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​ = 12 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​10 VR2​8 ΩIR2​AR4​20 ΩB

أوجد التيار IR2 عبر R2.

V1 = 10 VR1 = 12 ΩR2 = 8 ΩR3 = 8 ΩR4 = 20 Ω
IR2 = A
2.المقاومات على التوالي والتوازيصعبة
R1​ = 8 ΩR3​ = 25 ΩR5​ = 8 Ω+−V1​5 VR2​8 ΩIR2​AR4​12 ΩBR6​4 Ω

أوجد التيار IR2 عبر R2.

V1 = 5 VR1 = 8 ΩR2 = 8 ΩR3 = 25 ΩR4 = 12 ΩR5 = 8 ΩR6 = 4 Ω
IR2 = A
3.تحليل العقدمتوسطة
R1​ = 2 ΩIR1​R3​ = 3 Ω+−V1​10 VR2​6 ΩAR4​3 ΩBIs​1 A

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

V1 = 10 VIs = 1 AR1 = 2 ΩR2 = 6 ΩR3 = 3 ΩR4 = 3 Ω
IR1 = A
4.تحليل العقدصعبة
R1​ = 4 ΩIR1​R2​ = 5 ΩR4​ = 6 Ω+−V1​10 VR3​30 ΩAR5​3 ΩBIs​2 A+−V2​18 V

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

V1 = 10 VIs = 2 AV2 = 18 VR1 = 4 ΩR2 = 5 ΩR3 = 30 ΩR4 = 6 ΩR5 = 3 Ω
IR1 = A
5.تحليل الحلقاتمتوسطة
R1​ = 3 ΩR2​ = 4 Ω+−V1​18 VR3​6 ΩA+−V2​24 VI1​I2​

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

V1 = 18 VV2 = 24 VR1 = 3 ΩR2 = 4 ΩR3 = 6 Ω
I2 = A
6.تحليل الحلقاتصعبة
R1​ = 12 ΩR2​ = 6 ΩR3​ = 12 ΩIR3​+−V1​5 VR4​8 ΩAR5​25 ΩB+−V2​6 VI1​I2​I3​

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

V1 = 5 VV2 = 6 VR1 = 12 ΩR2 = 6 ΩR3 = 12 ΩR4 = 8 ΩR5 = 25 Ω
IR3 = A
7.التراكبمتوسطة
R1​ = 15 ΩR3​ = 4 ΩIR3​+−V1​15 VR2​8 ΩAR4​3 ΩBIs​?

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

V1 = 15 VR1 = 15 ΩR2 = 8 ΩR3 = 4 ΩR4 = 3 Ω
Is = A
8.التراكبصعبة
دائرة خطيةV1​V2​Is​IRL​

دائرة مقاومات خطية تحتوي على ثلاثة مصادر مستقلة: V1 و V2 و Is. يُقاس التيار I في حِمل ثلاث مرات. مع كل المصادر بقيمها العادية، I = 16,5 mA. مع مضاعفة V1 وبقاء الآخرَين دون تغيير، I = 13 mA. مع عكس اتجاه Is وبقاء الآخرَين دون تغيير، I = 0,5 mA. أوجد تيار الحِمل I عند إطفاء V2 مع بقاء V1 و Is بقيمهما العادية.

عادي: I = 16,5 mA2·V1: I = 13 mA−Is: I = 0,5 mA
I = mA
9.ثيفنن ونورتنمتوسطة
R1​ = 20 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​18 VR2​8 ΩAab

أوجد جهد ثيفنن Vth المرئي من الطرفين a–b.

V1 = 18 VR1 = 20 ΩR2 = 8 ΩR3 = 8 Ω
Vth = V
10.ثيفنن ونورتنصعبة
R1​ = 3 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​24 VR2​5 ΩAIs​4 ABRL​2 ΩIL​

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

V1 = 24 VIs = 4 AR1 = 3 ΩR2 = 5 ΩR3 = 8 ΩRL = 2 Ω
IL = A
11.الحالات العابرة RC و RLمتوسطة
+−Vs​30 Vt = 0R1​ = 4,7 kΩR2​ = 1 kΩC68 µF+−vC​

يشحن المصدر Vₛ المكثّف عبر R₁، و R₂ موصول على التوازي مع C. المكثّف غير مشحون عندما يُغلق المفتاح عند t = 0. أوجد جهد المكثّف vC عند t = 60 ms.

Vs = 30 VR1 = 4,7 kΩR2 = 1 kΩC = 68 µFt = 60 ms
vC = V
12.الحالات العابرة RC و RLصعبة
+−Vs​12 VR1​ = 22 ΩR2​ = 47 Ωيُفتح عند t = 0L100 mHi(t)

المفتاح الموصول على طرفي R2 مغلق منذ وقت طويل، لذا تيار الملف مستقر. عند t = 0 يُفتح المفتاح. بعد كم من t = 0 يبلغ تيار الملف 0,434 A؟ أوجد t.

Vs = 12 VR1 = 22 ΩR2 = 47 ΩL = 100 mH
t = ms
13.معاوقة التيار المتردد والطورياتمتوسطة
100 V100 HzR = 25 ΩL = 50 mHC = 22 µF

دائرة RLC على التوالي موصولة بمصدر 100 V (فعّال)، 100 Hz. أوجد زاوية الطور φ للمعاوقة بالدرجات (موجبة عندما يتأخّر التيار عن الجهد).

V = 100 V (rms)f = 100 HzR = 25 ΩL = 50 mHC = 22 µF
φ = °
14.معاوقة التيار المتردد والطورياتصعبة
24 V200 HzR = 100 ΩL = 150 mHC = 2,2 µFI

دائرة RLC على التوالي موصولة بمصدر 24 V (فعّال)، 200 Hz. أوجد التيار الفعّال I.

V = 24 V (rms)f = 200 HzR = 100 ΩL = 150 mHC = 2,2 µF
I = A
15.قدرة التيار المتردد ومعامل القدرةمتوسطة
240 V113 kW, 0,8223 kW, 0,85I

حِملان موصولان على التوازي بمصدر أحادي الطور 240 V: حِمل 13 kW بمعامل قدرة 0,8 متأخّر وحِمل 23 kW بمعامل قدرة 0,85 متقدّم. أوجد معامل القدرة الكلي cos φ الذي يراه المصدر.

V = 240 VP1 = 13 kW, pf1 = 0,8 متأخرP2 = 23 kW, pf2 = 0,85 متقدّم
cos φ =
16.قدرة التيار المتردد ومعامل القدرةصعبة
P = 30 kWQ1​S1​φ1​QC​

يستهلك حِمل أحادي الطور 30 kW بمعامل قدرة 0,75 متأخّر من مصدر 240 V، 60 Hz. يرفع مكثّف موصول على التوازي معامل القدرة إلى 0,95. أوجد تيار الخط الجديد Inew.

P = 30 kWpf1 = 0,75pf2 = 0,95V = 240 Vf = 60 Hz
Inew = A
17.القدرة ثلاثية الطورمتوسطة
ABCVL​ = 480 VIL​ = ?M45 kW, η = 90%cos φ = 0,85

محرّك حثّي ثلاثي الطور يعطي قدرة خرج ميكانيكية مقدارها 45 kW عند الحمل الكامل. عند هذا الحمل تكون كفاءته 90% ومعامل قدرته 0,85 متأخرًا. جهد خط المصدر 480 V. أوجد تيار الخط IL.

Pout = 45 kWη = 90%cos φ = 0,85VL = 480 V
IL = A
18.القدرة ثلاثية الطورصعبة
P = 80 kWφ1​S1​Q2​QC​ = ?

حمل ثلاثي الطور متوازن يأخذ 80 kW عند معامل قدرة 0,78 متأخر من مصدر 480 V (جهد خط) و 50 Hz. يجب أن ترفع مجموعة مكثّفات ثلاثية الطور موصولة على التوازي مع الحمل معامل القدرة الكلي إلى 0,9 متأخر. تبقى القدرة الفعّالة كما هي. أوجد القدرة غير الفعّالة الكلية QC التي يجب أن تقدّمها مجموعة المكثّفات، بالـ kvar.

P = 80 kWpf1 = 0,78pf2 = 0,9VL = 480 Vf = 50 Hz
QC = kvar
19.المحوّلاتمتوسطة
50 Ω21

وُصلت مقاومة 50 Ω على طرفي الملف الثانوي لمحوّل مثالي نسبة لفّاته N₁:N₂ = 2:1. أوجد المقاومة R1′ المرئية عند النظر إلى الملف الابتدائي.

N1:N2 = 2:1RL = 50 Ω
R1′ = Ω
20.المحوّلاتصعبة
pf 0,8550 kVA, η = 96%

محوّل أحادي الطور 50 kVA مفقودات قلبه 400 W. عند الحمل المقنَّن ومعامل قدرة 0,85 متأخر تكون كفاءته 96%. أوجد مفقودات النحاس عند الحمل الكامل Pcu,fl بالواط.

S = 50 kVAPcore = 400 Wpf = 0,85η = 96%
Pcu,fl = W
21.دوائر مكبّرات العملياتمتوسطة
−+Vout​Rf​ = 10 kΩR1​ = 1 kΩVin​ = 0,7 V

مكبّر العمليات مثالي ويعمل بمصدرين ±15 V. أوجد جهد الخرج Vout.

Vin = 0,7 VR1 = 1 kΩRf = 10 kΩ
Vout = V
22.دوائر مكبّرات العملياتصعبة
−+Vout​C = 4,7 µFVin​ = 0,9 VR = 22 kΩ

يستخدم المكامِل مكبّر عمليات مثاليًا بمصدرَي تغذية ±15 V؛ ويتشبّع خرجه عند ±14 V. المكثّف غير مشحون عند تطبيق دخل ثابت Vin = 0,9 V عند t = 0. أوجد جهد الخرج Vout عند t = 500 ms.

Vin = 0,9 VR = 22 kΩC = 4,7 µFVsat = ±14 Vt = 500 ms
Vout = V
23.الثنائيات والترانزستوراتمتوسطة
RC​ = 1,5 kΩβ = 80VCC​ = 10 VRB​ = 470 kΩ

ترانزستور NPN بـ β = 80 منحاز بمقاومة قاعدة RB = 470 kΩ من المصدر VCC = 10 V. مقاومة المجمِّع RC = 1,5 kΩ والباعث موصول بالأرضي. خذ VBE = 0,7 V وافترض أن الترانزستور في المنطقة الفعّالة. أوجد جهد المجمِّع–الباعث VCE.

VCC = 10 VRB = 470 kΩRC = 1,5 kΩβ = 80VBE = 0,7 V
VCE = V
24.الثنائيات والترانزستوراتصعبة
RC​ = 330 Ωβ = 200IC​ = ?VCC​ = 24 V5 VRB​ = 1 kΩ

ترانزستور NPN بـ β = 200 يتحكّم بمقاومة حمل 330 Ω موصولة بين VCC = 24 V ومجمِّعه. الباعث موصول بالأرضي. تُغذّى القاعدة من خرج منطقي 5 V عبر مقاومة قاعدة RB = 1 kΩ. خذ VBE = 0,7 V و VCE(sat) = 0,2 V. أوجد تيار المجمِّع IC بالـ mA عندما يكون الدخل مرتفعًا. حدّد أولًا ما إذا كان الترانزستور مشبّعًا.

VCC = 24 VRC = 330 Ωβ = 200Vin = 5 VVBE = 0,7 VVCE(sat) = 0,2 VRB = 1 kΩ
IC = mA
25.أنظمة العدمتوسطة
القيم الموضعية في المتمم الثنائي0−12816403201618141211

النمط ذو 8 بتات 0100 1111 يخزّن عددًا صحيحًا بإشارة بصيغة المتمم الثنائي. ما قيمته N في النظام العشري؟

0100 11118 bit
N =
26.أنظمة العدصعبة
621 رموز، b = ؟ بت?2ᵇ⁻¹…?4?2?1

يجب أن يعطي نظام كل واحد من 621 عنصرًا رمزًا ثنائيًا خاصًا به بالطول نفسه. ما أقل عدد من البتات b يلزم؟

621
b = bit
27.المنطق الرقمي: البوابات وخرائط كارنو والقلّاباتمتوسطة
ABCD000111100001111000111302141517161120130150141819011010

استخدم خريطة كارنو لإيجاد الصيغة الدنيا لجداء المجاميع (POS) للدالة F(A, B, C, D) = Σm(1, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 12). كم حد مجموع (عاملًا) N فيها؟

F(A, B, C, D) = Σm(1, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 12)
N =
28.المنطق الرقمي: البوابات وخرائط كارنو والقلّاباتصعبة
TQ0​Q0​TQ1​Q1​TQ2​Q2​TQ3​Q3​CLKMOD-9

عدّاد mod-9 متزامن يعدّ 0 و 1 … حتى 8 ثم يعود إلى 0. يبدأ من 5. أي عدّ Q (بالنظام العشري) يُظهر بعد 27 نبضات ساعة؟

Q0 = 527N = 9
Q =
29.تحويلات لابلاسمتوسطة
t (s)f(t)t = 0,5f(0,5) = ?

أوجد f(t) للدالة F(s) = (s + 35)/(s² + 2s + 1) واحسب f(0,5).

F(s) = (s + 35)/(s² + 2s + 1)t = 0,5 s
f(0.5) =
30.تحويلات لابلاسصعبة
t (s)y(t)t = 0,6y(0,6) = ?

يخضع نظام للمعادلة y″ + 8y′ + 12y = 24·u(t)، مع y(0) = 4 و y′(0) = 0. عند t = 0 يُطبَّق دخل خطوة u(t) = 5. استخدم تحويل لابلاس لإيجاد y(0,6).

y″ + 8y′ + 12y = 24·u(t)y(0) = 4y′(0) = 0u(t) = 5t = 0,6 s
y(0.6) =
31.المخططات الصندوقيةمتوسطة
R(s)+Ks(s + 19)G(s)C(s)−

النظام المُتحكَّم فيه G(s) = K/(s(s + 19)) في حلقة تغذية راجعة سالبة أحادية. أوجد الكسب K الذي تكون عنده الحلقة المغلقة متخامدة تخميدًا حرجًا (قطبان حقيقيان متساويان).

G(s) = K/(s(s + 19))تغذية راجعة سالبة أحادية
K =
32.المخططات الصندوقيةصعبة
R(s)+Kالمتحكّم+D(s)+8s + 2النظام المُتحكَّم فيهC(s)−

متحكّم تناسبي K يقود النظام G(s) = 8/(s + 2) في حلقة تغذية راجعة سالبة أحادية. تدخل خطوة اضطراب مقدارها 10 عند دخل النظام بينما R = 0. أوجد أصغر كسب K يُبقي خرج الحالة المستقرة عند 0,4 أو دونه.

G(s) = 8/(s + 2)D = 10css ≤ 0,4
K =
33.الاستجابة الخطويةمتوسطة
t (s)y(t)0,5tp​ = ?

لنظام دالة النقل G(s) = 8,5/(s² + 4s + 17) ويتلقى دخلًا خطويًا وحدويًا. أوجد زمن الذروة tp للاستجابة الخطوية.

G(s) = 8,5/(s² + 4s + 17)
tp = s
34.الاستجابة الخطويةصعبة
+−24 VR = 41 ΩL = 500 mHC = 47 µFvC​

دائرة RLC على التسلسل فيها R = 41 Ω وL = 500 mH وC = 47 µF موصولة بخطوة جهد 24 V عند t = 0. المكثف غير مشحون ولا يمر تيار قبل الخطوة. أوجد زمن أول ذروة للجهد tp بوحدة ms.

R = 41 ΩL = 500 mHC = 47 µFV = 24 V
tp = ms
35.مخططات بودي والهوامشمتوسطة
vin​R = 1 kΩC = 47 nFvout​

لـ مرشح RC لتمرير الترددات المنخفضة الموضح R = 1 kΩ, C = 47 nF. يُطبَّق دخل جيبي مقداره 17 kHz. أوجد إزاحة الطور φ للجهد vout بالنسبة إلى vin، بالدرجات.

R = 1 kΩC = 47 nFf = 17 kHz
φ = °
36.مخططات بودي والهوامشصعبة
|H| (dB)0,10,1111010100100−60−40−200204060ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−270−180−900ω180​

حلقة تغذية عكسية وحدوية دالة نقلها المفتوحة L(s) = K/(s(s + 9)(s + 10)). أوجد الكسب K الذي يعطي هامش كسب قدره 2 dB.

L(s) = K/(s(s + 9)(s + 10))GM = 2 dB
K =
37.الاستقرار: راوث–هرفيتز والمحل الهندسي للجذورمتوسطة
R(s)+K = 9,61s(s + 2)(s + 4)C(s)−

تعمل حلقة المخطط بالكسب K = 9,6 وL(s) = K/(s(s + 2)(s + 4)). بأي عامل m يمكن رفع الكسب قبل أن تصبح الحلقة المغلقة غير مستقرة؟

L(s) = K/(s(s + 2)(s + 4))K = 9,6
m =
38.الاستقرار: راوث–هرفيتز والمحل الهندسي للجذورصعبة
ReIm−1−2−3−4−5−6j1sb​

رُسم المحل الهندسي للجذور لـ L(s) = K/((s + 3)(s + 5)). أوجد الكسب K عند نقطة الانفصال sb حيث يلتقي قطبا الحلقة المغلقة على المحور الحقيقي.

L(s) = K/((s + 3)(s + 5))
K =
39.خطأ الحالة المستقرة والتحكم PIDمتوسطة
r(t) = 10 + 2t+5s(s + 4)C(s)−

يُطبَّق الدخل r(t) = 10 + 2t (خطوة مع منحدر) على حلقة تغذية عكسية وحدوية فيها G(s) = 5/(s(s + 4)). أوجد خطأ الحالة المستقرة ess.

G(s) = 5/(s(s + 4))r(t) = 10 + 2t
ess =
40.خطأ الحالة المستقرة والتحكم PIDصعبة
R(s)+K = 501s(s + 10)C(s)−

يتحكم متحكم تناسبي K = 50 في المحطة G(s) = 1/(s(s + 10)) ضمن حلقة تغذية عكسية وحدوية. أوجد زمن الاستقرار ts عند 2 % للاستجابة الخطوية باستخدام ts ≈ 4/(ζωₙ).

G(s) = 1/(s(s + 10))K = 50
ts = s

3المحاليل

1.المقاومات على التوالي والتوازي

الإجابة: IR2 = 0,4268 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​ = 12 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​10 VR2​8 ΩAR4​20 ΩB

اجمع المقاومات بدءًا من الطرف البعيد

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

R3 + R4 = 8 + 20 = 28 Ω
R2 ∥ 28 = 8·28/(8+28) = 6,222 Ω
Req = R1 + 6,222 = 12 + 6,222 = 18,22 Ω

التيار من المصدر

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

IR1 = V1/Req = 10/18,22 = 0,5488 A

التيار عبر R₂

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

VA = V1 − IR1·R1 = 10 − 0,5488·12 = 3,415 V
IR2 = VA/R2 = 3,415/8 = 0,4268 A

الإجابة

IR2 = 0,4268 A
2.المقاومات على التوالي والتوازي

الإجابة: IR2 = 0,2768 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​ = 25 ΩR5​ = 8 Ω+−V1​5 VR2​8 ΩAR4​12 ΩBR6​4 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 + 4 = 12 Ω
R4 ∥ 12 = 6 Ω
R3 + 6 = 31 Ω
R2 ∥ 31 = 6,359 Ω
Req = R1 + 6,359 = 8 + 6,359 = 14,36 Ω

التيار من المصدر

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

IR1 = V1/Req = 5/14,36 = 0,3482 A

التيار عبر R₂

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

VA = V1 − IR1·R1 = 5 − 0,3482·8 = 2,214 V
IR2 = VA/R2 = 2,214/8 = 0,2768 A

الإجابة

IR2 = 0,2768 A
3.تحليل العقد

الإجابة: IR1 = 1,7 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​ = 2 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​10 VR2​6 ΩAR4​3 ΩBIs​1 A

حدّد العقد

الأرضي هو السلك السفلي. جهود العقد المعروفة تأتي مباشرة من المصادر (V1 = 10 V). المجاهيل: VA, VB.

قانون كيرشوف للتيار عند العقدة A

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

VA/R2 + (VA − V1)/R1 + (VA − VB)/R3 = 0
VA/6 + (VA − 10)/2 + (VA − VB)/3 = 0
VA − 0,3333·VB = 5

قانون كيرشوف للتيار عند العقدة B

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

VB/R4 + (VB − VA)/R3 = Is
VB/3 + (VB − VA)/3 = 1
−0,3333·VA + 0,6667·VB = 1

الحل

Δ = (1)(0,6667) − (−0,3333)(−0,3333) = 0,5556
VA = Δ1/Δ = 3,667/0,5556 = 6,6 V
VB = Δ2/Δ = 2,667/0,5556 = 4,8 V

الإجابة

IR1 = (V1 − VA)/R1 = (10 − 6,6)/2 = 1,7 A
4.تحليل العقد

الإجابة: IR1 = 0,1955 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 ΩR2​ = 5 ΩR4​ = 6 Ω+−V1​10 VR3​30 ΩAR5​3 ΩBIs​2 A+−V2​18 V

حدّد العقد

الأرضي هو السلك السفلي. جهود العقد المعروفة تأتي مباشرة من المصادر (V1 = 10 V, V2 = 18 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/30 + (VA − 10)/4 + (VA − VB)/5 = 0
0,4833·VA − 0,2·VB = 2,5

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/3 + (VB − VA)/5 + (VB − 18)/6 = 2
−0,2·VA + 0,7·VB = 5

الحل

Δ = (0,4833)(0,7) − (−0,2)(−0,2) = 0,2983
VA = Δ1/Δ = 2,75/0,2983 = 9,218 V
VB = Δ2/Δ = 2,917/0,2983 = 9,777 V

الإجابة

IR1 = (V1 − VA)/R1 = (10 − 9,218)/4 = 0,1955 A
5.تحليل الحلقات

الإجابة: I2 = −2 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​ = 4 Ω+−V1​18 VR3​6 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 + 6(I1 − I2) = 18
9·I1 − 6·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 + R3(I2 − I1) = −V2
4·I2 + 6(I2 − I1) = (−24)
−6·I1 + 10·I2 = −24

الحل

Δ = (9)(10) − (−6)(−6) = 54
I1 = Δ1/Δ = 36/54 = 0,6667 A
I2 = Δ2/Δ = −108/54 = −2 A

الإجابة

I2 = −2 A

تيار الحلقة السالب يسري عكس عقارب الساعة.

6.تحليل الحلقات

الإجابة: IR3 = −0,2356 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​ = 6 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​5 VR4​8 ΩAR5​25 ΩB+−V2​6 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
12·I1 + 8(I1 − I2) = 5
20·I1 − 8·I2 = 5

قانون كيرشوف للجهد حول الحلقة 2

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

R2·I2 + R4(I2 − I1) + R5(I2 − I3) = 0
6·I2 + 8(I2 − I1) + 25(I2 − I3) = 0
−8·I1 + 39·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) = (−6)
−25·I2 + 37·I3 = −6

الحل

Δ = محدد مصفوفة المعاملات = 13992
I1 = Δ1/Δ = 2890/13992 = 0,2065 A
I2 = Δ2/Δ = −1520/13992 = −0,1086 A
I3 = Δ3/Δ = −3296/13992 = −0,2356 A

الإجابة

IR3 = I3 = −0,2356 A

تيار الحلقة السالب يسري عكس عقارب الساعة.

7.التراكب

الإجابة: Is = 1,739 A

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

R1​ = 15 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​15 VR2​8 ΩAR4​3 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 = 4+3 = 7 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 8·7/(8+7) = 3,733 Ω
VA = 15·3,733/(15+3,733) = 2,989 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 2,989·3/7 = 1,281 V
IR3′ = (VA − VB)/R3 = (2,989 − 1,281)/4 = 0,427 A

الحالة 2 · Is يعمل وحده

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

R1 ∥ R2 = 5,217 Ω
IR3″ = −Is·R4/(R4 + R3 + R1∥R2) = −Is·3/12,22 = −0,2456·Is

اجعل المجموع صفرًا

IR3′ + IR3″ = 0,427 − 0,2456·Is = 0
Is = 0,427/0,2456 = 1,739 A

الإجابة

Is = 1,739 A
8.التراكب

الإجابة: I = 4,5 mA

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.

اكتب القياسات بدلالة الإسهامات

كل إسهام يتناسب مع مصدره.

I₁ + I₂ + I₃ = 16,5
2·I₁ + I₂ + I₃ = 13
I₁ + I₂ − I₃ = 0,5

حلّ لإيجاد الإسهامات

I₁ = 13 − 16,5 = −3,5 mA
I₃ = (16,5 − 0,5)/2 = 8 mA
I₂ = 16,5 − (−3,5) − 8 = 12 mA

أطفئ V₂

I = I₁ + I₃ = (−3,5) + 8 = 4,5 mA

الإجابة

I = 4,5 mA
9.ثيفنن ونورتن

الإجابة: Vth = 5,143 V

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

R1​ = 20 ΩR3​ = 8 ΩقصرR2​8 ΩAabRth​

أوجد Rth مع إطفاء كل المصادر

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

R1 ∥ R2 = 20·8/(20+8) = 5,714 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 5,714 + 8 = 13,71 Ω
R1​ = 20 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​18 VR2​8 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) = 18·8/(20+8) = 5,143 V
10.ثيفنن ونورتن

الإجابة: IL = 4,589 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​ = 3 ΩR3​ = 8 ΩقصرR2​5 ΩAمفتوحBabRth​

أوجد Rth مع إطفاء كل المصادر

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

R1 ∥ R2 = 3·5/(3+5) = 1,875 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,875 + 8 = 9,875 Ω
R1​ = 3 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​24 VR2​5 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) = 15 + 4·1,875 = 22,5 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 22,5 + 4·8 = 54,5 V
Rth​ = 9,875 Ω+−Vth​54,5 VRL​2 ΩIL​

صِل الحِمل بمكافئ ثيفنن

يتصرّف مصدر ثيفنن و R_th على التوالي عند a–b تمامًا كالدائرة الأصلية، فيرى الحِمل حلقة توالٍ بسيطة.

IL = Vth/(Rth + RL) = 54,5/(9,875 + 2) = 4,589 A
11.الحالات العابرة RC و RL

الإجابة: vC = 3,458 V

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

مكافئ ثيفينين كما يراه المكثّف

اقصر المصدر لإيجاد Rth؛ وافتح المكثّف لإيجاد الجهد الذي سيستقر عنده.

Rth = R1 ∥ R2 = 4,7·1/(4,7 + 1) = 0,8246 kΩ
vC(∞) = 30·1/(4,7 + 1) = 5,263 V

الثابت الزمني

τ = Rth·C = 0,8246·68 = 56,07 ms

منحنى الشحن

vC(t) = 5,263·(1 − e−60/56,07) = 3,458 V

الإجابة

vC = 3,458 V
12.الحالات العابرة RC و RL

الإجابة: t = 0,5169 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

قبل t = 0 يتجاوز المفتاح المغلق R₂؛ وبعدها يكون R₁ و R₂ كلاهما في الحلقة.

i(0) = 12/22 = 0,5455 A
i(∞) = 12/(22 + 47) = 0,1739 A
τ = L/R = 100/69 = 1,449 ms
i(t) = 0,1739 + (0,5455 − 0,1739)·e−t/τ

حلّ لإيجاد الزمن

e−t/τ = (0,434 − 0,1739)/(0,5455 − 0,1739) = 0,7
t = 1,449·ln(1,429) = 0,5169 ms

الإجابة

t = 0,5169 ms
13.معاوقة التيار المتردد والطوريات

الإجابة: φ = −58,58 °

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·100 = 628,3 rad/s
XL = ωL = 628,3·0,05 = 31,42 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(628,3·22·10⁻⁶) = 72,34 Ω

المعاوقة

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

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(25² + (−40,93)²) = 47,96 Ω

زاوية الطور

φ = arctan((XL − XC)/R) = arctan(−40,93/25) = −58,58°

الإجابة

φ = −58,58°
14.معاوقة التيار المتردد والطوريات

الإجابة: I = 0,12 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·200 = 1257 rad/s
XL = ωL = 1257·0,15 = 188,5 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(1257·2,2·10⁻⁶) = 361,7 Ω

المعاوقة

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

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(100² + (−173,2)²) = 200 Ω

التيار

يمرّ التيار نفسه في كل عنصر من عناصر دائرة التوالي.

I = V/|Z| = 24/200 = 0,12 A

الإجابة

I = 0,12 A
15.قدرة التيار المتردد ومعامل القدرة

الإجابة: cos φ = 0,9923

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

القدرة غير الفعّالة لكل حِمل

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

Q1 = 13·tan(arccos 0,8) = 9,75 kvar
Q2 = −23·tan(arccos 0,85) = −14,25 kvar

المجاميع

P = 13 + 23 = 36 kW
Q = 9,75 + (−14,25) = −4,504 kvar
S = √(36² + (−4,504)²) = 36,28 kVA

معامل القدرة الكلي

cos φ = P/S = 36/36,28 = 0,9923 متقدّم

الإجابة

cos φ = 0,9923
16.قدرة التيار المتردد ومعامل القدرة

الإجابة: Inew = 131,6 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 = 30·tan(41,41°) = 26,46 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 30·tan(18,19°) = 9,861 kvar
QC = Q1 − Q2 = 16,6 kvar

تيار الخط الجديد

Inew = P/(V·cos φ2) = 30000/(240·0,95) = 131,6 A

الإجابة

Inew = 131,6 A
17.القدرة ثلاثية الطور

الإجابة: IL = 70,75 A

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 الكهربائية الداخلة

Pin = Pout/η = 45/0,9 = 50 kW

تيار الخط

IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 50000/(√3·480·0,85) = 70,75 A

الإجابة

IL = 70,75 A
18.القدرة ثلاثية الطور

الإجابة: QC = 25,44 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 0,78) = 80·0,8023 = 64,18 kvar
Q2 = 80·tan(acos 0,9) = 80·0,4843 = 38,75 kvar

القدرة غير الفعّالة من المكثّفات

QC = Q1 − Q2 = 25,44 kvar

الإجابة

QC = 25,44 kvar
19.المحوّلات

الإجابة: R1′ = 200 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 = 2²·50 = 200 Ω

الإجابة

R1′ = 200 Ω
20.المحوّلات

الإجابة: Pcu,fl = 1371 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.

قدرتا الخرج والدخل

Pout = 50·0,85 = 42,5 kW
Pin = 42500/0,96 = 44271 W

المفقودات الكلية ومفقودات النحاس

Ploss = 44271 − 42500 = 1771 W
Pcu,fl = 1771 − 400 = 1371 W

الإجابة

Pcu,fl = 1371 W
21.دوائر مكبّرات العمليات

الإجابة: Vout = 7,7 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.

الدخل العاكس يتبع الدخل

V₋ = V₊ = 0,7 V
I = V₋/R1 = 0,7/1 = 0,7 mA

جهد الخرج

التيار عبر R₁ يمرّ أيضًا عبر Rf.

Vout = V₋ + I·Rf = 0,7 + 0,7·10 = 7,7 V

الإجابة

Vout = 7,7 V
22.دوائر مكبّرات العمليات

الإجابة: Vout = −4,352 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 = 22 kΩ · 4,7 µF = 103,4 ms
معدّل التغيّر = −Vin/(RC) = −0,9/103,4 = −0,008704 V/ms

الخرج عند الزمن المعطى

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

Vout = −Vin·t/(RC) = −0,9·500/103,4 = −4,352 V

الإجابة

Vout = −4,352 V
23.الثنائيات والترانزستورات

الإجابة: VCE = 7,626 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 = (10 − 0,7)/470 kΩ = 19,79 µA

تيار المجمِّع

IC = β·IB = 80·19,79 µA = 1,583 mA

جهد المجمِّع–الباعث

VCE = 10 − 1,583 mA·1,5 kΩ = 7,626 V

الإجابة

VCE = 7,626 V
24.الثنائيات والترانزستورات

الإجابة: IC = 72,12 mA

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 القاعدة

IB = (5 − 0,7)/1 kΩ = 4300 µA

مشبّع أم فعّال؟

β·IB أكبر من IC(sat)، لذا يتشبّع الترانزستور.

β·IB = 860 mA
IC(sat) = (24 − 0,2)/330 = 72,12 mA

تيار المجمِّع

IC = IC(sat) = 72,12 mA

الإجابة

IC = 72,12 mA

الترانزستور مشبّع.

25.أنظمة العد

الإجابة: N = 79

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

اجمع القيم

تحتفظ البتات الأخرى بقيمها الموجبة المعتادة.

64 + 8 + 4 + 2 + 1 = 79

الإجابة

N = 79
26.أنظمة العد

الإجابة: b = 10 bit

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

قوى العدد 2

29 = 512 < 621
210 = 1024 ≥ 621

الإجابة

b = 10
27.المنطق الرقمي: البوابات وخرائط كارنو والقلّابات

الإجابة: N = 3

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.

ABCD000111100001111000111302141517161120130150141819011010

جمّع الأصفار

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

(A′ + C′)
(A + B + D)
(A′ + B′ + D′)

الصيغة الدنيا POS

F = (A′ + C′)(A + B + D)(A′ + B′ + D′)
N = 3

الإجابة

N = 3
28.المنطق الرقمي: البوابات وخرائط كارنو والقلّابات

الإجابة: Q = 5

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

الدورات الكاملة

كل 9 نبضة تعيد العدّاد إلى الحالة نفسها.

27 = 3·9 + 0

العدّ بعد النبضات المتبقية

Q = (5 + 0) mod 9 = 5
Q = 0101₂

الإجابة

Q = 5
29.تحويلات لابلاس

الإجابة: f(0.5) = 10,92

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

حلّل المقام

s² + 2s + 1 = (s + 1)²

الكسور الجزئية

s + 35 = 1(s + 1) + 34
F(s) = 1/(s + 1) + 34/(s + 1)²

التحويل العكسي

f(t) = e−t + 34·t·e−t
f(0,5) = (1 + 34·0,5)·e−0,5 = 10,92

الإجابة

f(0,5) = 10,92
30.تحويلات لابلاس

الإجابة: y(0.6) = 7,371

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

حوّل المعادلة

(s² + 8s + 12)·Y(s) = 4s + 32 + 120/s
Y(s) = (4s² + 32s + 120)/(s(s + 2)(s + 6))

الكسور الجزئية

A = 120/(2·6) = 10
B = 72/((−2)·4) = −9
C = 72/((−6)·(−4)) = 3

النتيجة

y(t) = 10 − 9·e−2t + 3·e−6t
y(0,6) = 7,371

الإجابة

y(0,6) = 7,371

تحقّق: y(0) = A + B + C = 4.

31.المخططات الصندوقية

الإجابة: K = 90,25

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

المعادلة المميزة

1 + K/(s(s + 19)) = 0 → s² + 19s + K = 0

جذر مكرّر

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

19² = 4K → K = 361/4 = 90,25

الإجابة

K = 90,25
يقع القطبان للحلقة المغلقة عندئذٍ عند s = −9,5.
32.المخططات الصندوقية

الإجابة: K = 24,75

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).

استجابة الاضطراب

css = D·G(0)/(1 + K·G(0)) = 10·8/(2 + 8K)

حلّ لإيجاد K

2 + 8K = 10·8/0,4 = 200
K = (200 − 2)/8 = 24,75

الإجابة

K = 24,75
33.الاستجابة الخطوية

الإجابة: tp = 0,8713 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 = 17 → ωₙ = 4,123 rad/s
2ζωₙ = 4 → ζ = 4/(2·4,123) = 0,4851

النتيجة

ωd = 4,123·√(1 − 0,4851²) = 3,606 rad/s → tp = π/ωd = 0,8713 s

الإجابة

tp = 0,8713 s
34.الاستجابة الخطوية

الإجابة: tp = 15,54 ms

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

التردد الطبيعي ونسبة التخميد

ωₙ = 1/√(LC) = 1/√(0,5·4,7 × 10⁻⁵) = 206,3 rad/s
ζ = (R/2)·√(C/L) = (41/2)·√(4,7 × 10⁻⁵/0,5) = 0,1988

النتيجة

ωd = 202,2 rad/s
tp = π/ωd = 15,54 ms

الإجابة

tp = 15,54 ms
35.مخططات بودي والهوامش

الإجابة: φ = −78,73 °

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/(1000·4,7 × 10⁻⁸) = 21277 rad/s
fc = 3386 Hz → f/fc = 17000/3386 = 5,02

الطور

φ = − atan(5,02) = −78,73°

الإجابة

φ = −78,73°
36.مخططات بودي والهوامش

الإجابة: K = 1358

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/9)·(ω/10) = 1 → ω180 = √(9·10) = 9,487 rad/s

المقدار عند تقاطع الطور

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 81)·√(ω² + 100)) = K/(9·10·(9 + 10)) = K/1710

الكسب المطلوب

1710/K = 102/20 = 1,259
K = 1710/1,259 = 1358

الإجابة

K = 1358
37.الاستقرار: راوث–هرفيتز والمحل الهندسي للجذور

الإجابة: m = 5

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

جدول روث

s³ + 6s² + 8s + K = 0
s³: 1, 8
s²: 6, K
s¹: (6·8 − K)/6
s⁰: K

أكبر كسب مستقر

Kmax = 6·8 = 48

العامل

m = 48/9,6 = 5

الإجابة

m = 5

هذا العامل هو هامش الكسب كنسبة: 13,98 dB.

38.الاستقرار: راوث–هرفيتز والمحل الهندسي للجذور

الإجابة: K = 1

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.

نقطة الانفصال

dK/ds = 0 لـ K = −(s + 3)(s + 5) تعطي 2s + 8 = 0.

sb = −4

شرط المقدار

K = |−4 + 3|·|−4 + 5| = 1·1 = 1

الإجابة

K = 1

عند هذا الكسب تكون الحلقة المغلقة حرجة التخميد (ζ = 1).

39.خطأ الحالة المستقرة والتحكم PID

الإجابة: ess = 1,6

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

ثابت السرعة

Kv = lim s·G(s) = 1,25

جزء الخطوة

Kp = ∞ → estep = 0

خطأ المنحدر

ess = 2/1,25 = 1,6

الإجابة

ess = 1,6
40.خطأ الحالة المستقرة والتحكم PID

الإجابة: ts = 0,8 s

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

كثير الحدود المميِّز

s(s + 10) + 50·1 = s² + 10s + 50

ωₙ وζ

ωₙ = √50 = 7,071 rad/s
ζ = 10/(2·7,071) = 0,7071

زمن الاستقرار

ζωₙ = 10/2 = 5
ts ≈ 4/5 = 0,8 s

الإجابة

ts = 0,8 s

لا يعتمد زمن الاستقرار هنا على K: فرفع K لا يجعل الاستجابة إلا أسرع تذبذبًا.

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