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​ = 6 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​10 VR2​20 ΩAR4​3 ΩB

أوجد المقاومة المكافئة Req التي يراها المصدر V1.

V1 = 10 VR1 = 6 ΩR2 = 20 ΩR3 = 15 ΩR4 = 3 Ω
Req = Ω
2.المقاومات على التوالي والتوازيصعبة
R1​ = 6 ΩR3​ = 5 ΩR5​ = 12 Ω+−V1​15 VR2​8 ΩIR2​AR4​15 ΩBR6​15 Ω

أوجد التيار IR2 عبر R2.

V1 = 15 VR1 = 6 ΩR2 = 8 ΩR3 = 5 ΩR4 = 15 ΩR5 = 12 ΩR6 = 15 Ω
IR2 = A
3.تحليل العقدمتوسطة
R1​15 Ω+−V1​15 VR2​5 Ω+−V2​9 VR3​3 Ω+−V3​10 VI3​A

ثلاثة فروع موصولة بين العقدة A والأرضي، كما هو موضّح. استخدم تحليل العقد لإيجاد التيار I3 في الفرع 3، الجاري إلى الأعلى نحو العقدة A باتجاه السهم.

V1 = 15 VR1 = 15 ΩV2 = 9 VR2 = 5 ΩV3 = 10 VR3 = 3 Ω
I3 = A
4.تحليل العقدصعبة
R1​ = 5 ΩIR1​R2​ = 30 ΩR4​ = 8 Ω+−V1​6 VR3​15 ΩAR5​2 ΩBIs​3 A−+V2​24 V

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

V1 = 6 VIs = 3 AV2 = 24 VR1 = 5 ΩR2 = 30 ΩR3 = 15 ΩR4 = 8 ΩR5 = 2 Ω
IR1 = A
5.تحليل الحلقاتمتوسطة
R1​ = 6 ΩR2​ = 15 Ω+−V1​15 VR3​10 ΩA+−V2​6 VI1​I2​

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

V1 = 15 VV2 = 6 VR1 = 6 ΩR2 = 15 ΩR3 = 10 Ω
I2 = A
6.تحليل الحلقاتصعبة
R1​ = 10 ΩR2​ = 30 ΩR3​ = 2 ΩIR3​+−V1​12 VR4​30 ΩAR5​30 ΩB+−V2​30 VI1​I2​I3​

استخدم تحليل الحلقات لإيجاد التيار IR3 المارّ في R3 باتجاه السهم.

V1 = 12 VV2 = 30 VR1 = 10 ΩR2 = 30 ΩR3 = 2 ΩR4 = 30 ΩR5 = 30 Ω
IR3 = A
7.التراكبمتوسطة
دائرة خطيةVs​Is​IRL​

دائرة مقاومات خطية تحتوي على مصدر جهد واحد Vs ومصدر تيار واحد Is. يُقاس التيار I في مقاومة حِمل مرتين: مع Vs = 2 V و Is = 5 mA، يكون I = 2 mA؛ ومع Vs = 10 V و Is = 6 mA، يكون I = 6,2 mA. أوجد تيار الحِمل I عندما Vs = 4 V و Is = 5 mA.

2 V, 5 mA → 2 mA10 V, 6 mA → 6,2 mAVs = 4 V, Is = 5 mA
I = mA
8.التراكبصعبة
R1​ = 12 ΩR2​ = 10 ΩR4​ = 8 Ω+−V1​18 VR3​8 ΩIR3​AIs​2 AB+−V2​10 V

استخدم مبدأ التراكب لإيجاد القدرة PR3 التي يمتصها R3.

V1 = 18 VIs = 2 AV2 = 10 VR1 = 12 ΩR2 = 10 ΩR3 = 8 ΩR4 = 8 Ω
PR3 = W
9.ثيفنن ونورتنمتوسطة
R1​ = 10 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​30 VR2​5 ΩAab

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

V1 = 30 VR1 = 10 ΩR2 = 5 ΩR3 = 8 Ω
IN = A
10.ثيفنن ونورتنصعبة
R1​ = 3 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​24 VR2​20 ΩAIs​2,5 ABRL​15 ΩIL​

وُصل حِمل RL = 15 Ω بين a–b. استخدم مكافئ ثيفنن لإيجاد القدرة PL المسلَّمة إلى الحِمل.

V1 = 24 VIs = 2,5 AR1 = 3 ΩR2 = 20 ΩR3 = 12 ΩRL = 15 Ω
PL = W
11.الحالات العابرة RC و RLمتوسطة
+−Vs​15 Vt = 0R = 15 ΩL22 mHi(t)

لا يمرّ تيار في الملف قبل أن يُغلق المفتاح عند t = 0. أوجد الطاقة W(∞) المخزّنة في الملف بعد استقرار الدائرة، بوحدة mJ.

Vs = 15 VR = 15 ΩL = 22 mH
W(∞) = mJ
12.الحالات العابرة RC و RLصعبة
+−Vs​10 Vt = 0R = 10 kΩC22 µF+−vC​vC​(0) = 12 V

قبل إغلاق المفتاح عند t = 0 مباشرة، يكون جهد المكثّف 12 V بالقطبية الموضّحة. كم يستغرق vC ليبلغ 11,4 V؟ أوجد t.

Vs = 10 VR = 10 kΩC = 22 µFvC(0) = 12 V
t = ms
13.معاوقة التيار المتردد والطورياتمتوسطة
Vf0​ = 500 HzRL = ?C = 4,7 µF

دائرة RLC على التوالي مع C = 4,7 µF يجب أن ترنّ عند 500 Hz. أوجد المحاثة L المطلوبة.

f0 = 500 HzC = 4,7 µF
L = mH
14.معاوقة التيار المتردد والطورياتصعبة
2 Vf0​R = 10 ΩL = 5 mHC = 10 µF

دائرة RLC على التوالي يغذّيها مصدر 2 V (فعّال) ضُبط تردّده على تردّد رنين الدائرة. أوجد الجهد الفعّال VL على الملف.

V = 2 V (rms)R = 10 ΩL = 5 mHC = 10 µF
VL = V
15.قدرة التيار المتردد ومعامل القدرةمتوسطة
240 VR + jXP = 2340 W19,5 A

يأخذ حِمل حثي 19,5 A و 2340 W من مصدر أحادي الطور 240 V (فعّال). مثّله بمقاومة R على التوالي مع مفاعلة X. أوجد R.

V = 240 VI = 19,5 AP = 2340 W
R = Ω
16.قدرة التيار المتردد ومعامل القدرةصعبة
P1​ = 3 kWQ1​S1​φ

محوّل أحادي الطور قدرته 10 kVA يغذّي حِملًا 3 kW بمعامل قدرة 0,8 متأخّر. ما مقدار القدرة الفعلية الإضافية ΔP التي يمكن إضافتها كحِمل مقاومي (معامل قدرة واحد) قبل أن يبلغ المحوّل قدرته الاسمية بوحدة kVA؟

Smax = 10 kVAP1 = 3 kWpf1 = 0,8
ΔP = kW
17.القدرة ثلاثية الطورمتوسطة
ABCVL​ = 400 VZ = 12 + j9 Ωلكل طور

حمل متوازن موصول Δ ممانعته 12 + j9 Ω لكل طور موصول بمصدر ثلاثي الطور متوازن جهد خطه 400 V. أوجد القدرة الفعّالة الكلية P التي يمتصّها الحمل بالـ kW.

VL = 400 VZ = 12 + j9 Ω لكل طور
P = kW
18.القدرة ثلاثية الطورصعبة
P = 50 kWφ1​S1​Q2​QC​ = ?

حمل ثلاثي الطور متوازن يأخذ 50 kW عند معامل قدرة 0,65 متأخر من مصدر 480 V (جهد خط) و 50 Hz. يجب أن ترفع مجموعة مكثّفات ثلاثية الطور موصولة على التوازي مع الحمل معامل القدرة الكلي إلى 0,9 متأخر. تبقى القدرة الفعّالة كما هي. أوجد القدرة غير الفعّالة الكلية QC التي يجب أن تقدّمها مجموعة المكثّفات، بالـ kvar.

P = 50 kWpf1 = 0,65pf2 = 0,9VL = 480 Vf = 50 Hz
QC = kvar
19.المحوّلاتمتوسطة
480 V240 VIHV​ILV​ = ?100 kVA

محوّل أحادي الطور 100 kVA و 480/240 V يعمل عند حمله المقنَّن. اعتبره مثاليًا. أوجد التيار ILV في ملف الجهد المنخفض.

S = 100 kVAV1 = 480 VV2 = 240 V
ILV = A
20.المحوّلاتصعبة
pf 0,8100 kVA, 50% الحمل

محوّل أحادي الطور 100 kVA مفقودات قلبه 600 W ومفقودات نحاسه 2400 W عند الحمل المقنَّن. يغذّي 50% من قدرته المقنَّنة بالـ kVA عند معامل قدرة 0,8 متأخر. أوجد المفقودات الكلية Ploss بالواط عند هذا الحمل.

S = 100 kVAPcore = 600 WPcu,fl = 2400 Wx = 0,5pf = 0,8
Ploss = W
21.دوائر مكبّرات العملياتمتوسطة
−+Vout​Rf​ = 22 kΩVin​R1​ = 10 kΩ

مكبّر العمليات مثالي ويعمل من مصدرَي تغذية ±15 V؛ ويتشبّع خرجه عند ±12 V. يُغذّى المكبّر العاكس بموجة جيبية. أوجد أكبر سعة دخل Vin,max (القيمة القصوى) لا يُقصّ عندها الخرج.

R1 = 10 kΩRf = 22 kΩVsat = ±12 V
Vin,max = V
22.دوائر مكبّرات العملياتصعبة
−+Vout​Rf​ = 1 kΩV1​ = 0,7 VR1​ = 47 kΩV2​ = 2 VR2​ = 4,7 kΩIf​

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

V1 = 0,7 VV2 = 2 VR1 = 47 kΩR2 = 4,7 kΩRf = 1 kΩ
If = mA
23.الثنائيات والترانزستوراتمتوسطة
RC​ = 4,7 kΩβ = 80IC​ = ?VCC​ = 15 VRB​ = 470 kΩ

ترانزستور NPN بـ β = 80 منحاز بمقاومة قاعدة RB = 470 kΩ من المصدر VCC = 15 V. مقاومة المجمِّع RC = 4,7 kΩ والباعث موصول بالأرضي. خذ VBE = 0,7 V وافترض أن الترانزستور في المنطقة الفعّالة. أوجد تيار المجمِّع IC بالـ mA.

VCC = 15 VRB = 470 kΩRC = 4,7 kΩβ = 80VBE = 0,7 V
IC = mA
24.الثنائيات والترانزستوراتصعبة
RC​ = 100 Ωβ = 100VCC​ = 24 V3,3 VRB​ = ?

ترانزستور NPN بـ β = 100 يتحكّم بمقاومة حمل 100 Ω موصولة بين VCC = 24 V ومجمِّعه. الباعث موصول بالأرضي. تُغذّى القاعدة من خرج منطقي 3,3 V عبر مقاومة قاعدة RB. خذ VBE = 0,7 V و VCE(sat) = 0,2 V. أوجد أكبر مقاومة قاعدة RB، بالـ kΩ، التي ما زالت تدفع الترانزستور إلى بداية التشبّع.

VCC = 24 VRC = 100 Ωβ = 100Vin = 3,3 VVBE = 0,7 VVCE(sat) = 0,2 V
RB = kΩ
25.أنظمة العدمتوسطة
المتمم الثنائي ذو 8 بتات0−12806403201608040201

اضبط البتات بحيث تخزن −98 في المتمم الثنائي بـ 8 بتات. إذا قُرئ كعدد بدون إشارة، فما قيمة النمط U؟

N = −988 bit
U =
26.أنظمة العدصعبة
انقر على البتات لضبطها012806403201608040201

اضبط البتات على الناتج بـ 8 بتات لـ 0100 0111 OR 0011 1000. ما قيمة الناتج R بالعشري؟

0100 0111OR0011 1000
R =
27.المنطق الرقمي: البوابات وخرائط كارنو والقلّاباتمتوسطة
MUXCI0​C′I1​CI2​C′I3​ABS1​S0​F

لمضاعِف 4-إلى-1 مدخلا الاختيار S₁ = A و S₀ = B، ومداخل بياناته موصولة بـ I₀ = C, I₁ = C′, I₂ = C, I₃ = C′. في كم من تركيبات A و B و C الثماني يكون المخرج F = 1؟ جد N.

I₀ = CI₁ = C′I₂ = CI₃ = C′
N =
28.المنطق الرقمي: البوابات وخرائط كارنو والقلّاباتصعبة
CLKD1234567

قلّاب D يُحفَّز بالحافة الموجبة يبدأ بـ Q = 0 ويتلقى المداخل المعروضة عند 7 حافة ساعة صاعدة. كم مرة N يغيّر Q حالته؟

Q₀ = 0D
N =
29.تحويلات لابلاسمتوسطة
t (s)f(t)t = 0,1f(0,1) = ?

أوجد f(t) للدالة F(s) = (6s + 4)/(s² + 10s + 25) واحسب f(0,1).

F(s) = (6s + 4)/(s² + 10s + 25)t = 0,1 s
f(0.1) =
30.تحويلات لابلاسصعبة
t (s)y(t)t = 0,2y(0,2) = ?

حلّ y″ + 9y′ + 20y = 0 مع y(0) = 10 و y′(0) = 1 باستخدام تحويل لابلاس، وأوجد y(0,2).

y″ + 9y′ + 20y = 0y(0) = 10y′(0) = 1t = 0,2 s
y(0.2) =
31.المخططات الصندوقيةمتوسطة
R(s)+18s + 7G(s)C(s)0,5H−

يُتحكَّم في نظام G(s) = 18/(s + 7) في حلقة تغذية راجعة سالبة كسب مستشعرها H = 0,5. تُطبَّق خطوة مقدارها 5 عند R. أوجد خرج الحالة المستقرة css.

G(s) = 18/(s + 7)H = 0,5R = 5
css =
32.المخططات الصندوقيةصعبة
R(s)+24s(s + 5)G(s)C(s)2H−

النظام المُتحكَّم فيه G(s) = 24/(s(s + 5)) في حلقة تغذية راجعة سالبة كسب مستشعرها H = 2. أقطاب الحلقة المغلقة مركّبة. أوجد جزأها الحقيقي σ.

G(s) = 24/(s(s + 5))H = 2
σ =
33.الاستجابة الخطويةمتوسطة
t (s)y(t)3?

لنظام دالة النقل G(s) = 105/(s² + 3s + 35) ويتلقى دخلًا خطويًا وحدويًا. أوجد النسبة المئوية للتجاوز %OS في الاستجابة الخطوية.

G(s) = 105/(s² + 3s + 35)
%OS = %
34.الاستجابة الخطويةصعبة
+−24 VR = 26 ΩL = 10 mHC = 22 µFvC​

دائرة RLC على التسلسل فيها R = 26 Ω وL = 10 mH وC = 22 µF موصولة بخطوة جهد 24 V عند t = 0. المكثف غير مشحون ولا يمر تيار قبل الخطوة. أوجد التردد الطبيعي غير المخمّد ωn بوحدة rad/s.

R = 26 ΩL = 10 mHC = 22 µFV = 24 V
ωn = rad/s
35.مخططات بودي والهوامشمتوسطة
vin​C = 1 nFR = 22 kΩvout​

لـ مرشح RC لتمرير الترددات العالية الموضح R = 22 kΩ, C = 1 nF. يُطبَّق دخل جيبي مقداره 29 kHz. أوجد إزاحة الطور φ للجهد vout بالنسبة إلى vin، بالدرجات.

R = 22 kΩC = 1 nFf = 29 kHz
φ = °
36.مخططات بودي والهوامشصعبة
|H| (dB)11101010010010001000−80−60−40−2002040ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−180−135−90−450ωc​ = ?

حلقة تغذية عكسية وحدوية دالة نقلها المفتوحة L(s) = 500/(s(s + 20)). أوجد تردد تقاطع الكسب ωc، حيث |L(jω)| = 1.

L(s) = 500/(s(s + 20))
ωc = rad/s
37.الاستقرار: راوث–هرفيتز والمحل الهندسي للجذورمتوسطة
R(s)+Ks + 7s(s + 2)(s + 3)C(s)−

لحلقة تغذية عكسية وحدوية L(s) = K(s + 7)/(s(s + 2)(s + 3)) مع K > 0. أوجد أكبر كسب Kmax تكون الحلقة المغلقة عنده مستقرة.

L(s) = K(s + 7)/(s(s + 2)(s + 3))
Kmax =
38.الاستقرار: راوث–هرفيتز والمحل الهندسي للجذورصعبة
ReIm−2−4−6−8−10j2

يغادر المحل الهندسي للجذور لـ L(s) = K(s + 9)/(s(s + 2)) المحور الحقيقي بين s = 0 وs = −2، ثم يدور ويلتقي بالمحور الحقيقي مجددًا إلى يسار الصفر. أوجد نقطة الالتقاء si.

L(s) = K(s + 9)/(s(s + 2))
si =
39.خطأ الحالة المستقرة والتحكم PIDمتوسطة
r(t) = 5t+Ks(s + 1)C(s)−

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

G(s) = K/(s(s + 1))r(t) = 5tess = 0,1
K =
40.خطأ الحالة المستقرة والتحكم PIDصعبة
R(s)+Kp​ + Ki​/s1s + 2C(s)−

يتحكم متحكم PI بالصيغة C(s) = Kp + Ki/s في المحطة G(s) = 1/(s + 2) ضمن حلقة تغذية عكسية وحدوية. يجب أن تكون للحلقة المغلقة ωₙ = 5 rad/s وζ = 0,5. أوجد كسب التكامل Ki.

G(s) = 1/(s + 2)ωₙ = 5 rad/sζ = 0,5
Ki =

3المحاليل

1.المقاومات على التوالي والتوازي

الإجابة: Req = 15,47 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​ = 6 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​10 VR2​20 ΩAR4​3 ΩB

اجمع المقاومات بدءًا من الطرف البعيد

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

R3 + R4 = 15 + 3 = 18 Ω
R2 ∥ 18 = 20·18/(20+18) = 9,474 Ω
Req = R1 + 9,474 = 6 + 9,474 = 15,47 Ω

الإجابة

Req = 15,47 Ω
2.المقاومات على التوالي والتوازي

الإجابة: IR2 = 0,8682 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​ = 5 ΩR5​ = 12 Ω+−V1​15 VR2​8 ΩAR4​15 ΩBR6​15 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 = 12 + 15 = 27 Ω
R4 ∥ 27 = 9,643 Ω
R3 + 9,643 = 14,64 Ω
R2 ∥ 14,64 = 5,174 Ω
Req = R1 + 5,174 = 6 + 5,174 = 11,17 Ω

التيار من المصدر

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

IR1 = V1/Req = 15/11,17 = 1,342 A

التيار عبر R₂

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

VA = V1 − IR1·R1 = 15 − 1,342·6 = 6,945 V
IR2 = VA/R2 = 6,945/8 = 0,8682 A

الإجابة

IR2 = 0,8682 A
3.تحليل العقد

الإجابة: I3 = −0,07407 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

اعتبر السلك السفلي هو الأرضي. كل فرع يحمل (VA − Vk)/Rk خارجًا من A، حيث Vk جهد مصدره (صفر للمقاومة وحدها). مجموع التيارات الخارجة من A يساوي صفرًا.

(VA − 15)/15 + (VA − 9)/5 + (VA − 10)/3 = 0

حلّ لإيجاد VA

VA = (15/15 + 9/5 + 10/3) / (1/15 + 1/5 + 1/3) = 6,133/0,6 = 10,22 V

تيار الفرع

يشير السهم إلى الأعلى عبر الفرع، داخلًا إلى العقدة A.

I3 = (10 − VA)/R3 = (10 − 10,22)/3 = −0,07407 A

الإجابة

I3 = −0,07407 A

النتيجة السالبة تعني أن التيار الفعلي يجري عكس السهم.

4.تحليل العقد

الإجابة: IR1 = 0,3955 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​ = 5 ΩR2​ = 30 ΩR4​ = 8 Ω+−V1​6 VR3​15 ΩAR5​2 ΩBIs​3 A−+V2​24 V

حدّد العقد

الأرضي هو السلك السفلي. جهود العقد المعروفة تأتي مباشرة من المصادر (V1 = 6 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/15 + (VA − 6)/5 + (VA − VB)/30 = 0
0,3·VA − 0,03333·VB = 1,2

قانون كيرشوف للتيار عند العقدة B

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

VB/R5 + (VB − VA)/R2 + (VB − V2)/R4 = Is
VB/2 + (VB − VA)/30 + (VB − (−24))/8 = 3
−0,03333·VA + 0,6583·VB = 0

الحل

Δ = (0,3)(0,6583) − (−0,03333)(−0,03333) = 0,1964
VA = Δ1/Δ = 0,79/0,1964 = 4,023 V
VB = Δ2/Δ = 0,04/0,1964 = 0,2037 V

الإجابة

IR1 = (V1 − VA)/R1 = (6 − 4,023)/5 = 0,3955 A
5.تحليل الحلقات

الإجابة: I2 = 0,18 A

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

R1​ = 6 ΩR2​ = 15 Ω+−V1​15 VR3​10 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
6·I1 + 10(I1 − I2) = 15
16·I1 − 10·I2 = 15

قانون كيرشوف للجهد حول الحلقة 2

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

R2·I2 + R3(I2 − I1) = −V2
15·I2 + 10(I2 − I1) = (−6)
−10·I1 + 25·I2 = −6

الحل

Δ = (16)(25) − (−10)(−10) = 300
I1 = Δ1/Δ = 315/300 = 1,05 A
I2 = Δ2/Δ = 54/300 = 0,18 A

الإجابة

I2 = 0,18 A

تيار الحلقة السالب يسري عكس عقارب الساعة.

6.تحليل الحلقات

الإجابة: IR3 = −1,393 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​ = 30 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​12 VR4​30 ΩAR5​30 ΩB+−V2​30 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
10·I1 + 30(I1 − I2) = 12
40·I1 − 30·I2 = 12

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
30·I2 + 30(I2 − I1) + 30(I2 − I3) = 0
−30·I1 + 90·I2 − 30·I3 = 0

قانون كيرشوف للجهد حول الحلقة 3

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

R3·I3 + R5(I3 − I2) = −V2
2·I3 + 30(I3 − I2) = (−30)
−30·I2 + 32·I3 = −30

الحل

Δ = محدد مصفوفة المعاملات = 50400
I1 = Δ1/Δ = −3240/50400 = −0,06429 A
I2 = Δ2/Δ = −24480/50400 = −0,4857 A
I3 = Δ3/Δ = −70200/50400 = −1,393 A

الإجابة

IR3 = I3 = −1,393 A

تيار الحلقة السالب يسري عكس عقارب الساعة.

7.التراكب

الإجابة: I = 3 mA

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.

اكتب الاستجابة كمجموع إسهامات

كل إسهام يتناسب مع مصدره، بثابت يعتمد على المقاومات فقط.

I = k₁·Vs + k₂·Is
2·k₁ + 5·k₂ = 2
10·k₁ + 6·k₂ = 6,2

حلّ لإيجاد الثابتين

Δ = (2)(6) − (5)(10) = −38
k₁ = Δ1/Δ = −19/−38 = 0,5
k₂ = Δ2/Δ = −7,6/−38 = 0,2
k₁ = 0,5 mA/V, k₂ = 0,2

توقّع التيار الجديد

I = 0,5·4 + 0,2·5 = 3 mA

الإجابة

I = 3 mA
8.التراكب

الإجابة: PR3 = 15,56 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 ΩR2​ = 10 ΩR4​ = 8 Ω+−V1​18 VR3​8 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) = 8 ∥ 18 = 5,538 Ω
VA = 18·5,538/(12+5,538) = 5,684 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 5,684·8/18 = 2,526 V
IR3′ = (VA − 0)/R3 = (5,684 − 0)/8 = 0,7105 A
R1​ = 12 ΩR2​ = 10 ΩR4​ = 8 ΩقصرR3​8 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 = 4,8 Ω، إذن المسار الأيسر هو R2+4,8 = 14,8 Ω
Req = R4 ∥ 14,8 = 5,193 Ω
VB = Is·Req = 2·5,193 = 10,39 V
VA = VB·4,8/14,8 = 3,368 V
IR3″ = (VA − 0)/R3 = (3,368 − 0)/8 = 0,4211 A
R1​ = 12 ΩR2​ = 10 ΩR4​ = 8 ΩقصرR3​8 ΩAمفتوحB+−V2​10 V

الحالة 3 · V2 يعمل وحده

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

R1 ∥ R3 = 12·8/(12+8) = 4,8 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = 10·14,8/22,8 = 6,491 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = 6,491·4,8/14,8 = 2,105 V
IR3‴ = (VA − 0)/R3 = (2,105 − 0)/8 = 0,2632 A

اجمع إسهامات التيار

IR3 = IR3′ + IR3″ + IR3‴ = 0,7105 + 0,4211 + 0,2632 = 1,395 A

القدرة في المقاومة

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

PR3 = IR3²·R3 = 1,395²·8 = 15,56 W

الإجابة

PR3 = 15,56 W

جمع قدرات الحالات المنفصلة يعطي 6,011 W، وهذا خطأ.

9.ثيفنن ونورتن

الإجابة: IN = 0,8824 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​ = 10 ΩR3​ = 8 ΩقصرR2​5 ΩAabRth​

أوجد Rth مع إطفاء كل المصادر

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

R1 ∥ R2 = 10·5/(10+5) = 3,333 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3,333 + 8 = 11,33 Ω
R1​ = 10 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​30 VR2​5 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) = 30·5/(10+5) = 10 V
IN​0,8824 ARth​11,33 Ωab

مكافئ نورتن

مصدر نورتن هو الدائرة نفسها منظورًا إليها كمصدر تيار على التوازي مع R_th. تياره هو تيار القصر بين a–b.

IN = Vth/Rth = 10/11,33 = 0,8824 A
10.ثيفنن ونورتن

الإجابة: PL = 56,36 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​ = 3 ΩR3​ = 12 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 = 3·20/(3+20) = 2,609 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,609 + 12 = 14,61 Ω
R1​ = 3 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​24 VR2​20 ΩAIs​2,5 ABab+−Vth​

أوجد Vth، جهد الدائرة المفتوحة

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

VA = V1·R2/(R1+R2) + Is·(R1∥R2) = 20,87 + 2,5·2,609 = 27,39 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 27,39 + 2,5·12 = 57,39 V
Rth​ = 14,61 Ω+−Vth​57,39 VRL​15 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) = 57,39/(14,61 + 15) = 1,938 A
PL = IL²·RL = 1,938²·15 = 56,36 W
11.الحالات العابرة RC و RL

الإجابة: W(∞) = 11 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 / 15 Ω = 1,467 ms
i(∞) = Vs/R = 15/15 = 1 A

الطاقة المخزّنة

W(∞) = ½·L·i(∞)² = ½·22·1² = 11 mJ

الإجابة

W(∞) = 11 mJ
12.الحالات العابرة RC و RL

الإجابة: t = 78,47 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

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

vC(0) = 12 V, vC(∞) = Vs = 10 V
τ = R·C = 10 kΩ · 22 µF = 220 ms
vC(t) = 10 + (12 − 10)·e−t/τ

حلّ لإيجاد الزمن

11,4 = 10 + (2)·e−t/τ → e−t/τ = (11,4 − 10)/(12 − 10) = 0,7
t = τ·ln((12 − 10)/(11,4 − 10)) = 220·ln(1,429) = 78,47 ms

الإجابة

t = 78,47 ms
13.معاوقة التيار المتردد والطوريات

الإجابة: L = 21,56 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/(3142²·4,7·10⁻⁶) = 21,56 mH

الإجابة

L = 21,56 mH
14.معاوقة التيار المتردد والطوريات

الإجابة: VL = 4,472 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/√(0,005·10·10⁻⁶) = 4472 rad/s
I = V/R = 2/10 = 0,2 A

الجهد على الملف

XL = ω₀L = 4472·0,005 = 22,36 Ω
VL = I·XL = 0,2·22,36 = 4,472 V

الإجابة

VL = 4,472 V

هذا Q = 2,236 مرة جهد المصدر.

15.قدرة التيار المتردد ومعامل القدرة

الإجابة: R = 6,154 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 = 2340/19,5² = 6,154 Ω

الإجابة

R = 6,154 Ω
16.قدرة التيار المتردد ومعامل القدرة

الإجابة: ΔP = 6,744 kW

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

القدرة غير الفعّالة للحِمل الموجود

Q1 = 3·tan(arccos 0,8) = 2,25 kvar

أكبر قدرة فعلية كلية

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

P = √(Smax² − Q1²) = √(10² − 2,25²) = 9,744 kW

القدرة الفعلية الإضافية

ΔP = 9,744 − 3 = 6,744 kW

الإجابة

ΔP = 6,744 kW
17.القدرة ثلاثية الطور

الإجابة: P = 25,6 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 = VL = 400 V

تيار الطور

|Z| = √(12² + 9²) = 15 Ω
Iph = 400/15 = 26,67 A

القدرة الفعّالة الكلية

الجزء المقاومي فقط من كل ممانعة يمتصّ القدرة الفعّالة.

P = 3·Iph²·R = 3·26,67²·12 = 25,6 kW

الإجابة

P = 25,6 kW

تحقّق: cos φ = R/|Z| = 0,8، و √3·VL·IL·cos φ يعطي القدرة نفسها.

18.القدرة ثلاثية الطور

الإجابة: QC = 34,24 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 = 50·tan(acos 0,65) = 50·1,169 = 58,46 kvar
Q2 = 50·tan(acos 0,9) = 50·0,4843 = 24,22 kvar

القدرة غير الفعّالة من المكثّفات

QC = Q1 − Q2 = 34,24 kvar

الإجابة

QC = 34,24 kvar
19.المحوّلات

الإجابة: ILV = 416,7 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.

التيار المقنَّن

يحمل الملفان القدرة الظاهرية نفسها.

ILV = S/V = 100000/240 = 416,7 A

الإجابة

ILV = 416,7 A
20.المحوّلات

الإجابة: Ploss = 1200 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 = 0,25·2400 = 600 W

المفقودات الكلية

مفقودات القلب هي نفسها عند أي حمل.

Ploss = 600 + 600 = 1200 W

الإجابة

Ploss = 1200 W

الكفاءة عند هذا الحمل η = 97,09%.

21.دوائر مكبّرات العمليات

الإجابة: Vin,max = 5,455 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.

الكسب

|Av| = Rf/R1 = 22/10 = 2,2

أكبر دخل قبل القصّ

Vin,max = Vsat/|Av| = 12/2,2 = 5,455 V

الإجابة

Vin,max = 5,455 V
22.دوائر مكبّرات العمليات

الإجابة: If = 0,4404 mA

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

تيارات الدخل

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

I1 = V1/R1 = 0,7/47 = 0,01489 mA
I2 = V2/R2 = 2/4,7 = 0,4255 mA
If = I1 + I2 = 0,4404 mA

الإجابة

If = 0,4404 mA
23.الثنائيات والترانزستورات

الإجابة: IC = 2,434 mA

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

تيار القاعدة

IB = (VCC − VBE)/RB = (15 − 0,7)/470 kΩ = 30,43 µA

تيار المجمِّع

IC = β·IB = 80·30,43 µA = 2,434 mA

الإجابة

IC = 2,434 mA

تحقّق: VCE = 3,56 V أعلى بوضوح من 0,2 V، لذا الترانزستور فعلًا في المنطقة الفعّالة.

24.الثنائيات والترانزستورات

الإجابة: RB = 1,092 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) = (24 − 0,2)/100 = 238 mA

أدنى تيار قاعدة

IB(min) = IC(sat)/β = 238/100 = 2380 µA

مقاومة القاعدة

RB = (3,3 − 0,7)/IB = 2,6 V/2,38 mA = 1,092 kΩ

الإجابة

RB = 1,092 kΩ

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

25.أنظمة العد

الإجابة: U = 158

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

98 = 0110 0010
مقلوب: 1001 1101
+1 → 1001 1110

اقرأه بلا إشارة

1001 1110₂ = 256 − 98 = 158

الإجابة

U = 158
26.أنظمة العد

الإجابة: R = 127

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.

بتًا ببت

تعطي OR القيمة 1 حيث يكون أحد البتين على الأقل 1.

0100 0111
OR 0011 1000
= 0111 1111

قيمة الناتج

0111 1111₂ = 127

الإجابة

R = 127
27.المنطق الرقمي: البوابات وخرائط كارنو والقلّابات

الإجابة: N = 4

المضاعِف (MUX): يمرّر المضاعِف 2ⁿ-إلى-1 أحد مداخل البيانات إلى المخرج؛ وخطوط الاختيار، مقروءة كعدد ثنائي، تحدد أيّها. لمضاعِف 4-إلى-1 مع الاختيارين S₁S₀ = AB، F = A′B′·I₀ + A′B·I₁ + AB′·I₂ + AB·I₃. وبوصل مداخل البيانات بـ 0 أو 1 أو C أو C′ ينتج المضاعِف أي دالة في A و B و C، وهي طريقة شائعة لبناء المنطق بشريحة واحدة.

تعبير الخرج

F = A′B′C + A′BC′ + AB′C + ABC′

الصفوف التي F = 1 فيها

ABC = 001, 010, 101, 110
N = 4

الإجابة

N = 4
28.المنطق الرقمي: البوابات وخرائط كارنو والقلّابات

الإجابة: N = 3

القلّابات والعدّادات: لا يتغير القلّاب إلا عند الحافة الفعالة للساعة. يَنسخ D مدخله (Q⁺ = D)؛ و T يتبدّل عندما T = 1؛ و JK يحتفظ عند 00، ويصفّر عند 01، ويضبط عند 10، ويتبدّل عند 11. للعدّاد الثنائي ذي n بتّات 2ⁿ حالة ويعدّ بالنمط 2ⁿ؛ وعدّاد mod-N يعدّ 0 و 1 … حتى N − 1 ثم يعود إلى 0، ويحتاج إلى أصغر n يحقق 2ⁿ ≥ N قلّابات. تُنصّف كل مرحلة في العدّاد المتموّج التردد، فيعمل الخرج الأخير لعدّاد mod-N بالتردد fclk/N. لعدّاد جونسون من n قلّابات 2n حالة، وللعدّاد الحلقي n.

Q بعد كل حافة

يَنسخ قلّاب D القيمة D عند كل حافة صاعدة: Q⁺ = D.

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

عُدّ التغيرات

0 → 1 → 1 → 1 → 0 → 0 → 1 → 1
N = 3

الإجابة

N = 3
29.تحويلات لابلاس

الإجابة: f(0.1) = 2,062

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 + 10s + 25 = (s + 5)²

الكسور الجزئية

6s + 4 = 6(s + 5) + −26
F(s) = 6/(s + 5) − 26/(s + 5)²

التحويل العكسي

f(t) = 6·e−5t − 26·t·e−5t
f(0,1) = (6 − 26·0,1)·e−5·0,1 = 2,062

الإجابة

f(0,1) = 2,062
30.تحويلات لابلاس

الإجابة: y(0.2) = 7,833

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 − 10s − 1 + 9(sY − 10) + 20Y = 0
Y(s) = (10s + 91)/((s + 4)(s + 5))

الكسور الجزئية

A = 51/1 = 51
B = 41/(−1) = −41

النتيجة

y(t) = 51·e−4t − 41·e−5t
y(0,2) = 7,833

الإجابة

y(0,2) = 7,833

تحقّق: y(0) = A + B = 10.

31.المخططات الصندوقية

الإجابة: css = 5,625

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).

دالة تحويل الحلقة المغلقة

T(s) = G/(1 + G·H) = 18/(s + 7 + 9) = 18/(s + 16)

النتيجة

css = R·T(0) = 5·18/16 = 5,625

الإجابة

css = 5,625
32.المخططات الصندوقية

الإجابة: σ = −2,5

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

المعادلة المميزة

s(s + 5) + 24·2 = 0 → s² + 5s + 48 = 0

الجذور

s = −2,5 ± j·√(48 − 6,25) = −2,5 ± j6,461
σ = −2,5

الإجابة

σ = −2,5
33.الاستجابة الخطوية

الإجابة: %OS = 43,89 %

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 = 35 → ωₙ = 5,916 rad/s
2ζωₙ = 3 → ζ = 3/(2·5,916) = 0,2535

النتيجة

%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 100·e−0,8234 = 43,89 %

الإجابة

%OS = 43,89 %
34.الاستجابة الخطوية

الإجابة: ωn = 2132 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).

التردد الطبيعي ونسبة التخميد

ωₙ = 1/√(LC) = 1/√(0,01·2,2 × 10⁻⁵) = 2132 rad/s
ζ = (R/2)·√(C/L) = (26/2)·√(2,2 × 10⁻⁵/0,01) = 0,6098

النتيجة

ωₙ = 2132 rad/s

الإجابة

ωn = 2132 rad/s
35.مخططات بودي والهوامش

الإجابة: φ = 14,01 °

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/(22000·1 × 10⁻⁹) = 45455 rad/s
fc = 7234 Hz → f/fc = 29000/7234 = 4,009

الطور

φ = 90° − atan(4,009) = 14,01°

الإجابة

φ = 14,01°
36.مخططات بودي والهوامش

الإجابة: ωc = 18,4 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 + 400ω² − 250000 = 0
ω² = (−400 + √(160000 + 4·250000))/2 = 338,5
ωc = 18,4 rad/s

الإجابة

ωc = 18,4 rad/s
37.الاستقرار: راوث–هرفيتز والمحل الهندسي للجذور

الإجابة: Kmax = 15

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

كثير الحدود المميِّز

s(s + 2)(s + 3) + K(s + 7) = s³ + 5s² + (6 + K)s + 7K

جدول روث

s³: 1, 6 + K
s²: 5, 7K
s¹: (5·(6 + K) − 7K)/5
s⁰: 7K

الشرط

30 − 2K > 0
K < 30/2 = 15

الإجابة

Kmax = 15

لو وقع الصفر على يمين s = −5 لبقيت الحلقة مستقرة لكل K > 0.

38.الاستقرار: راوث–هرفيتز والمحل الهندسي للجذور

الإجابة: si = −16,94

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 + 9)

النقاط الحرجة

اشتق بقاعدة القسمة وساوِ البسط بالصفر.

(2s + 2)(s + 9) − (s² + 2s) = s² + 18s + 18 = 0
s = −9 ± √63 = −1,063, −16,94

نقطة الالتقاء

si = −16,94

الإجابة

si = −16,94

بين نقطتي الانفصال والالتقاء يكون المحل الهندسي دائرة مركزها الصفر، ونصف قطرها √63 = 7,937.

39.خطأ الحالة المستقرة والتحكم PID

الإجابة: K = 50

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 = 1·Kv = 50

الإجابة

K = 50

الكسب الكبير يجعل هذه الحلقة قليلة التخميد جدًا: ζ = 0,07071. وهذا التعارض هو سبب استخدام المعوِّضات.

40.خطأ الحالة المستقرة والتحكم PID

الإجابة: Ki = 25

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 + 2).

s² + (2 + 1Kp)s + 1Ki

كثير الحدود المستهدف

s² + 2·0,5·5s + 5² = s² + 5s + 25

طابِق المعاملات

1Ki = 25 → Ki = 25

الإجابة

Ki = 25

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