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​ = 2 ΩIR1​R3​ = 15 Ω+−V1​15 VR2​10 ΩAR4​6 ΩB

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

V1 = 15 VR1 = 2 ΩR2 = 10 ΩR3 = 15 ΩR4 = 6 Ω
IR1 = A
2.المقاومات على التوالي والتوازيصعبة
R1​ = 12 ΩR3​ = 30 ΩR5​ = 3 Ω+−V1​18 VR2​8 ΩAR4​15 ΩBR6​3 Ω

أوجد المقاومة المكافئة Req التي يراها المصدر V1.

V1 = 18 VR1 = 12 ΩR2 = 8 ΩR3 = 30 ΩR4 = 15 ΩR5 = 3 ΩR6 = 3 Ω
Req = Ω
3.تحليل العقدمتوسطة
R1​ = 10 ΩIR1​R3​ = 4 Ω+−V1​15 VR2​15 ΩAR4​6 ΩBIs​5 A

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

V1 = 15 VIs = 5 AR1 = 10 ΩR2 = 15 ΩR3 = 4 ΩR4 = 6 Ω
IR1 = A
4.تحليل العقدصعبة
R1​ = 3 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​18 VR2​3 ΩAR4​25 ΩBIs​?

يُضبط مصدر التيار حتى يصبح جهد العقدة A مساويًا VA = 22,5 V. استخدم تحليل العقد لإيجاد تيار المصدر Is (بالاتجاه الموضّح).

V1 = 18 VR1 = 3 ΩR2 = 3 ΩR3 = 2 ΩR4 = 25 ΩVA = 22,5 V
Is = A
5.تحليل الحلقاتمتوسطة
R1​ = 15 ΩR2​ = 6 Ω+−V1​9 VR3​12 ΩA+−V2​15 VI1​I2​

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

V1 = 9 VV2 = 15 VR1 = 15 ΩR2 = 6 ΩR3 = 12 Ω
I2 = A
6.تحليل الحلقاتصعبة
R1​ = 8 ΩR2​ = 12 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​36 VR4​6 ΩIR4​AR5​25 ΩB+−V2​36 VI1​I2​I3​

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

V1 = 36 VV2 = 36 VR1 = 8 ΩR2 = 12 ΩR3 = 6 ΩR4 = 6 ΩR5 = 25 Ω
IR4 = A
7.التراكبمتوسطة
R1​ = 2 ΩIR1​R3​ = 10 Ω+−V1​18 VR2​15 ΩAR4​20 ΩBIs​1,5 A

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

V1 = 18 VIs = 1,5 AR1 = 2 ΩR2 = 15 ΩR3 = 10 ΩR4 = 20 Ω
IR1 = A
8.التراكبصعبة
R1​ = 30 ΩR2​ = 4 ΩR4​ = 6 ΩIR4​+−V1​12 VR3​10 ΩAIs​2 AB−+V2​15 V

استخدم مبدأ التراكب لإيجاد التيار IR4 المارّ في R4 باتجاه السهم.

V1 = 12 VIs = 2 AV2 = 15 VR1 = 30 ΩR2 = 4 ΩR3 = 10 ΩR4 = 6 Ω
IR4 = A
9.ثيفنن ونورتنمتوسطة
R1​ = 3 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​15 VR2​20 ΩARL​2 ΩIL​B

وُصل حِمل RL = 2 Ω بين a–b. استبدل بقية الدائرة بمكافئ ثيفنن وأوجد تيار الحِمل IL.

V1 = 15 VR1 = 3 ΩR2 = 20 ΩR3 = 10 ΩRL = 2 Ω
IL = A
10.ثيفنن ونورتنصعبة
R1​ = 8 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​36 VR2​20 ΩAIs​2 ABab

أوجد جهد ثيفنن Vth المرئي من الطرفين a–b.

V1 = 36 VIs = 2 AR1 = 8 ΩR2 = 20 ΩR3 = 6 Ω
Vth = V
11.الحالات العابرة RC و RLمتوسطة
+−Vs​24 Vt = 0R = 33 ΩL22 mHi(t)

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

Vs = 24 VR = 33 ΩL = 22 mHt = 1 ms
W = mJ
12.الحالات العابرة RC و RLصعبة
+−Vs​12 Vيُفتح عند t = 0R1​ = 2,2 kΩR2​ = 4,7 kΩC22 µF+−vC​

المفتاح مغلق منذ وقت طويل، لذا الدائرة في حالة مستقرة. عند t = 0 يُفتح المفتاح. أوجد جهد المكثّف vC عند t = 60 ms.

Vs = 12 VR1 = 2,2 kΩR2 = 4,7 kΩC = 22 µFt = 60 ms
vC = V
13.معاوقة التيار المتردد والطورياتمتوسطة
Vf0​ = 500 HzRL = ?C = 2,2 µF

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

f0 = 500 HzC = 2,2 µF
L = mH
14.معاوقة التيار المتردد والطورياتصعبة
24 Vf0​R = 20 ΩL = 10 mHC = 0,22 µF

دائرة RLC على التوالي يغذّيها مصدر 24 V (فعّال) ضُبط تردّده على تردّد رنين الدائرة. أوجد الجهد الفعّال VL على الملف.

V = 24 V (rms)R = 20 ΩL = 10 mHC = 0,22 µF
VL = V
15.قدرة التيار المتردد ومعامل القدرةمتوسطة
230 VR + jXP = 1369 W7 A

يأخذ حِمل حثي 7 A و 1369 W من مصدر أحادي الطور 230 V (فعّال). مثّله بمقاومة R على التوالي مع مفاعلة X. أوجد X.

V = 230 VI = 7 AP = 1369 W
X = Ω
16.قدرة التيار المتردد ومعامل القدرةصعبة
P = 40 kWQ1​S1​φ1​QC​

يستهلك حِمل أحادي الطور 40 kW بمعامل قدرة 0,6 متأخّر من مصدر 400 V، 50 Hz. يرفع مكثّف موصول على التوازي معامل القدرة إلى 0,92. أوجد تيار الخط الجديد Inew.

P = 40 kWpf1 = 0,6pf2 = 0,92V = 400 Vf = 50 Hz
Inew = A
17.القدرة ثلاثية الطورمتوسطة
ABCVL​ = 208 VIL​ = 100 Acos φ = 0,88متأخر

حمل ثلاثي الطور متوازن يسحب تيار خط مقداره 100 A من مصدر جهد خطه 208 V. معامل القدرة 0,88 متأخر. أوجد القدرة الفعّالة الكلية P التي يسحبها الحمل بالـ kW.

VL = 208 VIL = 100 Acos φ = 0,88
P = kW
18.القدرة ثلاثية الطورصعبة
P = 60 kWφ1​S1​Q2​QC​ = ?

حمل ثلاثي الطور متوازن يأخذ 60 kW عند معامل قدرة 0,75 متأخر من مصدر 480 V (جهد خط) و 60 Hz. يجب أن ترفع مجموعة مكثّفات ثلاثية الطور موصولة على التوازي مع الحمل معامل القدرة الكلي إلى 0,95 متأخر. تبقى القدرة الفعّالة كما هي. أوجد القدرة غير الفعّالة الكلية QC التي يجب أن تقدّمها مجموعة المكثّفات، بالـ kvar.

P = 60 kWpf1 = 0,75pf2 = 0,95VL = 480 Vf = 60 Hz
QC = kvar
19.المحوّلاتمتوسطة
RL​ = 10 Ω511200 VV2​I1​ = ?I2​

محوّل مثالي نسبة لفّاته N₁:N₂ = 5:1، طُبّق على ملفه الابتدائي جهد 1200 V. وُصلت مقاومة 10 Ω على طرفي الملف الثانوي. أوجد التيار الابتدائي I1.

N1:N2 = 5:1V1 = 1200 VRL = 10 Ω
I1 = A
20.المحوّلاتصعبة
pf 0,8575 kVA, 50% الحمل

محوّل أحادي الطور 75 kVA مفقودات قلبه 600 W ومفقودات نحاسه 900 W عند الحمل المقنَّن. يغذّي 50% من قدرته المقنَّنة بالـ kVA عند معامل قدرة 0,85 متأخر. أوجد المفقودات الكلية Ploss بالواط عند هذا الحمل.

S = 75 kVAPcore = 600 WPcu,fl = 900 Wx = 0,5pf = 0,85
Ploss = W
21.دوائر مكبّرات العملياتمتوسطة
−+Vout​Rf​ = ?R1​ = 100 kΩVin​

اختر مقاومة التغذية الراجعة Rf التي تعطي هذا المكبّر غير العاكس كسب جهد 10.

R1 = 100 kΩAv = 10
Rf = kΩ
22.دوائر مكبّرات العملياتصعبة
Vin​V1​Vout​المرحلة 1: عاكسR1​ = 4,7 kΩRf1​ = 10 kΩالمرحلة 2: غير عاكسR2​ = 2 kΩRf2​ = 4,7 kΩ

مرحلتا مكبّر عمليات مثاليتان موصولتان على التتالي: مكبّر عاكس (R1، Rf1) يليه مكبّر غير عاكس (R2 إلى الأرضي، Rf2 في التغذية الراجعة). كلتاهما تعملان من مصدرَي تغذية ±15 V. أوجد كسب الجهد الكلي Av = Vout/Vin.

R1 = 4,7 kΩRf1 = 10 kΩR2 = 2 kΩRf2 = 4,7 kΩ
Av =
23.الثنائيات والترانزستوراتمتوسطة
RC​ = 1,5 kΩβ = 150IC​ = ?RE​ = 1,2 kΩVCC​ = 12 VR1​ = 56 kΩR2​ = 22 kΩ

ترانزستور NPN بـ β = 150 منحاز بمقسّم جهد من VCC = 12 V: R₁ = 56 kΩ من VCC إلى القاعدة و R₂ = 22 kΩ من القاعدة إلى الأرضي. مقاومة المجمِّع RC = 1,5 kΩ ومقاومة الباعث RE = 1,2 kΩ. خذ VBE = 0,7 V واستخدم مكافئ ثيفنن للمقسّم (لا تُهمل تيار القاعدة). أوجد تيار المجمِّع IC بالـ mA.

VCC = 12 VR1 = 56 kΩR2 = 22 kΩRC = 1,5 kΩRE = 1,2 kΩβ = 150
IC = mA
24.الثنائيات والترانزستوراتصعبة
+−≥ 15 VR = ?6,2 V≤ 20 mA

يجب أن يغذّي منظم زينر 6,2 V حملًا بتيار يصل إلى 20 mA. قد ينخفض الدخل إلى 15 V، ويحتاج زينر إلى 1 mA على الأقل ليظل منظِّمًا. أوجد أكبر مقاومة توالٍ Rmax تبقيه منظِّمًا.

Vin,min = 15 VVZ = 6,2 VIL,max = 20 mAIZ,min = 1 mA
Rmax = Ω
25.أنظمة العدمتوسطة
المتمم الثنائي ذو 8 بتات0−12806403201608040201

اضبط البتات بحيث تخزن −67 في المتمم الثنائي بـ 8 بتات. إذا قُرئ كعدد بدون إشارة، فما قيمة النمط U؟

N = −678 bit
U =
26.أنظمة العدصعبة
1042 رموز، b = ؟ بت?2ᵇ⁻¹…?4?2?1

يجب أن يعطي نظام كل واحد من 1042 عنصرًا رمزًا ثنائيًا خاصًا به بالطول نفسه. ما أقل عدد من البتات b يلزم؟

1042
b = bit
27.المنطق الرقمي: البوابات وخرائط كارنو والقلّاباتمتوسطة
ABCD000111100001111000111302040517061120130150140819111010

استخدم خريطة كارنو لإيجاد الصيغة الدنيا لمجموع الجداءات (SOP) للدالة F(A, B, C, D) = Σm(1, 3, 7, 9, 11, 12). كم حرفًا L تحتوي في المجموع (المتغير ذو الشرطة يُعدّ حرفًا واحدًا)؟

F(A, B, C, D) = Σm(1, 3, 7, 9, 11, 12)
L =
28.المنطق الرقمي: البوابات وخرائط كارنو والقلّاباتصعبة
ABCD0001111000011110X0110312141507X6112X130151141809111010

جد الصيغة الدنيا SOP للدالة F(A, B, C, D) = Σm(1, 2, 4, 5, 8, 11, 12, 14) + d(0, 6, 13)، حيث تشير d إلى حالات عدم الاكتراث. كم حد جداء N فيها؟

F(A, B, C, D) = Σm(1, 2, 4, 5, 8, 11, 12, 14) + d(0, 6, 13)
N =
29.تحويلات لابلاسمتوسطة
t (s)f(t)t = 0,4f(0,4) = ?

أوجد f(t) للدالة F(s) = 45/(s(s + 1)(s + 5)) بالكسور الجزئية، واحسب f(0,4).

F(s) = 45/(s(s + 1)(s + 5))t = 0,4 s
f(0.4) =
30.تحويلات لابلاسصعبة
t (s)y(t)t = 0,2y(0,2) = ?

حلّ y″ + 5y′ + 4y = 0 مع y(0) = 7 و y′(0) = −1 باستخدام تحويل لابلاس، وأوجد y(0,2).

y″ + 5y′ + 4y = 0y(0) = 7y′(0) = −1t = 0,2 s
y(0.2) =
31.المخططات الصندوقيةمتوسطة
R(s)+K(s + 1)(s + 7)G(s)C(s)−

النظام المُتحكَّم فيه G(s) = K/((s + 1)(s + 7)) في حلقة تغذية راجعة سالبة أحادية. أوجد الكسب K الذي تكون عنده الحلقة المغلقة متخامدة تخميدًا حرجًا (قطبان حقيقيان متساويان).

G(s) = K/((s + 1)(s + 7))تغذية راجعة سالبة أحادية
K =
32.المخططات الصندوقيةصعبة
R(s)+46s(s + 8)G(s)C(s)0,5H−

النظام المُتحكَّم فيه G(s) = 46/(s(s + 8)) في حلقة تغذية راجعة سالبة كسب مستشعرها H = 0,5. أقطاب الحلقة المغلقة مركّبة. أوجد جزأها الحقيقي σ.

G(s) = 46/(s(s + 8))H = 0,5
σ =
33.الاستجابة الخطويةمتوسطة
t (s)y(t)3

لنظام دالة النقل G(s) = 117/(s² + 9s + 39) ويتلقى دخلًا خطويًا وحدويًا. القطبان هما s = σ ± jωd. أوجد الجزء الحقيقي σ.

G(s) = 117/(s² + 9s + 39)
σ =
34.الاستجابة الخطويةصعبة
t (s)y(t)125 %

يجب أن تحقق استجابة خطوية لنظام من الرتبة الثانية بلا أصفار تجاوزًا قدره 25 %. أوجد نسبة التخميد ζ.

%OS = 25 %
ζ =
35.مخططات بودي والهوامشمتوسطة
vin​C = 2,2 nFR = 3,3 kΩvout​

لـ مرشح RC لتمرير الترددات العالية الموضح R = 3,3 kΩ, C = 2,2 nF. يُطبَّق دخل جيبي مقداره 66 kHz. أوجد الكسب |H| = |vout/vin| بوحدة dB.

R = 3,3 kΩC = 2,2 nFf = 66 kHz
|H| = dB
36.مخططات بودي والهوامشصعبة
|H| (dB)0,10,1111010100100−80−60−40−2002040ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−270−180−900ω180​

حلقة تغذية عكسية وحدوية دالة نقلها المفتوحة L(s) = K/(s(s + 1)(s + 10)). أوجد الكسب K الذي يعطي هامش كسب قدره 6 dB.

L(s) = K/(s(s + 1)(s + 10))GM = 6 dB
K =
37.الاستقرار: راوث–هرفيتز والمحل الهندسي للجذورمتوسطة
R(s)+K1s(s + 4)(s + 6)C(s)−

لحلقة المخطط دالة نقل الحلقة المفتوحة L(s) = K/(s(s + 4)(s + 6)). يُرفع الكسب حتى تصبح الحلقة المغلقة على حافة الاستقرار. أوجد تردد ω التذبذب المستمر.

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

لحلقة L(s) = K/(s(s + 3)(s + 4))، أوجد الكسب K الذي يضع قطبًا للحلقة المغلقة عند s = −1,5.

L(s) = K/(s(s + 3)(s + 4))s = −1,5
K =
39.خطأ الحالة المستقرة والتحكم PIDمتوسطة
r(t) = 5t+Ks(s + 2)C(s)−

يجب أن تتبع حلقة تغذية عكسية وحدوية فيها G(s) = K/(s(s + 2)) المنحدر r(t) = 5t بخطأ حالة مستقرة قدره 0,1. أوجد الكسب K.

G(s) = K/(s(s + 2))r(t) = 5tess = 0,1
K =
40.خطأ الحالة المستقرة والتحكم PIDصعبة
R(s)+Kp​ + Ki​/s4s + 1C(s)−

يتحكم متحكم PI بالصيغة C(s) = Kp + Ki/s في المحطة G(s) = 4/(s + 1) ضمن حلقة تغذية عكسية وحدوية. يجب أن تكون للحلقة المغلقة ωₙ = 8 rad/s وζ = 0,6. أوجد الكسب التناسبي Kp.

G(s) = 4/(s + 1)ωₙ = 8 rad/sζ = 0,6
Kp =

3المحاليل

1.المقاومات على التوالي والتوازي

الإجابة: IR1 = 1,71 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​ = 2 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​15 VR2​10 ΩAR4​6 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 = 15 + 6 = 21 Ω
R2 ∥ 21 = 10·21/(10+21) = 6,774 Ω
Req = R1 + 6,774 = 2 + 6,774 = 8,774 Ω

التيار من المصدر

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

IR1 = V1/Req = 15/8,774 = 1,71 A

الإجابة

IR1 = 1,71 A
2.المقاومات على التوالي والتوازي

الإجابة: Req = 18,49 Ω

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

R1​ = 12 ΩR3​ = 30 ΩR5​ = 3 Ω+−V1​18 VR2​8 ΩAR4​15 ΩBR6​3 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 = 3 + 3 = 6 Ω
R4 ∥ 6 = 4,286 Ω
R3 + 4,286 = 34,29 Ω
R2 ∥ 34,29 = 6,486 Ω
Req = R1 + 6,486 = 12 + 6,486 = 18,49 Ω

الإجابة

Req = 18,49 Ω
3.تحليل العقد

الإجابة: IR1 = −0,1875 A

تحليل العقد: اختر عقدة مرجعية، وسمِّ جهود العقد المجهولة، واكتب قانون كيرشوف للتيار عند كل عقدة مجهولة باستخدام قانون أوم (I = ΔV/R)، ثم حلّ المعادلات الناتجة.

R1​ = 10 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​15 VR2​15 ΩAR4​6 ΩBIs​5 A

حدّد العقد

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

قانون كيرشوف للتيار عند العقدة A

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

VA/R2 + (VA − V1)/R1 + (VA − VB)/R3 = 0
VA/15 + (VA − 15)/10 + (VA − VB)/4 = 0
0,4167·VA − 0,25·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/6 + (VB − VA)/4 = 5
−0,25·VA + 0,4167·VB = 5

الحل

Δ = (0,4167)(0,4167) − (−0,25)(−0,25) = 0,1111
VA = Δ1/Δ = 1,875/0,1111 = 16,88 V
VB = Δ2/Δ = 2,458/0,1111 = 22,13 V

الإجابة

IR1 = (V1 − VA)/R1 = (15 − 16,88)/10 = −0,1875 A
4.تحليل العقد

الإجابة: Is = 10,62 A

تحليل العقد: اختر عقدة مرجعية، وسمِّ جهود العقد المجهولة، واكتب قانون كيرشوف للتيار عند كل عقدة مجهولة باستخدام قانون أوم (I = ΔV/R)، ثم حلّ المعادلات الناتجة.

قانون كيرشوف للتيار عند العقدة A

VA معلوم، لذا تعطي هذه المعادلة VB.

(VA − V1)/R1 + VA/R2 + (VA − VB)/R3 = 0
(22,5 − 18)/3 + 22,5/3 = (VB − 22,5)/2
9 = (VB − 22,5)/2 → VB = 40,5 V

قانون كيرشوف للتيار عند العقدة B

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

Is = (VB − VA)/R3 + VB/R4 = (40,5 − 22,5)/2 + 40,5/25 = 10,62 A

الإجابة

Is = 10,62 A
5.تحليل الحلقات

الإجابة: I2 = −0,8684 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​ = 15 ΩR2​ = 6 Ω+−V1​9 VR3​12 ΩA+−V2​15 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
15·I1 + 12(I1 − I2) = 9
27·I1 − 12·I2 = 9

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
6·I2 + 12(I2 − I1) = (−15)
−12·I1 + 18·I2 = −15

الحل

Δ = (27)(18) − (−12)(−12) = 342
I1 = Δ1/Δ = −18/342 = −0,05263 A
I2 = Δ2/Δ = −297/342 = −0,8684 A

الإجابة

I2 = −0,8684 A

تيار الحلقة السالب يسري عكس عقارب الساعة.

6.تحليل الحلقات

الإجابة: IR4 = 2,955 A

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

R1​ = 8 ΩR2​ = 12 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​36 VR4​6 ΩAR5​25 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
8·I1 + 6(I1 − I2) = 36
14·I1 − 6·I2 = 36

قانون كيرشوف للجهد حول الحلقة 2

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

R2·I2 + R4(I2 − I1) + R5(I2 − I3) = 0
12·I2 + 6(I2 − I1) + 25(I2 − I3) = 0
−6·I1 + 43·I2 − 25·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
6·I3 + 25(I3 − I2) = (−36)
−25·I2 + 31·I3 = −36

الحل

Δ = محدد مصفوفة المعاملات = 8796
I1 = Δ1/Δ = 20088/8796 = 2,284 A
I2 = Δ2/Δ = −5904/8796 = −0,6712 A
I3 = Δ3/Δ = −14976/8796 = −1,703 A

الإجابة

IR4 = I1 − I2 = 2,955 A

تيار الحلقة السالب يسري عكس عقارب الساعة.

7.التراكب

الإجابة: IR1 = 0,6667 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​ = 2 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​18 VR2​15 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 = 10+20 = 30 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 15·30/(15+30) = 10 Ω
VA = 18·10/(2+10) = 15 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 15·20/30 = 10 V
IR1′ = (V1 − VA)/R1 = (18 − 15)/2 = 1,5 A
R1​ = 2 ΩR3​ = 10 ΩقصرR2​15 ΩAR4​20 ΩBIs​1,5 A

الحالة 2 · Is يعمل وحده

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

R1 ∥ R2 = 2·15/(2+15) = 1,765 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 20 ∥ 11,76 = 7,407 Ω
VB = Is·Req = 1,5·7,407 = 11,11 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 11,11·1,765/11,76 = 1,667 V
IR1″ = (V1 − VA)/R1 = (0 − 1,667)/2 = −0,8333 A

اجمع المساهمات

IR1 = IR1′ + IR1″
IR1 = 1,5 + (−0,8333) = 0,6667 A

النتيجة السالبة تعني أن التيار يسري عكس السهم في الواقع.

8.التراكب

الإجابة: IR4 = −0,2857 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​ = 30 ΩR2​ = 4 ΩR4​ = 6 Ω+−V1​12 VR3​10 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) = 10 ∥ 10 = 5 Ω
VA = 12·5/(30+5) = 1,714 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 1,714·6/10 = 1,029 V
IR4′ = (VB − V2)/R4 = (1,029 − 0)/6 = 0,1714 A
R1​ = 30 ΩR2​ = 4 ΩR4​ = 6 ΩقصرR3​10 ΩAIs​2 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 = 7,5 Ω، إذن المسار الأيسر هو R2+7,5 = 11,5 Ω
Req = R4 ∥ 11,5 = 3,943 Ω
VB = Is·Req = (−2)·3,943 = −7,886 V
VA = VB·7,5/11,5 = −5,143 V
IR4″ = (VB − V2)/R4 = (−7,886 − 0)/6 = −1,314 A
R1​ = 30 ΩR2​ = 4 ΩR4​ = 6 ΩقصرR3​10 ΩAمفتوحB−+V2​15 V

الحالة 3 · V2 يعمل وحده

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

R1 ∥ R3 = 30·10/(30+10) = 7,5 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = (−15)·11,5/17,5 = −9,857 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = −9,857·7,5/11,5 = −6,429 V
IR4‴ = (VB − V2)/R4 = (−9,857 − −15)/6 = 0,8571 A

اجمع المساهمات

IR4 = IR4′ + IR4″ + IR4‴
IR4 = 0,1714 + (−1,314) + 0,8571 = −0,2857 A

النتيجة السالبة تعني أن التيار يسري عكس السهم في الواقع.

9.ثيفنن ونورتن

الإجابة: IL = 0,8929 A

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

R1​ = 3 ΩR3​ = 10 ΩقصرR2​20 ΩAabRth​

أوجد Rth مع إطفاء كل المصادر

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

R1 ∥ R2 = 3·20/(3+20) = 2,609 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,609 + 10 = 12,61 Ω
R1​ = 3 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​15 VR2​20 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) = 15·20/(3+20) = 13,04 V
Rth​ = 12,61 Ω+−Vth​13,04 VRL​2 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) = 13,04/(12,61 + 2) = 0,8929 A
10.ثيفنن ونورتن

الإجابة: Vth = 49,14 V

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

R1​ = 8 ΩR3​ = 6 ΩقصرR2​20 ΩAمفتوحBabRth​

أوجد Rth مع إطفاء كل المصادر

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

R1 ∥ R2 = 8·20/(8+20) = 5,714 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 5,714 + 6 = 11,71 Ω
R1​ = 8 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​36 VR2​20 ΩAIs​2 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) = 25,71 + 2·5,714 = 37,14 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 37,14 + 2·6 = 49,14 V
11.الحالات العابرة RC و RL

الإجابة: W = 3,511 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 = 22 mH / 33 Ω = 0,6667 ms
i(∞) = Vs/R = 24/33 = 0,7273 A

التيار في اللحظة المعطاة

i(t) = 0,7273·(1 − e−1/0,6667) = 0,565 A

الطاقة المخزّنة

W = ½·L·i² = ½·22·0,565² = 3,511 mJ

الإجابة

W = 3,511 mJ
12.الحالات العابرة RC و RL

الإجابة: vC = 4,575 V

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

جهد المكثّف الابتدائي

في الحالة المستقرة يكون المكثّف دائرة مفتوحة، لذا يشكّل R₁ و R₂ مقسّم جهد. لا يمكن لجهد المكثّف أن يقفز عند فتح المفتاح.

vC(0) = 12·4,7/(2,2 + 4,7) = 8,174 V

الثابت الزمني بعد فتح المفتاح

τ = R2·C = 4,7·22 = 103,4 ms

التفريغ

vC(t) = 8,174·e−60/103,4 = 4,575 V

الإجابة

vC = 4,575 V
13.معاوقة التيار المتردد والطوريات

الإجابة: L = 46,06 mH

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

شرط الرنين

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

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

الإجابة

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

الإجابة: VL = 255,8 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/√(0,01·0,22·10⁻⁶) = 21320 rad/s
I = V/R = 24/20 = 1,2 A

الجهد على الملف

XL = ω₀L = 21320·0,01 = 213,2 Ω
VL = I·XL = 1,2·213,2 = 255,8 V

الإجابة

VL = 255,8 V

هذا Q = 10,66 مرة جهد المصدر.

15.قدرة التيار المتردد ومعامل القدرة

الإجابة: X = 17,29 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 = 1369/7² = 27,94 Ω

المفاعلة من المعاوقة

|Z| = V/I = 230/7 = 32,86 Ω
X = √(|Z|² − R²) = √(32,86² − 27,94²) = 17,29 Ω

الإجابة

X = 17,29 Ω
16.قدرة التيار المتردد ومعامل القدرة

الإجابة: Inew = 108,7 A

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

القدرة غير الفعّالة قبل وبعد

لا تتغيّر القدرة الفعلية P؛ تتغيّر فقط القدرة غير الفعّالة المسحوبة من الشبكة.

Q1 = P·tan φ1 = 40·tan(53,13°) = 53,33 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 40·tan(23,07°) = 17,04 kvar
QC = Q1 − Q2 = 36,29 kvar

تيار الخط الجديد

Inew = P/(V·cos φ2) = 40000/(400·0,92) = 108,7 A

الإجابة

Inew = 108,7 A
17.القدرة ثلاثية الطور

الإجابة: P = 31,7 kW

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

القدرة الظاهرية

S = √3·VL·IL = √3·208·100 = 36,03 kVA

القدرة الفعلية

P = S·cos φ = 36,03·0,88 = 31,7 kW

الإجابة

P = 31,7 kW
18.القدرة ثلاثية الطور

الإجابة: QC = 33,19 kvar

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 = 60·tan(acos 0,75) = 60·0,8819 = 52,92 kvar
Q2 = 60·tan(acos 0,95) = 60·0,3287 = 19,72 kvar

القدرة غير الفعّالة من المكثّفات

QC = Q1 − Q2 = 33,19 kvar

الإجابة

QC = 33,19 kvar
19.المحوّلات

الإجابة: I1 = 4,8 A

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

الجهد والتيار الثانويان

V2 = 1200/5 = 240 V
I2 = 240/10 = 24 A

التيار الابتدائي

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

I1 = I2/5 = 4,8 A

الإجابة

I1 = 4,8 A

تحقّق: الحمل المرئي من الملف الابتدائي هو a²·RL = 250 Ω، و 1200/250 يعطي التيار نفسه.

20.المحوّلات

الإجابة: Ploss = 825 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 = 0,25·900 = 225 W

المفقودات الكلية

مفقودات القلب هي نفسها عند أي حمل.

Ploss = 600 + 225 = 825 W

الإجابة

Ploss = 825 W

الكفاءة عند هذا الحمل η = 97,48%.

21.دوائر مكبّرات العمليات

الإجابة: Rf = 900 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 = (10 − 1)·100 = 900 kΩ

الإجابة

Rf = 900 kΩ
22.دوائر مكبّرات العمليات

الإجابة: Av = −7,128

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 كل مرحلة

A1 = −Rf1/R1 = −10/4,7 = −2,128
A2 = 1 + Rf2/R2 = 1 + 4,7/2 = 3,35

الكسب الكلي

Av = A1·A2 = −2,128·3,35 = −7,128

الإجابة

Av = −7,128
23.الثنائيات والترانزستورات

الإجابة: IC = 2,044 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.

مكافئ ثيفنن للمقسّم

VTH = 12·22/(56 + 22) = 3,385 V
RTH = 56·22/(56 + 22) = 15,79 kΩ

تيار القاعدة

قانون كيرشوف للجهد حول حلقة القاعدة؛ تيار الباعث هو (β + 1)·IB.

IB = (3,385 − 0,7)/(15,79 + 151·1,2) = 13,63 µA

تيار المجمِّع

IC = 150·13,63 µA = 2,044 mA
IE = 151·13,63 µA = 2,058 mA

الإجابة

IC = 2,044 mA
24.الثنائيات والترانزستورات

الإجابة: Rmax = 419 Ω

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

التيار في أسوأ حالة

IR = 20 + 1 = 21 mA

أكبر مقاومة

Rmax = 8,8/0,021 = 419 Ω

الإجابة

Rmax = 419 Ω
25.أنظمة العد

الإجابة: U = 189

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

67 = 0100 0011
مقلوب: 1011 1100
+1 → 1011 1101

اقرأه بلا إشارة

1011 1101₂ = 256 − 67 = 189

الإجابة

U = 189
26.أنظمة العد

الإجابة: b = 11 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

210 = 1024 < 1042
211 = 2048 ≥ 1042

الإجابة

b = 11
27.المنطق الرقمي: البوابات وخرائط كارنو والقلّابات

الإجابة: L = 9

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.

ABCD000111100001111000111302040517061120130150140819111010

جمّع الآحاد

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

B′D
A′CD
ABC′D′

الصيغة الدنيا SOP

F = B′D + A′CD + ABC′D′
L = 9

الإجابة

L = 9
28.المنطق الرقمي: البوابات وخرائط كارنو والقلّابات

الإجابة: N = 5

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

المضمّنات الأولية

أكبر المجموعات التي يمكن تكوينها من الآحاد و X.

C′D′, BD′, BC′, A′D′, A′C′, AB′CD
ABCD0001111000011110X0110312141507X6112X130151141809111010

التغطية الدنيا

F = C′D′ + BD′ + A′D′ + A′C′ + AB′CD
N = 5

الإجابة

N = 5
29.تحويلات لابلاس

الإجابة: f(0.4) = 1,763

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 = 45/(1·5) = 9
B = 45/((−1)·4) = −11,25
C = 45/((−5)·(−4)) = 2,25

التحويل العكسي

f(t) = 9 − 11,25·e−t + 2,25·e−5t

احسب

f(0,4) = 9 − 11,25·e−0,4 + 2,25·e−5·0,4 = 1,763

الإجابة

f(0,4) = 1,763
30.تحويلات لابلاس

الإجابة: y(0.2) = 6,47

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 − 7s − (−1) + 5(sY − 7) + 4Y = 0
Y(s) = (7s + 34)/((s + 1)(s + 4))

الكسور الجزئية

A = 27/3 = 9
B = 6/(−3) = −2

النتيجة

y(t) = 9·e−t − 2·e−4t
y(0,2) = 6,47

الإجابة

y(0,2) = 6,47

تحقّق: y(0) = A + B = 7.

31.المخططات الصندوقية

الإجابة: K = 9

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

المعادلة المميزة

1 + K/((s + 1)(s + 7)) = 0 → s² + 8s + 7 + K = 0

جذر مكرّر

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

8² = 4(7 + K) → K = 64/4 − 7 = 9

الإجابة

K = 9
يقع القطبان للحلقة المغلقة عندئذٍ عند s = −4.
32.المخططات الصندوقية

الإجابة: σ = −4

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 + 8) + 46·0,5 = 0 → s² + 8s + 23 = 0

الجذور

s = −4 ± j·√(23 − 16) = −4 ± j2,646
σ = −4

الإجابة

σ = −4
33.الاستجابة الخطوية

الإجابة: σ = −4,5

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

قارن مع الصيغة القياسية

يجب أن يطابق المقام s² + 2ζωₙs + ωₙ².

ωₙ² = 39 → ωₙ = 6,245 rad/s
2ζωₙ = 9 → ζ = 9/(2·6,245) = 0,7206

النتيجة

σ = −ζωₙ = −9/2 = −4,5

الإجابة

σ = −4,5
34.الاستجابة الخطوية

الإجابة: ζ = 0,4037

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).

نسبة التخميد

ζ = −ln(0,25)/√(π² + ln²(0,25)) = 1,386/√(9,87 + 1,922) = 0,4037

الإجابة

ζ = 0,4037
35.مخططات بودي والهوامش

الإجابة: |H| = −0,4545 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.

تردد الركن

ωc = 1/(RC) = 1/(3300·2,2 × 10⁻⁹) = 137741 rad/s
fc = 21922 Hz → f/fc = 66000/21922 = 3,011

الكسب

|H| = 3,011/√(1 + 3,011²) = 0,949
20·log₁₀(0,949) = −0,4545 dB

الإجابة

|H| = −0,4545 dB
36.مخططات بودي والهوامش

الإجابة: K = 55,13

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/10) = 1 → ω180 = √(1·10) = 3,162 rad/s

المقدار عند تقاطع الطور

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 1)·√(ω² + 100)) = K/(1·10·(1 + 10)) = K/110

الكسب المطلوب

110/K = 106/20 = 1,995
K = 110/1,995 = 55,13

الإجابة

K = 55,13
37.الاستقرار: راوث–هرفيتز والمحل الهندسي للجذور

الإجابة: ω = 4,899 rad/s

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

الكسب الحرج

K = 10·24 = 240

المعادلة المساعدة

عند الكسب الحرج يكون الصف s¹ صفرًا؛ ويعطي الصف s² الأقطاب الواقعة على المحور التخيلي.

10s² + 240 = 0 → s = ±j√24
ω = 4,899 rad/s

الإجابة

ω = 4,899 rad/s
38.الاستقرار: راوث–هرفيتز والمحل الهندسي للجذور

الإجابة: K = 5,625

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.

شرط المقدار

K = |s|·|s + 3|·|s + 4|

احسب عند النقطة

K = 1,5·1,5·2,5 = 5,625

الإجابة

K = 5,625

تحقق: s(s + 3)(s + 4) + K تساوي صفرًا عند s = −1,5.

39.خطأ الحالة المستقرة والتحكم PID

الإجابة: K = 100

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

ثابت السرعة المطلوب

Kv = A/ess = 5/0,1 = 50

الكسب

K = 2·Kv = 100

الإجابة

K = 100

الكسب الكبير يجعل هذه الحلقة قليلة التخميد جدًا: ζ = 0,1. وهذا التعارض هو سبب استخدام المعوِّضات.

40.خطأ الحالة المستقرة والتحكم PID

الإجابة: Kp = 2,15

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

كثير الحدود المميِّز

1 + C(s)G(s) = 0، مضروبة في s(s + 1).

s² + (1 + 4Kp)s + 4Ki

كثير الحدود المستهدف

s² + 2·0,6·8s + 8² = s² + 9,6s + 64

طابِق المعاملات

1 + 4Kp = 9,6 → Kp = 2,15

الإجابة

Kp = 2,15

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

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