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 ΩIR1​R3​ = 20 Ω+−V1​15 VR2​12 ΩAR4​12 ΩB

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

V1 = 15 VR1 = 12 ΩR2 = 12 ΩR3 = 20 ΩR4 = 12 Ω
IR1 = A
2.المقاومات على التوالي والتوازيصعبة
R1​ = 5 ΩR3​ = 12 ΩR5​ = 20 Ω+−V1​18 VR2​2 ΩAR4​5 ΩBR6​5 Ω

أوجد المقاومة المكافئة Req التي يراها المصدر V1.

V1 = 18 VR1 = 5 ΩR2 = 2 ΩR3 = 12 ΩR4 = 5 ΩR5 = 20 ΩR6 = 5 Ω
Req = Ω
3.تحليل العقدمتوسطة
R1​ = 8 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​15 VR2​20 ΩAR4​20 ΩBIs​1 A

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

V1 = 15 VIs = 1 AR1 = 8 ΩR2 = 20 ΩR3 = 8 ΩR4 = 20 Ω
VA = V
4.تحليل العقدصعبة
R1​ = 4 ΩR2​ = 2 ΩR4​ = 10 Ω+−V1​30 VR3​25 ΩAR5​6 ΩBIs​2,5 A+−V2​10 V

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

V1 = 30 VIs = 2,5 AV2 = 10 VR1 = 4 ΩR2 = 2 ΩR3 = 25 ΩR4 = 10 ΩR5 = 6 Ω
VB = V
5.تحليل الحلقاتمتوسطة
R1​ = 8 Ω+−VR1​R2​ = 8 Ω+−V1​24 VR3​6 ΩA+−V2​10 VI1​I2​

استخدم تحليل الحلقات لإيجاد الجهد VR1 على طرفي R1 بالقطبية الموضّحة.

V1 = 24 VV2 = 10 VR1 = 8 ΩR2 = 8 ΩR3 = 6 Ω
VR1 = V
6.تحليل الحلقاتصعبة
R1​ = 8 ΩR2​ = 12 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​10 VR4​3 ΩAR5​3 ΩB+−V2​30 VI1​I2​I3​

استخدم تحليل الحلقات لإيجاد تيار الحلقة I3 (باتجاه عقارب الساعة).

V1 = 10 VV2 = 30 VR1 = 8 ΩR2 = 12 ΩR3 = 3 ΩR4 = 3 ΩR5 = 3 Ω
I3 = A
7.التراكبمتوسطة
دائرة خطيةVs​Is​IRL​

دائرة مقاومات خطية تحتوي على مصدر جهد واحد Vs ومصدر تيار واحد Is. يُقاس التيار I في مقاومة حِمل مرتين: مع Vs = 5 V و Is = 6 mA، يكون I = 3,6 mA؛ ومع Vs = 10 V و Is = 6 mA، يكون I = 6,6 mA. أوجد تيار الحِمل I عندما Vs = 6 V و Is = 1 mA.

5 V, 6 mA → 3,6 mA10 V, 6 mA → 6,6 mAVs = 6 V, Is = 1 mA
I = mA
8.التراكبصعبة
R1​ = 4 ΩR2​ = 6 ΩR4​ = 8 Ω+−V1​9 VR3​30 ΩIR3​AIs​6 AB+−V2​36 V

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

V1 = 9 VIs = 6 AV2 = 36 VR1 = 4 ΩR2 = 6 ΩR3 = 30 ΩR4 = 8 Ω
IR3 = A
9.ثيفنن ونورتنمتوسطة
R1​ = 10 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​24 VR2​2 ΩARL​5 ΩIL​B

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

V1 = 24 VR1 = 10 ΩR2 = 2 ΩR3 = 20 ΩRL = 5 Ω
IL = A
10.ثيفنن ونورتنصعبة
R1​ = 3 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​36 VR2​20 ΩAIs​5 ABab

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

V1 = 36 VIs = 5 AR1 = 3 ΩR2 = 20 ΩR3 = 5 Ω
IN = A
11.الحالات العابرة RC و RLمتوسطة
+−Vs​15 Vt = 0R = 20 ΩL10 mHi(t)

لا يمرّ تيار في الملف قبل أن يُغلق المفتاح عند t = 0. بعد كم من الوقت من إغلاق المفتاح يبلغ التيار 80% من قيمته النهائية؟ أوجد t.

Vs = 15 VR = 20 ΩL = 10 mH
t = ms
12.الحالات العابرة RC و RLصعبة
+−Vs​6 Vt = 0R = 1 kΩC100 µF+−vC​vC​(0) = 5 V

قبل إغلاق المفتاح عند t = 0 مباشرة، يكون جهد المكثّف 5 V بالقطبية الموضّحة. كم يستغرق vC ليبلغ 5,8 V؟ أوجد t.

Vs = 6 VR = 1 kΩC = 100 µFvC(0) = 5 V
t = ms
13.معاوقة التيار المتردد والطورياتمتوسطة
Vf0​ = 500 HzRL = ?C = 2,2 µF

دائرة RLC على التوالي مع C = 2,2 µF يجب أن ترنّ عند 500 Hz. أوجد المحاثة L المطلوبة.

f0 = 500 HzC = 2,2 µF
L = mH
14.معاوقة التيار المتردد والطورياتصعبة
230 V50 HzR1​ = 30 ΩR2​ = 30 ΩC = 47 µF

مقاومة R1 موصولة على التوالي مع توصيلة توازي من R2 ومكثّف C، على مصدر 230 V (فعّال)، 50 Hz. أوجد مقدار المعاوقة |Z|.

V = 230 V (rms)f = 50 HzR1 = 30 ΩR2 = 30 ΩC = 47 µF
|Z| = Ω
15.قدرة التيار المتردد ومعامل القدرةمتوسطة
230 VR + jXP = 2392 W13 A

يأخذ حِمل حثي 13 A و 2392 W من مصدر أحادي الطور 230 V (فعّال). مثّله بمقاومة R على التوالي مع مفاعلة X. أوجد R.

V = 230 VI = 13 AP = 2392 W
R = Ω
16.قدرة التيار المتردد ومعامل القدرةصعبة
P = 30 kWQ1​S1​φ1​QC​

يستهلك حِمل أحادي الطور 30 kW بمعامل قدرة 0,7 متأخّر من مصدر 400 V، 60 Hz. يرفع مكثّف موصول على التوازي معامل القدرة إلى 0,9. أوجد تيار الخط الجديد Inew.

P = 30 kWpf1 = 0,7pf2 = 0,9V = 400 Vf = 60 Hz
Inew = A
17.القدرة ثلاثية الطورمتوسطة
ABCVL​ = 208 VIL​ = 100 Acos φ = 0,7متأخر

حمل ثلاثي الطور متوازن يسحب تيار خط مقداره 100 A من مصدر جهد خطه 208 V. معامل القدرة 0,7 متأخر. أوجد القدرة الفعّالة الكلية P التي يسحبها الحمل بالـ kW.

VL = 208 VIL = 100 Acos φ = 0,7
P = kW
18.القدرة ثلاثية الطورصعبة
P = 100 kWφ1​S1​Q2​QC​

حمل ثلاثي الطور متوازن يأخذ 100 kW عند معامل قدرة 0,65 متأخر من مصدر 690 V (جهد خط) و 50 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 = 100 kWpf1 = 0,65pf2 = 0,95VL = 690 Vf = 50 Hz
Cph = µF
19.المحوّلاتمتوسطة
RL​ = 4 Ω2014600 VV2​I1​ = ?I2​

محوّل مثالي نسبة لفّاته N₁:N₂ = 20:1، طُبّق على ملفه الابتدائي جهد 4600 V. وُصلت مقاومة 4 Ω على طرفي الملف الثانوي. أوجد التيار الابتدائي I1.

N1:N2 = 20:1V1 = 4600 VRL = 4 Ω
I1 = A
20.المحوّلاتصعبة
pf 0,95500 kVA, 25% الحمل

محوّل أحادي الطور 500 kVA مفقودات قلبه 1500 W ومفقودات نحاسه 2250 W عند الحمل المقنَّن. يغذّي 25% من قدرته المقنَّنة بالـ kVA عند معامل قدرة 0,95 متأخر. أوجد المفقودات الكلية Ploss بالواط عند هذا الحمل.

S = 500 kVAPcore = 1500 WPcu,fl = 2250 Wx = 0,25pf = 0,95
Ploss = W
21.دوائر مكبّرات العملياتمتوسطة
−+Vout​Rf​ = 47 kΩVin​R1​ = 10 kΩ

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

R1 = 10 kΩRf = 47 kΩVsat = ±12 V
Vin,max = V
22.دوائر مكبّرات العملياتصعبة
−+Vout​Rf​ = 47 kΩV1​ = −0,9 VR1​ = 47 kΩV2​ = 0,1 VR2​ = 1 kΩ

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

V1 = −0,9 VV2 = 0,1 VR1 = 47 kΩR2 = 1 kΩRf = 47 kΩ
Vout = V
23.الثنائيات والترانزستوراتمتوسطة
+−18 V680 Ω5,6 V680 ΩIZ​ = ?

يُغذّى منظم زينر 5,6 V من 18 V عبر 680 Ω ويغذّي حملًا 680 Ω. أوجد تيار زينر IZ.

Vin = 18 VVZ = 5,6 VR = 680 ΩRL = 680 Ω
IZ = mA
24.الثنائيات والترانزستوراتصعبة
RC​ = 150 Ωβ = 150VCC​ = 24 V3,3 VRB​ = ?

ترانزستور NPN بـ β = 150 يتحكّم بمقاومة حمل 150 Ω موصولة بين VCC = 24 V ومجمِّعه. الباعث موصول بالأرضي. تُغذّى القاعدة من خرج منطقي 3,3 V عبر مقاومة قاعدة RB. خذ VBE = 0,7 V و VCE(sat) = 0,2 V. لتبديل موثوق، صمّم لتيار قاعدة يساوي 2 ضعف الحد الأدنى اللازم للتشبّع. أوجد RB بالـ kΩ.

VCC = 24 VRC = 150 Ωβ = 150Vin = 3,3 VVBE = 0,7 VVCE(sat) = 0,2 Vمعامل الدفع الزائد = 2
RB = kΩ
25.أنظمة العدمتوسطة
المتمم الثنائي ذو 8 بتات0−12806403201608040201

اضبط البتات بحيث تخزن −97 في المتمم الثنائي بـ 8 بتات. إذا قُرئ كعدد بدون إشارة، فما قيمة النمط U؟

N = −978 bit
U =
26.أنظمة العدصعبة
انقر على البتات لضبطها012806403201608040201

اضبط البتات على الناتج بـ 8 بتات لـ 0110 0010 AND 0101 1100. ما قيمة الناتج R بالعشري؟

0110 0010AND0101 1100
R =
27.المنطق الرقمي: البوابات وخرائط كارنو والقلّاباتمتوسطة
ABCD000111100001111011111

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

F = Σm(2, 6, 11, 12, 13)
  1. 1AB = 00, CD = 00
  2. 2AB = 00, CD = 01
  3. 3AB = 00, CD = 11
  4. 4AB = 00, CD = 10
  5. 5AB = 01, CD = 00
  6. 6AB = 01, CD = 01
  7. 7AB = 01, CD = 11
  8. 8AB = 01, CD = 10
  9. 9AB = 11, CD = 00
  10. 10AB = 11, CD = 01
  11. 11AB = 11, CD = 11
  12. 12AB = 11, CD = 10
  13. 13AB = 10, CD = 00
  14. 14AB = 10, CD = 01
  15. 15AB = 10, CD = 11
  16. 16AB = 10, CD = 10
28.المنطق الرقمي: البوابات وخرائط كارنو والقلّاباتصعبة
ABCD0001111000011110X0011302X4151706X121131150141809111010

للدالة F(A, B, C, D) = Σm(3, 5, 7, 8, 11, 13, 15) + d(0, 4, 12)، حيث تشير d إلى حالات عدم الاكتراث، جد عدد N المضمّنات الأولية الجوهرية (essential prime implicants).

F(A, B, C, D) = Σm(3, 5, 7, 8, 11, 13, 15) + d(0, 4, 12)
N =
29.تحويلات لابلاسمتوسطة
ReIm−1−2−3−4−5−6−7−8−91

F(s) = (4s + 2)/(s² + 12s + 32). تحويله العكسي على الصورة f(t) = A·e−4t + B·e−8t. أوجد المعامل A بالكسور الجزئية.

F(s) = (4s + 2)/(s² + 12s + 32)
A =
30.تحويلات لابلاسصعبة
ReIm−1−2−3−4−5−61

يُوصف نظام بالمعادلة التفاضلية y″ + 7y′ + 6y = 3u′ + 13u، 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 = 0,3 s. أوجد g(0,3).

y″ + 7y′ + 6y = 3u′ + 13ut = 0,3 s
g(0.3) =
31.المخططات الصندوقيةمتوسطة
R(s)+18K+7s + 7G(s)C(s)3H₁−−

للنظام المُتحكَّم فيه G(s) = 7/(s + 7) حلقة تغذية راجعة سالبة داخلية (ثانوية) كسبها H₁ = 3. كسب متحكّم K = 18 وحلقة تغذية راجعة سالبة أحادية خارجية يُغلقان النظام. أوجد قطب الحلقة المغلقة p.

G(s) = 7/(s + 7)H₁ = 3K = 18
p =
32.المخططات الصندوقيةصعبة
R(s)+22المتحكّم+D(s)+9s + 10النظام المُتحكَّم فيهC(s)−

متحكّم تناسبي K = 22 يقود النظام G(s) = 9/(s + 10) في حلقة تغذية راجعة سالبة أحادية. يدخل اضطراب D عند دخل النظام (يُضاف إلى خرج المتحكّم). تُطبَّق خطوة مرجع مقدارها 2 وخطوة اضطراب مقدارها 1 معًا. أوجد خرج الحالة المستقرة css.

K = 22G(s) = 9/(s + 10)D = 1R = 2
css =
33.الاستجابة الخطويةمتوسطة
t (s)y(t)2tp​ = ?

لنظام دالة النقل G(s) = 66/(s² + 7s + 33) ويتلقى دخلًا خطويًا وحدويًا. أوجد زمن الذروة tp للاستجابة الخطوية.

G(s) = 66/(s² + 7s + 33)
tp = s
34.الاستجابة الخطويةصعبة
R(s)+Ks(s + 5)G(s)C(s)−

لحلقة تغذية عكسية سالبة وحدوية G(s) = K/(s(s + 5)). أوجد الكسب K الذي يعطي استجابة خطوية بتجاوز 20 %.

G(s) = K/(s(s + 5))%OS = 20 %
K =
35.مخططات بودي والهوامشمتوسطة
|H| (dB)0,11101001000−60−40−2002040ω (rad/s)ω = 2

أوجد المقدار الدقيق |G(jω)| لـ G(s) = 3060/((s + 15)(s + 17)) عند ω = 2 rad/s، بوحدة dB.

G(s) = 3060/((s + 15)(s + 17))ω = 2 rad/s
|G(jω)| = dB
36.مخططات بودي والهوامشصعبة
|H| (dB)0,10,1111010100100−80−60−40−2002040ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−270−180−900ω180​

حلقة تغذية عكسية وحدوية دالة نقلها المفتوحة L(s) = 120/(s(s + 2)(s + 10)). أوجد هامش الكسب GM بوحدة dB.

L(s) = 120/(s(s + 2)(s + 10))
GM = dB
37.الاستقرار: راوث–هرفيتز والمحل الهندسي للجذورمتوسطة
R(s)+101s(s + 1)(s + 10)C(s)+

تستخدم حلقة المخطط تغذية عكسية موجبة، مع L(s) = 10/(s(s + 1)(s + 10)). كم عدد أقطاب الحلقة المغلقة N الواقعة في النصف الأيمن من المستوى؟

L(s) = 10/(s(s + 1)(s + 10))
N =
38.الاستقرار: راوث–هرفيتز والمحل الهندسي للجذورصعبة
ReImζ = 0,5−1−2j1j2

رُسم المحل الهندسي للجذور لـ L(s) = K/(s(s + 2)). أوجد الكسب K الذي تكون عنده نسبة التخميد لأقطاب الحلقة المغلقة ζ = 0,5.

L(s) = K/(s(s + 2))ζ = 0,5
K =
39.خطأ الحالة المستقرة والتحكم PIDمتوسطة
r(t) = 2t+Ks(s + 5)C(s)−

يجب أن تتبع حلقة تغذية عكسية وحدوية فيها G(s) = K/(s(s + 5)) المنحدر r(t) = 2t بخطأ حالة مستقرة قدره 0,2. أوجد الكسب K.

G(s) = K/(s(s + 5))r(t) = 2tess = 0,2
K =
40.خطأ الحالة المستقرة والتحكم PIDصعبة
R(s)+Kp​ + Ki​/s10s + 2C(s)−

يتحكم متحكم PI بالصيغة C(s) = Kp + Ki/s في المحطة G(s) = 10/(s + 2) ضمن حلقة تغذية عكسية وحدوية. يجب أن تكون للحلقة المغلقة ωₙ = 4 rad/s وζ = 1. أوجد الكسب التناسبي Kp.

G(s) = 10/(s + 2)ωₙ = 4 rad/sζ = 1
Kp =

3المحاليل

1.المقاومات على التوالي والتوازي

الإجابة: IR1 = 0,7237 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​ = 12 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​15 VR2​12 ΩAR4​12 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 = 20 + 12 = 32 Ω
R2 ∥ 32 = 12·32/(12+32) = 8,727 Ω
Req = R1 + 8,727 = 12 + 8,727 = 20,73 Ω

التيار من المصدر

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

IR1 = V1/Req = 15/20,73 = 0,7237 A

الإجابة

IR1 = 0,7237 A
2.المقاومات على التوالي والتوازي

الإجابة: Req = 6,78 Ω

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

R1​ = 5 ΩR3​ = 12 ΩR5​ = 20 Ω+−V1​18 VR2​2 ΩAR4​5 ΩBR6​5 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 + 5 = 25 Ω
R4 ∥ 25 = 4,167 Ω
R3 + 4,167 = 16,17 Ω
R2 ∥ 16,17 = 1,78 Ω
Req = R1 + 1,78 = 5 + 1,78 = 6,78 Ω

الإجابة

Req = 6,78 Ω
3.تحليل العقد

الإجابة: VA = 5,508 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 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​15 VR2​20 ΩAR4​20 ΩBIs​1 A

حدّد العقد

الأرضي هو السلك السفلي. جهود العقد المعروفة تأتي مباشرة من المصادر (V1 = 15 V). المجاهيل: VA, VB.

قانون كيرشوف للتيار عند العقدة A

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

VA/R2 + (VA − V1)/R1 + (VA − VB)/R3 = 0
VA/20 + (VA − 15)/8 + (VA − VB)/8 = 0
0,3·VA − 0,125·VB = 1,875

قانون كيرشوف للتيار عند العقدة B

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

VB/R4 + (VB − VA)/R3 = Is
VB/20 + (VB − VA)/8 = (−1)
−0,125·VA + 0,175·VB = −1

الحل

Δ = (0,3)(0,175) − (−0,125)(−0,125) = 0,03687
VA = Δ1/Δ = 0,2031/0,03687 = 5,508 V
VB = Δ2/Δ = −0,06562/0,03687 = −1,78 V

الإجابة

VA = 5,508 V
4.تحليل العقد

الإجابة: VB = 18,32 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​ = 4 ΩR2​ = 2 ΩR4​ = 10 Ω+−V1​30 VR3​25 ΩAR5​6 ΩBIs​2,5 A+−V2​10 V

حدّد العقد

الأرضي هو السلك السفلي. جهود العقد المعروفة تأتي مباشرة من المصادر (V1 = 30 V, V2 = 10 V). المجاهيل: VA, VB.

قانون كيرشوف للتيار عند العقدة A

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

VA/R3 + (VA − V1)/R1 + (VA − VB)/R2 = 0
VA/25 + (VA − 30)/4 + (VA − VB)/2 = 0
0,79·VA − 0,5·VB = 7,5

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/6 + (VB − VA)/2 + (VB − 10)/10 = 2,5
−0,5·VA + 0,7667·VB = 3,5

الحل

Δ = (0,79)(0,7667) − (−0,5)(−0,5) = 0,3557
VA = Δ1/Δ = 7,5/0,3557 = 21,09 V
VB = Δ2/Δ = 6,515/0,3557 = 18,32 V

الإجابة

VB = 18,32 V
5.تحليل الحلقات

الإجابة: VR1 = 13,8 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​ = 8 ΩR2​ = 8 Ω+−V1​24 VR3​6 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
8·I1 + 6(I1 − I2) = 24
14·I1 − 6·I2 = 24

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
8·I2 + 6(I2 − I1) = (−10)
−6·I1 + 14·I2 = −10

الحل

Δ = (14)(14) − (−6)(−6) = 160
I1 = Δ1/Δ = 276/160 = 1,725 A
I2 = Δ2/Δ = 4/160 = 0,025 A

الإجابة

IR1 = I1 = 1,725 A
VR1 = IR1·R1 = 1,725·8 = 13,8 V

تيار الحلقة السالب يسري عكس عقارب الساعة.

6.تحليل الحلقات

الإجابة: I3 = −5,391 A

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

R1​ = 8 ΩR2​ = 12 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​10 VR4​3 ΩAR5​3 ΩB+−V2​30 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
8·I1 + 3(I1 − I2) = 10
11·I1 − 3·I2 = 10

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
12·I2 + 3(I2 − I1) + 3(I2 − I3) = 0
−3·I1 + 18·I2 − 3·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 + 3(I3 − I2) = (−30)
−3·I2 + 6·I3 = −30

الحل

Δ = محدد مصفوفة المعاملات = 1035
I1 = Δ1/Δ = 720/1035 = 0,6957 A
I2 = Δ2/Δ = −810/1035 = −0,7826 A
I3 = Δ3/Δ = −5580/1035 = −5,391 A

الإجابة

I3 = −5,391 A

تيار الحلقة السالب يسري عكس عقارب الساعة.

7.التراكب

الإجابة: I = 3,7 mA

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

اكتب الاستجابة كمجموع إسهامات

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

I = k₁·Vs + k₂·Is
5·k₁ + 6·k₂ = 3,6
10·k₁ + 6·k₂ = 6,6

حلّ لإيجاد الثابتين

Δ = (5)(6) − (6)(10) = −30
k₁ = Δ1/Δ = −18/−30 = 0,6
k₂ = Δ2/Δ = −3/−30 = 0,1
k₁ = 0,6 mA/V, k₂ = 0,1

توقّع التيار الجديد

I = 0,6·6 + 0,1·1 = 3,7 mA

الإجابة

I = 3,7 mA
8.التراكب

الإجابة: IR3 = −0,7752 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​ = 4 ΩR2​ = 6 ΩR4​ = 8 Ω+−V1​9 VR3​30 ΩAمفتوحBقصر

الحالة 1 · V1 يعمل وحده

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

R3 ∥ (R2+R4) = 30 ∥ 14 = 9,545 Ω
VA = 9·9,545/(4+9,545) = 6,342 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 6,342·8/14 = 3,624 V
IR3′ = (0 − VA)/R3 = (0 − 6,342)/30 = −0,2114 A
R1​ = 4 ΩR2​ = 6 ΩR4​ = 8 ΩقصرR3​30 ΩAIs​6 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 = 3,529 Ω، إذن المسار الأيسر هو R2+3,529 = 9,529 Ω
Req = R4 ∥ 9,529 = 4,349 Ω
VB = Is·Req = 6·4,349 = 26,09 V
VA = VB·3,529/9,529 = 9,664 V
IR3″ = (0 − VA)/R3 = (0 − 9,664)/30 = −0,3221 A
R1​ = 4 ΩR2​ = 6 ΩR4​ = 8 ΩقصرR3​30 ΩAمفتوحB+−V2​36 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 = 4·30/(4+30) = 3,529 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = 36·9,529/17,53 = 19,57 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = 19,57·3,529/9,529 = 7,248 V
IR3‴ = (0 − VA)/R3 = (0 − 7,248)/30 = −0,2416 A

اجمع المساهمات

IR3 = IR3′ + IR3″ + IR3‴
IR3 = (−0,2114) + (−0,3221) + (−0,2416) = −0,7752 A

النتيجة السالبة تعني أن التيار يسري عكس السهم في الواقع.

9.ثيفنن ونورتن

الإجابة: IL = 0,15 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​ = 10 ΩR3​ = 20 ΩقصرR2​2 ΩAabRth​

أوجد Rth مع إطفاء كل المصادر

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

R1 ∥ R2 = 10·2/(10+2) = 1,667 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,667 + 20 = 21,67 Ω
R1​ = 10 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​24 VR2​2 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) = 24·2/(10+2) = 4 V
Rth​ = 21,67 Ω+−Vth​4 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) = 4/(21,67 + 5) = 0,15 A
10.ثيفنن ونورتن

الإجابة: IN = 9,114 A

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

R1​ = 3 ΩR3​ = 5 ΩقصرR2​20 ΩAمفتوحBabRth​

أوجد Rth مع إطفاء كل المصادر

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

R1 ∥ R2 = 3·20/(3+20) = 2,609 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,609 + 5 = 7,609 Ω
R1​ = 3 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​36 VR2​20 ΩAIs​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) = 31,3 + 5·2,609 = 44,35 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 44,35 + 5·5 = 69,35 V
IN​9,114 ARth​7,609 Ωab

مكافئ نورتن

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

IN = Vth/Rth = 69,35/7,609 = 9,114 A
11.الحالات العابرة RC و RL

الإجابة: t = 0,8047 ms

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

الثابت الزمني والتيار النهائي

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

τ = L/R = 10 mH / 20 Ω = 0,5 ms
i(∞) = Vs/R = 15/20 = 0,75 A

حلّ لإيجاد الزمن

0,8 = 1 − e−t/τ → t = −τ·ln(1 − 0,8)
t = −0,5·ln(0,2) = 0,8047 ms

الإجابة

t = 0,8047 ms
12.الحالات العابرة RC و RL

الإجابة: t = 160,9 ms

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

القيمة الابتدائية، القيمة النهائية، الثابت الزمني

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

vC(0) = 5 V, vC(∞) = Vs = 6 V
τ = R·C = 1 kΩ · 100 µF = 100 ms
vC(t) = 6 + (5 − 6)·e−t/τ

حلّ لإيجاد الزمن

5,8 = 6 + (−1)·e−t/τ → e−t/τ = (5,8 − 6)/(5 − 6) = 0,2
t = τ·ln((5 − 6)/(5,8 − 6)) = 100·ln(5) = 160,9 ms

الإجابة

t = 160,9 ms
13.معاوقة التيار المتردد والطوريات

الإجابة: L = 46,06 mH

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

شرط الرنين

عند الرنين تُلغي المفاعلتان الحثية والسعوية بعضهما: ωL = 1/(ωC).

ω₀ = 2π·500 = 3142 rad/s
L = 1/(ω₀²·C) = 1/(3142²·2,2·10⁻⁶) = 46,06 mH

الإجابة

L = 46,06 mH
14.معاوقة التيار المتردد والطوريات

الإجابة: |Z| = 56,19 Ω

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

المفاعلة

XC = 1/(2π·50·47·10⁻⁶) = 67,73 Ω

توصيلة التوازي

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

Zp = R₂·(−jXC)/(R₂ − jXC) = (R₂·XC² − jR₂²·XC)/(R₂² + XC²)
Zp = 25,08 − j11,11 Ω

المعاوقة الكلية

Z = 30 + 25,08 − j11,11 = 55,08 − j11,11 Ω
|Z| = √(55,08² + 11,11²) = 56,19 Ω

الإجابة

|Z| = 56,19 Ω
15.قدرة التيار المتردد ومعامل القدرة

الإجابة: R = 14,15 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 = 2392/13² = 14,15 Ω

الإجابة

R = 14,15 Ω
16.قدرة التيار المتردد ومعامل القدرة

الإجابة: Inew = 83,33 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 = 30·tan(45,57°) = 30,61 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 30·tan(25,84°) = 14,53 kvar
QC = Q1 − Q2 = 16,08 kvar

تيار الخط الجديد

Inew = P/(V·cos φ2) = 30000/(400·0,9) = 83,33 A

الإجابة

Inew = 83,33 A
17.القدرة ثلاثية الطور

الإجابة: P = 25,22 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 = √3·208·100 = 36,03 kVA

القدرة الفعلية

P = S·cos φ = 36,03·0,7 = 25,22 kW

الإجابة

P = 25,22 kW
18.القدرة ثلاثية الطور

الإجابة: Cph = 561,9 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 = 100·tan(acos 0,65) = 100·1,169 = 116,9 kvar
Q2 = 100·tan(acos 0,95) = 100·0,3287 = 32,87 kvar

القدرة غير الفعّالة من المكثّفات

QC = Q1 − Q2 = 84,04 kvar

السعة لكل طور

في مجموعة Y يوصل كل مكثّف بين خط ونقطة النجمة.

V = 690/√3 = 398,4 V, ω = 2π·50 = 314,2 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 28015/(314,2·398,4²) = 561,9 µF

الإجابة

Cph = 561,9 µF
19.المحوّلات

الإجابة: I1 = 2,875 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.

الجهد والتيار الثانويان

V2 = 4600/20 = 230 V
I2 = 230/4 = 57,5 A

التيار الابتدائي

المحوّل المثالي بلا مفقودات: V₁·I₁ = V₂·I₂.

I1 = I2/20 = 2,875 A

الإجابة

I1 = 2,875 A

تحقّق: الحمل المرئي من الملف الابتدائي هو a²·RL = 1600 Ω، و 4600/1600 يعطي التيار نفسه.

20.المحوّلات

الإجابة: Ploss = 1641 W

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

مفقودات النحاس عند هذا الحمل

Pcu = x²·Pcu,fl = 0,0625·2250 = 140,6 W

المفقودات الكلية

مفقودات القلب هي نفسها عند أي حمل.

Ploss = 1500 + 140,6 = 1641 W

الإجابة

Ploss = 1641 W

الكفاءة عند هذا الحمل η = 98,64%.

21.دوائر مكبّرات العمليات

الإجابة: Vin,max = 2,553 V

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

الكسب

|Av| = Rf/R1 = 47/10 = 4,7

أكبر دخل قبل القصّ

Vin,max = Vsat/|Av| = 12/4,7 = 2,553 V

الإجابة

Vin,max = 2,553 V
22.دوائر مكبّرات العمليات

الإجابة: Vout = −3,8 V

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

تيارات الدخل

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

I1 = V1/R1 = −0,9/47 = −0,01915 mA
I2 = V2/R2 = 0,1/1 = 0,1 mA
If = I1 + I2 = 0,08085 mA

جهد الخرج

Vout = −Rf·If = −47·0,08085 = −3,8 V

الإجابة

Vout = −3,8 V
23.الثنائيات والترانزستورات

الإجابة: IZ = 10 mA

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.

تيار المقاومة

IR = 12,4/680 = 18,24 mA

تيار الحِمل

IL = 5,6/680 = 8,235 mA

تيار زينر

IZ = 18,24 − 8,235 = 10 mA

الإجابة

IZ = 10 mA
24.الثنائيات والترانزستورات

الإجابة: RB = 1,229 kΩ

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

تيار المجمِّع في التشبّع

IC(sat) = (24 − 0,2)/150 = 158,7 mA

أدنى تيار قاعدة

IB(min) = IC(sat)/β = 158,7/150 = 1058 µA

تيار القاعدة التصميمي

IB = 2·1058 µA = 2116 µA

مقاومة القاعدة

RB = (3,3 − 0,7)/IB = 2,6 V/2,116 mA = 1,229 kΩ

الإجابة

RB = 1,229 kΩ
25.أنظمة العد

الإجابة: U = 159

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

97 = 0110 0001
مقلوب: 1001 1110
+1 → 1001 1111

اقرأه بلا إشارة

1001 1111₂ = 256 − 97 = 159

الإجابة

U = 159
26.أنظمة العد

الإجابة: R = 64

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

بتًا ببت

تعطي AND القيمة 1 حيث يكون البتان 1 فقط.

0110 0010
AND 0101 1100
= 0100 0000

قيمة الناتج

0100 0000₂ = 64

الإجابة

R = 64
27.المنطق الرقمي: البوابات وخرائط كارنو والقلّابات

الإجابة: AB = 10, CD = 11

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

جيران كل 1

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

m11: m10, m9, m15, m3 → 0
ABCD000111100001111011111

الـ 1 المعزول

m11 = AB′CD → AB = 10, CD = 11

الإجابة

AB = 10, CD = 11
28.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.

المضمّنات الأولية

أكبر المجموعات التي يمكن تكوينها من الآحاد و X.

C′D′, CD, BD, BC′
ABCD0001111000011110X0011302X4151706X121131150141809111010

المضمّنات الأولية الجوهرية

C′D′, CD
N = 2

الإجابة

N = 2
29.تحويلات لابلاس

الإجابة: A = −3,5

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 + 12s + 32 = (s + 4)(s + 8)
F(s) = A/(s + 4) + B/(s + 8)

قاعدة التغطية

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

A = (4s + 2)/(s + 8) |s = −4 = −14/4 = −3,5

الإجابة

A = −3,5
(B = 7,5، لذا f(t) = −3,5·e−4t + 7,5·e−8t)
30.تحويلات لابلاس

الإجابة: g(0.3) = 1,647

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

دالة التحويل

G(s) = Y(s)/U(s) = (3s + 13)/(s² + 7s + 6)

الكسور الجزئية

s² + 7s + 6 = (s + 1)(s + 6)
A = 2, B = 1

استجابة النبضة

g(t) = 2·e−t + e−6t
g(0,3) = 1,647

الإجابة

g(0,3) = 1,647
31.المخططات الصندوقية

الإجابة: p = −154

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

الحلقة الداخلية

Gᵢ = G/(1 + G·H₁) = 7/(s + 7 + 7·3) = 7/(s + 28)

الحلقة الخارجية

T(s) = K·Gᵢ/(1 + K·Gᵢ) = 126/(s + 28 + 126) = 126/(s + 154)

النتيجة

p = −154

الإجابة

p = −154
32.المخططات الصندوقية

الإجابة: css = 1,947

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

دوال التحويل

C/D = G/(1 + K·G) = 9/(s + 10 + 198)
C/R = K·G/(1 + K·G) = 198/(s + 10 + 198)

الحالة المستقرة

css = 2·198/208 + 1·9/208 = 1,947

الإجابة

css = 1,947

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

33.الاستجابة الخطوية

الإجابة: tp = 0,6897 s

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

قارن مع الصيغة القياسية

يجب أن يطابق المقام s² + 2ζωₙs + ωₙ².

ωₙ² = 33 → ωₙ = 5,745 rad/s
2ζωₙ = 7 → ζ = 7/(2·5,745) = 0,6093

النتيجة

ωd = 5,745·√(1 − 0,6093²) = 4,555 rad/s → tp = π/ωd = 0,6897 s

الإجابة

tp = 0,6897 s
34.الاستجابة الخطوية

الإجابة: K = 30,06

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

دالة تحويل الحلقة المغلقة

T(s) = K/(s² + 5s + K)

نسبة التخميد من التجاوز

ζ = −ln(0,2)/√(π² + ln²(0,2)) = 0,4559

الكسب

ωₙ = 5/(2ζ) = 5,483 rad/s
K = ωₙ² = 30,06

الإجابة

K = 30,06
35.مخططات بودي والهوامش

الإجابة: |G(jω)| = 21,45 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(j2)| = 3060/(√(2² + 15²)·√(2² + 17²)) = 3060/(15,13·17,12) = 11,81

النتيجة

20·log₁₀(11,81) = 21,45 dB

الإجابة

|G(jω)| = 21,45 dB
36.مخططات بودي والهوامش

الإجابة: GM = 6,021 dB

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

تقاطع الطور

(ω/2)·(ω/10) = 1 → ω180 = √(2·10) = 4,472 rad/s

المقدار عند تقاطع الطور

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 4)·√(ω² + 100)) = K/(2·10·(2 + 10)) = K/240

هامش الكسب

GM = 20·log₁₀(240/120) = 6,021 dB

الإجابة

GM = 6,021 dB
37.الاستقرار: راوث–هرفيتز والمحل الهندسي للجذور

الإجابة: N = 1

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 + 11s² + 10s − 10 = 0

جدول روث

s³: 1, 10
s²: 11, −10
s¹: 10,91
s⁰: −10

تغيّرات الإشارة في العمود الأول

1 → 11 → 10,91 → −10
N = 1

الإجابة

N = 1

التغذية العكسية الموجبة تجعل المعامل الثابت سالبًا: فينتقل قطب حقيقي واحد دائمًا إلى النصف الأيمن من المستوى.

38.الاستقرار: راوث–هرفيتز والمحل الهندسي للجذور

الإجابة: K = 4

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.

قارن مع الصيغة القياسية

s² + 2s + K = s² + 2ζωₙs + ωₙ²
2·0,5·ωₙ = 2 → ωₙ = 2 rad/s

الكسب

K = ωₙ² = 2² = 4

الإجابة

K = 4

تقع أقطاب الحلقة المغلقة حيث يقطع الخط ζ الفرع الرأسي عند s = −1.

39.خطأ الحالة المستقرة والتحكم PID

الإجابة: K = 50

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 = 2/0,2 = 10

الكسب

K = 5·Kv = 50

الإجابة

K = 50

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

40.خطأ الحالة المستقرة والتحكم PID

الإجابة: Kp = 0,6

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

1 + C(s)G(s) = 0، مضروبة في s(s + 2).

s² + (2 + 10Kp)s + 10Ki

كثير الحدود المستهدف

s² + 2·1·4s + 4² = s² + 8s + 16

طابِق المعاملات

2 + 10Kp = 8 → Kp = 0,6

الإجابة

Kp = 0,6

الحد التكاملي يجعل الحلقة من النوع 1، فتُتبع الخطوة دون خطأ في الحالة المستقرة.

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