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​ = 15 ΩIR1​R3​ = 12 Ω+−V1​30 VR2​2 ΩAR4​3 ΩB

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

V1 = 30 VR1 = 15 ΩR2 = 2 ΩR3 = 12 ΩR4 = 3 Ω
IR1 = A
2.المقاومات على التوالي والتوازيصعبة
R1​ = 20 ΩIR1​R3​ = 20 ΩR5​ = 10 Ω+−V1​36 VR2​6 ΩAR4​12 ΩBR6​12 Ω

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

V1 = 36 VR1 = 20 ΩR2 = 6 ΩR3 = 20 ΩR4 = 12 ΩR5 = 10 ΩR6 = 12 Ω
IR1 = A
3.تحليل العقدمتوسطة
R1​ = 5 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​10 VR2​15 ΩAR4​20 ΩBIs​2 A

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

V1 = 10 VIs = 2 AR1 = 5 ΩR2 = 15 ΩR3 = 10 ΩR4 = 20 Ω
VB = V
4.تحليل العقدصعبة
R1​ = 20 Ω+−Vs​ = 5 V+−V1​30 VR2​6 ΩAR3​30 ΩBIs​0,5 A

مصدر الجهد Vₛ بين A و B طرفه + عند A، لذا يجعل VA − VB = Vₛ. استخدم تحليل العقد مع عقدة فائقة لإيجاد جهد العقدة VB (مقيسًا بالنسبة إلى الأرضي).

V1 = 30 VIs = 0,5 AVs = 5 VR1 = 20 ΩR2 = 6 ΩR3 = 30 Ω
VB = V
5.تحليل الحلقاتمتوسطة
R1​ = 20 ΩR2​ = 10 Ω+−V1​15 VR3​8 ΩA+−V2​9 VI1​I2​

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

V1 = 15 VV2 = 9 VR1 = 20 ΩR2 = 10 ΩR3 = 8 Ω
I2 = A
6.تحليل الحلقاتصعبة
R1​ = 6 ΩR2​ = 3 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​15 VR4​25 ΩAR5​3 ΩB+−V2​5 VI1​I2​I3​

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

V1 = 15 VV2 = 5 VR1 = 6 ΩR2 = 3 ΩR3 = 4 ΩR4 = 25 ΩR5 = 3 Ω
I3 = A
7.التراكبمتوسطة
R1​ = 15 ΩIR1​R3​ = 8 Ω+−V1​24 VR2​12 ΩAR4​20 ΩBIs​2 A

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

V1 = 24 VIs = 2 AR1 = 15 ΩR2 = 12 ΩR3 = 8 ΩR4 = 20 Ω
IR1 = A
8.التراكبصعبة
R1​ = 10 ΩR2​ = 25 ΩR4​ = 30 Ω+−V1​30 VR3​20 ΩIR3​AIs​3 AB−+V2​10 V

استخدم مبدأ التراكب لإيجاد القدرة PR3 التي يمتصها R3.

V1 = 30 VIs = 3 AV2 = 10 VR1 = 10 ΩR2 = 25 ΩR3 = 20 ΩR4 = 30 Ω
PR3 = W
9.ثيفنن ونورتنمتوسطة
R1​ = 12 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​18 VR2​15 ΩAab

أوجد مقاومة ثيفنن Rth المرئية من الطرفين a–b.

V1 = 18 VR1 = 12 ΩR2 = 15 ΩR3 = 5 Ω
Rth = Ω
10.ثيفنن ونورتنصعبة
R1​ = 2 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​15 VR2​10 ΩAIs​0,5 ABRL​30 ΩIL​

وُصل حِمل RL = 30 Ω بين a–b. استخدم مكافئ ثيفنن لإيجاد القدرة PL المسلَّمة إلى الحِمل.

V1 = 15 VIs = 0,5 AR1 = 2 ΩR2 = 10 ΩR3 = 10 ΩRL = 30 Ω
PL = W
11.الحالات العابرة RC و RLمتوسطة
+−Vs​6 Vt = 0R = 15 ΩL47 mHi(t)

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

Vs = 6 VR = 15 ΩL = 47 mHt = 5 ms
vL = V
12.الحالات العابرة RC و RLصعبة
+−Vs​24 Vt = 0R = 4,7 kΩC220 µF+−vC​vC​(0) = 10 V

قبل إغلاق المفتاح عند t = 0 مباشرة، يكون جهد المكثّف 10 V بالقطبية الموضّحة. أوجد جهد المكثّف vC عند t = 750 ms.

Vs = 24 VR = 4,7 kΩC = 220 µFvC(0) = 10 Vt = 750 ms
vC = V
13.معاوقة التيار المتردد والطورياتمتوسطة
24 V500 HzR = 80 ΩL = 100 mHI

مقاومة وملف موصولان على التوازي على مصدر 24 V (فعّال)، 500 Hz. أوجد زاوية الطور φ للمعاوقة بالدرجات (موجبة عندما يتأخّر التيار عن الجهد).

V = 24 V (rms)f = 500 HzR = 80 ΩL = 100 mH
φ = °
14.معاوقة التيار المتردد والطورياتصعبة
12 Vf0​R = 10 ΩL = 20 mHC = 0,47 µF

دائرة RLC على التوالي يغذّيها مصدر 12 V (فعّال) ضُبط تردّده على تردّد رنين الدائرة. أوجد الجهد الفعّال VL على الملف.

V = 12 V (rms)R = 10 ΩL = 20 mHC = 0,47 µF
VL = V
15.قدرة التيار المتردد ومعامل القدرةمتوسطة
P = 12 kWQ = ?Sφ

يستهلك محرّك أحادي الطور 12 kW بمعامل قدرة 0,6 متأخّر من مصدر 240 V. أوجد القدرة غير الفعّالة Q التي يسحبها.

P = 12 kWpf = 0,6V = 240 V
Q = kvar
16.قدرة التيار المتردد ومعامل القدرةصعبة
P1​ = 36 kWQ1​S1​φ

محوّل أحادي الطور قدرته 75 kVA يغذّي حِملًا 36 kW بمعامل قدرة 0,6 متأخّر. ما مقدار القدرة الفعلية الإضافية ΔP التي يمكن إضافتها كحِمل مقاومي (معامل قدرة واحد) قبل أن يبلغ المحوّل قدرته الاسمية بوحدة kVA؟

Smax = 75 kVAP1 = 36 kWpf1 = 0,6
ΔP = kW
17.القدرة ثلاثية الطورمتوسطة
ABCVL​ = 415 VNZ = 12 + j16 Ωلكل طور

حمل متوازن موصول Y ممانعته 12 + j16 Ω لكل طور موصول بمصدر ثلاثي الطور متوازن جهد خطه 415 V. أوجد القدرة الفعّالة الكلية P التي يمتصّها الحمل بالـ kW.

VL = 415 VZ = 12 + j16 Ω لكل طور
P = kW
18.القدرة ثلاثية الطورصعبة
P = 50 kWφ1​S1​Q2​QC​

حمل ثلاثي الطور متوازن يأخذ 50 kW عند معامل قدرة 0,7 متأخر من مصدر 480 V (جهد خط) و 50 Hz. يجب أن ترفع مجموعة مكثّفات ثلاثية الطور موصولة على التوازي مع الحمل معامل القدرة الكلي إلى 0,98 متأخر. تبقى القدرة الفعّالة كما هي. المكثّفات موصولة دلتا (Δ). أوجد السعة Cph لكل مكثّف بالـ µF.

P = 50 kWpf1 = 0,7pf2 = 0,98VL = 480 Vf = 50 Hz
Cph = µF
19.المحوّلاتمتوسطة
2 Ω41

وُصلت مقاومة 2 Ω على طرفي الملف الثانوي لمحوّل مثالي نسبة لفّاته N₁:N₂ = 4:1. أوجد المقاومة R1′ المرئية عند النظر إلى الملف الابتدائي.

N1:N2 = 4:1RL = 2 Ω
R1′ = Ω
20.المحوّلاتصعبة
pf 0,85150 kVA, 75% الحمل

محوّل أحادي الطور 150 kVA مفقودات قلبه 600 W ومفقودات نحاسه 2400 W عند الحمل المقنَّن. يغذّي 75% من قدرته المقنَّنة بالـ kVA عند معامل قدرة 0,85 متأخر. أوجد المفقودات الكلية Ploss بالواط عند هذا الحمل.

S = 150 kVAPcore = 600 WPcu,fl = 2400 Wx = 0,75pf = 0,85
Ploss = W
21.دوائر مكبّرات العملياتمتوسطة
−+Vout​Rf​ = 10 kΩR1​ = 2 kΩVin​ = −2,5 VRa​ = 1 kΩRb​ = 2 kΩ

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

Vin = −2,5 VRa = 1 kΩRb = 2 kΩR1 = 2 kΩRf = 10 kΩ
Vout = V
22.دوائر مكبّرات العملياتصعبة
−+Vout​C = 0,47 µFVin​ = 2,2 VR = 1 kΩ

يستخدم المكامِل مكبّر عمليات مثاليًا بمصدرَي تغذية ±15 V؛ ويتشبّع خرجه عند ±12 V. المكثّف غير مشحون عند تطبيق دخل ثابت Vin = 2,2 V عند t = 0. بعد كم من t = 0 يبلغ الخرج التشبّع؟ أوجد t.

Vin = 2,2 VR = 1 kΩC = 0,47 µFVsat = ±12 V
t = ms
23.الثنائيات والترانزستوراتمتوسطة
RC​ = 1,5 kΩβ = 100IC​ = ?VCC​ = 10 VRB​ = 390 kΩ

ترانزستور NPN بـ β = 100 منحاز بمقاومة قاعدة RB = 390 kΩ من المصدر VCC = 10 V. مقاومة المجمِّع RC = 1,5 kΩ والباعث موصول بالأرضي. خذ VBE = 0,7 V وافترض أن الترانزستور في المنطقة الفعّالة. أوجد تيار المجمِّع IC بالـ mA.

VCC = 10 VRB = 390 kΩRC = 1,5 kΩβ = 100VBE = 0,7 V
IC = mA
24.الثنائيات والترانزستوراتصعبة
RC​ = 100 Ωβ = 80VCC​ = 9 V5 VRB​ = ?

ترانزستور NPN بـ β = 80 يتحكّم بمقاومة حمل 100 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. لتبديل موثوق، صمّم لتيار قاعدة يساوي 4 ضعف الحد الأدنى اللازم للتشبّع. أوجد RB بالـ kΩ.

VCC = 9 VRC = 100 Ωβ = 80Vin = 5 VVBE = 0,7 VVCE(sat) = 0,2 Vمعامل الدفع الزائد = 4
RB = kΩ
25.أنظمة العدمتوسطة
المتمم الثنائي ذو 8 بتات?−128?64?32?16?8?4?2?1

اكتب −82 كنمط متمم ثنائي ذي 8 بتات. اقرأ النمط كعدد ثنائي بلا إشارة: ما قيمته U في النظام العشري؟

N = −828 bit
U =
26.أنظمة العدصعبة
3357 رموز، b = ؟ بت?2ᵇ⁻¹…?4?2?1

يجب أن يعطي نظام كل واحد من 3357 عنصرًا رمزًا ثنائيًا خاصًا به بالطول نفسه. ما أقل عدد من البتات b يلزم؟

3357
b = bit
27.المنطق الرقمي: البوابات وخرائط كارنو والقلّاباتمتوسطة
ABC00011110010001031214150706

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

F(A, B, C) = Σm(2, 4, 5)
N =
28.المنطق الرقمي: البوابات وخرائط كارنو والقلّاباتصعبة
DQ3​Q3​DQ2​Q2​DQ1​Q1​DQ0​Q0​CLKSHIFT

مسجّل إزاحة من 4 بتّات Q₃Q₂Q₁Q₀ يحمل 0111. عند كل حافة ساعة تنزاح البتّات مكانًا واحدًا إلى اليمين (Q₃ → Q₂ → Q₁ → Q₀، ويضيع Q₀) ويدخل المدخل التسلسلي إلى Q₃. المدخل التسلسلي هو 1, 1, 0, 0 عند الحواف 4. أعطِ الحالة النهائية Q = Q₃Q₂Q₁Q₀ كعدد عشري.

Q₃Q₂Q₁Q₀ = 01111, 1, 0, 0
Q =
29.تحويلات لابلاسمتوسطة
t (s)f(t)t = 0,5f(0,5) = ?

أوجد f(t) للدالة F(s) = 10/(s(s + 1)(s + 5)) بالكسور الجزئية، واحسب f(0,5).

F(s) = 10/(s(s + 1)(s + 5))t = 0,5 s
f(0.5) =
30.تحويلات لابلاسصعبة
t (s)y(t)t = 0,6y(0,6) = ?

حلّ y″ + 7y′ + 6y = 0 مع y(0) = 2 و y′(0) = −10 باستخدام تحويل لابلاس، وأوجد y(0,6).

y″ + 7y′ + 6y = 0y(0) = 2y′(0) = −10t = 0,6 s
y(0.6) =
31.المخططات الصندوقيةمتوسطة
R(s)+10(s + 3)(s + 2)(s + 5)G(s)C(s)−

حلقة تغذية راجعة سالبة أحادية لها G(s) = 10(s + 3)/((s + 2)(s + 5)). تُطبَّق خطوة مقدارها 10 عند المرجع. أوجد خطأ الحالة المستقرة ess.

G(s) = 10(s + 3)/((s + 2)(s + 5))R = 10
ess =
32.المخططات الصندوقيةصعبة
R(s)+12s(s + 4)G(s)C(s)0,5H−

النظام المُتحكَّم فيه G(s) = 12/(s(s + 4)) في حلقة تغذية راجعة سالبة كسب مستشعرها H = 0,5. أقطاب الحلقة المغلقة مركّبة. أوجد جزأها التخيّلي ωd (القيمة الموجبة)، بوحدة rad/s.

G(s) = 12/(s(s + 4))H = 0,5
ωd = rad/s
33.الاستجابة الخطويةمتوسطة
t (s)y(t)3

لنظام دالة النقل G(s) = 171/(s² + 2s + 57) ويتلقى دخلًا خطويًا وحدويًا. القطبان هما s = σ ± jωd. أوجد الجزء الحقيقي σ.

G(s) = 171/(s² + 2s + 57)
σ =
34.الاستجابة الخطويةصعبة
+−24 VR = 13 ΩL = 100 mHC = 22 µFvC​

دائرة RLC على التسلسل فيها R = 13 Ω وL = 100 mH وC = 22 µF موصولة بخطوة جهد 24 V عند t = 0. المكثف غير مشحون ولا يمر تيار قبل الخطوة. أوجد زمن أول ذروة للجهد tp بوحدة ms.

R = 13 ΩL = 100 mHC = 22 µFV = 24 V
tp = ms
35.مخططات بودي والهوامشمتوسطة
|H| (dB)11101010010010001000−60−40−2002040ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−135−90−450ω = 10

أوجد الطور ∠G(jω) لـ G(s) = 9(s + 19)/(s(s + 12)) عند ω = 10 rad/s، بالدرجات.

G(s) = 9(s + 19)/(s(s + 12))ω = 10 rad/s
∠G(jω) = °
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) = 14/(s(s + 1)(s + 4)). أوجد هامش الكسب GM بوحدة dB.

L(s) = 14/(s(s + 1)(s + 4))
GM = dB
37.الاستقرار: راوث–هرفيتز والمحل الهندسي للجذورمتوسطة
R(s)+K1s(s + 6)(s + 8)C(s)−

لحلقة المخطط دالة نقل الحلقة المفتوحة L(s) = K/(s(s + 6)(s + 8)). أوجد أكبر كسب Kmax تكون الحلقة المغلقة عنده مستقرة.

L(s) = K/(s(s + 6)(s + 8))
Kmax =
38.الاستقرار: راوث–هرفيتز والمحل الهندسي للجذورصعبة
ReIm−1−2−3−4−5−6−7−8−9−101j1j2

لحلقة تغذية عكسية وحدوية L(s) = K(s + 8)/((s + 5)(s + 6)(s + 3)). أوجد النقطة σa التي تقطع فيها الخطوط المقاربة للمحل الهندسي للجذور المحور الحقيقي.

L(s) = K(s + 8)/((s + 5)(s + 6)(s + 3))
σa =
39.خطأ الحالة المستقرة والتحكم PIDمتوسطة
R(s)+K = 4410s + 1C(s)−

تُضبط عملية G(s) = 4/(10s + 1) بواسطة كسب تناسبي K = 4 ضمن حلقة تغذية عكسية وحدوية. أوجد خطأ الحالة المستقرة ess لخطوة، كنسبة مئوية من حجم الخطوة.

G(s) = 4/(10s + 1)K = 4
ess = %
40.خطأ الحالة المستقرة والتحكم PIDصعبة
R(s)+K = 81s(s + 4)C(s)−

يتحكم متحكم تناسبي K = 8 في المحطة G(s) = 1/(s(s + 4)) ضمن حلقة تغذية عكسية وحدوية. أوجد زمن الذروة tp للاستجابة الخطوية.

G(s) = 1/(s(s + 4))K = 8
tp = s

3المحاليل

1.المقاومات على التوالي والتوازي

الإجابة: IR1 = 1,789 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​ = 15 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​30 VR2​2 ΩAR4​3 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 = 12 + 3 = 15 Ω
R2 ∥ 15 = 2·15/(2+15) = 1,765 Ω
Req = R1 + 1,765 = 15 + 1,765 = 16,76 Ω

التيار من المصدر

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

IR1 = V1/Req = 30/16,76 = 1,789 A

الإجابة

IR1 = 1,789 A
2.المقاومات على التوالي والتوازي

الإجابة: IR1 = 1,444 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​ = 20 ΩR3​ = 20 ΩR5​ = 10 Ω+−V1​36 VR2​6 ΩAR4​12 ΩBR6​12 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 = 10 + 12 = 22 Ω
R4 ∥ 22 = 7,765 Ω
R3 + 7,765 = 27,76 Ω
R2 ∥ 27,76 = 4,934 Ω
Req = R1 + 4,934 = 20 + 4,934 = 24,93 Ω

التيار من المصدر

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

IR1 = V1/Req = 36/24,93 = 1,444 A

الإجابة

IR1 = 1,444 A
3.تحليل العقد

الإجابة: VB = 20,74 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​ = 5 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​10 VR2​15 ΩAR4​20 ΩBIs​2 A

حدّد العقد

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

قانون كيرشوف للتيار عند العقدة A

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

VA/R2 + (VA − V1)/R1 + (VA − VB)/R3 = 0
VA/15 + (VA − 10)/5 + (VA − VB)/10 = 0
0,3667·VA − 0,1·VB = 2

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)/10 = 2
−0,1·VA + 0,15·VB = 2

الحل

Δ = (0,3667)(0,15) − (−0,1)(−0,1) = 0,045
VA = Δ1/Δ = 0,5/0,045 = 11,11 V
VB = Δ2/Δ = 0,9333/0,045 = 20,74 V

الإجابة

VB = 20,74 V
4.تحليل العقد

الإجابة: VB = 3,667 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.

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 − 5
(VA − V1)/R1 + VA/R2 + VB/R3 = Is

الحل

(VA − 30)/20 + VA/6 + (VA − 5)/30 = 0,5
VA·(1/20 + 1/6 + 1/30) = 0,5 + 30/20 + 5/30 = 2,167
VA = 2,167/0,25 = 8,667 V
VB = 3,667 V

الإجابة

VB = 3,667 V
5.تحليل الحلقات

الإجابة: I2 = −0,3 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​ = 20 ΩR2​ = 10 Ω+−V1​15 VR3​8 ΩA+−V2​9 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
20·I1 + 8(I1 − I2) = 15
28·I1 − 8·I2 = 15

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
10·I2 + 8(I2 − I1) = (−9)
−8·I1 + 18·I2 = −9

الحل

Δ = (28)(18) − (−8)(−8) = 440
I1 = Δ1/Δ = 198/440 = 0,45 A
I2 = Δ2/Δ = −132/440 = −0,3 A

الإجابة

I2 = −0,3 A

تيار الحلقة السالب يسري عكس عقارب الساعة.

6.تحليل الحلقات

الإجابة: I3 = −0,2677 A

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

R1​ = 6 ΩR2​ = 3 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​15 VR4​25 ΩAR5​3 ΩB+−V2​5 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
6·I1 + 25(I1 − I2) = 15
31·I1 − 25·I2 = 15

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
3·I2 + 25(I2 − I1) + 3(I2 − I3) = 0
−25·I1 + 31·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
4·I3 + 3(I3 − I2) = (−5)
−3·I2 + 7·I3 = −5

الحل

Δ = محدد مصفوفة المعاملات = 2073
I1 = Δ1/Δ = 2745/2073 = 1,324 A
I2 = Δ2/Δ = 2160/2073 = 1,042 A
I3 = Δ3/Δ = −555/2073 = −0,2677 A

الإجابة

I3 = −0,2677 A

تيار الحلقة السالب يسري عكس عقارب الساعة.

7.التراكب

الإجابة: IR1 = 0,5128 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​ = 15 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​24 VR2​12 ΩAR4​20 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 = 8+20 = 28 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 12·28/(12+28) = 8,4 Ω
VA = 24·8,4/(15+8,4) = 8,615 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 8,615·20/28 = 6,154 V
IR1′ = (V1 − VA)/R1 = (24 − 8,615)/15 = 1,026 A
R1​ = 15 ΩR3​ = 8 ΩقصرR2​12 ΩAR4​20 ΩBIs​2 A

الحالة 2 · Is يعمل وحده

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

R1 ∥ R2 = 15·12/(15+12) = 6,667 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 20 ∥ 14,67 = 8,462 Ω
VB = Is·Req = 2·8,462 = 16,92 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 16,92·6,667/14,67 = 7,692 V
IR1″ = (V1 − VA)/R1 = (0 − 7,692)/15 = −0,5128 A

اجمع المساهمات

IR1 = IR1′ + IR1″
IR1 = 1,026 + (−0,5128) = 0,5128 A

النتيجة السالبة تعني أن التيار يسري عكس السهم في الواقع.

8.التراكب

الإجابة: PR3 = 35,08 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​ = 10 ΩR2​ = 25 ΩR4​ = 30 Ω+−V1​30 VR3​20 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) = 20 ∥ 55 = 14,67 Ω
VA = 30·14,67/(10+14,67) = 17,84 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 17,84·30/55 = 9,73 V
IR3′ = (VA − 0)/R3 = (17,84 − 0)/20 = 0,8919 A
R1​ = 10 ΩR2​ = 25 ΩR4​ = 30 ΩقصرR3​20 ΩAIs​3 ABقصر

الحالة 2 · Is يعمل وحده

يصبح مصدرا الجهد كلاهما قصرًا. ينقسم Iₛ عند B بين R₄ (الآن إلى الأرضي) و R₂ على التوالي مع R₁ ∥ R₃.

R1 ∥ R3 = 6,667 Ω، إذن المسار الأيسر هو R2+6,667 = 31,67 Ω
Req = R4 ∥ 31,67 = 15,41 Ω
VB = Is·Req = 3·15,41 = 46,22 V
VA = VB·6,667/31,67 = 9,73 V
IR3″ = (VA − 0)/R3 = (9,73 − 0)/20 = 0,4865 A
R1​ = 10 ΩR2​ = 25 ΩR4​ = 30 ΩقصرR3​20 ΩAمفتوحB−+V2​10 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 = 10·20/(10+20) = 6,667 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = (−10)·31,67/61,67 = −5,135 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = −5,135·6,667/31,67 = −1,081 V
IR3‴ = (VA − 0)/R3 = (−1,081 − 0)/20 = −0,05405 A

اجمع إسهامات التيار

IR3 = IR3′ + IR3″ + IR3‴ = 0,8919 + 0,4865 + (−0,05405) = 1,324 A

القدرة في المقاومة

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

PR3 = IR3²·R3 = 1,324²·20 = 35,08 W

الإجابة

PR3 = 35,08 W

جمع قدرات الحالات المنفصلة يعطي 20,7 W، وهذا خطأ.

9.ثيفنن ونورتن

الإجابة: Rth = 11,67 Ω

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

R1​ = 12 ΩR3​ = 5 ΩقصرR2​15 ΩAabRth​

أوجد Rth مع إطفاء كل المصادر

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

R1 ∥ R2 = 12·15/(12+15) = 6,667 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 6,667 + 5 = 11,67 Ω
10.ثيفنن ونورتن

الإجابة: PL = 0,768 W

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

R1​ = 2 ΩR3​ = 10 ΩقصرR2​10 ΩAمفتوحBabRth​

أوجد Rth مع إطفاء كل المصادر

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

R1 ∥ R2 = 2·10/(2+10) = 1,667 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,667 + 10 = 11,67 Ω
R1​ = 2 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​15 VR2​10 ΩAIs​0,5 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) = 12,5 + (−0,5)·1,667 = 11,67 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 11,67 + (−0,5)·10 = 6,667 V
Rth​ = 11,67 Ω+−Vth​6,667 VRL​30 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) = 6,667/(11,67 + 30) = 0,16 A
PL = IL²·RL = 0,16²·30 = 0,768 W
11.الحالات العابرة RC و RL

الإجابة: vL = 1,217 V

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

الثابت الزمني والتيار النهائي

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

τ = L/R = 47 mH / 15 Ω = 3,133 ms
i(∞) = Vs/R = 6/15 = 0,4 A

جهد الملف

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

vL(t) = Vs·e−t/τ = 6·e−5/3,133 = 1,217 V

الإجابة

vL = 1,217 V
12.الحالات العابرة RC و RL

الإجابة: vC = 17,22 V

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

القيمة الابتدائية، القيمة النهائية، الثابت الزمني

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

vC(0) = 10 V, vC(∞) = Vs = 24 V
τ = R·C = 4,7 kΩ · 220 µF = 1034 ms
vC(t) = 24 + (10 − 24)·e−t/τ

الجهد في اللحظة المعطاة

vC(750) = 24 + (−14)·e−750/1034 = 17,22 V

الإجابة

vC = 17,22 V
13.معاوقة التيار المتردد والطوريات

الإجابة: φ = 14,29 °

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

XL = ωL = 2π·500·0,1 = 314,2 Ω

تيارات الفروع

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

IR = V/R = 24/80 = 0,3 A
IX = V/XL = 24/314,2 = 0,07639 A

التيار الكلي

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

I = √(IR² + IX²) = √(0,3² + 0,07639²) = 0,3096 A

زاوية الطور

تيار الملف يتأخّر عن V، لذا يتأخّر التيار الكلي وتكون الزاوية موجبة.

φ = arctan(IX/IR) = arctan(0,07639/0,3) = 14,29°

الإجابة

φ = 14,29°
14.معاوقة التيار المتردد والطوريات

الإجابة: VL = 247,5 V

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

الرنين

عند الرنين تُلغى المفاعلتان، لذا المعاوقة هي R فقط.

ω₀ = 1/√(LC) = 1/√(0,02·0,47·10⁻⁶) = 10314 rad/s
I = V/R = 12/10 = 1,2 A

الجهد على الملف

XL = ω₀L = 10314·0,02 = 206,3 Ω
VL = I·XL = 1,2·206,3 = 247,5 V

الإجابة

VL = 247,5 V

هذا Q = 20,63 مرة جهد المصدر.

15.قدرة التيار المتردد ومعامل القدرة

الإجابة: Q = 16 kvar

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

الزاوية

φ = arccos(0,6) = 53,13°, tan φ = 1,333

القدرة غير الفعّالة

Q = P·tan φ = 12·1,333 = 16 kvar

الإجابة

Q = 16 kvar
16.قدرة التيار المتردد ومعامل القدرة

الإجابة: ΔP = 21,63 kW

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

القدرة غير الفعّالة للحِمل الموجود

Q1 = 36·tan(arccos 0,6) = 48 kvar

أكبر قدرة فعلية كلية

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

P = √(Smax² − Q1²) = √(75² − 48²) = 57,63 kW

القدرة الفعلية الإضافية

ΔP = 57,63 − 36 = 21,63 kW

الإجابة

ΔP = 21,63 kW
17.القدرة ثلاثية الطور

الإجابة: P = 5,167 kW

النظم ثلاثية الطور المتوازنة: في توصيل Y (النجمة) يكون جهد الخط √3 ضعف جهد الطور، VL = √3·Vph، ويساوي تيار الخط تيار الطور. وفي توصيل Δ (الدلتا) يساوي جهد الخط جهد الطور، ويكون تيار الخط √3 ضعف تيار الطور، IL = √3·Iph. القدرة الكلية ثلاثة أضعاف قدرة الطور الواحد: P = 3·Vph·Iph·cos φ = √3·VL·IL·cos φ.

جهد الطور

Vph = 415/√3 = 239,6 V

تيار الطور

|Z| = √(12² + 16²) = 20 Ω
Iph = 239,6/20 = 11,98 A

القدرة الفعّالة الكلية

الجزء المقاومي فقط من كل ممانعة يمتصّ القدرة الفعّالة.

P = 3·Iph²·R = 3·11,98²·12 = 5,167 kW

الإجابة

P = 5,167 kW

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

18.القدرة ثلاثية الطور

الإجابة: Cph = 188,2 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 = 50·tan(acos 0,7) = 50·1,02 = 51,01 kvar
Q2 = 50·tan(acos 0,98) = 50·0,2031 = 10,15 kvar

القدرة غير الفعّالة من المكثّفات

QC = Q1 − Q2 = 40,86 kvar

السعة لكل طور

في مجموعة Δ يوصل كل مكثّف بين خطين.

V = 480 V, ω = 2π·50 = 314,2 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 13619/(314,2·480²) = 188,2 µF

الإجابة

Cph = 188,2 µF
19.المحوّلات

الإجابة: R1′ = 32 Ω

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.

المقاومة المحوَّلة

يرتفع الجهد بـ a وينخفض التيار بـ a، لذا ترتفع النسبة V/I بـ a².

R1′ = a²·RL = 4²·2 = 32 Ω

الإجابة

R1′ = 32 Ω
20.المحوّلات

الإجابة: Ploss = 1950 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 = 0,5625·2400 = 1350 W

المفقودات الكلية

مفقودات القلب هي نفسها عند أي حمل.

Ploss = 600 + 1350 = 1950 W

الإجابة

Ploss = 1950 W

الكفاءة عند هذا الحمل η = 98%.

21.دوائر مكبّرات العمليات

الإجابة: Vout = −10 V

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

الجهد عند الدخل +

V₊ = Vin·Rb/(Ra + Rb) = −2,5·2/(1 + 2) = −1,667 V

الكسب غير العاكس

V₋ = V₊، والتيار المارّ في R₁ يمرّ أيضًا في Rf.

Vout = V₊·(1 + Rf/R1) = −1,667·(1 + 10/2) = −10 V

الإجابة

Vout = −10 V
22.دوائر مكبّرات العمليات

الإجابة: t = 2,564 ms

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

تيار الدخل ومعدّل التغيّر

kΩ مضروبة في µF تعطي ميلي ثانية.

RC = 1 kΩ · 0,47 µF = 0,47 ms
معدّل التغيّر = −Vin/(RC) = −2,2/0,47 = −4,681 V/ms

الزمن حتى التشبّع

|Vin|·t/(RC) = Vsat → t = Vsat·RC/|Vin| = 12·0,47/2,2 = 2,564 ms

الإجابة

t = 2,564 ms
23.الثنائيات والترانزستورات

الإجابة: IC = 2,385 mA

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

تيار القاعدة

IB = (VCC − VBE)/RB = (10 − 0,7)/390 kΩ = 23,85 µA

تيار المجمِّع

IC = β·IB = 100·23,85 µA = 2,385 mA

الإجابة

IC = 2,385 mA

تحقّق: VCE = 6,423 V أعلى بوضوح من 0,2 V، لذا الترانزستور فعلًا في المنطقة الفعّالة.

24.الثنائيات والترانزستورات

الإجابة: RB = 0,9773 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)/100 = 88 mA

أدنى تيار قاعدة

IB(min) = IC(sat)/β = 88/80 = 1100 µA

تيار القاعدة التصميمي

IB = 4·1100 µA = 4400 µA

مقاومة القاعدة

RB = (5 − 0,7)/IB = 4,3 V/4,4 mA = 0,9773 kΩ

الإجابة

RB = 0,9773 kΩ
25.أنظمة العد

الإجابة: U = 174

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

اقلب وأضف واحدًا

82 = 0101 0010
مقلوب: 1010 1101
+1 → 1010 1110

اقرأه بلا إشارة

1010 1110₂ = 256 − 82 = 174

الإجابة

U = 174
26.أنظمة العد

الإجابة: b = 12 bit

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

قوى العدد 2

211 = 2048 < 3357
212 = 4096 ≥ 3357

الإجابة

b = 12
27.المنطق الرقمي: البوابات وخرائط كارنو والقلّابات

الإجابة: N = 3

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.

ABC00011110010001031214150706

جمّع الأصفار

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

(B′ + C′)
(A + B)
(A′ + B′)

الصيغة الدنيا POS

F = (B′ + C′)(A + B)(A′ + B′)
N = 3

الإجابة

N = 3

يوجد تجميع آخر بالحجم نفسه؛ وله عدد الحدود والحروف نفسه.

28.المنطق الرقمي: البوابات وخرائط كارنو والقلّابات

الإجابة: Q = 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.

الحالة بعد كل حافة

0111 → 1011 → 1101 → 0110 → 0011

القيمة العشرية

0011₂ = 3

الإجابة

Q = 3
29.تحويلات لابلاس

الإجابة: f(0.5) = 0,5247

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

الكسور الجزئية

F(s) = A/s + B/(s + 1) + C/(s + 5)
A = 10/(1·5) = 2
B = 10/((−1)·4) = −2,5
C = 10/((−5)·(−4)) = 0,5

التحويل العكسي

f(t) = 2 − 2,5·e−t + 0,5·e−5t

احسب

f(0,5) = 2 − 2,5·e−0,5 + 0,5·e−5·0,5 = 0,5247

الإجابة

f(0,5) = 0,5247
30.تحويلات لابلاس

الإجابة: y(0.6) = 0,2632

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 − 2s − (−10) + 7(sY − 2) + 6Y = 0
Y(s) = (2s + 4)/((s + 1)(s + 6))

الكسور الجزئية

A = 2/5 = 0,4
B = −8/(−5) = 1,6

النتيجة

y(t) = 0,4·e−t + 1,6·e−6t
y(0,6) = 0,2632

الإجابة

y(0,6) = 0,2632

تحقّق: y(0) = A + B = 2.

31.المخططات الصندوقية

الإجابة: ess = 2,5

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).

ثابت خطأ الموضع

Kₚ = G(0) = 10·3/(2·5) = 3

خطأ الحالة المستقرة

ess = A/(1 + Kₚ) = 10/(1 + 3) = 2,5

الإجابة

ess = 2,5
32.المخططات الصندوقية

الإجابة: ωd = 1,414 rad/s

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 + 4) + 12·0,5 = 0 → s² + 4s + 6 = 0

الجذور

s = −2 ± j·√(6 − 4) = −2 ± j1,414
ωd = 1,414 rad/s

الإجابة

ωd = 1,414 rad/s
33.الاستجابة الخطوية

الإجابة: σ = −1

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 = 57 → ωₙ = 7,55 rad/s
2ζωₙ = 2 → ζ = 2/(2·7,55) = 0,1325

النتيجة

σ = −ζωₙ = −2/2 = −1

الإجابة

σ = −1
34.الاستجابة الخطوية

الإجابة: tp = 4,682 ms

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

التردد الطبيعي ونسبة التخميد

ωₙ = 1/√(LC) = 1/√(0,1·2,2 × 10⁻⁵) = 674,2 rad/s
ζ = (R/2)·√(C/L) = (13/2)·√(2,2 × 10⁻⁵/0,1) = 0,09641

النتيجة

ωd = 671,1 rad/s
tp = π/ωd = 4,682 ms

الإجابة

tp = 4,682 ms
35.مخططات بودي والهوامش

الإجابة: ∠G(jω) = −102 °

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.

اجمع الزوايا

∠G = atan(10/19) − 90° − atan(10/12) = 27,76° − 90° − 39,81°

النتيجة

∠G(j10) = −102°

الإجابة

∠G(jω) = −102°
36.مخططات بودي والهوامش

الإجابة: GM = 3,098 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/1)·(ω/4) = 1 → ω180 = √(1·4) = 2 rad/s

المقدار عند تقاطع الطور

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 1)·√(ω² + 16)) = K/(1·4·(1 + 4)) = K/20

هامش الكسب

GM = 20·log₁₀(20/14) = 3,098 dB

الإجابة

GM = 3,098 dB
37.الاستقرار: راوث–هرفيتز والمحل الهندسي للجذور

الإجابة: Kmax = 672

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

المعادلة المميزة

s³ + 14s² + 48s + K = 0

جدول روث

s³: 1, 48
s²: 14, K
s¹: (14·48 − K)/14
s⁰: K

الشروط

يجب أن يكون كل عنصر في العمود الأول موجبًا.

K > 0
14·48 − K > 0 → K < 672

الإجابة

Kmax = 672

عند K = 672 تتذبذب الحلقة المغلقة بالتردد ω = √48 = 6,928 rad/s.

38.الاستقرار: راوث–هرفيتز والمحل الهندسي للجذور

الإجابة: σa = −3

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

الأقطاب والأصفار

الأقطاب: −5, −6, −3
أصفار: −8
n − m = 3 − 1 = 2

المركز

σa = (−14 − (−8))/2 = −3

الإجابة

σa = −3

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

39.خطأ الحالة المستقرة والتحكم PID

الإجابة: ess = 5,882 %

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 = 4·4 = 16

خطأ الخطوة

ess = 100/(1 + 16) = 5,882 %

الإجابة

ess = 5,882 %
40.خطأ الحالة المستقرة والتحكم PID

الإجابة: tp = 1,571 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 + 4) + 8·1 = s² + 4s + 8

ωₙ وζ

ωₙ = √8 = 2,828 rad/s
ζ = 4/(2·2,828) = 0,7071

زمن الذروة

ωd = 2,828·√(1 − 0,7071²) = 2 rad/s
tp = π/2 = 1,571 s

الإجابة

tp = 1,571 s

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

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