التدريب لاختبار FE للهندسة الكهربائية والحاسوب: حزمة المراجعة المكثفة

أوراق القوانين، وأهم خطوات الحل لكل موضوع، و40 مسألة تدريبية، مع الحلول الكاملة في الخلف.

مسائل جديدةالعودة إلى المقرّر

في نافذة الطباعة اختر «حفظ بصيغة PDF» لحفظ نسخة على جهازك.

1القوانين وطرق الحل

المقاومات على التوالي والتوازي

مقاومات على التوالي
Req = R1 + R2 + …
مقاومات على التوازي
1/Req = 1/R1 + 1/R2 + …
مقاومتان على التوازي
Req = R1R2 / (R1 + R2)
قانون أوم
V = I·R
القدرة
P = V·I = I²R = V²/R

الطريقة

  1. ابدأ من طرف الشبكة الأبعد عن الطرفين.
  2. اجمع المقاومات المتوالية بجمعها، والمقاومات المتوازية بـ 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …
  3. أعد رسم الدائرة بعد كل خطوة.
  4. كرّر حتى تبقى مقاومة واحدة بين الطرفين.

تحليل العقد

قانون كيرشوف للتيار
ΣIin = ΣIout
تيار الفرع
I = (Va − Vb)/R
العقدة المرجعية
Vground = 0

الطريقة

  1. اختر عقدة مرجعية (الأرضي) وسمِّ جهود العقد الأخرى.
  2. اكتب قانون كيرشوف للتيار عند كل عقدة مجهولة: التيارات الخارجة عبر الفروع تساوي التيارات الداخلة.
  3. عبّر عن كل تيار فرع بالصيغة (Va − Vb)/R.
  4. حلّ نظام المعادلات، ثم أوجد أي تيار تحتاجه.

تحليل الحلقات

قانون كيرشوف للجهد
ΣV = 0 حول كل حلقة
مقاومة مشتركة
التيار = I1 − I2
مصدر تيار في حلقة
يحدّد تيار تلك الحلقة

الطريقة

  1. ارسم تيارًا باتجاه عقارب الساعة في كل حلقة (نافذة) من الدائرة.
  2. طبّق قانون كيرشوف للجهد حول كل حلقة: مجموع هبوطات الجهد يساوي صفرًا.
  3. في المقاومة المشتركة بين حلقتين يكون التيار هو الفرق بين تياري الحلقتين.
  4. حلّ المعادلات؛ النتيجة السالبة تعني أن التيار يسري في الاتجاه المعاكس.

التراكب

التراكب
x = x1 + x2 + … (one source at a time)
مصدر جهد مُطفأ
قصر (0 V)
مصدر تيار مُطفأ
دائرة مفتوحة (0 A)
مقسّم الجهد
V2 = V·R2/(R1 + R2)
مقسّم التيار
I1 = I·R2/(R1 + R2)

الطريقة

  1. عُدّ المصادر المستقلة. ستحلّ دائرة أبسط واحدة لكل مصدر.
  2. أبقِ مصدرًا واحدًا وأطفئ الباقي: يصبح مصدر الجهد قصرًا (سلكًا)، ويصبح مصدر التيار دائرة مفتوحة (فجوة).
  3. حلّ الدائرة الأبسط لإيجاد الجهد أو التيار المطلوب، مع متابعة اتجاهه.
  4. كرّر ذلك لكل مصدر، ثم اجمع المساهمات بإشاراتها.

ثيفنن ونورتن

جهد ثيفنن
Vth = Vopen circuit
مقاومة ثيفنن
Rth: كل المصادر مُطفأة، منظورًا إليها من a–b
تيار نورتن
IN = Vth/Rth
تيار الحِمل
IL = Vth/(Rth + RL)
أقصى نقل للقدرة
RL = Rth, Pmax = Vth²/(4Rth)

الطريقة

  1. أزل الحِمل وعلّم الطرفين a و b.
  2. أوجد جهد الدائرة المفتوحة بين a و b: هذا هو Vth.
  3. أطفئ كل المصادر المستقلة وأوجد المقاومة المرئية من a–b: هذه هي Rth.
  4. أعد الحِمل إلى الدائرة المكافئة: Vth على التوالي مع Rth.
  5. لمكافئ نورتن، حوّل: IN = Vth/Rth، مع RN = Rth على التوازي.

الحالات العابرة RC و RL

الثابت الزمني
τ = RC | τ = L/R
الاستجابة
x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ
المكثّف في التيار المستمر
دائرة مفتوحة؛ لا يمكن أن يقفز vC
الملف في التيار المستمر
قصر؛ لا يمكن أن يقفز iL
الحالة المستقرة
t ≈ 5τ

الطريقة

  1. أوجد القيمة الابتدائية مباشرة بعد التبديل: جهد المكثّف وتيار الملف لا يقفزان.
  2. أوجد القيمة النهائية بعد التبديل بزمن طويل: يتصرّف المكثّف كدائرة مفتوحة، والملف كقصر.
  3. أوجد الثابت الزمني: τ = RC أو τ = L/R، باستخدام المقاومة التي يراها المكثّف أو الملف.
  4. استخدم x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ.

معاوقة التيار المتردد والطوريات

المعاوقات
ZR = R, ZL = jωL, ZC = 1/(jωC)
التردد الزاوي
ω = 2πf
المقدار والزاوية
|Z| = √(R² + X²), φ = atan(X/R)
قانون أوم بالطوريات
V = I·Z

الطريقة

  1. حوّل التردد: ω = 2πf.
  2. أوجد كل ممانعة مفاعلة: XL = ωL و XC = 1/(ωC).
  3. اجمع الممانعات كما تجمع المقاومات، مع Z = R + jX.
  4. أوجد المقدار |Z| = √(R² + X²) والزاوية φ = atan(X/R)، ثم استخدم قانون أوم بالطوريات.

قدرة التيار المتردد ومعامل القدرة

القدرة الفعلية
P = V·I·cos φ
القدرة غير الفعّالة
Q = V·I·sin φ
القدرة الظاهرية
S = V·I = √(P² + Q²)
معامل القدرة
pf = cos φ = P/S
مكثّف التصحيح
QC = P(tan φ1 − tan φ2), C = QC/(ωV²)

القدرة ثلاثية الطور

توصيل نجمة (Y)
VL = √3·Vph, IL = Iph
توصيل دلتا (Δ)
VL = Vph, IL = √3·Iph
القدرة الفعّالة الكلية
P = √3·VL·IL·cos φ = 3·Iph²·R
القدرة الظاهرية والقدرة غير الفعّالة
S = √3·VL·IL, Q = P·tan φ
مكثّفات التصحيح
QC = P(tan φ1 − tan φ2), C = QC/(3ωV²)
الجهد على كل مكثّف
Δ: VL Y: VL/√3
قدرة دخل المحرّك
Pin = Pout/η

المحوّلات

نسبة اللفّات
a = N1/N2 = V1/V2
نسبة التيارات
I1/I2 = N2/N1 = 1/a
التيار المقنَّن
I = S/V
الممانعة المحوَّلة
Z1′ = a²·ZL
مفقودات النحاس عند حمل جزئي
Pcu = x²·Pcu,fl
الكفاءة
η = x·S·pf/(x·S·pf + Pcore + x²·Pcu,fl)
أقصى كفاءة
x = √(Pcore/Pcu,fl)

دوائر مكبّرات العمليات

المكبّر العاكس
Vout = −(Rf/Rin)·Vin
المكبّر غير العاكس
Vout = (1 + Rf/R1)·Vin
المكبّر الجامع
Vout = −Rf(V1/R1 + V2/R2)
مكبّر العمليات المثالي
V+ = V−, Iin = 0

الثنائيات والترانزستورات

الثنائي (هبوط ثابت)
VD = 0,7 V when conducting
المنطقة الفعّالة
VBE = 0,7 V, IC = β·IB, IE = (β + 1)·IB
الانحياز الثابت
IB = (VCC − 0,7)/RB
انحياز مقسّم الجهد
IB = (VTH − 0,7)/(RTH + (β + 1)RE)
مكافئ ثيفنن لمقسّم الجهد
VTH = VCC·R2/(R1 + R2), RTH = R1∥R2
حلقة المجمِّع
VCE = VCC − ICRC − IERE
التشبّع
IC(sat) = (VCC − VCE(sat))/RC, IB ≥ IC(sat)/β

أنظمة العد

القيم الموضعية
الثنائي 2k، الثماني 8k، الست عشري 16k
إلى العشري
Σ dk·bk
من العشري
اقسم على الأساس، واقرأ البواقي من الأسفل إلى الأعلى
الست عشري ↔ الثنائي
رقم ست عشري واحد = 4 بتات
المتمم الثنائي
اعكس البتات وأضف 1

المنطق الرقمي: البوابات وخرائط كارنو والقلّابات

البوابات الأساسية
A·B, A + B, A′, (A·B)′, (A + B)′, A ⊕ B
القواعد البولية
X + X′ = 1, X·X′ = 0, X + XY = X, XY + XY′ = X
دي مورغان
(X·Y)′ = X′ + Y′, (X + Y)′ = X′·Y′
ترتيب خريطة كارنو
00, 01, 11, 10 (Gray code)
مجموعة من 2ᵏ خلية
تفقد k متغيرًا
مضاعِف 4-إلى-1
F = A′B′I0 + A′BI1 + AB′I2 + ABI3
القلّابات
D: Q⁺ = D, T: Q⁺ = T ⊕ Q, JK: Q⁺ = JQ′ + K′Q
العدّادات
n بتّات: 2ⁿ حالة؛ mod-N: أصغر n يحقق 2ⁿ ≥ N؛ fout = fclk/N
العدّاد المتموّج
fmax = 1/(n·tpd)
العدّادان الحلقي وجونسون
n و 2n حالة

الطريقة

  1. لدارة ما، اعمل من المداخل إلى المخرج بوابةً بوابةً واكتب القيمة على كل سلك، أو اكتب تعبيرها واملأ جدول الصدق.
  2. للتبسيط ضع الآحاد (وحالات عدم الاكتراث على شكل X) في خريطة كارنو بصفوف وأعمدة بشيفرة غراي: 00, 01, 11, 10.
  3. غطِّ الآحاد بأقل عدد ممكن وأكبر حجم ممكن من المجموعات ذات 1 أو 2 أو 4 أو 8 أو 16 خلية، مع الالتفاف حول الحواف؛ كل مجموعة حد جداء واحد من المتغيرات التي تبقى ثابتة. جمّع الأصفار للصيغة POS.
  4. للقلّابات والعدّادات اقرأ المداخل عند كل حافة ساعة فعالة، واكتب الحالة بعد كل حافة، وتذكّر أن عدّادًا ذا n بتّات يلتف بعد 2ⁿ حالة.

الاستقرار: راوث–هرفيتز والمحل الهندسي للجذور

الاستقرار
جميع جذور كثير الحدود المميِّز في النصف الأيسر من المستوى
جدول راوث، عنصر الصف s¹ في كثير حدود تكعيبي
b1 = (a2a1 − a3a0)/a2
جذور النصف الأيمن من المستوى
عدد تغيّرات الإشارة في العمود الأول
كثير الحدود التكعيبي s³ + a₂s² + a₁s + a₀
مستقر حين a > 0 لجميع المعاملات وa₂·a₁ > a₀
K/(s(s + a)(s + b))
Kmax = ab(a + b), ω = √(ab)
المعادلة المميزة
1 + K·G(s) = 0
الخطوط المقاربة
σa = (Σp − Σz)/(n − m), θ = (2q + 1)·180°/(n − m)
نقطتا الانفصال والالتقاء
dK/ds = 0
شرط المقدار
K = 1/|G(s)|
زاوية المغادرة
θd = 180° − Σ∠(from other poles) + Σ∠(from zeros)

الطريقة

  1. اكتب كثير الحدود المميِّز للحلقة المغلقة: مقام 1 + K·G(s) = 0، بعد فكّه.
  2. ضع المعاملات بالتناوب في الصفين الأولين من جدول راوث وابنِ بقية الصفوف.
  3. عُدّ تغيّرات الإشارة في العمود الأول: كل تغيّر قطب في النصف الأيمن من المستوى. ومع وجود K في الجدول اشترط أن يبقى كل عنصر في العمود الأول موجبًا.
  4. للمحل الهندسي للجذور عيّن الأقطاب والأصفار وقطع المحور الحقيقي والخطوط المقاربة من المركز ونقاط الانفصال حيث dK/ds = 0. واستخدم K = 1/|G(s)| لإيجاد الكسب عند نقطة.

خطأ الحالة المستقرة والتحكم PID

نوع النظام
عدد أقطاب G(s) عند s = 0
ثوابت الخطأ
Kp = lim G(s), Kv = lim s·G(s), Ka = lim s²·G(s) (s → 0)
الخطوة A
ess = A/(1 + Kp)
المنحدر A·t
ess = A/Kv
القطع المكافئ A·t²/2
ess = A/Ka
المتحكم PID
C(s) = Kp + Ki/s + Kd·s
الهدف من الرتبة الثانية
s² + 2ζωns + ωn²
التجاوز والتوقيت
%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), tp = π/ωd, ts ≈ 4/(ζωn)

الطريقة

  1. عُدّ أقطاب الحلقة المفتوحة C(s)·G(s) عند s = 0: فذلك هو نوع النظام.
  2. احسب ثابت الخطأ المناسب للدخل: Kp للخطوة، وKv للمنحدر، وKa للقطع المكافئ.
  3. طبّق ess = A/(1 + Kp) أو A/Kv أو A/Ka، أو حُلّها لإيجاد الكسب المطلوب.
  4. لمواصفة التخميد أو السرعة اكتب كثير الحدود المميِّز للحلقة المغلقة وطابقه مع s² + 2ζω_n·s + ω_n².

2مسائل تدريبية

1.المقاومات على التوالي والتوازيمتوسطة
R1​ = 10 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​18 VR2​10 ΩAR4​10 ΩB

أوجد المقاومة المكافئة Req التي يراها المصدر V1.

V1 = 18 VR1 = 10 ΩR2 = 10 ΩR3 = 3 ΩR4 = 10 Ω
Req = Ω
2.المقاومات على التوالي والتوازيصعبة
R1​ = 6 ΩIR1​R3​ = 8 ΩR5​ = 6 Ω+−V1​15 VR2​30 ΩAR4​6 ΩBR6​30 Ω

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

V1 = 15 VR1 = 6 ΩR2 = 30 ΩR3 = 8 ΩR4 = 6 ΩR5 = 6 ΩR6 = 30 Ω
IR1 = A
3.تحليل العقدمتوسطة
R1​ = 6 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​9 VR2​6 ΩAR4​12 ΩBIs​1,5 A

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

V1 = 9 VIs = 1,5 AR1 = 6 ΩR2 = 6 ΩR3 = 15 ΩR4 = 12 Ω
PIs = W
4.تحليل العقدصعبة
R1​ = 4 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​9 VR2​2 ΩAR4​4 ΩB0,5·VA​

المعيّن هو مصدر تيار يتحكّم فيه الجهد، يدفع تيارًا مقداره 0,5·VA (بالأمبير، مع VA بالفولت) إلى الأعلى نحو العقدة B. استخدم تحليل العقد لإيجاد جهد العقدة VA (مقيسًا بالنسبة إلى الأرضي).

V1 = 9 VR1 = 4 ΩR2 = 2 ΩR3 = 5 ΩR4 = 4 Ωg = 0,5 A/V
VA = V
5.تحليل الحلقاتمتوسطة
R1​ = 10 ΩR2​ = 15 ΩIR2​+−V1​10 VR3​2 ΩA+−V2​6 VI1​I2​

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

V1 = 10 VV2 = 6 VR1 = 10 ΩR2 = 15 ΩR3 = 2 Ω
IR2 = A
6.تحليل الحلقاتصعبة
R1​ = 4 ΩR2​ = 25 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​10 VR4​3 ΩIR4​AR5​6 ΩB+−V2​36 VI1​I2​I3​

استخدم تحليل الحلقات لإيجاد التيار IR4 المارّ في R4 باتجاه السهم.

V1 = 10 VV2 = 36 VR1 = 4 ΩR2 = 25 ΩR3 = 12 ΩR4 = 3 ΩR5 = 6 Ω
IR4 = A
7.التراكبمتوسطة
R1​ = 12 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​12 VR2​5 ΩIR2​AR4​8 ΩBIs​4 A

استخدم مبدأ التراكب لإيجاد القدرة PR2 التي يمتصها R2.

V1 = 12 VIs = 4 AR1 = 12 ΩR2 = 5 ΩR3 = 5 ΩR4 = 8 Ω
PR2 = W
8.التراكبصعبة
R1​ = 3 ΩR2​ = 10 Ω−+VR2​R4​ = 3 Ω+−V1​30 VR3​15 ΩAIs​3 AB+−V2​6 V

استخدم مبدأ التراكب لإيجاد الجهد VR2 على طرفي R2 بالقطبية الموضّحة.

V1 = 30 VIs = 3 AV2 = 6 VR1 = 3 ΩR2 = 10 ΩR3 = 15 ΩR4 = 3 Ω
VR2 = V
9.ثيفنن ونورتنمتوسطة
R1​ = 20 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​30 VR2​10 ΩARL​8 ΩIL​B

وُصل حِمل RL = 8 Ω بين a–b. استبدل بقية الدائرة بمكافئ ثيفنن وأوجد تيار الحِمل IL.

V1 = 30 VR1 = 20 ΩR2 = 10 ΩR3 = 2 ΩRL = 8 Ω
IL = A
10.ثيفنن ونورتنصعبة
R1​ = 4 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​30 VR2​25 ΩAIs​3 ABRL​10 ΩIL​

وُصل حِمل RL = 10 Ω بين a–b. استخدم مكافئ ثيفنن لإيجاد القدرة PL المسلَّمة إلى الحِمل.

V1 = 30 VIs = 3 AR1 = 4 ΩR2 = 25 ΩR3 = 8 ΩRL = 10 Ω
PL = W
11.الحالات العابرة RC و RLمتوسطة
+−Vs​6 Vt = 0R = 15 ΩL150 mHi(t)

لا يمرّ تيار في الملف قبل أن يُغلق المفتاح عند t = 0. أوجد الطاقة W المخزّنة في الملف عند t = 20 ms، بوحدة mJ.

Vs = 6 VR = 15 ΩL = 150 mHt = 20 ms
W = mJ
12.الحالات العابرة RC و RLصعبة
+−Vs​15 Vt = 0R = ?C47 µF+−vC​

يبدأ مؤقّت بشحن مكثّف غير مشحون عبر مقاومة من مصدر 15 V عند t = 0. يجب أن يُطلق عندما يبلغ جهد المكثّف 7,5 V، بعد 1000 ms بالضبط من البداية. مع C = 47 µF، أوجد المقاومة R المطلوبة.

Vs = 15 VVth = 7,5 VT = 1000 msC = 47 µF
R = kΩ
13.معاوقة التيار المتردد والطورياتمتوسطة
12 V500 HzR = 60 ΩC = 22 µFI

مقاومة ومكثّف موصولان على التوازي على مصدر 12 V (فعّال)، 500 Hz. أوجد التيار الفعّال I.

V = 12 V (rms)f = 500 HzR = 60 ΩC = 22 µF
I = A
14.معاوقة التيار المتردد والطورياتصعبة
120 V50 HzR = 25 ΩL = 250 mHC = 22 µF

دائرة RLC على التوالي موصولة بمصدر 120 V (فعّال)، 50 Hz. أوجد تردّد الرنين f0 للدائرة.

V = 120 V (rms)f = 50 HzR = 25 ΩL = 250 mHC = 22 µF
f0 = Hz
15.قدرة التيار المتردد ومعامل القدرةمتوسطة
230 VR + jXP = 1760 W9 A

يأخذ حِمل حثي 9 A و 1760 W من مصدر أحادي الطور 230 V (فعّال). مثّله بمقاومة R على التوالي مع مفاعلة X. أوجد X.

V = 230 VI = 9 AP = 1760 W
X = Ω
16.قدرة التيار المتردد ومعامل القدرةصعبة
230 V60 HzRs​ = 20 ΩXs​ = j30 ΩZL​ = ?

مصدر 230 V (فعّال)، 60 Hz له معاوقة داخلية Zs = 20 + j30 Ω. يمكن اختيار معاوقة الحِمل ZL بحرية. أوجد أقصى قدرة فعلية Pmax يمكن نقلها إلى الحِمل.

Vs = 230 V (rms)f = 60 HzZs = 20 + j30 Ω
Pmax = W
17.القدرة ثلاثية الطورمتوسطة
ABCVL​ = 415 VIL​ = ?M30 kW, η = 93%cos φ = 0,88

محرّك حثّي ثلاثي الطور يعطي قدرة خرج ميكانيكية مقدارها 30 kW عند الحمل الكامل. عند هذا الحمل تكون كفاءته 93% ومعامل قدرته 0,88 متأخرًا. جهد خط المصدر 415 V. أوجد تيار الخط IL.

Pout = 30 kWη = 93%cos φ = 0,88VL = 415 V
IL = A
18.القدرة ثلاثية الطورصعبة
P = 80 kWφ1​S1​Q2​QC​

حمل ثلاثي الطور متوازن يأخذ 80 kW عند معامل قدرة 0,78 متأخر من مصدر 400 V (جهد خط) و 50 Hz. يجب أن ترفع مجموعة مكثّفات ثلاثية الطور موصولة على التوازي مع الحمل معامل القدرة الكلي إلى 0,92 متأخر. تبقى القدرة الفعّالة كما هي. المكثّفات موصولة نجمة (Y). أوجد السعة Cph لكل مكثّف بالـ µF.

P = 80 kWpf1 = 0,78pf2 = 0,92VL = 400 Vf = 50 Hz
Cph = µF
19.المحوّلاتمتوسطة
4 Ω101

وُصلت مقاومة 4 Ω على طرفي الملف الثانوي لمحوّل مثالي نسبة لفّاته N₁:N₂ = 10:1. أوجد المقاومة R1′ المرئية عند النظر إلى الملف الابتدائي.

N1:N2 = 10:1RL = 4 Ω
R1′ = Ω
20.المحوّلاتصعبة
pf 0,9250 kVA, η = 96,5%

محوّل أحادي الطور 250 kVA مفقودات قلبه 1250 W. عند الحمل المقنَّن ومعامل قدرة 0,9 متأخر تكون كفاءته 96,5%. أوجد مفقودات النحاس عند الحمل الكامل Pcu,fl بالواط.

S = 250 kVAPcore = 1250 Wpf = 0,9η = 96,5%
Pcu,fl = W
21.دوائر مكبّرات العملياتمتوسطة
−+Vout​Rf​ = ?R1​ = 47 kΩVin​

اختر مقاومة التغذية الراجعة Rf التي تعطي هذا المكبّر غير العاكس كسب جهد 6.

R1 = 47 kΩAv = 6
Rf = kΩ
22.دوائر مكبّرات العملياتصعبة
−+Vout​C = 0,22 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. أوجد جهد الخرج Vout عند t = 1 ms.

Vin = 2,2 VR = 1 kΩC = 0,22 µFVsat = ±12 Vt = 1 ms
Vout = V
23.الثنائيات والترانزستوراتمتوسطة
+−20 V680 Ω5,1 V680 ΩIZ​ = ?

يُغذّى منظم زينر 5,1 V من 20 V عبر 680 Ω ويغذّي حملًا 680 Ω. أوجد تيار زينر IZ.

Vin = 20 VVZ = 5,1 VR = 680 ΩRL = 680 Ω
IZ = mA
24.الثنائيات والترانزستوراتصعبة
RC​ = 330 Ωβ = 100VCC​ = 5 V5 VRB​ = ?

ترانزستور NPN بـ β = 100 يتحكّم بمقاومة حمل 330 Ω موصولة بين VCC = 5 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 2 ضعف الحد الأدنى اللازم للتشبّع. أوجد RB بالـ kΩ.

VCC = 5 VRC = 330 Ωβ = 100Vin = 5 VVBE = 0,7 VVCE(sat) = 0,2 Vمعامل الدفع الزائد = 2
RB = kΩ
25.أنظمة العدمتوسطة
المتمم الثنائي ذو 8 بتات0−12806403201608040201

اضبط البتات بحيث تخزن −43 في المتمم الثنائي بـ 8 بتات. إذا قُرئ كعدد بدون إشارة، فما قيمة النمط U؟

N = −438 bit
U =
26.أنظمة العدصعبة
32 bit1 px256 px256 pxM = ? KiB

صورة غير مضغوطة أبعادها 256 × 256 بكسل و32 بت لكل بكسل. كم تشغل من الذاكرة M بوحدة KiB (1 KiB = 1024 بايت)؟

256 × 256 px32 bit/px1 KiB = 1024 B
M = KiB
27.المنطق الرقمي: البوابات وخرائط كارنو والقلّاباتمتوسطة
ABCD000111100001111010010302140517061120131151140809011010

استخدم خريطة كارنو لإيجاد الصيغة الدنيا لمجموع الجداءات (SOP) للدالة F(A, B, C, D) = Σm(0, 4, 7, 12, 14, 15). كم حد جداء N فيها؟

F(A, B, C, D) = Σm(0, 4, 7, 12, 14, 15)
N =
28.المنطق الرقمي: البوابات وخرائط كارنو والقلّاباتصعبة
CLKT1234567

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
  7. 7حافة الساعة 7
29.تحويلات لابلاسمتوسطة
ReIm−0,5−1−1,5−2−2,5−3−3,5−40,51

F(s) = (2s + 7)/(s² + 4s + 3). تحويله العكسي على الصورة f(t) = A·e−t + B·e−3t. أوجد المعامل A بالكسور الجزئية.

F(s) = (2s + 7)/(s² + 4s + 3)
A =
30.تحويلات لابلاسصعبة
ReIm−1−2−3−4−5−61

يُوصف نظام بالمعادلة التفاضلية y″ + 10y′ + 24y = 4u′ + 8u، مع الدخل u(t) والخرج y(t). أوجد دالة تحويله G(s) = Y(s)/U(s) (شروط ابتدائية صفرية) واحسب استجابة النبضة g(t) عند t = 0,2 s. أوجد g(0,2).

y″ + 10y′ + 24y = 4u′ + 8ut = 0,2 s
g(0.2) =
31.المخططات الصندوقيةمتوسطة
R(s)+14K+7s + 2G(s)C(s)2H₁−−

للنظام المُتحكَّم فيه G(s) = 7/(s + 2) حلقة تغذية راجعة سالبة داخلية (ثانوية) كسبها H₁ = 2. كسب متحكّم K = 14 وحلقة تغذية راجعة سالبة أحادية خارجية يُغلقان النظام. أوجد قطب الحلقة المغلقة p.

G(s) = 7/(s + 2)H₁ = 2K = 14
p =
32.المخططات الصندوقيةصعبة
R(s)+Kالمتحكّم+D(s)+9s + 8النظام المُتحكَّم فيهC(s)−

متحكّم تناسبي K يقود النظام G(s) = 9/(s + 8) في حلقة تغذية راجعة سالبة أحادية. تدخل خطوة اضطراب مقدارها 10 عند دخل النظام بينما R = 0. أوجد أصغر كسب K يُبقي خرج الحالة المستقرة عند 1,125 أو دونه.

G(s) = 9/(s + 8)D = 10css ≤ 1,125
K =
33.الاستجابة الخطويةمتوسطة
t (s)y(t)3

لنظام دالة النقل G(s) = 174/(s² + 11s + 58) ويتلقى دخلًا خطويًا وحدويًا. أوجد التردد الطبيعي ωn بوحدة rad/s.

G(s) = 174/(s² + 11s + 58)
ωn = rad/s
34.الاستجابة الخطويةصعبة
R(s)+Ks(s + 8)G(s)C(s)−

لحلقة تغذية عكسية سالبة وحدوية G(s) = K/(s(s + 8)). أوجد الكسب K الذي يعطي استجابة خطوية بتجاوز 15 %.

G(s) = K/(s(s + 8))%OS = 15 %
K =
35.مخططات بودي والهوامشمتوسطة
|H| (dB)0,10,1111010100100−200204060ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−135−90−450ω = 4

أوجد الطور ∠G(jω) لـ G(s) = 43(s + 3)/(s(s + 2)) عند ω = 4 rad/s، بالدرجات.

G(s) = 43(s + 3)/(s(s + 2))ω = 4 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) = 66/(s(s + 3)(s + 8)). أوجد هامش الكسب GM بوحدة dB.

L(s) = 66/(s(s + 3)(s + 8))
GM = dB
37.الاستقرار: راوث–هرفيتز والمحل الهندسي للجذورمتوسطة
R(s)+K = 601s(s + 4)(s + 6)C(s)−

تعمل حلقة المخطط بالكسب K = 60 وL(s) = K/(s(s + 4)(s + 6)). بأي عامل m يمكن رفع الكسب قبل أن تصبح الحلقة المغلقة غير مستقرة؟

L(s) = K/(s(s + 4)(s + 6))K = 60
m =
38.الاستقرار: راوث–هرفيتز والمحل الهندسي للجذورصعبة
ReIm−0,5−1−1,5−2−2,5−3−3,5−4−4,5−50,5j0,5j1

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

L(s) = K(s + 4)/(s(s + 2))
sb =
39.خطأ الحالة المستقرة والتحكم PIDمتوسطة
r(t) = 10·t²/2+4(s + 5)s²(s + 2)C(s)−

يُطبَّق الدخل القطعي المكافئ r(t) = 10·t²/2 على حلقة تغذية عكسية وحدوية فيها G(s) = 4(s + 5)/(s²(s + 2)). أوجد خطأ الحالة المستقرة ess.

G(s) = 4(s + 5)/(s²(s + 2))r(t) = 10·t²/2
ess =
40.خطأ الحالة المستقرة والتحكم PIDصعبة
R(s)+K = 165s(s + 5)C(s)−

يتحكم متحكم تناسبي K = 16 في المحطة G(s) = 5/(s(s + 5)) ضمن حلقة تغذية عكسية وحدوية. أوجد زمن الذروة tp للاستجابة الخطوية.

G(s) = 5/(s(s + 5))K = 16
tp = s

3المحاليل

1.المقاومات على التوالي والتوازي

الإجابة: Req = 15,65 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​ = 10 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​18 VR2​10 ΩAR4​10 ΩB

اجمع المقاومات بدءًا من الطرف البعيد

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

R3 + R4 = 3 + 10 = 13 Ω
R2 ∥ 13 = 10·13/(10+13) = 5,652 Ω
Req = R1 + 5,652 = 10 + 5,652 = 15,65 Ω

الإجابة

Req = 15,65 Ω
2.المقاومات على التوالي والتوازي

الإجابة: IR1 = 0,9908 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​ = 6 ΩR3​ = 8 ΩR5​ = 6 Ω+−V1​15 VR2​30 ΩAR4​6 ΩBR6​30 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 = 6 + 30 = 36 Ω
R4 ∥ 36 = 5,143 Ω
R3 + 5,143 = 13,14 Ω
R2 ∥ 13,14 = 9,139 Ω
Req = R1 + 9,139 = 6 + 9,139 = 15,14 Ω

التيار من المصدر

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

IR1 = V1/Req = 15/15,14 = 0,9908 A

الإجابة

IR1 = 0,9908 A
3.تحليل العقد

الإجابة: PIs = 18,9 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/6 + (VA − 9)/6 + (VA − VB)/15 = 0
0,4·VA − 0,06667·VB = 1,5

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/12 + (VB − VA)/15 = 1,5
−0,06667·VA + 0,15·VB = 1,5

الحل

Δ = (0,4)(0,15) − (−0,06667)(−0,06667) = 0,05556
VA = Δ1/Δ = 0,325/0,05556 = 5,85 V
VB = Δ2/Δ = 0,7/0,05556 = 12,6 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 = 12,6·1,5 = 18,9 W

الإجابة

PIs = 18,9 W
4.تحليل العقد

الإجابة: VA = 3,522 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.

قانون كيرشوف للتيار عند العقدة A

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

(VA − V1)/R1 + VA/R2 + (VA − VB)/R3 = 0
0,95·VA − 0,2·VB = 2,25

قانون كيرشوف للتيار عند العقدة B

المصدر التابع يدفع g·VA إلى العقدة B. عامله كمصدر مستقل، ثم انقل حدّ VA إلى الطرف الأيسر.

(VB − VA)/R3 + VB/R4 = 0,5·VA
−0,7·VA + 0,45·VB = 0

الحل

Δ = (0,95)(0,45) − (−0,2)(−0,7) = 0,2875
VA = Δ1/Δ = 1,012/0,2875 = 3,522 V
VB = Δ2/Δ = 1,575/0,2875 = 5,478 V

الإجابة

VA = 3,522 V
5.تحليل الحلقات

الإجابة: IR2 = −0,26 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​ = 10 ΩR2​ = 15 Ω+−V1​10 VR3​2 ΩA+−V2​6 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
10·I1 + 2(I1 − I2) = 10
12·I1 − 2·I2 = 10

قانون كيرشوف للجهد حول الحلقة 2

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

R2·I2 + R3(I2 − I1) = −V2
15·I2 + 2(I2 − I1) = (−6)
−2·I1 + 17·I2 = −6

الحل

Δ = (12)(17) − (−2)(−2) = 200
I1 = Δ1/Δ = 158/200 = 0,79 A
I2 = Δ2/Δ = −52/200 = −0,26 A

الإجابة

IR2 = I2 = −0,26 A

تيار الحلقة السالب يسري عكس عقارب الساعة.

6.تحليل الحلقات

الإجابة: IR4 = 1,572 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​ = 4 ΩR2​ = 25 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​10 VR4​3 ΩAR5​6 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
4·I1 + 3(I1 − I2) = 10
7·I1 − 3·I2 = 10

قانون كيرشوف للجهد حول الحلقة 2

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

R2·I2 + R4(I2 − I1) + R5(I2 − I3) = 0
25·I2 + 3(I2 − I1) + 6(I2 − I3) = 0
−3·I1 + 34·I2 − 6·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
12·I3 + 6(I3 − I2) = (−36)
−6·I2 + 18·I3 = −36

الحل

Δ = محدد مصفوفة المعاملات = 3870
I1 = Δ1/Δ = 5112/3870 = 1,321 A
I2 = Δ2/Δ = −972/3870 = −0,2512 A
I3 = Δ3/Δ = −8064/3870 = −2,084 A

الإجابة

IR4 = I1 − I2 = 1,572 A

تيار الحلقة السالب يسري عكس عقارب الساعة.

7.التراكب

الإجابة: PR2 = 3,292 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​ = 12 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​12 VR2​5 ΩAR4​8 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 = 5+8 = 13 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 5·13/(5+13) = 3,611 Ω
VA = 12·3,611/(12+3,611) = 2,776 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 2,776·8/13 = 1,708 V
IR2′ = (VA − 0)/R2 = (2,776 − 0)/5 = 0,5552 A
R1​ = 12 ΩR3​ = 5 ΩقصرR2​5 ΩAR4​8 ΩBIs​4 A

الحالة 2 · Is يعمل وحده

يصبح V₁ قصرًا، فيكون R₁ على التوازي مع R₂. ينقسم Iₛ عند B بين R₄ والمسار عبر R₃. سهم Iₛ يشير إلى الأسفل، بعيدًا عن عقدته، لذا يسحب Iₛ تيارًا من تلك العقدة: يدخل حدّه بإشارة سالبة.

R1 ∥ R2 = 12·5/(12+5) = 3,529 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 8 ∥ 8,529 = 4,128 Ω
VB = −Is·Req = −4·4,128 = −16,51 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = −16,51·3,529/8,529 = −6,833 V
IR2″ = (VA − 0)/R2 = (−6,833 − 0)/5 = −1,367 A

اجمع إسهامات التيار

IR2 = IR2′ + IR2″ = 0,5552 + (−1,367) = −0,8114 A

القدرة في المقاومة

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

PR2 = IR2²·R2 = (−0,8114)²·5 = 3,292 W

الإجابة

PR2 = 3,292 W

جمع قدرات الحالات المنفصلة يعطي 10,88 W، وهذا خطأ.

8.التراكب

الإجابة: VR2 = −18,06 V

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

R1​ = 3 ΩR2​ = 10 ΩR4​ = 3 Ω+−V1​30 VR3​15 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) = 15 ∥ 13 = 6,964 Ω
VA = 30·6,964/(3+6,964) = 20,97 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 20,97·3/13 = 4,839 V
VR2′ = VB − VA = 4,839 − 20,97 = −16,13 V
R1​ = 3 ΩR2​ = 10 ΩR4​ = 3 ΩقصرR3​15 ΩAIs​3 ABقصر

الحالة 2 · Is يعمل وحده

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

R1 ∥ R3 = 2,5 Ω، إذن المسار الأيسر هو R2+2,5 = 12,5 Ω
Req = R4 ∥ 12,5 = 2,419 Ω
VB = Is·Req = (−3)·2,419 = −7,258 V
VA = VB·2,5/12,5 = −1,452 V
VR2″ = VB − VA = −7,258 − −1,452 = −5,806 V
R1​ = 3 ΩR2​ = 10 ΩR4​ = 3 ΩقصرR3​15 ΩAمفتوحB+−V2​6 V

الحالة 3 · V2 يعمل وحده

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

R1 ∥ R3 = 3·15/(3+15) = 2,5 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = 6·12,5/15,5 = 4,839 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = 4,839·2,5/12,5 = 0,9677 V
VR2‴ = VB − VA = 4,839 − 0,9677 = 3,871 V

اجمع المساهمات

VR2 = VR2′ + VR2″ + VR2‴
VR2 = (−16,13) + (−5,806) + 3,871 = −18,06 V

النتيجة السالبة تعني أن القطبية معاكسة للمعلَّمة في الواقع.

9.ثيفنن ونورتن

الإجابة: IL = 0,6 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​ = 20 ΩR3​ = 2 ΩقصرR2​10 ΩAabRth​

أوجد Rth مع إطفاء كل المصادر

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

R1 ∥ R2 = 20·10/(20+10) = 6,667 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 6,667 + 2 = 8,667 Ω
R1​ = 20 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​30 VR2​10 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) = 30·10/(20+10) = 10 V
Rth​ = 8,667 Ω+−Vth​10 VRL​8 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) = 10/(8,667 + 8) = 0,6 A
10.ثيفنن ونورتن

الإجابة: PL = 78,8 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​ = 4 ΩR3​ = 8 ΩقصرR2​25 ΩAمفتوحBabRth​

أوجد Rth مع إطفاء كل المصادر

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

R1 ∥ R2 = 4·25/(4+25) = 3,448 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3,448 + 8 = 11,45 Ω
R1​ = 4 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​30 VR2​25 ΩAIs​3 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) = 25,86 + 3·3,448 = 36,21 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 36,21 + 3·8 = 60,21 V
Rth​ = 11,45 Ω+−Vth​60,21 VRL​10 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) = 60,21/(11,45 + 10) = 2,807 A
PL = IL²·RL = 2,807²·10 = 78,8 W
11.الحالات العابرة RC و RL

الإجابة: W = 8,972 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 = 150 mH / 15 Ω = 10 ms
i(∞) = Vs/R = 6/15 = 0,4 A

التيار في اللحظة المعطاة

i(t) = 0,4·(1 − e−20/10) = 0,3459 A

الطاقة المخزّنة

W = ½·L·i² = ½·150·0,3459² = 8,972 mJ

الإجابة

W = 8,972 mJ
12.الحالات العابرة RC و RL

الإجابة: R = 30,7 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

7,5 = 15·(1 − e−1000/τ) → τ = 1000/ln(15/(15 − 7,5))
τ = 1000/0,6931 = 1443 ms

المقاومة

kΩ مضروبة في µF تعطي ميلي ثانية.

R = τ/C = 1443/47 = 30,7 kΩ

الإجابة

R = 30,7 kΩ
13.معاوقة التيار المتردد والطوريات

الإجابة: I = 0,8532 A

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

المفاعلة

XC = 1/(ωC) = 1/(2π·500·22·10⁻⁶) = 14,47 Ω

تيارات الفروع

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

IR = V/R = 12/60 = 0,2 A
IX = V/XC = 12/14,47 = 0,8294 A

التيار الكلي

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

I = √(IR² + IX²) = √(0,2² + 0,8294²) = 0,8532 A

الإجابة

I = 0,8532 A
14.معاوقة التيار المتردد والطوريات

الإجابة: f0 = 67,86 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·√(0,25·22·10⁻⁶)) = 67,86 Hz

الإجابة

f0 = 67,86 Hz
15.قدرة التيار المتردد ومعامل القدرة

الإجابة: X = 13,45 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 = 1760/9² = 21,73 Ω

المفاعلة من المعاوقة

|Z| = V/I = 230/9 = 25,56 Ω
X = √(|Z|² − R²) = √(25,56² − 21,73²) = 13,45 Ω

الإجابة

X = 13,45 Ω
16.قدرة التيار المتردد ومعامل القدرة

الإجابة: Pmax = 661,3 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* = 20 − j30 Ω

أقصى قدرة

I = Vs/(2Rs) = 230/40 = 5,75 A
Pmax = I²·RL = Vs²/(4Rs) = 230²/(4·20) = 661,3 W

الإجابة

Pmax = 661,3 W
17.القدرة ثلاثية الطور

الإجابة: IL = 51 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 = 30/0,93 = 32,26 kW

تيار الخط

IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 32258/(√3·415·0,88) = 51 A

الإجابة

IL = 51 A
18.القدرة ثلاثية الطور

الإجابة: Cph = 598,9 µF

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

القدرة غير الفعّالة قبل وبعد

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

Q1 = 80·tan(acos 0,78) = 80·0,8023 = 64,18 kvar
Q2 = 80·tan(acos 0,92) = 80·0,426 = 34,08 kvar

القدرة غير الفعّالة من المكثّفات

QC = Q1 − Q2 = 30,1 kvar

السعة لكل طور

في مجموعة Y يوصل كل مكثّف بين خط ونقطة النجمة.

V = 400/√3 = 230,9 V, ω = 2π·50 = 314,2 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 10034/(314,2·230,9²) = 598,9 µF

الإجابة

Cph = 598,9 µF
19.المحوّلات

الإجابة: R1′ = 400 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 = 10²·4 = 400 Ω

الإجابة

R1′ = 400 Ω
20.المحوّلات

الإجابة: Pcu,fl = 6911 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 = 250·0,9 = 225 kW
Pin = 225000/0,965 = 233161 W

المفقودات الكلية ومفقودات النحاس

Ploss = 233161 − 225000 = 8161 W
Pcu,fl = 8161 − 1250 = 6911 W

الإجابة

Pcu,fl = 6911 W
21.دوائر مكبّرات العمليات

الإجابة: Rf = 235 kΩ

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.

كسب المكبّر غير العاكس

V₋ = V₊ = Vin، والتيار عبر R₁ يمرّ أيضًا عبر Rf، إذن Vout = Vin·(1 + Rf/R₁).

Av = 1 + Rf/R1
Rf = (6 − 1)·47 = 235 kΩ

الإجابة

Rf = 235 kΩ
22.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.

تيار الدخل ومعدّل التغيّر

kΩ مضروبة في µF تعطي ميلي ثانية.

RC = 1 kΩ · 0,22 µF = 0,22 ms
معدّل التغيّر = −Vin/(RC) = −2,2/0,22 = −10 V/ms

الخرج عند الزمن المعطى

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

Vout = −Vin·t/(RC) = −2,2·1/0,22 = −10 V

الإجابة

Vout = −10 V
23.الثنائيات والترانزستورات

الإجابة: IZ = 14,41 mA

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

تيار المقاومة

IR = 14,9/680 = 21,91 mA

تيار الحِمل

IL = 5,1/680 = 7,5 mA

تيار زينر

IZ = 21,91 − 7,5 = 14,41 mA

الإجابة

IZ = 14,41 mA
24.الثنائيات والترانزستورات

الإجابة: RB = 14,78 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) = (5 − 0,2)/330 = 14,55 mA

أدنى تيار قاعدة

IB(min) = IC(sat)/β = 14,55/100 = 145,5 µA

تيار القاعدة التصميمي

IB = 2·145,5 µA = 290,9 µA

مقاومة القاعدة

RB = (5 − 0,7)/IB = 4,3 V/0,2909 mA = 14,78 kΩ

الإجابة

RB = 14,78 kΩ
25.أنظمة العد

الإجابة: U = 213

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

اقلب وأضف واحدًا

43 = 0010 1011
مقلوب: 1101 0100
+1 → 1101 0101

اقرأه بلا إشارة

1101 0101₂ = 256 − 43 = 213

الإجابة

U = 213
26.أنظمة العد

الإجابة: M = 256 KiB

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.

البتات والبايتات

256·256·32 = 2097152 bit = 262144 B

حوّل إلى KiB

262144/1024 = 256 KiB

الإجابة

M = 256 KiB
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.

ABCD000111100001111010010302140517061120131151140809011010

جمّع الآحاد

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

BCD
A′C′D′
ABD′

الصيغة الدنيا SOP

F = BCD + A′C′D′ + ABD′
N = 3

الإجابة

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

الإجابة: حافة الساعة 6

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 = 0 → Q = 0
2: T = 0 → Q = 0
3: T = 0 → Q = 0
4: T = 1 → Q = 1
5: T = 0 → Q = 1
6: T = 1 → Q = 0
7: T = 1 → Q = 1

أول تغير من 1 إلى 0

حافة الساعة 6

الإجابة

حافة الساعة 6
29.تحويلات لابلاس

الإجابة: A = 2,5

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

حلّل المقام

s² + 4s + 3 = (s + 1)(s + 3)
F(s) = A/(s + 1) + B/(s + 3)

قاعدة التغطية

اضرب في (s + 1) وضع s = −1: يختفي حدّ B.

A = (2s + 7)/(s + 3) |s = −1 = 5/2 = 2,5

الإجابة

A = 2,5
(B = −0,5، لذا f(t) = 2,5·e−t − 0,5·e−3t)
30.تحويلات لابلاس

الإجابة: g(0.2) = 0,6122

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

دالة التحويل

G(s) = Y(s)/U(s) = (4s + 8)/(s² + 10s + 24)

الكسور الجزئية

s² + 10s + 24 = (s + 4)(s + 6)
A = −4, B = 8

استجابة النبضة

g(t) = −4·e−4t + 8·e−6t
g(0,2) = 0,6122

الإجابة

g(0,2) = 0,6122
31.المخططات الصندوقية

الإجابة: p = −114

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

الحلقة الداخلية

Gᵢ = G/(1 + G·H₁) = 7/(s + 2 + 7·2) = 7/(s + 16)

الحلقة الخارجية

T(s) = K·Gᵢ/(1 + K·Gᵢ) = 98/(s + 16 + 98) = 98/(s + 114)

النتيجة

p = −114

الإجابة

p = −114
32.المخططات الصندوقية

الإجابة: K = 8

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).

استجابة الاضطراب

css = D·G(0)/(1 + K·G(0)) = 10·9/(8 + 9K)

حلّ لإيجاد K

8 + 9K = 10·9/1,125 = 80
K = (80 − 8)/9 = 8

الإجابة

K = 8
33.الاستجابة الخطوية

الإجابة: ωn = 7,616 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 = 58 → ωₙ = 7,616 rad/s
2ζωₙ = 11 → ζ = 11/(2·7,616) = 0,7222

النتيجة

ωₙ = 7,616 rad/s

الإجابة

ωn = 7,616 rad/s
34.الاستجابة الخطوية

الإجابة: K = 59,88

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

دالة تحويل الحلقة المغلقة

T(s) = K/(s² + 8s + K)

نسبة التخميد من التجاوز

ζ = −ln(0,15)/√(π² + ln²(0,15)) = 0,5169

الكسب

ωₙ = 8/(2ζ) = 7,738 rad/s
K = ωₙ² = 59,88

الإجابة

K = 59,88
35.مخططات بودي والهوامش

الإجابة: ∠G(jω) = −100,3 °

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(4/3) − 90° − atan(4/2) = 53,13° − 90° − 63,43°

النتيجة

∠G(j4) = −100,3°

الإجابة

∠G(jω) = −100,3°
36.مخططات بودي والهوامش

الإجابة: GM = 12,04 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/3)·(ω/8) = 1 → ω180 = √(3·8) = 4,899 rad/s

المقدار عند تقاطع الطور

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 9)·√(ω² + 64)) = K/(3·8·(3 + 8)) = K/264

هامش الكسب

GM = 20·log₁₀(264/66) = 12,04 dB

الإجابة

GM = 12,04 dB
37.الاستقرار: راوث–هرفيتز والمحل الهندسي للجذور

الإجابة: m = 4

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.

جدول روث

s³ + 10s² + 24s + K = 0
s³: 1, 24
s²: 10, K
s¹: (10·24 − K)/10
s⁰: K

أكبر كسب مستقر

Kmax = 10·24 = 240

العامل

m = 240/60 = 4

الإجابة

m = 4

هذا العامل هو هامش الكسب كنسبة: 12,04 dB.

38.الاستقرار: راوث–هرفيتز والمحل الهندسي للجذور

الإجابة: sb = −1,172

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

الكسب على طول المحور الحقيقي

K(s) = −(s² + 2s)/(s + 4)

النقاط الحرجة

اشتق بقاعدة القسمة وساوِ البسط بالصفر.

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

نقطة الانفصال

sb = −1,172

الإجابة

sb = −1,172

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

39.خطأ الحالة المستقرة والتحكم PID

الإجابة: ess = 1

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 التسارع

Ka = 4·5/2 = 10

خطأ القطع المكافئ

ess = 10/10 = 1

الإجابة

ess = 1
40.خطأ الحالة المستقرة والتحكم PID

الإجابة: tp = 0,3658 s

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

كثير الحدود المميِّز

s(s + 5) + 16·5 = s² + 5s + 80

ωₙ وζ

ωₙ = √80 = 8,944 rad/s
ζ = 5/(2·8,944) = 0,2795

زمن الذروة

ωd = 8,944·√(1 − 0,2795²) = 8,588 rad/s
tp = π/8,588 = 0,3658 s

الإجابة

tp = 0,3658 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