعطي OR القيمة 1 حيث يكون أحد البتين على الأقل 1.

1110 0101
OR 0010 1011
= 1110 1111

قيمة الناتج

1110 1111₂ = 239

الإجابة

R = 239
27.المنطق الرقمي: البوابات وخرائط كارنو والقلّابات

الإجابة: N = 2

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

ABC00011110011001131204051716

جمّع الأصفار

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

(B + C′)
(A′ + B)

الصيغة الدنيا POS

F = (B + C′)(A′ + B)
N = 2

الإجابة

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

الإجابة: Q = 5

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

الحالة بعد كل حافة

1010 → 0101 → 1010 → 0101 → 1010 → 0101 → 1010 → 0101 → 1010 → 0101

القيمة العشرية

0101₂ = 5

الإجابة

Q = 5
29.تحويلات لابلاس

الإجابة: A = −5

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 + 11s + 30 = (s + 5)(s + 6)
F(s) = A/(s + 5) + B/(s + 6)

قاعدة التغطية

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

A = (6s + 25)/(s + 6) |s = −5 = −5/1 = −5

الإجابة

A = −5
(B = 11، لذا f(t) = −5·e−5t + 11·e−6t)
30.تحويلات لابلاس

الإجابة: g(0.2) = 4,244

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) = (4s + 14)/(s² + 2s + 10)

الكسور الجزئية

s² + 2s + 10 = (s + 1)² + 3²
G(s) = 4·(s + 1)/((s + 1)² + 3²) + (10/3)·3/((s + 1)² + 3²)

استجابة النبضة

g(t) = e−t·(4·cos 3t + 3,333·sin 3t)
g(0,2) = 4,244

الإجابة

g(0,2) = 4,244
31.المخططات الصندوقية

الإجابة: css = 2,105

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).

دالة تحويل الحلقة المغلقة

T(s) = G/(1 + G·H) = 24/(s + 9 + 2,4) = 24/(s + 11,4)

النتيجة

css = R·T(0) = 1·24/11,4 = 2,105

الإجابة

css = 2,105
32.المخططات الصندوقية

الإجابة: T(0) = 2,171

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 = G₂/(1 + G₂H₁) = 4/(s + 8)

الحلقة الخارجية

T(s) = G₁Gᵢ/(1 + G₁GᵢH₂) = 76/((s + 2)(s + 8) + 19)

كسب التيار المستمر

T(0) = 76/(2·8 + 19) = 76/35 = 2,171

الإجابة

T(0) = 2,171
33.الاستجابة الخطوية

الإجابة: σ = −3,5

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 = 28 → ωₙ = 5,292 rad/s
2ζωₙ = 7 → ζ = 7/(2·5,292) = 0,6614

النتيجة

σ = −ζωₙ = −7/2 = −3,5

الإجابة

σ = −3,5
34.الاستجابة الخطوية

الإجابة: ωn = 2236 rad/s

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

التردد الطبيعي ونسبة التخميد

ωₙ = 1/√(LC) = 1/√(0,2·1 × 10⁻⁶) = 2236 rad/s
ζ = (R/2)·√(C/L) = (179/2)·√(1 × 10⁻⁶/0,2) = 0,2001

النتيجة

ωₙ = 2236 rad/s

الإجابة

ωn = 2236 rad/s
35.مخططات بودي والهوامش

الإجابة: |G(jω)| = 8,964 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.

اضرب المقادير

|G(j1)| = 32/(√(1² + 1²)·√(1² + 8²)) = 32/(1,414·8,062) = 2,807

النتيجة

20·log₁₀(2,807) = 8,964 dB

الإجابة

|G(jω)| = 8,964 dB
36.مخططات بودي والهوامش

الإجابة: PM = 16,1 °

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 + 4ω² − 2500 = 0
ω² = (−4 + √(16 + 4·2500))/2 = 48,04
ωc = 6,931 rad/s

هامش الطور

∠L(jωc) = −90° − atan(6,931/2) = −163,9°
PM = 180° + ∠L = 16,1°

الإجابة

PM = 16,1°
37.الاستقرار: راوث–هرفيتز والمحل الهندسي للجذور

الإجابة: Kmax = 1440

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.

المعادلة المميزة

s³ + 18s² + 80s + K = 0

جدول روث

s³: 1, 80
s²: 18, K
s¹: (18·80 − K)/18
s⁰: K

الشروط

يجب أن يكون كل عنصر في العمود الأول موجبًا.

K > 0
18·80 − K > 0 → K < 1440

الإجابة

Kmax = 1440

عند K = 1440 تتذبذب الحلقة المغلقة بالتردد ω = √80 = 8,944 rad/s.

38.الاستقرار: راوث–هرفيتز والمحل الهندسي للجذور

الإجابة: sb = −1,371

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

الكسب على طول المحور الحقيقي

K(s) = −s(s + 3)(s + 10) = −(s³ + 13s² + 30s)

النقاط الحرجة

dK/ds = −(3s² + 26s + 30) = 0
s = (−26 ± √(676 − 360))/6 = −1,371, −7,296

اختر النقطة الواقعة على المحل الهندسي

يقع المحل الهندسي على المحور الحقيقي بين 0 و−3؛ أما الجذر الآخر فليس على المحل الهندسي.

sb = −1,371

الإجابة

sb = −1,371
39.خطأ الحالة المستقرة والتحكم PID

الإجابة: K = 80

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

ثابت السرعة المطلوب

Kv = A/ess = 2/0,05 = 40

الكسب

K = 2·Kv = 80

الإجابة

K = 80

الكسب الكبير يجعل هذه الحلقة قليلة التخميد جدًا: ζ = 0,1118. وهذا التعارض هو سبب استخدام المعوِّضات.

40.خطأ الحالة المستقرة والتحكم PID

الإجابة: K = 6,944

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) + 10K = s² + 10s + 10K

التردد الطبيعي

2·0,6·ωₙ = 10 → ωₙ = 8,333 rad/s

الكسب

10K = ωₙ² = 69,44 → K = 6,944

الإجابة

K = 6,944

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