التدريب لاختبار FE للهندسة الكهربائية والحاسوب: حزمة المراجعة المكثفة

أوراق القوانين، وأهم خطوات الحل لكل موضوع، و40 مسألة تدريبية، مع الحلول الكاملة في الخلف.

مسائل جديدةالعودة إلى المقرّر

في نافذة الطباعة اختر «حفظ بصيغة PDF» لحفظ نسخة على جهازك.

1القوانين وطرق الحل

المقاومات على التوالي والتوازي

مقاومات على التوالي
Req = R1 + R2 + …
مقاومات على التوازي
1/Req = 1/R1 + 1/R2 + …
مقاومتان على التوازي
Req = R1R2 / (R1 + R2)
قانون أوم
V = I·R
القدرة
P = V·I = I²R = V²/R

الطريقة

  1. ابدأ من طرف الشبكة الأبعد عن الطرفين.
  2. اجمع المقاومات المتوالية بجمعها، والمقاومات المتوازية بـ 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …
  3. أعد رسم الدائرة بعد كل خطوة.
  4. كرّر حتى تبقى مقاومة واحدة بين الطرفين.

تحليل العقد

قانون كيرشوف للتيار
ΣIin = ΣIout
تيار الفرع
I = (Va − Vb)/R
العقدة المرجعية
Vground = 0

الطريقة

  1. اختر عقدة مرجعية (الأرضي) وسمِّ جهود العقد الأخرى.
  2. اكتب قانون كيرشوف للتيار عند كل عقدة مجهولة: التيارات الخارجة عبر الفروع تساوي التيارات الداخلة.
  3. عبّر عن كل تيار فرع بالصيغة (Va − Vb)/R.
  4. حلّ نظام المعادلات، ثم أوجد أي تيار تحتاجه.

تحليل الحلقات

قانون كيرشوف للجهد
ΣV = 0 حول كل حلقة
مقاومة مشتركة
التيار = I1 − I2
مصدر تيار في حلقة
يحدّد تيار تلك الحلقة

الطريقة

  1. ارسم تيارًا باتجاه عقارب الساعة في كل حلقة (نافذة) من الدائرة.
  2. طبّق قانون كيرشوف للجهد حول كل حلقة: مجموع هبوطات الجهد يساوي صفرًا.
  3. في المقاومة المشتركة بين حلقتين يكون التيار هو الفرق بين تياري الحلقتين.
  4. حلّ المعادلات؛ النتيجة السالبة تعني أن التيار يسري في الاتجاه المعاكس.

التراكب

التراكب
x = x1 + x2 + … (one source at a time)
مصدر جهد مُطفأ
قصر (0 V)
مصدر تيار مُطفأ
دائرة مفتوحة (0 A)
مقسّم الجهد
V2 = V·R2/(R1 + R2)
مقسّم التيار
I1 = I·R2/(R1 + R2)

الطريقة

  1. عُدّ المصادر المستقلة. ستحلّ دائرة أبسط واحدة لكل مصدر.
  2. أبقِ مصدرًا واحدًا وأطفئ الباقي: يصبح مصدر الجهد قصرًا (سلكًا)، ويصبح مصدر التيار دائرة مفتوحة (فجوة).
  3. حلّ الدائرة الأبسط لإيجاد الجهد أو التيار المطلوب، مع متابعة اتجاهه.
  4. كرّر ذلك لكل مصدر، ثم اجمع المساهمات بإشاراتها.

ثيفنن ونورتن

جهد ثيفنن
Vth = Vopen circuit
مقاومة ثيفنن
Rth: كل المصادر مُطفأة، منظورًا إليها من a–b
تيار نورتن
IN = Vth/Rth
تيار الحِمل
IL = Vth/(Rth + RL)
أقصى نقل للقدرة
RL = Rth, Pmax = Vth²/(4Rth)

الطريقة

  1. أزل الحِمل وعلّم الطرفين a و b.
  2. أوجد جهد الدائرة المفتوحة بين a و b: هذا هو Vth.
  3. أطفئ كل المصادر المستقلة وأوجد المقاومة المرئية من a–b: هذه هي Rth.
  4. أعد الحِمل إلى الدائرة المكافئة: Vth على التوالي مع Rth.
  5. لمكافئ نورتن، حوّل: IN = Vth/Rth، مع RN = Rth على التوازي.

الحالات العابرة RC و RL

الثابت الزمني
τ = RC | τ = L/R
الاستجابة
x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ
المكثّف في التيار المستمر
دائرة مفتوحة؛ لا يمكن أن يقفز vC
الملف في التيار المستمر
قصر؛ لا يمكن أن يقفز iL
الحالة المستقرة
t ≈ 5τ

الطريقة

  1. أوجد القيمة الابتدائية مباشرة بعد التبديل: جهد المكثّف وتيار الملف لا يقفزان.
  2. أوجد القيمة النهائية بعد التبديل بزمن طويل: يتصرّف المكثّف كدائرة مفتوحة، والملف كقصر.
  3. أوجد الثابت الزمني: τ = RC أو τ = L/R، باستخدام المقاومة التي يراها المكثّف أو الملف.
  4. استخدم x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ.

معاوقة التيار المتردد والطوريات

المعاوقات
ZR = R, ZL = jωL, ZC = 1/(jωC)
التردد الزاوي
ω = 2πf
المقدار والزاوية
|Z| = √(R² + X²), φ = atan(X/R)
قانون أوم بالطوريات
V = I·Z

الطريقة

  1. حوّل التردد: ω = 2πf.
  2. أوجد كل ممانعة مفاعلة: XL = ωL و XC = 1/(ωC).
  3. اجمع الممانعات كما تجمع المقاومات، مع Z = R + jX.
  4. أوجد المقدار |Z| = √(R² + X²) والزاوية φ = atan(X/R)، ثم استخدم قانون أوم بالطوريات.

قدرة التيار المتردد ومعامل القدرة

القدرة الفعلية
P = V·I·cos φ
القدرة غير الفعّالة
Q = V·I·sin φ
القدرة الظاهرية
S = V·I = √(P² + Q²)
معامل القدرة
pf = cos φ = P/S
مكثّف التصحيح
QC = P(tan φ1 − tan φ2), C = QC/(ωV²)

القدرة ثلاثية الطور

توصيل نجمة (Y)
VL = √3·Vph, IL = Iph
توصيل دلتا (Δ)
VL = Vph, IL = √3·Iph
القدرة الفعّالة الكلية
P = √3·VL·IL·cos φ = 3·Iph²·R
القدرة الظاهرية والقدرة غير الفعّالة
S = √3·VL·IL, Q = P·tan φ
مكثّفات التصحيح
QC = P(tan φ1 − tan φ2), C = QC/(3ωV²)
الجهد على كل مكثّف
Δ: VL Y: VL/√3
قدرة دخل المحرّك
Pin = Pout/η

المحوّلات

نسبة اللفّات
a = N1/N2 = V1/V2
نسبة التيارات
I1/I2 = N2/N1 = 1/a
التيار المقنَّن
I = S/V
الممانعة المحوَّلة
Z1′ = a²·ZL
مفقودات النحاس عند حمل جزئي
Pcu = x²·Pcu,fl
الكفاءة
η = x·S·pf/(x·S·pf + Pcore + x²·Pcu,fl)
أقصى كفاءة
x = √(Pcore/Pcu,fl)

دوائر مكبّرات العمليات

المكبّر العاكس
Vout = −(Rf/Rin)·Vin
المكبّر غير العاكس
Vout = (1 + Rf/R1)·Vin
المكبّر الجامع
Vout = −Rf(V1/R1 + V2/R2)
مكبّر العمليات المثالي
V+ = V−, Iin = 0

الثنائيات والترانزستورات

الثنائي (هبوط ثابت)
VD = 0,7 V when conducting
المنطقة الفعّالة
VBE = 0,7 V, IC = β·IB, IE = (β + 1)·IB
الانحياز الثابت
IB = (VCC − 0,7)/RB
انحياز مقسّم الجهد
IB = (VTH − 0,7)/(RTH + (β + 1)RE)
مكافئ ثيفنن لمقسّم الجهد
VTH = VCC·R2/(R1 + R2), RTH = R1∥R2
حلقة المجمِّع
VCE = VCC − ICRC − IERE
التشبّع
IC(sat) = (VCC − VCE(sat))/RC, IB ≥ IC(sat)/β

أنظمة العد

القيم الموضعية
الثنائي 2k، الثماني 8k، الست عشري 16k
إلى العشري
Σ dk·bk
من العشري
اقسم على الأساس، واقرأ البواقي من الأسفل إلى الأعلى
الست عشري ↔ الثنائي
رقم ست عشري واحد = 4 بتات
المتمم الثنائي
اعكس البتات وأضف 1

المنطق الرقمي: البوابات وخرائط كارنو والقلّابات

البوابات الأساسية
A·B, A + B, A′, (A·B)′, (A + B)′, A ⊕ B
القواعد البولية
X + X′ = 1, X·X′ = 0, X + XY = X, XY + XY′ = X
دي مورغان
(X·Y)′ = X′ + Y′, (X + Y)′ = X′·Y′
ترتيب خريطة كارنو
00, 01, 11, 10 (Gray code)
مجموعة من 2ᵏ خلية
تفقد k متغيرًا
مضاعِف 4-إلى-1
F = A′B′I0 + A′BI1 + AB′I2 + ABI3
القلّابات
D: Q⁺ = D, T: Q⁺ = T ⊕ Q, JK: Q⁺ = JQ′ + K′Q
العدّادات
n بتّات: 2ⁿ حالة؛ mod-N: أصغر n يحقق 2ⁿ ≥ N؛ fout = fclk/N
العدّاد المتموّج
fmax = 1/(n·tpd)
العدّادان الحلقي وجونسون
n و 2n حالة

الطريقة

  1. لدارة ما، اعمل من المداخل إلى المخرج بوابةً بوابةً واكتب القيمة على كل سلك، أو اكتب تعبيرها واملأ جدول الصدق.
  2. للتبسيط ضع الآحاد (وحالات عدم الاكتراث على شكل X) في خريطة كارنو بصفوف وأعمدة بشيفرة غراي: 00, 01, 11, 10.
  3. غطِّ الآحاد بأقل عدد ممكن وأكبر حجم ممكن من المجموعات ذات 1 أو 2 أو 4 أو 8 أو 16 خلية، مع الالتفاف حول الحواف؛ كل مجموعة حد جداء واحد من المتغيرات التي تبقى ثابتة. جمّع الأصفار للصيغة POS.
  4. للقلّابات والعدّادات اقرأ المداخل عند كل حافة ساعة فعالة، واكتب الحالة بعد كل حافة، وتذكّر أن عدّادًا ذا n بتّات يلتف بعد 2ⁿ حالة.

الاستقرار: راوث–هرفيتز والمحل الهندسي للجذور

الاستقرار
جميع جذور كثير الحدود المميِّز في النصف الأيسر من المستوى
جدول راوث، عنصر الصف s¹ في كثير حدود تكعيبي
b1 = (a2a1 − a3a0)/a2
جذور النصف الأيمن من المستوى
عدد تغيّرات الإشارة في العمود الأول
كثير الحدود التكعيبي s³ + a₂s² + a₁s + a₀
مستقر حين a > 0 لجميع المعاملات وa₂·a₁ > a₀
K/(s(s + a)(s + b))
Kmax = ab(a + b), ω = √(ab)
المعادلة المميزة
1 + K·G(s) = 0
الخطوط المقاربة
σa = (Σp − Σz)/(n − m), θ = (2q + 1)·180°/(n − m)
نقطتا الانفصال والالتقاء
dK/ds = 0
شرط المقدار
K = 1/|G(s)|
زاوية المغادرة
θd = 180° − Σ∠(from other poles) + Σ∠(from zeros)

الطريقة

  1. اكتب كثير الحدود المميِّز للحلقة المغلقة: مقام 1 + K·G(s) = 0، بعد فكّه.
  2. ضع المعاملات بالتناوب في الصفين الأولين من جدول راوث وابنِ بقية الصفوف.
  3. عُدّ تغيّرات الإشارة في العمود الأول: كل تغيّر قطب في النصف الأيمن من المستوى. ومع وجود K في الجدول اشترط أن يبقى كل عنصر في العمود الأول موجبًا.
  4. للمحل الهندسي للجذور عيّن الأقطاب والأصفار وقطع المحور الحقيقي والخطوط المقاربة من المركز ونقاط الانفصال حيث dK/ds = 0. واستخدم K = 1/|G(s)| لإيجاد الكسب عند نقطة.

خطأ الحالة المستقرة والتحكم PID

نوع النظام
عدد أقطاب G(s) عند s = 0
ثوابت الخطأ
Kp = lim G(s), Kv = lim s·G(s), Ka = lim s²·G(s) (s → 0)
الخطوة A
ess = A/(1 + Kp)
المنحدر A·t
ess = A/Kv
القطع المكافئ A·t²/2
ess = A/Ka
المتحكم PID
C(s) = Kp + Ki/s + Kd·s
الهدف من الرتبة الثانية
s² + 2ζωns + ωn²
التجاوز والتوقيت
%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), tp = π/ωd, ts ≈ 4/(ζωn)

الطريقة

  1. عُدّ أقطاب الحلقة المفتوحة C(s)·G(s) عند s = 0: فذلك هو نوع النظام.
  2. احسب ثابت الخطأ المناسب للدخل: Kp للخطوة، وKv للمنحدر، وKa للقطع المكافئ.
  3. طبّق ess = A/(1 + Kp) أو A/Kv أو A/Ka، أو حُلّها لإيجاد الكسب المطلوب.
  4. لمواصفة التخميد أو السرعة اكتب كثير الحدود المميِّز للحلقة المغلقة وطابقه مع s² + 2ζω_n·s + ω_n².

2مسائل تدريبية

1.المقاومات على التوالي والتوازيمتوسطة
R1​ = 6 ΩIR1​R3​ = 20 Ω+−V1​10 VR2​20 ΩAR4​2 ΩB

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

V1 = 10 VR1 = 6 ΩR2 = 20 ΩR3 = 20 ΩR4 = 2 Ω
IR1 = A
2.المقاومات على التوالي والتوازيصعبة
R1​ = 6 ΩR3​ = 8 ΩR5​ = 12 Ω+−V1​30 VR2​4 ΩAR4​10 ΩBR6​30 Ω

أوجد المقاومة المكافئة Req التي يراها المصدر V1.

V1 = 30 VR1 = 6 ΩR2 = 4 ΩR3 = 8 ΩR4 = 10 ΩR5 = 12 ΩR6 = 30 Ω
Req = Ω
3.تحليل العقدمتوسطة
R1​ = 2 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​10 VR2​5 ΩAR4​15 ΩBIs​4 A

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

V1 = 10 VIs = 4 AR1 = 2 ΩR2 = 5 ΩR3 = 5 ΩR4 = 15 Ω
VA = V
4.تحليل العقدصعبة
R1​ = 30 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​18 VR2​6 ΩAR4​2 ΩIR4​B0,05·VA​

المعيّن هو مصدر تيار يتحكّم فيه الجهد، يدفع تيارًا مقداره 0,05·VA (بالأمبير، مع VA بالفولت) إلى الأعلى نحو العقدة B. استخدم تحليل العقد لإيجاد التيار IR4 المارّ في R4 باتجاه السهم.

V1 = 18 VR1 = 30 ΩR2 = 6 ΩR3 = 3 ΩR4 = 2 Ωg = 0,05 A/V
IR4 = A
5.تحليل الحلقاتمتوسطة
R1​ = 12 ΩR2​ = 15 Ω+−V1​12 VR3​10 ΩA+−V2​15 VI1​I2​

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

V1 = 12 VV2 = 15 VR1 = 12 ΩR2 = 15 ΩR3 = 10 Ω
I2 = A
6.تحليل الحلقاتصعبة
R1​ = 20 ΩR2​ = 30 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​30 VR4​25 ΩIR4​AR5​6 ΩB+−V2​30 VI1​I2​I3​

استخدم تحليل الحلقات لإيجاد التيار IR4 المارّ في R4 باتجاه السهم.

V1 = 30 VV2 = 30 VR1 = 20 ΩR2 = 30 ΩR3 = 6 ΩR4 = 25 ΩR5 = 6 Ω
IR4 = A
7.التراكبمتوسطة
R1​ = 15 ΩR3​ = 15 ΩIR3​+−V1​9 VR2​15 ΩAR4​15 ΩBIs​2 A

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

V1 = 9 VIs = 2 AR1 = 15 ΩR2 = 15 ΩR3 = 15 ΩR4 = 15 Ω
IR3 = A
8.التراكبصعبة
R1​ = 6 ΩR2​ = 6 ΩR4​ = 4 Ω+−V1​18 VR3​4 ΩIR3​AIs​3 AB−+V2​12 V

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

V1 = 18 VIs = 3 AV2 = 12 VR1 = 6 ΩR2 = 6 ΩR3 = 4 ΩR4 = 4 Ω
IR3 = A
9.ثيفنن ونورتنمتوسطة
R1​ = 15 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​12 VR2​3 ΩARL​2 ΩIL​B

وُصل حِمل RL = 2 Ω بين a–b. استبدل بقية الدائرة بمكافئ ثيفنن وأوجد تيار الحِمل IL.

V1 = 12 VR1 = 15 ΩR2 = 3 ΩR3 = 12 ΩRL = 2 Ω
IL = A
10.ثيفنن ونورتنصعبة
R1​ = 15 ΩR3​ = 25 Ω+−V1​9 VR2​12 ΩAIs​1,5 ABRL​20 ΩIL​

وُصل حِمل RL = 20 Ω بين a–b. استبدل بقية الدائرة بمكافئ ثيفنن وأوجد تيار الحِمل IL.

V1 = 9 VIs = 1,5 AR1 = 15 ΩR2 = 12 ΩR3 = 25 ΩRL = 20 Ω
IL = A
11.الحالات العابرة RC و RLمتوسطة
+−Vs​12 Vt = 0R = 68 ΩL68 mHi(t)

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

Vs = 12 VR = 68 ΩL = 68 mHt = 1 ms
i = A
12.الحالات العابرة RC و RLصعبة
+−Vs​24 Vt = 0R = 2,2 kΩC68 µF+−vC​vC​(0) = 12 V

قبل إغلاق المفتاح عند t = 0 مباشرة، يكون جهد المكثّف 12 V بالقطبية الموضّحة. أوجد جهد المكثّف vC عند t = 100 ms.

Vs = 24 VR = 2,2 kΩC = 68 µFvC(0) = 12 Vt = 100 ms
vC = V
13.معاوقة التيار المتردد والطورياتمتوسطة
10 V50 HzR = 40 ΩL = 150 mHC = 100 µF

دائرة RLC على التوالي موصولة بمصدر 10 V (فعّال)، 50 Hz. أوجد زاوية الطور φ للمعاوقة بالدرجات (موجبة عندما يتأخّر التيار عن الجهد).

V = 10 V (rms)f = 50 HzR = 40 ΩL = 150 mHC = 100 µF
φ = °
14.معاوقة التيار المتردد والطورياتصعبة
12 Vf0​R = 10 ΩL = 200 mHC = 2,2 µF

دائرة RLC على التوالي يغذّيها مصدر 12 V (فعّال) ضُبط تردّده على تردّد رنين الدائرة. أوجد الجهد الفعّال VL على الملف.

V = 12 V (rms)R = 10 ΩL = 200 mHC = 2,2 µF
VL = V
15.قدرة التيار المتردد ومعامل القدرةمتوسطة
240 V121 kW, 0,65210 kW, 1I

حِملان موصولان على التوازي بمصدر أحادي الطور 240 V: حِمل 21 kW بمعامل قدرة 0,65 متأخّر وسخّان قدرته 10 kW (معامل قدرة واحد). أوجد معامل القدرة الكلي cos φ الذي يراه المصدر.

V = 240 VP1 = 21 kW, pf1 = 0,65 متأخرP2 = 10 kW, pf2 = 1
cos φ =
16.قدرة التيار المتردد ومعامل القدرةصعبة
120 V60 HzRs​ = 4 ΩXs​ = j30 ΩZL​ = ?

مصدر 120 V (فعّال)، 60 Hz له معاوقة داخلية Zs = 4 + j30 Ω. يمكن اختيار معاوقة الحِمل ZL بحرية. أوجد أقصى قدرة فعلية Pmax يمكن نقلها إلى الحِمل.

Vs = 120 V (rms)f = 60 HzZs = 4 + j30 Ω
Pmax = W
17.القدرة ثلاثية الطورمتوسطة
ABCVL​ = 480 VIL​ = 75 Acos φ = 0,75متأخر

حمل ثلاثي الطور متوازن يسحب تيار خط مقداره 75 A من مصدر جهد خطه 480 V. معامل القدرة 0,75 متأخر. أوجد القدرة الفعّالة الكلية P التي يسحبها الحمل بالـ kW.

VL = 480 VIL = 75 Acos φ = 0,75
P = kW
18.القدرة ثلاثية الطورصعبة
P = 120 kWφ1​S1​Q2​QC​

حمل ثلاثي الطور متوازن يأخذ 120 kW عند معامل قدرة 0,7 متأخر من مصدر 690 V (جهد خط) و 60 Hz. يجب أن ترفع مجموعة مكثّفات ثلاثية الطور موصولة على التوازي مع الحمل معامل القدرة الكلي إلى 0,9 متأخر. تبقى القدرة الفعّالة كما هي. المكثّفات موصولة دلتا (Δ). أوجد السعة Cph لكل مكثّف بالـ µF.

P = 120 kWpf1 = 0,7pf2 = 0,9VL = 690 Vf = 60 Hz
Cph = µF
19.المحوّلاتمتوسطة
RL​ = 40 Ω1012300 VV2​I1​ = ?I2​

محوّل مثالي نسبة لفّاته N₁:N₂ = 10:1، طُبّق على ملفه الابتدائي جهد 2300 V. وُصلت مقاومة 40 Ω على طرفي الملف الثانوي. أوجد التيار الابتدائي I1.

N1:N2 = 10:1V1 = 2300 VRL = 40 Ω
I1 = A
20.المحوّلاتصعبة
pf 0,9525 kVA, 50% الحمل

محوّل أحادي الطور 25 kVA مفقودات قلبه 125 W ومفقودات نحاسه 500 W عند الحمل المقنَّن. يغذّي 50% من قدرته المقنَّنة بالـ kVA عند معامل قدرة 0,95 متأخر. أوجد المفقودات الكلية Ploss بالواط عند هذا الحمل.

S = 25 kVAPcore = 125 WPcu,fl = 500 Wx = 0,5pf = 0,95
Ploss = W
21.دوائر مكبّرات العملياتمتوسطة
−+Vout​Rf​ = ?R1​ = 100 kΩVin​

اختر مقاومة التغذية الراجعة Rf التي تعطي هذا المكبّر غير العاكس كسب جهد 4.

R1 = 100 kΩAv = 4
Rf = kΩ
22.دوائر مكبّرات العملياتصعبة
−+Vout​R2​ = 47 kΩV1​ = 1,3 VR1​ = 22 kΩV2​ = 0,8 VR3​ = 22 kΩR4​ = 100 kΩ

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

V1 = 1,3 VV2 = 0,8 VR1 = 22 kΩR2 = 47 kΩR3 = 22 kΩR4 = 100 kΩ
Vout = V
23.الثنائيات والترانزستوراتمتوسطة
RC​ = 4,7 kΩβ = 100RE​ = 470 ΩVCC​ = 20 VR1​ = 100 kΩR2​ = 15 kΩ

ترانزستور NPN بـ β = 100 منحاز بمقسّم جهد من VCC = 20 V: R₁ = 100 kΩ من VCC إلى القاعدة و R₂ = 15 kΩ من القاعدة إلى الأرضي. مقاومة المجمِّع RC = 4,7 kΩ ومقاومة الباعث RE = 470 Ω. خذ VBE = 0,7 V واستخدم مكافئ ثيفنن للمقسّم (لا تُهمل تيار القاعدة). أوجد جهد المجمِّع–الباعث VCE.

VCC = 20 VR1 = 100 kΩR2 = 15 kΩRC = 4,7 kΩRE = 470 Ωβ = 100
VCE = V
24.الثنائيات والترانزستوراتصعبة
RC​ = 1 kΩβ = 150VCC​ = 5 V5 VRB​ = ?

ترانزستور NPN بـ β = 150 يتحكّم بمقاومة حمل 1 kΩ موصولة بين VCC = 5 V ومجمِّعه. الباعث موصول بالأرضي. تُغذّى القاعدة من خرج منطقي 5 V عبر مقاومة قاعدة RB. خذ VBE = 0,7 V و VCE(sat) = 0,2 V. أوجد أكبر مقاومة قاعدة RB، بالـ kΩ، التي ما زالت تدفع الترانزستور إلى بداية التشبّع.

VCC = 5 VRC = 1 kΩβ = 150Vin = 5 VVBE = 0,7 VVCE(sat) = 0,2 V
RB = kΩ
25.أنظمة العدمتوسطة
القيم الموضعية في المتمم الثنائي1−12806403201618141211

النمط ذو 8 بتات 1000 1111 يخزّن عددًا صحيحًا بإشارة بصيغة المتمم الثنائي. ما قيمته N في النظام العشري؟

1000 11118 bit
N =
26.أنظمة العدصعبة
انقر على البتات لضبطها012806403201608040201

اضبط البتات على الناتج بـ 8 بتات لـ 1100 0110 XOR 0011 1001. ما قيمة الناتج R بالعشري؟

1100 0110XOR0011 1001
R =
27.المنطق الرقمي: البوابات وخرائط كارنو والقلّاباتمتوسطة
ABCD000111100001111000011302041507060121131150141809011010

استخدم خريطة كارنو لإيجاد الصيغة الدنيا لمجموع الجداءات (SOP) للدالة F(A, B, C, D) = Σm(3, 5, 8, 13, 15). كم حرفًا L تحتوي في المجموع (المتغير ذو الشرطة يُعدّ حرفًا واحدًا)؟

F(A, B, C, D) = Σm(3, 5, 8, 13, 15)
L =
28.المنطق الرقمي: البوابات وخرائط كارنو والقلّاباتصعبة
CLKT12345678

قلّاب T يُحفَّز بالحافة الموجبة يبدأ بـ Q = 0 ويتلقى المداخل المعروضة. انقر على أول حافة ساعة ينتقل عندها Q من 1 عائدًا إلى 0.

Q₀ = 0T
  1. 1حافة الساعة 1
  2. 2حافة الساعة 2
  3. 3حافة الساعة 3
  4. 4حافة الساعة 4
  5. 5حافة الساعة 5
  6. 6حافة الساعة 6
  7. 7حافة الساعة 7
  8. 8حافة الساعة 8
29.تحويلات لابلاسمتوسطة
ReIm−1−2−3−4−5−61

F(s) = (3s + 16)/(s² + 9s + 20). تحويله العكسي على الصورة f(t) = A·e−4t + B·e−5t. أوجد المعامل A بالكسور الجزئية.

F(s) = (3s + 16)/(s² + 9s + 20)
A =
30.تحويلات لابلاسصعبة
t (s)y(t)t = 0,3y(0,3) = ?

يخضع نظام للمعادلة y″ + 6y′ + 8y = 8·u(t)، مع y(0) = 2 و y′(0) = 0. عند t = 0 يُطبَّق دخل خطوة u(t) = 10. استخدم تحويل لابلاس لإيجاد y(0,3).

y″ + 6y′ + 8y = 8·u(t)y(0) = 2y′(0) = 0u(t) = 10t = 0,3 s
y(0.3) =
31.المخططات الصندوقيةمتوسطة
R(s)+32s + 10G(s)C(s)2H−

يُتحكَّم في نظام G(s) = 32/(s + 10) في حلقة تغذية راجعة سالبة كسب مستشعرها H = 2. تُطبَّق خطوة مقدارها 12 عند R. أوجد خرج الحالة المستقرة css.

G(s) = 32/(s + 10)H = 2R = 12
css =
32.المخططات الصندوقيةصعبة
R(s)+4المتحكّم+D(s)+10s + 8النظام المُتحكَّم فيهC(s)−

متحكّم تناسبي K = 4 يقود النظام G(s) = 10/(s + 8) في حلقة تغذية راجعة سالبة أحادية. يدخل اضطراب D عند دخل النظام (يُضاف إلى خرج المتحكّم). تُطبَّق خطوة مرجع مقدارها 5 وخطوة اضطراب مقدارها 0,5 معًا. أوجد خرج الحالة المستقرة css.

K = 4G(s) = 10/(s + 8)D = 0,5R = 5
css =
33.الاستجابة الخطويةمتوسطة
t (s)y(t)1

لنظام دالة النقل G(s) = 86/(s² + 3s + 86) ويتلقى دخلًا خطويًا وحدويًا. أوجد التردد الطبيعي ωn بوحدة rad/s.

G(s) = 86/(s² + 3s + 86)
ωn = rad/s
34.الاستجابة الخطويةصعبة
+−10 VR = 141 ΩL = 200 mHC = 10 µFvC​

دائرة RLC على التسلسل فيها R = 141 Ω وL = 200 mH وC = 10 µF موصولة بخطوة جهد 10 V عند t = 0. المكثف غير مشحون ولا يمر تيار قبل الخطوة. أوجد النسبة المئوية للتجاوز %OS في جهد المكثف.

R = 141 ΩL = 200 mHC = 10 µFV = 10 V
%OS = %
35.مخططات بودي والهوامشمتوسطة
vin​L = 50 mHC = 0,22 µFR = 10 Ωvout​

في مرشح تمرير النطاق RLC على التسلسل الموضح، يؤخذ الخرج على R = 10 Ω، مع L = 50 mH وC = 0,22 µF. أوجد عرض النطاق عند −3 dB BW بالهرتز.

R = 10 ΩL = 50 mHC = 0,22 µF
BW = Hz
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) = 218/(s(s + 4)(s + 7)). أوجد هامش الكسب GM بوحدة dB.

L(s) = 218/(s(s + 4)(s + 7))
GM = dB
37.الاستقرار: راوث–هرفيتز والمحل الهندسي للجذورمتوسطة
R(s)+Ks + 12s(s + 2)(s + 4)C(s)−

لحلقة تغذية عكسية وحدوية L(s) = K(s + 12)/(s(s + 2)(s + 4)) مع K > 0. أوجد أكبر كسب Kmax تكون الحلقة المغلقة عنده مستقرة.

L(s) = K(s + 12)/(s(s + 2)(s + 4))
Kmax =
38.الاستقرار: راوث–هرفيتز والمحل الهندسي للجذورصعبة
ReIm−0,5−1−1,5−2−2,5−3−3,5−4−4,5−50,5j0,5j1

لـ L(s) = K/((s + 1)(s² + 8s + 17))، أوجد زاوية المغادرة θd للمحل الهندسي للجذور من القطب المركّب في النصف العلوي من المستوى، مقيسة من المحور الحقيقي الموجب.

L(s) = K/((s + 1)(s² + 8s + 17))
θd = °
39.خطأ الحالة المستقرة والتحكم PIDمتوسطة
R(s)+K = 42,510s + 1C(s)−

تُضبط عملية G(s) = 2,5/(10s + 1) بواسطة كسب تناسبي K = 4 ضمن حلقة تغذية عكسية وحدوية. أوجد خطأ الحالة المستقرة ess لخطوة، كنسبة مئوية من حجم الخطوة.

G(s) = 2,5/(10s + 1)K = 4
ess = %
40.خطأ الحالة المستقرة والتحكم PIDصعبة
R(s)+K10s(s + 8)C(s)−

يتحكم متحكم تناسبي K في المحطة G(s) = 10/(s(s + 8)) ضمن حلقة تغذية عكسية وحدوية. أوجد الكسب K الذي يعطي الحلقة المغلقة نسبة تخميد ζ = 0,4.

G(s) = 10/(s(s + 8))ζ = 0,4
K =

3المحاليل

1.المقاومات على التوالي والتوازي

الإجابة: IR1 = 0,6069 A

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

R1​ = 6 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​10 VR2​20 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 = 20 + 2 = 22 Ω
R2 ∥ 22 = 20·22/(20+22) = 10,48 Ω
Req = R1 + 10,48 = 6 + 10,48 = 16,48 Ω

التيار من المصدر

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

IR1 = V1/Req = 10/16,48 = 0,6069 A

الإجابة

IR1 = 0,6069 A
2.المقاومات على التوالي والتوازي

الإجابة: Req = 9,203 Ω

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

R1​ = 6 ΩR3​ = 8 ΩR5​ = 12 Ω+−V1​30 VR2​4 ΩAR4​10 ΩBR6​30 Ω

اجمع المقاومات بدءًا من الطرف البعيد

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

R5 + R6 = 12 + 30 = 42 Ω
R4 ∥ 42 = 8,077 Ω
R3 + 8,077 = 16,08 Ω
R2 ∥ 16,08 = 3,203 Ω
Req = R1 + 3,203 = 6 + 3,203 = 9,203 Ω

الإجابة

Req = 9,203 Ω
3.تحليل العقد

الإجابة: VA = 2,667 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​ = 2 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​10 VR2​5 ΩAR4​15 ΩBIs​4 A

حدّد العقد

الأرضي هو السلك السفلي. جهود العقد المعروفة تأتي مباشرة من المصادر (V1 = 10 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/5 + (VA − 10)/2 + (VA − VB)/5 = 0
0,9·VA − 0,2·VB = 5

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)/5 = (−4)
−0,2·VA + 0,2667·VB = −4

الحل

Δ = (0,9)(0,2667) − (−0,2)(−0,2) = 0,2
VA = Δ1/Δ = 0,5333/0,2 = 2,667 V
VB = Δ2/Δ = −2,6/0,2 = −13 V

الإجابة

VA = 2,667 V
4.تحليل العقد

الإجابة: IR4 = 0,3632 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
0,5333·VA − 0,3333·VB = 0,6

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 = 0,05·VA
−0,3833·VA + 0,8333·VB = 0

الحل

Δ = (0,5333)(0,8333) − (−0,3333)(−0,3833) = 0,3167
VA = Δ1/Δ = 0,5/0,3167 = 1,579 V
VB = Δ2/Δ = 0,23/0,3167 = 0,7263 V

التيار في R₄

IR4 = VB/R4 = 0,7263/2 = 0,3632 A

الإجابة

IR4 = 0,3632 A
5.تحليل الحلقات

الإجابة: I2 = −0,4667 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​ = 12 ΩR2​ = 15 Ω+−V1​12 VR3​10 ΩA+−V2​15 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
12·I1 + 10(I1 − I2) = 12
22·I1 − 10·I2 = 12

قانون كيرشوف للجهد حول الحلقة 2

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

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

الحل

Δ = (22)(25) − (−10)(−10) = 450
I1 = Δ1/Δ = 150/450 = 0,3333 A
I2 = Δ2/Δ = −210/450 = −0,4667 A

الإجابة

I2 = −0,4667 A

تيار الحلقة السالب يسري عكس عقارب الساعة.

6.تحليل الحلقات

الإجابة: IR4 = 0,6499 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​ = 20 ΩR2​ = 30 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​30 VR4​25 ΩAR5​6 ΩB+−V2​30 VI1​I2​I3​

عيّن تيارات الحلقات

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

قانون كيرشوف للجهد حول الحلقة 1

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

R1·I1 + R4(I1 − I2) = V1
20·I1 + 25(I1 − I2) = 30
45·I1 − 25·I2 = 30

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 + 25(I2 − I1) + 6(I2 − I3) = 0
−25·I1 + 61·I2 − 6·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 + 6(I3 − I2) = (−30)
−6·I2 + 12·I3 = −30

الحل

Δ = محدد مصفوفة المعاملات = 23820
I1 = Δ1/Δ = 16380/23820 = 0,6877 A
I2 = Δ2/Δ = 900/23820 = 0,03778 A
I3 = Δ3/Δ = −59100/23820 = −2,481 A

الإجابة

IR4 = I1 − I2 = 0,6499 A

تيار الحلقة السالب يسري عكس عقارب الساعة.

7.التراكب

الإجابة: IR3 = −0,68 A

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

R1​ = 15 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​9 VR2​15 ΩAR4​15 ΩBمفتوح

الحالة 1 · V1 يعمل وحده

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

R3+R4 = 15+15 = 30 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 15·30/(15+30) = 10 Ω
VA = 9·10/(15+10) = 3,6 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 3,6·15/30 = 1,8 V
IR3′ = (VA − VB)/R3 = (3,6 − 1,8)/15 = 0,12 A
R1​ = 15 ΩR3​ = 15 ΩقصرR2​15 ΩAR4​15 ΩBIs​2 A

الحالة 2 · Is يعمل وحده

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

R1 ∥ R2 = 15·15/(15+15) = 7,5 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 15 ∥ 22,5 = 9 Ω
VB = Is·Req = 2·9 = 18 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 18·7,5/22,5 = 6 V
IR3″ = (VA − VB)/R3 = (6 − 18)/15 = −0,8 A

اجمع المساهمات

IR3 = IR3′ + IR3″
IR3 = 0,12 + (−0,8) = −0,68 A

النتيجة السالبة تعني أن التيار يسري عكس السهم في الواقع.

8.التراكب

الإجابة: IR3 = −1,452 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​ = 6 ΩR2​ = 6 ΩR4​ = 4 Ω+−V1​18 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 ∥ 10 = 2,857 Ω
VA = 18·2,857/(6+2,857) = 5,806 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 5,806·4/10 = 2,323 V
IR3′ = (0 − VA)/R3 = (0 − 5,806)/4 = −1,452 A
R1​ = 6 ΩR2​ = 6 ΩR4​ = 4 ΩقصرR3​4 ΩAIs​3 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 = 2,4 Ω، إذن المسار الأيسر هو R2+2,4 = 8,4 Ω
Req = R4 ∥ 8,4 = 2,71 Ω
VB = Is·Req = 3·2,71 = 8,129 V
VA = VB·2,4/8,4 = 2,323 V
IR3″ = (0 − VA)/R3 = (0 − 2,323)/4 = −0,5806 A
R1​ = 6 ΩR2​ = 6 ΩR4​ = 4 ΩقصرR3​4 ΩAمفتوحB−+V2​12 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 = 6·4/(6+4) = 2,4 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = (−12)·8,4/12,4 = −8,129 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = −8,129·2,4/8,4 = −2,323 V
IR3‴ = (0 − VA)/R3 = (0 − −2,323)/4 = 0,5806 A

اجمع المساهمات

IR3 = IR3′ + IR3″ + IR3‴
IR3 = (−1,452) + (−0,5806) + 0,5806 = −1,452 A

النتيجة السالبة تعني أن التيار يسري عكس السهم في الواقع.

9.ثيفنن ونورتن

الإجابة: IL = 0,1212 A

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

R1​ = 15 ΩR3​ = 12 ΩقصرR2​3 ΩAabRth​

أوجد Rth مع إطفاء كل المصادر

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

R1 ∥ R2 = 15·3/(15+3) = 2,5 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,5 + 12 = 14,5 Ω
R1​ = 15 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​12 VR2​3 ΩAab+−Vth​

أوجد Vth، جهد الدائرة المفتوحة

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

Vth = V1·R2/(R1+R2) = 12·3/(15+3) = 2 V
Rth​ = 14,5 Ω+−Vth​2 VRL​2 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) = 2/(14,5 + 2) = 0,1212 A
10.ثيفنن ونورتن

الإجابة: IL = −0,8419 A

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

R1​ = 15 ΩR3​ = 25 ΩقصرR2​12 ΩAمفتوحBabRth​

أوجد Rth مع إطفاء كل المصادر

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

R1 ∥ R2 = 15·12/(15+12) = 6,667 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 6,667 + 25 = 31,67 Ω
R1​ = 15 ΩR3​ = 25 Ω+−V1​9 VR2​12 ΩAIs​1,5 ABab+−Vth​

أوجد Vth، جهد الدائرة المفتوحة

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

VA = V1·R2/(R1+R2) + Is·(R1∥R2) = 4 + (−1,5)·6,667 = −6 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = −6 + (−1,5)·25 = −43,5 V
Rth​ = 31,67 Ω−+Vth​43,5 VRL​20 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) = −43,5/(31,67 + 20) = −0,8419 A
11.الحالات العابرة RC و RL

الإجابة: i = 0,1116 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 / 68 Ω = 1 ms
i(∞) = Vs/R = 12/68 = 0,1765 A

التيار في اللحظة المعطاة

i(t) = i(∞)·(1 − e−t/τ) = 0,1765·(1 − e−1/1) = 0,1116 A

الإجابة

i = 0,1116 A
12.الحالات العابرة RC و RL

الإجابة: vC = 17,85 V

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

القيمة الابتدائية، القيمة النهائية، الثابت الزمني

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

vC(0) = 12 V, vC(∞) = Vs = 24 V
τ = R·C = 2,2 kΩ · 68 µF = 149,6 ms
vC(t) = 24 + (12 − 24)·e−t/τ

الجهد في اللحظة المعطاة

vC(100) = 24 + (−12)·e−100/149,6 = 17,85 V

الإجابة

vC = 17,85 V
13.معاوقة التيار المتردد والطوريات

الإجابة: φ = 20,92 °

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

المفاعلات

ω = 2πf = 2π·50 = 314,2 rad/s
XL = ωL = 314,2·0,15 = 47,12 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(314,2·100·10⁻⁶) = 31,83 Ω

المعاوقة

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

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(40² + (15,29)²) = 42,82 Ω

زاوية الطور

φ = arctan((XL − XC)/R) = arctan(15,29/40) = 20,92°

الإجابة

φ = 20,92°
14.معاوقة التيار المتردد والطوريات

الإجابة: VL = 361,8 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/√(0,2·2,2·10⁻⁶) = 1508 rad/s
I = V/R = 12/10 = 1,2 A

الجهد على الملف

XL = ω₀L = 1508·0,2 = 301,5 Ω
VL = I·XL = 1,2·301,5 = 361,8 V

الإجابة

VL = 361,8 V

هذا Q = 30,15 مرة جهد المصدر.

15.قدرة التيار المتردد ومعامل القدرة

الإجابة: cos φ = 0,7839

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 لكل حِمل

الحِمل المتأخّر يأخذ قدرة غير فعّالة (Q > 0)؛ والحِمل المتقدّم يزوّدها (Q < 0).

Q1 = 21·tan(arccos 0,65) = 24,55 kvar
Q2 = 0 = 0 kvar

المجاميع

P = 21 + 10 = 31 kW
Q = 24,55 + 0 = 24,55 kvar
S = √(31² + 24,55²) = 39,54 kVA

معامل القدرة الكلي

cos φ = P/S = 31/39,54 = 0,7839 متأخر

الإجابة

cos φ = 0,7839
16.قدرة التيار المتردد ومعامل القدرة

الإجابة: Pmax = 900 W

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.

المواءمة المرافقة

مفاعلة الحِمل تلغي مفاعلة المصدر، ومقاومة الحِمل تساوي مقاومة المصدر.

ZL = Zs* = 4 − j30 Ω

أقصى قدرة

I = Vs/(2Rs) = 120/8 = 15 A
Pmax = I²·RL = Vs²/(4Rs) = 120²/(4·4) = 900 W

الإجابة

Pmax = 900 W
17.القدرة ثلاثية الطور

الإجابة: P = 46,77 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.

القدرة الظاهرية

S = √3·VL·IL = √3·480·75 = 62,35 kVA

القدرة الفعلية

P = S·cos φ = 62,35·0,75 = 46,77 kW

الإجابة

P = 46,77 kW
18.القدرة ثلاثية الطور

الإجابة: Cph = 119,4 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 = 120·tan(acos 0,7) = 120·1,02 = 122,4 kvar
Q2 = 120·tan(acos 0,9) = 120·0,4843 = 58,12 kvar

القدرة غير الفعّالة من المكثّفات

QC = Q1 − Q2 = 64,31 kvar

السعة لكل طور

في مجموعة Δ يوصل كل مكثّف بين خطين.

V = 690 V, ω = 2π·60 = 377 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 21435/(377·690²) = 119,4 µF

الإجابة

Cph = 119,4 µF
19.المحوّلات

الإجابة: I1 = 0,575 A

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

الجهد والتيار الثانويان

V2 = 2300/10 = 230 V
I2 = 230/40 = 5,75 A

التيار الابتدائي

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

I1 = I2/10 = 0,575 A

الإجابة

I1 = 0,575 A

تحقّق: الحمل المرئي من الملف الابتدائي هو a²·RL = 4000 Ω، و 2300/4000 يعطي التيار نفسه.

20.المحوّلات

الإجابة: Ploss = 250 W

مفقودات المحوّل: مفقودات القلب (التخلّف المغناطيسي والتيارات الدوّامية) تعتمد على الجهد وهي نفسها عند أي حمل. مفقودات النحاس في الملفات تتناسب مع مربع التيار، لذا عند جزء x من الحمل المقنَّن تكون x²·Pcu,fl. الكفاءة η = Pout/(Pout + Pcore + Pcu)، حيث Pout = x·S·pf. تكون الكفاءة في أعلاها عند الحمل الذي تتساوى فيه مفقودات النحاس مع مفقودات القلب.

مفقودات النحاس عند هذا الحمل

Pcu = x²·Pcu,fl = 0,25·500 = 125 W

المفقودات الكلية

مفقودات القلب هي نفسها عند أي حمل.

Ploss = 125 + 125 = 250 W

الإجابة

Ploss = 250 W

الكفاءة عند هذا الحمل η = 97,94%.

21.دوائر مكبّرات العمليات

الإجابة: Rf = 300 kΩ

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

كسب المكبّر غير العاكس

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

Av = 1 + Rf/R1
Rf = (4 − 1)·100 = 300 kΩ

الإجابة

Rf = 300 kΩ
22.دوائر مكبّرات العمليات

الإجابة: Vout = −0,7206 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) = 0,8·100/(22 + 100) = 0,6557 V

طبّق التراكب على الدخلين

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

Vout = −(47/22)·1,3 + (1 + 47/22)·0,6557 = −2,777 + 2,057 = −0,7206 V

الإجابة

Vout = −0,7206 V
23.الثنائيات والترانزستورات

الإجابة: VCE = 3,678 V

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.

مكافئ ثيفنن للمقسّم

VTH = 20·15/(100 + 15) = 2,609 V
RTH = 100·15/(100 + 15) = 13,04 kΩ

تيار القاعدة

قانون كيرشوف للجهد حول حلقة القاعدة؛ تيار الباعث هو (β + 1)·IB.

IB = (2,609 − 0,7)/(13,04 + 101·0,47) = 31,54 µA

تيار المجمِّع

IC = 100·31,54 µA = 3,154 mA
IE = 101·31,54 µA = 3,186 mA

جهد المجمِّع–الباعث

VCE = 20 − 3,154·4,7 − 3,186·0,47 = 3,678 V

الإجابة

VCE = 3,678 V
24.الثنائيات والترانزستورات

الإجابة: RB = 134,4 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 = 4,8/150 = 32 µA

مقاومة القاعدة

RB = (5 − 0,7)/IB = 4,3 V/0,032 mA = 134,4 kΩ

الإجابة

RB = 134,4 kΩ

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

25.أنظمة العد

الإجابة: N = −113

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 + 8 + 4 + 2 + 1 = −113

الإجابة

N = −113
26.أنظمة العد

الإجابة: R = 255

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 XOR القيمة 1 حيث يختلف البتان.

1100 0110
XOR 0011 1001
= 1111 1111

قيمة الناتج

1111 1111₂ = 255

الإجابة

R = 255
27.المنطق الرقمي: البوابات وخرائط كارنو والقلّابات

الإجابة: L = 14

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.

ABCD000111100001111000011302041507060121131150141809011010

جمّع الآحاد

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

BC′D
ABD
A′B′CD
AB′C′D′

الصيغة الدنيا SOP

F = BC′D + ABD + A′B′CD + AB′C′D′
L = 14

الإجابة

L = 14
28.المنطق الرقمي: البوابات وخرائط كارنو والقلّابات

الإجابة: حافة الساعة 3

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

Q بعد كل حافة

يتبدّل قلّاب T عند كل حافة صاعدة مع T = 1 ويحتفظ بقيمته مع T = 0.

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

أول تغير من 1 إلى 0

حافة الساعة 3

الإجابة

حافة الساعة 3
29.تحويلات لابلاس

الإجابة: A = 4

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 + 9s + 20 = (s + 4)(s + 5)
F(s) = A/(s + 4) + B/(s + 5)

قاعدة التغطية

اضرب في (s + 4) وضع s = −4: يختفي حدّ B.

A = (3s + 16)/(s + 5) |s = −4 = 4/1 = 4

الإجابة

A = 4
(B = −1، لذا f(t) = 4·e−4t − e−5t)
30.تحويلات لابلاس

الإجابة: y(0.3) = 3,629

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

حوّل المعادلة

(s² + 6s + 8)·Y(s) = 2s + 12 + 80/s
Y(s) = (2s² + 12s + 80)/(s(s + 2)(s + 4))

الكسور الجزئية

A = 80/(2·4) = 10
B = 64/((−2)·2) = −16
C = 64/((−4)·(−2)) = 8

النتيجة

y(t) = 10 − 16·e−2t + 8·e−4t
y(0,3) = 3,629

الإجابة

y(0,3) = 3,629

تحقّق: y(0) = A + B + C = 2.

31.المخططات الصندوقية

الإجابة: css = 5,189

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

دالة تحويل الحلقة المغلقة

T(s) = G/(1 + G·H) = 32/(s + 10 + 64) = 32/(s + 74)

النتيجة

css = R·T(0) = 12·32/74 = 5,189

الإجابة

css = 5,189
32.المخططات الصندوقية

الإجابة: css = 4,271

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).

دوال التحويل

C/D = G/(1 + K·G) = 10/(s + 8 + 40)
C/R = K·G/(1 + K·G) = 40/(s + 8 + 40)

الحالة المستقرة

css = 5·40/48 + 0,5·10/48 = 4,271

الإجابة

css = 4,271

K الأكبر يقلّل أثر الاضطراب، لكن لا يجعله صفرًا أبدًا مع متحكّم تناسبي.

33.الاستجابة الخطوية

الإجابة: ωn = 9,274 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).

قارن مع الصيغة القياسية

يجب أن يطابق المقام s² + 2ζωₙs + ωₙ².

ωₙ² = 86 → ωₙ = 9,274 rad/s
2ζωₙ = 3 → ζ = 3/(2·9,274) = 0,1617

النتيجة

ωₙ = 9,274 rad/s

الإجابة

ωn = 9,274 rad/s
34.الاستجابة الخطوية

الإجابة: %OS = 16,42 %

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/√(0,2·1 × 10⁻⁵) = 707,1 rad/s
ζ = (R/2)·√(C/L) = (141/2)·√(1 × 10⁻⁵/0,2) = 0,4985

النتيجة

%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 16,42 %

الإجابة

%OS = 16,42 %
35.مخططات بودي والهوامش

الإجابة: BW = 31,83 Hz

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

تردد الرنين

ω₀ = 1/√(LC) = 1/√(0,05·2,2 × 10⁻⁷) = 9535 rad/s
f₀ = ω₀/(2π) = 1517 Hz

عرض النطاق

BW = R/L = 10/0,05 = 200 rad/s = 31,83 Hz

الإجابة

BW = 31,83 Hz
36.مخططات بودي والهوامش

الإجابة: GM = 3,002 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/4)·(ω/7) = 1 → ω180 = √(4·7) = 5,292 rad/s

المقدار عند تقاطع الطور

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 16)·√(ω² + 49)) = K/(4·7·(4 + 7)) = K/308

هامش الكسب

GM = 20·log₁₀(308/218) = 3,002 dB

الإجابة

GM = 3,002 dB
37.الاستقرار: راوث–هرفيتز والمحل الهندسي للجذور

الإجابة: Kmax = 8

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

كثير الحدود المميِّز

s(s + 2)(s + 4) + K(s + 12) = s³ + 6s² + (8 + K)s + 12K

جدول روث

s³: 1, 8 + K
s²: 6, 12K
s¹: (6·(8 + K) − 12K)/6
s⁰: 12K

الشرط

48 − 6K > 0
K < 48/6 = 8

الإجابة

Kmax = 8

لو وقع الصفر على يمين s = −6 لبقيت الحلقة مستقرة لكل K > 0.

38.الاستقرار: راوث–هرفيتز والمحل الهندسي للجذور

الإجابة: θd = −71,57 °

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.

مواضع الأقطاب

s² + 8s + 17 = 0 → s = −4 ± j1
s = −1

الزوايا من الأقطاب الأخرى

∠(−4 + j1 + 1) = atan2(1, -3) = 161,6°
∠(−4 + j1 − (−4 − j1)) = ∠(j2) = 90°

زاوية المغادرة

θd = 180° − 161,6° − 90° = −71,57°

الإجابة

θd = −71,57°
39.خطأ الحالة المستقرة والتحكم PID

الإجابة: ess = 9,091 %

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 الموضع

Kp = 4·2,5 = 10

خطأ الخطوة

ess = 100/(1 + 10) = 9,091 %

الإجابة

ess = 9,091 %
40.خطأ الحالة المستقرة والتحكم PID

الإجابة: K = 10

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 + 8) + 10K = s² + 8s + 10K

التردد الطبيعي

2·0,4·ωₙ = 8 → ωₙ = 10 rad/s

الكسب

10K = ωₙ² = 100 → K = 10

الإجابة

K = 10

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