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​ = 12 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​15 VR2​12 ΩAR4​8 ΩB

أوجد المقاومة المكافئة Req التي يراها المصدر V1.

V1 = 15 VR1 = 12 ΩR2 = 12 ΩR3 = 5 ΩR4 = 8 Ω
Req = Ω
2.المقاومات على التوالي والتوازيصعبة
R1​ = 8 ΩR3​ = 8 ΩR5​ = 20 Ω+−V1​24 VR2​5 ΩIR2​AR4​15 ΩBR6​2 Ω

أوجد التيار IR2 عبر R2.

V1 = 24 VR1 = 8 ΩR2 = 5 ΩR3 = 8 ΩR4 = 15 ΩR5 = 20 ΩR6 = 2 Ω
IR2 = A
3.تحليل العقدمتوسطة
R1​ = 8 ΩIR1​R3​ = 12 Ω+−V1​10 VR2​6 ΩAR4​2 ΩBIs​1 A

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

V1 = 10 VIs = 1 AR1 = 8 ΩR2 = 6 ΩR3 = 12 ΩR4 = 2 Ω
IR1 = A
4.تحليل العقدصعبة
R1​ = 10 ΩIR1​R2​ = 3 ΩR4​ = 25 Ω+−V1​15 VR3​12 ΩAR5​5 ΩBIs​3 A+−V2​36 V

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

V1 = 15 VIs = 3 AV2 = 36 VR1 = 10 ΩR2 = 3 ΩR3 = 12 ΩR4 = 25 ΩR5 = 5 Ω
IR1 = A
5.تحليل الحلقاتمتوسطة
R1​ = 6 ΩR2​ = 20 Ω+−V1​6 VR3​4 ΩA+−V2​10 VI1​I2​

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

V1 = 6 VV2 = 10 VR1 = 6 ΩR2 = 20 ΩR3 = 4 Ω
I2 = A
6.تحليل الحلقاتصعبة
R1​ = 25 ΩR2​ = 4 ΩIR2​R3​ = 3 Ω+−V1​5 VR4​8 ΩAR5​10 ΩB+−V2​15 VI1​I2​I3​

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

V1 = 5 VV2 = 15 VR1 = 25 ΩR2 = 4 ΩR3 = 3 ΩR4 = 8 ΩR5 = 10 Ω
IR2 = A
7.التراكبمتوسطة
R1​ = 3 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​24 VR2​4 ΩIR2​AR4​2 ΩBIs​5 A

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

V1 = 24 VIs = 5 AR1 = 3 ΩR2 = 4 ΩR3 = 15 ΩR4 = 2 Ω
IR2 = A
8.التراكبصعبة
R1​ = 20 ΩR2​ = 8 ΩIR2​R4​ = 3 Ω+−V1​12 VR3​3 ΩAIs​3 AB+−V2​12 V

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

V1 = 12 VIs = 3 AV2 = 12 VR1 = 20 ΩR2 = 8 ΩR3 = 3 ΩR4 = 3 Ω
IR2 = A
9.ثيفنن ونورتنمتوسطة
R1​ = 4 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​10 VR2​5 ΩAab

أوجد مقاومة ثيفنن Rth المرئية من الطرفين a–b.

V1 = 10 VR1 = 4 ΩR2 = 5 ΩR3 = 15 Ω
Rth = Ω
10.ثيفنن ونورتنصعبة
R1​ = 12 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​18 VR2​15 ΩAIs​1 ABab

أوجد جهد ثيفنن Vth المرئي من الطرفين a–b.

V1 = 18 VIs = 1 AR1 = 12 ΩR2 = 15 ΩR3 = 20 Ω
Vth = V
11.الحالات العابرة RC و RLمتوسطة
+−Vs​20 Vt = 0R = 20 ΩL100 mHi(t)

لا يمرّ تيار في الملف قبل أن يُغلق المفتاح عند t = 0. أوجد الجهد vL على الملف عند t = 5 ms.

Vs = 20 VR = 20 ΩL = 100 mHt = 5 ms
vL = V
12.الحالات العابرة RC و RLصعبة
+−Vs​15 Vيُفتح عند t = 0R1​ = 10 kΩR2​ = 3,3 kΩC68 µF+−vC​

المفتاح مغلق منذ وقت طويل، لذا الدائرة في حالة مستقرة. عند t = 0 يُفتح المفتاح. أوجد جهد المكثّف vC عند t = 100 ms.

Vs = 15 VR1 = 10 kΩR2 = 3,3 kΩC = 68 µFt = 100 ms
vC = V
13.معاوقة التيار المتردد والطورياتمتوسطة
120 V500 HzR = 80 ΩC = 2,2 µFI

مقاومة ومكثّف موصولان على التوازي على مصدر 120 V (فعّال)، 500 Hz. أوجد زاوية الطور φ للمعاوقة بالدرجات (موجبة عندما يتأخّر التيار عن الجهد).

V = 120 V (rms)f = 500 HzR = 80 ΩC = 2,2 µF
φ = °
14.معاوقة التيار المتردد والطورياتصعبة
VfR = 10 ΩL = 100 mHC = 0,47 µF

دائرة RLC على التوالي لها R = 10 Ω و L = 100 mH و C = 0,47 µF. أوجد معامل الجودة Q لها عند الرنين.

R = 10 ΩL = 100 mHC = 0,47 µF
Q =
15.قدرة التيار المتردد ومعامل القدرةمتوسطة
P = 14 kWQ = ?Sφ

يستهلك محرّك أحادي الطور 14 kW بمعامل قدرة 0,9 متأخّر من مصدر 400 V. أوجد القدرة غير الفعّالة Q التي يسحبها.

P = 14 kWpf = 0,9V = 400 V
Q = kvar
16.قدرة التيار المتردد ومعامل القدرةصعبة
P1​ = 36 kWQ1​S1​φ

محوّل أحادي الطور قدرته 75 kVA يغذّي حِملًا 36 kW بمعامل قدرة 0,7 متأخّر. ما مقدار القدرة الفعلية الإضافية ΔP التي يمكن إضافتها كحِمل مقاومي (معامل قدرة واحد) قبل أن يبلغ المحوّل قدرته الاسمية بوحدة kVA؟

Smax = 75 kVAP1 = 36 kWpf1 = 0,7
ΔP = kW
17.القدرة ثلاثية الطورمتوسطة
ABCVL​ = 690 VIL​ = 40 Acos φ = 0,82متأخر

حمل ثلاثي الطور متوازن يسحب تيار خط مقداره 40 A من مصدر جهد خطه 690 V. معامل القدرة 0,82 متأخر. أوجد القدرة الفعّالة الكلية P التي يسحبها الحمل بالـ kW.

VL = 690 VIL = 40 Acos φ = 0,82
P = kW
18.القدرة ثلاثية الطورصعبة
P = 120 kWφ1​S1​Q2​QC​

حمل ثلاثي الطور متوازن يأخذ 120 kW عند معامل قدرة 0,7 متأخر من مصدر 690 V (جهد خط) و 60 Hz. يجب أن ترفع مجموعة مكثّفات ثلاثية الطور موصولة على التوازي مع الحمل معامل القدرة الكلي إلى 0,95 متأخر. تبقى القدرة الفعّالة كما هي. المكثّفات موصولة نجمة (Y). أوجد السعة Cph لكل مكثّف بالـ µF.

P = 120 kWpf1 = 0,7pf2 = 0,95VL = 690 Vf = 60 Hz
Cph = µF
19.المحوّلاتمتوسطة
6600 V230 VIHV​ = ?ILV​500 kVA

محوّل أحادي الطور 500 kVA و 6600/230 V يعمل عند حمله المقنَّن. اعتبره مثاليًا. أوجد التيار IHV في ملف الجهد العالي.

S = 500 kVAV1 = 6600 VV2 = 230 V
IHV = A
20.المحوّلاتصعبة
75 kVA

محوّل أحادي الطور 75 kVA مفقودات قلبه 450 W ومفقودات نحاسه 1800 W عند الحمل المقنَّن. عند أي حمل Sη,max، بالـ kVA، تكون كفاءته في أعلاها؟

S = 75 kVAPcore = 450 WPcu,fl = 1800 W
Sη,max = kVA
21.دوائر مكبّرات العملياتمتوسطة
−+Vout​Rf​ = 100 kΩR1​ = 47 kΩVin​ = −0,7 V

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

Vin = −0,7 VR1 = 47 kΩRf = 100 kΩ
Vout = V
22.دوائر مكبّرات العملياتصعبة
−+Vout​C = 0,1 µFVin​ = −0,6 VR = 22 kΩ

يستخدم المكامِل مكبّر عمليات مثاليًا بمصدرَي تغذية ±15 V؛ ويتشبّع خرجه عند ±13 V. المكثّف غير مشحون عند تطبيق دخل ثابت Vin = −0,6 V عند t = 0. أوجد جهد الخرج Vout عند t = 5 ms.

Vin = −0,6 VR = 22 kΩC = 0,1 µFVsat = ±13 Vt = 5 ms
Vout = V
23.الثنائيات والترانزستوراتمتوسطة
+−9 VR = ?3 × 2,2 V20 mA

3 خضراء من LED (الجهد الأمامي 2,2 V لكل منها) موصولة على التوالي مع مقاومة بمصدر 9 V. أوجد المقاومة R التي تجعل التيار 20 mA.

Vs = 9 VVF = 2,2 Vn = 3I = 20 mA
R = Ω
24.الثنائيات والترانزستوراتصعبة
+−≥ 20 VR = ?5,6 V≤ 50 mA

يجب أن يغذّي منظم زينر 5,6 V حملًا بتيار يصل إلى 50 mA. قد ينخفض الدخل إلى 20 V، ويحتاج زينر إلى 2 mA على الأقل ليظل منظِّمًا. أوجد أكبر مقاومة توالٍ Rmax تبقيه منظِّمًا.

Vin,min = 20 VVZ = 5,6 VIL,max = 50 mAIZ,min = 2 mA
Rmax = Ω
25.أنظمة العدمتوسطة
المتمم الثنائي ذو 8 بتات?−128?64?32?16?8?4?2?1

اكتب −40 كنمط متمم ثنائي ذي 8 بتات. اقرأ النمط كعدد ثنائي بلا إشارة: ما قيمته U في النظام العشري؟

N = −408 bit
U =
26.أنظمة العدصعبة
20 بت، بدون إشارة, N = ?????????????????????

ما أكبر عدد صحيح بلا إشارة N يتسع في 20 بتة؟

20 bit
N =
27.المنطق الرقمي: البوابات وخرائط كارنو والقلّاباتمتوسطة
ABC000111100101324576

بسّط F = BC + B′C + A′B إلى الصيغة الدنيا لمجموع الجداءات. كم حرفًا L يحتوي التعبير المبسَّط؟

F = BC + B′C + A′B
L =
28.المنطق الرقمي: البوابات وخرائط كارنو والقلّاباتصعبة
CLKT123456

قلّاب T يُحفَّز بالحافة الموجبة يبدأ بـ Q = 0 ويتلقى المداخل المعروضة. انقر على أول حافة ساعة ينتقل عندها Q من 1 عائدًا إلى 0.

Q₀ = 0T
  1. 1حافة الساعة 1
  2. 2حافة الساعة 2
  3. 3حافة الساعة 3
  4. 4حافة الساعة 4
  5. 5حافة الساعة 5
  6. 6حافة الساعة 6
29.تحويلات لابلاسمتوسطة
ReIm−1−2−3−4−5−6−7−81

F(s) = 4/(s² + 11s + 28). تحويله العكسي على الصورة f(t) = A·e−4t + B·e−7t. أوجد المعامل A بالكسور الجزئية.

F(s) = 4/(s² + 11s + 28)
A =
30.تحويلات لابلاسصعبة
ReIm−1−2−3−4−51

يُوصف نظام بالمعادلة التفاضلية y″ + 8y′ + 15y = 2u′ + 4u، مع الدخل u(t) والخرج y(t). أوجد دالة تحويله G(s) = Y(s)/U(s) (شروط ابتدائية صفرية) واحسب استجابة النبضة g(t) عند t = 0,25 s. أوجد g(0,25).

y″ + 8y′ + 15y = 2u′ + 4ut = 0,25 s
g(0.25) =
31.المخططات الصندوقيةمتوسطة
R(s)+K(s + 9)(s + 12)G(s)C(s)−

النظام المُتحكَّم فيه G(s) = K/((s + 9)(s + 12)) في حلقة تغذية راجعة سالبة أحادية. أوجد الكسب K الذي تكون عنده الحلقة المغلقة متخامدة تخميدًا حرجًا (قطبان حقيقيان متساويان).

G(s) = K/((s + 9)(s + 12))تغذية راجعة سالبة أحادية
K =
32.المخططات الصندوقيةصعبة
R(s)+16s + 1G₁+2s + 6G₂C(s)4H₁−0,5H₂−

اختزل المخطط الصندوقي مع G₁ = 16/(s + 1) و G₂ = 2/(s + 6) وتغذية راجعة سالبة داخلية H₁ = 4 حول G₂ وتغذية راجعة سالبة خارجية H₂ = 0,5. أوجد كسب التيار المستمر T(0) للنسبة C(s)/R(s).

G₁ = 16/(s + 1)G₂ = 2/(s + 6)H₁ = 4H₂ = 0,5
T(0) =
33.الاستجابة الخطويةمتوسطة
t (s)y(t)1

لنظام دالة النقل G(s) = 22/(s² + 7s + 22) ويتلقى دخلًا خطويًا وحدويًا. القطبان هما s = σ ± jωd. أوجد الجزء الحقيقي σ.

G(s) = 22/(s² + 7s + 22)
σ =
34.الاستجابة الخطويةصعبة
k = 500 N/mc = 5 N·s/mm = 0,5 kgF = 25 Nx(t)

كتلة m = 0,5 kg معلّقة بنابض k = 500 N/m مع مخمّد لزج c = 5 N·s/m (m·x″ + c·x′ + k·x = F). وهي ساكنة في وضع الاتزان، تُطبَّق عليها فجأةً قوة ثابتة F = 25 N. أوجد الزمن tp الذي تبلغ عنده الإزاحة أكبر قيمة.

m = 0,5 kgk = 500 N/mc = 5 N·s/mF = 25 N
tp = s
35.مخططات بودي والهوامشمتوسطة
|H| (dB)0,11101001000−80−60−40−20020ω (rad/s)ω = 30

أوجد المقدار الدقيق |G(jω)| لـ G(s) = 360/((s + 5)(s + 12)) عند ω = 30 rad/s، بوحدة dB.

G(s) = 360/((s + 5)(s + 12))ω = 30 rad/s
|G(jω)| = dB
36.مخططات بودي والهوامشصعبة
|H| (dB)0,10,111101010010010001000−60−40−200204060ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−180−135−90−450ωc​ = ?

حلقة تغذية عكسية وحدوية دالة نقلها المفتوحة L(s) = 528/(s(s + 8)). أوجد تردد تقاطع الكسب ωc، حيث |L(jω)| = 1.

L(s) = 528/(s(s + 8))
ωc = rad/s
37.الاستقرار: راوث–هرفيتز والمحل الهندسي للجذورمتوسطة
R(s)+K1(s + 2)(s + 3)(s + 5)C(s)−

لحلقة تغذية عكسية وحدوية L(s) = K/((s + 2)(s + 3)(s + 5)) مع K > 0. أوجد أكبر كسب Kmax تكون الحلقة المغلقة عنده مستقرة.

L(s) = K/((s + 2)(s + 3)(s + 5))
Kmax =
38.الاستقرار: راوث–هرفيتز والمحل الهندسي للجذورصعبة
ReIm−0,5−1−1,5−2−2,5−3−3,5−4−4,5−50,5j0,5j1

يغادر المحل الهندسي للجذور لـ L(s) = K(s + 4)/(s(s + 2)) المحور الحقيقي بين s = 0 وs = −2، ثم يدور ويلتقي بالمحور الحقيقي مجددًا إلى يسار الصفر. أوجد نقطة الانفصال sb.

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

يُطبَّق منحدر r(t) = 2t على حلقة تغذية عكسية وحدوية فيها G(s) = 10/(s(s + 2)). أوجد خطأ الحالة المستقرة ess.

G(s) = 10/(s(s + 2))r(t) = 2t
ess =
40.خطأ الحالة المستقرة والتحكم PIDصعبة
R(s)+K = 102s(s + 5)C(s)−

يتحكم متحكم تناسبي K = 10 في المحطة G(s) = 2/(s(s + 5)) ضمن حلقة تغذية عكسية وحدوية. أوجد زمن الذروة tp للاستجابة الخطوية.

G(s) = 2/(s(s + 5))K = 10
tp = s

3المحاليل

1.المقاومات على التوالي والتوازي

الإجابة: Req = 18,24 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​ = 12 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​15 VR2​12 ΩAR4​8 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 = 5 + 8 = 13 Ω
R2 ∥ 13 = 12·13/(12+13) = 6,24 Ω
Req = R1 + 6,24 = 12 + 6,24 = 18,24 Ω

الإجابة

Req = 18,24 Ω
2.المقاومات على التوالي والتوازي

الإجابة: IR2 = 1,562 A

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

R1​ = 8 ΩR3​ = 8 ΩR5​ = 20 Ω+−V1​24 VR2​5 ΩAR4​15 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 = 20 + 2 = 22 Ω
R4 ∥ 22 = 8,919 Ω
R3 + 8,919 = 16,92 Ω
R2 ∥ 16,92 = 3,859 Ω
Req = R1 + 3,859 = 8 + 3,859 = 11,86 Ω

التيار من المصدر

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

IR1 = V1/Req = 24/11,86 = 2,024 A

التيار عبر R₂

اطرح الهبوط على R₁ لتحصل على الجهد عند العقدة A، وهو الجهد على R₂.

VA = V1 − IR1·R1 = 24 − 2,024·8 = 7,81 V
IR2 = VA/R2 = 7,81/5 = 1,562 A

الإجابة

IR2 = 1,562 A
3.تحليل العقد

الإجابة: IR1 = 0,7705 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​ = 8 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​10 VR2​6 ΩAR4​2 ΩBIs​1 A

حدّد العقد

الأرضي هو السلك السفلي. جهود العقد المعروفة تأتي مباشرة من المصادر (V1 = 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/R2 + (VA − V1)/R1 + (VA − VB)/R3 = 0
VA/6 + (VA − 10)/8 + (VA − VB)/12 = 0
0,375·VA − 0,08333·VB = 1,25

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/2 + (VB − VA)/12 = 1
−0,08333·VA + 0,5833·VB = 1

الحل

Δ = (0,375)(0,5833) − (−0,08333)(−0,08333) = 0,2118
VA = Δ1/Δ = 0,8125/0,2118 = 3,836 V
VB = Δ2/Δ = 0,4792/0,2118 = 2,262 V

الإجابة

IR1 = (V1 − VA)/R1 = (10 − 3,836)/8 = 0,7705 A
4.تحليل العقد

الإجابة: IR1 = 0,2359 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​ = 10 ΩR2​ = 3 ΩR4​ = 25 Ω+−V1​15 VR3​12 ΩAR5​5 ΩBIs​3 A+−V2​36 V

حدّد العقد

الأرضي هو السلك السفلي. جهود العقد المعروفة تأتي مباشرة من المصادر (V1 = 15 V, V2 = 36 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/12 + (VA − 15)/10 + (VA − VB)/3 = 0
0,5167·VA − 0,3333·VB = 1,5

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/5 + (VB − VA)/3 + (VB − 36)/25 = 3
−0,3333·VA + 0,5733·VB = 4,44

الحل

Δ = (0,5167)(0,5733) − (−0,3333)(−0,3333) = 0,1851
VA = Δ1/Δ = 2,34/0,1851 = 12,64 V
VB = Δ2/Δ = 2,794/0,1851 = 15,09 V

الإجابة

IR1 = (V1 − VA)/R1 = (15 − 12,64)/10 = 0,2359 A
5.تحليل الحلقات

الإجابة: I2 = −0,3393 A

تحليل الحلقات: أعطِ كل نافذة في دائرة مستوية تيار حلقة خاصًا بها، واكتب قانون كيرشوف للجهد حول كل حلقة (مجموع الهبوطات = مجموع الارتفاعات)، ثم حلّ. تيارات الفروع هي تيار الحلقة، أو الفرق بين تياري حلقتين في فرع مشترك.

R1​ = 6 ΩR2​ = 20 Ω+−V1​6 VR3​4 ΩA+−V2​10 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
6·I1 + 4(I1 − I2) = 6
10·I1 − 4·I2 = 6

قانون كيرشوف للجهد حول الحلقة 2

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

R2·I2 + R3(I2 − I1) = −V2
20·I2 + 4(I2 − I1) = (−10)
−4·I1 + 24·I2 = −10

الحل

Δ = (10)(24) − (−4)(−4) = 224
I1 = Δ1/Δ = 104/224 = 0,4643 A
I2 = Δ2/Δ = −76/224 = −0,3393 A

الإجابة

I2 = −0,3393 A

تيار الحلقة السالب يسري عكس عقارب الساعة.

6.تحليل الحلقات

الإجابة: IR2 = −0,8349 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​ = 25 ΩR2​ = 4 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​5 VR4​8 ΩAR5​10 ΩB+−V2​15 VI1​I2​I3​

عيّن تيارات الحلقات

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

قانون كيرشوف للجهد حول الحلقة 1

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

R1·I1 + R4(I1 − I2) = V1
25·I1 + 8(I1 − I2) = 5
33·I1 − 8·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
4·I2 + 8(I2 − I1) + 10(I2 − I3) = 0
−8·I1 + 22·I2 − 10·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
3·I3 + 10(I3 − I2) = (−15)
−10·I2 + 13·I3 = −15

الحل

Δ = محدد مصفوفة المعاملات = 5306
I1 = Δ1/Δ = −270/5306 = −0,05089 A
I2 = Δ2/Δ = −4430/5306 = −0,8349 A
I3 = Δ3/Δ = −9530/5306 = −1,796 A

الإجابة

IR2 = I2 = −0,8349 A

تيار الحلقة السالب يسري عكس عقارب الساعة.

7.التراكب

الإجابة: IR2 = 3,344 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​ = 3 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​24 VR2​4 ΩAR4​2 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+2 = 17 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 4·17/(4+17) = 3,238 Ω
VA = 24·3,238/(3+3,238) = 12,46 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 12,46·2/17 = 1,466 V
IR2′ = (VA − 0)/R2 = (12,46 − 0)/4 = 3,115 A
R1​ = 3 ΩR3​ = 15 ΩقصرR2​4 ΩAR4​2 ΩBIs​5 A

الحالة 2 · Is يعمل وحده

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

R1 ∥ R2 = 3·4/(3+4) = 1,714 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 2 ∥ 16,71 = 1,786 Ω
VB = Is·Req = 5·1,786 = 8,931 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 8,931·1,714/16,71 = 0,916 V
IR2″ = (VA − 0)/R2 = (0,916 − 0)/4 = 0,229 A

اجمع المساهمات

IR2 = IR2′ + IR2″
IR2 = 3,115 + 0,229 = 3,344 A

النتيجة السالبة تعني أن التيار يسري عكس السهم في الواقع.

8.التراكب

الإجابة: IR2 = −1,428 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​ = 3 Ω+−V1​12 VR3​3 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) = 3 ∥ 11 = 2,357 Ω
VA = 12·2,357/(20+2,357) = 1,265 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 1,265·3/11 = 0,345 V
IR2′ = (VA − VB)/R2 = (1,265 − 0,345)/8 = 0,115 A
R1​ = 20 ΩR2​ = 8 ΩR4​ = 3 ΩقصرR3​3 ΩAIs​3 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 = 2,609 Ω، إذن المسار الأيسر هو R2+2,609 = 10,61 Ω
Req = R4 ∥ 10,61 = 2,339 Ω
VB = Is·Req = 3·2,339 = 7,016 V
VA = VB·2,609/10,61 = 1,725 V
IR2″ = (VA − VB)/R2 = (1,725 − 7,016)/8 = −0,6613 A
R1​ = 20 ΩR2​ = 8 ΩR4​ = 3 ΩقصرR3​3 ΩAمفتوحB+−V2​12 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 = 20·3/(20+3) = 2,609 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = 12·10,61/13,61 = 9,355 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = 9,355·2,609/10,61 = 2,3 V
IR2‴ = (VA − VB)/R2 = (2,3 − 9,355)/8 = −0,8818 A

اجمع المساهمات

IR2 = IR2′ + IR2″ + IR2‴
IR2 = 0,115 + (−0,6613) + (−0,8818) = −1,428 A

النتيجة السالبة تعني أن التيار يسري عكس السهم في الواقع.

9.ثيفنن ونورتن

الإجابة: Rth = 17,22 Ω

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

R1​ = 4 ΩR3​ = 15 ΩقصرR2​5 ΩAabRth​

أوجد Rth مع إطفاء كل المصادر

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

R1 ∥ R2 = 4·5/(4+5) = 2,222 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,222 + 15 = 17,22 Ω
10.ثيفنن ونورتن

الإجابة: Vth = −16,67 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​ = 12 ΩR3​ = 20 ΩقصرR2​15 ΩAمفتوحBabRth​

أوجد Rth مع إطفاء كل المصادر

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

R1 ∥ R2 = 12·15/(12+15) = 6,667 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 6,667 + 20 = 26,67 Ω
R1​ = 12 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​18 VR2​15 ΩAIs​1 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) = 10 + (−1)·6,667 = 3,333 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 3,333 + (−1)·20 = −16,67 V
11.الحالات العابرة RC و RL

الإجابة: vL = 7,358 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.

الثابت الزمني والتيار النهائي

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

τ = L/R = 100 mH / 20 Ω = 5 ms
i(∞) = Vs/R = 20/20 = 1 A

جهد الملف

عند t = 0 يظهر كامل جهد المصدر على الملف؛ ثم يضمحل إلى الصفر.

vL(t) = Vs·e−t/τ = 20·e−5/5 = 7,358 V

الإجابة

vL = 7,358 V
12.الحالات العابرة RC و RL

الإجابة: vC = 2,384 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) = 15·3,3/(10 + 3,3) = 3,722 V

الثابت الزمني بعد فتح المفتاح

τ = R2·C = 3,3·68 = 224,4 ms

التفريغ

vC(t) = 3,722·e−100/224,4 = 2,384 V

الإجابة

vC = 2,384 V
13.معاوقة التيار المتردد والطوريات

الإجابة: φ = −28,94 °

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/(ωC) = 1/(2π·500·2,2·10⁻⁶) = 144,7 Ω

تيارات الفروع

الفرعان موصولان مباشرةً على طرفي المصدر، لذا يرى كل منهما الجهد الكامل V.

IR = V/R = 120/80 = 1,5 A
IX = V/XC = 120/144,7 = 0,8294 A

التيار الكلي

تيار المقاومة متّفق في الطور مع V والتيار المفاعل مُزاح بـ 90°، لذا يُجمعان كضلعي مثلث قائم.

I = √(IR² + IX²) = √(1,5² + 0,8294²) = 1,714 A

زاوية الطور

تيار المكثّف يتقدّم على V، لذا يتقدّم التيار الكلي وتكون الزاوية سالبة.

φ = −arctan(IX/IR) = −arctan(0,8294/1,5) = −28,94°

الإجابة

φ = −28,94°
14.معاوقة التيار المتردد والطوريات

الإجابة: Q = 46,13

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

تردد الرنين

f0 = 1/(2π·√(0,1·0,47·10⁻⁶)) = 734,1 Hz

معامل الجودة

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

Q = (1/R)·√(L/C) = (1/10)·√(0,1/(0,47·10⁻⁶)) = 46,13

الإجابة

Q = 46,13
15.قدرة التيار المتردد ومعامل القدرة

الإجابة: Q = 6,781 kvar

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

الزاوية

φ = arccos(0,9) = 25,84°, tan φ = 0,4843

القدرة غير الفعّالة

Q = P·tan φ = 14·0,4843 = 6,781 kvar

الإجابة

Q = 6,781 kvar
16.قدرة التيار المتردد ومعامل القدرة

الإجابة: ΔP = 29,39 kW

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 للحِمل الموجود

Q1 = 36·tan(arccos 0,7) = 36,73 kvar

أكبر قدرة فعلية كلية

عند القدرة الاسمية الكاملة S = Smax، و Q لا يتغيّر بالحِمل المقاومي.

P = √(Smax² − Q1²) = √(75² − 36,73²) = 65,39 kW

القدرة الفعلية الإضافية

ΔP = 65,39 − 36 = 29,39 kW

الإجابة

ΔP = 29,39 kW
17.القدرة ثلاثية الطور

الإجابة: P = 39,2 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.

القدرة الظاهرية

S = √3·VL·IL = √3·690·40 = 47,8 kVA

القدرة الفعلية

P = S·cos φ = 47,8·0,82 = 39,2 kW

الإجابة

P = 39,2 kW
18.القدرة ثلاثية الطور

الإجابة: Cph = 462,3 µF

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

القدرة غير الفعّالة قبل وبعد

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

Q1 = 120·tan(acos 0,7) = 120·1,02 = 122,4 kvar
Q2 = 120·tan(acos 0,95) = 120·0,3287 = 39,44 kvar

القدرة غير الفعّالة من المكثّفات

QC = Q1 − Q2 = 82,98 kvar

السعة لكل طور

في مجموعة Y يوصل كل مكثّف بين خط ونقطة النجمة.

V = 690/√3 = 398,4 V, ω = 2π·60 = 377 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 27661/(377·398,4²) = 462,3 µF

الإجابة

Cph = 462,3 µF
19.المحوّلات

الإجابة: IHV = 75,76 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 = 500000/6600 = 75,76 A

الإجابة

IHV = 75,76 A
20.المحوّلات

الإجابة: Sη,max = 37,5 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

x²·1800 = 450 → x = √(450/1800) = 0,5

الحمل عند أقصى كفاءة

Sη,max = x·S = 0,5·75 = 37,5 kVA

الإجابة

Sη,max = 37,5 kVA
21.دوائر مكبّرات العمليات

الإجابة: Vout = −2,189 V

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

الدخل العاكس يتبع الدخل

V₋ = V₊ = −0,7 V
I = V₋/R1 = −0,7/47 = −0,01489 mA

جهد الخرج

التيار عبر R₁ يمرّ أيضًا عبر Rf.

Vout = V₋ + I·Rf = −0,7 + (−0,01489)·100 = −2,189 V

الإجابة

Vout = −2,189 V
22.دوائر مكبّرات العمليات

الإجابة: Vout = 1,364 V

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

تيار الدخل ومعدّل التغيّر

kΩ مضروبة في µF تعطي ميلي ثانية.

RC = 22 kΩ · 0,1 µF = 2,2 ms
معدّل التغيّر = −Vin/(RC) = −(−0,6)/2,2 = 0,2727 V/ms

الخرج عند الزمن المعطى

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

Vout = −Vin·t/(RC) = −(−0,6)·5/2,2 = 1,364 V

الإجابة

Vout = 1,364 V
23.الثنائيات والترانزستورات

الإجابة: R = 120 Ω

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

الجهد على المقاومة

VR = 9 − 3·2,2 = 2,4 V

المقاومة

R = 2,4/0,02 = 120 Ω

الإجابة

R = 120 Ω

تبدد المقاومة 48 mW.

24.الثنائيات والترانزستورات

الإجابة: Rmax = 276,9 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 = 50 + 2 = 52 mA

أكبر مقاومة

Rmax = 14,4/0,052 = 276,9 Ω

الإجابة

Rmax = 276,9 Ω
25.أنظمة العد

الإجابة: U = 216

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.

اقلب وأضف واحدًا

40 = 0010 1000
مقلوب: 1101 0111
+1 → 1101 1000

اقرأه بلا إشارة

1101 1000₂ = 256 − 40 = 216

الإجابة

U = 216
26.أنظمة العد

الإجابة: N = 1,049 × 10⁶

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.

أكبر قيمة

220 − 1 = 1048575

الإجابة

N = 1048575
27.المنطق الرقمي: البوابات وخرائط كارنو والقلّابات

الإجابة: L = 3

الجبر البولياني: القواعد التي تبسّط التعابير هي X + X′ = 1 و X·X′ = 0، و X + X = X، والامتصاص X + X·Y = X، وقاعدة الدمج X·Y + X·Y′ = X، و X + X′Y = X + Y، ومبرهنة الإجماع XY + X′Z + YZ = XY + X′Z. تحوّل قوانين دي مورغان (X·Y)′ إلى X′ + Y′ و (X + Y)′ إلى X′·Y′. وتطبّق خريطة كارنو هذه القواعد بيانيًا: كل مجموعة من خليتين متجاورتين هي استخدام واحد لـ XY + XY′ = X.

الحدود الصغرى للتعبير

BC → m(3, 7)
B′C → m(1, 5)
A′B → m(2, 3)
ABC00011110010011131204151706

جمّع واقرأ

F = C + A′B

عُدّ الحروف

L = 3

الإجابة

L = 3
28.المنطق الرقمي: البوابات وخرائط كارنو والقلّابات

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

أول تغير من 1 إلى 0

حافة الساعة 3

الإجابة

حافة الساعة 3
29.تحويلات لابلاس

الإجابة: A = 1,333

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 + 28 = (s + 4)(s + 7)
F(s) = A/(s + 4) + B/(s + 7)

قاعدة التغطية

اضرب في (s + 4) وضع s = −4: يختفي حدّ B.

A = 4/(s + 7) |s = −4 = 4/3 = 1,333

الإجابة

A = 1,333
(B = −1,333، لذا f(t) = 1,333·e−4t − 1,333·e−7t)
30.تحويلات لابلاس

الإجابة: g(0.25) = 0,3871

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) = (2s + 4)/(s² + 8s + 15)

الكسور الجزئية

s² + 8s + 15 = (s + 3)(s + 5)
A = −1, B = 3

استجابة النبضة

g(t) = −e−3t + 3·e−5t
g(0,25) = 0,3871

الإجابة

g(0,25) = 0,3871
31.المخططات الصندوقية

الإجابة: K = 2,25

جبر المخططات الصندوقية: الصناديق على التوالي تُضرب (G₁·G₂)، والصناديق على التوازي تُجمع (G₁ + G₂)، والحلقة ذات المسار الأمامي G ومسار التغذية الراجعة H تُختزل إلى T = G/(1 + G·H) للتغذية الراجعة السالبة و G/(1 − G·H) للتغذية الراجعة الموجبة. اختزل الحلقات الداخلية أولًا، ثم اتجه إلى الخارج. أقطاب الحلقة المغلقة هي جذور المعادلة المميّزة 1 + G(s)H(s) = 0. لحلقة مستقرة، دخل خطوة مقداره A يعطي خرج الحالة المستقرة A·T(0)؛ ومع التغذية الراجعة الأحادية يكون خطأ الحالة المستقرة لخطوة A/(1 + Kp) مع Kp = G(0).

المعادلة المميزة

1 + K/((s + 9)(s + 12)) = 0 → s² + 21s + 108 + K = 0

جذر مكرّر

كثيرة الحدود التربيعية s² + βs + γ لها جذر مزدوج عندما β² = 4γ.

21² = 4(108 + K) → K = 441/4 − 108 = 2,25

الإجابة

K = 2,25
يقع القطبان للحلقة المغلقة عندئذٍ عند s = −10,5.
32.المخططات الصندوقية

الإجابة: T(0) = 1,067

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) = 2/(s + 14)

الحلقة الخارجية

T(s) = G₁Gᵢ/(1 + G₁GᵢH₂) = 32/((s + 1)(s + 14) + 16)

كسب التيار المستمر

T(0) = 32/(1·14 + 16) = 32/30 = 1,067

الإجابة

T(0) = 1,067
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 = 22 → ωₙ = 4,69 rad/s
2ζωₙ = 7 → ζ = 7/(2·4,69) = 0,7462

النتيجة

σ = −ζωₙ = −7/2 = −3,5

الإجابة

σ = −3,5
34.الاستجابة الخطوية

الإجابة: tp = 0,1006 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 = √(k/m) = √(500/0,5) = 31,62 rad/s
ζ = c/(2√(km)) = 5/(2·√(500·0,5)) = 0,1581

النتيجة

ωd = 31,22 rad/s
tp = π/ωd = 0,1006 s

الإجابة

tp = 0,1006 s
35.مخططات بودي والهوامش

الإجابة: |G(jω)| = −8,722 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(j30)| = 360/(√(30² + 5²)·√(30² + 12²)) = 360/(30,41·32,31) = 0,3663

النتيجة

20·log₁₀(0,3663) = −8,722 dB

الإجابة

|G(jω)| = −8,722 dB
36.مخططات بودي والهوامش

الإجابة: ωc = 22,29 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 + 64ω² − 278784 = 0
ω² = (−64 + √(4096 + 4·278784))/2 = 497
ωc = 22,29 rad/s

الإجابة

ωc = 22,29 rad/s
37.الاستقرار: راوث–هرفيتز والمحل الهندسي للجذور

الإجابة: Kmax = 280

معيار راوث–هرفيتز: يكون النظام الخطي مستقرًا حين يقع كل جذر من جذور كثير حدوده المميِّز في النصف الأيسر من المستوى s. اكتب المعاملات بالتناوب في الصفين الأولين من جدول راوث. يأتي كل عنصر في صف جديد من الصفين اللذين فوقه؛ وبالنسبة إلى كثير حدود تكعيبي a₃s³ + a₂s² + a₁s + a₀ يكون عنصر الصف s¹ هو b₁ = (a₂·a₁ − a₃·a₀)/a₂. عدد تغيّرات الإشارة في العمود الأول يساوي عدد الجذور في النصف الأيمن من المستوى. وحين يدخل الكسب K في المعاملات يجب أن يبقى كل عنصر في العمود الأول موجبًا: الكسب الذي يجعل عنصر الصف s¹ صفرًا هو حدّ الاستقرار، ثم يعطي الصف s² تردد التذبذب المستمر.

كثير الحدود المميِّز

s³ + 10s² + 31s + 30 + K = 0

جدول روث

s³: 1, 31
s²: 10, 30 + K
s¹: (10·31 − 30 − K)/10
s⁰: 30 + K

الشرط

يجب أن يبقى عنصر الصف s¹ موجبًا.

K < 10·31 − 30 = 280

الإجابة

Kmax = 280

عند الحدّ تتذبذب الحلقة بالتردد ω = √31 = 5,568 rad/s.

38.الاستقرار: راوث–هرفيتز والمحل الهندسي للجذور

الإجابة: sb = −1,172

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) = −(s² + 2s)/(s + 4)

النقاط الحرجة

اشتق بقاعدة القسمة وساوِ البسط بالصفر.

(2s + 2)(s + 4) − (s² + 2s) = s² + 8s + 8 = 0
s = −4 ± √8 = −1,172, −6,828

نقطة الانفصال

sb = −1,172

الإجابة

sb = −1,172

بين نقطتي الانفصال والالتقاء يكون المحل الهندسي دائرة مركزها الصفر، ونصف قطرها √8 = 2,828.

39.خطأ الحالة المستقرة والتحكم PID

الإجابة: ess = 0,4

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

ثابت السرعة

Kv = lim s·G(s) = 5

خطأ المنحدر

ess = 2/5 = 0,4

الإجابة

ess = 0,4
40.خطأ الحالة المستقرة والتحكم PID

الإجابة: tp = 0,8472 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 + 5) + 10·2 = s² + 5s + 20

ωₙ وζ

ωₙ = √20 = 4,472 rad/s
ζ = 5/(2·4,472) = 0,559

زمن الذروة

ωd = 4,472·√(1 − 0,559²) = 3,708 rad/s
tp = π/3,708 = 0,8472 s

الإجابة

tp = 0,8472 s

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