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​ = 8 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​12 VR2​2 ΩAR4​2 ΩB

أوجد المقاومة المكافئة Req التي يراها المصدر V1.

V1 = 12 VR1 = 8 ΩR2 = 2 ΩR3 = 2 ΩR4 = 2 Ω
Req = Ω
2.المقاومات على التوالي والتوازيصعبة
R1​ = 25 ΩR3​ = 15 ΩR5​ = 2 Ω+−V1​30 VR2​12 ΩIR2​AR4​3 ΩBR6​20 Ω

أوجد التيار IR2 عبر R2.

V1 = 30 VR1 = 25 ΩR2 = 12 ΩR3 = 15 ΩR4 = 3 ΩR5 = 2 ΩR6 = 20 Ω
IR2 = A
3.تحليل العقدمتوسطة
R1​ = 20 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​10 VR2​3 ΩAR4​3 ΩBIs​2 A

استخدم تحليل العقد لإيجاد القدرة PIs التي يعطيها مصدر التيار Is.

V1 = 10 VIs = 2 AR1 = 20 ΩR2 = 3 ΩR3 = 15 ΩR4 = 3 Ω
PIs = W
4.تحليل العقدصعبة
R1​ = 8 Ω−+Vs​ = 4 VIx​+−V1​30 VR2​12 ΩAR3​3 ΩBIs​2 A

مصدر الجهد Vₛ بين A و B طرفه + عند B، لذا يجعل VB − VA = Vₛ. استخدم تحليل العقد مع عقدة فائقة لإيجاد التيار Ix في مصدر الجهد، من A إلى B كما يوضّح السهم.

V1 = 30 VIs = 2 AVs = 4 VR1 = 8 ΩR2 = 12 ΩR3 = 3 Ω
Ix = A
5.تحليل الحلقاتمتوسطة
R1​ = 8 ΩR2​ = 12 Ω+−VR2​+−V1​6 VR3​5 ΩA+−V2​10 VI1​I2​

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

V1 = 6 VV2 = 10 VR1 = 8 ΩR2 = 12 ΩR3 = 5 Ω
VR2 = V
6.تحليل الحلقاتصعبة
R1​ = 12 ΩIR1​R2​ = 5 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​24 VR4​15 ΩAR5​30 ΩB+−V2​36 VI1​I2​I3​

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

V1 = 24 VV2 = 36 VR1 = 12 ΩR2 = 5 ΩR3 = 5 ΩR4 = 15 ΩR5 = 30 Ω
IR1 = A
7.التراكبمتوسطة
R1​ = 8 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​15 VR2​5 ΩIR2​AR4​5 ΩBIs​2,5 A

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

V1 = 15 VIs = 2,5 AR1 = 8 ΩR2 = 5 ΩR3 = 2 ΩR4 = 5 Ω
IR2 = A
8.التراكبصعبة
R1​ = 30 ΩR2​ = 15 ΩR4​ = 30 ΩIR4​+−V1​18 VR3​30 ΩAIs​3 AB+−V2​36 V

استخدم مبدأ التراكب لإيجاد القدرة PR4 التي يمتصها R4.

V1 = 18 VIs = 3 AV2 = 36 VR1 = 30 ΩR2 = 15 ΩR3 = 30 ΩR4 = 30 Ω
PR4 = W
9.ثيفنن ونورتنمتوسطة
R1​ = 3 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​30 VR2​6 ΩAab

أوجد جهد ثيفنن Vth المرئي من الطرفين a–b.

V1 = 30 VR1 = 3 ΩR2 = 6 ΩR3 = 4 Ω
Vth = V
10.ثيفنن ونورتنصعبة
R1​ = 3 ΩR3​ = 30 Ω+−V1​9 VR2​3 ΩAIs​2,5 ABab

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

V1 = 9 VIs = 2,5 AR1 = 3 ΩR2 = 3 ΩR3 = 30 Ω
IN = A
11.الحالات العابرة RC و RLمتوسطة
+−Vs​6 Vt = 0R = 20 ΩL10 mHi(t)

لا يمرّ تيار في الملف قبل أن يُغلق المفتاح عند t = 0. أوجد الطاقة W المخزّنة في الملف عند t = 1 ms، بوحدة mJ.

Vs = 6 VR = 20 ΩL = 10 mHt = 1 ms
W = mJ
12.الحالات العابرة RC و RLصعبة
+−Vs​15 Vt = 0R = ?C4,7 µF+−vC​

يبدأ مؤقّت بشحن مكثّف غير مشحون عبر مقاومة من مصدر 15 V عند t = 0. يجب أن يُطلق عندما يبلغ جهد المكثّف 9 V، بعد 1000 ms بالضبط من البداية. مع C = 4,7 µF، أوجد المقاومة R المطلوبة.

Vs = 15 VVth = 9 VT = 1000 msC = 4,7 µF
R = kΩ
13.معاوقة التيار المتردد والطورياتمتوسطة
230 V60 HzR = 20 ΩL = 150 mHC = 22 µF

دائرة RLC على التوالي موصولة بمصدر 230 V (فعّال)، 60 Hz. أوجد زاوية الطور φ للمعاوقة بالدرجات (موجبة عندما يتأخّر التيار عن الجهد).

V = 230 V (rms)f = 60 HzR = 20 ΩL = 150 mHC = 22 µF
φ = °
14.معاوقة التيار المتردد والطورياتصعبة
120 V500 HzR = 30 ΩL = 150 mHC = 100 µF

دائرة RLC على التوالي موصولة بمصدر 120 V (فعّال)، 500 Hz. أوجد تردّد الرنين f0 للدائرة.

V = 120 V (rms)f = 500 HzR = 30 ΩL = 150 mHC = 100 µF
f0 = Hz
15.قدرة التيار المتردد ومعامل القدرةمتوسطة
240 VR + jXP = 1656 W11,5 A

يأخذ حِمل حثي 11,5 A و 1656 W من مصدر أحادي الطور 240 V (فعّال). مثّله بمقاومة R على التوالي مع مفاعلة X. أوجد X.

V = 240 VI = 11,5 AP = 1656 W
X = Ω
16.قدرة التيار المتردد ومعامل القدرةصعبة
24 V1000 HzRs​ = 50 ΩXs​ = j20 ΩZL​ = ?

مصدر 24 V (فعّال)، 1000 Hz له معاوقة داخلية Zs = 50 + j20 Ω. يمكن اختيار معاوقة الحِمل ZL بحرية. أوجد أقصى قدرة فعلية Pmax يمكن نقلها إلى الحِمل.

Vs = 24 V (rms)f = 1000 HzZs = 50 + j20 Ω
Pmax = W
17.القدرة ثلاثية الطورمتوسطة
ABCVL​ = 690 VIL​ = ?M18,5 kW, η = 91%cos φ = 0,9

محرّك حثّي ثلاثي الطور يعطي قدرة خرج ميكانيكية مقدارها 18,5 kW عند الحمل الكامل. عند هذا الحمل تكون كفاءته 91% ومعامل قدرته 0,9 متأخرًا. جهد خط المصدر 690 V. أوجد تيار الخط IL.

Pout = 18,5 kWη = 91%cos φ = 0,9VL = 690 V
IL = A
18.القدرة ثلاثية الطورصعبة
P = 75 kWφ1​S1​Q2​QC​

حمل ثلاثي الطور متوازن يأخذ 75 kW عند معامل قدرة 0,75 متأخر من مصدر 400 V (جهد خط) و 60 Hz. يجب أن ترفع مجموعة مكثّفات ثلاثية الطور موصولة على التوازي مع الحمل معامل القدرة الكلي إلى 0,95 متأخر. تبقى القدرة الفعّالة كما هي. المكثّفات موصولة دلتا (Δ). أوجد السعة Cph لكل مكثّف بالـ µF.

P = 75 kWpf1 = 0,75pf2 = 0,95VL = 400 Vf = 60 Hz
Cph = µF
19.المحوّلاتمتوسطة
4 ΩN1​N2​16 Ω

مكبّر مقاومة خرجه 16 Ω يغذّي مكبّر صوت 4 Ω عبر محوّل مثالي. لأقصى نقل للقدرة يجب أن يبدو مكبّر الصوت 16 Ω من جهة المكبّر. أوجد نسبة اللفّات a = N₁/N₂.

Rs = 16 ΩRL = 4 Ω
a =
20.المحوّلاتصعبة
pf 0,925 kVA, η = 97%

محوّل أحادي الطور 25 kVA مفقودات قلبه 75 W. عند الحمل المقنَّن ومعامل قدرة 0,9 متأخر تكون كفاءته 97%. أوجد مفقودات النحاس عند الحمل الكامل Pcu,fl بالواط.

S = 25 kVAPcore = 75 Wpf = 0,9η = 97%
Pcu,fl = W
21.دوائر مكبّرات العملياتمتوسطة
−+Vout​Rf​ = 100 kΩR1​ = 100 kΩVin​ = 0,2 V

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

Vin = 0,2 VR1 = 100 kΩRf = 100 kΩ
Vout = V
22.دوائر مكبّرات العملياتصعبة
−+Vout​Rf​ = 47 kΩV1​ = −1,2 VR1​ = 4,7 kΩV2​ = 0,6 VR2​ = 22 kΩIf​

يستخدم المكبّر الجامع مكبّر عمليات مثاليًا بمصدرين ±15 V. أوجد التيار If عبر مقاومة التغذية الراجعة المتّجه نحو الخرج.

V1 = −1,2 VV2 = 0,6 VR1 = 4,7 kΩR2 = 22 kΩRf = 47 kΩ
If = mA
23.الثنائيات والترانزستوراتمتوسطة
+−5 VR = ?2 × 2 V5 mA

2 حمراء من LED (الجهد الأمامي 2 V لكل منها) موصولة على التوالي مع مقاومة بمصدر 5 V. أوجد المقاومة R التي تجعل التيار 5 mA.

Vs = 5 VVF = 2 Vn = 2I = 5 mA
R = Ω
24.الثنائيات والترانزستوراتصعبة
RC​ = 470 Ωβ = 50VCC​ = 9 V5 VRB​ = ?

ترانزستور NPN بـ β = 50 يتحكّم بمقاومة حمل 470 Ω موصولة بين VCC = 9 V ومجمِّعه. الباعث موصول بالأرضي. تُغذّى القاعدة من خرج منطقي 5 V عبر مقاومة قاعدة RB. خذ VBE = 0,7 V و VCE(sat) = 0,2 V. أوجد أكبر مقاومة قاعدة RB، بالـ kΩ، التي ما زالت تدفع الترانزستور إلى بداية التشبّع.

VCC = 9 VRC = 470 Ωβ = 50Vin = 5 VVBE = 0,7 VVCE(sat) = 0,2 V
RB = kΩ
25.أنظمة العدمتوسطة
القيم الموضعية في المتمم الثنائي1−12806413201608141211

النمط ذو 8 بتات 1010 0111 يخزّن عددًا صحيحًا بإشارة بصيغة المتمم الثنائي. ما قيمته N في النظام العشري؟

1010 01118 bit
N =
26.أنظمة العدصعبة
المتمم الثنائي بـ 16 بت, N = ??الإشارة???????????????

ما أصغر (أكثر سالبية) عدد صحيح N يمكن تخزينه بالمتمم الثنائي ذي 16 بتة؟

16 bit
N =
27.المنطق الرقمي: البوابات وخرائط كارنو والقلّاباتمتوسطة
ABCD000111100001111000110312141517060120130150140809011010

استخدم خريطة كارنو لإيجاد الصيغة الدنيا لجداء المجاميع (POS) للدالة F(A, B, C, D) = Σm(1, 2, 4, 5, 7). كم حد مجموع (عاملًا) N فيها؟

F(A, B, C, D) = Σm(1, 2, 4, 5, 7)
N =
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
t (s)f(t)t = 0,2f(0,2) = ?

أوجد f(t) للدالة F(s) = 25/(s(s + 3)(s + 6)) بالكسور الجزئية، واحسب f(0,2).

F(s) = 25/(s(s + 3)(s + 6))t = 0,2 s
f(0.2) =
30.تحويلات لابلاسصعبة
t (s)y(t)t = 0,6y(0,6) = ?

حلّ y″ + 5y′ + 6y = 0 مع y(0) = 4 و y′(0) = 3 باستخدام تحويل لابلاس، وأوجد y(0,6).

y″ + 5y′ + 6y = 0y(0) = 4y′(0) = 3t = 0,6 s
y(0.6) =
31.المخططات الصندوقيةمتوسطة
R(s)+2(s + 2)(s + 4)(s + 7)G(s)C(s)−

حلقة تغذية راجعة سالبة أحادية لها G(s) = 2(s + 2)/((s + 4)(s + 7)). تُطبَّق خطوة مقدارها 2 عند المرجع. أوجد خطأ الحالة المستقرة ess.

G(s) = 2(s + 2)/((s + 4)(s + 7))R = 2
ess =
32.المخططات الصندوقيةصعبة
R(s)+22s(s + 7)G(s)C(s)2H−

النظام المُتحكَّم فيه G(s) = 22/(s(s + 7)) في حلقة تغذية راجعة سالبة كسب مستشعرها H = 2. أقطاب الحلقة المغلقة مركّبة. أوجد جزأها الحقيقي σ.

G(s) = 22/(s(s + 7))H = 2
σ =
33.الاستجابة الخطويةمتوسطة
t (s)y(t)0,5

لنظام دالة النقل G(s) = 8,5/(s² + 4s + 17) ويتلقى دخلًا خطويًا وحدويًا. أوجد التردد الطبيعي ωn بوحدة rad/s.

G(s) = 8,5/(s² + 4s + 17)
ωn = rad/s
34.الاستجابة الخطويةصعبة
R(s)+85s(s + 2)G(s)C(s)−

لحلقة تغذية عكسية سالبة وحدوية G(s) = 85/(s(s + 2)). أوجد زمن الاستقرار ts عند 2 % للاستجابة الخطوية للحلقة المغلقة باستخدام ts ≈ 4/(ζωₙ).

G(s) = 85/(s(s + 2))
ts = s
35.مخططات بودي والهوامشمتوسطة
|H| (dB)0,11101001000−100−80−60−40−20020ω (rad/s)ω = 30

أوجد المقدار الدقيق |G(jω)| لـ G(s) = 60/((s + 2)(s + 3)) عند ω = 30 rad/s، بوحدة dB.

G(s) = 60/((s + 2)(s + 3))ω = 30 rad/s
|G(jω)| = dB
36.مخططات بودي والهوامشصعبة
|H| (dB)0,10,1111010100100−60−40−2002040ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−180−135−90−450ωc​ = ?

حلقة تغذية عكسية وحدوية دالة نقلها المفتوحة L(s) = 18/(s(s + 10)). أوجد تردد تقاطع الكسب ωc، حيث |L(jω)| = 1.

L(s) = 18/(s(s + 10))
ωc = rad/s
37.الاستقرار: راوث–هرفيتز والمحل الهندسي للجذورمتوسطة
R(s)+Ks + 2(s − 1)(s + 5)C(s)−

للمحطة G(s) = (s + 2)/((s − 1)(s + 5)) قطب غير مستقر عند s = 1. يغلق كسب تناسبي K حلقة تغذية عكسية وحدوية حولها. أوجد أصغر كسب Kmin يجعل الحلقة المغلقة مستقرة.

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

يغادر المحل الهندسي للجذور لـ L(s) = K/(s(s + 4)(s + 10)) المحور الحقيقي بين s = 0 وs = −4. أوجد نقطة الانفصال sb.

L(s) = K/(s(s + 4)(s + 10))
sb =
39.خطأ الحالة المستقرة والتحكم PIDمتوسطة
R(s)+K = 125s + 1C(s)−

تُضبط عملية G(s) = 2/(5s + 1) بواسطة كسب تناسبي K = 1 ضمن حلقة تغذية عكسية وحدوية. أوجد خطأ الحالة المستقرة ess لخطوة، كنسبة مئوية من حجم الخطوة.

G(s) = 2/(5s + 1)K = 1
ess = %
40.خطأ الحالة المستقرة والتحكم PIDصعبة
R(s)+10 + Kd​s2s(s + 2)C(s)−

يتحكم متحكم PD بالصيغة C(s) = 10 + Kd·s في المحطة G(s) = 2/(s(s + 2)) ضمن حلقة تغذية عكسية وحدوية. أوجد كسب المشتقة Kd الذي يعطي الحلقة المغلقة نسبة تخميد ζ = 0,8.

G(s) = 2/(s(s + 2))Kp = 10ζ = 0,8
Kd = s

3المحاليل

1.المقاومات على التوالي والتوازي

الإجابة: Req = 9,333 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​ = 8 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​12 VR2​2 ΩAR4​2 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 = 2 + 2 = 4 Ω
R2 ∥ 4 = 2·4/(2+4) = 1,333 Ω
Req = R1 + 1,333 = 8 + 1,333 = 9,333 Ω

الإجابة

Req = 9,333 Ω
2.المقاومات على التوالي والتوازي

الإجابة: IR2 = 0,5555 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​ = 25 ΩR3​ = 15 ΩR5​ = 2 Ω+−V1​30 VR2​12 ΩAR4​3 ΩBR6​20 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 = 2 + 20 = 22 Ω
R4 ∥ 22 = 2,64 Ω
R3 + 2,64 = 17,64 Ω
R2 ∥ 17,64 = 7,142 Ω
Req = R1 + 7,142 = 25 + 7,142 = 32,14 Ω

التيار من المصدر

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

IR1 = V1/Req = 30/32,14 = 0,9334 A

التيار عبر R₂

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

VA = V1 − IR1·R1 = 30 − 0,9334·25 = 6,666 V
IR2 = VA/R2 = 6,666/12 = 0,5555 A

الإجابة

IR2 = 0,5555 A
3.تحليل العقد

الإجابة: PIs = 10,63 W

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.

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/3 + (VA − 10)/20 + (VA − VB)/15 = 0
0,45·VA − 0,06667·VB = 0,5

قانون كيرشوف للتيار عند العقدة B

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

VB/R4 + (VB − VA)/R3 = Is
VB/3 + (VB − VA)/15 = 2
−0,06667·VA + 0,4·VB = 2

الحل

Δ = (0,45)(0,4) − (−0,06667)(−0,06667) = 0,1756
VA = Δ1/Δ = 0,3333/0,1756 = 1,899 V
VB = Δ2/Δ = 0,9333/0,1756 = 5,316 V

القدرة التي يعطيها مصدر التيار

يدفع المصدر Iₛ إلى الأعلى نحو العقدة B، من الأرضي (0 V) إلى VB. المصدر الذي يخرج تياره من طرفه + يعطي القدرة P = V·I.

PIs = VB·Is = 5,316·2 = 10,63 W

الإجابة

PIs = 10,63 W
4.تحليل العقد

الإجابة: Ix = 2,051 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.

كوّن عقدة فائقة

مصدر الجهد بين A و B يحمل تيارًا مجهولًا، لذا لا يمكن كتابة قانون كيرشوف للتيار عند A أو B منفصلتين. احصر A و B والمصدر في عقدة فائقة واحدة: التيار الداخل إليها يساوي التيار الخارج منها.

VB = VA + 4
(VA − V1)/R1 + VA/R2 + VB/R3 = Is

الحل

(VA − 30)/8 + VA/12 + (VA + 4)/3 = 2
VA·(1/8 + 1/12 + 1/3) = 2 + 30/8 − 4/3 = 4,417
VA = 4,417/0,5417 = 8,154 V
VB = 12,15 V

التيار في مصدر الجهد

قانون كيرشوف للتيار عند العقدة A وحدها: التيار القادم عبر R₁ يخرج عبر R₂ وعبر مصدر الجهد.

IR1 = (30 − 8,154)/8 = 2,731 A
Ix = IR1 − VA/R2 = 2,731 − 8,154/12 = 2,051 A

الإجابة

Ix = 2,051 A

النتيجة السالبة تعني أن التيار الفعلي يجري عكس السهم.

5.تحليل الحلقات

الإجابة: VR2 = −6,122 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​ = 12 Ω+−V1​6 VR3​5 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 + 5(I1 − I2) = 6
13·I1 − 5·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
12·I2 + 5(I2 − I1) = (−10)
−5·I1 + 17·I2 = −10

الحل

Δ = (13)(17) − (−5)(−5) = 196
I1 = Δ1/Δ = 52/196 = 0,2653 A
I2 = Δ2/Δ = −100/196 = −0,5102 A

الإجابة

IR2 = I2 = −0,5102 A
VR2 = IR2·R2 = −0,5102·12 = −6,122 V

تيار الحلقة السالب يسري عكس عقارب الساعة.

6.تحليل الحلقات

الإجابة: IR1 = 0,2786 A

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

R1​ = 12 ΩR2​ = 5 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​24 VR4​15 ΩAR5​30 ΩB+−V2​36 VI1​I2​I3​

عيّن تيارات الحلقات

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

قانون كيرشوف للجهد حول الحلقة 1

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

R1·I1 + R4(I1 − I2) = V1
12·I1 + 15(I1 − I2) = 24
27·I1 − 15·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 + R4(I2 − I1) + R5(I2 − I3) = 0
5·I2 + 15(I2 − I1) + 30(I2 − I3) = 0
−15·I1 + 50·I2 − 30·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
5·I3 + 30(I3 − I2) = (−36)
−30·I2 + 35·I3 = −36

الحل

Δ = محدد مصفوفة المعاملات = 15075
I1 = Δ1/Δ = 4200/15075 = 0,2786 A
I2 = Δ2/Δ = −16560/15075 = −1,099 A
I3 = Δ3/Δ = −29700/15075 = −1,97 A

الإجابة

IR1 = I1 = 0,2786 A

تيار الحلقة السالب يسري عكس عقارب الساعة.

7.التراكب

الإجابة: IR2 = 1,565 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​ = 8 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​15 VR2​5 ΩAR4​5 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 = 2+5 = 7 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 5·7/(5+7) = 2,917 Ω
VA = 15·2,917/(8+2,917) = 4,008 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 4,008·5/7 = 2,863 V
IR2′ = (VA − 0)/R2 = (4,008 − 0)/5 = 0,8015 A
R1​ = 8 ΩR3​ = 2 ΩقصرR2​5 ΩAR4​5 ΩBIs​2,5 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 = 8·5/(8+5) = 3,077 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 5 ∥ 5,077 = 2,519 Ω
VB = Is·Req = 2,5·2,519 = 6,298 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 6,298·3,077/5,077 = 3,817 V
IR2″ = (VA − 0)/R2 = (3,817 − 0)/5 = 0,7634 A

اجمع المساهمات

IR2 = IR2′ + IR2″
IR2 = 0,8015 + 0,7634 = 1,565 A

النتيجة السالبة تعني أن التيار يسري عكس السهم في الواقع.

8.التراكب

الإجابة: PR4 = 114,1 W

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​ = 30 ΩR2​ = 15 ΩR4​ = 30 Ω+−V1​18 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 ∥ 45 = 18 Ω
VA = 18·18/(30+18) = 6,75 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 6,75·30/45 = 4,5 V
IR4′ = (VB − V2)/R4 = (4,5 − 0)/30 = 0,15 A
R1​ = 30 ΩR2​ = 15 ΩR4​ = 30 ΩقصرR3​30 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. سهم Iₛ يشير إلى الأسفل، بعيدًا عن عقدته، لذا يسحب Iₛ تيارًا من تلك العقدة: يدخل حدّه بإشارة سالبة.

R1 ∥ R3 = 15 Ω، إذن المسار الأيسر هو R2+15 = 30 Ω
Req = R4 ∥ 30 = 15 Ω
VB = −Is·Req = −3·15 = −45 V
VA = VB·15/30 = −22,5 V
IR4″ = (VB − V2)/R4 = (−45 − 0)/30 = −1,5 A
R1​ = 30 ΩR2​ = 15 ΩR4​ = 30 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 = 30·30/(30+30) = 15 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = 36·30/60 = 18 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = 18·15/30 = 9 V
IR4‴ = (VB − V2)/R4 = (18 − 36)/30 = −0,6 A

اجمع إسهامات التيار

IR4 = IR4′ + IR4″ + IR4‴ = 0,15 + (−1,5) + (−0,6) = −1,95 A

القدرة في المقاومة

تعتمد القدرة على مربّع التيار، لذا لا تخضع لمبدأ التراكب: اجمع التيارات أولًا، ثم ربّع.

PR4 = IR4²·R4 = (−1,95)²·30 = 114,1 W

الإجابة

PR4 = 114,1 W

جمع قدرات الحالات المنفصلة يعطي 78,97 W، وهذا خطأ.

9.ثيفنن ونورتن

الإجابة: Vth = 20 V

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

R1​ = 3 ΩR3​ = 4 ΩقصرR2​6 ΩAabRth​

أوجد Rth مع إطفاء كل المصادر

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

R1 ∥ R2 = 3·6/(3+6) = 2 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2 + 4 = 6 Ω
R1​ = 3 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​30 VR2​6 ΩAab+−Vth​

أوجد Vth، جهد الدائرة المفتوحة

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

Vth = V1·R2/(R1+R2) = 30·6/(3+6) = 20 V
10.ثيفنن ونورتن

الإجابة: IN = 2,643 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​ = 30 ΩقصرR2​3 ΩAمفتوحBabRth​

أوجد Rth مع إطفاء كل المصادر

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

R1 ∥ R2 = 3·3/(3+3) = 1,5 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,5 + 30 = 31,5 Ω
R1​ = 3 ΩR3​ = 30 Ω+−V1​9 VR2​3 ΩAIs​2,5 ABab+−Vth​

أوجد Vth، جهد الدائرة المفتوحة

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

VA = V1·R2/(R1+R2) + Is·(R1∥R2) = 4,5 + 2,5·1,5 = 8,25 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 8,25 + 2,5·30 = 83,25 V
IN​2,643 ARth​31,5 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 = 83,25/31,5 = 2,643 A
11.الحالات العابرة RC و RL

الإجابة: W = 0,3364 mJ

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

الثابت الزمني والتيار النهائي

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

τ = L/R = 10 mH / 20 Ω = 0,5 ms
i(∞) = Vs/R = 6/20 = 0,3 A

التيار في اللحظة المعطاة

i(t) = 0,3·(1 − e−1/0,5) = 0,2594 A

الطاقة المخزّنة

W = ½·L·i² = ½·10·0,2594² = 0,3364 mJ

الإجابة

W = 0,3364 mJ
12.الحالات العابرة RC و RL

الإجابة: R = 232,2 kΩ

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 المطلوب

9 = 15·(1 − e−1000/τ) → τ = 1000/ln(15/(15 − 9))
τ = 1000/0,9163 = 1091 ms

المقاومة

kΩ مضروبة في µF تعطي ميلي ثانية.

R = τ/C = 1091/4,7 = 232,2 kΩ

الإجابة

R = 232,2 kΩ
13.معاوقة التيار المتردد والطوريات

الإجابة: φ = −72,65 °

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

المفاعلات

ω = 2πf = 2π·60 = 377 rad/s
XL = ωL = 377·0,15 = 56,55 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(377·22·10⁻⁶) = 120,6 Ω

المعاوقة

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

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(20² + (−64,02)²) = 67,07 Ω

زاوية الطور

φ = arctan((XL − XC)/R) = arctan(−64,02/20) = −72,65°

الإجابة

φ = −72,65°
14.معاوقة التيار المتردد والطوريات

الإجابة: f0 = 41,09 Hz

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

الرنين

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

f0 = 1/(2π√(LC)) = 1/(2π·√(0,15·100·10⁻⁶)) = 41,09 Hz

الإجابة

f0 = 41,09 Hz
15.قدرة التيار المتردد ومعامل القدرة

الإجابة: X = 16,7 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 = 1656/11,5² = 12,52 Ω

المفاعلة من المعاوقة

|Z| = V/I = 240/11,5 = 20,87 Ω
X = √(|Z|² − R²) = √(20,87² − 12,52²) = 16,7 Ω

الإجابة

X = 16,7 Ω
16.قدرة التيار المتردد ومعامل القدرة

الإجابة: Pmax = 2,88 W

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

المواءمة المرافقة

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

ZL = Zs* = 50 − j20 Ω

أقصى قدرة

I = Vs/(2Rs) = 24/100 = 0,24 A
Pmax = I²·RL = Vs²/(4Rs) = 24²/(4·50) = 2,88 W

الإجابة

Pmax = 2,88 W
17.القدرة ثلاثية الطور

الإجابة: IL = 18,9 A

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 الكهربائية الداخلة

Pin = Pout/η = 18,5/0,91 = 20,33 kW

تيار الخط

IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 20330/(√3·690·0,9) = 18,9 A

الإجابة

IL = 18,9 A
18.القدرة ثلاثية الطور

الإجابة: Cph = 229,3 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 = 75·tan(acos 0,75) = 75·0,8819 = 66,14 kvar
Q2 = 75·tan(acos 0,95) = 75·0,3287 = 24,65 kvar

القدرة غير الفعّالة من المكثّفات

QC = Q1 − Q2 = 41,49 kvar

السعة لكل طور

في مجموعة Δ يوصل كل مكثّف بين خطين.

V = 400 V, ω = 2π·60 = 377 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 13831/(377·400²) = 229,3 µF

الإجابة

Cph = 229,3 µF
19.المحوّلات

الإجابة: a = 2

المحوّل المثالي: نسبة الجهود تساوي نسبة اللفّات، ونسبة التيارات عكسها: V₁/V₂ = N₁/N₂ = a و I₁/I₂ = N₂/N₁ = 1/a، لذا القدرة الداخلة تساوي القدرة الخارجة، V₁·I₁ = V₂·I₂. ممانعة الحمل Z على الملف الثانوي تبدو a²·Z من جهة الملف الابتدائي.

مواءمة الحمل المحوَّل

a²·4 = 16
a = √(16/4) = √4 = 2

الإجابة

a = 2
20.المحوّلات

الإجابة: Pcu,fl = 620,9 W

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

قدرتا الخرج والدخل

Pout = 25·0,9 = 22,5 kW
Pin = 22500/0,97 = 23196 W

المفقودات الكلية ومفقودات النحاس

Ploss = 23196 − 22500 = 695,9 W
Pcu,fl = 695,9 − 75 = 620,9 W

الإجابة

Pcu,fl = 620,9 W
21.دوائر مكبّرات العمليات

الإجابة: Vout = 0,4 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₊ = 0,2 V
I = V₋/R1 = 0,2/100 = 0,002 mA

جهد الخرج

التيار عبر R₁ يمرّ أيضًا عبر Rf.

Vout = V₋ + I·Rf = 0,2 + 0,002·100 = 0,4 V

الإجابة

Vout = 0,4 V
22.دوائر مكبّرات العمليات

الإجابة: If = −0,228 mA

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

تيارات الدخل

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

I1 = V1/R1 = −1,2/4,7 = −0,2553 mA
I2 = V2/R2 = 0,6/22 = 0,02727 mA
If = I1 + I2 = −0,228 mA

الإجابة

If = −0,228 mA
23.الثنائيات والترانزستورات

الإجابة: R = 200 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 = 5 − 2·2 = 1 V

المقاومة

R = 1/0,005 = 200 Ω

الإجابة

R = 200 Ω

تبدد المقاومة 5 mW.

24.الثنائيات والترانزستورات

الإجابة: RB = 11,48 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) = (9 − 0,2)/470 = 18,72 mA

أدنى تيار قاعدة

IB(min) = IC(sat)/β = 18,72/50 = 374,5 µA

مقاومة القاعدة

RB = (5 − 0,7)/IB = 4,3 V/0,3745 mA = 11,48 kΩ

الإجابة

RB = 11,48 kΩ

أي مقاومة قاعدة أصغر تُشبِع الترانزستور أيضًا؛ وعمليًا تختار مقاومة أصغر ببضع مرات.

25.أنظمة العد

الإجابة: N = −89

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.

اجمع القيم

تحتفظ البتات الأخرى بقيمها الموجبة المعتادة.

−128 + 32 + 4 + 2 + 1 = −89

الإجابة

N = −89
26.أنظمة العد

الإجابة: N = −32768

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.

القيمة الأكثر سالبية

−215 = −32768

الإجابة

N = −32768
27.المنطق الرقمي: البوابات وخرائط كارنو والقلّابات

الإجابة: N = 4

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

ABCD000111100001111000110312141517060120130150140809011010

جمّع الأصفار

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

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

الصيغة الدنيا POS

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

الإجابة

N = 4
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 = 1 → Q = 1
6: T = 0 → Q = 1

أول تغير من 1 إلى 0

حافة الساعة 3

الإجابة

حافة الساعة 3
29.تحويلات لابلاس

الإجابة: f(0.2) = 0,2827

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

الكسور الجزئية

F(s) = A/s + B/(s + 3) + C/(s + 6)
A = 25/(3·6) = 1,389
B = 25/((−3)·3) = −2,778
C = 25/((−6)·(−3)) = 1,389

التحويل العكسي

f(t) = 1,389 − 2,778·e−3t + 1,389·e−6t

احسب

f(0,2) = 1,389 − 2,778·e−3·0,2 + 1,389·e−6·0,2 = 0,2827

الإجابة

f(0,2) = 0,2827
30.تحويلات لابلاس

الإجابة: y(0.6) = 2,7

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).

حوّل المعادلة

s²Y − 4s − 3 + 5(sY − 4) + 6Y = 0
Y(s) = (4s + 23)/((s + 2)(s + 3))

الكسور الجزئية

A = 15/1 = 15
B = 11/(−1) = −11

النتيجة

y(t) = 15·e−2t − 11·e−3t
y(0,6) = 2,7

الإجابة

y(0,6) = 2,7

تحقّق: y(0) = A + B = 4.

31.المخططات الصندوقية

الإجابة: ess = 1,75

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

ثابت خطأ الموضع

Kₚ = G(0) = 2·2/(4·7) = 0,1429

خطأ الحالة المستقرة

ess = A/(1 + Kₚ) = 2/(1 + 0,1429) = 1,75

الإجابة

ess = 1,75
32.المخططات الصندوقية

الإجابة: σ = −3,5

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

المعادلة المميزة

s(s + 7) + 22·2 = 0 → s² + 7s + 44 = 0

الجذور

s = −3,5 ± j·√(44 − 12,25) = −3,5 ± j5,635
σ = −3,5

الإجابة

σ = −3,5
33.الاستجابة الخطوية

الإجابة: ωn = 4,123 rad/s

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

قارن مع الصيغة القياسية

يجب أن يطابق المقام s² + 2ζωₙs + ωₙ².

ωₙ² = 17 → ωₙ = 4,123 rad/s
2ζωₙ = 4 → ζ = 4/(2·4,123) = 0,4851

النتيجة

ωₙ = 4,123 rad/s

الإجابة

ωn = 4,123 rad/s
34.الاستجابة الخطوية

الإجابة: ts = 4 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).

دالة تحويل الحلقة المغلقة

T(s) = 85/(s² + 2s + 85): ωₙ = 9,22 rad/s, ζ = 0,1085

زمن الاستقرار

ζωₙ = 2/2 = 1
ts ≈ 4/(ζωₙ) = 4 s

الإجابة

ts = 4 s

في هذه الحلقة ζωₙ = a/2 مهما كانت K: زيادة K تزيد التجاوز لكنها لا تقصّر زمن الاستقرار.

35.مخططات بودي والهوامش

الإجابة: |G(jω)| = −23,58 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)| = 60/(√(30² + 2²)·√(30² + 3²)) = 60/(30,07·30,15) = 0,06619

النتيجة

20·log₁₀(0,06619) = −23,58 dB

الإجابة

|G(jω)| = −23,58 dB
36.مخططات بودي والهوامش

الإجابة: ωc = 1,772 rad/s

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

تقاطع الكسب

ω⁴ + 100ω² − 324 = 0
ω² = (−100 + √(10000 + 4·324))/2 = 3,141
ωc = 1,772 rad/s

الإجابة

ωc = 1,772 rad/s
37.الاستقرار: راوث–هرفيتز والمحل الهندسي للجذور

الإجابة: Kmin = 2,5

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

(s − 1)(s + 5) + K(s + 2) = s² + (4 + K)s + (2K − 5)

الشروط

بالنسبة إلى s² + c₁s + c₀ تقع كل الجذور في النصف الأيسر من المستوى إذا وفقط إذا كان c₁ > 0 وc₀ > 0.

4 + K > 0 → K > −4
2K − 5 > 0 → K > 2,5
Kmin = 2,5

الإجابة

Kmin = 2,5
38.الاستقرار: راوث–هرفيتز والمحل الهندسي للجذور

الإجابة: sb = −1,761

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

الكسب على طول المحور الحقيقي

K(s) = −s(s + 4)(s + 10) = −(s³ + 14s² + 40s)

النقاط الحرجة

dK/ds = −(3s² + 28s + 40) = 0
s = (−28 ± √(784 − 480))/6 = −1,761, −7,573

اختر النقطة الواقعة على المحل الهندسي

يقع المحل الهندسي على المحور الحقيقي بين 0 و−4؛ أما الجذر الآخر فليس على المحل الهندسي.

sb = −1,761

الإجابة

sb = −1,761
39.خطأ الحالة المستقرة والتحكم PID

الإجابة: ess = 33,33 %

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 الموضع

Kp = 1·2 = 2

خطأ الخطوة

ess = 100/(1 + 2) = 33,33 %

الإجابة

ess = 33,33 %
40.خطأ الحالة المستقرة والتحكم PID

الإجابة: Kd = 2,578 s

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

كثير الحدود المميِّز

s(s + 2) + 2(10 + Kds) = s² + (2 + 2Kd)s + 20

التردد الطبيعي

ωₙ = √20 = 4,472 rad/s

كسب المشتقة

2 + 2Kd = 2·0,8·4,472 = 7,155
Kd = 2,578 s

الإجابة

Kd = 2,578 s

الحد التفاضلي يضيف تخميدًا دون تغيير ωₙ.

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

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