اختر عقدة مرجعية (الأرضي) وسمِّ جهود العقد الأخرى.
اكتب قانون كيرشوف للتيار عند كل عقدة مجهولة: التيارات الخارجة عبر الفروع تساوي التيارات الداخلة.
عبّر عن كل تيار فرع بالصيغة (Va − Vb)/R.
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
ارسم تيارًا باتجاه عقارب الساعة في كل حلقة (نافذة) من الدائرة.
طبّق قانون كيرشوف للجهد حول كل حلقة: مجموع هبوطات الجهد يساوي صفرًا.
في المقاومة المشتركة بين حلقتين يكون التيار هو الفرق بين تياري الحلقتين.
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
عُدّ المصادر المستقلة. ستحلّ دائرة أبسط واحدة لكل مصدر.
أبقِ مصدرًا واحدًا وأطفئ الباقي: يصبح مصدر الجهد قصرًا (سلكًا)، ويصبح مصدر التيار دائرة مفتوحة (فجوة).
حلّ الدائرة الأبسط لإيجاد الجهد أو التيار المطلوب، مع متابعة اتجاهه.
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
أزل الحِمل وعلّم الطرفين a و b.
أوجد جهد الدائرة المفتوحة بين a و b: هذا هو Vth.
أطفئ كل المصادر المستقلة وأوجد المقاومة المرئية من a–b: هذه هي Rth.
أعد الحِمل إلى الدائرة المكافئة: Vth على التوالي مع Rth.
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
أوجد القيمة الابتدائية مباشرة بعد التبديل: جهد المكثّف وتيار الملف لا يقفزان.
أوجد القيمة النهائية بعد التبديل بزمن طويل: يتصرّف المكثّف كدائرة مفتوحة، والملف كقصر.
أوجد الثابت الزمني: τ = RC أو τ = L/R، باستخدام المقاومة التي يراها المكثّف أو الملف.
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
حوّل التردد: ω = 2πf.
أوجد كل ممانعة مفاعلة: XL = ωL و XC = 1/(ωC).
اجمع الممانعات كما تجمع المقاومات، مع Z = R + jX.
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
لدارة ما، اعمل من المداخل إلى المخرج بوابةً بوابةً واكتب القيمة على كل سلك، أو اكتب تعبيرها واملأ جدول الصدق.
للتبسيط ضع الآحاد (وحالات عدم الاكتراث على شكل X) في خريطة كارنو بصفوف وأعمدة بشيفرة غراي: 00, 01, 11, 10.
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.
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
اكتب كثير الحدود المميِّز للحلقة المغلقة: مقام 1 + K·G(s) = 0، بعد فكّه.
ضع المعاملات بالتناوب في الصفين الأولين من جدول راوث وابنِ بقية الصفوف.
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.
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
عُدّ أقطاب الحلقة المفتوحة C(s)·G(s) عند s = 0: فذلك هو نوع النظام.
يحمل الملف تيارًا مستقرًا 3 A. عند t = 0 يغلق المفتاح الحلقة عبر R ويُزال المصدر، فيتناقص تيار الملف عبر R. أوجد الجهد vR على R عند t = 1 ms.
i(0) = 3 AR = 33 ΩL = 47 mHt = 1 ms
vR = V
12.الحالات العابرة RC و RLصعبة
المفتاح الموصول على طرفي R2 مفتوح منذ وقت طويل، لذا تيار الملف مستقر. عند t = 0 يُغلق المفتاح ويقصر R2. بعد كم من t = 0 يبلغ تيار الملف 0,29 A؟ أوجد t.
Vs = 10 VR1 = 20 ΩR2 = 47 ΩL = 22 mH
t = ms
13.معاوقة التيار المتردد والطورياتمتوسطة
دائرة RLC على التوالي موصولة بمصدر 12 V (فعّال)، 200 Hz. أوجد القدرة الفعلية P المسحوبة من المصدر.
V = 12 V (rms)f = 200 HzR = 10 ΩL = 20 mHC = 100 µF
P = W
14.معاوقة التيار المتردد والطورياتصعبة
دائرة RLC على التوالي موصولة بمصدر 100 V (فعّال)، 100 Hz. أوجد الجهد الفعّال VC على المكثّف.
V = 100 V (rms)f = 100 HzR = 50 ΩL = 20 mHC = 4,7 µF
VC = V
15.قدرة التيار المتردد ومعامل القدرةمتوسطة
حِمل معاوقته Z = 7 + j24 Ω موصول بمصدر أحادي الطور 230 V (فعّال). أوجد القدرة الفعلية P التي يمتصها.
V = 230 VZ = 7 + j24 Ω
P = W
16.قدرة التيار المتردد ومعامل القدرةصعبة
يستهلك حِمل أحادي الطور 45 kW بمعامل قدرة 0,75 متأخّر من مصدر 230 V، 60 Hz. يرفع مكثّف موصول على التوازي معامل القدرة إلى 0,98. أوجد السعة C اللازمة.
P = 45 kWpf1 = 0,75pf2 = 0,98V = 230 Vf = 60 Hz
C = µF
17.القدرة ثلاثية الطورمتوسطة
حمل متوازن موصول Y ممانعته 4 + j3 Ω لكل طور موصول بمصدر ثلاثي الطور متوازن جهد خطه 415 V. أوجد القدرة الفعّالة الكلية P التي يمتصّها الحمل بالـ kW.
VL = 415 VZ = 4 + j3 Ω لكل طور
P = kW
18.القدرة ثلاثية الطورصعبة
حمل ثلاثي الطور متوازن يأخذ 300 kW عند معامل قدرة 0,72 متأخر من مصدر 690 V (جهد خط) و 50 Hz. يجب أن ترفع مجموعة مكثّفات ثلاثية الطور موصولة على التوازي مع الحمل معامل القدرة الكلي إلى 0,92 متأخر. تبقى القدرة الفعّالة كما هي. المكثّفات موصولة دلتا (Δ). أوجد السعة Cph لكل مكثّف بالـ µF.
P = 300 kWpf1 = 0,72pf2 = 0,92VL = 690 Vf = 50 Hz
Cph = µF
19.المحوّلاتمتوسطة
مكبّر مقاومة خرجه 1440 Ω يغذّي مكبّر صوت 10 Ω عبر محوّل مثالي. لأقصى نقل للقدرة يجب أن يبدو مكبّر الصوت 1440 Ω من جهة المكبّر. أوجد نسبة اللفّات a = N₁/N₂.
Rs = 1440 ΩRL = 10 Ω
a =
20.المحوّلاتصعبة
محوّل أحادي الطور 150 kVA مفقودات قلبه 750 W ومفقودات نحاسه 1875 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.
4 أصفر من LED (الجهد الأمامي 2,1 V لكل منها) موصولة على التوالي مع مقاومة بمصدر 12 V. أوجد المقاومة R التي تجعل التيار 10 mA.
Vs = 12 VVF = 2,1 Vn = 4I = 10 mA
R = Ω
24.الثنائيات والترانزستوراتصعبة
ترانزستور NPN بـ β = 80 يتحكّم بمقاومة حمل 1 kΩ موصولة بين VCC = 12 V ومجمِّعه. الباعث موصول بالأرضي. تُغذّى القاعدة من خرج منطقي 5 V عبر مقاومة قاعدة RB = 4,7 kΩ. خذ VBE = 0,7 V و VCE(sat) = 0,2 V. أوجد تيار المجمِّع IC بالـ mA عندما يكون الدخل مرتفعًا. حدّد أولًا ما إذا كان الترانزستور مشبّعًا.
يُتحكَّم في نظام G(s) = 4/(s + 9) في حلقة تغذية راجعة سالبة كسب مستشعرها H = 0,1. تُطبَّق خطوة مقدارها 12 عند R. أوجد خرج الحالة المستقرة css.
G(s) = 4/(s + 9)H = 0,1R = 12
css =
32.المخططات الصندوقيةصعبة
متحكّم تناسبي K = 8 يقود النظام G(s) = 9/(s + 2) في حلقة تغذية راجعة سالبة أحادية. يدخل اضطراب D عند دخل النظام (يُضاف إلى خرج المتحكّم). مع R = 0، تُطبَّق خطوة اضطراب مقدارها 10. أوجد خرج الحالة المستقرة css.
K = 8G(s) = 9/(s + 2)D = 10R = 0
css =
33.الاستجابة الخطويةمتوسطة
لنظام دالة النقل G(s) = 9/(s² + 2s + 18) ويتلقى دخلًا خطويًا وحدويًا. أوجد زمن الاستقرار ts عند 2 % للاستجابة الخطوية باستخدام ts ≈ 4/(ζωₙ).
G(s) = 9/(s² + 2s + 18)
ts = s
34.الاستجابة الخطويةصعبة
دائرة RLC على التسلسل فيها R = 121 Ω وL = 500 mH وC = 22 µF موصولة بخطوة جهد 24 V عند t = 0. المكثف غير مشحون ولا يمر تيار قبل الخطوة. أوجد زمن أول ذروة للجهد tp بوحدة ms.
R = 121 ΩL = 500 mHC = 22 µFV = 24 V
tp = ms
35.مخططات بودي والهوامشمتوسطة
لـ مرشح RL لتمرير الترددات المنخفضة الموضح R = 470 Ω, L = 100 mH. يُطبَّق دخل جيبي مقداره 3 kHz. أوجد إزاحة الطور φ للجهد vout بالنسبة إلى vin، بالدرجات.
لحلقة تغذية عكسية وحدوية G(s) = K/((s + 2)(s + 5)). أوجد الكسب K الذي يعطي خطأ حالة مستقرة قدره 20 % لدخل خطوة.
G(s) = K/((s + 2)(s + 5))ess = 20 %
K =
40.خطأ الحالة المستقرة والتحكم PIDصعبة
يتحكم متحكم PD بالصيغة C(s) = 10 + Kd·s في المحطة G(s) = 2/(s(s + 1)) ضمن حلقة تغذية عكسية وحدوية. أوجد كسب المشتقة Kd الذي يعطي الحلقة المغلقة نسبة تخميد ζ = 0,5.
G(s) = 2/(s(s + 1))Kp = 10ζ = 0,5
Kd = s
3المحاليل
1.المقاومات على التوالي والتوازي
الإجابة: IR1 = 0,9184 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.
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 = 8 + 8 = 16 Ω
R2 ∥ 16 = 20·16/(20+16) = 8,889 Ω
Req = R1 + 8,889 = 2 + 8,889 = 10,89 Ω
التيار من المصدر
لا يرى المصدر إلا Req، فيعطي قانون أوم التيار الذي يورّده. وهذا التيار يمرّ عبر R₁.
IR1 = V1/Req = 10/10,89 = 0,9184 A
الإجابة
IR1 = 0,9184 A
2.المقاومات على التوالي والتوازي
الإجابة: IR1 = 1,528 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.
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 + 6 = 12 Ω
R4 ∥ 12 = 2,4 Ω
R3 + 2,4 = 10,4 Ω
R2 ∥ 10,4 = 2,889 Ω
Req = R1 + 2,889 = 3 + 2,889 = 5,889 Ω
التيار من المصدر
لا يرى المصدر إلا Req، فيعطي قانون أوم التيار الذي يورّده. وهذا التيار يمرّ عبر R₁.
IR1 = V1/Req = 9/5,889 = 1,528 A
الإجابة
IR1 = 1,528 A
3.تحليل العقد
الإجابة: PIs = 3,438 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/20 + (VA − 6)/2 + (VA − VB)/12 = 0
0,6333·VA − 0,08333·VB = 3
قانون كيرشوف للتيار عند العقدة B
التيارات الخارجة من B عبر المقاومات تساوي التيار الذي تدفعه المصادر إلى B.
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 = 3,438·1 = 3,438 W
الإجابة
PIs = 3,438 W
4.تحليل العقد
الإجابة: IR1 = 1,265 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.
حدّد العقد
الأرضي هو السلك السفلي. جهود العقد المعروفة تأتي مباشرة من المصادر (V1 = 30 V, V2 = 24 V). المجاهيل: VA, VB.
قانون كيرشوف للتيار عند العقدة A
التيارات الخارجة من A عبر المقاومات تساوي التيار الذي تدفعه المصادر إلى A.
VA/R3 + (VA − V1)/R1 + (VA − VB)/R2 = 0
VA/20 + (VA − 30)/6 + (VA − VB)/6 = 0
0,3833·VA − 0,1667·VB = 5
قانون كيرشوف للتيار عند العقدة B
التيارات الخارجة من B عبر المقاومات تساوي التيار الذي تدفعه المصادر إلى B.
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.
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
5·I1 + 8(I1 − I2) = 18
13·I1 − 8·I2 = 18
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 + 8(I2 − I1) = (−12)
−8·I1 + 14·I2 = −12
الحل
Δ = (13)(14) − (−8)(−8) = 118
I1 = Δ1/Δ = 156/118 = 1,322 A
I2 = Δ2/Δ = −12/118 = −0,1017 A
الإجابة
I1 = 1,322 A
تيار الحلقة السالب يسري عكس عقارب الساعة.
6.تحليل الحلقات
الإجابة: IR3 = −0,06924 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.
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 + 15(I1 − I2) = 24
19·I1 − 15·I2 = 24
قانون كيرشوف للجهد حول الحلقة 2
عند الدوران باتجاه عقارب الساعة، تساوي هبوطات الجهد على المقاومات ارتفاعات جهد المصادر (من − إلى + باتجاه الدوران).
R2·I2 + R4(I2 − I1) + R5(I2 − I3) = 0
5·I2 + 15(I2 − I1) + 6(I2 − I3) = 0
−15·I1 + 26·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
25·I3 + 6(I3 − I2) = (−10)
−6·I2 + 31·I3 = −10
الحل
Δ = محدد مصفوفة المعاملات = 7655
I1 = Δ1/Δ = 17580/7655 = 2,297 A
I2 = Δ2/Δ = 10020/7655 = 1,309 A
I3 = Δ3/Δ = −530/7655 = −0,06924 A
الإجابة
IR3 = I3 = −0,06924 A
تيار الحلقة السالب يسري عكس عقارب الساعة.
7.التراكب
الإجابة: Is = 0,6923 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.
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 = 6+10 = 16 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 10·16/(10+16) = 6,154 Ω
VA = 9·6,154/(3+6,154) = 6,05 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 6,05·10/16 = 3,782 V
IR3′ = (VA − VB)/R3 = (6,05 − 3,782)/6 = 0,3782 A
الحالة 2 · Is يعمل وحده
يصبح V₁ قصرًا، فيتصل R₁ ∥ R₂ من A إلى الأرضي. يتفرّع Iₛ عند B بين R₄ والمسار R₃ + R₁∥R₂؛ والجزء المارّ في R₃ يجري من B إلى A، عكس السهم.
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.
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) = 12 ∥ 50 = 9,677 Ω
VA = 30·9,677/(15+9,677) = 11,76 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 11,76·20/50 = 4,706 V
IR1′ = (V1 − VA)/R1 = (30 − 11,76)/15 = 1,216 A
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.
تعتمد القدرة على مربّع التيار، لذا لا تخضع لمبدأ التراكب: اجمع التيارات أولًا، ثم ربّع.
PR1 = IR1²·R1 = 0,549²·15 = 4,521 W
الإجابة
PR1 = 4,521 W
جمع قدرات الحالات المنفصلة يعطي 31,6 W، وهذا خطأ.
9.ثيفنن ونورتن
الإجابة: Rth = 14 Ω
نظرية ثيفنن: أي شبكة خطية ذات طرفين تتصرّف كمصدر جهد واحد Vth على التوالي مع مقاومة Rth. ونظرية نورتن تعطي الشبكة نفسها كمصدر تيار IN = Vth/Rth على التوازي مع Rth.
أوجد Rth مع إطفاء كل المصادر
استبدل مصادر الجهد بقصر ومصادر التيار بدوائر مفتوحة، ثم انظر إلى الدائرة من a–b.
R1 ∥ R2 = 3·6/(3+6) = 2 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2 + 12 = 14 Ω
10.ثيفنن ونورتن
الإجابة: IL = 3,785 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.
أوجد Rth مع إطفاء كل المصادر
استبدل مصادر الجهد بقصر ومصادر التيار بدوائر مفتوحة، ثم انظر إلى الدائرة من a–b.
R1 ∥ R2 = 15·15/(15+15) = 7,5 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 7,5 + 20 = 27,5 Ω
أوجد Vth، جهد الدائرة المفتوحة
عندما يكون a–b مفتوحًا، المسار الوحيد لـ Iₛ هو عبر R₃ إلى العقدة A. أوجد V_A بتراكب V₁ و Iₛ، ثم أضف الهبوط على R₃.
VA = V1·R2/(R1+R2) + Is·(R1∥R2) = 12 + 5·7,5 = 49,5 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 49,5 + 5·20 = 149,5 V
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) = 149,5/(27,5 + 12) = 3,785 A
11.الحالات العابرة RC و RL
الإجابة: vR = 49,06 V
الحالات العابرة من الرتبة الأولى: في دائرة فيها مكثّف واحد أو ملف واحد، يتغيّر كل جهد وتيار أُسّيًا من قيمته الابتدائية إلى قيمته النهائية: x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ، حيث τ = RC أو τ = L/R. بعد نحو 5τ تستقر الدائرة.
الثابت الزمني
τ = L/R = 47 mH / 33 Ω = 1,424 ms
تناقص التيار
i(t) = 3·e−1/1,424 = 1,487 A
vR = R·i = 33·1,487 = 49,06 V
الإجابة
vR = 49,06 V
12.الحالات العابرة RC و RL
الإجابة: t = 0,5643 ms
الحالات العابرة من الرتبة الأولى: في دائرة فيها مكثّف واحد أو ملف واحد، يتغيّر كل جهد وتيار أُسّيًا من قيمته الابتدائية إلى قيمته النهائية: x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ، حيث τ = RC أو τ = L/R. بعد نحو 5τ تستقر الدائرة.
القيمة الابتدائية، القيمة النهائية، الثابت الزمني
قبل t = 0 تكون المقاومتان كلتاهما في الحلقة؛ وبعدها يتجاوز المفتاح المغلق R₂.
i(0) = 10/(20 + 47) = 0,1493 A
i(∞) = 10/20 = 0,5 A
τ = L/R = 22/20 = 1,1 ms
i(t) = 0,5 + (0,1493 − 0,5)·e−t/τ
حلّ لإيجاد الزمن
e−t/τ = (0,29 − 0,5)/(0,1493 − 0,5) = 0,5987
t = 1,1·ln(1,67) = 0,5643 ms
الإجابة
t = 0,5643 ms
13.معاوقة التيار المتردد والطوريات
الإجابة: P = 3,646 W
دوائر التيار المتردد بالطوريات: للمقاومات والملفات والمكثّفات معاوقات R و jωL و 1/(jωC)، مع ω = 2πf. على التوالي تُجمع المعاوقات كالمقاومات، لكن كأعداد مركّبة. ويتبع التيار والجهد الفعّالان قانون أوم مع |Z|.
المفاعلات
XL = 25,13 Ω, XC = 7,958 Ω
المعاوقة
|Z| = √(10² + (17,17)²) = 19,87 Ω
القدرة الفعلية
الملفات والمكثّفات تخزّن الطاقة وتعيدها فقط؛ والمقاومة تمتص القدرة الفعلية كلها.
I = 12/19,87 = 0,6038 A
P = I²·R = 0,6038²·10 = 3,646 W
الإجابة
P = 3,646 W
14.معاوقة التيار المتردد والطوريات
الإجابة: VC = 102,7 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|.
المفاعلات
ω = 2πf = 2π·100 = 628,3 rad/s
XL = ωL = 628,3·0,02 = 12,57 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(628,3·4,7·10⁻⁶) = 338,6 Ω
المعاوقة
على التوالي تُجمع المعاوقات كأعداد مركّبة: Z = R + j(XL − XC).
يمرّ التيار نفسه في كل عنصر من عناصر دائرة التوالي.
I = V/|Z| = 100/329,9 = 0,3031 A
الجهد على المكثّف
VC = I·XC = 0,3031·338,6 = 102,7 V
الإجابة
VC = 102,7 V
15.قدرة التيار المتردد ومعامل القدرة
الإجابة: P = 592,5 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.
التيار
|Z| = √(7² + 24²) = 25 Ω
I = V/|Z| = 230/25 = 9,2 A
القدرة الفعلية
P = I²·R = 9,2²·7 = 592,5 W
الإجابة
P = 592,5 W
16.قدرة التيار المتردد ومعامل القدرة
الإجابة: C = 1532 µF
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 = 45·tan(41,41°) = 39,69 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 45·tan(11,48°) = 9,138 kvar
QC = Q1 − Q2 = 30,55 kvar
السعة
المكثّف الموصول على المصدر يزوّد Q = V²·ωC.
C = QC/(2πf·V²) = 30549/(2π·60·230²) = 1532 µF
الإجابة
C = 1532 µF
17.القدرة ثلاثية الطور
الإجابة: P = 27,56 kW
النظم ثلاثية الطور المتوازنة: في توصيل Y (النجمة) يكون جهد الخط √3 ضعف جهد الطور، VL = √3·Vph، ويساوي تيار الخط تيار الطور. وفي توصيل Δ (الدلتا) يساوي جهد الخط جهد الطور، ويكون تيار الخط √3 ضعف تيار الطور، IL = √3·Iph. القدرة الكلية ثلاثة أضعاف قدرة الطور الواحد: P = 3·Vph·Iph·cos φ = √3·VL·IL·cos φ.
جهد الطور
Vph = 415/√3 = 239,6 V
تيار الطور
|Z| = √(4² + 3²) = 5 Ω
Iph = 239,6/5 = 47,92 A
القدرة الفعّالة الكلية
الجزء المقاومي فقط من كل ممانعة يمتصّ القدرة الفعّالة.
P = 3·Iph²·R = 3·47,92²·4 = 27,56 kW
الإجابة
P = 27,56 kW
تحقّق: cos φ = R/|Z| = 0,8، و √3·VL·IL·cos φ يعطي القدرة نفسها.
18.القدرة ثلاثية الطور
الإجابة: Cph = 359,6 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.
المحوّل المثالي: نسبة الجهود تساوي نسبة اللفّات، ونسبة التيارات عكسها: V₁/V₂ = N₁/N₂ = a و I₁/I₂ = N₂/N₁ = 1/a، لذا القدرة الداخلة تساوي القدرة الخارجة، V₁·I₁ = V₂·I₂. ممانعة الحمل Z على الملف الثانوي تبدو a²·Z من جهة الملف الابتدائي.
مواءمة الحمل المحوَّل
a²·10 = 1440
a = √(1440/10) = √144 = 12
الإجابة
a = 12
20.المحوّلات
الإجابة: Ploss = 1219 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 = 0,25·1875 = 468,8 W
المفقودات الكلية
مفقودات القلب هي نفسها عند أي حمل.
Ploss = 750 + 468,8 = 1219 W
الإجابة
Ploss = 1219 W
الكفاءة عند هذا الحمل η = 98,12%.
21.دوائر مكبّرات العمليات
الإجابة: Vout = 4 V
قواعد مكبّر العمليات المثالي: مع التغذية الراجعة السالبة، يضبط المكبّر خرجه بحيث يكون دخلاه على الجهد نفسه (V₋ = V₊)، ولا يدخل أي تيار إلى أي من الدخلين. كتابة قانون كيرشوف للتيار عند الدخل العاكس مع هاتين الحقيقتين تعطي الخرج.
الدخل العاكس يتبع الدخل
V₋ = V₊ = 2 V
I = V₋/R1 = 2/1 = 2 mA
جهد الخرج
التيار عبر R₁ يمرّ أيضًا عبر Rf.
Vout = V₋ + I·Rf = 2 + 2·1 = 4 V
الإجابة
Vout = 4 V
22.دوائر مكبّرات العمليات
الإجابة: Vout = 1,051 V
قواعد مكبّر العمليات المثالي: مع التغذية الراجعة السالبة، يضبط المكبّر خرجه بحيث يكون دخلاه على الجهد نفسه (V₋ = V₊)، ولا يدخل أي تيار إلى أي من الدخلين. كتابة قانون كيرشوف للتيار عند الدخل العاكس مع هاتين الحقيقتين تعطي الخرج.
تيارات الدخل
V₋ = 0، لذا يقع على كل مقاومة دخل كامل جهد دخلها.
I1 = V1/R1 = −0,5/1 = −0,5 mA
I2 = V2/R2 = −1,2/47 = −0,02553 mA
If = I1 + I2 = −0,5255 mA
جهد الخرج
Vout = −Rf·If = −2·(−0,5255) = 1,051 V
الإجابة
Vout = 1,051 V
23.الثنائيات والترانزستورات
الإجابة: R = 360 Ω
دوائر الصمام الثنائي الباعث للضوء (LED) والصمامات الثنائية: يهبط جهد LED المنحاز أماميًا بنحو جهده الأمامي VF (نحو 2 V للأحمر و3 V للأزرق أو الأبيض)، مهما كان التيار. وتحدد المقاومة التوالية التيار: R = (Vs − n·VF)/I لعدد n من LED على التوالي. وفي نموذج أدق للصمام V = V₀ + I·rd، تكون نقطة التشغيل حيث يلتقي خط الصمام بخط الحمل I = (Vs − V)/R، إذن I = (Vs − V₀)/(R + rd).
الجهد على المقاومة
VR = 12 − 4·2,1 = 3,6 V
المقاومة
R = 3,6/0,01 = 360 Ω
الإجابة
R = 360 Ω
تبدد المقاومة 36 mW.
24.الثنائيات والترانزستورات
الإجابة: IC = 11,8 mA
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 القاعدة
IB = (5 − 0,7)/4,7 kΩ = 914,9 µA
مشبّع أم فعّال؟
β·IB أكبر من IC(sat)، لذا يتشبّع الترانزستور.
β·IB = 73,19 mA
IC(sat) = (12 − 0,2)/1000 = 11,8 mA
تيار المجمِّع
IC = IC(sat) = 11,8 mA
الإجابة
IC = 11,8 mA
الترانزستور مشبّع.
25.أنظمة العد
الإجابة: U = 233
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
23 = 0001 0111
مقلوب: 1110 1000
+1 → 1110 1001
اقرأه بلا إشارة
1110 1001₂ = 256 − 23 = 233
الإجابة
U = 233
26.أنظمة العد
الإجابة: N = 1,049 × 10⁶
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.
الجبر البولياني: القواعد التي تبسّط التعابير هي X + X′ = 1 و X·X′ = 0، و X + X = X، والامتصاص X + X·Y = X، وقاعدة الدمج X·Y + X·Y′ = X، و X + X′Y = X + Y، ومبرهنة الإجماع XY + X′Z + YZ = XY + X′Z. تحوّل قوانين دي مورغان (X·Y)′ إلى X′ + Y′ و (X + Y)′ إلى X′·Y′. وتطبّق خريطة كارنو هذه القواعد بيانيًا: كل مجموعة من خليتين متجاورتين هي استخدام واحد لـ XY + XY′ = X.
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.
B′CD, BCD′, AC′D, A′BD′, AB′D
التغطية الدنيا
F = B′CD + BCD′ + AC′D
L = 9
الإجابة
L = 9
يوجد تجميع آخر بالحجم نفسه؛ وله عدد الحدود والحروف نفسه.
29.تحويلات لابلاس
الإجابة: f(0.5) = 1,161
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 + 2)
A = 15/(1·2) = 7,5
B = 15/((−1)·1) = −15
C = 15/((−2)·(−1)) = 7,5
التحويل العكسي
f(t) = 7,5 − 15·e−t + 7,5·e−2t
احسب
f(0,5) = 7,5 − 15·e−0,5 + 7,5·e−2·0,5 = 1,161
الإجابة
f(0,5) = 1,161
30.تحويلات لابلاس
الإجابة: y(0.4) = 5,307
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
(s² + 5s + 6)·Y(s) = 2s + 10 + 90/s
Y(s) = (2s² + 10s + 90)/(s(s + 2)(s + 3))
الكسور الجزئية
A = 90/(2·3) = 15
B = 78/((−2)·1) = −39
C = 78/((−3)·(−1)) = 26
النتيجة
y(t) = 15 − 39·e−2t + 26·e−3t
y(0,4) = 5,307
الإجابة
y(0,4) = 5,307
تحقّق: y(0) = A + B + C = 2.
31.المخططات الصندوقية
الإجابة: css = 5,106
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).
جبر المخططات الصندوقية: الصناديق على التوالي تُضرب (G₁·G₂)، والصناديق على التوازي تُجمع (G₁ + G₂)، والحلقة ذات المسار الأمامي G ومسار التغذية الراجعة H تُختزل إلى T = G/(1 + G·H) للتغذية الراجعة السالبة و G/(1 − G·H) للتغذية الراجعة الموجبة. اختزل الحلقات الداخلية أولًا، ثم اتجه إلى الخارج. أقطاب الحلقة المغلقة هي جذور المعادلة المميّزة 1 + G(s)H(s) = 0. لحلقة مستقرة، دخل خطوة مقداره A يعطي خرج الحالة المستقرة A·T(0)؛ ومع التغذية الراجعة الأحادية يكون خطأ الحالة المستقرة لخطوة A/(1 + Kp) مع Kp = G(0).
دوال التحويل
C/D = G/(1 + K·G) = 9/(s + 2 + 72)
الحالة المستقرة
css = 10·9/74 = 1,216
الإجابة
css = 1,216
K الأكبر يقلّل أثر الاضطراب، لكن لا يجعله صفرًا أبدًا مع متحكّم تناسبي.
33.الاستجابة الخطوية
الإجابة: ts = 4 s
الاستجابة للدخل الخطوي: النظام من الرتبة الأولى G(s) = K/(τs + 1) يستجيب لخطوة مقدارها U بالعلاقة y(t) = K·U·(1 − e−t/τ): يبلغ 63,2 % من القيمة النهائية K·U بعد ثابت زمني واحد τ و98 % بعد 4τ. والنظام من الرتبة الثانية G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) له القطبان s = −ζωₙ ± jωd مع ωd = ωₙ√(1 − ζ²). وعندما 0 < ζ < 1 تتجاوز الاستجابة الخطوية القيمة النهائية: النسبة المئوية للتجاوز %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²)، وزمن الذروة tp = π/ωd، وزمن الاستقرار عند 2 % هو ts ≈ 4/(ζωₙ). قارن المقام مع s² + 2ζωₙs + ωₙ² لقراءة ωₙ وζ. وفي نظام كتلة–نابض–مخمّد ωₙ = √(k/m) وζ = c/(2√(km))؛ وفي دائرة RLC على التسلسل ωₙ = 1/√(LC) وζ = (R/2)·√(C/L).
قارن مع الصيغة القياسية
يجب أن يطابق المقام s² + 2ζωₙs + ωₙ².
ωₙ² = 18 → ωₙ = 4,243 rad/s
2ζωₙ = 2 → ζ = 2/(2·4,243) = 0,2357
النتيجة
ζωₙ = 1 → ts ≈ 4/1 = 4 s
الإجابة
ts = 4 s
34.الاستجابة الخطوية
الإجابة: tp = 11,38 ms
الاستجابة للدخل الخطوي: النظام من الرتبة الأولى G(s) = K/(τs + 1) يستجيب لخطوة مقدارها U بالعلاقة y(t) = K·U·(1 − e−t/τ): يبلغ 63,2 % من القيمة النهائية K·U بعد ثابت زمني واحد τ و98 % بعد 4τ. والنظام من الرتبة الثانية G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) له القطبان s = −ζωₙ ± jωd مع ωd = ωₙ√(1 − ζ²). وعندما 0 < ζ < 1 تتجاوز الاستجابة الخطوية القيمة النهائية: النسبة المئوية للتجاوز %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²)، وزمن الذروة tp = π/ωd، وزمن الاستقرار عند 2 % هو ts ≈ 4/(ζωₙ). قارن المقام مع s² + 2ζωₙs + ωₙ² لقراءة ωₙ وζ. وفي نظام كتلة–نابض–مخمّد ωₙ = √(k/m) وζ = c/(2√(km))؛ وفي دائرة RLC على التسلسل ωₙ = 1/√(LC) وζ = (R/2)·√(C/L).
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 = R/L = 470/0,1 = 4700 rad/s
fc = 748 Hz → f/fc = 3000/748 = 4,011
الطور
φ = − atan(4,011) = −76°
الإجابة
φ = −76°
36.مخططات بودي والهوامش
الإجابة: ωc = 5,726 rad/s
الاستجابة الترددية: عوّض s = jω في دالة النقل. المقدار بالديسيبل هو 20·log₁₀|H(jω)| والطور هو مجموع زوايا عوامل البسط ناقص زوايا عوامل المقام. مرشح RC أو RL من الرتبة الأولى له تردد الركن (−3 dB) عند ωc = 1/(RC) أو R/L، وfc = ωc/(2π)؛ ومرشح تمرير الترددات المنخفضة يعطي |H| = 1/√(1 + (ω/ωc)²) وφ = −atan(ω/ωc). وفي مخطط بودي التقريبي (الخطوط المستقيمة) ينحني كل قطب بالمقدار إلى الأسفل بـ 20 dB/decade عند تردد ركنه، وينحني كل صفر إلى الأعلى بـ 20 dB/decade، ويعطي المكامل 1/s ميلًا قدره −20 dB/decade عند كل الترددات. تردد تقاطع الكسب ωc: |L(jω)| = 1 (0 dB)؛ وهامش الطور PM = 180° + ∠L(jωc). تردد تقاطع الطور ω180: ∠L(jω) = −180°؛ وهامش الكسب GM = −20·log₁₀|L(jω180)| dB. تكون الحلقة المغلقة مستقرة حين يكون الهامشان موجبين.
تقاطع الكسب
ω⁴ + 16ω² − 1600 = 0
ω² = (−16 + √(256 + 4·1600))/2 = 32,79
ωc = 5,726 rad/s
الإجابة
ωc = 5,726 rad/s
37.الاستقرار: راوث–هرفيتز والمحل الهندسي للجذور
الإجابة: Kmax = 330
معيار راوث–هرفيتز: يكون النظام الخطي مستقرًا حين يقع كل جذر من جذور كثير حدوده المميِّز في النصف الأيسر من المستوى s. اكتب المعاملات بالتناوب في الصفين الأولين من جدول راوث. يأتي كل عنصر في صف جديد من الصفين اللذين فوقه؛ وبالنسبة إلى كثير حدود تكعيبي a₃s³ + a₂s² + a₁s + a₀ يكون عنصر الصف s¹ هو b₁ = (a₂·a₁ − a₃·a₀)/a₂. عدد تغيّرات الإشارة في العمود الأول يساوي عدد الجذور في النصف الأيمن من المستوى. وحين يدخل الكسب K في المعاملات يجب أن يبقى كل عنصر في العمود الأول موجبًا: الكسب الذي يجعل عنصر الصف s¹ صفرًا هو حدّ الاستقرار، ثم يعطي الصف s² تردد التذبذب المستمر.
المعادلة المميزة
s³ + 11s² + 30s + K = 0
جدول روث
s³: 1, 30
s²: 11, K
s¹: (11·30 − K)/11
s⁰: K
الشروط
يجب أن يكون كل عنصر في العمود الأول موجبًا.
K > 0
11·30 − K > 0 → K < 330
الإجابة
Kmax = 330
عند K = 330 تتذبذب الحلقة المغلقة بالتردد ω = √30 = 5,477 rad/s.
38.الاستقرار: راوث–هرفيتز والمحل الهندسي للجذور
الإجابة: ω = 4,796 rad/s
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 الحرج
s³ + 9s² + 23s + 15 + K = 0
s¹: (9·23 − 15 − K)/9 = 0 → K = 192
تردد التقاطع
9s² + 15 + 192 = 9s² + 207 = 0 → s² = −23
ω = √23 = 4,796 rad/s
الإجابة
ω = 4,796 rad/s
39.خطأ الحالة المستقرة والتحكم PID
الإجابة: K = 40
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 الخطأ المطلوب
1/(1 + Kp) = 0,2 → Kp = 4
الكسب
K/10 = 4 → K = 40
الإجابة
K = 40
تحقق أيضًا من استقرار الحلقة المغلقة: في هذه الحلقة من الرتبة الثانية يكون أي K > 0 مستقرًا.
40.خطأ الحالة المستقرة والتحكم PID
الإجابة: Kd = 1,736 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 + 1) + 2(10 + Kds) = s² + (1 + 2Kd)s + 20
التردد الطبيعي
ωₙ = √20 = 4,472 rad/s
كسب المشتقة
1 + 2Kd = 2·0,5·4,472 = 4,472
Kd = 1,736 s
الإجابة
Kd = 1,736 s
الحد التفاضلي يضيف تخميدًا دون تغيير ωₙ.
هذه مادة تدريب مستقلة. ExamProblems غير تابع للجهة التي تنظّم هذا الامتحان ولا معتمد منها، ويُستخدم اسم الامتحان لوصف المحتوى فقط. يُجري اختبار FE exam جهةُ NCEES، وهي غير تابعة لـ ExamProblems ولا تؤيده.