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​ = 20 ΩIR1​R3​ = 8 Ω+−V1​9 VR2​4 ΩAR4​10 ΩB

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

V1 = 9 VR1 = 20 ΩR2 = 4 ΩR3 = 8 ΩR4 = 10 Ω
IR1 = A
2.المقاومات على التوالي والتوازيصعبة
R1​ = 2 ΩIR1​R3​ = 12 ΩR5​ = 5 Ω+−V1​12 VR2​20 ΩAR4​20 ΩBR6​2 Ω

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

V1 = 12 VR1 = 2 ΩR2 = 20 ΩR3 = 12 ΩR4 = 20 ΩR5 = 5 ΩR6 = 2 Ω
IR1 = A
3.تحليل العقدمتوسطة
R1​ = 12 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​15 VR2​2 ΩAR4​4 ΩBIs​2,5 A

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

V1 = 15 VIs = 2,5 AR1 = 12 ΩR2 = 2 ΩR3 = 6 ΩR4 = 4 Ω
VA = V
4.تحليل العقدصعبة
R1​ = 6 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​36 VR2​20 ΩAR4​2 ΩIR4​B0,5·VA​

المعيّن هو مصدر تيار يتحكّم فيه الجهد، يدفع تيارًا مقداره 0,5·VA (بالأمبير، مع VA بالفولت) إلى الأعلى نحو العقدة B. استخدم تحليل العقد لإيجاد التيار IR4 المارّ في R4 باتجاه السهم.

V1 = 36 VR1 = 6 ΩR2 = 20 ΩR3 = 6 ΩR4 = 2 Ωg = 0,5 A/V
IR4 = A
5.تحليل الحلقاتمتوسطة
R1​ = 15 ΩR2​ = 4 Ω+−V1​24 VR3​15 ΩA+−V2​6 VI1​I2​

استخدم تحليل الحلقات لإيجاد تيار الحلقة I1 (باتجاه عقارب الساعة).

V1 = 24 VV2 = 6 VR1 = 15 ΩR2 = 4 ΩR3 = 15 Ω
I1 = A
6.تحليل الحلقاتصعبة
R1​ = 8 ΩR2​ = 5 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​6 VR4​10 Ω+−VR4​AR5​4 ΩB+−V2​30 VI1​I2​I3​

استخدم تحليل الحلقات لإيجاد الجهد VR4 على طرفي R4 بالقطبية الموضّحة.

V1 = 6 VV2 = 30 VR1 = 8 ΩR2 = 5 ΩR3 = 6 ΩR4 = 10 ΩR5 = 4 Ω
VR4 = V
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 = 10 V و Is = 2 mA، يكون I = 3 mA؛ ومع Vs = 15 V و Is = 8 mA، يكون I = 5,75 mA. أوجد تيار الحِمل I عندما Vs = 5 V و Is = 1 mA.

10 V, 2 mA → 3 mA15 V, 8 mA → 5,75 mAVs = 5 V, Is = 1 mA
I = mA
8.التراكبصعبة
R1​ = 25 ΩR2​ = 5 ΩR4​ = 3 Ω+−V1​9 VR3​8 ΩIR3​AIs​2 AB+−V2​?

أوجد قيمة مصدر الجهد V2 (بالقطبية الموضّحة) التي تجعل التيار IR3 في R3 مساويًا للصفر.

V1 = 9 VIs = 2 AR1 = 25 ΩR2 = 5 ΩR3 = 8 ΩR4 = 3 Ω
V2 = V
9.ثيفنن ونورتنمتوسطة
R1​ = 12 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​30 VR2​8 ΩAab

أوجد مقاومة ثيفنن Rth المرئية من الطرفين a–b.

V1 = 30 VR1 = 12 ΩR2 = 8 ΩR3 = 12 Ω
Rth = Ω
10.ثيفنن ونورتنصعبة
R1​ = 30 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​9 VR2​10 ΩAIs​1,5 ABRL​15 ΩIL​

وُصل حِمل RL = 15 Ω بين a–b. استبدل بقية الدائرة بمكافئ ثيفنن وأوجد تيار الحِمل IL.

V1 = 9 VIs = 1,5 AR1 = 30 ΩR2 = 10 ΩR3 = 12 ΩRL = 15 Ω
IL = A
11.الحالات العابرة RC و RLمتوسطة
+−Vs​12 Vt = 0R = 10 ΩL220 mHi(t)

لا يمرّ تيار في الملف قبل أن يُغلق المفتاح عند t = 0. أوجد الطاقة W المخزّنة في الملف عند t = 25 ms، بوحدة mJ.

Vs = 12 VR = 10 ΩL = 220 mHt = 25 ms
W = mJ
12.الحالات العابرة RC و RLصعبة
+−Vs​5 Vt = 0R = ?C100 µF+−vC​

يبدأ مؤقّت بشحن مكثّف غير مشحون عبر مقاومة من مصدر 5 V عند t = 0. يجب أن يُطلق عندما يبلغ جهد المكثّف 2,5 V، بعد 50 ms بالضبط من البداية. مع C = 100 µF، أوجد المقاومة R المطلوبة.

Vs = 5 VVth = 2,5 VT = 50 msC = 100 µF
R = kΩ
13.معاوقة التيار المتردد والطورياتمتوسطة
24 V200 HzR = 25 ΩL = 150 mHC = 2,2 µFI

دائرة RLC على التوالي موصولة بمصدر 24 V (فعّال)، 200 Hz. أوجد معامل القدرة cos φ للدائرة.

V = 24 V (rms)f = 200 HzR = 25 ΩL = 150 mHC = 2,2 µF
cos φ =
14.معاوقة التيار المتردد والطورياتصعبة
100 V50 HzR = 15 ΩL = 50 mHC = 22 µF+−VC​

دائرة RLC على التوالي موصولة بمصدر 100 V (فعّال)، 50 Hz. أوجد الجهد الفعّال VC على المكثّف.

V = 100 V (rms)f = 50 HzR = 15 ΩL = 50 mHC = 22 µF
VC = V
15.قدرة التيار المتردد ومعامل القدرةمتوسطة
P = 31 kWQSφ

يستهلك محرّك أحادي الطور 31 kW بمعامل قدرة 0,6 متأخّر من مصدر 240 V. أوجد تيار الخط I.

P = 31 kWpf = 0,6V = 240 V
I = A
16.قدرة التيار المتردد ومعامل القدرةصعبة
P = 15 kWQ1​S1​φ1​QC​

يستهلك حِمل أحادي الطور 15 kW بمعامل قدرة 0,7 متأخّر من مصدر 400 V، 60 Hz. يرفع مكثّف موصول على التوازي معامل القدرة إلى 0,92. أوجد القدرة غير الفعّالة QC التي يجب أن يزوّدها المكثّف.

P = 15 kWpf1 = 0,7pf2 = 0,92V = 400 Vf = 60 Hz
QC = kvar
17.القدرة ثلاثية الطورمتوسطة
ABCVL​ = 400 VNZ = 3 + j4 Ωلكل طور

حمل متوازن موصول Y ممانعته 3 + j4 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 = 3 + j4 Ω لكل طور
P = kW
18.القدرة ثلاثية الطورصعبة
P = 300 kWφ1​S1​Q2​QC​ = ?

حمل ثلاثي الطور متوازن يأخذ 300 kW عند معامل قدرة 0,7 متأخر من مصدر 690 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 = 300 kWpf1 = 0,7pf2 = 0,95VL = 690 Vf = 60 Hz
QC = kvar
19.المحوّلاتمتوسطة
10000 V400 VIHV​ = ?ILV​15 kVA

محوّل أحادي الطور 15 kVA و 10000/400 V يعمل عند حمله المقنَّن. اعتبره مثاليًا. أوجد التيار IHV في ملف الجهد العالي.

S = 15 kVAV1 = 10000 VV2 = 400 V
IHV = A
20.المحوّلاتصعبة
pf 0,8550 kVA, 50% الحمل

محوّل أحادي الطور 50 kVA مفقودات قلبه 250 W ومفقودات نحاسه 625 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 = 50 kVAPcore = 250 WPcu,fl = 625 Wx = 0,5pf = 0,85
Ploss = W
21.دوائر مكبّرات العملياتمتوسطة
−+Vout​Rf​ = ?R1​ = 22 kΩVin​

اختر مقاومة التغذية الراجعة Rf التي تعطي هذا المكبّر غير العاكس كسب جهد 5.

R1 = 22 kΩAv = 5
Rf = kΩ
22.دوائر مكبّرات العملياتصعبة
−+Vout​Rf​ = 10 kΩV1​ = −1,2 VR1​ = 4,7 kΩV2​ = −1,8 VR2​ = 100 kΩIf​

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

V1 = −1,2 VV2 = −1,8 VR1 = 4,7 kΩR2 = 100 kΩRf = 10 kΩ
If = mA
23.الثنائيات والترانزستوراتمتوسطة
RC​ = 4,7 kΩβ = 50IC​ = ?VCC​ = 10 VRB​ = 330 kΩ

ترانزستور NPN بـ β = 50 منحاز بمقاومة قاعدة RB = 330 kΩ من المصدر VCC = 10 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 = 10 VRB = 330 kΩRC = 4,7 kΩβ = 50VBE = 0,7 V
IC = mA
24.الثنائيات والترانزستوراتصعبة
+−≤ 23 V680 Ω6,2 V

لمنظم زينر 6,2 V مقاومة توالٍ 680 Ω. قد يرتفع الدخل إلى 23 V، وقد يكون الحمل مفصولًا. أوجد أكبر قدرة PZ,max يجب أن يبددها زينر.

Vin,max = 23 VVZ = 6,2 VR = 680 Ω
PZ,max = mW
25.أنظمة العدمتوسطة
القيم الموضعية في المتمم الثنائي1−12806403211608140211

النمط ذو 8 بتات 1001 0101 يخزّن عددًا صحيحًا بإشارة بصيغة المتمم الثنائي. ما قيمته N في النظام العشري؟

1001 01018 bit
N =
26.أنظمة العدصعبة
انقر على البتات لضبطها012806403201608040201

اضبط البتات على الناتج بـ 8 بتات لـ 0100 0101 OR 1010 1101. ما قيمة الناتج R بالعشري؟

0100 0101OR1010 1101
R =
27.المنطق الرقمي: البوابات وخرائط كارنو والقلّاباتمتوسطة
MUX0I0​CI1​CI2​1I3​ABS1​S0​F

لمضاعِف 4-إلى-1 مدخلا الاختيار S₁ = A و S₀ = B، ومداخل بياناته موصولة بـ I₀ = 0, I₁ = C, I₂ = C, I₃ = 1. في كم من تركيبات A و B و C الثماني يكون المخرج F = 1؟ جد N.

I₀ = 0I₁ = CI₂ = CI₃ = 1
N =
28.المنطق الرقمي: البوابات وخرائط كارنو والقلّاباتصعبة
ABCD0001111000011110101113X2X4X507160121131150141809011010

جد الصيغة الدنيا SOP للدالة F(A, B, C, D) = Σm(0, 1, 3, 6, 8, 13, 15) + d(2, 4, 5)، حيث تشير d إلى حالات عدم الاكتراث. كم حد جداء N فيها؟

F(A, B, C, D) = Σm(0, 1, 3, 6, 8, 13, 15) + d(2, 4, 5)
N =
29.تحويلات لابلاسمتوسطة
t (s)f(t)t = 0,25f(0,25) = ?

أوجد f(t) للدالة F(s) = 15/(s(s + 4)(s + 6)) بالكسور الجزئية، واحسب f(0,25).

F(s) = 15/(s(s + 4)(s + 6))t = 0,25 s
f(0.25) =
30.تحويلات لابلاسصعبة
t (s)y(t)t = 0,1y(0,1) = ?

يخضع نظام للمعادلة y″ + 10y′ + 24y = 72·u(t)، مع y(0) = 2 و y′(0) = 0. عند t = 0 يُطبَّق دخل خطوة u(t) = 5. استخدم تحويل لابلاس لإيجاد y(0,1).

y″ + 10y′ + 24y = 72·u(t)y(0) = 2y′(0) = 0u(t) = 5t = 0,1 s
y(0.1) =
31.المخططات الصندوقيةمتوسطة
R(s)+K(s + 3)(s + 8)G(s)C(s)−

النظام المُتحكَّم فيه G(s) = K/((s + 3)(s + 8)) في حلقة تغذية راجعة سالبة أحادية. أوجد الكسب K الذي تكون عنده الحلقة المغلقة متخامدة تخميدًا حرجًا (قطبان حقيقيان متساويان).

G(s) = K/((s + 3)(s + 8))تغذية راجعة سالبة أحادية
K =
32.المخططات الصندوقيةصعبة
R(s)+20s + 2G₁+2s + 3G₂C(s)1H₁−0,5H₂−

اختزل المخطط الصندوقي مع G₁ = 20/(s + 2) و G₂ = 2/(s + 3) وتغذية راجعة سالبة داخلية H₁ = 1 حول G₂ وتغذية راجعة سالبة خارجية H₂ = 0,5. أوجد كسب التيار المستمر T(0) للنسبة C(s)/R(s).

G₁ = 20/(s + 2)G₂ = 2/(s + 3)H₁ = 1H₂ = 0,5
T(0) =
33.الاستجابة الخطويةمتوسطة
t (s)y(t)0,5ts​ = ?

لنظام دالة النقل G(s) = 7/(s² + 3s + 14) ويتلقى دخلًا خطويًا وحدويًا. أوجد زمن الاستقرار ts عند 2 % للاستجابة الخطوية باستخدام ts ≈ 4/(ζωₙ).

G(s) = 7/(s² + 3s + 14)
ts = s
34.الاستجابة الخطويةصعبة
R(s)+240s(s + 20)G(s)C(s)−

لحلقة تغذية عكسية سالبة وحدوية G(s) = 240/(s(s + 20)). أوجد زمن الاستقرار ts عند 2 % للاستجابة الخطوية للحلقة المغلقة باستخدام ts ≈ 4/(ζωₙ).

G(s) = 240/(s(s + 20))
ts = s
35.مخططات بودي والهوامشمتوسطة
|H| (dB)0,11101001000−60−40−2002040ω (rad/s)ω = 3

أوجد المقدار الدقيق |G(jω)| لـ G(s) = 1600/((s + 5)(s + 20)) عند ω = 3 rad/s، بوحدة dB.

G(s) = 1600/((s + 5)(s + 20))ω = 3 rad/s
|G(jω)| = 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) = 4/(s(s + 1)(s + 2)). أوجد هامش الكسب GM بوحدة dB.

L(s) = 4/(s(s + 1)(s + 2))
GM = dB
37.الاستقرار: راوث–هرفيتز والمحل الهندسي للجذورمتوسطة
R(s)+K = 3841s(s + 6)(s + 10)C(s)−

تعمل حلقة المخطط بالكسب K = 384 وL(s) = K/(s(s + 6)(s + 10)). بأي عامل m يمكن رفع الكسب قبل أن تصبح الحلقة المغلقة غير مستقرة؟

L(s) = K/(s(s + 6)(s + 10))K = 384
m =
38.الاستقرار: راوث–هرفيتز والمحل الهندسي للجذورصعبة
ReIm−2−4−6−8−10−12j2

يغادر المحل الهندسي للجذور لـ L(s) = K/(s(s + 2)(s + 10)) المحور الحقيقي بين s = 0 وs = −2. أوجد نقطة الانفصال sb.

L(s) = K/(s(s + 2)(s + 10))
sb =
39.خطأ الحالة المستقرة والتحكم PIDمتوسطة
r(t) = 1t+Ks(s + 10)C(s)−

يجب أن تتبع حلقة تغذية عكسية وحدوية فيها G(s) = K/(s(s + 10)) المنحدر r(t) = 1t بخطأ حالة مستقرة قدره 0,2. أوجد الكسب K.

G(s) = K/(s(s + 10))r(t) = 1tess = 0,2
K =
40.خطأ الحالة المستقرة والتحكم PIDصعبة
R(s)+K = 251s(s + 6)C(s)−

يتحكم متحكم تناسبي K = 25 في المحطة G(s) = 1/(s(s + 6)) ضمن حلقة تغذية عكسية وحدوية. أوجد زمن الذروة tp للاستجابة الخطوية.

G(s) = 1/(s(s + 6))K = 25
tp = s

3المحاليل

1.المقاومات على التوالي والتوازي

الإجابة: IR1 = 0,3867 A

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

R1​ = 20 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​9 VR2​4 ΩAR4​10 ΩB

اجمع المقاومات بدءًا من الطرف البعيد

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

R3 + R4 = 8 + 10 = 18 Ω
R2 ∥ 18 = 4·18/(4+18) = 3,273 Ω
Req = R1 + 3,273 = 20 + 3,273 = 23,27 Ω

التيار من المصدر

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

IR1 = V1/Req = 9/23,27 = 0,3867 A

الإجابة

IR1 = 0,3867 A
2.المقاومات على التوالي والتوازي

الإجابة: IR1 = 1,067 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​ = 12 ΩR5​ = 5 Ω+−V1​12 VR2​20 ΩAR4​20 ΩBR6​2 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 = 5 + 2 = 7 Ω
R4 ∥ 7 = 5,185 Ω
R3 + 5,185 = 17,19 Ω
R2 ∥ 17,19 = 9,243 Ω
Req = R1 + 9,243 = 2 + 9,243 = 11,24 Ω

التيار من المصدر

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

IR1 = V1/Req = 12/11,24 = 1,067 A

الإجابة

IR1 = 1,067 A
3.تحليل العقد

الإجابة: VA = 3,293 V

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

R1​ = 12 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​15 VR2​2 ΩAR4​4 ΩBIs​2,5 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/2 + (VA − 15)/12 + (VA − VB)/6 = 0
0,75·VA − 0,1667·VB = 1,25

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/4 + (VB − VA)/6 = 2,5
−0,1667·VA + 0,4167·VB = 2,5

الحل

Δ = (0,75)(0,4167) − (−0,1667)(−0,1667) = 0,2847
VA = Δ1/Δ = 0,9375/0,2847 = 3,293 V
VB = Δ2/Δ = 2,083/0,2847 = 7,317 V

الإجابة

VA = 3,293 V
4.تحليل العقد

الإجابة: IR4 = 13,85 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

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

(VA − V1)/R1 + VA/R2 + (VA − VB)/R3 = 0
0,3833·VA − 0,1667·VB = 6

قانون كيرشوف للتيار عند العقدة B

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

(VB − VA)/R3 + VB/R4 = 0,5·VA
−0,6667·VA + 0,6667·VB = 0

الحل

Δ = (0,3833)(0,6667) − (−0,1667)(−0,6667) = 0,1444
VA = Δ1/Δ = 4/0,1444 = 27,69 V
VB = Δ2/Δ = 4/0,1444 = 27,69 V

التيار في R₄

IR4 = VB/R4 = 27,69/2 = 13,85 A

الإجابة

IR4 = 13,85 A
5.تحليل الحلقات

الإجابة: I1 = 1,061 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​ = 4 Ω+−V1​24 VR3​15 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
15·I1 + 15(I1 − I2) = 24
30·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 + R3(I2 − I1) = −V2
4·I2 + 15(I2 − I1) = (−6)
−15·I1 + 19·I2 = −6

الحل

Δ = (30)(19) − (−15)(−15) = 345
I1 = Δ1/Δ = 366/345 = 1,061 A
I2 = Δ2/Δ = 180/345 = 0,5217 A

الإجابة

I1 = 1,061 A

تيار الحلقة السالب يسري عكس عقارب الساعة.

6.تحليل الحلقات

الإجابة: VR4 = 6,585 V

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​ = 5 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​6 VR4​10 ΩAR5​4 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
8·I1 + 10(I1 − I2) = 6
18·I1 − 10·I2 = 6

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 + 10(I2 − I1) + 4(I2 − I3) = 0
−10·I1 + 19·I2 − 4·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 + 4(I3 − I2) = (−30)
−4·I2 + 10·I3 = −30

الحل

Δ = محدد مصفوفة المعاملات = 2132
I1 = Δ1/Δ = −156/2132 = −0,07317 A
I2 = Δ2/Δ = −1560/2132 = −0,7317 A
I3 = Δ3/Δ = −7020/2132 = −3,293 A

الإجابة

IR4 = I1 − I2 = 0,6585 A
VR4 = IR4·R4 = 0,6585·10 = 6,585 V

تيار الحلقة السالب يسري عكس عقارب الساعة.

7.التراكب

الإجابة: I = 1,5 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
10·k₁ + 2·k₂ = 3
15·k₁ + 8·k₂ = 5,75

حلّ لإيجاد الثابتين

Δ = (10)(8) − (2)(15) = 50
k₁ = Δ1/Δ = 12,5/50 = 0,25
k₂ = Δ2/Δ = 12,5/50 = 0,25
k₁ = 0,25 mA/V, k₂ = 0,25

توقّع التيار الجديد

I = 0,25·5 + 0,25·1 = 1,5 mA

الإجابة

I = 1,5 mA
8.التراكب

الإجابة: V2 = 3,12 V

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

R1​ = 25 ΩR2​ = 5 ΩR4​ = 3 Ω+−V1​9 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 ∥ 8 = 4 Ω
VA = 9·4/(25+4) = 1,241 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 1,241·3/8 = 0,4655 V
R1​ = 25 ΩR2​ = 5 ΩR4​ = 3 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. سهم Iₛ يشير إلى الأسفل، بعيدًا عن عقدته، لذا يسحب Iₛ تيارًا من تلك العقدة: يدخل حدّه بإشارة سالبة.

R1 ∥ R3 = 6,061 Ω، إذن المسار الأيسر هو R2+6,061 = 11,06 Ω
Req = R4 ∥ 11,06 = 2,36 Ω
VB = −Is·Req = −2·2,36 = −4,72 V
VA = VB·6,061/11,06 = −2,586 V

الحالة 3 · V2 يعمل وحده، لكل فولت

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

R1 ∥ R3 = 6,061 Ω
VA‴ = V2·6,061/(3 + 5 + 6,061) = 0,431·V2

اجعل VA صفرًا

عندما VA = 0 لا يوجد جهد على R₃، لذا تياره صفر.

VA′ + VA″ + VA‴ = 1,241 + (−2,586) + 0,431·V2 = 0
V2 = 1,345/0,431 = 3,12 V

الإجابة

V2 = 3,12 V
9.ثيفنن ونورتن

الإجابة: Rth = 16,8 Ω

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

R1​ = 12 ΩR3​ = 12 ΩقصرR2​8 ΩAabRth​

أوجد Rth مع إطفاء كل المصادر

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

R1 ∥ R2 = 12·8/(12+8) = 4,8 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 4,8 + 12 = 16,8 Ω
10.ثيفنن ونورتن

الإجابة: IL = 0,913 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​ = 30 ΩR3​ = 12 ΩقصرR2​10 ΩAمفتوحBabRth​

أوجد Rth مع إطفاء كل المصادر

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

R1 ∥ R2 = 30·10/(30+10) = 7,5 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 7,5 + 12 = 19,5 Ω
R1​ = 30 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​9 VR2​10 ΩAIs​1,5 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) = 2,25 + 1,5·7,5 = 13,5 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 13,5 + 1,5·12 = 31,5 V
Rth​ = 19,5 Ω+−Vth​31,5 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) = 31,5/(19,5 + 15) = 0,913 A
11.الحالات العابرة RC و RL

الإجابة: W = 73,03 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 = 220 mH / 10 Ω = 22 ms
i(∞) = Vs/R = 12/10 = 1,2 A

التيار في اللحظة المعطاة

i(t) = 1,2·(1 − e−25/22) = 0,8148 A

الطاقة المخزّنة

W = ½·L·i² = ½·220·0,8148² = 73,03 mJ

الإجابة

W = 73,03 mJ
12.الحالات العابرة RC و RL

الإجابة: R = 0,7213 kΩ

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

الثابت الزمني المطلوب

2,5 = 5·(1 − e−50/τ) → τ = 50/ln(5/(5 − 2,5))
τ = 50/0,6931 = 72,13 ms

المقاومة

kΩ مضروبة في µF تعطي ميلي ثانية.

R = τ/C = 72,13/100 = 0,7213 kΩ

الإجابة

R = 0,7213 kΩ
13.معاوقة التيار المتردد والطوريات

الإجابة: cos φ = 0,1428

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 = 188,5 Ω, XC = 361,7 Ω

المعاوقة

|Z| = √(25² + (−173,2)²) = 175 Ω

معامل القدرة

cos φ = R/|Z| = 25/175 = 0,1428
الدائرة سعوية، لذا معامل القدرة متقدّم.

الإجابة

cos φ = 0,1428
14.معاوقة التيار المتردد والطوريات

الإجابة: VC = 111,4 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·50 = 314,2 rad/s
XL = ωL = 314,2·0,05 = 15,71 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(314,2·22·10⁻⁶) = 144,7 Ω

المعاوقة

على التوالي تُجمع المعاوقات كأعداد مركّبة: Z = R + j(XL − XC).

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(15² + (−129)²) = 129,8 Ω

التيار

يمرّ التيار نفسه في كل عنصر من عناصر دائرة التوالي.

I = V/|Z| = 100/129,8 = 0,7701 A

الجهد على المكثّف

VC = I·XC = 0,7701·144,7 = 111,4 V

الإجابة

VC = 111,4 V
15.قدرة التيار المتردد ومعامل القدرة

الإجابة: I = 215,3 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.

تيار الخط

الجزء الفعلي من القدرة فقط يؤدّي الشغل، لذا اقسم على معامل القدرة.

I = P/(V·cos φ) = 31000/(240·0,6) = 215,3 A

الإجابة

I = 215,3 A
16.قدرة التيار المتردد ومعامل القدرة

الإجابة: QC = 8,913 kvar

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

القدرة غير الفعّالة قبل وبعد

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

Q1 = P·tan φ1 = 15·tan(45,57°) = 15,3 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 15·tan(23,07°) = 6,39 kvar
QC = Q1 − Q2 = 8,913 kvar

الإجابة

QC = 8,913 kvar
17.القدرة ثلاثية الطور

الإجابة: P = 19,2 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 = 400/√3 = 230,9 V

تيار الطور

|Z| = √(3² + 4²) = 5 Ω
Iph = 230,9/5 = 46,19 A

القدرة الفعّالة الكلية

الجزء المقاومي فقط من كل ممانعة يمتصّ القدرة الفعّالة.

P = 3·Iph²·R = 3·46,19²·3 = 19,2 kW

الإجابة

P = 19,2 kW

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

18.القدرة ثلاثية الطور

الإجابة: QC = 207,5 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 = 300·tan(acos 0,7) = 300·1,02 = 306,1 kvar
Q2 = 300·tan(acos 0,95) = 300·0,3287 = 98,61 kvar

القدرة غير الفعّالة من المكثّفات

QC = Q1 − Q2 = 207,5 kvar

الإجابة

QC = 207,5 kvar
19.المحوّلات

الإجابة: IHV = 1,5 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.

IHV = S/V = 15000/10000 = 1,5 A

الإجابة

IHV = 1,5 A
20.المحوّلات

الإجابة: Ploss = 406,3 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 = 0,25·625 = 156,3 W

المفقودات الكلية

مفقودات القلب هي نفسها عند أي حمل.

Ploss = 250 + 156,3 = 406,3 W

الإجابة

Ploss = 406,3 W

الكفاءة عند هذا الحمل η = 98,12%.

21.دوائر مكبّرات العمليات

الإجابة: Rf = 88 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 = (5 − 1)·22 = 88 kΩ

الإجابة

Rf = 88 kΩ
22.دوائر مكبّرات العمليات

الإجابة: If = −0,2733 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 = −1,2/4,7 = −0,2553 mA
I2 = V2/R2 = −1,8/100 = −0,018 mA
If = I1 + I2 = −0,2733 mA

الإجابة

If = −0,2733 mA
23.الثنائيات والترانزستورات

الإجابة: IC = 1,409 mA

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

تيار القاعدة

IB = (VCC − VBE)/RB = (10 − 0,7)/330 kΩ = 28,18 µA

تيار المجمِّع

IC = β·IB = 50·28,18 µA = 1,409 mA

الإجابة

IC = 1,409 mA

تحقّق: VCE = 3,377 V أعلى بوضوح من 0,2 V، لذا الترانزستور فعلًا في المنطقة الفعّالة.

24.الثنائيات والترانزستورات

الإجابة: PZ,max = 153,2 mW

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

تيار زينر في أسوأ حالة

IZ = 16,8/680 = 24,71 mA

قدرة زينر

PZ = 6,2·24,71 = 153,2 mW

الإجابة

PZ,max = 153,2 mW
25.أنظمة العد

الإجابة: N = −107

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.

اجمع القيم

تحتفظ البتات الأخرى بقيمها الموجبة المعتادة.

−128 + 16 + 4 + 1 = −107

الإجابة

N = −107
26.أنظمة العد

الإجابة: R = 237

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 0101
OR 1010 1101
= 1110 1101

قيمة الناتج

1110 1101₂ = 237

الإجابة

R = 237
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′BC + AB′C + AB

الصفوف التي F = 1 فيها

ABC = 011, 101, 110, 111
N = 4

الإجابة

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

الإجابة: N = 4

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′C′D′, BC′D, A′D′, A′C′, A′B′, ABD
ABCD0001111000011110101113X2X4X507160121131150141809011010

التغطية الدنيا

F = B′C′D′ + A′D′ + A′B′ + ABD
N = 4

الإجابة

N = 4
29.تحويلات لابلاس

الإجابة: f(0.25) = 0,2141

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 + 4) + C/(s + 6)
A = 15/(4·6) = 0,625
B = 15/((−4)·2) = −1,875
C = 15/((−6)·(−2)) = 1,25

التحويل العكسي

f(t) = 0,625 − 1,875·e−4t + 1,25·e−6t

احسب

f(0,25) = 0,625 − 1,875·e−4·0,25 + 1,25·e−6·0,25 = 0,2141

الإجابة

f(0,25) = 0,2141
30.تحويلات لابلاس

الإجابة: y(0.1) = 3,127

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 + 10s + 24)·Y(s) = 2s + 20 + 360/s
Y(s) = (2s² + 20s + 360)/(s(s + 4)(s + 6))

الكسور الجزئية

A = 360/(4·6) = 15
B = 312/((−4)·2) = −39
C = 312/((−6)·(−2)) = 26

النتيجة

y(t) = 15 − 39·e−4t + 26·e−6t
y(0,1) = 3,127

الإجابة

y(0,1) = 3,127

تحقّق: y(0) = A + B + C = 2.

31.المخططات الصندوقية

الإجابة: K = 6,25

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 + 3)(s + 8)) = 0 → s² + 11s + 24 + K = 0

جذر مكرّر

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

11² = 4(24 + K) → K = 121/4 − 24 = 6,25

الإجابة

K = 6,25
يقع القطبان للحلقة المغلقة عندئذٍ عند s = −5,5.
32.المخططات الصندوقية

الإجابة: T(0) = 1,333

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

الحلقة الداخلية

Gᵢ = G₂/(1 + G₂H₁) = 2/(s + 5)

الحلقة الخارجية

T(s) = G₁Gᵢ/(1 + G₁GᵢH₂) = 40/((s + 2)(s + 5) + 20)

كسب التيار المستمر

T(0) = 40/(2·5 + 20) = 40/30 = 1,333

الإجابة

T(0) = 1,333
33.الاستجابة الخطوية

الإجابة: ts = 2,667 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 = 14 → ωₙ = 3,742 rad/s
2ζωₙ = 3 → ζ = 3/(2·3,742) = 0,4009

النتيجة

ζωₙ = 1,5 → ts ≈ 4/1,5 = 2,667 s

الإجابة

ts = 2,667 s
34.الاستجابة الخطوية

الإجابة: ts = 0,4 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).

دالة تحويل الحلقة المغلقة

T(s) = 240/(s² + 20s + 240): ωₙ = 15,49 rad/s, ζ = 0,6455

زمن الاستقرار

ζωₙ = 20/2 = 10
ts ≈ 4/(ζωₙ) = 0,4 s

الإجابة

ts = 0,4 s

في هذه الحلقة ζωₙ = a/2 مهما كانت K: زيادة K تزيد التجاوز لكنها لا تقصّر زمن الاستقرار.

35.مخططات بودي والهوامش

الإجابة: |G(jω)| = 22,65 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.

اضرب المقادير

|G(j3)| = 1600/(√(3² + 5²)·√(3² + 20²)) = 1600/(5,831·20,22) = 13,57

النتيجة

20·log₁₀(13,57) = 22,65 dB

الإجابة

|G(jω)| = 22,65 dB
36.مخططات بودي والهوامش

الإجابة: GM = 3,522 dB

الاستجابة الترددية: عوّض s = jω في دالة النقل. المقدار بالديسيبل هو 20·log₁₀|H(jω)| والطور هو مجموع زوايا عوامل البسط ناقص زوايا عوامل المقام. مرشح RC أو RL من الرتبة الأولى له تردد الركن (−3 dB) عند ωc = 1/(RC) أو R/L، وfc = ωc/(2π)؛ ومرشح تمرير الترددات المنخفضة يعطي |H| = 1/√(1 + (ω/ωc)²) وφ = −atan(ω/ωc). وفي مخطط بودي التقريبي (الخطوط المستقيمة) ينحني كل قطب بالمقدار إلى الأسفل بـ 20 dB/decade عند تردد ركنه، وينحني كل صفر إلى الأعلى بـ 20 dB/decade، ويعطي المكامل 1/s ميلًا قدره −20 dB/decade عند كل الترددات. تردد تقاطع الكسب ωc: |L(jω)| = 1 (0 dB)؛ وهامش الطور PM = 180° + ∠L(jωc). تردد تقاطع الطور ω180: ∠L(jω) = −180°؛ وهامش الكسب GM = −20·log₁₀|L(jω180)| dB. تكون الحلقة المغلقة مستقرة حين يكون الهامشان موجبين.

تقاطع الطور

(ω/1)·(ω/2) = 1 → ω180 = √(1·2) = 1,414 rad/s

المقدار عند تقاطع الطور

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 1)·√(ω² + 4)) = K/(1·2·(1 + 2)) = K/6

هامش الكسب

GM = 20·log₁₀(6/4) = 3,522 dB

الإجابة

GM = 3,522 dB
37.الاستقرار: راوث–هرفيتز والمحل الهندسي للجذور

الإجابة: m = 2,5

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 + 16s² + 60s + K = 0
s³: 1, 60
s²: 16, K
s¹: (16·60 − K)/16
s⁰: K

أكبر كسب مستقر

Kmax = 16·60 = 960

العامل

m = 960/384 = 2,5

الإجابة

m = 2,5

هذا العامل هو هامش الكسب كنسبة: 7,959 dB.

38.الاستقرار: راوث–هرفيتز والمحل الهندسي للجذور

الإجابة: sb = −0,9449

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) = −s(s + 2)(s + 10) = −(s³ + 12s² + 20s)

النقاط الحرجة

dK/ds = −(3s² + 24s + 20) = 0
s = (−24 ± √(576 − 240))/6 = −0,9449, −7,055

اختر النقطة الواقعة على المحل الهندسي

يقع المحل الهندسي على المحور الحقيقي بين 0 و−2؛ أما الجذر الآخر فليس على المحل الهندسي.

sb = −0,9449

الإجابة

sb = −0,9449
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 = 1/0,2 = 5

الكسب

K = 10·Kv = 50

الإجابة

K = 50

الكسب الكبير يجعل هذه الحلقة قليلة التخميد جدًا: ζ = 0,7071. وهذا التعارض هو سبب استخدام المعوِّضات.

40.خطأ الحالة المستقرة والتحكم PID

الإجابة: tp = 0,7854 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 + 6) + 25·1 = s² + 6s + 25

ωₙ وζ

ωₙ = √25 = 5 rad/s
ζ = 6/(2·5) = 0,6

زمن الذروة

ωd = 5·√(1 − 0,6²) = 4 rad/s
tp = π/4 = 0,7854 s

الإجابة

tp = 0,7854 s

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

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