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​ = 15 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​15 VR2​10 ΩAR4​15 ΩB

أوجد المقاومة المكافئة Req التي يراها المصدر V1.

V1 = 15 VR1 = 15 ΩR2 = 10 ΩR3 = 8 ΩR4 = 15 Ω
Req = Ω
2.المقاومات على التوالي والتوازيصعبة
R1​ = 6 ΩR3​ = 10 ΩR5​ = 6 Ω+−V1​12 VR2​6 ΩAR4​12 ΩBR6​25 Ω

أوجد المقاومة المكافئة Req التي يراها المصدر V1.

V1 = 12 VR1 = 6 ΩR2 = 6 ΩR3 = 10 ΩR4 = 12 ΩR5 = 6 ΩR6 = 25 Ω
Req = Ω
3.تحليل العقدمتوسطة
R1​ = 4 ΩIR1​R3​ = 8 Ω+−V1​12 VR2​3 ΩAR4​4 ΩBIs​2,5 A

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

V1 = 12 VIs = 2,5 AR1 = 4 ΩR2 = 3 ΩR3 = 8 ΩR4 = 4 Ω
IR1 = A
4.تحليل العقدصعبة
R1​ = 15 ΩIR1​R2​ = 2 ΩR4​ = 3 Ω+−V1​15 VR3​10 ΩAR5​6 ΩBIs​3 A−+V2​6 V

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

V1 = 15 VIs = 3 AV2 = 6 VR1 = 15 ΩR2 = 2 ΩR3 = 10 ΩR4 = 3 ΩR5 = 6 Ω
IR1 = A
5.تحليل الحلقاتمتوسطة
R1​ = 6 ΩR2​ = 12 Ω+−V1​9 VR3​3 ΩA+−V2​18 VI1​I2​

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

V1 = 9 VV2 = 18 VR1 = 6 ΩR2 = 12 ΩR3 = 3 Ω
I2 = A
6.تحليل الحلقاتصعبة
R1​ = 5 ΩIR1​R2​ = 5 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​5 VR4​10 ΩAR5​2 ΩB+−V2​30 VI1​I2​I3​

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

V1 = 5 VV2 = 30 VR1 = 5 ΩR2 = 5 ΩR3 = 4 ΩR4 = 10 ΩR5 = 2 Ω
IR1 = A
7.التراكبمتوسطة
R1​ = 3 ΩR3​ = 15 ΩIR3​+−V1​12 VR2​20 ΩAR4​12 ΩBIs​1,5 A

استخدم مبدأ التراكب لإيجاد القدرة PR3 التي يمتصها R3.

V1 = 12 VIs = 1,5 AR1 = 3 ΩR2 = 20 ΩR3 = 15 ΩR4 = 12 Ω
PR3 = W
8.التراكبصعبة
R1​ = 15 ΩR2​ = 4 ΩR4​ = 5 Ω+−V1​10 VR3​2 ΩIR3​AIs​2 AB+−V2​36 V

استخدم مبدأ التراكب لإيجاد التيار IR3 المارّ في R3 باتجاه السهم.

V1 = 10 VIs = 2 AV2 = 36 VR1 = 15 ΩR2 = 4 ΩR3 = 2 ΩR4 = 5 Ω
IR3 = A
9.ثيفنن ونورتنمتوسطة
R1​ = 3 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​18 VR2​3 ΩARL​3 ΩIL​B

وُصل حِمل RL = 3 Ω بين a–b. استبدل بقية الدائرة بمكافئ ثيفنن وأوجد تيار الحِمل IL.

V1 = 18 VR1 = 3 ΩR2 = 3 ΩR3 = 2 ΩRL = 3 Ω
IL = A
10.ثيفنن ونورتنصعبة
R1​ = 15 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​5 VR2​8 ΩAIs​4 ABab

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

V1 = 5 VIs = 4 AR1 = 15 ΩR2 = 8 ΩR3 = 15 Ω
IN = A
11.الحالات العابرة RC و RLمتوسطة
+−Vs​24 Vt = 0R = 22 ΩL22 mHi(t)

لا يمرّ تيار في الملف قبل أن يُغلق المفتاح عند t = 0. أوجد التيار i عند t = 1 ms.

Vs = 24 VR = 22 ΩL = 22 mHt = 1 ms
i = A
12.الحالات العابرة RC و RLصعبة
+−Vs​9 Vt = 0R = 2,2 kΩC47 µF+−vC​vC​(0) = 6 V

قبل إغلاق المفتاح عند t = 0 مباشرة، يكون جهد المكثّف 6 V بالقطبية الموضّحة. كم يستغرق vC ليبلغ 7,8 V؟ أوجد t.

Vs = 9 VR = 2,2 kΩC = 47 µFvC(0) = 6 V
t = ms
13.معاوقة التيار المتردد والطورياتمتوسطة
12 V100 HzR = 80 ΩL = 150 mHC = 47 µFI

دائرة RLC على التوالي موصولة بمصدر 12 V (فعّال)، 100 Hz. أوجد القدرة الفعلية P المسحوبة من المصدر.

V = 12 V (rms)f = 100 HzR = 80 ΩL = 150 mHC = 47 µF
P = W
14.معاوقة التيار المتردد والطورياتصعبة
120 V50 HzR = 50 ΩL = 100 mHC = 22 µF+−VC​

دائرة RLC على التوالي موصولة بمصدر 120 V (فعّال)، 50 Hz. أوجد الجهد الفعّال VC على المكثّف.

V = 120 V (rms)f = 50 HzR = 50 ΩL = 100 mHC = 22 µF
VC = V
15.قدرة التيار المتردد ومعامل القدرةمتوسطة
P = 19 kWQSφ

يستهلك محرّك أحادي الطور 19 kW بمعامل قدرة 0,6 متأخّر من مصدر 240 V. أوجد تيار الخط I.

P = 19 kWpf = 0,6V = 240 V
I = A
16.قدرة التيار المتردد ومعامل القدرةصعبة
P = 5 kWQ1​S1​φ1​QC​

يستهلك حِمل أحادي الطور 5 kW بمعامل قدرة 0,7 متأخّر من مصدر 230 V، 60 Hz. يرفع مكثّف موصول على التوازي معامل القدرة إلى 0,95. أوجد السعة C اللازمة.

P = 5 kWpf1 = 0,7pf2 = 0,95V = 230 Vf = 60 Hz
C = µF
17.القدرة ثلاثية الطورمتوسطة
ABCVL​ = 690 VIL​ = ?M55 kW, η = 94%cos φ = 0,82

محرّك حثّي ثلاثي الطور يعطي قدرة خرج ميكانيكية مقدارها 55 kW عند الحمل الكامل. عند هذا الحمل تكون كفاءته 94% ومعامل قدرته 0,82 متأخرًا. جهد خط المصدر 690 V. أوجد تيار الخط IL.

Pout = 55 kWη = 94%cos φ = 0,82VL = 690 V
IL = A
18.القدرة ثلاثية الطورصعبة
P = 60 kWφ1​S1​Q2​QC​

حمل ثلاثي الطور متوازن يأخذ 60 kW عند معامل قدرة 0,75 متأخر من مصدر 400 V (جهد خط) و 60 Hz. يجب أن ترفع مجموعة مكثّفات ثلاثية الطور موصولة على التوازي مع الحمل معامل القدرة الكلي إلى 0,92 متأخر. تبقى القدرة الفعّالة كما هي. المكثّفات موصولة دلتا (Δ). أوجد السعة Cph لكل مكثّف بالـ µF.

P = 60 kWpf1 = 0,75pf2 = 0,92VL = 400 Vf = 60 Hz
Cph = µF
19.المحوّلاتمتوسطة
RL​ = 12 Ω21480 VV2​I1​ = ?I2​

محوّل مثالي نسبة لفّاته N₁:N₂ = 2:1، طُبّق على ملفه الابتدائي جهد 480 V. وُصلت مقاومة 12 Ω على طرفي الملف الثانوي. أوجد التيار الابتدائي I1.

N1:N2 = 2:1V1 = 480 VRL = 12 Ω
I1 = A
20.المحوّلاتصعبة
200 kVA

محوّل أحادي الطور 200 kVA مفقودات قلبه 800 W ومفقودات نحاسه 1600 W عند الحمل المقنَّن. عند أي حمل Sη,max، بالـ kVA، تكون كفاءته في أعلاها؟

S = 200 kVAPcore = 800 WPcu,fl = 1600 W
Sη,max = kVA
21.دوائر مكبّرات العملياتمتوسطة
−+Vout​Rf​ = ?R1​ = 10 kΩVin​

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

R1 = 10 kΩAv = 10
Rf = kΩ
22.دوائر مكبّرات العملياتصعبة
−+Vout​Rf​ = 22 kΩV1​ = 0,3 VR1​ = 47 kΩV2​ = 1,4 VR2​ = 22 kΩIf​

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

V1 = 0,3 VV2 = 1,4 VR1 = 47 kΩR2 = 22 kΩRf = 22 kΩ
If = mA
23.الثنائيات والترانزستوراتمتوسطة
RC​ = 1,2 kΩβ = 50IC​ = ?VCC​ = 12 VRB​ = 270 kΩ

ترانزستور NPN بـ β = 50 منحاز بمقاومة قاعدة RB = 270 kΩ من المصدر VCC = 12 V. مقاومة المجمِّع RC = 1,2 kΩ والباعث موصول بالأرضي. خذ VBE = 0,7 V وافترض أن الترانزستور في المنطقة الفعّالة. أوجد تيار المجمِّع IC بالـ mA.

VCC = 12 VRB = 270 kΩRC = 1,2 kΩβ = 50VBE = 0,7 V
IC = mA
24.الثنائيات والترانزستوراتصعبة
V (V)I (mA)0,6533Q = ?

يُنمذج صمام ثنائي بـ 0,65 V على التوالي مع 5 Ω (يوصل فوق 0,65 V). وهو على التوالي مع مقاومة 1000 Ω عبر مصدر 3 V. أوجد تيار التشغيل ID حيث يلتقي خط الصمام بخط الحمل.

Vs = 3 VR = 1000 ΩV0 = 0,65 Vrd = 5 Ω
ID = mA
25.أنظمة العدمتوسطة
المتمم الثنائي ذو 8 بتات?−128?64?32?16?8?4?2?1

اكتب −95 كنمط متمم ثنائي ذي 8 بتات. اقرأ النمط كعدد ثنائي بلا إشارة: ما قيمته U في النظام العشري؟

N = −958 bit
U =
26.أنظمة العدصعبة
24 bit1 px256 px256 pxM = ? KiB

صورة غير مضغوطة أبعادها 256 × 256 بكسل و24 بت لكل بكسل. كم تشغل من الذاكرة M بوحدة KiB (1 KiB = 1024 بايت)؟

256 × 256 px24 bit/px1 KiB = 1024 B
M = KiB
27.المنطق الرقمي: البوابات وخرائط كارنو والقلّاباتمتوسطة
ABCD000111100001111011111

في خريطة كارنو هذه يوجد 1 واحد بالضبط لا جار 1 له، فيبقى مجموعة من خلية واحدة (حد أصغري كامل من أربعة حروف) في الصيغة الدنيا SOP. الجيران عبر حواف الخريطة تُحسب. انقر على تلك الخلية.

F = Σm(3, 8, 12, 13, 15)
  1. 1AB = 00, CD = 00
  2. 2AB = 00, CD = 01
  3. 3AB = 00, CD = 11
  4. 4AB = 00, CD = 10
  5. 5AB = 01, CD = 00
  6. 6AB = 01, CD = 01
  7. 7AB = 01, CD = 11
  8. 8AB = 01, CD = 10
  9. 9AB = 11, CD = 00
  10. 10AB = 11, CD = 01
  11. 11AB = 11, CD = 11
  12. 12AB = 11, CD = 10
  13. 13AB = 10, CD = 00
  14. 14AB = 10, CD = 01
  15. 15AB = 10, CD = 11
  16. 16AB = 10, CD = 10
28.المنطق الرقمي: البوابات وخرائط كارنو والقلّاباتصعبة
DQ0​Q0​DQ1​Q1​DQ2​Q2​DQ3​Q3​DQ4​Q4​CLKRING

عدّاد حلقي مصنوع من 5 قلّابات D مع إرجاع المخرج الأخير إلى المدخل الأول، ويبدأ بواحد وحيد. كم حالة مختلفة N يمرّ بها؟

n = 5
N =
29.تحويلات لابلاسمتوسطة
t (s)f(t)t = 0,3f(0,3) = ?

أوجد f(t) للدالة F(s) = (4s + 7)/(s² + 8s + 16) واحسب f(0,3).

F(s) = (4s + 7)/(s² + 8s + 16)t = 0,3 s
f(0.3) =
30.تحويلات لابلاسصعبة
ReIm−1−2−3−4−5−6−7−8−91

يُوصف نظام بالمعادلة التفاضلية y″ + 8y′ + 15y = u′ + 8u، مع الدخل u(t) والخرج y(t). أوجد دالة تحويله G(s) = Y(s)/U(s) (شروط ابتدائية صفرية) واحسب استجابة النبضة g(t) عند t = 0,5 s. أوجد g(0,5).

y″ + 8y′ + 15y = u′ + 8ut = 0,5 s
g(0.5) =
31.المخططات الصندوقيةمتوسطة
R(s)+1(s + 1)(s + 3)(s + 8)G(s)C(s)−

حلقة تغذية راجعة سالبة أحادية لها G(s) = 1(s + 1)/((s + 3)(s + 8)). تُطبَّق خطوة مقدارها 5 عند المرجع. أوجد خطأ الحالة المستقرة ess.

G(s) = 1(s + 1)/((s + 3)(s + 8))R = 5
ess =
32.المخططات الصندوقيةصعبة
R(s)+3s + 5G₁+8s + 6G₂C(s)4H₁−0,1H₂−

اختزل المخطط الصندوقي مع G₁ = 3/(s + 5) و G₂ = 8/(s + 6) وتغذية راجعة سالبة داخلية H₁ = 4 حول G₂ وتغذية راجعة سالبة خارجية H₂ = 0,1. أوجد كسب التيار المستمر T(0) للنسبة C(s)/R(s).

G₁ = 3/(s + 5)G₂ = 8/(s + 6)H₁ = 4H₂ = 0,1
T(0) =
33.الاستجابة الخطويةمتوسطة
t (s)y(t)0,5ts​ = ?

لنظام دالة النقل G(s) = 12,5/(s² + 2s + 25) ويتلقى دخلًا خطويًا وحدويًا. أوجد زمن الاستقرار ts عند 2 % للاستجابة الخطوية باستخدام ts ≈ 4/(ζωₙ).

G(s) = 12,5/(s² + 2s + 25)
ts = s
34.الاستجابة الخطويةصعبة
R(s)+Ks(s + 12)G(s)C(s)−

لحلقة تغذية عكسية سالبة وحدوية G(s) = K/(s(s + 12)). أوجد الكسب K الذي يعطي استجابة خطوية بتجاوز 20 %.

G(s) = K/(s(s + 12))%OS = 20 %
K =
35.مخططات بودي والهوامشمتوسطة
vin​C = 47 nFR = 2,2 kΩvout​

لـ مرشح RC لتمرير الترددات العالية الموضح R = 2,2 kΩ, C = 47 nF. يُطبَّق دخل جيبي مقداره 6,2 kHz. أوجد إزاحة الطور φ للجهد vout بالنسبة إلى vin، بالدرجات.

R = 2,2 kΩC = 47 nFf = 6,2 kHz
φ = °
36.مخططات بودي والهوامشصعبة
|H| (dB)0,10,1111010100100−80−60−40−2002040ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−270−180−900ω180​

حلقة تغذية عكسية وحدوية دالة نقلها المفتوحة L(s) = K/(s(s + 4)(s + 9)). أوجد الكسب K الذي يعطي هامش كسب قدره 3 dB.

L(s) = K/(s(s + 4)(s + 9))GM = 3 dB
K =
37.الاستقرار: راوث–هرفيتز والمحل الهندسي للجذورمتوسطة
R(s)+K1(s + 1)(s + 2)(s + 5)C(s)−

لحلقة تغذية عكسية وحدوية L(s) = K/((s + 1)(s + 2)(s + 5)) مع K > 0. أوجد أكبر كسب Kmax تكون الحلقة المغلقة عنده مستقرة.

L(s) = K/((s + 1)(s + 2)(s + 5))
Kmax =
38.الاستقرار: راوث–هرفيتز والمحل الهندسي للجذورصعبة
ReImζ = 0,5−1−2j1j2

رُسم المحل الهندسي للجذور لـ L(s) = K/(s(s + 2)). أوجد الكسب K الذي تكون عنده نسبة التخميد لأقطاب الحلقة المغلقة ζ = 0,5.

L(s) = K/(s(s + 2))ζ = 0,5
K =
39.خطأ الحالة المستقرة والتحكم PIDمتوسطة
r(t) = 0,5t+5(s + 3)s(s + 2)C(s)−

يُطبَّق منحدر r(t) = 0,5t على حلقة تغذية عكسية وحدوية فيها G(s) = 5(s + 3)/(s(s + 2)). أوجد خطأ الحالة المستقرة ess.

G(s) = 5(s + 3)/(s(s + 2))r(t) = 0,5t
ess =
40.خطأ الحالة المستقرة والتحكم PIDصعبة
R(s)+8 + Kd​s10s(s + 3)C(s)−

يتحكم متحكم PD بالصيغة C(s) = 8 + Kd·s في المحطة G(s) = 10/(s(s + 3)) ضمن حلقة تغذية عكسية وحدوية. أوجد كسب المشتقة Kd الذي يعطي الحلقة المغلقة نسبة تخميد ζ = 0,6.

G(s) = 10/(s(s + 3))Kp = 8ζ = 0,6
Kd = s

3المحاليل

1.المقاومات على التوالي والتوازي

الإجابة: Req = 21,97 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​ = 15 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​15 VR2​10 ΩAR4​15 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 + 15 = 23 Ω
R2 ∥ 23 = 10·23/(10+23) = 6,97 Ω
Req = R1 + 6,97 = 15 + 6,97 = 21,97 Ω

الإجابة

Req = 21,97 Ω
2.المقاومات على التوالي والتوازي

الإجابة: Req = 10,54 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​ = 10 ΩR5​ = 6 Ω+−V1​12 VR2​6 ΩAR4​12 ΩBR6​25 Ω

اجمع المقاومات بدءًا من الطرف البعيد

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

R5 + R6 = 6 + 25 = 31 Ω
R4 ∥ 31 = 8,651 Ω
R3 + 8,651 = 18,65 Ω
R2 ∥ 18,65 = 4,54 Ω
Req = R1 + 4,54 = 6 + 4,54 = 10,54 Ω

الإجابة

Req = 10,54 Ω
3.تحليل العقد

الإجابة: IR1 = 1,563 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​ = 4 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​12 VR2​3 ΩAR4​4 ΩBIs​2,5 A

حدّد العقد

الأرضي هو السلك السفلي. جهود العقد المعروفة تأتي مباشرة من المصادر (V1 = 12 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/3 + (VA − 12)/4 + (VA − VB)/8 = 0
0,7083·VA − 0,125·VB = 3

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)/8 = 2,5
−0,125·VA + 0,375·VB = 2,5

الحل

Δ = (0,7083)(0,375) − (−0,125)(−0,125) = 0,25
VA = Δ1/Δ = 1,438/0,25 = 5,75 V
VB = Δ2/Δ = 2,146/0,25 = 8,583 V

الإجابة

IR1 = (V1 − VA)/R1 = (12 − 5,75)/4 = 1,563 A
4.تحليل العقد

الإجابة: IR1 = 0,76 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​ = 15 ΩR2​ = 2 ΩR4​ = 3 Ω+−V1​15 VR3​10 ΩAR5​6 ΩBIs​3 A−+V2​6 V

حدّد العقد

الأرضي هو السلك السفلي. جهود العقد المعروفة تأتي مباشرة من المصادر (V1 = 15 V, V2 = −6 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/10 + (VA − 15)/15 + (VA − VB)/2 = 0
0,6667·VA − 0,5·VB = 1

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/6 + (VB − VA)/2 + (VB − (−6))/3 = 3
−0,5·VA + VB = 1

الحل

Δ = (0,6667)(1) − (−0,5)(−0,5) = 0,4167
VA = Δ1/Δ = 1,5/0,4167 = 3,6 V
VB = Δ2/Δ = 1,167/0,4167 = 2,8 V

الإجابة

IR1 = (V1 − VA)/R1 = (15 − 3,6)/15 = 0,76 A
5.تحليل الحلقات

الإجابة: I2 = −1,071 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​ = 12 Ω+−V1​9 VR3​3 ΩA+−V2​18 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 + 3(I1 − I2) = 9
9·I1 − 3·I2 = 9

قانون كيرشوف للجهد حول الحلقة 2

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

R2·I2 + R3(I2 − I1) = −V2
12·I2 + 3(I2 − I1) = (−18)
−3·I1 + 15·I2 = −18

الحل

Δ = (9)(15) − (−3)(−3) = 126
I1 = Δ1/Δ = 81/126 = 0,6429 A
I2 = Δ2/Δ = −135/126 = −1,071 A

الإجابة

I2 = −1,071 A

تيار الحلقة السالب يسري عكس عقارب الساعة.

6.تحليل الحلقات

الإجابة: IR1 = −0,1264 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​ = 5 ΩR2​ = 5 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​5 VR4​10 ΩAR5​2 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
5·I1 + 10(I1 − I2) = 5
15·I1 − 10·I2 = 5

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) + 2(I2 − I3) = 0
−10·I1 + 17·I2 − 2·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
4·I3 + 2(I3 − I2) = (−30)
−2·I2 + 6·I3 = −30

الحل

Δ = محدد مصفوفة المعاملات = 870
I1 = Δ1/Δ = −110/870 = −0,1264 A
I2 = Δ2/Δ = −600/870 = −0,6897 A
I3 = Δ3/Δ = −4550/870 = −5,23 A

الإجابة

IR1 = I1 = −0,1264 A

تيار الحلقة السالب يسري عكس عقارب الساعة.

7.التراكب

الإجابة: PR3 = 0,9793 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​ = 3 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​12 VR2​20 ΩAR4​12 ΩBمفتوح

الحالة 1 · V1 يعمل وحده

يصبح Iₛ دائرة مفتوحة، فيشكّل R₃ و R₄ فرعًا واحدًا على التوالي من A إلى الأرضي، على التوازي مع R₂.

R3+R4 = 15+12 = 27 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 20·27/(20+27) = 11,49 Ω
VA = 12·11,49/(3+11,49) = 9,515 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 9,515·12/27 = 4,229 V
IR3′ = (VA − VB)/R3 = (9,515 − 4,229)/15 = 0,3524 A
R1​ = 3 ΩR3​ = 15 ΩقصرR2​20 ΩAR4​12 ΩBIs​1,5 A

الحالة 2 · Is يعمل وحده

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

R1 ∥ R2 = 3·20/(3+20) = 2,609 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 12 ∥ 17,61 = 7,137 Ω
VB = Is·Req = 1,5·7,137 = 10,7 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 10,7·2,609/17,61 = 1,586 V
IR3″ = (VA − VB)/R3 = (1,586 − 10,7)/15 = −0,6079 A

اجمع إسهامات التيار

IR3 = IR3′ + IR3″ = 0,3524 + (−0,6079) = −0,2555 A

القدرة في المقاومة

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

PR3 = IR3²·R3 = (−0,2555)²·15 = 0,9793 W

الإجابة

PR3 = 0,9793 W

جمع قدرات الحالات المنفصلة يعطي 7,407 W، وهذا خطأ.

8.التراكب

الإجابة: IR3 = 4,262 A

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

R1​ = 15 ΩR2​ = 4 ΩR4​ = 5 Ω+−V1​10 VR3​2 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) = 2 ∥ 9 = 1,636 Ω
VA = 10·1,636/(15+1,636) = 0,9836 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 0,9836·5/9 = 0,5464 V
IR3′ = (VA − 0)/R3 = (0,9836 − 0)/2 = 0,4918 A
R1​ = 15 ΩR2​ = 4 ΩR4​ = 5 ΩقصرR3​2 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 = 1,765 Ω، إذن المسار الأيسر هو R2+1,765 = 5,765 Ω
Req = R4 ∥ 5,765 = 2,678 Ω
VB = Is·Req = 2·2,678 = 5,355 V
VA = VB·1,765/5,765 = 1,639 V
IR3″ = (VA − 0)/R3 = (1,639 − 0)/2 = 0,8197 A
R1​ = 15 ΩR2​ = 4 ΩR4​ = 5 ΩقصرR3​2 ΩAمفتوحB+−V2​36 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 = 15·2/(15+2) = 1,765 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = 36·5,765/10,76 = 19,28 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = 19,28·1,765/5,765 = 5,902 V
IR3‴ = (VA − 0)/R3 = (5,902 − 0)/2 = 2,951 A

اجمع المساهمات

IR3 = IR3′ + IR3″ + IR3‴
IR3 = 0,4918 + 0,8197 + 2,951 = 4,262 A

النتيجة السالبة تعني أن التيار يسري عكس السهم في الواقع.

9.ثيفنن ونورتن

الإجابة: IL = 1,385 A

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

R1​ = 3 ΩR3​ = 2 ΩقصرR2​3 ΩAabRth​

أوجد Rth مع إطفاء كل المصادر

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

R1 ∥ R2 = 3·3/(3+3) = 1,5 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,5 + 2 = 3,5 Ω
R1​ = 3 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​18 VR2​3 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) = 18·3/(3+3) = 9 V
Rth​ = 3,5 Ω+−Vth​9 VRL​3 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) = 9/(3,5 + 3) = 1,385 A
10.ثيفنن ونورتن

الإجابة: IN = 4,086 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​ = 15 ΩR3​ = 15 ΩقصرR2​8 ΩAمفتوحBabRth​

أوجد Rth مع إطفاء كل المصادر

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

R1 ∥ R2 = 15·8/(15+8) = 5,217 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 5,217 + 15 = 20,22 Ω
R1​ = 15 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​5 VR2​8 ΩAIs​4 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) = 1,739 + 4·5,217 = 22,61 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 22,61 + 4·15 = 82,61 V
IN​4,086 ARth​20,22 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 = 82,61/20,22 = 4,086 A
11.الحالات العابرة RC و RL

الإجابة: i = 0,6896 A

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 / 22 Ω = 1 ms
i(∞) = Vs/R = 24/22 = 1,091 A

التيار في اللحظة المعطاة

i(t) = i(∞)·(1 − e−t/τ) = 1,091·(1 − e−1/1) = 0,6896 A

الإجابة

i = 0,6896 A
12.الحالات العابرة RC و RL

الإجابة: t = 94,74 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) = 6 V, vC(∞) = Vs = 9 V
τ = R·C = 2,2 kΩ · 47 µF = 103,4 ms
vC(t) = 9 + (6 − 9)·e−t/τ

حلّ لإيجاد الزمن

7,8 = 9 + (−3)·e−t/τ → e−t/τ = (7,8 − 9)/(6 − 9) = 0,4
t = τ·ln((6 − 9)/(7,8 − 9)) = 103,4·ln(2,5) = 94,74 ms

الإجابة

t = 94,74 ms
13.معاوقة التيار المتردد والطوريات

الإجابة: P = 1,147 W

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

المفاعلات

XL = 94,25 Ω, XC = 33,86 Ω

المعاوقة

|Z| = √(80² + (60,39)²) = 100,2 Ω

القدرة الفعلية

الملفات والمكثّفات تخزّن الطاقة وتعيدها فقط؛ والمقاومة تمتص القدرة الفعلية كلها.

I = 12/100,2 = 0,1197 A
P = I²·R = 0,1197²·80 = 1,147 W

الإجابة

P = 1,147 W
14.معاوقة التيار المتردد والطوريات

الإجابة: VC = 140,2 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 = 314,2·0,1 = 31,42 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) = √(50² + (−113,3)²) = 123,8 Ω

التيار

يمرّ التيار نفسه في كل عنصر من عناصر دائرة التوالي.

I = V/|Z| = 120/123,8 = 0,9692 A

الجهد على المكثّف

VC = I·XC = 0,9692·144,7 = 140,2 V

الإجابة

VC = 140,2 V
15.قدرة التيار المتردد ومعامل القدرة

الإجابة: I = 131,9 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) = 19000/(240·0,6) = 131,9 A

الإجابة

I = 131,9 A
16.قدرة التيار المتردد ومعامل القدرة

الإجابة: C = 173,4 µF

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

القدرة غير الفعّالة قبل وبعد

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

Q1 = P·tan φ1 = 5·tan(45,57°) = 5,101 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 5·tan(18,19°) = 1,643 kvar
QC = Q1 − Q2 = 3,458 kvar

السعة

المكثّف الموصول على المصدر يزوّد Q = V²·ωC.

C = QC/(2πf·V²) = 3458/(2π·60·230²) = 173,4 µF

الإجابة

C = 173,4 µF
17.القدرة ثلاثية الطور

الإجابة: IL = 59,71 A

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

القدرة الكهربائية الداخلة

Pin = Pout/η = 55/0,94 = 58,51 kW

تيار الخط

IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 58511/(√3·690·0,82) = 59,71 A

الإجابة

IL = 59,71 A
18.القدرة ثلاثية الطور

الإجابة: Cph = 151,2 µF

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

القدرة غير الفعّالة قبل وبعد

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

Q1 = 60·tan(acos 0,75) = 60·0,8819 = 52,92 kvar
Q2 = 60·tan(acos 0,92) = 60·0,426 = 25,56 kvar

القدرة غير الفعّالة من المكثّفات

QC = Q1 − Q2 = 27,36 kvar

السعة لكل طور

في مجموعة Δ يوصل كل مكثّف بين خطين.

V = 400 V, ω = 2π·60 = 377 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 9118/(377·400²) = 151,2 µF

الإجابة

Cph = 151,2 µF
19.المحوّلات

الإجابة: I1 = 10 A

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

الجهد والتيار الثانويان

V2 = 480/2 = 240 V
I2 = 240/12 = 20 A

التيار الابتدائي

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

I1 = I2/2 = 10 A

الإجابة

I1 = 10 A

تحقّق: الحمل المرئي من الملف الابتدائي هو a²·RL = 48 Ω، و 480/48 يعطي التيار نفسه.

20.المحوّلات

الإجابة: Sη,max = 141,4 kVA

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 تساوي مفقودات القلب

x²·1600 = 800 → x = √(800/1600) = 0,7071

الحمل عند أقصى كفاءة

Sη,max = x·S = 0,7071·200 = 141,4 kVA

الإجابة

Sη,max = 141,4 kVA
21.دوائر مكبّرات العمليات

الإجابة: Rf = 90 kΩ

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

كسب المكبّر غير العاكس

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

Av = 1 + Rf/R1
Rf = (10 − 1)·10 = 90 kΩ

الإجابة

Rf = 90 kΩ
22.دوائر مكبّرات العمليات

الإجابة: If = 0,07002 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 = 0,3/47 = 0,006383 mA
I2 = V2/R2 = 1,4/22 = 0,06364 mA
If = I1 + I2 = 0,07002 mA

الإجابة

If = 0,07002 mA
23.الثنائيات والترانزستورات

الإجابة: IC = 2,093 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 = (12 − 0,7)/270 kΩ = 41,85 µA

تيار المجمِّع

IC = β·IB = 50·41,85 µA = 2,093 mA

الإجابة

IC = 2,093 mA

تحقّق: VCE = 9,489 V أعلى بوضوح من 0,2 V، لذا الترانزستور فعلًا في المنطقة الفعّالة.

24.الثنائيات والترانزستورات

الإجابة: ID = 2,338 mA

دوائر الصمام الثنائي الباعث للضوء (LED) والصمامات الثنائية: يهبط جهد LED المنحاز أماميًا بنحو جهده الأمامي VF (نحو 2 V للأحمر و3 V للأزرق أو الأبيض)، مهما كان التيار. وتحدد المقاومة التوالية التيار: R = (Vs − n·VF)/I لعدد n من LED على التوالي. وفي نموذج أدق للصمام V = V₀ + I·rd، تكون نقطة التشغيل حيث يلتقي خط الصمام بخط الحمل I = (Vs − V)/R، إذن I = (Vs − V₀)/(R + rd).

ادمج المعادلتين

3 = 0,65 + I·(1000 + 5)

تيار التشغيل

ID = 2,35/1005 = 2,338 mA
VD = 0,65 + 0,002338·5 = 0,6617 V

الإجابة

ID = 2,338 mA
25.أنظمة العد

الإجابة: U = 161

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.

اقلب وأضف واحدًا

95 = 0101 1111
مقلوب: 1010 0000
+1 → 1010 0001

اقرأه بلا إشارة

1010 0001₂ = 256 − 95 = 161

الإجابة

U = 161
26.أنظمة العد

الإجابة: M = 192 KiB

أنظمة العد الموضعية: قيمة كل رقم هي قيمته مضروبة في قوة من قوى الأساس. في النظام الثنائي تساوي المواضع 1، 2، 4، 8، 16، …؛ وفي السداسي عشري 1، 16، 256، …، حيث تمثل A–F القيم 10–15. في المتمم الثنائي ذي 8 بتات تساوي البتة اليسرى −128 بدلًا من +128، وهكذا تُخزَّن الأعداد السالبة.

البتات والبايتات

256·256·24 = 1572864 bit = 196608 B

حوّل إلى KiB

196608/1024 = 192 KiB

الإجابة

M = 192 KiB
27.المنطق الرقمي: البوابات وخرائط كارنو والقلّابات

الإجابة: AB = 00, CD = 11

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.

جيران كل 1

يمكن لـ 1 له جار 1 أن ينضم إلى مجموعة من اثنين أو أكثر.

m3: m2, m1, m7, m11 → 0
ABCD000111100001111011111

الـ 1 المعزول

m3 = A′B′CD → AB = 00, CD = 11

الإجابة

AB = 00, CD = 11
28.المنطق الرقمي: البوابات وخرائط كارنو والقلّابات

الإجابة: N = 5

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.

التسلسل لـ 5 قلّابات

10000 → 01000 → 00100 → 00010 → 00001

عدد الحالات

N = 5

الإجابة

N = 5
29.تحويلات لابلاس

الإجابة: f(0.3) = 0,3916

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 + 8s + 16 = (s + 4)²

الكسور الجزئية

4s + 7 = 4(s + 4) + −9
F(s) = 4/(s + 4) − 9/(s + 4)²

التحويل العكسي

f(t) = 4·e−4t − 9·t·e−4t
f(0,3) = (4 − 9·0,3)·e−4·0,3 = 0,3916

الإجابة

f(0,3) = 0,3916
30.تحويلات لابلاس

الإجابة: g(0.5) = 0,4347

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

دالة التحويل

G(s) = Y(s)/U(s) = (s + 8)/(s² + 8s + 15)

الكسور الجزئية

s² + 8s + 15 = (s + 3)(s + 5)
A = 2,5, B = −1,5

استجابة النبضة

g(t) = 2,5·e−3t − 1,5·e−5t
g(0,5) = 0,4347

الإجابة

g(0,5) = 0,4347
31.المخططات الصندوقية

الإجابة: ess = 4,8

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

ثابت خطأ الموضع

Kₚ = G(0) = 1·1/(3·8) = 0,04167

خطأ الحالة المستقرة

ess = A/(1 + Kₚ) = 5/(1 + 0,04167) = 4,8

الإجابة

ess = 4,8
32.المخططات الصندوقية

الإجابة: T(0) = 0,1247

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) = 8/(s + 38)

الحلقة الخارجية

T(s) = G₁Gᵢ/(1 + G₁GᵢH₂) = 24/((s + 5)(s + 38) + 2,4)

كسب التيار المستمر

T(0) = 24/(5·38 + 2,4) = 24/192,4 = 0,1247

الإجابة

T(0) = 0,1247
33.الاستجابة الخطوية

الإجابة: ts = 4 s

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

قارن مع الصيغة القياسية

يجب أن يطابق المقام s² + 2ζωₙs + ωₙ².

ωₙ² = 25 → ωₙ = 5 rad/s
2ζωₙ = 2 → ζ = 2/(2·5) = 0,2

النتيجة

ζωₙ = 1 → ts ≈ 4/1 = 4 s

الإجابة

ts = 4 s
34.الاستجابة الخطوية

الإجابة: K = 173,2

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

دالة تحويل الحلقة المغلقة

T(s) = K/(s² + 12s + K)

نسبة التخميد من التجاوز

ζ = −ln(0,2)/√(π² + ln²(0,2)) = 0,4559

الكسب

ωₙ = 12/(2ζ) = 13,16 rad/s
K = ωₙ² = 173,2

الإجابة

K = 173,2
35.مخططات بودي والهوامش

الإجابة: φ = 13,94 °

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/(2200·4,7 × 10⁻⁸) = 9671 rad/s
fc = 1539 Hz → f/fc = 6200/1539 = 4,028

الطور

φ = 90° − atan(4,028) = 13,94°

الإجابة

φ = 13,94°
36.مخططات بودي والهوامش

الإجابة: K = 331,3

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

تقاطع الطور

(ω/4)·(ω/9) = 1 → ω180 = √(4·9) = 6 rad/s

المقدار عند تقاطع الطور

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 16)·√(ω² + 81)) = K/(4·9·(4 + 9)) = K/468

الكسب المطلوب

468/K = 103/20 = 1,413
K = 468/1,413 = 331,3

الإجابة

K = 331,3
37.الاستقرار: راوث–هرفيتز والمحل الهندسي للجذور

الإجابة: Kmax = 126

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

s³ + 8s² + 17s + 10 + K = 0

جدول روث

s³: 1, 17
s²: 8, 10 + K
s¹: (8·17 − 10 − K)/8
s⁰: 10 + K

الشرط

يجب أن يبقى عنصر الصف s¹ موجبًا.

K < 8·17 − 10 = 126

الإجابة

Kmax = 126

عند الحدّ تتذبذب الحلقة بالتردد ω = √17 = 4,123 rad/s.

38.الاستقرار: راوث–هرفيتز والمحل الهندسي للجذور

الإجابة: K = 4

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.

قارن مع الصيغة القياسية

s² + 2s + K = s² + 2ζωₙs + ωₙ²
2·0,5·ωₙ = 2 → ωₙ = 2 rad/s

الكسب

K = ωₙ² = 2² = 4

الإجابة

K = 4

تقع أقطاب الحلقة المغلقة حيث يقطع الخط ζ الفرع الرأسي عند s = −1.

39.خطأ الحالة المستقرة والتحكم PID

الإجابة: ess = 0,06667

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

Kv = lim s·G(s) = 7,5

خطأ المنحدر

ess = 0,5/7,5 = 0,06667

الإجابة

ess = 0,06667
40.خطأ الحالة المستقرة والتحكم PID

الإجابة: Kd = 0,7733 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 + 3) + 10(8 + Kds) = s² + (3 + 10Kd)s + 80

التردد الطبيعي

ωₙ = √80 = 8,944 rad/s

كسب المشتقة

3 + 10Kd = 2·0,6·8,944 = 10,73
Kd = 0,7733 s

الإجابة

Kd = 0,7733 s

الحد التفاضلي يضيف تخميدًا دون تغيير ωₙ.

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

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