التدريب لاختبار FE للهندسة الكهربائية والحاسوب: حزمة المراجعة المكثفة

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

مسائل جديدةالعودة إلى المقرّر

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

1القوانين وطرق الحل

المقاومات على التوالي والتوازي

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

الطريقة

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

تحليل العقد

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

الطريقة

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

تحليل الحلقات

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

الطريقة

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

التراكب

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

الطريقة

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

ثيفنن ونورتن

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

الطريقة

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

الحالات العابرة RC و RL

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

الطريقة

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

معاوقة التيار المتردد والطوريات

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

الطريقة

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

قدرة التيار المتردد ومعامل القدرة

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

القدرة ثلاثية الطور

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

المحوّلات

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

دوائر مكبّرات العمليات

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

الثنائيات والترانزستورات

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

أنظمة العد

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

المنطق الرقمي: البوابات وخرائط كارنو والقلّابات

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

الطريقة

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

الاستقرار: راوث–هرفيتز والمحل الهندسي للجذور

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

الطريقة

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

خطأ الحالة المستقرة والتحكم PID

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

الطريقة

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

2مسائل تدريبية

1.المقاومات على التوالي والتوازيمتوسطة
R1​ = 15 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​12 VR2​3 ΩAR4​6 ΩB

أوجد المقاومة المكافئة Req التي يراها المصدر V1.

V1 = 12 VR1 = 15 ΩR2 = 3 ΩR3 = 5 ΩR4 = 6 Ω
Req = Ω
2.المقاومات على التوالي والتوازيصعبة
R1​ = 8 ΩR3​ = 30 ΩR5​ = 8 Ω+−V1​18 VR2​6 ΩIR2​AR4​30 ΩBR6​20 Ω

أوجد التيار IR2 عبر R2.

V1 = 18 VR1 = 8 ΩR2 = 6 ΩR3 = 30 ΩR4 = 30 ΩR5 = 8 ΩR6 = 20 Ω
IR2 = A
3.تحليل العقدمتوسطة
R1​ = 4 ΩR3​ = 15 ΩIR3​+−V1​6 VR2​8 ΩAR4​15 ΩBIs​2 A

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

V1 = 6 VIs = 2 AR1 = 4 ΩR2 = 8 ΩR3 = 15 ΩR4 = 15 Ω
IR3 = A
4.تحليل العقدصعبة
R1​ = 25 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​6 VR2​5 ΩAR4​6 ΩB0,5·VA​

المعيّن هو مصدر تيار يتحكّم فيه الجهد، يدفع تيارًا مقداره 0,5·VA (بالأمبير، مع VA بالفولت) إلى الأعلى نحو العقدة B. استخدم تحليل العقد لإيجاد جهد العقدة VA (مقيسًا بالنسبة إلى الأرضي).

V1 = 6 VR1 = 25 ΩR2 = 5 ΩR3 = 12 ΩR4 = 6 Ωg = 0,5 A/V
VA = V
5.تحليل الحلقاتمتوسطة
R1​ = 12 ΩIR1​R2​ = 8 Ω+−V1​12 VR3​12 ΩA+−V2​12 VI1​I2​

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

V1 = 12 VV2 = 12 VR1 = 12 ΩR2 = 8 ΩR3 = 12 Ω
IR1 = A
6.تحليل الحلقاتصعبة
R1​ = 25 ΩR2​ = 4 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​30 VR4​5 ΩAR5​30 ΩB+−V2​24 VI1​I2​I3​

استخدم تحليل الحلقات لإيجاد تيار الحلقة I3 (باتجاه عقارب الساعة).

V1 = 30 VV2 = 24 VR1 = 25 ΩR2 = 4 ΩR3 = 10 ΩR4 = 5 ΩR5 = 30 Ω
I3 = A
7.التراكبمتوسطة
R1​ = 3 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​12 VR2​2 ΩAR4​8 Ω−+VR4​BIs​1,5 A

استخدم مبدأ التراكب لإيجاد الجهد VR4 على طرفي R4 بالقطبية الموضّحة.

V1 = 12 VIs = 1,5 AR1 = 3 ΩR2 = 2 ΩR3 = 8 ΩR4 = 8 Ω
VR4 = V
8.التراكبصعبة
R1​ = 20 ΩR2​ = 12 ΩR4​ = 3 Ω+−V1​18 VR3​15 ΩIR3​AIs​5 AB+−V2​?

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

V1 = 18 VIs = 5 AR1 = 20 ΩR2 = 12 ΩR3 = 15 ΩR4 = 3 Ω
V2 = V
9.ثيفنن ونورتنمتوسطة
R1​ = 8 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​18 VR2​3 ΩAab

أوجد مقاومة ثيفنن Rth المرئية من الطرفين a–b.

V1 = 18 VR1 = 8 ΩR2 = 3 ΩR3 = 20 Ω
Rth = Ω
10.ثيفنن ونورتنصعبة
R1​ = 25 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​5 VR2​4 ΩAIs​4 ABab

أوجد جهد ثيفنن Vth المرئي من الطرفين a–b.

V1 = 5 VIs = 4 AR1 = 25 ΩR2 = 4 ΩR3 = 2 Ω
Vth = V
11.الحالات العابرة RC و RLمتوسطة
R = 10 Ωt = 0L150 mHi(t)

يحمل الملف تيارًا مستقرًا 2 A. عند t = 0 يغلق المفتاح الحلقة عبر R ويُزال المصدر، فيتناقص تيار الملف عبر R. أوجد التيار i عند t = 5 ms.

i(0) = 2 AR = 10 ΩL = 150 mHt = 5 ms
i = A
12.الحالات العابرة RC و RLصعبة
+−Vs​15 Vt = 0R = ?C100 µF+−vC​

يبدأ مؤقّت بشحن مكثّف غير مشحون عبر مقاومة من مصدر 15 V عند t = 0. يجب أن يُطلق عندما يبلغ جهد المكثّف 12 V، بعد 25 ms بالضبط من البداية. مع C = 100 µF، أوجد المقاومة R المطلوبة.

Vs = 15 VVth = 12 VT = 25 msC = 100 µF
R = kΩ
13.معاوقة التيار المتردد والطورياتمتوسطة
230 V50 HzR = 20 ΩL = 150 mHC = 100 µFI

دائرة RLC على التوالي موصولة بمصدر 230 V (فعّال)، 50 Hz. أوجد التيار الفعّال I.

V = 230 V (rms)f = 50 HzR = 20 ΩL = 150 mHC = 100 µF
I = A
14.معاوقة التيار المتردد والطورياتصعبة
24 V500 HzR = 10 ΩL = 50 mHC = 4,7 µFI

دائرة RLC على التوالي موصولة بمصدر 24 V (فعّال)، 500 Hz. أوجد التيار الفعّال I.

V = 24 V (rms)f = 500 HzR = 10 ΩL = 50 mHC = 4,7 µF
I = A
15.قدرة التيار المتردد ومعامل القدرةمتوسطة
P = 11 kWQ = ?Sφ

يستهلك محرّك أحادي الطور 11 kW بمعامل قدرة 0,6 متأخّر من مصدر 400 V. أوجد القدرة غير الفعّالة Q التي يسحبها.

P = 11 kWpf = 0,6V = 400 V
Q = kvar
16.قدرة التيار المتردد ومعامل القدرةصعبة
400 V60 Hzالحمل16 kW, 0,6C100 µFI = ?

يأخذ حِمل أحادي الطور 16 kW بمعامل قدرة 0,6 متأخّر من مصدر 400 V، 60 Hz. يُوصل مكثّف سعته 100 µF على التوازي مع الحِمل. أوجد تيار الخط الجديد I.

P = 16 kWpf1 = 0,6V = 400 Vf = 60 HzC = 100 µF
I = A
17.القدرة ثلاثية الطورمتوسطة
ABCVL​ = 400 VIL​ = 30 Acos φ = 0,95متأخر

حمل ثلاثي الطور متوازن يسحب تيار خط مقداره 30 A من مصدر جهد خطه 400 V. معامل القدرة 0,95 متأخر. أوجد القدرة الفعّالة الكلية P التي يسحبها الحمل بالـ kW.

VL = 400 VIL = 30 Acos φ = 0,95
P = kW
18.القدرة ثلاثية الطورصعبة
P = 120 kWφ1​S1​Q2​QC​

حمل ثلاثي الطور متوازن يأخذ 120 kW عند معامل قدرة 0,78 متأخر من مصدر 480 V (جهد خط) و 60 Hz. يجب أن ترفع مجموعة مكثّفات ثلاثية الطور موصولة على التوازي مع الحمل معامل القدرة الكلي إلى 0,98 متأخر. تبقى القدرة الفعّالة كما هي. المكثّفات موصولة نجمة (Y). أوجد السعة Cph لكل مكثّف بالـ µF.

P = 120 kWpf1 = 0,78pf2 = 0,98VL = 480 Vf = 60 Hz
Cph = µF
19.المحوّلاتمتوسطة
16 Ω61

وُصلت مقاومة 16 Ω على طرفي الملف الثانوي لمحوّل مثالي نسبة لفّاته N₁:N₂ = 6:1. أوجد المقاومة R1′ المرئية عند النظر إلى الملف الابتدائي.

N1:N2 = 6:1RL = 16 Ω
R1′ = Ω
20.المحوّلاتصعبة
pf 0,8150 kVA, 25% الحمل

محوّل أحادي الطور 150 kVA مفقودات قلبه 450 W ومفقودات نحاسه 1350 W عند الحمل المقنَّن. يغذّي 25% من قدرته المقنَّنة بالـ kVA عند معامل قدرة 0,8 متأخر. أوجد المفقودات الكلية Ploss بالواط عند هذا الحمل.

S = 150 kVAPcore = 450 WPcu,fl = 1350 Wx = 0,25pf = 0,8
Ploss = W
21.دوائر مكبّرات العملياتمتوسطة
−+Vout​Rf​ = ?R1​ = 47 kΩVin​

اختر مقاومة التغذية الراجعة Rf التي تعطي هذا المكبّر غير العاكس كسب جهد 2.

R1 = 47 kΩAv = 2
Rf = kΩ
22.دوائر مكبّرات العملياتصعبة
−+Vout​C = 4,7 µFVin​ = −0,5 VR = 2,2 kΩ

يستخدم المكامِل مكبّر عمليات مثاليًا بمصدرَي تغذية ±15 V؛ ويتشبّع خرجه عند ±13 V. المكثّف غير مشحون عند تطبيق دخل ثابت Vin = −0,5 V عند t = 0. أوجد جهد الخرج Vout عند t = 20 ms.

Vin = −0,5 VR = 2,2 kΩC = 4,7 µFVsat = ±13 Vt = 20 ms
Vout = V
23.الثنائيات والترانزستوراتمتوسطة
RC​ = 2,7 kΩβ = 80IC​ = ?VCC​ = 12 VRB​ = 680 kΩ

ترانزستور NPN بـ β = 80 منحاز بمقاومة قاعدة RB = 680 kΩ من المصدر VCC = 12 V. مقاومة المجمِّع RC = 2,7 kΩ والباعث موصول بالأرضي. خذ VBE = 0,7 V وافترض أن الترانزستور في المنطقة الفعّالة. أوجد تيار المجمِّع IC بالـ mA.

VCC = 12 VRB = 680 kΩRC = 2,7 kΩβ = 80VBE = 0,7 V
IC = mA
24.الثنائيات والترانزستوراتصعبة
+−≤ 16 V330 Ω5,1 V

لمنظم زينر 5,1 V مقاومة توالٍ 330 Ω. قد يرتفع الدخل إلى 16 V، وقد يكون الحمل مفصولًا. أوجد أكبر قدرة PZ,max يجب أن يبددها زينر.

Vin,max = 16 VVZ = 5,1 VR = 330 Ω
PZ,max = mW
25.أنظمة العدمتوسطة
المتمم الثنائي ذو 8 بتات?−128?64?32?16?8?4?2?1

اكتب −71 كنمط متمم ثنائي ذي 8 بتات. اقرأ النمط كعدد ثنائي بلا إشارة: ما قيمته U في النظام العشري؟

N = −718 bit
U =
26.أنظمة العدصعبة
32 بت، بدون إشارة, N = ?????????????????????????????????

ما أكبر عدد صحيح بلا إشارة N يتسع في 32 بتة؟

32 bit
N =
27.المنطق الرقمي: البوابات وخرائط كارنو والقلّاباتمتوسطة
ABCD000111100001111010010312040517060121130150140809011010

استخدم خريطة كارنو لإيجاد الصيغة الدنيا لجداء المجاميع (POS) للدالة F(A, B, C, D) = Σm(0, 2, 7, 13). كم حد مجموع (عاملًا) N فيها؟

F(A, B, C, D) = Σm(0, 2, 7, 13)
N =
28.المنطق الرقمي: البوابات وخرائط كارنو والقلّاباتصعبة
CLKD1234567

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

Q₀ = 0D
  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
29.تحويلات لابلاسمتوسطة
ReIm−22

أوجد f(t) للدالة F(s) = (5s + 1)/(s² + 4s + 13) بإكمال المربّع، واحسب f(0,2).

F(s) = (5s + 1)/(s² + 4s + 13)t = 0,2 s
f(0.2) =
30.تحويلات لابلاسصعبة
ReIm−2−4−6−8−1024

يُوصف نظام بالمعادلة التفاضلية y″ + 4y′ + 20y = u′ + 10u، مع الدخل u(t) والخرج y(t). أوجد دالة تحويله G(s) = Y(s)/U(s) (شروط ابتدائية صفرية) واحسب استجابة النبضة g(t) عند t = 0,4 s. أوجد g(0,4).

y″ + 4y′ + 20y = u′ + 10ut = 0,4 s
g(0.4) =
31.المخططات الصندوقيةمتوسطة
R(s)+3(s + 5)(s + 2)(s + 4)G(s)C(s)−

حلقة تغذية راجعة سالبة أحادية لها G(s) = 3(s + 5)/((s + 2)(s + 4)). تُطبَّق خطوة مقدارها 2 عند المرجع. أوجد خطأ الحالة المستقرة ess.

G(s) = 3(s + 5)/((s + 2)(s + 4))R = 2
ess =
32.المخططات الصندوقيةصعبة
R(s)+6s + 5G₁+9s + 5G₂C(s)4H₁−1H₂−

اختزل المخطط الصندوقي مع G₁ = 6/(s + 5) و G₂ = 9/(s + 5) وتغذية راجعة سالبة داخلية H₁ = 4 حول G₂ وتغذية راجعة سالبة خارجية H₂ = 1. أوجد كسب التيار المستمر T(0) للنسبة C(s)/R(s).

G₁ = 6/(s + 5)G₂ = 9/(s + 5)H₁ = 4H₂ = 1
T(0) =
33.الاستجابة الخطويةمتوسطة
t (s)y(t)3

لنظام دالة النقل G(s) = 45/(s² + 2s + 15) ويتلقى دخلًا خطويًا وحدويًا. أوجد نسبة التخميد ζ.

G(s) = 45/(s² + 2s + 15)
ζ =
34.الاستجابة الخطويةصعبة
R(s)+Ks(s + 20)G(s)C(s)−

لحلقة تغذية عكسية سالبة وحدوية G(s) = K/(s(s + 20)). أوجد الكسب K الذي يعطي استجابة خطوية بتجاوز 5 %.

G(s) = K/(s(s + 20))%OS = 5 %
K =
35.مخططات بودي والهوامشمتوسطة
vin​R = 3,3 kΩC = 2,2 nFvout​

لـ مرشح RC لتمرير الترددات المنخفضة الموضح R = 3,3 kΩ, C = 2,2 nF. يُطبَّق دخل جيبي مقداره 5,5 kHz. أوجد إزاحة الطور φ للجهد vout بالنسبة إلى vin، بالدرجات.

R = 3,3 kΩC = 2,2 nFf = 5,5 kHz
φ = °
36.مخططات بودي والهوامشصعبة
|H| (dB)0,10,1111010100100−80−60−40−2002040ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−270−180−900ω180​

حلقة تغذية عكسية وحدوية دالة نقلها المفتوحة L(s) = 34/(s(s + 2)(s + 4)). أوجد هامش الكسب GM بوحدة dB.

L(s) = 34/(s(s + 2)(s + 4))
GM = dB
37.الاستقرار: راوث–هرفيتز والمحل الهندسي للجذورمتوسطة
R(s)+Ks + 9s(s + 1)(s + 3)C(s)−

لحلقة تغذية عكسية وحدوية L(s) = K(s + 9)/(s(s + 1)(s + 3)) مع K > 0. أوجد أكبر كسب Kmax تكون الحلقة المغلقة عنده مستقرة.

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

يغادر المحل الهندسي للجذور لـ L(s) = K/(s(s + 4)(s + 8)) المحور الحقيقي بين s = 0 وs = −4. أوجد نقطة الانفصال sb.

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

يُطبَّق الدخل القطعي المكافئ r(t) = 5·t²/2 على حلقة تغذية عكسية وحدوية فيها G(s) = 20(s + 2)/(s²(s + 10)). أوجد خطأ الحالة المستقرة ess.

G(s) = 20(s + 2)/(s²(s + 10))r(t) = 5·t²/2
ess =
40.خطأ الحالة المستقرة والتحكم PIDصعبة
R(s)+K4s(s + 10)C(s)−

يتحكم متحكم تناسبي K في المحطة G(s) = 4/(s(s + 10)) ضمن حلقة تغذية عكسية وحدوية. أوجد الكسب K الذي يعطي الحلقة المغلقة نسبة تخميد ζ = 0,5.

G(s) = 4/(s(s + 10))ζ = 0,5
K =

3المحاليل

1.المقاومات على التوالي والتوازي

الإجابة: Req = 17,36 Ω

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

R1​ = 15 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​12 VR2​3 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 = 5 + 6 = 11 Ω
R2 ∥ 11 = 3·11/(3+11) = 2,357 Ω
Req = R1 + 2,357 = 15 + 2,357 = 17,36 Ω

الإجابة

Req = 17,36 Ω
2.المقاومات على التوالي والتوازي

الإجابة: IR2 = 1,194 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​ = 8 ΩR3​ = 30 ΩR5​ = 8 Ω+−V1​18 VR2​6 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 = 8 + 20 = 28 Ω
R4 ∥ 28 = 14,48 Ω
R3 + 14,48 = 44,48 Ω
R2 ∥ 44,48 = 5,287 Ω
Req = R1 + 5,287 = 8 + 5,287 = 13,29 Ω

التيار من المصدر

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

IR1 = V1/Req = 18/13,29 = 1,355 A

التيار عبر R₂

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

VA = V1 − IR1·R1 = 18 − 1,355·8 = 7,162 V
IR2 = VA/R2 = 7,162/6 = 1,194 A

الإجابة

IR2 = 1,194 A
3.تحليل العقد

الإجابة: IR3 = −0,7959 A

تحليل العقد: اختر عقدة مرجعية، وسمِّ جهود العقد المجهولة، واكتب قانون كيرشوف للتيار عند كل عقدة مجهولة باستخدام قانون أوم (I = ΔV/R)، ثم حلّ المعادلات الناتجة.

R1​ = 4 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​6 VR2​8 ΩAR4​15 ΩBIs​2 A

حدّد العقد

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

قانون كيرشوف للتيار عند العقدة A

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

VA/R2 + (VA − V1)/R1 + (VA − VB)/R3 = 0
VA/8 + (VA − 6)/4 + (VA − VB)/15 = 0
0,4417·VA − 0,06667·VB = 1,5

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)/15 = 2
−0,06667·VA + 0,1333·VB = 2

الحل

Δ = (0,4417)(0,1333) − (−0,06667)(−0,06667) = 0,05444
VA = Δ1/Δ = 0,3333/0,05444 = 6,122 V
VB = Δ2/Δ = 0,9833/0,05444 = 18,06 V

الإجابة

IR3 = (VA − VB)/R3 = (6,122 − 18,06)/15 = −0,7959 A
4.تحليل العقد

الإجابة: VA = 1,862 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.

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
0,3233·VA − 0,08333·VB = 0,24

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 = 0,5·VA
−0,5833·VA + 0,25·VB = 0

الحل

Δ = (0,3233)(0,25) − (−0,08333)(−0,5833) = 0,03222
VA = Δ1/Δ = 0,06/0,03222 = 1,862 V
VB = Δ2/Δ = 0,14/0,03222 = 4,345 V

الإجابة

VA = 1,862 V
5.تحليل الحلقات

الإجابة: IR1 = 0,2857 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​ = 8 Ω+−V1​12 VR3​12 ΩA+−V2​12 VI1​I2​

عيّن تيارات الحلقات

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

قانون كيرشوف للجهد حول الحلقة 1

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

R1·I1 + R3(I1 − I2) = V1
12·I1 + 12(I1 − I2) = 12
24·I1 − 12·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
8·I2 + 12(I2 − I1) = (−12)
−12·I1 + 20·I2 = −12

الحل

Δ = (24)(20) − (−12)(−12) = 336
I1 = Δ1/Δ = 96/336 = 0,2857 A
I2 = Δ2/Δ = −144/336 = −0,4286 A

الإجابة

IR1 = I1 = 0,2857 A

تيار الحلقة السالب يسري عكس عقارب الساعة.

6.تحليل الحلقات

الإجابة: I3 = −1,222 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​ = 25 ΩR2​ = 4 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​30 VR4​5 ΩAR5​30 ΩB+−V2​24 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
25·I1 + 5(I1 − I2) = 30
30·I1 − 5·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
4·I2 + 5(I2 − I1) + 30(I2 − I3) = 0
−5·I1 + 39·I2 − 30·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
10·I3 + 30(I3 − I2) = (−24)
−30·I2 + 40·I3 = −24

الحل

Δ = محدد مصفوفة المعاملات = 18800
I1 = Δ1/Δ = 16200/18800 = 0,8617 A
I2 = Δ2/Δ = −15600/18800 = −0,8298 A
I3 = Δ3/Δ = −22980/18800 = −1,222 A

الإجابة

I3 = −1,222 A

تيار الحلقة السالب يسري عكس عقارب الساعة.

7.التراكب

الإجابة: VR4 = −8,651 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​ = 3 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​12 VR2​2 ΩAR4​8 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 = 8+8 = 16 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 2·16/(2+16) = 1,778 Ω
VA = 12·1,778/(3+1,778) = 4,465 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 4,465·8/16 = 2,233 V
VR4′ = 0 − VB = 0 − 2,233 = −2,233 V
R1​ = 3 ΩR3​ = 8 ΩقصرR2​2 ΩAR4​8 ΩBIs​1,5 A

الحالة 2 · Is يعمل وحده

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

R1 ∥ R2 = 3·2/(3+2) = 1,2 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 8 ∥ 9,2 = 4,279 Ω
VB = Is·Req = 1,5·4,279 = 6,419 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 6,419·1,2/9,2 = 0,8372 V
VR4″ = 0 − VB = 0 − 6,419 = −6,419 V

اجمع المساهمات

VR4 = VR4′ + VR4″
VR4 = (−2,233) + (−6,419) = −8,651 V

النتيجة السالبة تعني أن القطبية معاكسة للمعلَّمة في الواقع.

8.التراكب

الإجابة: V2 = 1,5 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​ = 20 ΩR2​ = 12 ΩR4​ = 3 Ω+−V1​18 VR3​15 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) = 15 ∥ 15 = 7,5 Ω
VA = 18·7,5/(20+7,5) = 4,909 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 4,909·3/15 = 0,9818 V
R1​ = 20 ΩR2​ = 12 ΩR4​ = 3 ΩقصرR3​15 ΩAIs​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 = 8,571 Ω، إذن المسار الأيسر هو R2+8,571 = 20,57 Ω
Req = R4 ∥ 20,57 = 2,618 Ω
VB = −Is·Req = −5·2,618 = −13,09 V
VA = VB·8,571/20,57 = −5,455 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 = 8,571 Ω
VA‴ = V2·8,571/(3 + 12 + 8,571) = 0,3636·V2

اجعل VA صفرًا

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

VA′ + VA″ + VA‴ = 4,909 + (−5,455) + 0,3636·V2 = 0
V2 = 0,5455/0,3636 = 1,5 V

الإجابة

V2 = 1,5 V
9.ثيفنن ونورتن

الإجابة: Rth = 22,18 Ω

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​ = 20 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 = 8·3/(8+3) = 2,182 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,182 + 20 = 22,18 Ω
10.ثيفنن ونورتن

الإجابة: Vth = −21,1 V

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

R1​ = 25 ΩR3​ = 2 ΩقصرR2​4 ΩAمفتوحBabRth​

أوجد Rth مع إطفاء كل المصادر

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

R1 ∥ R2 = 25·4/(25+4) = 3,448 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3,448 + 2 = 5,448 Ω
R1​ = 25 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​5 VR2​4 ΩAIs​4 ABab+−Vth​

أوجد Vth، جهد الدائرة المفتوحة

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

VA = V1·R2/(R1+R2) + Is·(R1∥R2) = 0,6897 + (−4)·3,448 = −13,1 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = −13,1 + (−4)·2 = −21,1 V
11.الحالات العابرة RC و RL

الإجابة: i = 1,433 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

τ = L/R = 150 mH / 10 Ω = 15 ms

تناقص التيار

i(t) = 2·e−5/15 = 1,433 A

الإجابة

i = 1,433 A
12.الحالات العابرة RC و RL

الإجابة: R = 0,1553 kΩ

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 المطلوب

12 = 15·(1 − e−25/τ) → τ = 25/ln(15/(15 − 12))
τ = 25/1,609 = 15,53 ms

المقاومة

kΩ مضروبة في µF تعطي ميلي ثانية.

R = τ/C = 15,53/100 = 0,1553 kΩ

الإجابة

R = 0,1553 kΩ
13.معاوقة التيار المتردد والطوريات

الإجابة: I = 9,135 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·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) = √(20² + (15,29)²) = 25,18 Ω

التيار

يمرّ التيار نفسه في كل عنصر من عناصر دائرة التوالي.

I = V/|Z| = 230/25,18 = 9,135 A

الإجابة

I = 9,135 A
14.معاوقة التيار المتردد والطوريات

الإجابة: I = 0,2669 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·500 = 3142 rad/s
XL = ωL = 3142·0,05 = 157,1 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(3142·4,7·10⁻⁶) = 67,73 Ω

المعاوقة

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

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(10² + (89,35)²) = 89,91 Ω

التيار

يمرّ التيار نفسه في كل عنصر من عناصر دائرة التوالي.

I = V/|Z| = 24/89,91 = 0,2669 A

الإجابة

I = 0,2669 A
15.قدرة التيار المتردد ومعامل القدرة

الإجابة: Q = 14,67 kvar

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

الزاوية

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

القدرة غير الفعّالة

Q = P·tan φ = 11·1,333 = 14,67 kvar

الإجابة

Q = 14,67 kvar
16.قدرة التيار المتردد ومعامل القدرة

الإجابة: I = 55,35 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 = 16·tan(arccos 0,6) = 21,33 kvar
QC = V²·2πf·C = 400²·2π·60·100·10⁻⁶ = 6032 var = 6,032 kvar
Q2 = 21,33 − 6,032 = 15,3 kvar

القدرة الظاهرية الجديدة

S2 = √(16² + 15,3²) = 22,14 kVA

تيار الخط الجديد

I = S2/V = 22139/400 = 55,35 A

الإجابة

I = 55,35 A
17.القدرة ثلاثية الطور

الإجابة: P = 19,75 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 = √3·400·30 = 20,78 kVA

القدرة الفعلية

P = S·cos φ = 20,78·0,95 = 19,75 kW

الإجابة

P = 19,75 kW
18.القدرة ثلاثية الطور

الإجابة: Cph = 827,9 µF

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

القدرة غير الفعّالة قبل وبعد

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

Q1 = 120·tan(acos 0,78) = 120·0,8023 = 96,27 kvar
Q2 = 120·tan(acos 0,98) = 120·0,2031 = 24,37 kvar

القدرة غير الفعّالة من المكثّفات

QC = Q1 − Q2 = 71,91 kvar

السعة لكل طور

في مجموعة Y يوصل كل مكثّف بين خط ونقطة النجمة.

V = 480/√3 = 277,1 V, ω = 2π·60 = 377 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 23969/(377·277,1²) = 827,9 µF

الإجابة

Cph = 827,9 µF
19.المحوّلات

الإجابة: R1′ = 576 Ω

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

المقاومة المحوَّلة

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

R1′ = a²·RL = 6²·16 = 576 Ω

الإجابة

R1′ = 576 Ω
20.المحوّلات

الإجابة: Ploss = 534,4 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 = 0,0625·1350 = 84,38 W

المفقودات الكلية

مفقودات القلب هي نفسها عند أي حمل.

Ploss = 450 + 84,38 = 534,4 W

الإجابة

Ploss = 534,4 W

الكفاءة عند هذا الحمل η = 98,25%.

21.دوائر مكبّرات العمليات

الإجابة: Rf = 47 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 = (2 − 1)·47 = 47 kΩ

الإجابة

Rf = 47 kΩ
22.دوائر مكبّرات العمليات

الإجابة: Vout = 0,9671 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.

تيار الدخل ومعدّل التغيّر

kΩ مضروبة في µF تعطي ميلي ثانية.

RC = 2,2 kΩ · 4,7 µF = 10,34 ms
معدّل التغيّر = −Vin/(RC) = −(−0,5)/10,34 = 0,04836 V/ms

الخرج عند الزمن المعطى

القيمة المثالية داخل ±Vsat، لذا لم يُقصّ المكامِل بعد.

Vout = −Vin·t/(RC) = −(−0,5)·20/10,34 = 0,9671 V

الإجابة

Vout = 0,9671 V
23.الثنائيات والترانزستورات

الإجابة: IC = 1,329 mA

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

تيار القاعدة

IB = (VCC − VBE)/RB = (12 − 0,7)/680 kΩ = 16,62 µA

تيار المجمِّع

IC = β·IB = 80·16,62 µA = 1,329 mA

الإجابة

IC = 1,329 mA

تحقّق: VCE = 8,411 V أعلى بوضوح من 0,2 V، لذا الترانزستور فعلًا في المنطقة الفعّالة.

24.الثنائيات والترانزستورات

الإجابة: PZ,max = 168,5 mW

منظم زينر: يثبّت صمام زينر الثنائي المنحاز عكسيًا جهده VZ ما دام تياره فوق حد أدنى IZ,min. تأخذ المقاومة التوالية R الفرق بين الدخل والخرج: IR = (Vin − VZ)/R. وينقسم هذا التيار بين الحمل، IL = VZ/RL، وصمام زينر: IZ = IR − IL. صمّم لأسوأ الحالات: أدنى دخل مع أكبر حمل يجب أن يترك IZ,min مع ذلك، وأعلى دخل بلا حمل يعطي أكبر قدرة لصمام زينر PZ = VZ·IZ.

تيار زينر في أسوأ حالة

IZ = 10,9/330 = 33,03 mA

قدرة زينر

PZ = 5,1·33,03 = 168,5 mW

الإجابة

PZ,max = 168,5 mW
25.أنظمة العد

الإجابة: U = 185

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

71 = 0100 0111
مقلوب: 1011 1000
+1 → 1011 1001

اقرأه بلا إشارة

1011 1001₂ = 256 − 71 = 185

الإجابة

U = 185
26.أنظمة العد

الإجابة: N = 4,295 × 10⁹

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.

أكبر قيمة

232 − 1 = 4294967295

الإجابة

N = 4294967295
27.المنطق الرقمي: البوابات وخرائط كارنو والقلّابات

الإجابة: N = 5

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.

ABCD000111100001111010010312040517060121130150140809011010

جمّع الأصفار

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

(B + D′)
(B′ + D)
(A′ + D)
(A′ + C′)
(A + C + D′)

الصيغة الدنيا POS

F = (B + D′)(B′ + D)(A′ + D)(A′ + C′)(A + C + D′)
N = 5

الإجابة

N = 5

يوجد تجميع آخر بالحجم نفسه؛ وله عدد الحدود والحروف نفسه.

28.المنطق الرقمي: البوابات وخرائط كارنو والقلّابات

الإجابة: حافة الساعة 4

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

يَنسخ قلّاب D القيمة D عند كل حافة صاعدة: Q⁺ = D.

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

أول تغير من 1 إلى 0

حافة الساعة 4

الإجابة

حافة الساعة 4
29.تحويلات لابلاس

الإجابة: f(0.2) = 1,631

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).

أكمل المربّع

s² + 4s + 13 = (s + 2)² + 9 = (s + 2)² + 3²

طابق البسط

F(s) = 5·(s + 2)/((s + 2)² + 3²) + (−9/3)·3/((s + 2)² + 3²)

التحويل العكسي

f(t) = e−2t·(5·cos 3t − 3·sin 3t)
f(0,2) = e−2·0,2·(5·cos(3·0,2) − 3·sin(3·0,2)) = 1,631

الإجابة

f(0,2) = 1,631
30.تحويلات لابلاس

الإجابة: g(0.4) = 0,8852

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

دالة التحويل

G(s) = Y(s)/U(s) = (s + 10)/(s² + 4s + 20)

الكسور الجزئية

s² + 4s + 20 = (s + 2)² + 4²
G(s) = 1·(s + 2)/((s + 2)² + 4²) + (8/4)·4/((s + 2)² + 4²)

استجابة النبضة

g(t) = e−2t·(cos 4t + 2·sin 4t)
g(0,4) = 0,8852

الإجابة

g(0,4) = 0,8852
31.المخططات الصندوقية

الإجابة: ess = 0,6957

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

ثابت خطأ الموضع

Kₚ = G(0) = 3·5/(2·4) = 1,875

خطأ الحالة المستقرة

ess = A/(1 + Kₚ) = 2/(1 + 1,875) = 0,6957

الإجابة

ess = 0,6957
32.المخططات الصندوقية

الإجابة: T(0) = 0,2085

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) = 9/(s + 41)

الحلقة الخارجية

T(s) = G₁Gᵢ/(1 + G₁GᵢH₂) = 54/((s + 5)(s + 41) + 54)

كسب التيار المستمر

T(0) = 54/(5·41 + 54) = 54/259 = 0,2085

الإجابة

T(0) = 0,2085
33.الاستجابة الخطوية

الإجابة: ζ = 0,2582

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 = 15 → ωₙ = 3,873 rad/s
2ζωₙ = 2 → ζ = 2/(2·3,873) = 0,2582

النتيجة

ζ = 0,2582

الإجابة

ζ = 0,2582
34.الاستجابة الخطوية

الإجابة: K = 210

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 + 20s + K)

نسبة التخميد من التجاوز

ζ = −ln(0,05)/√(π² + ln²(0,05)) = 0,6901

الكسب

ωₙ = 20/(2ζ) = 14,49 rad/s
K = ωₙ² = 210

الإجابة

K = 210
35.مخططات بودي والهوامش

الإجابة: φ = −14,08 °

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

تردد الركن

ωc = 1/(RC) = 1/(3300·2,2 × 10⁻⁹) = 137741 rad/s
fc = 21922 Hz → f/fc = 5500/21922 = 0,2509

الطور

φ = − atan(0,2509) = −14,08°

الإجابة

φ = −14,08°
36.مخططات بودي والهوامش

الإجابة: GM = 2,995 dB

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

تقاطع الطور

(ω/2)·(ω/4) = 1 → ω180 = √(2·4) = 2,828 rad/s

المقدار عند تقاطع الطور

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 4)·√(ω² + 16)) = K/(2·4·(2 + 4)) = K/48

هامش الكسب

GM = 20·log₁₀(48/34) = 2,995 dB

الإجابة

GM = 2,995 dB
37.الاستقرار: راوث–هرفيتز والمحل الهندسي للجذور

الإجابة: Kmax = 2,4

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 + 1)(s + 3) + K(s + 9) = s³ + 4s² + (3 + K)s + 9K

جدول روث

s³: 1, 3 + K
s²: 4, 9K
s¹: (4·(3 + K) − 9K)/4
s⁰: 9K

الشرط

12 − 5K > 0
K < 12/5 = 2,4

الإجابة

Kmax = 2,4

لو وقع الصفر على يمين s = −4 لبقيت الحلقة مستقرة لكل K > 0.

38.الاستقرار: راوث–هرفيتز والمحل الهندسي للجذور

الإجابة: sb = −1,691

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 + 4)(s + 8) = −(s³ + 12s² + 32s)

النقاط الحرجة

dK/ds = −(3s² + 24s + 32) = 0
s = (−24 ± √(576 − 384))/6 = −1,691, −6,309

اختر النقطة الواقعة على المحل الهندسي

يقع المحل الهندسي على المحور الحقيقي بين 0 و−4؛ أما الجذر الآخر فليس على المحل الهندسي.

sb = −1,691

الإجابة

sb = −1,691
39.خطأ الحالة المستقرة والتحكم PID

الإجابة: ess = 1,25

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

ثابت التسارع

Ka = 20·2/10 = 4

خطأ القطع المكافئ

ess = 5/4 = 1,25

الإجابة

ess = 1,25
40.خطأ الحالة المستقرة والتحكم PID

الإجابة: K = 25

التحكم P وPI وPID: يعمل المتحكم C(s) = Kp + Ki/s + Kd·s على الخطأ. الكسب التناسبي يجعل الحلقة أسرع ويقلل خطأ محطة من النوع 0، لكنه لا يزيله أبدًا. يضيف الحد التكاملي قطبًا عند s = 0: فيرتفع نوع النظام بواحد، وتُتبع الخطوة دون خطأ. ويضيف الحد التفاضلي تخميدًا. لاختيار الكسوب اكتب كثير الحدود المميِّز للحلقة المغلقة وقارنه بـ s² + 2ζωns + ωn². عندئذٍ %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²)، وtp = π/ωd مع ωd = ωn√(1 − ζ²)، وts ≈ 4/(ζωn).

كثير الحدود المميِّز

s(s + 10) + 4K = s² + 10s + 4K

التردد الطبيعي

2·0,5·ωₙ = 10 → ωₙ = 10 rad/s

الكسب

4K = ωₙ² = 100 → K = 25

الإجابة

K = 25

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