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

أوجد المقاومة المكافئة Req التي يراها المصدر V1.

V1 = 30 VR1 = 20 ΩR2 = 10 ΩR3 = 3 ΩR4 = 3 Ω
Req = Ω
2.المقاومات على التوالي والتوازيصعبة
R1​ = 12 ΩR3​ = 5 ΩR5​ = 25 Ω+−V1​5 VR2​20 ΩAR4​2 ΩBR6​12 Ω

أوجد المقاومة المكافئة Req التي يراها المصدر V1.

V1 = 5 VR1 = 12 ΩR2 = 20 ΩR3 = 5 ΩR4 = 2 ΩR5 = 25 ΩR6 = 12 Ω
Req = Ω
3.تحليل العقدمتوسطة
R1​ = 15 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​30 VR2​3 ΩAR4​15 ΩBIs​4 A

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

V1 = 30 VIs = 4 AR1 = 15 ΩR2 = 3 ΩR3 = 12 ΩR4 = 15 Ω
VA = V
4.تحليل العقدصعبة
R1​ = 3 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​36 VR2​10 ΩAR4​12 ΩIR4​B0,5·VA​

المعيّن هو مصدر تيار يتحكّم فيه الجهد، يدفع تيارًا مقداره 0,5·VA (بالأمبير، مع VA بالفولت) إلى الأعلى نحو العقدة B. استخدم تحليل العقد لإيجاد التيار IR4 المارّ في R4 باتجاه السهم.

V1 = 36 VR1 = 3 ΩR2 = 10 ΩR3 = 8 ΩR4 = 12 Ωg = 0,5 A/V
IR4 = A
5.تحليل الحلقاتمتوسطة
R1​ = 5 ΩR2​ = 5 Ω+−V1​18 VR3​8 Ω+−VR3​A+−V2​10 VI1​I2​

استخدم تحليل الحلقات لإيجاد الجهد VR3 على طرفي R3 بالقطبية الموضّحة.

V1 = 18 VV2 = 10 VR1 = 5 ΩR2 = 5 ΩR3 = 8 Ω
VR3 = V
6.تحليل الحلقاتصعبة
R1​ = 4 ΩIR1​R2​ = 5 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​10 VR4​6 ΩAR5​20 ΩB+−V2​18 VI1​I2​I3​

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

V1 = 10 VV2 = 18 VR1 = 4 ΩR2 = 5 ΩR3 = 8 ΩR4 = 6 ΩR5 = 20 Ω
IR1 = A
7.التراكبمتوسطة
R1​ = 6 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​24 VR2​12 ΩIR2​AR4​15 ΩBIs​3 A

استخدم مبدأ التراكب لإيجاد القدرة PR2 التي يمتصها R2.

V1 = 24 VIs = 3 AR1 = 6 ΩR2 = 12 ΩR3 = 15 ΩR4 = 15 Ω
PR2 = W
8.التراكبصعبة
R1​ = 8 ΩR2​ = 5 ΩR4​ = 15 Ω+−V1​15 VR3​4 ΩIR3​AIs​6 AB+−V2​?

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

V1 = 15 VIs = 6 AR1 = 8 ΩR2 = 5 ΩR3 = 4 ΩR4 = 15 Ω
V2 = V
9.ثيفنن ونورتنمتوسطة
R1​ = 15 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​24 VR2​10 ΩAab

أوجد مقاومة ثيفنن Rth المرئية من الطرفين a–b.

V1 = 24 VR1 = 15 ΩR2 = 10 ΩR3 = 12 Ω
Rth = Ω
10.ثيفنن ونورتنصعبة
R1​ = 4 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​6 VR2​15 ΩAIs​2 ABab

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

V1 = 6 VIs = 2 AR1 = 4 ΩR2 = 15 ΩR3 = 6 Ω
IN = A
11.الحالات العابرة RC و RLمتوسطة
+−Vs​20 Vt = 0R1​ = 2,2 kΩR2​ = 2,2 kΩC33 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 الثابت الزمني τ للدائرة بعد إغلاق المفتاح.

Vs = 20 VR1 = 2,2 kΩR2 = 2,2 kΩC = 33 µF
τ = ms
12.الحالات العابرة RC و RLصعبة
+−Vs​12 VR1​ = 10 ΩR2​ = 47 Ωيُغلق عند t = 0L100 mHi(t)

المفتاح الموصول على طرفي R2 مفتوح منذ وقت طويل، لذا تيار الملف مستقر. عند t = 0 يُغلق المفتاح ويقصر R2. بعد كم من t = 0 يبلغ تيار الملف 0,903 A؟ أوجد t.

Vs = 12 VR1 = 10 ΩR2 = 47 ΩL = 100 mH
t = ms
13.معاوقة التيار المتردد والطورياتمتوسطة
120 V500 HzR = 80 ΩL = 250 mHC = 10 µF

دائرة RLC على التوالي موصولة بمصدر 120 V (فعّال)، 500 Hz. أوجد زاوية الطور φ للمعاوقة بالدرجات (موجبة عندما يتأخّر التيار عن الجهد).

V = 120 V (rms)f = 500 HzR = 80 ΩL = 250 mHC = 10 µF
φ = °
14.معاوقة التيار المتردد والطورياتصعبة
10 V100 HzR = 15 ΩL = 200 mHC = 47 µFI

دائرة RLC على التوالي موصولة بمصدر 10 V (فعّال)، 100 Hz. أوجد التيار الفعّال I.

V = 10 V (rms)f = 100 HzR = 15 ΩL = 200 mHC = 47 µF
I = A
15.قدرة التيار المتردد ومعامل القدرةمتوسطة
P = 26 kWQ = ?Sφ

يستهلك محرّك أحادي الطور 26 kW بمعامل قدرة 0,7 متأخّر من مصدر 240 V. أوجد القدرة غير الفعّالة Q التي يسحبها.

P = 26 kWpf = 0,7V = 240 V
Q = kvar
16.قدرة التيار المتردد ومعامل القدرةصعبة
240 V60 Hzالحمل22 kW, 0,8C150 µFI = ?

يأخذ حِمل أحادي الطور 22 kW بمعامل قدرة 0,8 متأخّر من مصدر 240 V، 60 Hz. يُوصل مكثّف سعته 150 µF على التوازي مع الحِمل. أوجد تيار الخط الجديد I.

P = 22 kWpf1 = 0,8V = 240 Vf = 60 HzC = 150 µF
I = A
17.القدرة ثلاثية الطورمتوسطة
ABCVL​ = 690 VIL​ = 80 Acos φ = 0,92متأخر

حمل ثلاثي الطور متوازن يسحب تيار خط مقداره 80 A من مصدر جهد خطه 690 V. معامل القدرة 0,92 متأخر. أوجد القدرة الفعّالة الكلية P التي يسحبها الحمل بالـ kW.

VL = 690 VIL = 80 Acos φ = 0,92
P = kW
18.القدرة ثلاثية الطورصعبة
P = 120 kWφ1​S1​Q2​QC​

حمل ثلاثي الطور متوازن يأخذ 120 kW عند معامل قدرة 0,75 متأخر من مصدر 415 V (جهد خط) و 50 Hz. يجب أن ترفع مجموعة مكثّفات ثلاثية الطور موصولة على التوازي مع الحمل معامل القدرة الكلي إلى 0,98 متأخر. تبقى القدرة الفعّالة كما هي. المكثّفات موصولة دلتا (Δ). أوجد السعة Cph لكل مكثّف بالـ µF.

P = 120 kWpf1 = 0,75pf2 = 0,98VL = 415 Vf = 50 Hz
Cph = µF
19.المحوّلاتمتوسطة
4800 V240 VIHV​ = ?ILV​10 kVA

محوّل أحادي الطور 10 kVA و 4800/240 V يعمل عند حمله المقنَّن. اعتبره مثاليًا. أوجد التيار IHV في ملف الجهد العالي.

S = 10 kVAV1 = 4800 VV2 = 240 V
IHV = A
20.المحوّلاتصعبة
pf 0,85500 kVA, η = 99%

محوّل أحادي الطور 500 kVA مفقودات قلبه 1500 W. عند الحمل المقنَّن ومعامل قدرة 0,85 متأخر تكون كفاءته 99%. أوجد مفقودات النحاس عند الحمل الكامل Pcu,fl بالواط.

S = 500 kVAPcore = 1500 Wpf = 0,85η = 99%
Pcu,fl = W
21.دوائر مكبّرات العملياتمتوسطة
−+Vout​Rf​ = 22 kΩR1​ = 22 kΩVin​ = 1,5 VRa​ = 4,7 kΩRb​ = 100 kΩ

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

Vin = 1,5 VRa = 4,7 kΩRb = 100 kΩR1 = 22 kΩRf = 22 kΩ
Vout = V
22.دوائر مكبّرات العملياتصعبة
−+Vout​Rf​ = 47 kΩV1​ = −1,7 VR1​ = 100 kΩV2​ = −0,2 VR2​ = 47 kΩ

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

V1 = −1,7 VV2 = −0,2 VR1 = 100 kΩR2 = 47 kΩRf = 47 kΩ
Vout = V
23.الثنائيات والترانزستوراتمتوسطة
RC​ = 4,7 kΩβ = 100IC​ = ?VCC​ = 15 VRB​ = 560 kΩ

ترانزستور NPN بـ β = 100 منحاز بمقاومة قاعدة RB = 560 kΩ من المصدر VCC = 15 V. مقاومة المجمِّع RC = 4,7 kΩ والباعث موصول بالأرضي. خذ VBE = 0,7 V وافترض أن الترانزستور في المنطقة الفعّالة. أوجد تيار المجمِّع IC بالـ mA.

VCC = 15 VRB = 560 kΩRC = 4,7 kΩβ = 100VBE = 0,7 V
IC = mA
24.الثنائيات والترانزستوراتصعبة
RC​ = 150 Ωβ = 100VCC​ = 24 V5 VRB​ = ?

ترانزستور NPN بـ β = 100 يتحكّم بمقاومة حمل 150 Ω موصولة بين VCC = 24 V ومجمِّعه. الباعث موصول بالأرضي. تُغذّى القاعدة من خرج منطقي 5 V عبر مقاومة قاعدة RB. خذ VBE = 0,7 V و VCE(sat) = 0,2 V. أوجد أكبر مقاومة قاعدة RB، بالـ kΩ، التي ما زالت تدفع الترانزستور إلى بداية التشبّع.

VCC = 24 VRC = 150 Ωβ = 100Vin = 5 VVBE = 0,7 VVCE(sat) = 0,2 V
RB = kΩ
25.أنظمة العدمتوسطة
القيم الموضعية في المتمم الثنائي0−12816403201618140201

النمط ذو 8 بتات 0100 1100 يخزّن عددًا صحيحًا بإشارة بصيغة المتمم الثنائي. ما قيمته N في النظام العشري؟

0100 11008 bit
N =
26.أنظمة العدصعبة
انقر على البتات لضبطها012806403201608040201

اضبط البتات على الناتج بـ 8 بتات لـ 1010 0000 AND 1100 0001. ما قيمة الناتج R بالعشري؟

1010 0000AND1100 0001
R =
27.المنطق الرقمي: البوابات وخرائط كارنو والقلّاباتمتوسطة
ABCD000111100001111010110302040517060121131150141819011010

استخدم خريطة كارنو لإيجاد الصيغة الدنيا لجداء المجاميع (POS) للدالة F(A, B, C, D) = Σm(0, 1, 7, 8, 9, 13, 15). كم حد مجموع (عاملًا) N فيها؟

F(A, B, C, D) = Σm(0, 1, 7, 8, 9, 13, 15)
N =
28.المنطق الرقمي: البوابات وخرائط كارنو والقلّاباتصعبة
TQ0​Q0​TQ1​Q1​TQ2​Q2​TQ3​Q3​CLKDOWN

عدّاد ثنائي تنازلي بـ 4 بتّات يبدأ من 3 (بالنظام العشري، Q = 0011). أي عدّ Q (بالنظام العشري) يُظهر بعد 41 نبضات ساعة؟

Q0 = 341n = 4
Q =
29.تحويلات لابلاسمتوسطة
t (s)f(t)t = 0,2f(0,2) = ?

أوجد f(t) للدالة F(s) = (4s + 28)/(s² + 8s + 16) واحسب f(0,2).

F(s) = (4s + 28)/(s² + 8s + 16)t = 0,2 s
f(0.2) =
30.تحويلات لابلاسصعبة
t (s)y(t)t = 0,2y(0,2) = ?

يخضع نظام للمعادلة y″ + 11y′ + 30y = 30·u(t). يبدأ من السكون (y(0) = 0، y′(0) = 0) والدخل خطوة u(t) = 2 لـ t ≥ 0. استخدم تحويل لابلاس لإيجاد الخرج y(0,2).

y″ + 11y′ + 30y = 30·u(t)u(t) = 2y(0) = 0, y′(0) = 0t = 0,2 s
y(0.2) =
31.المخططات الصندوقيةمتوسطة
R(s)+7K+10s + 8G(s)C(s)2H₁−−

للنظام المُتحكَّم فيه G(s) = 10/(s + 8) حلقة تغذية راجعة سالبة داخلية (ثانوية) كسبها H₁ = 2. كسب متحكّم K = 7 وحلقة تغذية راجعة سالبة أحادية خارجية يُغلقان النظام. أوجد كسب التيار المستمر للحلقة المغلقة T(0).

G(s) = 10/(s + 8)H₁ = 2K = 7
T(0) =
32.المخططات الصندوقيةصعبة
R(s)+K(s + 1)(s + 2)(s + 5)G(s)C(s)−

النظام المُتحكَّم فيه G(s) = K/((s + 1)(s + 2)(s + 5)) في حلقة تغذية راجعة سالبة أحادية. عند أكبر كسب مستقر تتذبذب الحلقة. أوجد تردّد التذبذب ω بوحدة rad/s.

G(s) = K/((s + 1)(s + 2)(s + 5))تغذية راجعة سالبة أحادية
ω = rad/s
33.الاستجابة الخطويةمتوسطة
t (s)y(t)1tp​ = ?

لنظام دالة النقل G(s) = 23/(s² + 3s + 23) ويتلقى دخلًا خطويًا وحدويًا. أوجد زمن الذروة tp للاستجابة الخطوية.

G(s) = 23/(s² + 3s + 23)
tp = s
34.الاستجابة الخطويةصعبة
k = 100 N/mc = 4 N·s/mm = 0,5 kgF = 50 Nx(t)

كتلة m = 0,5 kg معلّقة بنابض k = 100 N/m مع مخمّد لزج c = 4 N·s/m (m·x″ + c·x′ + k·x = F). وهي ساكنة في وضع الاتزان، تُطبَّق عليها فجأةً قوة ثابتة F = 50 N. أوجد أكبر إزاحة xmax بوحدة mm.

m = 0,5 kgk = 100 N/mc = 4 N·s/mF = 50 N
xmax = mm
35.مخططات بودي والهوامشمتوسطة
vin​R = 2,2 kΩC = 2,2 nFvout​

لـ مرشح RC لتمرير الترددات المنخفضة الموضح R = 2,2 kΩ, C = 2,2 nF. يُطبَّق دخل جيبي مقداره 330 kHz. أوجد إزاحة الطور φ للجهد vout بالنسبة إلى vin، بالدرجات.

R = 2,2 kΩC = 2,2 nFf = 330 kHz
φ = °
36.مخططات بودي والهوامشصعبة
|H| (dB)0,10,1111010100100−80−60−40−2002040ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−270−180−900ω180​ = ?

حلقة تغذية عكسية وحدوية دالة نقلها المفتوحة L(s) = 688/(s(s + 8)(s + 9)). أوجد تردد تقاطع الطور ω180، حيث ∠L(jω) = −180°.

L(s) = 688/(s(s + 8)(s + 9))
ω180 = rad/s
37.الاستقرار: راوث–هرفيتز والمحل الهندسي للجذورمتوسطة
R(s)+Ks + 2(s − 4)(s + 5)C(s)−

للمحطة G(s) = (s + 2)/((s − 4)(s + 5)) قطب غير مستقر عند s = 4. يغلق كسب تناسبي K حلقة تغذية عكسية وحدوية حولها. أوجد أصغر كسب Kmin يجعل الحلقة المغلقة مستقرة.

G(s) = (s + 2)/((s − 4)(s + 5))
Kmin =
38.الاستقرار: راوث–هرفيتز والمحل الهندسي للجذورصعبة
ReImζ = 0,3−10j10

رُسم المحل الهندسي للجذور لـ L(s) = K/(s(s + 10)). أوجد الكسب K الذي تكون عنده نسبة التخميد لأقطاب الحلقة المغلقة ζ = 0,3.

L(s) = K/(s(s + 10))ζ = 0,3
K =
39.خطأ الحالة المستقرة والتحكم PIDمتوسطة
r(t) = 2t+Ks(s + 2)C(s)−

يجب أن تتبع حلقة تغذية عكسية وحدوية فيها G(s) = K/(s(s + 2)) المنحدر r(t) = 2t بخطأ حالة مستقرة قدره 0,05. أوجد الكسب K.

G(s) = K/(s(s + 2))r(t) = 2tess = 0,05
K =
40.خطأ الحالة المستقرة والتحكم PIDصعبة
R(s)+K1s(s + 2)C(s)−

يتحكم متحكم تناسبي K في المحطة G(s) = 1/(s(s + 2)) ضمن حلقة تغذية عكسية وحدوية. أوجد الكسب K الذي يعطي الحلقة المغلقة نسبة تخميد ζ = 0,6.

G(s) = 1/(s(s + 2))ζ = 0,6
K =

3المحاليل

1.المقاومات على التوالي والتوازي

الإجابة: Req = 23,75 Ω

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

R1​ = 20 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​30 VR2​10 ΩAR4​3 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 = 3 + 3 = 6 Ω
R2 ∥ 6 = 10·6/(10+6) = 3,75 Ω
Req = R1 + 3,75 = 20 + 3,75 = 23,75 Ω

الإجابة

Req = 23,75 Ω
2.المقاومات على التوالي والتوازي

الإجابة: Req = 17,13 Ω

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

R1​ = 12 ΩR3​ = 5 ΩR5​ = 25 Ω+−V1​5 VR2​20 ΩAR4​2 ΩBR6​12 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 = 25 + 12 = 37 Ω
R4 ∥ 37 = 1,897 Ω
R3 + 1,897 = 6,897 Ω
R2 ∥ 6,897 = 5,129 Ω
Req = R1 + 5,129 = 12 + 5,129 = 17,13 Ω

الإجابة

Req = 17,13 Ω
3.تحليل العقد

الإجابة: VA = −0,5085 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​ = 15 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​30 VR2​3 ΩAR4​15 ΩBIs​4 A

حدّد العقد

الأرضي هو السلك السفلي. جهود العقد المعروفة تأتي مباشرة من المصادر (V1 = 30 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/3 + (VA − 30)/15 + (VA − VB)/12 = 0
0,4833·VA − 0,08333·VB = 2

قانون كيرشوف للتيار عند العقدة B

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

VB/R4 + (VB − VA)/R3 = Is
VB/15 + (VB − VA)/12 = (−4)
−0,08333·VA + 0,15·VB = −4

الحل

Δ = (0,4833)(0,15) − (−0,08333)(−0,08333) = 0,06556
VA = Δ1/Δ = −0,03333/0,06556 = −0,5085 V
VB = Δ2/Δ = −1,767/0,06556 = −26,95 V

الإجابة

VA = −0,5085 V
4.تحليل العقد

الإجابة: IR4 = 16,36 A

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

قانون كيرشوف للتيار عند العقدة A

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

(VA − V1)/R1 + VA/R2 + (VA − VB)/R3 = 0
0,5583·VA − 0,125·VB = 12

قانون كيرشوف للتيار عند العقدة B

المصدر التابع يدفع g·VA إلى العقدة B. عامله كمصدر مستقل، ثم انقل حدّ VA إلى الطرف الأيسر.

(VB − VA)/R3 + VB/R4 = 0,5·VA
−0,625·VA + 0,2083·VB = 0

الحل

Δ = (0,5583)(0,2083) − (−0,125)(−0,625) = 0,03819
VA = Δ1/Δ = 2,5/0,03819 = 65,45 V
VB = Δ2/Δ = 7,5/0,03819 = 196,4 V

التيار في R₄

IR4 = VB/R4 = 196,4/12 = 16,36 A

الإجابة

IR4 = 16,36 A
5.تحليل الحلقات

الإجابة: VR3 = 10,67 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​ = 5 Ω+−V1​18 VR3​8 ΩA+−V2​10 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
5·I1 + 8(I1 − I2) = 18
13·I1 − 8·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
5·I2 + 8(I2 − I1) = (−10)
−8·I1 + 13·I2 = −10

الحل

Δ = (13)(13) − (−8)(−8) = 105
I1 = Δ1/Δ = 154/105 = 1,467 A
I2 = Δ2/Δ = 14/105 = 0,1333 A

الإجابة

IR3 = I1 − I2 = 1,333 A
VR3 = IR3·R3 = 1,333·8 = 10,67 V

تيار الحلقة السالب يسري عكس عقارب الساعة.

6.تحليل الحلقات

الإجابة: IR1 = 0,6863 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​ = 4 ΩR2​ = 5 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​10 VR4​6 ΩAR5​20 ΩB+−V2​18 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
4·I1 + 6(I1 − I2) = 10
10·I1 − 6·I2 = 10

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
5·I2 + 6(I2 − I1) + 20(I2 − I3) = 0
−6·I1 + 31·I2 − 20·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
8·I3 + 20(I3 − I2) = (−18)
−20·I2 + 28·I3 = −18

الحل

Δ = محدد مصفوفة المعاملات = 3672
I1 = Δ1/Δ = 2520/3672 = 0,6863 A
I2 = Δ2/Δ = −1920/3672 = −0,5229 A
I3 = Δ3/Δ = −3732/3672 = −1,016 A

الإجابة

IR1 = I1 = 0,6863 A

تيار الحلقة السالب يسري عكس عقارب الساعة.

7.التراكب

الإجابة: PR2 = 31,4 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​ = 6 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​24 VR2​12 ΩAR4​15 ΩBمفتوح

الحالة 1 · V1 يعمل وحده

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

R3+R4 = 15+15 = 30 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 12·30/(12+30) = 8,571 Ω
VA = 24·8,571/(6+8,571) = 14,12 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 14,12·15/30 = 7,059 V
IR2′ = (VA − 0)/R2 = (14,12 − 0)/12 = 1,176 A
R1​ = 6 ΩR3​ = 15 ΩقصرR2​12 ΩAR4​15 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 = 6·12/(6+12) = 4 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 15 ∥ 19 = 8,382 Ω
VB = Is·Req = 3·8,382 = 25,15 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 25,15·4/19 = 5,294 V
IR2″ = (VA − 0)/R2 = (5,294 − 0)/12 = 0,4412 A

اجمع إسهامات التيار

IR2 = IR2′ + IR2″ = 1,176 + 0,4412 = 1,618 A

القدرة في المقاومة

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

PR2 = IR2²·R2 = 1,618²·12 = 31,4 W

الإجابة

PR2 = 31,4 W

جمع قدرات الحالات المنفصلة يعطي 18,94 W، وهذا خطأ.

8.التراكب

الإجابة: V2 = 52,5 V

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

R1​ = 8 ΩR2​ = 5 ΩR4​ = 15 Ω+−V1​15 VR3​4 ΩAمفتوحBقصر

الحالة 1 · V1 يعمل وحده

يصبح V₂ قصرًا و Iₛ دائرة مفتوحة. من جهة A يكون R₃ على التوازي مع الزوج المتوالي R₂+R₄.

R3 ∥ (R2+R4) = 4 ∥ 20 = 3,333 Ω
VA = 15·3,333/(8+3,333) = 4,412 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 4,412·15/20 = 3,309 V
R1​ = 8 ΩR2​ = 5 ΩR4​ = 15 ΩقصرR3​4 ΩAIs​6 ABقصر

الحالة 2 · Is يعمل وحده

يصبح مصدرا الجهد كلاهما قصرًا. ينقسم Iₛ عند B بين R₄ (الآن إلى الأرضي) و R₂ على التوالي مع R₁ ∥ R₃. سهم Iₛ يشير إلى الأسفل، بعيدًا عن عقدته، لذا يسحب Iₛ تيارًا من تلك العقدة: يدخل حدّه بإشارة سالبة.

R1 ∥ R3 = 2,667 Ω، إذن المسار الأيسر هو R2+2,667 = 7,667 Ω
Req = R4 ∥ 7,667 = 5,074 Ω
VB = −Is·Req = −6·5,074 = −30,44 V
VA = VB·2,667/7,667 = −10,59 V

الحالة 3 · V2 يعمل وحده، لكل فولت

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

R1 ∥ R3 = 2,667 Ω
VA‴ = V2·2,667/(15 + 5 + 2,667) = 0,1176·V2

اجعل VA صفرًا

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

VA′ + VA″ + VA‴ = 4,412 + (−10,59) + 0,1176·V2 = 0
V2 = 6,176/0,1176 = 52,5 V

الإجابة

V2 = 52,5 V
9.ثيفنن ونورتن

الإجابة: Rth = 18 Ω

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

R1​ = 15 ΩR3​ = 12 ΩقصرR2​10 ΩAabRth​

أوجد Rth مع إطفاء كل المصادر

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

R1 ∥ R2 = 15·10/(15+10) = 6 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 6 + 12 = 18 Ω
10.ثيفنن ونورتن

الإجابة: IN = −1,483 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​ = 4 ΩR3​ = 6 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 = 4·15/(4+15) = 3,158 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3,158 + 6 = 9,158 Ω
R1​ = 4 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​6 VR2​15 ΩAIs​2 ABab+−Vth​

أوجد Vth، جهد الدائرة المفتوحة

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

VA = V1·R2/(R1+R2) + Is·(R1∥R2) = 4,737 + (−2)·3,158 = −1,579 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = −1,579 + (−2)·6 = −13,58 V
IN​1,483 ARth​9,158 Ωab

مكافئ نورتن

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

IN = Vth/Rth = −13,58/9,158 = −1,483 A
11.الحالات العابرة RC و RL

الإجابة: τ = 36,3 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.

مكافئ ثيفينين كما يراه المكثّف

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

Rth = R1 ∥ R2 = 2,2·2,2/(2,2 + 2,2) = 1,1 kΩ
vC(∞) = 20·2,2/(2,2 + 2,2) = 10 V

الثابت الزمني

τ = Rth·C = 1,1·33 = 36,3 ms

الإجابة

τ = 36,3 ms
12.الحالات العابرة RC و RL

الإجابة: t = 12,03 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 تكون المقاومتان كلتاهما في الحلقة؛ وبعدها يتجاوز المفتاح المغلق R₂.

i(0) = 12/(10 + 47) = 0,2105 A
i(∞) = 12/10 = 1,2 A
τ = L/R = 100/10 = 10 ms
i(t) = 1,2 + (0,2105 − 1,2)·e−t/τ

حلّ لإيجاد الزمن

e−t/τ = (0,903 − 1,2)/(0,2105 − 1,2) = 0,3002
t = 10·ln(3,332) = 12,03 ms

الإجابة

t = 12,03 ms
13.معاوقة التيار المتردد والطوريات

الإجابة: φ = 83,94 °

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

المفاعلات

ω = 2πf = 2π·500 = 3142 rad/s
XL = ωL = 3142·0,25 = 785,4 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(3142·10·10⁻⁶) = 31,83 Ω

المعاوقة

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

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(80² + (753,6)²) = 757,8 Ω

زاوية الطور

φ = arctan((XL − XC)/R) = arctan(753,6/80) = 83,94°

الإجابة

φ = 83,94°
14.معاوقة التيار المتردد والطوريات

الإجابة: I = 0,1075 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·100 = 628,3 rad/s
XL = ωL = 628,3·0,2 = 125,7 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(628,3·47·10⁻⁶) = 33,86 Ω

المعاوقة

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

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(15² + (91,8)²) = 93,02 Ω

التيار

يمرّ التيار نفسه في كل عنصر من عناصر دائرة التوالي.

I = V/|Z| = 10/93,02 = 0,1075 A

الإجابة

I = 0,1075 A
15.قدرة التيار المتردد ومعامل القدرة

الإجابة: Q = 26,53 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(0,7) = 45,57°, tan φ = 1,02

القدرة غير الفعّالة

Q = P·tan φ = 26·1,02 = 26,53 kvar

الإجابة

Q = 26,53 kvar
16.قدرة التيار المتردد ومعامل القدرة

الإجابة: I = 107 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 = 22·tan(arccos 0,8) = 16,5 kvar
QC = V²·2πf·C = 240²·2π·60·150·10⁻⁶ = 3257 var = 3,257 kvar
Q2 = 16,5 − 3,257 = 13,24 kvar

القدرة الظاهرية الجديدة

S2 = √(22² + 13,24²) = 25,68 kVA

تيار الخط الجديد

I = S2/V = 25678/240 = 107 A

الإجابة

I = 107 A
17.القدرة ثلاثية الطور

الإجابة: P = 87,96 kW

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

القدرة الظاهرية

S = √3·VL·IL = √3·690·80 = 95,61 kVA

القدرة الفعلية

P = S·cos φ = 95,61·0,92 = 87,96 kW

الإجابة

P = 87,96 kW
18.القدرة ثلاثية الطور

الإجابة: Cph = 501,9 µF

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

القدرة غير الفعّالة قبل وبعد

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

Q1 = 120·tan(acos 0,75) = 120·0,8819 = 105,8 kvar
Q2 = 120·tan(acos 0,98) = 120·0,2031 = 24,37 kvar

القدرة غير الفعّالة من المكثّفات

QC = Q1 − Q2 = 81,46 kvar

السعة لكل طور

في مجموعة Δ يوصل كل مكثّف بين خطين.

V = 415 V, ω = 2π·50 = 314,2 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 27154/(314,2·415²) = 501,9 µF

الإجابة

Cph = 501,9 µF
19.المحوّلات

الإجابة: IHV = 2,083 A

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

التيار المقنَّن

يحمل الملفان القدرة الظاهرية نفسها.

IHV = S/V = 10000/4800 = 2,083 A

الإجابة

IHV = 2,083 A
20.المحوّلات

الإجابة: Pcu,fl = 2793 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 = 500·0,85 = 425 kW
Pin = 425000/0,99 = 429293 W

المفقودات الكلية ومفقودات النحاس

Ploss = 429293 − 425000 = 4293 W
Pcu,fl = 4293 − 1500 = 2793 W

الإجابة

Pcu,fl = 2793 W
21.دوائر مكبّرات العمليات

الإجابة: Vout = 2,865 V

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

الجهد عند الدخل +

V₊ = Vin·Rb/(Ra + Rb) = 1,5·100/(4,7 + 100) = 1,433 V

الكسب غير العاكس

V₋ = V₊، والتيار المارّ في R₁ يمرّ أيضًا في Rf.

Vout = V₊·(1 + Rf/R1) = 1,433·(1 + 22/22) = 2,865 V

الإجابة

Vout = 2,865 V
22.دوائر مكبّرات العمليات

الإجابة: Vout = 0,999 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 = −1,7/100 = −0,017 mA
I2 = V2/R2 = −0,2/47 = −0,004255 mA
If = I1 + I2 = −0,02126 mA

جهد الخرج

Vout = −Rf·If = −47·(−0,02126) = 0,999 V

الإجابة

Vout = 0,999 V
23.الثنائيات والترانزستورات

الإجابة: IC = 2,554 mA

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

تيار القاعدة

IB = (VCC − VBE)/RB = (15 − 0,7)/560 kΩ = 25,54 µA

تيار المجمِّع

IC = β·IB = 100·25,54 µA = 2,554 mA

الإجابة

IC = 2,554 mA

تحقّق: VCE = 2,998 V أعلى بوضوح من 0,2 V، لذا الترانزستور فعلًا في المنطقة الفعّالة.

24.الثنائيات والترانزستورات

الإجابة: RB = 2,71 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)/150 = 158,7 mA

أدنى تيار قاعدة

IB(min) = IC(sat)/β = 158,7/100 = 1587 µA

مقاومة القاعدة

RB = (5 − 0,7)/IB = 4,3 V/1,587 mA = 2,71 kΩ

الإجابة

RB = 2,71 kΩ

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

25.أنظمة العد

الإجابة: N = 76

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 = 76

الإجابة

N = 76
26.أنظمة العد

الإجابة: R = 128

ضبط البتات: قيمة كل بت قوة للعدد اثنين (128 و64 … و1). الرقم السداسي عشري الواحد يساوي أربع بتات تمامًا، وفي المتمم الثنائي بـ 8 بتات تساوي قيمة البت الأيسر −128. وتعمل العمليات على مستوى البت على كل موضع بت على حدة.

بتًا ببت

تعطي AND القيمة 1 حيث يكون البتان 1 فقط.

1010 0000
AND 1100 0001
= 1000 0000

قيمة الناتج

1000 0000₂ = 128

الإجابة

R = 128
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.

ABCD000111100001111010110302040517060121131150141819011010

جمّع الأصفار

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

(B′ + D)
(B + C′)
(A + B′ + C)

الصيغة الدنيا POS

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

الإجابة

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

الإجابة: Q = 10

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 16 نبضة تعيد العدّاد إلى الحالة نفسها.

41 = 2·16 + 9

العدّ بعد النبضات المتبقية

Q = (3 − 9) mod 16 = 10
Q = 1010₂

الإجابة

Q = 10
29.تحويلات لابلاس

الإجابة: f(0.2) = 2,876

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 + 8s + 16 = (s + 4)²

الكسور الجزئية

4s + 28 = 4(s + 4) + 12
F(s) = 4/(s + 4) + 12/(s + 4)²

التحويل العكسي

f(t) = 4·e−4t + 12·t·e−4t
f(0,2) = (4 + 12·0,2)·e−4·0,2 = 2,876

الإجابة

f(0,2) = 2,876
30.تحويلات لابلاس

الإجابة: y(0.2) = 0,5974

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

Y(s) = 60/(s(s + 5)(s + 6))

الكسور الجزئية

A = 60/(5·6) = 2
B = 60/((−5)·1) = −12
C = 60/((−6)·(−1)) = 10

المخرَج

y(t) = 2 − 12·e−5t + 10·e−6t
y(0,2) = 0,5974

الإجابة

y(0,2) = 0,5974
31.المخططات الصندوقية

الإجابة: T(0) = 0,7143

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

الحلقة الداخلية

Gᵢ = G/(1 + G·H₁) = 10/(s + 8 + 10·2) = 10/(s + 28)

الحلقة الخارجية

T(s) = K·Gᵢ/(1 + K·Gᵢ) = 70/(s + 28 + 70) = 70/(s + 98)

النتيجة

T(0) = 70/98 = 0,7143

الإجابة

T(0) = 0,7143
32.المخططات الصندوقية

الإجابة: ω = 4,123 rad/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).

المعادلة المميزة

s³ + 8s² + 17s + 10 + K = 0

جدول روث

s³ | 1 17
s² | 8 10 + K
s¹ | (8·17 − 10 − K)/8
s⁰ | 10 + K

حدّ الاستقرار

يجب أن تكون كل عناصر العمود الأول موجبة.

Kmax = 8·17 − 10 = 126

تردّد التذبذب

8·(jω)² + 10 + 126 = 0 → ω² = 136/8 = 17
ω = 4,123 rad/s

الإجابة

ω = 4,123 rad/s
33.الاستجابة الخطوية

الإجابة: tp = 0,6897 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 = 23 → ωₙ = 4,796 rad/s
2ζωₙ = 3 → ζ = 3/(2·4,796) = 0,3128

النتيجة

ωd = 4,796·√(1 − 0,3128²) = 4,555 rad/s → tp = π/ωd = 0,6897 s

الإجابة

tp = 0,6897 s
34.الاستجابة الخطوية

الإجابة: xmax = 698 mm

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 = √(k/m) = √(100/0,5) = 14,14 rad/s
ζ = c/(2√(km)) = 4/(2·√(100·0,5)) = 0,2828

النتيجة

xst = F/k = 50/100 m = 500 mm
%OS = 39,6 %
xmax = 500·(1 + 0,396) = 698 mm

الإجابة

xmax = 698 mm
35.مخططات بودي والهوامش

الإجابة: φ = −84,31 °

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/(2200·2,2 × 10⁻⁹) = 206612 rad/s
fc = 32883 Hz → f/fc = 330000/32883 = 10,04

الطور

φ = − atan(10,04) = −84,31°

الإجابة

φ = −84,31°
36.مخططات بودي والهوامش

الإجابة: ω180 = 8,485 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/8)·(ω/9) = 1 → ω180 = √(8·9) = 8,485 rad/s

الإجابة

ω180 = 8,485 rad/s
37.الاستقرار: راوث–هرفيتز والمحل الهندسي للجذور

الإجابة: Kmin = 10

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 − 4)(s + 5) + K(s + 2) = s² + (1 + K)s + (2K − 20)

الشروط

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

1 + K > 0 → K > −1
2K − 20 > 0 → K > 10
Kmin = 10

الإجابة

Kmin = 10
38.الاستقرار: راوث–هرفيتز والمحل الهندسي للجذور

الإجابة: K = 277,8

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.

قارن مع الصيغة القياسية

s² + 10s + K = s² + 2ζωₙs + ωₙ²
2·0,3·ωₙ = 10 → ωₙ = 16,67 rad/s

الكسب

K = ωₙ² = 16,67² = 277,8

الإجابة

K = 277,8

تقع أقطاب الحلقة المغلقة حيث يقطع الخط ζ الفرع الرأسي عند s = −5.

39.خطأ الحالة المستقرة والتحكم PID

الإجابة: K = 80

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 = 2/0,05 = 40

الكسب

K = 2·Kv = 80

الإجابة

K = 80

الكسب الكبير يجعل هذه الحلقة قليلة التخميد جدًا: ζ = 0,1118. وهذا التعارض هو سبب استخدام المعوِّضات.

40.خطأ الحالة المستقرة والتحكم PID

الإجابة: K = 2,778

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) + 1K = s² + 2s + 1K

التردد الطبيعي

2·0,6·ωₙ = 2 → ωₙ = 1,667 rad/s

الكسب

1K = ωₙ² = 2,778 → K = 2,778

الإجابة

K = 2,778

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