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​ = 4 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​15 VR2​8 ΩIR2​AR4​2 ΩB

أوجد التيار IR2 عبر R2.

V1 = 15 VR1 = 4 ΩR2 = 8 ΩR3 = 12 ΩR4 = 2 Ω
IR2 = A
2.المقاومات على التوالي والتوازيصعبة
R1​ = 8 ΩIR1​R3​ = 20 ΩR5​ = 15 Ω+−V1​5 VR2​30 ΩAR4​20 ΩBR6​5 Ω

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

V1 = 5 VR1 = 8 ΩR2 = 30 ΩR3 = 20 ΩR4 = 20 ΩR5 = 15 ΩR6 = 5 Ω
IR1 = A
3.تحليل العقدمتوسطة
−+Vs​ = 10 VIs​2 AAR1​6 ΩR2​8 ΩB

مصدر الجهد Vₛ بين A و B طرفه + عند B، لذا يجعل VB − VA = Vₛ. استخدم تحليل العقد مع عقدة فائقة لإيجاد جهد العقدة VB (مقيسًا بالنسبة إلى الأرضي).

Is = 2 AVs = 10 VR1 = 6 ΩR2 = 8 Ω
VB = V
4.تحليل العقدصعبة
R1​ = 10 ΩR2​ = 10 ΩR4​ = 2 Ω+−V1​24 VR3​6 ΩAR5​25 ΩBIs​0,5 A+−V2​18 V

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

V1 = 24 VIs = 0,5 AV2 = 18 VR1 = 10 ΩR2 = 10 ΩR3 = 6 ΩR4 = 2 ΩR5 = 25 Ω
VA = V
5.تحليل الحلقاتمتوسطة
R1​ = 8 ΩIR1​R2​ = 8 Ω+−V1​24 VR3​4 ΩA+−V2​6 VI1​I2​

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

V1 = 24 VV2 = 6 VR1 = 8 ΩR2 = 8 ΩR3 = 4 Ω
IR1 = A
6.تحليل الحلقاتصعبة
R1​ = 5 ΩR2​ = 30 ΩR3​ = 30 Ω+−V1​12 VR4​20 ΩAR5​4 Ω+−VR5​B+−V2​15 VI1​I2​I3​

استخدم تحليل الحلقات لإيجاد الجهد VR5 على طرفي R5 بالقطبية الموضّحة.

V1 = 12 VV2 = 15 VR1 = 5 ΩR2 = 30 ΩR3 = 30 ΩR4 = 20 ΩR5 = 4 Ω
VR5 = V
7.التراكبمتوسطة
R1​ = 20 ΩIR1​R3​ = 20 Ω+−V1​6 VR2​6 ΩAR4​3 ΩBIs​3 A

استخدم مبدأ التراكب لإيجاد القدرة PR1 التي يمتصها R1.

V1 = 6 VIs = 3 AR1 = 20 ΩR2 = 6 ΩR3 = 20 ΩR4 = 3 Ω
PR1 = W
8.التراكبصعبة
R1​ = 12 ΩR2​ = 3 ΩIR2​R4​ = 15 Ω+−V1​9 VR3​30 ΩAIs​1,5 AB+−V2​30 V

استخدم مبدأ التراكب لإيجاد القدرة PR2 التي يمتصها R2.

V1 = 9 VIs = 1,5 AV2 = 30 VR1 = 12 ΩR2 = 3 ΩR3 = 30 ΩR4 = 15 Ω
PR2 = W
9.ثيفنن ونورتنمتوسطة
R1​ = 15 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​24 VR2​3 ΩAab

أوجد مقاومة ثيفنن Rth المرئية من الطرفين a–b.

V1 = 24 VR1 = 15 ΩR2 = 3 ΩR3 = 5 Ω
Rth = Ω
10.ثيفنن ونورتنصعبة
R1​ = 5 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​12 VR2​15 ΩAIs​5 ABRL​10 ΩIL​

وُصل حِمل RL = 10 Ω بين a–b. استبدل بقية الدائرة بمكافئ ثيفنن وأوجد تيار الحِمل IL.

V1 = 12 VIs = 5 AR1 = 5 ΩR2 = 15 ΩR3 = 8 ΩRL = 10 Ω
IL = A
11.الحالات العابرة RC و RLمتوسطة
+−Vs​12 Vt = 0R = 15 ΩL33 mHi(t)

لا يمرّ تيار في الملف قبل أن يُغلق المفتاح عند t = 0. أوجد الطاقة W المخزّنة في الملف عند t = 5 ms، بوحدة mJ.

Vs = 12 VR = 15 ΩL = 33 mHt = 5 ms
W = mJ
12.الحالات العابرة RC و RLصعبة
+−Vs​10 Vt = 0R = 3,3 kΩC68 µF+−vC​vC​(0) = 20 V

قبل إغلاق المفتاح عند t = 0 مباشرة، يكون جهد المكثّف 20 V بالقطبية الموضّحة. كم يستغرق vC ليبلغ 14 V؟ أوجد t.

Vs = 10 VR = 3,3 kΩC = 68 µFvC(0) = 20 V
t = ms
13.معاوقة التيار المتردد والطورياتمتوسطة
24 V200 HzR = 25 ΩC = 100 µFI

مقاومة ومكثّف موصولان على التوازي على مصدر 24 V (فعّال)، 200 Hz. أوجد مقدار المعاوقة |Z|.

V = 24 V (rms)f = 200 HzR = 25 ΩC = 100 µF
|Z| = Ω
14.معاوقة التيار المتردد والطورياتصعبة
VfR = 10 ΩL = 2 mHC = 0,22 µF

دائرة RLC على التوالي لها R = 10 Ω و L = 2 mH و C = 0,22 µF. أوجد عرض النطاق B لها (عرض النطاق بين تردّدَي نصف القدرة)، بوحدة Hz.

R = 10 ΩL = 2 mHC = 0,22 µF
B = Hz
15.قدرة التيار المتردد ومعامل القدرةمتوسطة
P = 34 kWQ = ?Sφ

يستهلك محرّك أحادي الطور 34 kW بمعامل قدرة 0,6 متأخّر من مصدر 400 V. أوجد القدرة غير الفعّالة Q التي يسحبها.

P = 34 kWpf = 0,6V = 400 V
Q = kvar
16.قدرة التيار المتردد ومعامل القدرةصعبة
P = 35 kWQ1​S1​φ1​QC​

يستهلك حِمل أحادي الطور 35 kW بمعامل قدرة 0,7 متأخّر من مصدر 230 V، 60 Hz. يرفع مكثّف موصول على التوازي معامل القدرة إلى 0,95. أوجد القدرة غير الفعّالة QC التي يجب أن يزوّدها المكثّف.

P = 35 kWpf1 = 0,7pf2 = 0,95V = 230 Vf = 60 Hz
QC = kvar
17.القدرة ثلاثية الطورمتوسطة
ABCVL​ = 400 VZ = 8 + j6 Ωلكل طور

حمل متوازن موصول Δ ممانعته 8 + j6 Ω لكل طور موصول بمصدر ثلاثي الطور متوازن جهد خطه 400 V. أوجد القدرة الفعّالة الكلية P التي يمتصّها الحمل بالـ kW.

VL = 400 VZ = 8 + j6 Ω لكل طور
P = kW
18.القدرة ثلاثية الطورصعبة
P = 200 kWφ1​S1​Q2​QC​

حمل ثلاثي الطور متوازن يأخذ 200 kW عند معامل قدرة 0,7 متأخر من مصدر 690 V (جهد خط) و 50 Hz. يجب أن ترفع مجموعة مكثّفات ثلاثية الطور موصولة على التوازي مع الحمل معامل القدرة الكلي إلى 0,92 متأخر. تبقى القدرة الفعّالة كما هي. المكثّفات موصولة دلتا (Δ). أوجد السعة Cph لكل مكثّف بالـ µF.

P = 200 kWpf1 = 0,7pf2 = 0,92VL = 690 Vf = 50 Hz
Cph = µF
19.المحوّلاتمتوسطة
RL​ = 30 Ω511200 VV2​I1​ = ?I2​

محوّل مثالي نسبة لفّاته N₁:N₂ = 5:1، طُبّق على ملفه الابتدائي جهد 1200 V. وُصلت مقاومة 30 Ω على طرفي الملف الثانوي. أوجد التيار الابتدائي I1.

N1:N2 = 5:1V1 = 1200 VRL = 30 Ω
I1 = A
20.المحوّلاتصعبة
pf 0,85250 kVA, 75% الحمل

محوّل أحادي الطور 250 kVA مفقودات قلبه 2000 W ومفقودات نحاسه 4000 W عند الحمل المقنَّن. يغذّي 75% من قدرته المقنَّنة بالـ kVA عند معامل قدرة 0,85 متأخر. أوجد المفقودات الكلية Ploss بالواط عند هذا الحمل.

S = 250 kVAPcore = 2000 WPcu,fl = 4000 Wx = 0,75pf = 0,85
Ploss = W
21.دوائر مكبّرات العملياتمتوسطة
−+Vout​Rf​ = ?R1​ = 22 kΩVin​

اختر مقاومة التغذية الراجعة Rf التي تعطي هذا المكبّر غير العاكس كسب جهد 15.

R1 = 22 kΩAv = 15
Rf = kΩ
22.دوائر مكبّرات العملياتصعبة
−+Vout​Rf​ = 2 kΩV1​ = −1 VR1​ = 2 kΩV2​ = 2 VR2​ = 47 kΩ

يستخدم المكبّر الجامع مكبّر عمليات مثاليًا بمصدرين ±15 V. أوجد جهد الخرج Vout.

V1 = −1 VV2 = 2 VR1 = 2 kΩR2 = 47 kΩRf = 2 kΩ
Vout = V
23.الثنائيات والترانزستوراتمتوسطة
RC​ = 3,3 kΩβ = 120IC​ = ?RE​ = 1,2 kΩVCC​ = 12 VR1​ = 100 kΩR2​ = 22 kΩ

ترانزستور NPN بـ β = 120 منحاز بمقسّم جهد من VCC = 12 V: R₁ = 100 kΩ من VCC إلى القاعدة و R₂ = 22 kΩ من القاعدة إلى الأرضي. مقاومة المجمِّع RC = 3,3 kΩ ومقاومة الباعث RE = 1,2 kΩ. خذ VBE = 0,7 V واستخدم مكافئ ثيفنن للمقسّم (لا تُهمل تيار القاعدة). أوجد تيار المجمِّع IC بالـ mA.

VCC = 12 VR1 = 100 kΩR2 = 22 kΩRC = 3,3 kΩRE = 1,2 kΩβ = 120
IC = mA
24.الثنائيات والترانزستوراتصعبة
RC​ = 330 Ωβ = 80VCC​ = 24 V3,3 VRB​ = ?

ترانزستور NPN بـ β = 80 يتحكّم بمقاومة حمل 330 Ω موصولة بين VCC = 24 V ومجمِّعه. الباعث موصول بالأرضي. تُغذّى القاعدة من خرج منطقي 3,3 V عبر مقاومة قاعدة RB. خذ VBE = 0,7 V و VCE(sat) = 0,2 V. أوجد أكبر مقاومة قاعدة RB، بالـ kΩ، التي ما زالت تدفع الترانزستور إلى بداية التشبّع.

VCC = 24 VRC = 330 Ωβ = 80Vin = 3,3 VVBE = 0,7 VVCE(sat) = 0,2 V
RB = kΩ
25.أنظمة العدمتوسطة
المتمم الثنائي ذو 8 بتات?−128?64?32?16?8?4?2?1

اكتب −103 كنمط متمم ثنائي ذي 8 بتات. اقرأ النمط كعدد ثنائي بلا إشارة: ما قيمته U في النظام العشري؟

N = −1038 bit
U =
26.أنظمة العدصعبة
3163 رموز، b = ؟ بت?2ᵇ⁻¹…?4?2?1

يجب أن يعطي نظام كل واحد من 3163 عنصرًا رمزًا ثنائيًا خاصًا به بالطول نفسه. ما أقل عدد من البتات b يلزم؟

3163
b = bit
27.المنطق الرقمي: البوابات وخرائط كارنو والقلّاباتمتوسطة
ABCD000111100001111010111302041517060121130150141809011010

استخدم خريطة كارنو لإيجاد الصيغة الدنيا لمجموع الجداءات (SOP) للدالة F(A, B, C, D) = Σm(0, 1, 3, 5, 7, 8, 13). كم حد جداء N فيها؟

F(A, B, C, D) = Σm(0, 1, 3, 5, 7, 8, 13)
N =
28.المنطق الرقمي: البوابات وخرائط كارنو والقلّاباتصعبة
CLKT123456

قلّاب T يُحفَّز بالحافة الموجبة يبدأ بـ Q = 0 ويتلقى المداخل المعروضة عند 6 حافة ساعة صاعدة. كم مرة N يغيّر Q حالته؟

Q₀ = 0T
N =
29.تحويلات لابلاسمتوسطة
t (s)f(t)t = 0,3f(0,3) = ?

أوجد f(t) للدالة F(s) = 25/(s(s + 5)(s + 6)) بالكسور الجزئية، واحسب f(0,3).

F(s) = 25/(s(s + 5)(s + 6))t = 0,3 s
f(0.3) =
30.تحويلات لابلاسصعبة
ReIm−1−212

يُوصف نظام بالمعادلة التفاضلية y″ + 4y′ + 8y = 2u′ + 3u، 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 = 0,2 s. أوجد g(0,2).

y″ + 4y′ + 8y = 2u′ + 3ut = 0,2 s
g(0.2) =
31.المخططات الصندوقيةمتوسطة
R(s)+30s + 4G(s)C(s)0,2H−

يُتحكَّم في نظام G(s) = 30/(s + 4) في حلقة تغذية راجعة سالبة كسب مستشعرها H = 0,2. أوجد الثابت الزمني τ للحلقة المغلقة.

G(s) = 30/(s + 4)H = 0,2
τ = s
32.المخططات الصندوقيةصعبة
R(s)+Kالمتحكّم+D(s)+1s + 5النظام المُتحكَّم فيهC(s)−

متحكّم تناسبي K يقود النظام G(s) = 1/(s + 5) في حلقة تغذية راجعة سالبة أحادية. تدخل خطوة اضطراب مقدارها 0,5 عند دخل النظام بينما R = 0. أوجد أصغر كسب K يُبقي خرج الحالة المستقرة عند 0,001 أو دونه.

G(s) = 1/(s + 5)D = 0,5css ≤ 0,001
K =
33.الاستجابة الخطويةمتوسطة
t (s)y(t)1tp​ = ?

لنظام دالة النقل G(s) = 22/(s² + 5s + 22) ويتلقى دخلًا خطويًا وحدويًا. أوجد زمن الذروة tp للاستجابة الخطوية.

G(s) = 22/(s² + 5s + 22)
tp = s
34.الاستجابة الخطويةصعبة
R(s)+Ks(s + 12)G(s)C(s)−

لحلقة تغذية عكسية سالبة وحدوية G(s) = K/(s(s + 12)). أوجد الكسب K الذي يعطي استجابة خطوية بتجاوز 20 %.

G(s) = K/(s(s + 12))%OS = 20 %
K =
35.مخططات بودي والهوامشمتوسطة
vin​L = 5 mHC = 0,1 µFR = 5 Ωvout​

في مرشح تمرير النطاق RLC على التسلسل الموضح، يؤخذ الخرج على R = 5 Ω، مع L = 5 mH وC = 0,1 µF. أوجد التردد المركزي (الرنيني) f0 بالهرتز.

R = 5 ΩL = 5 mHC = 0,1 µF
f0 = Hz
36.مخططات بودي والهوامشصعبة
|H| (dB)0,10,1111010100100−80−60−40−2002040ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−270−180−900ω180​ = ?

حلقة تغذية عكسية وحدوية دالة نقلها المفتوحة L(s) = 268/(s(s + 6)(s + 8)). أوجد تردد تقاطع الطور ω180، حيث ∠L(jω) = −180°.

L(s) = 268/(s(s + 6)(s + 8))
ω180 = rad/s
37.الاستقرار: راوث–هرفيتز والمحل الهندسي للجذورمتوسطة
R(s)+Ks + 5(s − 3)(s + 3)C(s)−

للمحطة G(s) = (s + 5)/((s − 3)(s + 3)) قطب غير مستقر عند s = 3. يغلق كسب تناسبي K حلقة تغذية عكسية وحدوية حولها. أوجد أصغر كسب Kmin يجعل الحلقة المغلقة مستقرة.

G(s) = (s + 5)/((s − 3)(s + 3))
Kmin =
38.الاستقرار: راوث–هرفيتز والمحل الهندسي للجذورصعبة
ReIm−1−2−3−4−5−6−71j1j2sb​

رُسم المحل الهندسي للجذور لـ L(s) = K/((s + 2)(s + 6)). أوجد الكسب K عند نقطة الانفصال sb حيث يلتقي قطبا الحلقة المغلقة على المحور الحقيقي.

L(s) = K/((s + 2)(s + 6))
K =
39.خطأ الحالة المستقرة والتحكم PIDمتوسطة
r(t) = 2t+Ks(s + 1)C(s)−

يجب أن تتبع حلقة تغذية عكسية وحدوية فيها G(s) = K/(s(s + 1)) المنحدر r(t) = 2t بخطأ حالة مستقرة قدره 0,01. أوجد الكسب K.

G(s) = K/(s(s + 1))r(t) = 2tess = 0,01
K =
40.خطأ الحالة المستقرة والتحكم PIDصعبة
R(s)+K = 401s(s + 2)C(s)−

يتحكم متحكم تناسبي K = 40 في المحطة G(s) = 1/(s(s + 2)) ضمن حلقة تغذية عكسية وحدوية. أوجد زمن الاستقرار ts عند 2 % للاستجابة الخطوية باستخدام ts ≈ 4/(ζωₙ).

G(s) = 1/(s(s + 2))K = 40
ts = s

3المحاليل

1.المقاومات على التوالي والتوازي

الإجابة: IR2 = 1,05 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​ = 4 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​15 VR2​8 ΩAR4​2 ΩB

اجمع المقاومات بدءًا من الطرف البعيد

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

R3 + R4 = 12 + 2 = 14 Ω
R2 ∥ 14 = 8·14/(8+14) = 5,091 Ω
Req = R1 + 5,091 = 4 + 5,091 = 9,091 Ω

التيار من المصدر

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

IR1 = V1/Req = 15/9,091 = 1,65 A

التيار عبر R₂

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

VA = V1 − IR1·R1 = 15 − 1,65·4 = 8,4 V
IR2 = VA/R2 = 8,4/8 = 1,05 A

الإجابة

IR2 = 1,05 A
2.المقاومات على التوالي والتوازي

الإجابة: IR1 = 0,2174 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​ = 20 ΩR5​ = 15 Ω+−V1​5 VR2​30 ΩAR4​20 ΩBR6​5 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 = 15 + 5 = 20 Ω
R4 ∥ 20 = 10 Ω
R3 + 10 = 30 Ω
R2 ∥ 30 = 15 Ω
Req = R1 + 15 = 8 + 15 = 23 Ω

التيار من المصدر

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

IR1 = V1/Req = 5/23 = 0,2174 A

الإجابة

IR1 = 0,2174 A
3.تحليل العقد

الإجابة: VB = 12,57 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.

كوّن عقدة فائقة

مصدر الجهد بين A و B يحمل تيارًا مجهولًا، لذا لا يمكن كتابة قانون كيرشوف للتيار عند A أو B منفصلتين. احصر A و B والمصدر في عقدة فائقة واحدة: التيار الداخل إليها يساوي التيار الخارج منها.

VB = VA + Vs = VA + 10
VA/R1 + VB/R2 = Is

الحل

VA/6 + (VA + 10)/8 = 2
VA = (2 − 10/8)/(1/6 + 1/8) = 2,571 V
VB = 2,571 + 10 = 12,57 V

الإجابة

VB = 12,57 V
4.تحليل العقد

الإجابة: VA = 11,07 V

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

R1​ = 10 ΩR2​ = 10 ΩR4​ = 2 Ω+−V1​24 VR3​6 ΩAR5​25 ΩBIs​0,5 A+−V2​18 V

حدّد العقد

الأرضي هو السلك السفلي. جهود العقد المعروفة تأتي مباشرة من المصادر (V1 = 24 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/6 + (VA − 24)/10 + (VA − VB)/10 = 0
0,3667·VA − 0,1·VB = 2,4

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/25 + (VB − VA)/10 + (VB − 18)/2 = 0,5
−0,1·VA + 0,64·VB = 9,5

الحل

Δ = (0,3667)(0,64) − (−0,1)(−0,1) = 0,2247
VA = Δ1/Δ = 2,486/0,2247 = 11,07 V
VB = Δ2/Δ = 3,723/0,2247 = 16,57 V

الإجابة

VA = 11,07 V
5.تحليل الحلقات

الإجابة: IR1 = 2,063 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​ = 8 ΩR2​ = 8 Ω+−V1​24 VR3​4 ΩA+−V2​6 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
8·I1 + 4(I1 − I2) = 24
12·I1 − 4·I2 = 24

قانون كيرشوف للجهد حول الحلقة 2

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

R2·I2 + R3(I2 − I1) = −V2
8·I2 + 4(I2 − I1) = (−6)
−4·I1 + 12·I2 = −6

الحل

Δ = (12)(12) − (−4)(−4) = 128
I1 = Δ1/Δ = 264/128 = 2,063 A
I2 = Δ2/Δ = 24/128 = 0,1875 A

الإجابة

IR1 = I1 = 2,063 A

تيار الحلقة السالب يسري عكس عقارب الساعة.

6.تحليل الحلقات

الإجابة: VR5 = 2,502 V

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

R1​ = 5 ΩR2​ = 30 ΩR3​ = 30 Ω+−V1​12 VR4​20 ΩAR5​4 ΩB+−V2​15 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
5·I1 + 20(I1 − I2) = 12
25·I1 − 20·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 + R4(I2 − I1) + R5(I2 − I3) = 0
30·I2 + 20(I2 − I1) + 4(I2 − I3) = 0
−20·I1 + 54·I2 − 4·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
30·I3 + 4(I3 − I2) = (−15)
−4·I2 + 34·I3 = −15

الحل

Δ = محدد مصفوفة المعاملات = 31900
I1 = Δ1/Δ = 20640/31900 = 0,647 A
I2 = Δ2/Δ = 6660/31900 = 0,2088 A
I3 = Δ3/Δ = −13290/31900 = −0,4166 A

الإجابة

IR5 = I2 − I3 = 0,6254 A
VR5 = IR5·R5 = 0,6254·4 = 2,502 V

تيار الحلقة السالب يسري عكس عقارب الساعة.

7.التراكب

الإجابة: PR1 = 0,5587 W

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

R1​ = 20 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​6 VR2​6 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 = 20+3 = 23 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 6·23/(6+23) = 4,759 Ω
VA = 6·4,759/(20+4,759) = 1,153 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 1,153·3/23 = 0,1504 V
IR1′ = (V1 − VA)/R1 = (6 − 1,153)/20 = 0,2423 A
R1​ = 20 ΩR3​ = 20 ΩقصرR2​6 ΩAR4​3 ΩBIs​3 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 = 20·6/(20+6) = 4,615 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 3 ∥ 24,62 = 2,674 Ω
VB = Is·Req = 3·2,674 = 8,022 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 8,022·4,615/24,62 = 1,504 V
IR1″ = (V1 − VA)/R1 = (0 − 1,504)/20 = −0,07521 A

اجمع إسهامات التيار

IR1 = IR1′ + IR1″ = 0,2423 + (−0,07521) = 0,1671 A

القدرة في المقاومة

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

PR1 = IR1²·R1 = 0,1671²·20 = 0,5587 W

الإجابة

PR1 = 0,5587 W

جمع قدرات الحالات المنفصلة يعطي 1,288 W، وهذا خطأ.

8.التراكب

الإجابة: PR2 = 9,019 W

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

R1​ = 12 ΩR2​ = 3 ΩR4​ = 15 Ω+−V1​9 VR3​30 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) = 30 ∥ 18 = 11,25 Ω
VA = 9·11,25/(12+11,25) = 4,355 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 4,355·15/18 = 3,629 V
IR2′ = (VA − VB)/R2 = (4,355 − 3,629)/3 = 0,2419 A
R1​ = 12 ΩR2​ = 3 ΩR4​ = 15 ΩقصرR3​30 ΩAIs​1,5 ABقصر

الحالة 2 · Is يعمل وحده

يصبح مصدرا الجهد كلاهما قصرًا. ينقسم Iₛ عند B بين R₄ (الآن إلى الأرضي) و R₂ على التوالي مع R₁ ∥ R₃.

R1 ∥ R3 = 8,571 Ω، إذن المسار الأيسر هو R2+8,571 = 11,57 Ω
Req = R4 ∥ 11,57 = 6,532 Ω
VB = Is·Req = 1,5·6,532 = 9,798 V
VA = VB·8,571/11,57 = 7,258 V
IR2″ = (VA − VB)/R2 = (7,258 − 9,798)/3 = −0,8468 A
R1​ = 12 ΩR2​ = 3 ΩR4​ = 15 ΩقصرR3​30 ΩAمفتوحB+−V2​30 V

الحالة 3 · V2 يعمل وحده

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

R1 ∥ R3 = 12·30/(12+30) = 8,571 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = 30·11,57/26,57 = 13,06 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = 13,06·8,571/11,57 = 9,677 V
IR2‴ = (VA − VB)/R2 = (9,677 − 13,06)/3 = −1,129 A

اجمع إسهامات التيار

IR2 = IR2′ + IR2″ + IR2‴ = 0,2419 + (−0,8468) + (−1,129) = −1,734 A

القدرة في المقاومة

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

PR2 = IR2²·R2 = (−1,734)²·3 = 9,019 W

الإجابة

PR2 = 9,019 W

جمع قدرات الحالات المنفصلة يعطي 6,151 W، وهذا خطأ.

9.ثيفنن ونورتن

الإجابة: Rth = 7,5 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​ = 15 ΩR3​ = 5 ΩقصرR2​3 ΩAabRth​

أوجد Rth مع إطفاء كل المصادر

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

R1 ∥ R2 = 15·3/(15+3) = 2,5 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,5 + 5 = 7,5 Ω
10.ثيفنن ونورتن

الإجابة: IL = 3,115 A

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

R1​ = 5 ΩR3​ = 8 ΩقصرR2​15 ΩAمفتوحBabRth​

أوجد Rth مع إطفاء كل المصادر

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

R1 ∥ R2 = 5·15/(5+15) = 3,75 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3,75 + 8 = 11,75 Ω
R1​ = 5 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​12 VR2​15 ΩAIs​5 ABab+−Vth​

أوجد Vth، جهد الدائرة المفتوحة

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

VA = V1·R2/(R1+R2) + Is·(R1∥R2) = 9 + 5·3,75 = 27,75 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 27,75 + 5·8 = 67,75 V
Rth​ = 11,75 Ω+−Vth​67,75 VRL​10 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) = 67,75/(11,75 + 10) = 3,115 A
11.الحالات العابرة RC و RL

الإجابة: W = 8,496 mJ

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

الثابت الزمني والتيار النهائي

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

τ = L/R = 33 mH / 15 Ω = 2,2 ms
i(∞) = Vs/R = 12/15 = 0,8 A

التيار في اللحظة المعطاة

i(t) = 0,8·(1 − e−5/2,2) = 0,7176 A

الطاقة المخزّنة

W = ½·L·i² = ½·33·0,7176² = 8,496 mJ

الإجابة

W = 8,496 mJ
12.الحالات العابرة RC و RL

الإجابة: t = 205,6 ms

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

القيمة الابتدائية، القيمة النهائية، الثابت الزمني

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

vC(0) = 20 V, vC(∞) = Vs = 10 V
τ = R·C = 3,3 kΩ · 68 µF = 224,4 ms
vC(t) = 10 + (20 − 10)·e−t/τ

حلّ لإيجاد الزمن

14 = 10 + (10)·e−t/τ → e−t/τ = (14 − 10)/(20 − 10) = 0,4
t = τ·ln((20 − 10)/(14 − 10)) = 224,4·ln(2,5) = 205,6 ms

الإجابة

t = 205,6 ms
13.معاوقة التيار المتردد والطوريات

الإجابة: |Z| = 7,583 Ω

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

المفاعلة

XC = 1/(ωC) = 1/(2π·200·100·10⁻⁶) = 7,958 Ω

تيارات الفروع

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

IR = V/R = 24/25 = 0,96 A
IX = V/XC = 24/7,958 = 3,016 A

التيار الكلي

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

I = √(IR² + IX²) = √(0,96² + 3,016²) = 3,165 A

المعاوقة

|Z| = V/I = 24/3,165 = 7,583 Ω

الإجابة

|Z| = 7,583 Ω
14.معاوقة التيار المتردد والطوريات

الإجابة: B = 795,8 Hz

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

تردد الرنين

f0 = 1/(2π·√(0,002·0,22·10⁻⁶)) = 7587 Hz

معامل الجودة

Q يقارن المفاعلة عند الرنين بالمقاومة: Q = ω₀L/R.

Q = (1/R)·√(L/C) = (1/10)·√(0,002/(0,22·10⁻⁶)) = 9,535

عرض النطاق

B = f0/Q = 7587/9,535 = 795,8 Hz

الإجابة

B = 795,8 Hz
15.قدرة التيار المتردد ومعامل القدرة

الإجابة: Q = 45,33 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 = 34·1,333 = 45,33 kvar

الإجابة

Q = 45,33 kvar
16.قدرة التيار المتردد ومعامل القدرة

الإجابة: QC = 24,2 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.

القدرة غير الفعّالة قبل وبعد

لا تتغيّر القدرة الفعلية P؛ تتغيّر فقط القدرة غير الفعّالة المسحوبة من الشبكة.

Q1 = P·tan φ1 = 35·tan(45,57°) = 35,71 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 35·tan(18,19°) = 11,5 kvar
QC = Q1 − Q2 = 24,2 kvar

الإجابة

QC = 24,2 kvar
17.القدرة ثلاثية الطور

الإجابة: P = 38,4 kW

النظم ثلاثية الطور المتوازنة: في توصيل Y (النجمة) يكون جهد الخط √3 ضعف جهد الطور، VL = √3·Vph، ويساوي تيار الخط تيار الطور. وفي توصيل Δ (الدلتا) يساوي جهد الخط جهد الطور، ويكون تيار الخط √3 ضعف تيار الطور، IL = √3·Iph. القدرة الكلية ثلاثة أضعاف قدرة الطور الواحد: P = 3·Vph·Iph·cos φ = √3·VL·IL·cos φ.

جهد الطور

Vph = VL = 400 V

تيار الطور

|Z| = √(8² + 6²) = 10 Ω
Iph = 400/10 = 40 A

القدرة الفعّالة الكلية

الجزء المقاومي فقط من كل ممانعة يمتصّ القدرة الفعّالة.

P = 3·Iph²·R = 3·40²·8 = 38,4 kW

الإجابة

P = 38,4 kW

تحقّق: cos φ = R/|Z| = 0,8، و √3·VL·IL·cos φ يعطي القدرة نفسها.

18.القدرة ثلاثية الطور

الإجابة: Cph = 264,8 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 = 200·tan(acos 0,7) = 200·1,02 = 204 kvar
Q2 = 200·tan(acos 0,92) = 200·0,426 = 85,2 kvar

القدرة غير الفعّالة من المكثّفات

QC = Q1 − Q2 = 118,8 kvar

السعة لكل طور

في مجموعة Δ يوصل كل مكثّف بين خطين.

V = 690 V, ω = 2π·50 = 314,2 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 39614/(314,2·690²) = 264,8 µF

الإجابة

Cph = 264,8 µF
19.المحوّلات

الإجابة: I1 = 1,6 A

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

الجهد والتيار الثانويان

V2 = 1200/5 = 240 V
I2 = 240/30 = 8 A

التيار الابتدائي

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

I1 = I2/5 = 1,6 A

الإجابة

I1 = 1,6 A

تحقّق: الحمل المرئي من الملف الابتدائي هو a²·RL = 750 Ω، و 1200/750 يعطي التيار نفسه.

20.المحوّلات

الإجابة: Ploss = 4250 W

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

مفقودات النحاس عند هذا الحمل

Pcu = x²·Pcu,fl = 0,5625·4000 = 2250 W

المفقودات الكلية

مفقودات القلب هي نفسها عند أي حمل.

Ploss = 2000 + 2250 = 4250 W

الإجابة

Ploss = 4250 W

الكفاءة عند هذا الحمل η = 97,4%.

21.دوائر مكبّرات العمليات

الإجابة: Rf = 308 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 = (15 − 1)·22 = 308 kΩ

الإجابة

Rf = 308 kΩ
22.دوائر مكبّرات العمليات

الإجابة: Vout = 0,9149 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.

تيارات الدخل

V₋ = 0، لذا يقع على كل مقاومة دخل كامل جهد دخلها.

I1 = V1/R1 = −1/2 = −0,5 mA
I2 = V2/R2 = 2/47 = 0,04255 mA
If = I1 + I2 = −0,4574 mA

جهد الخرج

Vout = −Rf·If = −2·(−0,4574) = 0,9149 V

الإجابة

Vout = 0,9149 V
23.الثنائيات والترانزستورات

الإجابة: IC = 1,076 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.

مكافئ ثيفنن للمقسّم

VTH = 12·22/(100 + 22) = 2,164 V
RTH = 100·22/(100 + 22) = 18,03 kΩ

تيار القاعدة

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

IB = (2,164 − 0,7)/(18,03 + 121·1,2) = 8,968 µA

تيار المجمِّع

IC = 120·8,968 µA = 1,076 mA
IE = 121·8,968 µA = 1,085 mA

الإجابة

IC = 1,076 mA
24.الثنائيات والترانزستورات

الإجابة: RB = 2,884 kΩ

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

تيار المجمِّع في التشبّع

IC(sat) = (24 − 0,2)/330 = 72,12 mA

أدنى تيار قاعدة

IB(min) = IC(sat)/β = 72,12/80 = 901,5 µA

مقاومة القاعدة

RB = (3,3 − 0,7)/IB = 2,6 V/0,9015 mA = 2,884 kΩ

الإجابة

RB = 2,884 kΩ

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

25.أنظمة العد

الإجابة: U = 153

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

103 = 0110 0111
مقلوب: 1001 1000
+1 → 1001 1001

اقرأه بلا إشارة

1001 1001₂ = 256 − 103 = 153

الإجابة

U = 153
26.أنظمة العد

الإجابة: b = 12 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

211 = 2048 < 3163
212 = 4096 ≥ 3163

الإجابة

b = 12
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.

ABCD000111100001111010111302041517060121130150141809011010

جمّع الآحاد

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

B′C′D′
BC′D
A′D

الصيغة الدنيا SOP

F = B′C′D′ + BC′D + A′D
N = 3

الإجابة

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

الإجابة: N = 3

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

Q بعد كل حافة

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

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

عُدّ التغيرات

0 → 0 → 1 → 0 → 0 → 0 → 1
N = 3

الإجابة

N = 3
29.تحويلات لابلاس

الإجابة: f(0.3) = 0,4064

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

الكسور الجزئية

F(s) = A/s + B/(s + 5) + C/(s + 6)
A = 25/(5·6) = 0,8333
B = 25/((−5)·1) = −5
C = 25/((−6)·(−1)) = 4,167

التحويل العكسي

f(t) = 0,8333 − 5·e−5t + 4,167·e−6t

احسب

f(0,3) = 0,8333 − 5·e−5·0,3 + 4,167·e−6·0,3 = 0,4064

الإجابة

f(0,3) = 0,4064
30.تحويلات لابلاس

الإجابة: g(0.2) = 1,104

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

دالة التحويل

G(s) = Y(s)/U(s) = (2s + 3)/(s² + 4s + 8)

الكسور الجزئية

s² + 4s + 8 = (s + 2)² + 2²
G(s) = 2·(s + 2)/((s + 2)² + 2²) + (−1/2)·2/((s + 2)² + 2²)

استجابة النبضة

g(t) = e−2t·(2·cos 2t − 0,5·sin 2t)
g(0,2) = 1,104

الإجابة

g(0,2) = 1,104
31.المخططات الصندوقية

الإجابة: τ = 0,1 s

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

دالة تحويل الحلقة المغلقة

T(s) = G/(1 + G·H) = 30/(s + 4 + 6) = 30/(s + 10)

النتيجة

τ = 1/10 = 0,1 s

الإجابة

τ = 0,1 s
32.المخططات الصندوقية

الإجابة: K = 495

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)) = 0,5·1/(5 + 1K)

حلّ لإيجاد K

5 + 1K = 0,5·1/0,001 = 500
K = (500 − 5)/1 = 495

الإجابة

K = 495
33.الاستجابة الخطوية

الإجابة: tp = 0,7916 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 = 22 → ωₙ = 4,69 rad/s
2ζωₙ = 5 → ζ = 5/(2·4,69) = 0,533

النتيجة

ωd = 4,69·√(1 − 0,533²) = 3,969 rad/s → tp = π/ωd = 0,7916 s

الإجابة

tp = 0,7916 s
34.الاستجابة الخطوية

الإجابة: K = 173,2

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 + 12s + K)

نسبة التخميد من التجاوز

ζ = −ln(0,2)/√(π² + ln²(0,2)) = 0,4559

الكسب

ωₙ = 12/(2ζ) = 13,16 rad/s
K = ωₙ² = 173,2

الإجابة

K = 173,2
35.مخططات بودي والهوامش

الإجابة: f0 = 7118 Hz

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

تردد الرنين

ω₀ = 1/√(LC) = 1/√(0,005·1 × 10⁻⁷) = 44721 rad/s
f₀ = ω₀/(2π) = 7118 Hz

الإجابة

f0 = 7118 Hz
36.مخططات بودي والهوامش

الإجابة: ω180 = 6,928 rad/s

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/6)·(ω/8) = 1 → ω180 = √(6·8) = 6,928 rad/s

الإجابة

ω180 = 6,928 rad/s
37.الاستقرار: راوث–هرفيتز والمحل الهندسي للجذور

الإجابة: Kmin = 1,8

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

كثير الحدود المميِّز

(s − 3)(s + 3) + K(s + 5) = s² + (0 + K)s + (5K − 9)

الشروط

بالنسبة إلى s² + c₁s + c₀ تقع كل الجذور في النصف الأيسر من المستوى إذا وفقط إذا كان c₁ > 0 وc₀ > 0.

0 + K > 0 → K > 0
5K − 9 > 0 → K > 1,8
Kmin = 1,8

الإجابة

Kmin = 1,8
38.الاستقرار: راوث–هرفيتز والمحل الهندسي للجذور

الإجابة: K = 4

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 + 2)(s + 6) تعطي 2s + 8 = 0.

sb = −4

شرط المقدار

K = |−4 + 2|·|−4 + 6| = 2·2 = 4

الإجابة

K = 4

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

39.خطأ الحالة المستقرة والتحكم PID

الإجابة: K = 200

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 المطلوب

Kv = A/ess = 2/0,01 = 200

الكسب

K = 1·Kv = 200

الإجابة

K = 200

الكسب الكبير يجعل هذه الحلقة قليلة التخميد جدًا: ζ = 0,03536. وهذا التعارض هو سبب استخدام المعوِّضات.

40.خطأ الحالة المستقرة والتحكم PID

الإجابة: ts = 4 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 + 2) + 40·1 = s² + 2s + 40

ωₙ وζ

ωₙ = √40 = 6,325 rad/s
ζ = 2/(2·6,325) = 0,1581

زمن الاستقرار

ζωₙ = 2/2 = 1
ts ≈ 4/1 = 4 s

الإجابة

ts = 4 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