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​ = 4 ΩIR1​R3​ = 8 Ω+−V1​10 VR2​8 ΩAR4​2 ΩB

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

V1 = 10 VR1 = 4 ΩR2 = 8 ΩR3 = 8 ΩR4 = 2 Ω
IR1 = A
2.المقاومات على التوالي والتوازيصعبة
R1​ = 4 ΩR3​ = 5 ΩR5​ = 20 Ω+−V1​36 VR2​25 ΩAR4​4 ΩBR6​3 Ω

أوجد المقاومة المكافئة Req التي يراها المصدر V1.

V1 = 36 VR1 = 4 ΩR2 = 25 ΩR3 = 5 ΩR4 = 4 ΩR5 = 20 ΩR6 = 3 Ω
Req = Ω
3.تحليل العقدمتوسطة
R1​ = 4 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​9 VR2​2 ΩAR4​6 ΩBIs​5 A

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

V1 = 9 VIs = 5 AR1 = 4 ΩR2 = 2 ΩR3 = 12 ΩR4 = 6 Ω
VB = V
4.تحليل العقدصعبة
R1​ = 4 ΩR3​ = 30 Ω+−V1​24 VR2​15 ΩAR4​30 ΩIR4​B0,25·VA​

المعيّن هو مصدر تيار يتحكّم فيه الجهد، يدفع تيارًا مقداره 0,25·VA (بالأمبير، مع VA بالفولت) إلى الأعلى نحو العقدة B. استخدم تحليل العقد لإيجاد التيار IR4 المارّ في R4 باتجاه السهم.

V1 = 24 VR1 = 4 ΩR2 = 15 ΩR3 = 30 ΩR4 = 30 Ωg = 0,25 A/V
IR4 = A
5.تحليل الحلقاتمتوسطة
R1​ = 2 ΩR2​ = 8 Ω+−V1​6 VR3​4 ΩA+−V2​12 VI1​I2​

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

V1 = 6 VV2 = 12 VR1 = 2 ΩR2 = 8 ΩR3 = 4 Ω
I1 = A
6.تحليل الحلقاتصعبة
R1​ = 8 ΩR2​ = 6 ΩIR2​R3​ = 6 Ω+−V1​6 VR4​6 ΩAR5​20 ΩB+−V2​15 VI1​I2​I3​

استخدم تحليل الحلقات لإيجاد التيار IR2 المارّ في R2 باتجاه السهم.

V1 = 6 VV2 = 15 VR1 = 8 ΩR2 = 6 ΩR3 = 6 ΩR4 = 6 ΩR5 = 20 Ω
IR2 = A
7.التراكبمتوسطة
R1​ = 12 ΩR3​ = 12 ΩIR3​+−V1​10 VR2​4 ΩAR4​6 ΩBIs​?

أوجد قيمة مصدر التيار Is (بالاتجاه الموضّح) التي تجعل التيار IR3 في R3 مساويًا للصفر.

V1 = 10 VR1 = 12 ΩR2 = 4 ΩR3 = 12 ΩR4 = 6 Ω
Is = A
8.التراكبصعبة
R1​ = 8 ΩR2​ = 25 ΩIR2​R4​ = 30 Ω+−V1​24 VR3​20 ΩAIs​1 AB+−V2​9 V

استخدم مبدأ التراكب لإيجاد القدرة PR2 التي يمتصها R2.

V1 = 24 VIs = 1 AV2 = 9 VR1 = 8 ΩR2 = 25 ΩR3 = 20 ΩR4 = 30 Ω
PR2 = W
9.ثيفنن ونورتنمتوسطة
R1​ = 8 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​30 VR2​6 ΩAab

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

V1 = 30 VR1 = 8 ΩR2 = 6 ΩR3 = 5 Ω
IN = A
10.ثيفنن ونورتنصعبة
R1​ = 30 ΩR3​ = 30 Ω+−V1​5 VR2​10 ΩAIs​1 ABRL​15 ΩIL​

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

V1 = 5 VIs = 1 AR1 = 30 ΩR2 = 10 ΩR3 = 30 ΩRL = 15 Ω
IL = A
11.الحالات العابرة RC و RLمتوسطة
+−Vs​9 Vt = 0R = 47 ΩL47 mHi(t)

لا يمرّ تيار في الملف قبل أن يُغلق المفتاح عند t = 0. بعد كم من الوقت من إغلاق المفتاح يبلغ التيار 50% من قيمته النهائية؟ أوجد t.

Vs = 9 VR = 47 ΩL = 47 mH
t = ms
12.الحالات العابرة RC و RLصعبة
+−Vs​12 Vt = 0R = 1 kΩC22 µF+−vC​vC​(0) = 4 V

قبل إغلاق المفتاح عند t = 0 مباشرة، يكون جهد المكثّف 4 V بالقطبية الموضّحة. كم يستغرق vC ليبلغ 8,8 V؟ أوجد t.

Vs = 12 VR = 1 kΩC = 22 µFvC(0) = 4 V
t = ms
13.معاوقة التيار المتردد والطورياتمتوسطة
50 V100 HzR = 10 ΩL = 50 mHI

مقاومة وملف موصولان على التوازي على مصدر 50 V (فعّال)، 100 Hz. أوجد مقدار المعاوقة |Z|.

V = 50 V (rms)f = 100 HzR = 10 ΩL = 50 mH
|Z| = Ω
14.معاوقة التيار المتردد والطورياتصعبة
5 Vf0​R = 5 ΩL = 200 mHC = 4,7 µF

دائرة RLC على التوالي يغذّيها مصدر 5 V (فعّال) ضُبط تردّده على تردّد رنين الدائرة. أوجد الجهد الفعّال VL على الملف.

V = 5 V (rms)R = 5 ΩL = 200 mHC = 4,7 µF
VL = V
15.قدرة التيار المتردد ومعامل القدرةمتوسطة
P = 8 kWQ = ?Sφ

يستهلك محرّك أحادي الطور 8 kW بمعامل قدرة 0,6 متأخّر من مصدر 240 V. أوجد القدرة غير الفعّالة Q التي يسحبها.

P = 8 kWpf = 0,6V = 240 V
Q = kvar
16.قدرة التيار المتردد ومعامل القدرةصعبة
240 V50 Hzالحمل9 kW, 0,7C330 µFI = ?

يأخذ حِمل أحادي الطور 9 kW بمعامل قدرة 0,7 متأخّر من مصدر 240 V، 50 Hz. يُوصل مكثّف سعته 330 µF على التوازي مع الحِمل. أوجد تيار الخط الجديد I.

P = 9 kWpf1 = 0,7V = 240 Vf = 50 HzC = 330 µF
I = A
17.القدرة ثلاثية الطورمتوسطة
ABCVL​ = 480 VZ = 20 + j15 Ωلكل طور

حمل متوازن موصول Δ ممانعته 20 + j15 Ω لكل طور موصول بمصدر ثلاثي الطور متوازن جهد خطه 480 V. أوجد القدرة الفعّالة الكلية P التي يمتصّها الحمل بالـ kW.

VL = 480 VZ = 20 + j15 Ω لكل طور
P = kW
18.القدرة ثلاثية الطورصعبة
P = 200 kWφ1​S1​Q2​QC​

حمل ثلاثي الطور متوازن يأخذ 200 kW عند معامل قدرة 0,78 متأخر من مصدر 690 V (جهد خط) و 50 Hz. يجب أن ترفع مجموعة مكثّفات ثلاثية الطور موصولة على التوازي مع الحمل معامل القدرة الكلي إلى 0,98 متأخر. تبقى القدرة الفعّالة كما هي. المكثّفات موصولة نجمة (Y). أوجد السعة Cph لكل مكثّف بالـ µF.

P = 200 kWpf1 = 0,78pf2 = 0,98VL = 690 Vf = 50 Hz
Cph = µF
19.المحوّلاتمتوسطة
10000 V400 VIHV​ = ?ILV​50 kVA

محوّل أحادي الطور 50 kVA و 10000/400 V يعمل عند حمله المقنَّن. اعتبره مثاليًا. أوجد التيار IHV في ملف الجهد العالي.

S = 50 kVAV1 = 10000 VV2 = 400 V
IHV = A
20.المحوّلاتصعبة
200 kVA

محوّل أحادي الطور 200 kVA مفقودات قلبه 1200 W ومفقودات نحاسه 3000 W عند الحمل المقنَّن. عند أي حمل Sη,max، بالـ kVA، تكون كفاءته في أعلاها؟

S = 200 kVAPcore = 1200 WPcu,fl = 3000 W
Sη,max = kVA
21.دوائر مكبّرات العملياتمتوسطة
−+Vout​R2​ = 10 kΩV1​ = 0,7 VR1​ = 4,7 kΩV2​ = 1,6 VR3​ = 4,7 kΩR4​ = 10 kΩ

يستخدم مكبّر الفرق مكبّر عمليات مثاليًا بمصدرَي تغذية ±15 V، مع R3 = R1 و R4 = R2. أوجد جهد الخرج Vout.

V1 = 0,7 VV2 = 1,6 VR1 = R3 = 4,7 kΩR2 = R4 = 10 kΩ
Vout = V
22.دوائر مكبّرات العملياتصعبة
−+Vout​R2​ = 4,7 kΩV1​ = 0,7 VR1​ = 47 kΩV2​ = 2 VR3​ = 1 kΩR4​ = 10 kΩ

مكبّر العمليات مثالي ويعمل بمصدرين ±15 V. نسب المقاومات غير متطابقة. أوجد جهد الخرج Vout.

V1 = 0,7 VV2 = 2 VR1 = 47 kΩR2 = 4,7 kΩR3 = 1 kΩR4 = 10 kΩ
Vout = V
23.الثنائيات والترانزستوراتمتوسطة
RC​ = 470 Ωβ = 120IC​ = ?VCC​ = 15 VRB​ = 100 kΩ

ترانزستور NPN بـ β = 120 منحاز بمقاومة قاعدة RB = 100 kΩ من المصدر VCC = 15 V. مقاومة المجمِّع RC = 470 Ω والباعث موصول بالأرضي. خذ VBE = 0,7 V وافترض أن الترانزستور في المنطقة الفعّالة. أوجد تيار المجمِّع IC بالـ mA.

VCC = 15 VRB = 100 kΩRC = 470 Ωβ = 120VBE = 0,7 V
IC = mA
24.الثنائيات والترانزستوراتصعبة
+−≤ 26 V270 Ω5,6 V

لمنظم زينر 5,6 V مقاومة توالٍ 270 Ω. قد يرتفع الدخل إلى 26 V، وقد يكون الحمل مفصولًا. أوجد أكبر قدرة PZ,max يجب أن يبددها زينر.

Vin,max = 26 VVZ = 5,6 VR = 270 Ω
PZ,max = mW
25.أنظمة العدمتوسطة
المتمم الثنائي ذو 8 بتات?−128?64?32?16?8?4?2?1

اكتب −83 كنمط متمم ثنائي ذي 8 بتات. اقرأ النمط كعدد ثنائي بلا إشارة: ما قيمته U في النظام العشري؟

N = −838 bit
U =
26.أنظمة العدصعبة
1600 رموز، b = ؟ بت?2ᵇ⁻¹…?4?2?1

يجب أن يعطي نظام كل واحد من 1600 عنصرًا رمزًا ثنائيًا خاصًا به بالطول نفسه. ما أقل عدد من البتات b يلزم؟

1600
b = bit
27.المنطق الرقمي: البوابات وخرائط كارنو والقلّاباتمتوسطة
ABC000111100101324576

بسّط F = AC′ + A′B′C′ + ABC + ABC′ إلى الصيغة الدنيا لمجموع الجداءات. كم حرفًا L يحتوي التعبير المبسَّط؟

F = AC′ + A′B′C′ + ABC + ABC′
L =
28.المنطق الرقمي: البوابات وخرائط كارنو والقلّاباتصعبة
TQ0​Q0​TQ1​Q1​TQ2​Q2​CLKUP

عدّاد ثنائي تصاعدي بـ 3 بتّات يبدأ من 5 (بالنظام العشري، Q = 101). أي عدّ Q (بالنظام العشري) يُظهر بعد 26 نبضات ساعة؟

Q0 = 526n = 3
Q =
29.تحويلات لابلاسمتوسطة
t (s)f(t)t = 0,3f(0,3) = ?

أوجد f(t) للدالة F(s) = (2s + 22)/(s² + 4s + 4) واحسب f(0,3).

F(s) = (2s + 22)/(s² + 4s + 4)t = 0,3 s
f(0.3) =
30.تحويلات لابلاسصعبة
t (s)y(t)t = 0,3y(0,3) = ?

حلّ y″ + 7y′ + 10y = 0 مع y(0) = −4 و y′(0) = −3 باستخدام تحويل لابلاس، وأوجد y(0,3).

y″ + 7y′ + 10y = 0y(0) = −4y′(0) = −3t = 0,3 s
y(0.3) =
31.المخططات الصندوقيةمتوسطة
R(s)+Ks(s + 7)G(s)C(s)−

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

G(s) = K/(s(s + 7))تغذية راجعة سالبة أحادية
K =
32.المخططات الصندوقيةصعبة
R(s)+48s(s + 9)G(s)C(s)1H−

النظام المُتحكَّم فيه G(s) = 48/(s(s + 9)) في حلقة تغذية راجعة سالبة كسب مستشعرها H = 1. أقطاب الحلقة المغلقة مركّبة. أوجد جزأها الحقيقي σ.

G(s) = 48/(s(s + 9))H = 1
σ =
33.الاستجابة الخطويةمتوسطة
t (s)y(t)2tp​ = ?

لنظام دالة النقل G(s) = 142/(s² + 3s + 71) ويتلقى دخلًا خطويًا وحدويًا. أوجد زمن الذروة tp للاستجابة الخطوية.

G(s) = 142/(s² + 3s + 71)
tp = s
34.الاستجابة الخطويةصعبة
R(s)+175s(s + 20)G(s)C(s)−

لحلقة تغذية عكسية سالبة وحدوية G(s) = 175/(s(s + 20)). أوجد زمن الاستقرار ts عند 2 % للاستجابة الخطوية للحلقة المغلقة باستخدام ts ≈ 4/(ζωₙ).

G(s) = 175/(s(s + 20))
ts = s
35.مخططات بودي والهوامشمتوسطة
|H| (dB)0,10,111101010010010001000−40−200204060ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−90−450ω = 20

أوجد الطور ∠G(jω) لـ G(s) = 43(s + 3)/(s(s + 9)) عند ω = 20 rad/s، بالدرجات.

G(s) = 43(s + 3)/(s(s + 9))ω = 20 rad/s
∠G(jω) = °
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) = 82/(s(s + 5)(s + 6)). أوجد هامش الكسب GM بوحدة dB.

L(s) = 82/(s(s + 5)(s + 6))
GM = dB
37.الاستقرار: راوث–هرفيتز والمحل الهندسي للجذورمتوسطة
R(s)+K = 751s(s + 5)(s + 10)C(s)−

تعمل حلقة المخطط بالكسب K = 75 وL(s) = K/(s(s + 5)(s + 10)). بأي عامل m يمكن رفع الكسب قبل أن تصبح الحلقة المغلقة غير مستقرة؟

L(s) = K/(s(s + 5)(s + 10))K = 75
m =
38.الاستقرار: راوث–هرفيتز والمحل الهندسي للجذورصعبة
ReIm−2−4−6−8−10−12j2

لحلقة تغذية عكسية وحدوية L(s) = K(s + 8)/(s(s + 6)(s + 10)(s + 2)). أوجد النقطة σa التي تقطع فيها الخطوط المقاربة للمحل الهندسي للجذور المحور الحقيقي.

L(s) = K(s + 8)/(s(s + 6)(s + 10)(s + 2))
σa =
39.خطأ الحالة المستقرة والتحكم PIDمتوسطة
r(t) = 0,5·t²/2+20(s + 4)s²(s + 5)C(s)−

يُطبَّق الدخل القطعي المكافئ r(t) = 0,5·t²/2 على حلقة تغذية عكسية وحدوية فيها G(s) = 20(s + 4)/(s²(s + 5)). أوجد خطأ الحالة المستقرة ess.

G(s) = 20(s + 4)/(s²(s + 5))r(t) = 0,5·t²/2
ess =
40.خطأ الحالة المستقرة والتحكم PIDصعبة
R(s)+K = 502s(s + 10)C(s)−

يتحكم متحكم تناسبي K = 50 في المحطة G(s) = 2/(s(s + 10)) ضمن حلقة تغذية عكسية وحدوية. أوجد النسبة المئوية للتجاوز %OS في الاستجابة الخطوية.

G(s) = 2/(s(s + 10))K = 50
%OS = %

3المحاليل

1.المقاومات على التوالي والتوازي

الإجابة: IR1 = 1,184 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​ = 4 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​10 VR2​8 ΩAR4​2 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 + 2 = 10 Ω
R2 ∥ 10 = 8·10/(8+10) = 4,444 Ω
Req = R1 + 4,444 = 4 + 4,444 = 8,444 Ω

التيار من المصدر

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

IR1 = V1/Req = 10/8,444 = 1,184 A

الإجابة

IR1 = 1,184 A
2.المقاومات على التوالي والتوازي

الإجابة: Req = 10,29 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​ = 4 ΩR3​ = 5 ΩR5​ = 20 Ω+−V1​36 VR2​25 ΩAR4​4 ΩBR6​3 Ω

اجمع المقاومات بدءًا من الطرف البعيد

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

R5 + R6 = 20 + 3 = 23 Ω
R4 ∥ 23 = 3,407 Ω
R3 + 3,407 = 8,407 Ω
R2 ∥ 8,407 = 6,292 Ω
Req = R1 + 6,292 = 4 + 6,292 = 10,29 Ω

الإجابة

Req = 10,29 Ω
3.تحليل العقد

الإجابة: VB = 21,62 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​ = 4 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​9 VR2​2 ΩAR4​6 ΩBIs​5 A

حدّد العقد

الأرضي هو السلك السفلي. جهود العقد المعروفة تأتي مباشرة من المصادر (V1 = 9 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 − 9)/4 + (VA − VB)/12 = 0
0,8333·VA − 0,08333·VB = 2,25

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/6 + (VB − VA)/12 = 5
−0,08333·VA + 0,25·VB = 5

الحل

Δ = (0,8333)(0,25) − (−0,08333)(−0,08333) = 0,2014
VA = Δ1/Δ = 0,9792/0,2014 = 4,862 V
VB = Δ2/Δ = 4,354/0,2014 = 21,62 V

الإجابة

VB = 21,62 V
4.تحليل العقد

الإجابة: IR4 = 4,08 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
0,35·VA − 0,03333·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 = 0,25·VA
−0,2833·VA + 0,06667·VB = 0

الحل

Δ = (0,35)(0,06667) − (−0,03333)(−0,2833) = 0,01389
VA = Δ1/Δ = 0,4/0,01389 = 28,8 V
VB = Δ2/Δ = 1,7/0,01389 = 122,4 V

التيار في R₄

IR4 = VB/R4 = 122,4/30 = 4,08 A

الإجابة

IR4 = 4,08 A
5.تحليل الحلقات

الإجابة: I1 = 0,4286 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​ = 2 ΩR2​ = 8 Ω+−V1​6 VR3​4 ΩA+−V2​12 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
2·I1 + 4(I1 − I2) = 6
6·I1 − 4·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 + R3(I2 − I1) = −V2
8·I2 + 4(I2 − I1) = (−12)
−4·I1 + 12·I2 = −12

الحل

Δ = (6)(12) − (−4)(−4) = 56
I1 = Δ1/Δ = 24/56 = 0,4286 A
I2 = Δ2/Δ = −48/56 = −0,8571 A

الإجابة

I1 = 0,4286 A

تيار الحلقة السالب يسري عكس عقارب الساعة.

6.تحليل الحلقات

الإجابة: IR2 = −0,6385 A

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

R1​ = 8 ΩR2​ = 6 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​6 VR4​6 ΩAR5​20 ΩB+−V2​15 VI1​I2​I3​

عيّن تيارات الحلقات

ارسم في كل نافذة تيارًا باتجاه عقارب الساعة: I1, I2, I3. المقاومة المشتركة بين حلقتين تحمل الفرق بين تياريهما.

قانون كيرشوف للجهد حول الحلقة 1

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

R1·I1 + R4(I1 − I2) = V1
8·I1 + 6(I1 − I2) = 6
14·I1 − 6·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
6·I2 + 6(I2 − I1) + 20(I2 − I3) = 0
−6·I1 + 32·I2 − 20·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 + 20(I3 − I2) = (−15)
−20·I2 + 26·I3 = −15

الحل

Δ = محدد مصفوفة المعاملات = 5112
I1 = Δ1/Δ = 792/5112 = 0,1549 A
I2 = Δ2/Δ = −3264/5112 = −0,6385 A
I3 = Δ3/Δ = −5460/5112 = −1,068 A

الإجابة

IR2 = I2 = −0,6385 A

تيار الحلقة السالب يسري عكس عقارب الساعة.

7.التراكب

الإجابة: Is = 0,4167 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​ = 12 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​10 VR2​4 ΩAR4​6 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 = 12+6 = 18 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 4·18/(4+18) = 3,273 Ω
VA = 10·3,273/(12+3,273) = 2,143 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 2,143·6/18 = 0,7143 V
IR3′ = (VA − VB)/R3 = (2,143 − 0,7143)/12 = 0,119 A

الحالة 2 · Is يعمل وحده

يصبح V₁ قصرًا، فيتصل R₁ ∥ R₂ من A إلى الأرضي. يتفرّع Iₛ عند B بين R₄ والمسار R₃ + R₁∥R₂؛ والجزء المارّ في R₃ يجري من B إلى A، عكس السهم.

R1 ∥ R2 = 3 Ω
IR3″ = −Is·R4/(R4 + R3 + R1∥R2) = −Is·6/21 = −0,2857·Is

اجعل المجموع صفرًا

IR3′ + IR3″ = 0,119 − 0,2857·Is = 0
Is = 0,119/0,2857 = 0,4167 A

الإجابة

Is = 0,4167 A
8.التراكب

الإجابة: PR2 = 3,24 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​ = 8 ΩR2​ = 25 ΩR4​ = 30 Ω+−V1​24 VR3​20 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) = 20 ∥ 55 = 14,67 Ω
VA = 24·14,67/(8+14,67) = 15,53 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 15,53·30/55 = 8,471 V
IR2′ = (VA − VB)/R2 = (15,53 − 8,471)/25 = 0,2824 A
R1​ = 8 ΩR2​ = 25 ΩR4​ = 30 ΩقصرR3​20 ΩAIs​1 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 = 5,714 Ω، إذن المسار الأيسر هو R2+5,714 = 30,71 Ω
Req = R4 ∥ 30,71 = 15,18 Ω
VB = Is·Req = 1·15,18 = 15,18 V
VA = VB·5,714/30,71 = 2,824 V
IR2″ = (VA − VB)/R2 = (2,824 − 15,18)/25 = −0,4941 A
R1​ = 8 ΩR2​ = 25 ΩR4​ = 30 ΩقصرR3​20 ΩAمفتوحB+−V2​9 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 = 8·20/(8+20) = 5,714 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = 9·30,71/60,71 = 4,553 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = 4,553·5,714/30,71 = 0,8471 V
IR2‴ = (VA − VB)/R2 = (0,8471 − 4,553)/25 = −0,1482 A

اجمع إسهامات التيار

IR2 = IR2′ + IR2″ + IR2‴ = 0,2824 + (−0,4941) + (−0,1482) = −0,36 A

القدرة في المقاومة

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

PR2 = IR2²·R2 = (−0,36)²·25 = 3,24 W

الإجابة

PR2 = 3,24 W

جمع قدرات الحالات المنفصلة يعطي 8,646 W، وهذا خطأ.

9.ثيفنن ونورتن

الإجابة: IN = 1,525 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​ = 8 ΩR3​ = 5 ΩقصرR2​6 ΩAabRth​

أوجد Rth مع إطفاء كل المصادر

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

R1 ∥ R2 = 8·6/(8+6) = 3,429 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3,429 + 5 = 8,429 Ω
R1​ = 8 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​30 VR2​6 ΩAab+−Vth​

أوجد Vth، جهد الدائرة المفتوحة

عندما يكون a–b مفتوحًا لا يمرّ تيار في R₃، فلا هبوط عليه و V_b = V_A. يشكّل R₁ و R₂ مقسّم جهد.

Vth = V1·R2/(R1+R2) = 30·6/(8+6) = 12,86 V
IN​1,525 ARth​8,429 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 = 12,86/8,429 = 1,525 A
10.ثيفنن ونورتن

الإجابة: IL = 0,7381 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​ = 30 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 + 30 = 37,5 Ω
R1​ = 30 ΩR3​ = 30 Ω+−V1​5 VR2​10 ΩAIs​1 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) = 1,25 + 1·7,5 = 8,75 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 8,75 + 1·30 = 38,75 V
Rth​ = 37,5 Ω+−Vth​38,75 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) = 38,75/(37,5 + 15) = 0,7381 A
11.الحالات العابرة RC و RL

الإجابة: t = 0,6931 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.

الثابت الزمني والتيار النهائي

بعد إغلاق المفتاح بوقت طويل يتصرّف الملف كقصر، لذا يحدّد R وحده التيار النهائي.

τ = L/R = 47 mH / 47 Ω = 1 ms
i(∞) = Vs/R = 9/47 = 0,1915 A

حلّ لإيجاد الزمن

0,5 = 1 − e−t/τ → t = −τ·ln(1 − 0,5)
t = −1·ln(0,5) = 0,6931 ms

الإجابة

t = 0,6931 ms
12.الحالات العابرة RC و RL

الإجابة: t = 20,16 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) = 4 V, vC(∞) = Vs = 12 V
τ = R·C = 1 kΩ · 22 µF = 22 ms
vC(t) = 12 + (4 − 12)·e−t/τ

حلّ لإيجاد الزمن

8,8 = 12 + (−8)·e−t/τ → e−t/τ = (8,8 − 12)/(4 − 12) = 0,4
t = τ·ln((4 − 12)/(8,8 − 12)) = 22·ln(2,5) = 20,16 ms

الإجابة

t = 20,16 ms
13.معاوقة التيار المتردد والطوريات

الإجابة: |Z| = 9,529 Ω

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|.

المفاعلة

XL = ωL = 2π·100·0,05 = 31,42 Ω

تيارات الفروع

الفرعان موصولان مباشرةً على طرفي المصدر، لذا يرى كل منهما الجهد الكامل V.

IR = V/R = 50/10 = 5 A
IX = V/XL = 50/31,42 = 1,592 A

التيار الكلي

تيار المقاومة متّفق في الطور مع V والتيار المفاعل مُزاح بـ 90°، لذا يُجمعان كضلعي مثلث قائم.

I = √(IR² + IX²) = √(5² + 1,592²) = 5,247 A

المعاوقة

|Z| = V/I = 50/5,247 = 9,529 Ω

الإجابة

|Z| = 9,529 Ω
14.معاوقة التيار المتردد والطوريات

الإجابة: VL = 206,3 V

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

الرنين

عند الرنين تُلغى المفاعلتان، لذا المعاوقة هي R فقط.

ω₀ = 1/√(LC) = 1/√(0,2·4,7·10⁻⁶) = 1031 rad/s
I = V/R = 5/5 = 1 A

الجهد على الملف

XL = ω₀L = 1031·0,2 = 206,3 Ω
VL = I·XL = 1·206,3 = 206,3 V

الإجابة

VL = 206,3 V

هذا Q = 41,26 مرة جهد المصدر.

15.قدرة التيار المتردد ومعامل القدرة

الإجابة: Q = 10,67 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.

الزاوية

φ = arccos(0,6) = 53,13°, tan φ = 1,333

القدرة غير الفعّالة

Q = P·tan φ = 8·1,333 = 10,67 kvar

الإجابة

Q = 10,67 kvar
16.قدرة التيار المتردد ومعامل القدرة

الإجابة: I = 39,81 A

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

القدرة غير الفعّالة قبل وبعد

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

Q1 = 9·tan(arccos 0,7) = 9,182 kvar
QC = V²·2πf·C = 240²·2π·50·330·10⁻⁶ = 5972 var = 5,972 kvar
Q2 = 9,182 − 5,972 = 3,21 kvar

القدرة الظاهرية الجديدة

S2 = √(9² + 3,21²) = 9,555 kVA

تيار الخط الجديد

I = S2/V = 9555/240 = 39,81 A

الإجابة

I = 39,81 A
17.القدرة ثلاثية الطور

الإجابة: P = 22,12 kW

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

جهد الطور

Vph = VL = 480 V

تيار الطور

|Z| = √(20² + 15²) = 25 Ω
Iph = 480/25 = 19,2 A

القدرة الفعّالة الكلية

الجزء المقاومي فقط من كل ممانعة يمتصّ القدرة الفعّالة.

P = 3·Iph²·R = 3·19,2²·20 = 22,12 kW

الإجابة

P = 22,12 kW

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

18.القدرة ثلاثية الطور

الإجابة: Cph = 801,3 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 = 200·tan(acos 0,78) = 200·0,8023 = 160,5 kvar
Q2 = 200·tan(acos 0,98) = 200·0,2031 = 40,61 kvar

القدرة غير الفعّالة من المكثّفات

QC = Q1 − Q2 = 119,8 kvar

السعة لكل طور

في مجموعة Y يوصل كل مكثّف بين خط ونقطة النجمة.

V = 690/√3 = 398,4 V, ω = 2π·50 = 314,2 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 39948/(314,2·398,4²) = 801,3 µF

الإجابة

Cph = 801,3 µF
19.المحوّلات

الإجابة: IHV = 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 = 50000/10000 = 5 A

الإجابة

IHV = 5 A
20.المحوّلات

الإجابة: Sη,max = 126,5 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

x²·3000 = 1200 → x = √(1200/3000) = 0,6325

الحمل عند أقصى كفاءة

Sη,max = x·S = 0,6325·200 = 126,5 kVA

الإجابة

Sη,max = 126,5 kVA
21.دوائر مكبّرات العمليات

الإجابة: Vout = 1,915 V

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

الجهد عند الدخلين

R₃ و R₄ يحملان التيار نفسه، لذا يشكّلان مقسّم جهد؛ والتغذية الراجعة تجعل V₋ = V₊.

V₊ = V2·R4/(R3 + R4) = 1,6·10/(4,7 + 10) = 1,088 V
V₋ = V₊

قانون كيرشوف للتيار عند الدخل العاكس

(0,7 − 1,088)/4,7 = (1,088 − Vout)/10
Vout = (R2/R1)·(V2 − V1) = (10/4,7)·(1,6 − 0,7) = 1,915 V

الإجابة

Vout = 1,915 V
22.دوائر مكبّرات العمليات

الإجابة: Vout = 1,93 V

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

الجهد عند الدخل +

V₊ = V2·R4/(R3 + R4) = 2·10/(1 + 10) = 1,818 V

طبّق التراكب على الدخلين

مع V₂ = 0 يرى V₁ مكبّرًا عاكسًا. ومع V₁ = 0 يُكبَّر V₊ بالكسب غير العاكس 1 + R₂/R₁.

Vout = −(4,7/47)·0,7 + (1 + 4,7/47)·1,818 = −0,07 + 2 = 1,93 V

الإجابة

Vout = 1,93 V
23.الثنائيات والترانزستورات

الإجابة: IC = 17,16 mA

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

تيار القاعدة

IB = (VCC − VBE)/RB = (15 − 0,7)/100 kΩ = 143 µA

تيار المجمِّع

IC = β·IB = 120·143 µA = 17,16 mA

الإجابة

IC = 17,16 mA

تحقّق: VCE = 6,935 V أعلى بوضوح من 0,2 V، لذا الترانزستور فعلًا في المنطقة الفعّالة.

24.الثنائيات والترانزستورات

الإجابة: PZ,max = 423,1 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 = 20,4/270 = 75,56 mA

قدرة زينر

PZ = 5,6·75,56 = 423,1 mW

الإجابة

PZ,max = 423,1 mW
25.أنظمة العد

الإجابة: U = 173

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

83 = 0101 0011
مقلوب: 1010 1100
+1 → 1010 1101

اقرأه بلا إشارة

1010 1101₂ = 256 − 83 = 173

الإجابة

U = 173
26.أنظمة العد

الإجابة: b = 11 bit

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

قوى العدد 2

210 = 1024 < 1600
211 = 2048 ≥ 1600

الإجابة

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

الإجابة: L = 4

الجبر البولياني: القواعد التي تبسّط التعابير هي X + X′ = 1 و X·X′ = 0، و X + X = X، والامتصاص X + X·Y = X، وقاعدة الدمج X·Y + X·Y′ = X، و X + X′Y = X + Y، ومبرهنة الإجماع XY + X′Z + YZ = XY + X′Z. تحوّل قوانين دي مورغان (X·Y)′ إلى X′ + Y′ و (X + Y)′ إلى X′·Y′. وتطبّق خريطة كارنو هذه القواعد بيانيًا: كل مجموعة من خليتين متجاورتين هي استخدام واحد لـ XY + XY′ = X.

الحدود الصغرى للتعبير

AC′ → m(4, 6)
A′B′C′ → m(0)
ABC → m(7)
ABC′ → m(6)
ABC00011110011001030214051716

جمّع واقرأ

F = B′C′ + AB

عُدّ الحروف

L = 4

الإجابة

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

الإجابة: Q = 7

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.

الدورات الكاملة

كل 8 نبضة تعيد العدّاد إلى الحالة نفسها.

26 = 3·8 + 2

العدّ بعد النبضات المتبقية

Q = (5 + 2) mod 8 = 7
Q = 111₂

الإجابة

Q = 7
29.تحويلات لابلاس

الإجابة: f(0.3) = 4,061

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 + 4s + 4 = (s + 2)²

الكسور الجزئية

2s + 22 = 2(s + 2) + 18
F(s) = 2/(s + 2) + 18/(s + 2)²

التحويل العكسي

f(t) = 2·e−2t + 18·t·e−2t
f(0,3) = (2 + 18·0,3)·e−2·0,3 = 4,061

الإجابة

f(0,3) = 4,061
30.تحويلات لابلاس

الإجابة: y(0.3) = −3,389

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

حوّل المعادلة

s²Y − (−4)s − (−3) + 7(sY − (−4)) + 10Y = 0
Y(s) = (−4s − 31)/((s + 2)(s + 5))

الكسور الجزئية

A = −23/3 = −7,667
B = −11/(−3) = 3,667

النتيجة

y(t) = −7,667·e−2t + 3,667·e−5t
y(0,3) = −3,389

الإجابة

y(0,3) = −3,389

تحقّق: y(0) = A + B = −4.

31.المخططات الصندوقية

الإجابة: K = 12,25

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(s + 7)) = 0 → s² + 7s + K = 0

جذر مكرّر

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

7² = 4K → K = 49/4 = 12,25

الإجابة

K = 12,25
يقع القطبان للحلقة المغلقة عندئذٍ عند s = −3,5.
32.المخططات الصندوقية

الإجابة: σ = −4,5

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

المعادلة المميزة

s(s + 9) + 48·1 = 0 → s² + 9s + 48 = 0

الجذور

s = −4,5 ± j·√(48 − 20,25) = −4,5 ± j5,268
σ = −4,5

الإجابة

σ = −4,5
33.الاستجابة الخطوية

الإجابة: tp = 0,3789 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 = 71 → ωₙ = 8,426 rad/s
2ζωₙ = 3 → ζ = 3/(2·8,426) = 0,178

النتيجة

ωd = 8,426·√(1 − 0,178²) = 8,292 rad/s → tp = π/ωd = 0,3789 s

الإجابة

tp = 0,3789 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) = 175/(s² + 20s + 175): ωₙ = 13,23 rad/s, ζ = 0,7559

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) = −74,3 °

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.

اجمع الزوايا

∠G = atan(20/3) − 90° − atan(20/9) = 81,47° − 90° − 65,77°

النتيجة

∠G(j20) = −74,3°

الإجابة

∠G(jω) = −74,3°
36.مخططات بودي والهوامش

الإجابة: GM = 12,09 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/5)·(ω/6) = 1 → ω180 = √(5·6) = 5,477 rad/s

المقدار عند تقاطع الطور

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 25)·√(ω² + 36)) = K/(5·6·(5 + 6)) = K/330

هامش الكسب

GM = 20·log₁₀(330/82) = 12,09 dB

الإجابة

GM = 12,09 dB
37.الاستقرار: راوث–هرفيتز والمحل الهندسي للجذور

الإجابة: m = 10

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 + 15s² + 50s + K = 0
s³: 1, 50
s²: 15, K
s¹: (15·50 − K)/15
s⁰: K

أكبر كسب مستقر

Kmax = 15·50 = 750

العامل

m = 750/75 = 10

الإجابة

m = 10

هذا العامل هو هامش الكسب كنسبة: 20 dB.

38.الاستقرار: راوث–هرفيتز والمحل الهندسي للجذور

الإجابة: σa = −3,333

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.

الأقطاب والأصفار

الأقطاب: 0, −6, −10, −2
أصفار: −8
n − m = 4 − 1 = 3

المركز

σa = (−18 − (−8))/3 = −3,333

الإجابة

σa = −3,333

تنطلق الخطوط المقاربة الـ 3 من المركز بزوايا 60°, 180°, 300°.

39.خطأ الحالة المستقرة والتحكم PID

الإجابة: ess = 0,03125

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 التسارع

Ka = 20·4/5 = 16

خطأ القطع المكافئ

ess = 0,5/16 = 0,03125

الإجابة

ess = 0,03125
40.خطأ الحالة المستقرة والتحكم PID

الإجابة: %OS = 16,3 %

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 + 10) + 50·2 = s² + 10s + 100

ωₙ وζ

ωₙ = √100 = 10 rad/s
ζ = 10/(2·10) = 0,5

التجاوز

%OS = 100·e−0,5π/√(1 − 0,5²) = 16,3 %

الإجابة

%OS = 16,3 %

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