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​ = 5 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​15 VR2​5 ΩAR4​8 ΩB

أوجد المقاومة المكافئة Req التي يراها المصدر V1.

V1 = 15 VR1 = 5 ΩR2 = 5 ΩR3 = 12 ΩR4 = 8 Ω
Req = Ω
2.المقاومات على التوالي والتوازيصعبة
R1​ = 8 ΩR3​ = 3 ΩR5​ = 20 Ω+−V1​24 VR2​12 ΩAR4​15 ΩBR6​20 Ω

أوجد المقاومة المكافئة Req التي يراها المصدر V1.

V1 = 24 VR1 = 8 ΩR2 = 12 ΩR3 = 3 ΩR4 = 15 ΩR5 = 20 ΩR6 = 20 Ω
Req = Ω
3.تحليل العقدمتوسطة
R1​ = 20 ΩR3​ = 4 ΩIR3​+−V1​6 VR2​4 ΩAR4​15 ΩBIs​4 A

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

V1 = 6 VIs = 4 AR1 = 20 ΩR2 = 4 ΩR3 = 4 ΩR4 = 15 Ω
IR3 = A
4.تحليل العقدصعبة
R1​ = 30 ΩR2​ = 2 ΩIR2​R4​ = 25 Ω+−V1​36 VR3​20 ΩAR5​4 ΩBIs​4 A+−V2​30 V

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

V1 = 36 VIs = 4 AV2 = 30 VR1 = 30 ΩR2 = 2 ΩR3 = 20 ΩR4 = 25 ΩR5 = 4 Ω
IR2 = A
5.تحليل الحلقاتمتوسطة
R1​ = 2 Ω+−VR1​R2​ = 6 Ω+−V1​15 VR3​12 ΩA+−V2​30 VI1​I2​

استخدم تحليل الحلقات لإيجاد الجهد VR1 على طرفي R1 بالقطبية الموضّحة.

V1 = 15 VV2 = 30 VR1 = 2 ΩR2 = 6 ΩR3 = 12 Ω
VR1 = V
6.تحليل الحلقاتصعبة
R1​ = 15 ΩR2​ = 30 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​24 VR4​30 ΩAR5​20 ΩIR5​B+−V2​18 VI1​I2​I3​

استخدم تحليل الحلقات لإيجاد التيار IR5 المارّ في R5 باتجاه السهم.

V1 = 24 VV2 = 18 VR1 = 15 ΩR2 = 30 ΩR3 = 5 ΩR4 = 30 ΩR5 = 20 Ω
IR5 = A
7.التراكبمتوسطة
R1​ = 5 ΩR3​ = 10 ΩIR3​+−V1​12 VR2​4 ΩAR4​4 ΩBIs​?

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

V1 = 12 VR1 = 5 ΩR2 = 4 ΩR3 = 10 ΩR4 = 4 Ω
Is = A
8.التراكبصعبة
R1​ = 10 ΩIR1​R2​ = 4 ΩR4​ = 4 Ω+−V1​5 VR3​4 ΩAIs​2,5 AB+−V2​9 V

استخدم مبدأ التراكب لإيجاد القدرة PR1 التي يمتصها R1.

V1 = 5 VIs = 2,5 AV2 = 9 VR1 = 10 ΩR2 = 4 ΩR3 = 4 ΩR4 = 4 Ω
PR1 = W
9.ثيفنن ونورتنمتوسطة
R1​ = 20 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​30 VR2​4 ΩAab

أوجد جهد ثيفنن Vth المرئي من الطرفين a–b.

V1 = 30 VR1 = 20 ΩR2 = 4 ΩR3 = 6 Ω
Vth = V
10.ثيفنن ونورتنصعبة
R1​ = 5 ΩR3​ = 25 Ω+−V1​15 VR2​15 ΩAIs​2,5 ABRL​30 ΩIL​

وُصل حِمل RL = 30 Ω بين a–b. استبدل بقية الدائرة بمكافئ ثيفنن وأوجد تيار الحِمل IL.

V1 = 15 VIs = 2,5 AR1 = 5 ΩR2 = 15 ΩR3 = 25 ΩRL = 30 Ω
IL = A
11.الحالات العابرة RC و RLمتوسطة
+−Vs​20 Vt = 0R = 47 ΩL68 mHi(t)

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

Vs = 20 VR = 47 ΩL = 68 mHt = 1 ms
i = A
12.الحالات العابرة RC و RLصعبة
+−Vs​12 VR1​ = 33 ΩR2​ = 5 Ωيُغلق عند t = 0L220 mHi(t)

المفتاح الموصول على طرفي R2 مفتوح منذ وقت طويل، لذا تيار الملف مستقر. عند t = 0 يُغلق المفتاح ويقصر R2. أوجد تيار الملف i عند t = 15 ms.

Vs = 12 VR1 = 33 ΩR2 = 5 ΩL = 220 mHt = 15 ms
i = A
13.معاوقة التيار المتردد والطورياتمتوسطة
24 V500 HzR = 60 ΩC = 2,2 µFI

مقاومة ومكثّف موصولان على التوازي على مصدر 24 V (فعّال)، 500 Hz. أوجد مقدار المعاوقة |Z|.

V = 24 V (rms)f = 500 HzR = 60 ΩC = 2,2 µF
|Z| = Ω
14.معاوقة التيار المتردد والطورياتصعبة
10 V500 HzR = 10 ΩL = 50 mHC = 100 µF+−VC​

دائرة RLC على التوالي موصولة بمصدر 10 V (فعّال)، 500 Hz. أوجد الجهد الفعّال VC على المكثّف.

V = 10 V (rms)f = 500 HzR = 10 ΩL = 50 mHC = 100 µF
VC = V
15.قدرة التيار المتردد ومعامل القدرةمتوسطة
120 VR + jXP = 1734 W17 A

يأخذ حِمل حثي 17 A و 1734 W من مصدر أحادي الطور 120 V (فعّال). مثّله بمقاومة R على التوالي مع مفاعلة X. أوجد R.

V = 120 VI = 17 AP = 1734 W
R = Ω
16.قدرة التيار المتردد ومعامل القدرةصعبة
230 V60 Hzالحمل28 kW, 0,7C330 µFI = ?

يأخذ حِمل أحادي الطور 28 kW بمعامل قدرة 0,7 متأخّر من مصدر 230 V، 60 Hz. يُوصل مكثّف سعته 330 µF على التوازي مع الحِمل. أوجد تيار الخط الجديد I.

P = 28 kWpf1 = 0,7V = 230 Vf = 60 HzC = 330 µF
I = A
17.القدرة ثلاثية الطورمتوسطة
ABCVL​ = 480 VNZ = 18 + j24 Ωلكل طور

حمل متوازن موصول Y ممانعته 18 + j24 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 = 18 + j24 Ω لكل طور
P = kW
18.القدرة ثلاثية الطورصعبة
P = 75 kWφ1​S1​Q2​QC​

حمل ثلاثي الطور متوازن يأخذ 75 kW عند معامل قدرة 0,72 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 = 75 kWpf1 = 0,72pf2 = 0,92VL = 400 Vf = 60 Hz
Cph = µF
19.المحوّلاتمتوسطة
10 Ω101

وُصلت مقاومة 10 Ω على طرفي الملف الثانوي لمحوّل مثالي نسبة لفّاته N₁:N₂ = 10:1. أوجد المقاومة R1′ المرئية عند النظر إلى الملف الابتدائي.

N1:N2 = 10:1RL = 10 Ω
R1′ = Ω
20.المحوّلاتصعبة
100 kVA

محوّل أحادي الطور 100 kVA مفقودات قلبه 800 W ومفقودات نحاسه 3200 W عند الحمل المقنَّن. عند أي حمل Sη,max، بالـ kVA، تكون كفاءته في أعلاها؟

S = 100 kVAPcore = 800 WPcu,fl = 3200 W
Sη,max = kVA
21.دوائر مكبّرات العملياتمتوسطة
−+Vout​R2​ = 47 kΩV1​ = 3 VR1​ = 22 kΩV2​ = −0,1 VR3​ = 22 kΩR4​ = 47 kΩ

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

V1 = 3 VV2 = −0,1 VR1 = R3 = 22 kΩR2 = R4 = 47 kΩ
Vout = V
22.دوائر مكبّرات العملياتصعبة
Vin​V1​Vout​المرحلة 1: عاكسR1​ = 4,7 kΩRf1​ = 100 kΩالمرحلة 2: غير عاكسR2​ = 10 kΩRf2​ = 1 kΩ

مرحلتا مكبّر عمليات مثاليتان موصولتان على التتالي: مكبّر عاكس (R1، Rf1) يليه مكبّر غير عاكس (R2 إلى الأرضي، Rf2 في التغذية الراجعة). كلتاهما تعملان من مصدرَي تغذية ±15 V. أوجد كسب الجهد الكلي Av = Vout/Vin.

R1 = 4,7 kΩRf1 = 100 kΩR2 = 10 kΩRf2 = 1 kΩ
Av =
23.الثنائيات والترانزستوراتمتوسطة
+−24 VR = ?5 × 3 V10 mA

5 الأبيض من LED (الجهد الأمامي 3 V لكل منها) موصولة على التوالي مع مقاومة بمصدر 24 V. أوجد المقاومة R التي تجعل التيار 10 mA.

Vs = 24 VVF = 3 Vn = 5I = 10 mA
R = Ω
24.الثنائيات والترانزستوراتصعبة
RC​ = 1 kΩβ = 80VCC​ = 5 V3,3 VRB​ = ?

ترانزستور NPN بـ β = 80 يتحكّم بمقاومة حمل 1 kΩ موصولة بين VCC = 5 V ومجمِّعه. الباعث موصول بالأرضي. تُغذّى القاعدة من خرج منطقي 3,3 V عبر مقاومة قاعدة RB. خذ VBE = 0,7 V و VCE(sat) = 0,2 V. لتبديل موثوق، صمّم لتيار قاعدة يساوي 3 ضعف الحد الأدنى اللازم للتشبّع. أوجد RB بالـ kΩ.

VCC = 5 VRC = 1 kΩβ = 80Vin = 3,3 VVBE = 0,7 VVCE(sat) = 0,2 Vمعامل الدفع الزائد = 3
RB = kΩ
25.أنظمة العدمتوسطة
القيم الموضعية في المتمم الثنائي1−12816413211618140201

النمط ذو 8 بتات 1111 1100 يخزّن عددًا صحيحًا بإشارة بصيغة المتمم الثنائي. ما قيمته N في النظام العشري؟

1111 11008 bit
N =
26.أنظمة العدصعبة
انقر على البتات لضبطها012806403201608040201

اضبط البتات على الناتج بـ 8 بتات لـ 1010 1000 AND 1100 0001. ما قيمة الناتج R بالعشري؟

1010 1000AND1100 0001
R =
27.المنطق الرقمي: البوابات وخرائط كارنو والقلّاباتمتوسطة
ABC00011110010011030214151716

استخدم خريطة كارنو لإيجاد الصيغة الدنيا لجداء المجاميع (POS) للدالة F(A, B, C) = Σm(1, 4, 5, 6, 7). كم حد مجموع (عاملًا) N فيها؟

F(A, B, C) = Σm(1, 4, 5, 6, 7)
N =
28.المنطق الرقمي: البوابات وخرائط كارنو والقلّاباتصعبة
TQ0​Q0​TQ1​Q1​TQ2​Q2​TQ3​Q3​CLKUP

عدّاد ثنائي تصاعدي بـ 4 بتّات يبدأ من 15 (بالنظام العشري، Q = 1111). أي عدّ Q (بالنظام العشري) يُظهر بعد 43 نبضات ساعة؟

Q0 = 1543n = 4
Q =
29.تحويلات لابلاسمتوسطة
t (s)f(t)t = 0,75f(0,75) = ?

أوجد f(t) للدالة F(s) = 35/(s(s + 1)(s + 5)) بالكسور الجزئية، واحسب f(0,75).

F(s) = 35/(s(s + 1)(s + 5))t = 0,75 s
f(0.75) =
30.تحويلات لابلاسصعبة
ReIm−1−2−3−4−5−6−71

يُوصف نظام بالمعادلة التفاضلية y″ + 7y′ + 12y = 2u′ + 13u، 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 = 0,25 s. أوجد g(0,25).

y″ + 7y′ + 12y = 2u′ + 13ut = 0,25 s
g(0.25) =
31.المخططات الصندوقيةمتوسطة
R(s)+3(s + 5)(s + 7)(s + 8)G(s)C(s)−

حلقة تغذية راجعة سالبة أحادية لها G(s) = 3(s + 5)/((s + 7)(s + 8)). تُطبَّق خطوة مقدارها 10 عند المرجع. أوجد خطأ الحالة المستقرة ess.

G(s) = 3(s + 5)/((s + 7)(s + 8))R = 10
ess =
32.المخططات الصندوقيةصعبة
R(s)+3s + 4G₁+1s + 8G₂C(s)1H₁−0,5H₂−

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

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

لنظام دالة النقل G(s) = 294/(s² + 7s + 98) ويتلقى دخلًا خطويًا وحدويًا. أوجد النسبة المئوية للتجاوز %OS في الاستجابة الخطوية.

G(s) = 294/(s² + 7s + 98)
%OS = %
34.الاستجابة الخطويةصعبة
+−12 VR = 7 ΩL = 50 mHC = 47 µFvC​

دائرة RLC على التسلسل فيها R = 7 Ω وL = 50 mH وC = 47 µF موصولة بخطوة جهد 12 V عند t = 0. المكثف غير مشحون ولا يمر تيار قبل الخطوة. أوجد التردد الطبيعي غير المخمّد ωn بوحدة rad/s.

R = 7 ΩL = 50 mHC = 47 µFV = 12 V
ωn = rad/s
35.مخططات بودي والهوامشمتوسطة
|H| (dB)0,11101001000−80−60−40−20020ω (rad/s)ω = 3

أوجد المقدار الدقيق |G(jω)| لـ G(s) = 462/((s + 11)(s + 14)) عند ω = 3 rad/s، بوحدة dB.

G(s) = 462/((s + 11)(s + 14))ω = 3 rad/s
|G(jω)| = dB
36.مخططات بودي والهوامشصعبة
|H| (dB)0,10,1111010100100−100−80−60−40−20020ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−270−180−900ω180​

حلقة تغذية عكسية وحدوية دالة نقلها المفتوحة L(s) = 10/(s(s + 2)(s + 6)). أوجد هامش الكسب GM بوحدة dB.

L(s) = 10/(s(s + 2)(s + 6))
GM = dB
37.الاستقرار: راوث–هرفيتز والمحل الهندسي للجذورمتوسطة
R(s)+101s(s + 3)(s + 8)C(s)+

تستخدم حلقة المخطط تغذية عكسية موجبة، مع L(s) = 10/(s(s + 3)(s + 8)). كم عدد أقطاب الحلقة المغلقة N الواقعة في النصف الأيمن من المستوى؟

L(s) = 10/(s(s + 3)(s + 8))
N =
38.الاستقرار: راوث–هرفيتز والمحل الهندسي للجذورصعبة
ReIm−1−2−3−4−5−6−7−8−9−101j1j2−1,5

لحلقة L(s) = K/(s(s + 4)(s + 8))، أوجد الكسب K الذي يضع قطبًا للحلقة المغلقة عند s = −1,5.

L(s) = K/(s(s + 4)(s + 8))s = −1,5
K =
39.خطأ الحالة المستقرة والتحكم PIDمتوسطة
r(t) = 1t+5(s + 3)s(s + 4)C(s)−

يُطبَّق منحدر r(t) = 1t على حلقة تغذية عكسية وحدوية فيها G(s) = 5(s + 3)/(s(s + 4)). أوجد خطأ الحالة المستقرة ess.

G(s) = 5(s + 3)/(s(s + 4))r(t) = 1t
ess =
40.خطأ الحالة المستقرة والتحكم PIDصعبة
R(s)+K = 410s(s + 4)C(s)−

يتحكم متحكم تناسبي K = 4 في المحطة G(s) = 10/(s(s + 4)) ضمن حلقة تغذية عكسية وحدوية. أوجد النسبة المئوية للتجاوز %OS في الاستجابة الخطوية.

G(s) = 10/(s(s + 4))K = 4
%OS = %

3المحاليل

1.المقاومات على التوالي والتوازي

الإجابة: Req = 9 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​ = 5 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​15 VR2​5 ΩAR4​8 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 = 12 + 8 = 20 Ω
R2 ∥ 20 = 5·20/(5+20) = 4 Ω
Req = R1 + 4 = 5 + 4 = 9 Ω

الإجابة

Req = 9 Ω
2.المقاومات على التوالي والتوازي

الإجابة: Req = 14,44 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​ = 8 ΩR3​ = 3 ΩR5​ = 20 Ω+−V1​24 VR2​12 ΩAR4​15 ΩBR6​20 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 + 20 = 40 Ω
R4 ∥ 40 = 10,91 Ω
R3 + 10,91 = 13,91 Ω
R2 ∥ 13,91 = 6,442 Ω
Req = R1 + 6,442 = 8 + 6,442 = 14,44 Ω

الإجابة

Req = 14,44 Ω
3.تحليل العقد

الإجابة: IR3 = −2,642 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​ = 20 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​6 VR2​4 ΩAR4​15 ΩBIs​4 A

حدّد العقد

الأرضي هو السلك السفلي. جهود العقد المعروفة تأتي مباشرة من المصادر (V1 = 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/R2 + (VA − V1)/R1 + (VA − VB)/R3 = 0
VA/4 + (VA − 6)/20 + (VA − VB)/4 = 0
0,55·VA − 0,25·VB = 0,3

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/15 + (VB − VA)/4 = 4
−0,25·VA + 0,3167·VB = 4

الحل

Δ = (0,55)(0,3167) − (−0,25)(−0,25) = 0,1117
VA = Δ1/Δ = 1,095/0,1117 = 9,806 V
VB = Δ2/Δ = 2,275/0,1117 = 20,37 V

الإجابة

IR3 = (VA − VB)/R3 = (9,806 − 20,37)/4 = −2,642 A
4.تحليل العقد

الإجابة: IR2 = −0,2024 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​ = 30 ΩR2​ = 2 ΩR4​ = 25 Ω+−V1​36 VR3​20 ΩAR5​4 ΩBIs​4 A+−V2​30 V

حدّد العقد

الأرضي هو السلك السفلي. جهود العقد المعروفة تأتي مباشرة من المصادر (V1 = 36 V, V2 = 30 V). المجاهيل: VA, VB.

قانون كيرشوف للتيار عند العقدة A

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

VA/R3 + (VA − V1)/R1 + (VA − VB)/R2 = 0
VA/20 + (VA − 36)/30 + (VA − VB)/2 = 0
0,5833·VA − 0,5·VB = 1,2

قانون كيرشوف للتيار عند العقدة B

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

VB/R5 + (VB − VA)/R2 + (VB − V2)/R4 = Is
VB/4 + (VB − VA)/2 + (VB − 30)/25 = 4
−0,5·VA + 0,79·VB = 5,2

الحل

Δ = (0,5833)(0,79) − (−0,5)(−0,5) = 0,2108
VA = Δ1/Δ = 3,548/0,2108 = 16,83 V
VB = Δ2/Δ = 3,633/0,2108 = 17,23 V

الإجابة

IR2 = (VA − VB)/R2 = (16,83 − 17,23)/2 = −0,2024 A
5.تحليل الحلقات

الإجابة: VR1 = −1,667 V

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

R1​ = 2 ΩR2​ = 6 Ω+−V1​15 VR3​12 ΩA+−V2​30 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 + 12(I1 − I2) = 15
14·I1 − 12·I2 = 15

قانون كيرشوف للجهد حول الحلقة 2

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

R2·I2 + R3(I2 − I1) = −V2
6·I2 + 12(I2 − I1) = (−30)
−12·I1 + 18·I2 = −30

الحل

Δ = (14)(18) − (−12)(−12) = 108
I1 = Δ1/Δ = −90/108 = −0,8333 A
I2 = Δ2/Δ = −240/108 = −2,222 A

الإجابة

IR1 = I1 = −0,8333 A
VR1 = IR1·R1 = −0,8333·2 = −1,667 V

تيار الحلقة السالب يسري عكس عقارب الساعة.

6.تحليل الحلقات

الإجابة: IR5 = 0,7273 A

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

R1​ = 15 ΩR2​ = 30 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​24 VR4​30 ΩAR5​20 ΩB+−V2​18 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
15·I1 + 30(I1 − I2) = 24
45·I1 − 30·I2 = 24

قانون كيرشوف للجهد حول الحلقة 2

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

R2·I2 + R4(I2 − I1) + R5(I2 − I3) = 0
30·I2 + 30(I2 − I1) + 20(I2 − I3) = 0
−30·I1 + 80·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
5·I3 + 20(I3 − I2) = (−18)
−20·I2 + 25·I3 = −18

الحل

Δ = محدد مصفوفة المعاملات = 49500
I1 = Δ1/Δ = 27600/49500 = 0,5576 A
I2 = Δ2/Δ = 1800/49500 = 0,03636 A
I3 = Δ3/Δ = −34200/49500 = −0,6909 A

الإجابة

IR5 = I2 − I3 = 0,7273 A

تيار الحلقة السالب يسري عكس عقارب الساعة.

7.التراكب

الإجابة: Is = 1,333 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​ = 5 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​12 VR2​4 ΩAR4​4 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 = 10+4 = 14 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 4·14/(4+14) = 3,111 Ω
VA = 12·3,111/(5+3,111) = 4,603 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 4,603·4/14 = 1,315 V
IR3′ = (VA − VB)/R3 = (4,603 − 1,315)/10 = 0,3288 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 = 2,222 Ω
IR3″ = −Is·R4/(R4 + R3 + R1∥R2) = −Is·4/16,22 = −0,2466·Is

اجعل المجموع صفرًا

IR3′ + IR3″ = 0,3288 − 0,2466·Is = 0
Is = 0,3288/0,2466 = 1,333 A

الإجابة

Is = 1,333 A
8.التراكب

الإجابة: PR1 = 0,1108 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​ = 10 ΩR2​ = 4 ΩR4​ = 4 Ω+−V1​5 VR3​4 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) = 4 ∥ 8 = 2,667 Ω
VA = 5·2,667/(10+2,667) = 1,053 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 1,053·4/8 = 0,5263 V
IR1′ = (V1 − VA)/R1 = (5 − 1,053)/10 = 0,3947 A
R1​ = 10 ΩR2​ = 4 ΩR4​ = 4 ΩقصرR3​4 ΩAIs​2,5 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 = 2,857 Ω، إذن المسار الأيسر هو R2+2,857 = 6,857 Ω
Req = R4 ∥ 6,857 = 2,526 Ω
VB = Is·Req = 2,5·2,526 = 6,316 V
VA = VB·2,857/6,857 = 2,632 V
IR1″ = (V1 − VA)/R1 = (0 − 2,632)/10 = −0,2632 A
R1​ = 10 ΩR2​ = 4 ΩR4​ = 4 ΩقصرR3​4 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 = 10·4/(10+4) = 2,857 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = 9·6,857/10,86 = 5,684 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = 5,684·2,857/6,857 = 2,368 V
IR1‴ = (V1 − VA)/R1 = (0 − 2,368)/10 = −0,2368 A

اجمع إسهامات التيار

IR1 = IR1′ + IR1″ + IR1‴ = 0,3947 + (−0,2632) + (−0,2368) = −0,1053 A

القدرة في المقاومة

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

PR1 = IR1²·R1 = (−0,1053)²·10 = 0,1108 W

الإجابة

PR1 = 0,1108 W

جمع قدرات الحالات المنفصلة يعطي 2,812 W، وهذا خطأ.

9.ثيفنن ونورتن

الإجابة: Vth = 5 V

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​ = 20 ΩR3​ = 6 ΩقصرR2​4 ΩAabRth​

أوجد Rth مع إطفاء كل المصادر

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

R1 ∥ R2 = 20·4/(20+4) = 3,333 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3,333 + 6 = 9,333 Ω
R1​ = 20 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​30 VR2​4 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) = 30·4/(20+4) = 5 V
10.ثيفنن ونورتن

الإجابة: IL = 1,415 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​ = 5 ΩR3​ = 25 ΩقصرR2​15 ΩAمفتوحBabRth​

أوجد Rth مع إطفاء كل المصادر

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

R1 ∥ R2 = 5·15/(5+15) = 3,75 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3,75 + 25 = 28,75 Ω
R1​ = 5 ΩR3​ = 25 Ω+−V1​15 VR2​15 ΩAIs​2,5 ABab+−Vth​

أوجد Vth، جهد الدائرة المفتوحة

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

VA = V1·R2/(R1+R2) + Is·(R1∥R2) = 11,25 + 2,5·3,75 = 20,63 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 20,63 + 2,5·25 = 83,13 V
Rth​ = 28,75 Ω+−Vth​83,13 VRL​30 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) = 83,13/(28,75 + 30) = 1,415 A
11.الحالات العابرة RC و RL

الإجابة: i = 0,2123 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 = 68 mH / 47 Ω = 1,447 ms
i(∞) = Vs/R = 20/47 = 0,4255 A

التيار في اللحظة المعطاة

i(t) = i(∞)·(1 − e−t/τ) = 0,4255·(1 − e−1/1,447) = 0,2123 A

الإجابة

i = 0,2123 A
12.الحالات العابرة RC و RL

الإجابة: i = 0,3586 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.

القيمة الابتدائية، القيمة النهائية، الثابت الزمني

قبل t = 0 تكون المقاومتان كلتاهما في الحلقة؛ وبعدها يتجاوز المفتاح المغلق R₂.

i(0) = 12/(33 + 5) = 0,3158 A
i(∞) = 12/33 = 0,3636 A
τ = L/R = 220/33 = 6,667 ms
i(t) = 0,3636 + (0,3158 − 0,3636)·e−t/τ

التيار في اللحظة المعطاة

i(15) = 0,3636 + (−0,04785)·e−15/6,667 = 0,3586 A

الإجابة

i = 0,3586 A
13.معاوقة التيار المتردد والطوريات

الإجابة: |Z| = 55,42 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

XC = 1/(ωC) = 1/(2π·500·2,2·10⁻⁶) = 144,7 Ω

تيارات الفروع

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

IR = V/R = 24/60 = 0,4 A
IX = V/XC = 24/144,7 = 0,1659 A

التيار الكلي

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

I = √(IR² + IX²) = √(0,4² + 0,1659²) = 0,433 A

المعاوقة

|Z| = V/I = 24/0,433 = 55,42 Ω

الإجابة

|Z| = 55,42 Ω
14.معاوقة التيار المتردد والطوريات

الإجابة: VC = 0,2064 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·500 = 3142 rad/s
XL = ωL = 3142·0,05 = 157,1 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(3142·100·10⁻⁶) = 3,183 Ω

المعاوقة

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

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(10² + (153,9)²) = 154,2 Ω

التيار

يمرّ التيار نفسه في كل عنصر من عناصر دائرة التوالي.

I = V/|Z| = 10/154,2 = 0,06484 A

الجهد على المكثّف

VC = I·XC = 0,06484·3,183 = 0,2064 V

الإجابة

VC = 0,2064 V
15.قدرة التيار المتردد ومعامل القدرة

الإجابة: R = 6 Ω

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

المقاومة من القدرة الفعلية

R = P/I² = 1734/17² = 6 Ω

الإجابة

R = 6 Ω
16.قدرة التيار المتردد ومعامل القدرة

الإجابة: I = 154,8 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 = 28·tan(arccos 0,7) = 28,57 kvar
QC = V²·2πf·C = 230²·2π·60·330·10⁻⁶ = 6581 var = 6,581 kvar
Q2 = 28,57 − 6,581 = 21,98 kvar

القدرة الظاهرية الجديدة

S2 = √(28² + 21,98²) = 35,6 kVA

تيار الخط الجديد

I = S2/V = 35599/230 = 154,8 A

الإجابة

I = 154,8 A
17.القدرة ثلاثية الطور

الإجابة: P = 4,608 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 = 480/√3 = 277,1 V

تيار الطور

|Z| = √(18² + 24²) = 30 Ω
Iph = 277,1/30 = 9,238 A

القدرة الفعّالة الكلية

الجزء المقاومي فقط من كل ممانعة يمتصّ القدرة الفعّالة.

P = 3·Iph²·R = 3·9,238²·18 = 4,608 kW

الإجابة

P = 4,608 kW

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

18.القدرة ثلاثية الطور

الإجابة: Cph = 222,9 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 = 75·tan(acos 0,72) = 75·0,9639 = 72,29 kvar
Q2 = 75·tan(acos 0,92) = 75·0,426 = 31,95 kvar

القدرة غير الفعّالة من المكثّفات

QC = Q1 − Q2 = 40,34 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) = 13446/(377·400²) = 222,9 µF

الإجابة

Cph = 222,9 µF
19.المحوّلات

الإجابة: R1′ = 1000 Ω

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.

المقاومة المحوَّلة

يرتفع الجهد بـ a وينخفض التيار بـ a، لذا ترتفع النسبة V/I بـ a².

R1′ = a²·RL = 10²·10 = 1000 Ω

الإجابة

R1′ = 1000 Ω
20.المحوّلات

الإجابة: Sη,max = 50 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

x²·3200 = 800 → x = √(800/3200) = 0,5

الحمل عند أقصى كفاءة

Sη,max = x·S = 0,5·100 = 50 kVA

الإجابة

Sη,max = 50 kVA
21.دوائر مكبّرات العمليات

الإجابة: Vout = −6,623 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) = −0,1·47/(22 + 47) = −0,06812 V
V₋ = V₊

قانون كيرشوف للتيار عند الدخل العاكس

(3 − −0,06812)/22 = (−0,06812 − Vout)/47
Vout = (R2/R1)·(V2 − V1) = (47/22)·(−0,1 − 3) = −6,623 V

الإجابة

Vout = −6,623 V
22.دوائر مكبّرات العمليات

الإجابة: Av = −23,4

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 كل مرحلة

A1 = −Rf1/R1 = −100/4,7 = −21,28
A2 = 1 + Rf2/R2 = 1 + 1/10 = 1,1

الكسب الكلي

Av = A1·A2 = −21,28·1,1 = −23,4

الإجابة

Av = −23,4
23.الثنائيات والترانزستورات

الإجابة: R = 900 Ω

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

الجهد على المقاومة

VR = 24 − 5·3 = 9 V

المقاومة

R = 9/0,01 = 900 Ω

الإجابة

R = 900 Ω

تبدد المقاومة 90 mW.

24.الثنائيات والترانزستورات

الإجابة: RB = 14,44 kΩ

BJT كمفتاح: لتشغيل الحمل تشغيلًا كاملًا يُدفع الترانزستور إلى التشبّع، حيث VCE = VCE(sat) ويحدّد الحمل تيار المجمِّع: IC(sat) = (VCC − VCE(sat))/RC. يتطلّب التشبّع IB = IC(sat)/β على الأقل. إذا كان تيار القاعدة أصغر، يبقى الترانزستور في المنطقة الفعّالة و IC = β·IB.

تيار المجمِّع في التشبّع

IC(sat) = (5 − 0,2)/1000 = 4,8 mA

أدنى تيار قاعدة

IB(min) = IC(sat)/β = 4,8/80 = 60 µA

تيار القاعدة التصميمي

IB = 3·60 µA = 180 µA

مقاومة القاعدة

RB = (3,3 − 0,7)/IB = 2,6 V/0,18 mA = 14,44 kΩ

الإجابة

RB = 14,44 kΩ
25.أنظمة العد

الإجابة: N = −4

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

اجمع القيم

تحتفظ البتات الأخرى بقيمها الموجبة المعتادة.

−128 + 64 + 32 + 16 + 8 + 4 = −4

الإجابة

N = −4
26.أنظمة العد

الإجابة: R = 128

ضبط البتات: قيمة كل بت قوة للعدد اثنين (128 و64 … و1). الرقم السداسي عشري الواحد يساوي أربع بتات تمامًا، وفي المتمم الثنائي بـ 8 بتات تساوي قيمة البت الأيسر −128. وتعمل العمليات على مستوى البت على كل موضع بت على حدة.

بتًا ببت

تعطي AND القيمة 1 حيث يكون البتان 1 فقط.

1010 1000
AND 1100 0001
= 1000 0000

قيمة الناتج

1000 0000₂ = 128

الإجابة

R = 128
27.المنطق الرقمي: البوابات وخرائط كارنو والقلّابات

الإجابة: N = 2

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.

ABC00011110010011030214151716

جمّع الأصفار

كل مجموعة مستطيل من 2ᵏ خلية؛ وخلايا الحافة جارة للخلايا على الحافة المقابلة.

(A + C)
(A + B′)

الصيغة الدنيا POS

F = (A + C)(A + B′)
N = 2

الإجابة

N = 2
28.المنطق الرقمي: البوابات وخرائط كارنو والقلّابات

الإجابة: Q = 10

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 16 نبضة تعيد العدّاد إلى الحالة نفسها.

43 = 2·16 + 11

العدّ بعد النبضات المتبقية

Q = (15 + 11) mod 16 = 10
Q = 1010₂

الإجابة

Q = 10
29.تحويلات لابلاس

الإجابة: f(0.75) = 2,908

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

الكسور الجزئية

F(s) = A/s + B/(s + 1) + C/(s + 5)
A = 35/(1·5) = 7
B = 35/((−1)·4) = −8,75
C = 35/((−5)·(−4)) = 1,75

التحويل العكسي

f(t) = 7 − 8,75·e−t + 1,75·e−5t

احسب

f(0,75) = 7 − 8,75·e−0,75 + 1,75·e−5·0,75 = 2,908

الإجابة

f(0,75) = 2,908
30.تحويلات لابلاس

الإجابة: g(0.25) = 1,467

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) = (2s + 13)/(s² + 7s + 12)

الكسور الجزئية

s² + 7s + 12 = (s + 3)(s + 4)
A = 7, B = −5

استجابة النبضة

g(t) = 7·e−3t − 5·e−4t
g(0,25) = 1,467

الإجابة

g(0,25) = 1,467
31.المخططات الصندوقية

الإجابة: ess = 7,887

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) = 3·5/(7·8) = 0,2679

خطأ الحالة المستقرة

ess = A/(1 + Kₚ) = 10/(1 + 0,2679) = 7,887

الإجابة

ess = 7,887
32.المخططات الصندوقية

الإجابة: T(0) = 0,08

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) = 1/(s + 9)

الحلقة الخارجية

T(s) = G₁Gᵢ/(1 + G₁GᵢH₂) = 3/((s + 4)(s + 9) + 1,5)

كسب التيار المستمر

T(0) = 3/(4·9 + 1,5) = 3/37,5 = 0,08

الإجابة

T(0) = 0,08
33.الاستجابة الخطوية

الإجابة: %OS = 30,5 %

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 = 98 → ωₙ = 9,899 rad/s
2ζωₙ = 7 → ζ = 7/(2·9,899) = 0,3536

النتيجة

%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 100·e−1,187 = 30,5 %

الإجابة

%OS = 30,5 %
34.الاستجابة الخطوية

الإجابة: ωn = 652,3 rad/s

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

التردد الطبيعي ونسبة التخميد

ωₙ = 1/√(LC) = 1/√(0,05·4,7 × 10⁻⁵) = 652,3 rad/s
ζ = (R/2)·√(C/L) = (7/2)·√(4,7 × 10⁻⁵/0,05) = 0,1073

النتيجة

ωₙ = 652,3 rad/s

الإجابة

ωn = 652,3 rad/s
35.مخططات بودي والهوامش

الإجابة: |G(jω)| = 9,036 dB

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

اضرب المقادير

|G(j3)| = 462/(√(3² + 11²)·√(3² + 14²)) = 462/(11,4·14,32) = 2,83

النتيجة

20·log₁₀(2,83) = 9,036 dB

الإجابة

|G(jω)| = 9,036 dB
36.مخططات بودي والهوامش

الإجابة: GM = 19,65 dB

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

تقاطع الطور

(ω/2)·(ω/6) = 1 → ω180 = √(2·6) = 3,464 rad/s

المقدار عند تقاطع الطور

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 4)·√(ω² + 36)) = K/(2·6·(2 + 6)) = K/96

هامش الكسب

GM = 20·log₁₀(96/10) = 19,65 dB

الإجابة

GM = 19,65 dB
37.الاستقرار: راوث–هرفيتز والمحل الهندسي للجذور

الإجابة: N = 1

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 + 11s² + 24s − 10 = 0

جدول روث

s³: 1, 24
s²: 11, −10
s¹: 24,91
s⁰: −10

تغيّرات الإشارة في العمود الأول

1 → 11 → 24,91 → −10
N = 1

الإجابة

N = 1

التغذية العكسية الموجبة تجعل المعامل الثابت سالبًا: فينتقل قطب حقيقي واحد دائمًا إلى النصف الأيمن من المستوى.

38.الاستقرار: راوث–هرفيتز والمحل الهندسي للجذور

الإجابة: K = 24,38

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.

شرط المقدار

K = |s|·|s + 4|·|s + 8|

احسب عند النقطة

K = 1,5·2,5·6,5 = 24,38

الإجابة

K = 24,38

تحقق: s(s + 4)(s + 8) + K تساوي صفرًا عند s = −1,5.

39.خطأ الحالة المستقرة والتحكم PID

الإجابة: ess = 0,2667

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) = 3,75

خطأ المنحدر

ess = 1/3,75 = 0,2667

الإجابة

ess = 0,2667
40.خطأ الحالة المستقرة والتحكم PID

الإجابة: %OS = 35,09 %

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 + 4) + 4·10 = s² + 4s + 40

ωₙ وζ

ωₙ = √40 = 6,325 rad/s
ζ = 4/(2·6,325) = 0,3162

التجاوز

%OS = 100·e−0,3162π/√(1 − 0,3162²) = 35,09 %

الإجابة

%OS = 35,09 %

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