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​ = 3 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​30 VR2​20 ΩAR4​6 ΩB

أوجد المقاومة المكافئة Req التي يراها المصدر V1.

V1 = 30 VR1 = 3 ΩR2 = 20 ΩR3 = 10 ΩR4 = 6 Ω
Req = Ω
2.المقاومات على التوالي والتوازيصعبة
R1​ = 20 ΩR3​ = 4 ΩR5​ = 10 Ω+−V1​18 VR2​12 ΩIR2​AR4​30 ΩBR6​20 Ω

أوجد التيار IR2 عبر R2.

V1 = 18 VR1 = 20 ΩR2 = 12 ΩR3 = 4 ΩR4 = 30 ΩR5 = 10 ΩR6 = 20 Ω
IR2 = A
3.تحليل العقدمتوسطة
R1​10 Ω+−V1​24 VR2​20 Ω−+V2​24 VI2​R3​8 ΩA

ثلاثة فروع موصولة بين العقدة A والأرضي، كما هو موضّح. استخدم تحليل العقد لإيجاد التيار I2 في الفرع 2، الجاري إلى الأعلى نحو العقدة A باتجاه السهم.

V1 = 24 VR1 = 10 ΩV2 = 24 VR2 = 20 ΩR3 = 8 Ω
I2 = A
4.تحليل العقدصعبة
R1​ = 3 ΩR2​ = 5 ΩR4​ = 12 Ω+−V1​24 VR3​25 ΩAR5​4 ΩBIs​3 A+−V2​6 V

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

V1 = 24 VIs = 3 AV2 = 6 VR1 = 3 ΩR2 = 5 ΩR3 = 25 ΩR4 = 12 ΩR5 = 4 Ω
VA = V
5.تحليل الحلقاتمتوسطة
R1​ = 3 ΩR2​ = 8 Ω+−V1​15 VR3​10 ΩIR3​A+−V2​24 VI1​I2​

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

V1 = 15 VV2 = 24 VR1 = 3 ΩR2 = 8 ΩR3 = 10 Ω
IR3 = A
6.تحليل الحلقاتصعبة
R1​ = 30 ΩR2​ = 25 ΩR3​ = 12 ΩIR3​+−V1​18 VR4​3 ΩAR5​25 ΩB+−V2​30 VI1​I2​I3​

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

V1 = 18 VV2 = 30 VR1 = 30 ΩR2 = 25 ΩR3 = 12 ΩR4 = 3 ΩR5 = 25 Ω
IR3 = A
7.التراكبمتوسطة
R1​ = 10 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​10 VR2​4 ΩIR2​AR4​12 ΩBIs​1 A

استخدم مبدأ التراكب لإيجاد التيار IR2 المارّ في R2 باتجاه السهم.

V1 = 10 VIs = 1 AR1 = 10 ΩR2 = 4 ΩR3 = 10 ΩR4 = 12 Ω
IR2 = A
8.التراكبصعبة
R1​ = 12 ΩR2​ = 15 ΩR4​ = 10 Ω+−V1​9 VR3​3 ΩIR3​AIs​2,5 AB+−V2​?

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

V1 = 9 VIs = 2,5 AR1 = 12 ΩR2 = 15 ΩR3 = 3 ΩR4 = 10 Ω
V2 = V
9.ثيفنن ونورتنمتوسطة
R1​ = 8 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​15 VR2​6 ΩAab

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

V1 = 15 VR1 = 8 ΩR2 = 6 ΩR3 = 12 Ω
IN = A
10.ثيفنن ونورتنصعبة
R1​ = 6 ΩR3​ = 25 Ω+−V1​10 VR2​8 ΩAIs​5 ABRL​8 ΩIL​

وُصل حِمل RL = 8 Ω بين a–b. استبدل بقية الدائرة بمكافئ ثيفنن وأوجد تيار الحِمل IL.

V1 = 10 VIs = 5 AR1 = 6 ΩR2 = 8 ΩR3 = 25 ΩRL = 8 Ω
IL = A
11.الحالات العابرة RC و RLمتوسطة
+−Vs​24 Vt = 0R = 15 ΩL100 mHi(t)

لا يمرّ تيار في الملف قبل أن يُغلق المفتاح عند t = 0. بعد كم من الوقت من إغلاق المفتاح يبلغ التيار 95% من قيمته النهائية؟ أوجد t.

Vs = 24 VR = 15 ΩL = 100 mH
t = ms
12.الحالات العابرة RC و RLصعبة
+−Vs​20 Vt = 0R = 2,2 kΩC68 µF+−vC​vC​(0) = 2 V

قبل إغلاق المفتاح عند t = 0 مباشرة، يكون جهد المكثّف 2 V بالقطبية الموضّحة. كم يستغرق vC ليبلغ 11 V؟ أوجد t.

Vs = 20 VR = 2,2 kΩC = 68 µFvC(0) = 2 V
t = ms
13.معاوقة التيار المتردد والطورياتمتوسطة
24 V1000 HzR = 80 ΩL = 50 mHC = 1 µFI

دائرة RLC على التوالي موصولة بمصدر 24 V (فعّال)، 1000 Hz. أوجد التيار الفعّال I.

V = 24 V (rms)f = 1000 HzR = 80 ΩL = 50 mHC = 1 µF
I = A
14.معاوقة التيار المتردد والطورياتصعبة
230 V50 HzR = 100 ΩL = 100 mHC = 22 µF

دائرة RLC على التوالي موصولة بمصدر 230 V (فعّال)، 50 Hz. أوجد تردّد الرنين f0 للدائرة.

V = 230 V (rms)f = 50 HzR = 100 ΩL = 100 mHC = 22 µF
f0 = Hz
15.قدرة التيار المتردد ومعامل القدرةمتوسطة
P = 20 kWQSφ

يستهلك محرّك أحادي الطور 20 kW بمعامل قدرة 0,65 متأخّر من مصدر 240 V. أوجد تيار الخط I.

P = 20 kWpf = 0,65V = 240 V
I = A
16.قدرة التيار المتردد ومعامل القدرةصعبة
P = 5 kWQ1​S1​φ1​QC​

يستهلك حِمل أحادي الطور 5 kW بمعامل قدرة 0,75 متأخّر من مصدر 230 V، 50 Hz. يرفع مكثّف موصول على التوازي معامل القدرة إلى 0,92. أوجد تيار الخط الجديد Inew.

P = 5 kWpf1 = 0,75pf2 = 0,92V = 230 Vf = 50 Hz
Inew = A
17.القدرة ثلاثية الطورمتوسطة
ABCVL​ = 480 VIL​ = 60 Acos φ = 0,82متأخر

حمل ثلاثي الطور متوازن يسحب تيار خط مقداره 60 A من مصدر جهد خطه 480 V. معامل القدرة 0,82 متأخر. أوجد القدرة الفعّالة الكلية P التي يسحبها الحمل بالـ kW.

VL = 480 VIL = 60 Acos φ = 0,82
P = kW
18.القدرة ثلاثية الطورصعبة
P = 80 kWφ1​S1​Q2​QC​ = ?

حمل ثلاثي الطور متوازن يأخذ 80 kW عند معامل قدرة 0,7 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 0,95 متأخر. تبقى القدرة الفعّالة كما هي. أوجد القدرة غير الفعّالة الكلية QC التي يجب أن تقدّمها مجموعة المكثّفات، بالـ kvar.

P = 80 kWpf1 = 0,7pf2 = 0,95VL = 400 Vf = 60 Hz
QC = kvar
19.المحوّلاتمتوسطة
2400 V240 VIHV​ = ?ILV​75 kVA

محوّل أحادي الطور 75 kVA و 2400/240 V يعمل عند حمله المقنَّن. اعتبره مثاليًا. أوجد التيار IHV في ملف الجهد العالي.

S = 75 kVAV1 = 2400 VV2 = 240 V
IHV = A
20.المحوّلاتصعبة
pf 0,85100 kVA, 75% الحمل

محوّل أحادي الطور 100 kVA مفقودات قلبه 500 W ومفقودات نحاسه 750 W عند الحمل المقنَّن. يغذّي 75% من قدرته المقنَّنة بالـ kVA عند معامل قدرة 0,85 متأخر. أوجد المفقودات الكلية Ploss بالواط عند هذا الحمل.

S = 100 kVAPcore = 500 WPcu,fl = 750 Wx = 0,75pf = 0,85
Ploss = W
21.دوائر مكبّرات العملياتمتوسطة
−+Vout​Rf​ = 4,7 kΩR1​ = 2 kΩVin​

مكبّر العمليات مثالي ويعمل من مصدرَي تغذية ±15 V؛ ويتشبّع خرجه عند ±13 V. يُغذّى المكبّر غير العاكس بموجة جيبية. أوجد أكبر سعة دخل Vin,max (القيمة القصوى) لا يُقصّ عندها الخرج.

R1 = 2 kΩRf = 4,7 kΩVsat = ±13 V
Vin,max = V
22.دوائر مكبّرات العملياتصعبة
−+Vout​R2​ = 22 kΩV1​ = 1,6 VR1​ = 2 kΩV2​ = 1,3 VR3​ = 100 kΩR4​ = 47 kΩ

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

V1 = 1,6 VV2 = 1,3 VR1 = 2 kΩR2 = 22 kΩR3 = 100 kΩR4 = 47 kΩ
Vout = V
23.الثنائيات والترانزستوراتمتوسطة
RC​ = 1,2 kΩβ = 75VCC​ = 15 VRB​ = 470 kΩ

ترانزستور NPN بـ β = 75 منحاز بمقاومة قاعدة RB = 470 kΩ من المصدر VCC = 15 V. مقاومة المجمِّع RC = 1,2 kΩ والباعث موصول بالأرضي. خذ VBE = 0,7 V وافترض أن الترانزستور في المنطقة الفعّالة. أوجد جهد المجمِّع–الباعث VCE.

VCC = 15 VRB = 470 kΩRC = 1,2 kΩβ = 75VBE = 0,7 V
VCE = V
24.الثنائيات والترانزستوراتصعبة
RC​ = 100 Ωβ = 200VCC​ = 12 V5 VRB​ = ?

ترانزستور NPN بـ β = 200 يتحكّم بمقاومة حمل 100 Ω موصولة بين VCC = 12 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 = 12 VRC = 100 Ωβ = 200Vin = 5 VVBE = 0,7 VVCE(sat) = 0,2 V
RB = kΩ
25.أنظمة العدمتوسطة
المتمم الثنائي ذو 8 بتات?−128?64?32?16?8?4?2?1

اكتب −87 كنمط متمم ثنائي ذي 8 بتات. اقرأ النمط كعدد ثنائي بلا إشارة: ما قيمته U في النظام العشري؟

N = −878 bit
U =
26.أنظمة العدصعبة
انقر على البتات لضبطها012806403201608040201

اضبط البتات على الناتج بـ 8 بتات لـ 0010 0010 XOR 0101 0101. ما قيمة الناتج R بالعشري؟

0010 0010XOR0101 0101
R =
27.المنطق الرقمي: البوابات وخرائط كارنو والقلّاباتمتوسطة
MUX1I0​CI1​CI2​1I3​ABS1​S0​F

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

I₀ = 1I₁ = CI₂ = CI₃ = 1
N =
28.المنطق الرقمي: البوابات وخرائط كارنو والقلّاباتصعبة
TQ0​Q0​TQ1​Q1​TQ2​Q2​TQ3​Q3​TQ4​Q4​TQ5​Q5​TQ6​Q6​TQ7​Q7​CLK

بُني عدّاد متموّج (غير متزامن) من 8 بتّات من قلّابات تأخير انتشار كل منها 25 ns. يجب أن تكون كل المخارج قد استقرت قبل حافة الساعة التالية. جد أقصى تردد ساعة fmax.

n = 8tpd = 25 ns
fmax = MHz
29.تحويلات لابلاسمتوسطة
t (s)f(t)t = 0,5f(0,5) = ?

أوجد f(t) للدالة F(s) = 40/(s(s + 1)(s + 5)) بالكسور الجزئية، واحسب f(0,5).

F(s) = 40/(s(s + 1)(s + 5))t = 0,5 s
f(0.5) =
30.تحويلات لابلاسصعبة
t (s)y(t)t = 0,1y(0,1) = ?

حلّ y″ + 9y′ + 18y = 0 مع y(0) = −5 و y′(0) = −11 باستخدام تحويل لابلاس، وأوجد y(0,1).

y″ + 9y′ + 18y = 0y(0) = −5y′(0) = −11t = 0,1 s
y(0.1) =
31.المخططات الصندوقيةمتوسطة
R(s)+K(s + 7)(s + 8)G(s)C(s)−

النظام المُتحكَّم فيه G(s) = K/((s + 7)(s + 8)) في حلقة تغذية راجعة سالبة أحادية. أوجد الكسب K الذي تكون عنده الحلقة المغلقة متخامدة تخميدًا حرجًا (قطبان حقيقيان متساويان).

G(s) = K/((s + 7)(s + 8))تغذية راجعة سالبة أحادية
K =
32.المخططات الصندوقيةصعبة
R(s)+7s + 2G₁+3s + 2G₂C(s)4H₁−0,5H₂−

اختزل المخطط الصندوقي مع G₁ = 7/(s + 2) و G₂ = 3/(s + 2) وتغذية راجعة سالبة داخلية H₁ = 4 حول G₂ وتغذية راجعة سالبة خارجية H₂ = 0,5. أوجد كسب التيار المستمر T(0) للنسبة C(s)/R(s).

G₁ = 7/(s + 2)G₂ = 3/(s + 2)H₁ = 4H₂ = 0,5
T(0) =
33.الاستجابة الخطويةمتوسطة
t (s)y(t)1ts​ = ?

لنظام دالة النقل G(s) = 55/(s² + 12s + 55) ويتلقى دخلًا خطويًا وحدويًا. أوجد زمن الاستقرار ts عند 2 % للاستجابة الخطوية باستخدام ts ≈ 4/(ζωₙ).

G(s) = 55/(s² + 12s + 55)
ts = s
34.الاستجابة الخطويةصعبة
R(s)+Ks(s + 16)G(s)C(s)−

لحلقة تغذية عكسية سالبة وحدوية G(s) = K/(s(s + 16)). أوجد الكسب K الذي يعطي استجابة خطوية بتجاوز 30 %.

G(s) = K/(s(s + 16))%OS = 30 %
K =
35.مخططات بودي والهوامشمتوسطة
|H| (dB)0,11101001000−80−60−40−2002040ω (rad/s)ω = 1

أوجد المقدار الدقيق |G(jω)| لـ G(s) = 168/((s + 1)(s + 12)) عند ω = 1 rad/s، بوحدة dB.

G(s) = 168/((s + 1)(s + 12))ω = 1 rad/s
|G(jω)| = dB
36.مخططات بودي والهوامشصعبة
|H| (dB)0,10,1111010100100−80−60−40−2002040ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−270−180−900ω180​

حلقة تغذية عكسية وحدوية دالة نقلها المفتوحة L(s) = 8/(s(s + 1)(s + 6)). أوجد هامش الكسب GM بوحدة dB.

L(s) = 8/(s(s + 1)(s + 6))
GM = dB
37.الاستقرار: راوث–هرفيتز والمحل الهندسي للجذورمتوسطة
R(s)+Ks + 8s(s + 3)(s + 4)C(s)−

لحلقة تغذية عكسية وحدوية L(s) = K(s + 8)/(s(s + 3)(s + 4)) مع K > 0. أوجد أكبر كسب Kmax تكون الحلقة المغلقة عنده مستقرة.

L(s) = K(s + 8)/(s(s + 3)(s + 4))
Kmax =
38.الاستقرار: راوث–هرفيتز والمحل الهندسي للجذورصعبة
ReIm−2−4−6−8−10−12j2

يغادر المحل الهندسي للجذور لـ L(s) = K/(s(s + 1)(s + 10)) المحور الحقيقي بين s = 0 وs = −1. أوجد نقطة الانفصال sb.

L(s) = K/(s(s + 1)(s + 10))
sb =
39.خطأ الحالة المستقرة والتحكم PIDمتوسطة
r(t) = 5·t²/2+4(s + 4)s²(s + 1)C(s)−

يُطبَّق الدخل القطعي المكافئ r(t) = 5·t²/2 على حلقة تغذية عكسية وحدوية فيها G(s) = 4(s + 4)/(s²(s + 1)). أوجد خطأ الحالة المستقرة ess.

G(s) = 4(s + 4)/(s²(s + 1))r(t) = 5·t²/2
ess =
40.خطأ الحالة المستقرة والتحكم PIDصعبة
R(s)+K = 210s(s + 2)C(s)−

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

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

3المحاليل

1.المقاومات على التوالي والتوازي

الإجابة: Req = 11,89 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​ = 3 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​30 VR2​20 ΩAR4​6 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 = 10 + 6 = 16 Ω
R2 ∥ 16 = 20·16/(20+16) = 8,889 Ω
Req = R1 + 8,889 = 3 + 8,889 = 11,89 Ω

الإجابة

Req = 11,89 Ω
2.المقاومات على التوالي والتوازي

الإجابة: IR2 = 0,4033 A

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

R1​ = 20 ΩR3​ = 4 ΩR5​ = 10 Ω+−V1​18 VR2​12 ΩAR4​30 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 = 10 + 20 = 30 Ω
R4 ∥ 30 = 15 Ω
R3 + 15 = 19 Ω
R2 ∥ 19 = 7,355 Ω
Req = R1 + 7,355 = 20 + 7,355 = 27,35 Ω

التيار من المصدر

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

IR1 = V1/Req = 18/27,35 = 0,658 A

التيار عبر R₂

اطرح الهبوط على R₁ لتحصل على الجهد عند العقدة A، وهو الجهد على R₂.

VA = V1 − IR1·R1 = 18 − 0,658·20 = 4,84 V
IR2 = VA/R2 = 4,84/12 = 0,4033 A

الإجابة

IR2 = 0,4033 A
3.تحليل العقد

الإجابة: I2 = −1,418 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

اعتبر السلك السفلي هو الأرضي. كل فرع يحمل (VA − Vk)/Rk خارجًا من A، حيث Vk جهد مصدره (صفر للمقاومة وحدها). مجموع التيارات الخارجة من A يساوي صفرًا.

(VA − 24)/10 + (VA − (−24))/20 + VA/8 = 0

حلّ لإيجاد VA

VA = (24/10 + (−24)/20 + 0/8) / (1/10 + 1/20 + 1/8) = 1,2/0,275 = 4,364 V

تيار الفرع

يشير السهم إلى الأعلى عبر الفرع، داخلًا إلى العقدة A.

I2 = ((−24) − VA)/R2 = ((−24) − 4,364)/20 = −1,418 A

الإجابة

I2 = −1,418 A

النتيجة السالبة تعني أن التيار الفعلي يجري عكس السهم.

4.تحليل العقد

الإجابة: VA = 18,69 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​ = 3 ΩR2​ = 5 ΩR4​ = 12 Ω+−V1​24 VR3​25 ΩAR5​4 ΩBIs​3 A+−V2​6 V

حدّد العقد

الأرضي هو السلك السفلي. جهود العقد المعروفة تأتي مباشرة من المصادر (V1 = 24 V, V2 = 6 V). المجاهيل: VA, VB.

قانون كيرشوف للتيار عند العقدة A

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

VA/R3 + (VA − V1)/R1 + (VA − VB)/R2 = 0
VA/25 + (VA − 24)/3 + (VA − VB)/5 = 0
0,5733·VA − 0,2·VB = 8

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)/5 + (VB − 6)/12 = 3
−0,2·VA + 0,5333·VB = 3,5

الحل

Δ = (0,5733)(0,5333) − (−0,2)(−0,2) = 0,2658
VA = Δ1/Δ = 4,967/0,2658 = 18,69 V
VB = Δ2/Δ = 3,607/0,2658 = 13,57 V

الإجابة

VA = 18,69 V
5.تحليل الحلقات

الإجابة: IR3 = 1,433 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​ = 3 ΩR2​ = 8 Ω+−V1​15 VR3​10 ΩA+−V2​24 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
3·I1 + 10(I1 − I2) = 15
13·I1 − 10·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
8·I2 + 10(I2 − I1) = (−24)
−10·I1 + 18·I2 = −24

الحل

Δ = (13)(18) − (−10)(−10) = 134
I1 = Δ1/Δ = 30/134 = 0,2239 A
I2 = Δ2/Δ = −162/134 = −1,209 A

الإجابة

IR3 = I1 − I2 = 1,433 A

تيار الحلقة السالب يسري عكس عقارب الساعة.

6.تحليل الحلقات

الإجابة: IR3 = −1,162 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​ = 30 ΩR2​ = 25 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​18 VR4​3 ΩAR5​25 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
30·I1 + 3(I1 − I2) = 18
33·I1 − 3·I2 = 18

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
25·I2 + 3(I2 − I1) + 25(I2 − I3) = 0
−3·I1 + 53·I2 − 25·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
12·I3 + 25(I3 − I2) = (−30)
−25·I2 + 37·I3 = −30

الحل

Δ = محدد مصفوفة المعاملات = 43755
I1 = Δ1/Δ = 21798/43755 = 0,4982 A
I2 = Δ2/Δ = −22752/43755 = −0,52 A
I3 = Δ3/Δ = −50850/43755 = −1,162 A

الإجابة

IR3 = I3 = −1,162 A

تيار الحلقة السالب يسري عكس عقارب الساعة.

7.التراكب

الإجابة: IR2 = −0,2874 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​ = 10 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​10 VR2​4 ΩAR4​12 ΩBمفتوح

الحالة 1 · V1 يعمل وحده

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

R3+R4 = 10+12 = 22 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 4·22/(4+22) = 3,385 Ω
VA = 10·3,385/(10+3,385) = 2,529 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 2,529·12/22 = 1,379 V
IR2′ = (0 − VA)/R2 = (0 − 2,529)/4 = −0,6322 A
R1​ = 10 ΩR3​ = 10 ΩقصرR2​4 ΩAR4​12 ΩBIs​1 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 = 10·4/(10+4) = 2,857 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 12 ∥ 12,86 = 6,207 Ω
VB = Is·Req = (−1)·6,207 = −6,207 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = −6,207·2,857/12,86 = −1,379 V
IR2″ = (0 − VA)/R2 = (0 − −1,379)/4 = 0,3448 A

اجمع المساهمات

IR2 = IR2′ + IR2″
IR2 = (−0,6322) + 0,3448 = −0,2874 A

النتيجة السالبة تعني أن التيار يسري عكس السهم في الواقع.

8.التراكب

الإجابة: V2 = 6,25 V

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

R1​ = 12 ΩR2​ = 15 ΩR4​ = 10 Ω+−V1​9 VR3​3 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) = 3 ∥ 25 = 2,679 Ω
VA = 9·2,679/(12+2,679) = 1,642 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 1,642·10/25 = 0,6569 V
R1​ = 12 ΩR2​ = 15 ΩR4​ = 10 ΩقصرR3​3 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. سهم Iₛ يشير إلى الأسفل، بعيدًا عن عقدته، لذا يسحب Iₛ تيارًا من تلك العقدة: يدخل حدّه بإشارة سالبة.

R1 ∥ R3 = 2,4 Ω، إذن المسار الأيسر هو R2+2,4 = 17,4 Ω
Req = R4 ∥ 17,4 = 6,35 Ω
VB = −Is·Req = −2,5·6,35 = −15,88 V
VA = VB·2,4/17,4 = −2,19 V

الحالة 3 · V2 يعمل وحده، لكل فولت

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

R1 ∥ R3 = 2,4 Ω
VA‴ = V2·2,4/(10 + 15 + 2,4) = 0,08759·V2

اجعل VA صفرًا

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

VA′ + VA″ + VA‴ = 1,642 + (−2,19) + 0,08759·V2 = 0
V2 = 0,5474/0,08759 = 6,25 V

الإجابة

V2 = 6,25 V
9.ثيفنن ونورتن

الإجابة: IN = 0,4167 A

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

R1​ = 8 ΩR3​ = 12 ΩقصرR2​6 ΩAabRth​

أوجد Rth مع إطفاء كل المصادر

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

R1 ∥ R2 = 8·6/(8+6) = 3,429 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3,429 + 12 = 15,43 Ω
R1​ = 8 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​15 VR2​6 ΩAab+−Vth​

أوجد Vth، جهد الدائرة المفتوحة

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

Vth = V1·R2/(R1+R2) = 15·6/(8+6) = 6,429 V
IN​0,4167 ARth​15,43 Ωab

مكافئ نورتن

مصدر نورتن هو الدائرة نفسها منظورًا إليها كمصدر تيار على التوازي مع R_th. تياره هو تيار القصر بين a–b.

IN = Vth/Rth = 6,429/15,43 = 0,4167 A
10.ثيفنن ونورتن

الإجابة: IL = 4,059 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​ = 6 ΩR3​ = 25 ΩقصرR2​8 ΩAمفتوحBabRth​

أوجد Rth مع إطفاء كل المصادر

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

R1 ∥ R2 = 6·8/(6+8) = 3,429 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3,429 + 25 = 28,43 Ω
R1​ = 6 ΩR3​ = 25 Ω+−V1​10 VR2​8 ΩAIs​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) = 5,714 + 5·3,429 = 22,86 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 22,86 + 5·25 = 147,9 V
Rth​ = 28,43 Ω+−Vth​147,9 VRL​8 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) = 147,9/(28,43 + 8) = 4,059 A
11.الحالات العابرة RC و RL

الإجابة: t = 19,97 ms

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

الثابت الزمني والتيار النهائي

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

τ = L/R = 100 mH / 15 Ω = 6,667 ms
i(∞) = Vs/R = 24/15 = 1,6 A

حلّ لإيجاد الزمن

0,95 = 1 − e−t/τ → t = −τ·ln(1 − 0,95)
t = −6,667·ln(0,05) = 19,97 ms

الإجابة

t = 19,97 ms
12.الحالات العابرة RC و RL

الإجابة: t = 103,7 ms

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

القيمة الابتدائية، القيمة النهائية، الثابت الزمني

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

vC(0) = 2 V, vC(∞) = Vs = 20 V
τ = R·C = 2,2 kΩ · 68 µF = 149,6 ms
vC(t) = 20 + (2 − 20)·e−t/τ

حلّ لإيجاد الزمن

11 = 20 + (−18)·e−t/τ → e−t/τ = (11 − 20)/(2 − 20) = 0,5
t = τ·ln((2 − 20)/(11 − 20)) = 149,6·ln(2) = 103,7 ms

الإجابة

t = 103,7 ms
13.معاوقة التيار المتردد والطوريات

الإجابة: I = 0,1376 A

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·1000 = 6283 rad/s
XL = ωL = 6283·0,05 = 314,2 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(6283·1·10⁻⁶) = 159,2 Ω

المعاوقة

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

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(80² + (155)²) = 174,4 Ω

التيار

يمرّ التيار نفسه في كل عنصر من عناصر دائرة التوالي.

I = V/|Z| = 24/174,4 = 0,1376 A

الإجابة

I = 0,1376 A
14.معاوقة التيار المتردد والطوريات

الإجابة: f0 = 107,3 Hz

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 تُلغي المفاعلتان الحثية والسعوية بعضهما: ωL = 1/(ωC). تردّد المصدر لا يهم.

f0 = 1/(2π√(LC)) = 1/(2π·√(0,1·22·10⁻⁶)) = 107,3 Hz

الإجابة

f0 = 107,3 Hz
15.قدرة التيار المتردد ومعامل القدرة

الإجابة: I = 128,2 A

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

تيار الخط

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

I = P/(V·cos φ) = 20000/(240·0,65) = 128,2 A

الإجابة

I = 128,2 A
16.قدرة التيار المتردد ومعامل القدرة

الإجابة: Inew = 23,63 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 = P·tan φ1 = 5·tan(41,41°) = 4,41 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 5·tan(23,07°) = 2,13 kvar
QC = Q1 − Q2 = 2,28 kvar

تيار الخط الجديد

Inew = P/(V·cos φ2) = 5000/(230·0,92) = 23,63 A

الإجابة

Inew = 23,63 A
17.القدرة ثلاثية الطور

الإجابة: P = 40,9 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 = √3·480·60 = 49,88 kVA

القدرة الفعلية

P = S·cos φ = 49,88·0,82 = 40,9 kW

الإجابة

P = 40,9 kW
18.القدرة ثلاثية الطور

الإجابة: QC = 55,32 kvar

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

القدرة غير الفعّالة قبل وبعد

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

Q1 = 80·tan(acos 0,7) = 80·1,02 = 81,62 kvar
Q2 = 80·tan(acos 0,95) = 80·0,3287 = 26,29 kvar

القدرة غير الفعّالة من المكثّفات

QC = Q1 − Q2 = 55,32 kvar

الإجابة

QC = 55,32 kvar
19.المحوّلات

الإجابة: IHV = 31,25 A

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

التيار المقنَّن

يحمل الملفان القدرة الظاهرية نفسها.

IHV = S/V = 75000/2400 = 31,25 A

الإجابة

IHV = 31,25 A
20.المحوّلات

الإجابة: Ploss = 921,9 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 = 0,5625·750 = 421,9 W

المفقودات الكلية

مفقودات القلب هي نفسها عند أي حمل.

Ploss = 500 + 421,9 = 921,9 W

الإجابة

Ploss = 921,9 W

الكفاءة عند هذا الحمل η = 98,57%.

21.دوائر مكبّرات العمليات

الإجابة: Vin,max = 3,881 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.

الكسب

Av = 1 + Rf/R1 = 1 + 4,7/2 = 3,35

أكبر دخل قبل القصّ

Vin,max = Vsat/|Av| = 13/3,35 = 3,881 V

الإجابة

Vin,max = 3,881 V
22.دوائر مكبّرات العمليات

الإجابة: Vout = −12,61 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) = 1,3·47/(100 + 47) = 0,4156 V

طبّق التراكب على الدخلين

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

Vout = −(22/2)·1,6 + (1 + 22/2)·0,4156 = −17,6 + 4,988 = −12,61 V

الإجابة

Vout = −12,61 V
23.الثنائيات والترانزستورات

الإجابة: VCE = 12,26 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.

تيار القاعدة

IB = (VCC − VBE)/RB = (15 − 0,7)/470 kΩ = 30,43 µA

تيار المجمِّع

IC = β·IB = 75·30,43 µA = 2,282 mA

جهد المجمِّع–الباعث

VCE = 15 − 2,282 mA·1,2 kΩ = 12,26 V

الإجابة

VCE = 12,26 V
24.الثنائيات والترانزستورات

الإجابة: RB = 7,288 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) = (12 − 0,2)/100 = 118 mA

أدنى تيار قاعدة

IB(min) = IC(sat)/β = 118/200 = 590 µA

مقاومة القاعدة

RB = (5 − 0,7)/IB = 4,3 V/0,59 mA = 7,288 kΩ

الإجابة

RB = 7,288 kΩ

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

25.أنظمة العد

الإجابة: U = 169

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

اقلب وأضف واحدًا

87 = 0101 0111
مقلوب: 1010 1000
+1 → 1010 1001

اقرأه بلا إشارة

1010 1001₂ = 256 − 87 = 169

الإجابة

U = 169
26.أنظمة العد

الإجابة: R = 119

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.

0010 0010
XOR 0101 0101
= 0111 0111

قيمة الناتج

0111 0111₂ = 119

الإجابة

R = 119
27.المنطق الرقمي: البوابات وخرائط كارنو والقلّابات

الإجابة: N = 6

المضاعِف (MUX): يمرّر المضاعِف 2ⁿ-إلى-1 أحد مداخل البيانات إلى المخرج؛ وخطوط الاختيار، مقروءة كعدد ثنائي، تحدد أيّها. لمضاعِف 4-إلى-1 مع الاختيارين S₁S₀ = AB، F = A′B′·I₀ + A′B·I₁ + AB′·I₂ + AB·I₃. وبوصل مداخل البيانات بـ 0 أو 1 أو C أو C′ ينتج المضاعِف أي دالة في A و B و C، وهي طريقة شائعة لبناء المنطق بشريحة واحدة.

تعبير الخرج

F = A′B′ + A′BC + AB′C + AB

الصفوف التي F = 1 فيها

ABC = 000, 001, 011, 101, 110, 111
N = 6

الإجابة

N = 6
28.المنطق الرقمي: البوابات وخرائط كارنو والقلّابات

الإجابة: fmax = 5 MHz

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.

أسوأ زمن استقرار

T = 8·25 ns = 200 ns

أقصى تردد

fmax = 1/200 ns = 5 MHz

الإجابة

fmax = 5 MHz
29.تحويلات لابلاس

الإجابة: f(0.5) = 2,099

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 = 40/(1·5) = 8
B = 40/((−1)·4) = −10
C = 40/((−5)·(−4)) = 2

التحويل العكسي

f(t) = 8 − 10·e−t + 2·e−5t

احسب

f(0,5) = 8 − 10·e−0,5 + 2·e−5·0,5 = 2,099

الإجابة

f(0,5) = 2,099
30.تحويلات لابلاس

الإجابة: y(0.1) = −5,368

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

حوّل المعادلة

s²Y − (−5)s − (−11) + 9(sY − (−5)) + 18Y = 0
Y(s) = (−5s − 56)/((s + 3)(s + 6))

الكسور الجزئية

A = −41/3 = −13,67
B = −26/(−3) = 8,667

النتيجة

y(t) = −13,67·e−3t + 8,667·e−6t
y(0,1) = −5,368

الإجابة

y(0,1) = −5,368

تحقّق: y(0) = A + B = −5.

31.المخططات الصندوقية

الإجابة: K = 0,25

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

المعادلة المميزة

1 + K/((s + 7)(s + 8)) = 0 → s² + 15s + 56 + K = 0

جذر مكرّر

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

15² = 4(56 + K) → K = 225/4 − 56 = 0,25

الإجابة

K = 0,25
يقع القطبان للحلقة المغلقة عندئذٍ عند s = −7,5.
32.المخططات الصندوقية

الإجابة: T(0) = 0,5455

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) = 3/(s + 14)

الحلقة الخارجية

T(s) = G₁Gᵢ/(1 + G₁GᵢH₂) = 21/((s + 2)(s + 14) + 10,5)

كسب التيار المستمر

T(0) = 21/(2·14 + 10,5) = 21/38,5 = 0,5455

الإجابة

T(0) = 0,5455
33.الاستجابة الخطوية

الإجابة: ts = 0,6667 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 = 55 → ωₙ = 7,416 rad/s
2ζωₙ = 12 → ζ = 12/(2·7,416) = 0,809

النتيجة

ζωₙ = 6 → ts ≈ 4/6 = 0,6667 s

الإجابة

ts = 0,6667 s
34.الاستجابة الخطوية

الإجابة: K = 499,8

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

دالة تحويل الحلقة المغلقة

T(s) = K/(s² + 16s + K)

نسبة التخميد من التجاوز

ζ = −ln(0,3)/√(π² + ln²(0,3)) = 0,3579

الكسب

ωₙ = 16/(2ζ) = 22,36 rad/s
K = ωₙ² = 499,8

الإجابة

K = 499,8
35.مخططات بودي والهوامش

الإجابة: |G(jω)| = 19,88 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(j1)| = 168/(√(1² + 1²)·√(1² + 12²)) = 168/(1,414·12,04) = 9,865

النتيجة

20·log₁₀(9,865) = 19,88 dB

الإجابة

|G(jω)| = 19,88 dB
36.مخططات بودي والهوامش

الإجابة: GM = 14,4 dB

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

تقاطع الطور

(ω/1)·(ω/6) = 1 → ω180 = √(1·6) = 2,449 rad/s

المقدار عند تقاطع الطور

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 1)·√(ω² + 36)) = K/(1·6·(1 + 6)) = K/42

هامش الكسب

GM = 20·log₁₀(42/8) = 14,4 dB

الإجابة

GM = 14,4 dB
37.الاستقرار: راوث–هرفيتز والمحل الهندسي للجذور

الإجابة: Kmax = 84

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 + 3)(s + 4) + K(s + 8) = s³ + 7s² + (12 + K)s + 8K

جدول روث

s³: 1, 12 + K
s²: 7, 8K
s¹: (7·(12 + K) − 8K)/7
s⁰: 8K

الشرط

84 − 1K > 0
K < 84/1 = 84

الإجابة

Kmax = 84

لو وقع الصفر على يمين s = −7 لبقيت الحلقة مستقرة لكل K > 0.

38.الاستقرار: راوث–هرفيتز والمحل الهندسي للجذور

الإجابة: sb = −0,4869

المحل الهندسي للجذور: حين يتغير الكسب K من 0 إلى ∞ تتحرك أقطاب الحلقة المغلقة، وهي جذور 1 + K·G(s) = 0، من أقطاب الحلقة المفتوحة إلى أصفار الحلقة المفتوحة أو إلى ما لا نهاية. تنتمي نقطة على المحور الحقيقي إلى المحل الهندسي حين يكون عدد الأقطاب والأصفار الحقيقية على يمينها فرديًا. تتبع الفروع n − m المتجهة إلى ما لا نهاية خطوطًا مقاربة بالزوايا (2q + 1)·180°/(n − m)، وتنطلق من المركز σₐ = (Σ الأقطاب − Σ الأصفار)/(n − m). تغادر الفروع المحور الحقيقي أو تنضم إليه حيث dK/ds = 0. يحدد شرط الزاوية ∠G(s) = 180° الشكل، ويعطي شرط المقدار K = 1/|G(s)| الكسب عند أي نقطة من المحل الهندسي.

الكسب على طول المحور الحقيقي

K(s) = −s(s + 1)(s + 10) = −(s³ + 11s² + 10s)

النقاط الحرجة

dK/ds = −(3s² + 22s + 10) = 0
s = (−22 ± √(484 − 120))/6 = −0,4869, −6,846

اختر النقطة الواقعة على المحل الهندسي

يقع المحل الهندسي على المحور الحقيقي بين 0 و−1؛ أما الجذر الآخر فليس على المحل الهندسي.

sb = −0,4869

الإجابة

sb = −0,4869
39.خطأ الحالة المستقرة والتحكم PID

الإجابة: ess = 0,3125

خطأ الحالة المستقرة: في حلقة تغذية عكسية وحدوية بدالة نقل الحلقة المفتوحة G(s) يكون الخطأ E(s) = R(s)/(1 + G(s))، وبنظرية القيمة النهائية ess = lims→0 s·E(s). نوع النظام هو عدد أقطاب G(s) عند s = 0. ثوابت الخطأ هي Kp = lim G(s) وKv = lim s·G(s) وKa = lim s²·G(s)، كلها عندما s → 0. تعطي دالة خطوة بحجم A الخطأ ess = A/(1 + Kp)، وتعطي دالة منحدرة A·t الخطأ A/Kv، وتعطي دالة قطع مكافئ A·t²/2 الخطأ A/Ka. تتبع حلقة من النوع 0 دالة الخطوة بخطأ منتهٍ، أما حلقة من النوع 1 فتتبعها تمامًا وتتبع دالة المنحدر بخطأ منتهٍ.

ثابت التسارع

Ka = 4·4/1 = 16

خطأ القطع المكافئ

ess = 5/16 = 0,3125

الإجابة

ess = 0,3125
40.خطأ الحالة المستقرة والتحكم PID

الإجابة: %OS = 48,64 %

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 + 2) + 2·10 = s² + 2s + 20

ωₙ وζ

ωₙ = √20 = 4,472 rad/s
ζ = 2/(2·4,472) = 0,2236

التجاوز

%OS = 100·e−0,2236π/√(1 − 0,2236²) = 48,64 %

الإجابة

%OS = 48,64 %

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