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​ = 6 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​12 VR2​4 ΩAR4​12 ΩB

أوجد المقاومة المكافئة Req التي يراها المصدر V1.

V1 = 12 VR1 = 6 ΩR2 = 4 ΩR3 = 2 ΩR4 = 12 Ω
Req = Ω
2.المقاومات على التوالي والتوازيصعبة
R1​ = 30 ΩIR1​R3​ = 2 ΩR5​ = 30 Ω+−V1​24 VR2​4 ΩAR4​6 ΩBR6​20 Ω

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

V1 = 24 VR1 = 30 ΩR2 = 4 ΩR3 = 2 ΩR4 = 6 ΩR5 = 30 ΩR6 = 20 Ω
IR1 = A
3.تحليل العقدمتوسطة
R1​10 Ω+−V1​10 VR2​6 Ω+−V2​18 VR3​4 ΩI3​A

ثلاثة فروع موصولة بين العقدة A والأرضي، كما هو موضّح. استخدم تحليل العقد لإيجاد التيار I3 في الفرع 3، الجاري إلى الأعلى نحو العقدة A باتجاه السهم.

V1 = 10 VR1 = 10 ΩV2 = 18 VR2 = 6 ΩR3 = 4 Ω
I3 = A
4.تحليل العقدصعبة
R1​ = 8 ΩR2​ = 8 ΩIR2​R4​ = 4 Ω+−V1​36 VR3​6 ΩAR5​15 ΩBIs​2 A−+V2​36 V

استخدم تحليل العقد لإيجاد التيار IR2 المارّ في R2 باتجاه السهم.

V1 = 36 VIs = 2 AV2 = 36 VR1 = 8 ΩR2 = 8 ΩR3 = 6 ΩR4 = 4 ΩR5 = 15 Ω
IR2 = A
5.تحليل الحلقاتمتوسطة
R1​ = 4 ΩR2​ = 6 ΩIR2​+−V1​18 VR3​5 ΩA+−V2​6 VI1​I2​

استخدم تحليل الحلقات لإيجاد التيار IR2 المارّ في R2 باتجاه السهم.

V1 = 18 VV2 = 6 VR1 = 4 ΩR2 = 6 ΩR3 = 5 Ω
IR2 = A
6.تحليل الحلقاتصعبة
R1​ = 6 ΩR2​ = 10 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​5 VR4​10 Ω+−VR4​AR5​5 ΩB+−V2​6 VI1​I2​I3​

استخدم تحليل الحلقات لإيجاد الجهد VR4 على طرفي R4 بالقطبية الموضّحة.

V1 = 5 VV2 = 6 VR1 = 6 ΩR2 = 10 ΩR3 = 20 ΩR4 = 10 ΩR5 = 5 Ω
VR4 = V
7.التراكبمتوسطة
R1​ = 12 ΩIR1​R3​ = 3 Ω+−V1​24 VR2​4 ΩAR4​8 ΩBIs​3 A

استخدم مبدأ التراكب لإيجاد التيار IR1 المارّ في R1 باتجاه السهم.

V1 = 24 VIs = 3 AR1 = 12 ΩR2 = 4 ΩR3 = 3 ΩR4 = 8 Ω
IR1 = A
8.التراكبصعبة
R1​ = 15 ΩR2​ = 10 ΩR4​ = 6 ΩIR4​+−V1​18 VR3​25 ΩAIs​2,5 AB+−V2​12 V

استخدم مبدأ التراكب لإيجاد التيار IR4 المارّ في R4 باتجاه السهم.

V1 = 18 VIs = 2,5 AV2 = 12 VR1 = 15 ΩR2 = 10 ΩR3 = 25 ΩR4 = 6 Ω
IR4 = A
9.ثيفنن ونورتنمتوسطة
R1​ = 6 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​12 VR2​20 ΩARL​12 ΩIL​B

وُصل حِمل RL = 12 Ω بين a–b. استبدل بقية الدائرة بمكافئ ثيفنن وأوجد تيار الحِمل IL.

V1 = 12 VR1 = 6 ΩR2 = 20 ΩR3 = 4 ΩRL = 12 Ω
IL = A
10.ثيفنن ونورتنصعبة
R1​ = 15 ΩR3​ = 30 Ω+−V1​18 VR2​25 ΩAIs​6 ABRL​15 ΩIL​

وُصل حِمل RL = 15 Ω بين a–b. استبدل بقية الدائرة بمكافئ ثيفنن وأوجد تيار الحِمل IL.

V1 = 18 VIs = 6 AR1 = 15 ΩR2 = 25 ΩR3 = 30 ΩRL = 15 Ω
IL = A
11.الحالات العابرة RC و RLمتوسطة
+−Vs​6 Vt = 0R = 50 ΩL10 mHi(t)

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

Vs = 6 VR = 50 ΩL = 10 mH
t = ms
12.الحالات العابرة RC و RLصعبة
+−Vs​20 VR1​ = 10 ΩR2​ = 20 Ωيُفتح عند t = 0L22 mHi(t)

المفتاح الموصول على طرفي R2 مغلق منذ وقت طويل، لذا تيار الملف مستقر. عند t = 0 يُفتح المفتاح. أوجد تيار الملف i عند t = 1 ms.

Vs = 20 VR1 = 10 ΩR2 = 20 ΩL = 22 mHt = 1 ms
i = A
13.معاوقة التيار المتردد والطورياتمتوسطة
Vf0​ = 60 HzRL = 50 mHC = ?

دائرة RLC على التوالي مع L = 50 mH يجب أن ترنّ عند 60 Hz. أوجد السعة C المطلوبة.

f0 = 60 HzL = 50 mH
C = µF
14.معاوقة التيار المتردد والطورياتصعبة
120 V500 HzR = 40 ΩL = 20 mHC = 4,7 µFI

دائرة RLC على التوالي موصولة بمصدر 120 V (فعّال)، 500 Hz. أوجد التيار الفعّال I.

V = 120 V (rms)f = 500 HzR = 40 ΩL = 20 mHC = 4,7 µF
I = A
15.قدرة التيار المتردد ومعامل القدرةمتوسطة
230 V12 kW, 0,7522 kW, 0,8I = ?

حِملان موصولان على التوازي بمصدر أحادي الطور 230 V: حِمل 2 kW بمعامل قدرة 0,75 متأخّر وحِمل 2 kW بمعامل قدرة 0,8 متأخّر. أوجد التيار الكلي I المسحوب من المصدر.

V = 230 VP1 = 2 kW, pf1 = 0,75 متأخرP2 = 2 kW, pf2 = 0,8 متأخر
I = A
16.قدرة التيار المتردد ومعامل القدرةصعبة
P1​ = 50 kWQ1​S1​φ

محوّل أحادي الطور قدرته 150 kVA يغذّي حِملًا 50 kW بمعامل قدرة 0,65 متأخّر. ما مقدار القدرة الفعلية الإضافية ΔP التي يمكن إضافتها كحِمل مقاومي (معامل قدرة واحد) قبل أن يبلغ المحوّل قدرته الاسمية بوحدة kVA؟

Smax = 150 kVAP1 = 50 kWpf1 = 0,65
ΔP = kW
17.القدرة ثلاثية الطورمتوسطة
ABCVL​ = 690 VIL​ = 100 Acos φ = 0,92متأخر

حمل ثلاثي الطور متوازن يسحب تيار خط مقداره 100 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 = 100 Acos φ = 0,92
P = kW
18.القدرة ثلاثية الطورصعبة
P = 250 kWφ1​S1​Q2​QC​ = ?

حمل ثلاثي الطور متوازن يأخذ 250 kW عند معامل قدرة 0,65 متأخر من مصدر 690 V (جهد خط) و 60 Hz. يجب أن ترفع مجموعة مكثّفات ثلاثية الطور موصولة على التوازي مع الحمل معامل القدرة الكلي إلى 0,98 متأخر. تبقى القدرة الفعّالة كما هي. أوجد القدرة غير الفعّالة الكلية QC التي يجب أن تقدّمها مجموعة المكثّفات، بالـ kvar.

P = 250 kWpf1 = 0,65pf2 = 0,98VL = 690 Vf = 60 Hz
QC = kvar
19.المحوّلاتمتوسطة
50 Ω21

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

N1:N2 = 2:1RL = 50 Ω
R1′ = Ω
20.المحوّلاتصعبة
pf 0,8550 kVA, 75% الحمل

محوّل أحادي الطور 50 kVA مفقودات قلبه 200 W ومفقودات نحاسه 500 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 = 50 kVAPcore = 200 WPcu,fl = 500 Wx = 0,75pf = 0,85
Ploss = W
21.دوائر مكبّرات العملياتمتوسطة
−+Vout​Rf​ = 4,7 kΩR1​ = 2 kΩVin​ = 4 VRa​ = 2 kΩRb​ = 2 kΩ

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

Vin = 4 VRa = 2 kΩRb = 2 kΩR1 = 2 kΩRf = 4,7 kΩ
Vout = V
22.دوائر مكبّرات العملياتصعبة
−+Vout​R2​ = 4,7 kΩV1​ = 1,9 VR1​ = 10 kΩV2​ = 0,7 VR3​ = 4,7 kΩR4​ = 4,7 kΩ

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

V1 = 1,9 VV2 = 0,7 VR1 = 10 kΩR2 = 4,7 kΩR3 = 4,7 kΩR4 = 4,7 kΩ
Vout = V
23.الثنائيات والترانزستوراتمتوسطة
RC​ = 1,5 kΩβ = 150IC​ = ?VCC​ = 15 VRB​ = 1000 kΩ

ترانزستور NPN بـ β = 150 منحاز بمقاومة قاعدة RB = 1000 kΩ من المصدر VCC = 15 V. مقاومة المجمِّع RC = 1,5 kΩ والباعث موصول بالأرضي. خذ VBE = 0,7 V وافترض أن الترانزستور في المنطقة الفعّالة. أوجد تيار المجمِّع IC بالـ mA.

VCC = 15 VRB = 1000 kΩRC = 1,5 kΩβ = 150VBE = 0,7 V
IC = mA
24.الثنائيات والترانزستوراتصعبة
RC​ = 100 Ωβ = 80VCC​ = 12 V5 VRB​ = ?

ترانزستور NPN بـ β = 80 يتحكّم بمقاومة حمل 100 Ω موصولة بين VCC = 12 V ومجمِّعه. الباعث موصول بالأرضي. تُغذّى القاعدة من خرج منطقي 5 V عبر مقاومة قاعدة RB. خذ VBE = 0,7 V و VCE(sat) = 0,2 V. لتبديل موثوق، صمّم لتيار قاعدة يساوي 4 ضعف الحد الأدنى اللازم للتشبّع. أوجد RB بالـ kΩ.

VCC = 12 VRC = 100 Ωβ = 80Vin = 5 VVBE = 0,7 VVCE(sat) = 0,2 Vمعامل الدفع الزائد = 4
RB = kΩ
25.أنظمة العدمتوسطة
القيم الموضعية في المتمم الثنائي0−12806403201618041211

النمط ذو 8 بتات 0000 1011 يخزّن عددًا صحيحًا بإشارة بصيغة المتمم الثنائي. ما قيمته N في النظام العشري؟

0000 10118 bit
N =
26.أنظمة العدصعبة
انقر على البتات لضبطها012806403201608040201

اضبط البتات على الناتج بـ 8 بتات لـ 1110 0000 << 2. ما قيمة الناتج R بالعشري؟

1110 0000<< 2
R =
27.المنطق الرقمي: البوابات وخرائط كارنو والقلّاباتمتوسطة
ABCD00011110000111101111111

في خريطة كارنو هذه يوجد 1 واحد بالضبط لا جار 1 له، فيبقى مجموعة من خلية واحدة (حد أصغري كامل من أربعة حروف) في الصيغة الدنيا SOP. الجيران عبر حواف الخريطة تُحسب. انقر على تلك الخلية.

F = Σm(0, 1, 5, 8, 9, 13, 14)
  1. 1AB = 00, CD = 00
  2. 2AB = 00, CD = 01
  3. 3AB = 00, CD = 11
  4. 4AB = 00, CD = 10
  5. 5AB = 01, CD = 00
  6. 6AB = 01, CD = 01
  7. 7AB = 01, CD = 11
  8. 8AB = 01, CD = 10
  9. 9AB = 11, CD = 00
  10. 10AB = 11, CD = 01
  11. 11AB = 11, CD = 11
  12. 12AB = 11, CD = 10
  13. 13AB = 10, CD = 00
  14. 14AB = 10, CD = 01
  15. 15AB = 10, CD = 11
  16. 16AB = 10, CD = 10
28.المنطق الرقمي: البوابات وخرائط كارنو والقلّاباتصعبة
DQ3​Q3​DQ2​Q2​DQ1​Q1​DQ0​Q0​CLKJOHNSON

عدّاد جونسون من 4 بتّات Q₃Q₂Q₁Q₀ يبدأ من 0000. عند كل حافة ساعة تنزاح البتّات مكانًا واحدًا إلى اليمين (Q₃ → Q₂ → Q₁ → Q₀) ويتلقى Q₃ معكوس Q₀. أعطِ الحالة Q = Q₃Q₂Q₁Q₀ كعدد عشري بعد 7 حافة ساعة.

Q₃Q₂Q₁Q₀ = 00007
Q =
29.تحويلات لابلاسمتوسطة
ReIm−2−4−6−8−10

F(s) = (3s + 30)/(s² + 9s + 8). تحويله العكسي على الصورة f(t) = A·e−t + B·e−8t. أوجد المعامل A بالكسور الجزئية.

F(s) = (3s + 30)/(s² + 9s + 8)
A =
30.تحويلات لابلاسصعبة
t (s)y(t)t = 0,2y(0,2) = ?

حلّ y″ + 11y′ + 30y = 0 مع y(0) = 5 و y′(0) = 6 باستخدام تحويل لابلاس، وأوجد y(0,2).

y″ + 11y′ + 30y = 0y(0) = 5y′(0) = 6t = 0,2 s
y(0.2) =
31.المخططات الصندوقيةمتوسطة
R(s)+34s(s + 6)G(s)C(s)−

حلقة تغذية راجعة سالبة أحادية لها G(s) = 34/(s(s + 6)). المرجع منحدر r(t) = 2·t. أوجد خطأ الحالة المستقرة ess.

G(s) = 34/(s(s + 6))r(t) = 2·t
ess =
32.المخططات الصندوقيةصعبة
R(s)+3s + 4G₁+5s + 8G₂C(s)2H₁−0,2H₂−

اختزل المخطط الصندوقي مع G₁ = 3/(s + 4) و G₂ = 5/(s + 8) وتغذية راجعة سالبة داخلية H₁ = 2 حول G₂ وتغذية راجعة سالبة خارجية H₂ = 0,2. أوجد كسب التيار المستمر T(0) للنسبة C(s)/R(s).

G₁ = 3/(s + 4)G₂ = 5/(s + 8)H₁ = 2H₂ = 0,2
T(0) =
33.الاستجابة الخطويةمتوسطة
t (s)y(t)2?

لنظام دالة النقل G(s) = 120/(s² + 7s + 60) ويتلقى دخلًا خطويًا وحدويًا. أوجد النسبة المئوية للتجاوز %OS في الاستجابة الخطوية.

G(s) = 120/(s² + 7s + 60)
%OS = %
34.الاستجابة الخطويةصعبة
k = 400 N/mc = 9 N·s/mm = 2,5 kgF = 50 Nx(t)

كتلة m = 2,5 kg معلّقة بنابض k = 400 N/m مع مخمّد لزج c = 9 N·s/m (m·x″ + c·x′ + k·x = F). وهي ساكنة في وضع الاتزان، تُطبَّق عليها فجأةً قوة ثابتة F = 50 N. أوجد الزمن tp الذي تبلغ عنده الإزاحة أكبر قيمة.

m = 2,5 kgk = 400 N/mc = 9 N·s/mF = 50 N
tp = s
35.مخططات بودي والهوامشمتوسطة
vin​R = 4,7 kΩC = 10 nFvout​

لـ مرشح RC لتمرير الترددات المنخفضة الموضح R = 4,7 kΩ, C = 10 nF. يُطبَّق دخل جيبي مقداره 17 kHz. أوجد إزاحة الطور φ للجهد vout بالنسبة إلى vin، بالدرجات.

R = 4,7 kΩC = 10 nFf = 17 kHz
φ = °
36.مخططات بودي والهوامشصعبة
|H| (dB)11101010010010001000−80−60−40−2002040ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−180−135−90−450ωc​

حلقة تغذية عكسية وحدوية دالة نقلها المفتوحة L(s) = 480/(s(s + 20)). أوجد هامش الطور PM بالدرجات.

L(s) = 480/(s(s + 20))
PM = °
37.الاستقرار: راوث–هرفيتز والمحل الهندسي للجذورمتوسطة
R(s)+Ks + 7s(s + 2)(s + 3)C(s)−

لحلقة تغذية عكسية وحدوية L(s) = K(s + 7)/(s(s + 2)(s + 3)) مع K > 0. أوجد أكبر كسب Kmax تكون الحلقة المغلقة عنده مستقرة.

L(s) = K(s + 7)/(s(s + 2)(s + 3))
Kmax =
38.الاستقرار: راوث–هرفيتز والمحل الهندسي للجذورصعبة
ReImζ = 0,8−2−4−6−8−10−12j2j4

رُسم المحل الهندسي للجذور لـ L(s) = K/(s(s + 10)). أوجد الكسب K الذي تكون عنده نسبة التخميد لأقطاب الحلقة المغلقة ζ = 0,8.

L(s) = K/(s(s + 10))ζ = 0,8
K =
39.خطأ الحالة المستقرة والتحكم PIDمتوسطة
R(s)+K = 100,55s + 1C(s)−

تُضبط عملية G(s) = 0,5/(5s + 1) بواسطة كسب تناسبي K = 10 ضمن حلقة تغذية عكسية وحدوية. أوجد خطأ الحالة المستقرة ess لخطوة، كنسبة مئوية من حجم الخطوة.

G(s) = 0,5/(5s + 1)K = 10
ess = %
40.خطأ الحالة المستقرة والتحكم PIDصعبة
R(s)+K = 2510s(s + 6)C(s)−

يتحكم متحكم تناسبي K = 25 في المحطة G(s) = 10/(s(s + 6)) ضمن حلقة تغذية عكسية وحدوية. أوجد النسبة المئوية للتجاوز %OS في الاستجابة الخطوية.

G(s) = 10/(s(s + 6))K = 25
%OS = %

3المحاليل

1.المقاومات على التوالي والتوازي

الإجابة: Req = 9,111 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​ = 6 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​12 VR2​4 ΩAR4​12 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 = 2 + 12 = 14 Ω
R2 ∥ 14 = 4·14/(4+14) = 3,111 Ω
Req = R1 + 3,111 = 6 + 3,111 = 9,111 Ω

الإجابة

Req = 9,111 Ω
2.المقاومات على التوالي والتوازي

الإجابة: IR1 = 0,7364 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​ = 30 ΩR3​ = 2 ΩR5​ = 30 Ω+−V1​24 VR2​4 ΩAR4​6 ΩBR6​20 Ω

اجمع المقاومات بدءًا من الطرف البعيد

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

R5 + R6 = 30 + 20 = 50 Ω
R4 ∥ 50 = 5,357 Ω
R3 + 5,357 = 7,357 Ω
R2 ∥ 7,357 = 2,591 Ω
Req = R1 + 2,591 = 30 + 2,591 = 32,59 Ω

التيار من المصدر

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

IR1 = V1/Req = 24/32,59 = 0,7364 A

الإجابة

IR1 = 0,7364 A
3.تحليل العقد

الإجابة: I3 = −1,935 A

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

قانون كيرشوف للتيار عند العقدة A

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

(VA − 10)/10 + (VA − 18)/6 + VA/4 = 0

حلّ لإيجاد VA

VA = (10/10 + 18/6 + 0/4) / (1/10 + 1/6 + 1/4) = 4/0,5167 = 7,742 V

تيار الفرع

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

I3 = (0 − VA)/R3 = (0 − 7,742)/4 = −1,935 A

الإجابة

I3 = −1,935 A

النتيجة السالبة تعني أن التيار الفعلي يجري عكس السهم.

4.تحليل العقد

الإجابة: IR2 = 2,573 A

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

R1​ = 8 ΩR2​ = 8 ΩR4​ = 4 Ω+−V1​36 VR3​6 ΩAR5​15 ΩBIs​2 A−+V2​36 V

حدّد العقد

الأرضي هو السلك السفلي. جهود العقد المعروفة تأتي مباشرة من المصادر (V1 = 36 V, V2 = −36 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 − 36)/8 + (VA − VB)/8 = 0
0,4167·VA − 0,125·VB = 4,5

قانون كيرشوف للتيار عند العقدة B

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

VB/R5 + (VB − VA)/R2 + (VB − V2)/R4 = Is
VB/15 + (VB − VA)/8 + (VB − (−36))/4 = 2
−0,125·VA + 0,4417·VB = −7

الحل

Δ = (0,4167)(0,4417) − (−0,125)(−0,125) = 0,1684
VA = Δ1/Δ = 1,112/0,1684 = 6,606 V
VB = Δ2/Δ = −2,354/0,1684 = −13,98 V

الإجابة

IR2 = (VA − VB)/R2 = (6,606 − −13,98)/8 = 2,573 A
5.تحليل الحلقات

الإجابة: IR2 = 0,4865 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​ = 6 Ω+−V1​18 VR3​5 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
4·I1 + 5(I1 − I2) = 18
9·I1 − 5·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
6·I2 + 5(I2 − I1) = (−6)
−5·I1 + 11·I2 = −6

الحل

Δ = (9)(11) − (−5)(−5) = 74
I1 = Δ1/Δ = 168/74 = 2,27 A
I2 = Δ2/Δ = 36/74 = 0,4865 A

الإجابة

IR2 = I2 = 0,4865 A

تيار الحلقة السالب يسري عكس عقارب الساعة.

6.تحليل الحلقات

الإجابة: VR4 = 2,718 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​ = 6 ΩR2​ = 10 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​5 VR4​10 ΩAR5​5 ΩB+−V2​6 VI1​I2​I3​

عيّن تيارات الحلقات

ارسم في كل نافذة تيارًا باتجاه عقارب الساعة: I1, I2, I3. المقاومة المشتركة بين حلقتين تحمل الفرق بين تياريهما.

قانون كيرشوف للجهد حول الحلقة 1

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

R1·I1 + R4(I1 − I2) = V1
6·I1 + 10(I1 − I2) = 5
16·I1 − 10·I2 = 5

قانون كيرشوف للجهد حول الحلقة 2

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

R2·I2 + R4(I2 − I1) + R5(I2 − I3) = 0
10·I2 + 10(I2 − I1) + 5(I2 − I3) = 0
−10·I1 + 25·I2 − 5·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
20·I3 + 5(I3 − I2) = (−6)
−5·I2 + 25·I3 = −6

الحل

Δ = محدد مصفوفة المعاملات = 7100
I1 = Δ1/Δ = 2700/7100 = 0,3803 A
I2 = Δ2/Δ = 770/7100 = 0,1085 A
I3 = Δ3/Δ = −1550/7100 = −0,2183 A

الإجابة

IR4 = I1 − I2 = 0,2718 A
VR4 = IR4·R4 = 0,2718·10 = 2,718 V

تيار الحلقة السالب يسري عكس عقارب الساعة.

7.التراكب

الإجابة: IR1 = 1,179 A

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

R1​ = 12 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​24 VR2​4 ΩAR4​8 ΩBمفتوح

الحالة 1 · V1 يعمل وحده

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

R3+R4 = 3+8 = 11 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 4·11/(4+11) = 2,933 Ω
VA = 24·2,933/(12+2,933) = 4,714 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 4,714·8/11 = 3,429 V
IR1′ = (V1 − VA)/R1 = (24 − 4,714)/12 = 1,607 A
R1​ = 12 ΩR3​ = 3 ΩقصرR2​4 ΩAR4​8 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 = 12·4/(12+4) = 3 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 8 ∥ 6 = 3,429 Ω
VB = Is·Req = 3·3,429 = 10,29 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 10,29·3/6 = 5,143 V
IR1″ = (V1 − VA)/R1 = (0 − 5,143)/12 = −0,4286 A

اجمع المساهمات

IR1 = IR1′ + IR1″
IR1 = 1,607 + (−0,4286) = 1,179 A

النتيجة السالبة تعني أن التيار يسري عكس السهم في الواقع.

8.التراكب

الإجابة: IR4 = −1,879 A

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

R1​ = 15 ΩR2​ = 10 ΩR4​ = 6 Ω+−V1​18 VR3​25 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) = 25 ∥ 16 = 9,756 Ω
VA = 18·9,756/(15+9,756) = 7,094 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 7,094·6/16 = 2,66 V
IR4′ = (V2 − VB)/R4 = (0 − 2,66)/6 = −0,4433 A
R1​ = 15 ΩR2​ = 10 ΩR4​ = 6 ΩقصرR3​25 ΩAIs​2,5 ABقصر

الحالة 2 · Is يعمل وحده

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

R1 ∥ R3 = 9,375 Ω، إذن المسار الأيسر هو R2+9,375 = 19,38 Ω
Req = R4 ∥ 19,38 = 4,581 Ω
VB = Is·Req = 2,5·4,581 = 11,45 V
VA = VB·9,375/19,38 = 5,542 V
IR4″ = (V2 − VB)/R4 = (0 − 11,45)/6 = −1,909 A
R1​ = 15 ΩR2​ = 10 ΩR4​ = 6 ΩقصرR3​25 ΩAمفتوحB+−V2​12 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 = 15·25/(15+25) = 9,375 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = 12·19,38/25,38 = 9,163 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = 9,163·9,375/19,38 = 4,433 V
IR4‴ = (V2 − VB)/R4 = (12 − 9,163)/6 = 0,4729 A

اجمع المساهمات

IR4 = IR4′ + IR4″ + IR4‴
IR4 = (−0,4433) + (−1,909) + 0,4729 = −1,879 A

النتيجة السالبة تعني أن التيار يسري عكس السهم في الواقع.

9.ثيفنن ونورتن

الإجابة: IL = 0,4478 A

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

R1​ = 6 ΩR3​ = 4 ΩقصرR2​20 ΩAabRth​

أوجد Rth مع إطفاء كل المصادر

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

R1 ∥ R2 = 6·20/(6+20) = 4,615 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 4,615 + 4 = 8,615 Ω
R1​ = 6 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​12 VR2​20 ΩAab+−Vth​

أوجد Vth، جهد الدائرة المفتوحة

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

Vth = V1·R2/(R1+R2) = 12·20/(6+20) = 9,231 V
Rth​ = 8,615 Ω+−Vth​9,231 VRL​12 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) = 9,231/(8,615 + 12) = 0,4478 A
10.ثيفنن ونورتن

الإجابة: IL = 4,552 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​ = 15 ΩR3​ = 30 ΩقصرR2​25 ΩAمفتوحBabRth​

أوجد Rth مع إطفاء كل المصادر

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

R1 ∥ R2 = 15·25/(15+25) = 9,375 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 9,375 + 30 = 39,38 Ω
R1​ = 15 ΩR3​ = 30 Ω+−V1​18 VR2​25 ΩAIs​6 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) = 11,25 + 6·9,375 = 67,5 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 67,5 + 6·30 = 247,5 V
Rth​ = 39,38 Ω+−Vth​247,5 VRL​15 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) = 247,5/(39,38 + 15) = 4,552 A
11.الحالات العابرة RC و RL

الإجابة: t = 0,5991 ms

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

الثابت الزمني والتيار النهائي

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

τ = L/R = 10 mH / 50 Ω = 0,2 ms
i(∞) = Vs/R = 6/50 = 0,12 A

حلّ لإيجاد الزمن

0,95 = 1 − e−t/τ → t = −τ·ln(1 − 0,95)
t = −0,2·ln(0,05) = 0,5991 ms

الإجابة

t = 0,5991 ms
12.الحالات العابرة RC و RL

الإجابة: i = 1,008 A

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

القيمة الابتدائية، القيمة النهائية، الثابت الزمني

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

i(0) = 20/10 = 2 A
i(∞) = 20/(10 + 20) = 0,6667 A
τ = L/R = 22/30 = 0,7333 ms
i(t) = 0,6667 + (2 − 0,6667)·e−t/τ

التيار في اللحظة المعطاة

i(1) = 0,6667 + (1,333)·e−1/0,7333 = 1,008 A

الإجابة

i = 1,008 A
13.معاوقة التيار المتردد والطوريات

الإجابة: C = 140,7 µF

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|.

شرط الرنين

عند الرنين تُلغي المفاعلتان الحثية والسعوية بعضهما: ωL = 1/(ωC).

ω₀ = 2π·60 = 377 rad/s
C = 1/(ω₀²·L) = 1/(377²·0,05) = 140,7 µF

الإجابة

C = 140,7 µF
14.معاوقة التيار المتردد والطوريات

الإجابة: I = 2,978 A

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

المفاعلات

ω = 2πf = 2π·500 = 3142 rad/s
XL = ωL = 3142·0,02 = 62,83 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(3142·4,7·10⁻⁶) = 67,73 Ω

المعاوقة

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

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(40² + (−4,894)²) = 40,3 Ω

التيار

يمرّ التيار نفسه في كل عنصر من عناصر دائرة التوالي.

I = V/|Z| = 120/40,3 = 2,978 A

الإجابة

I = 2,978 A
15.قدرة التيار المتردد ومعامل القدرة

الإجابة: I = 22,45 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 لكل حِمل

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

Q1 = 2·tan(arccos 0,75) = 1,764 kvar
Q2 = 2·tan(arccos 0,8) = 1,5 kvar

المجاميع

P = 2 + 2 = 4 kW
Q = 1,764 + 1,5 = 3,264 kvar
S = √(4² + 3,264²) = 5,163 kVA

التيار الكلي

I = S/V = 5163/230 = 22,45 A

الإجابة

I = 22,45 A
16.قدرة التيار المتردد ومعامل القدرة

الإجابة: ΔP = 88,14 kW

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 للحِمل الموجود

Q1 = 50·tan(arccos 0,65) = 58,46 kvar

أكبر قدرة فعلية كلية

عند القدرة الاسمية الكاملة S = Smax، و Q لا يتغيّر بالحِمل المقاومي.

P = √(Smax² − Q1²) = √(150² − 58,46²) = 138,1 kW

القدرة الفعلية الإضافية

ΔP = 138,1 − 50 = 88,14 kW

الإجابة

ΔP = 88,14 kW
17.القدرة ثلاثية الطور

الإجابة: P = 110 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 = √3·690·100 = 119,5 kVA

القدرة الفعلية

P = S·cos φ = 119,5·0,92 = 110 kW

الإجابة

P = 110 kW
18.القدرة ثلاثية الطور

الإجابة: QC = 241,5 kvar

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

القدرة غير الفعّالة قبل وبعد

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

Q1 = 250·tan(acos 0,65) = 250·1,169 = 292,3 kvar
Q2 = 250·tan(acos 0,98) = 250·0,2031 = 50,76 kvar

القدرة غير الفعّالة من المكثّفات

QC = Q1 − Q2 = 241,5 kvar

الإجابة

QC = 241,5 kvar
19.المحوّلات

الإجابة: R1′ = 200 Ω

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

المقاومة المحوَّلة

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

R1′ = a²·RL = 2²·50 = 200 Ω

الإجابة

R1′ = 200 Ω
20.المحوّلات

الإجابة: Ploss = 481,3 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 = 0,5625·500 = 281,3 W

المفقودات الكلية

مفقودات القلب هي نفسها عند أي حمل.

Ploss = 200 + 281,3 = 481,3 W

الإجابة

Ploss = 481,3 W

الكفاءة عند هذا الحمل η = 98,51%.

21.دوائر مكبّرات العمليات

الإجابة: Vout = 6,7 V

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

الجهد عند الدخل +

V₊ = Vin·Rb/(Ra + Rb) = 4·2/(2 + 2) = 2 V

الكسب غير العاكس

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

Vout = V₊·(1 + Rf/R1) = 2·(1 + 4,7/2) = 6,7 V

الإجابة

Vout = 6,7 V
22.دوائر مكبّرات العمليات

الإجابة: Vout = −0,3785 V

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

الجهد عند الدخل +

V₊ = V2·R4/(R3 + R4) = 0,7·4,7/(4,7 + 4,7) = 0,35 V

طبّق التراكب على الدخلين

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

Vout = −(4,7/10)·1,9 + (1 + 4,7/10)·0,35 = −0,893 + 0,5145 = −0,3785 V

الإجابة

Vout = −0,3785 V
23.الثنائيات والترانزستورات

الإجابة: IC = 2,145 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)/1000 kΩ = 14,3 µA

تيار المجمِّع

IC = β·IB = 150·14,3 µA = 2,145 mA

الإجابة

IC = 2,145 mA

تحقّق: VCE = 11,78 V أعلى بوضوح من 0,2 V، لذا الترانزستور فعلًا في المنطقة الفعّالة.

24.الثنائيات والترانزستورات

الإجابة: RB = 0,7288 kΩ

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

تيار المجمِّع في التشبّع

IC(sat) = (12 − 0,2)/100 = 118 mA

أدنى تيار قاعدة

IB(min) = IC(sat)/β = 118/80 = 1475 µA

تيار القاعدة التصميمي

IB = 4·1475 µA = 5900 µA

مقاومة القاعدة

RB = (5 − 0,7)/IB = 4,3 V/5,9 mA = 0,7288 kΩ

الإجابة

RB = 0,7288 kΩ
25.أنظمة العد

الإجابة: N = 11

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.

8 + 2 + 1 = 11

الإجابة

N = 11
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

الإزاحة إلى اليسار بمقدار 2 تنقل كل بت 2 مواضع إلى اليسار؛ وتُفقد البتات التي تسقط من الطرف الأيسر وتدخل أصفار من اليمين.

1110 0000 << 2
= 1000 0000

قيمة الناتج

1000 0000₂ = 128

الإجابة

R = 128
27.المنطق الرقمي: البوابات وخرائط كارنو والقلّابات

الإجابة: AB = 11, CD = 10

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.

جيران كل 1

يمكن لـ 1 له جار 1 أن ينضم إلى مجموعة من اثنين أو أكثر.

m14: m15, m12, m10, m6 → 0
ABCD00011110000111101111111

الـ 1 المعزول

m14 = ABCD′ → AB = 11, CD = 10

الإجابة

AB = 11, CD = 10
28.المنطق الرقمي: البوابات وخرائط كارنو والقلّابات

الإجابة: Q = 1

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.

الحالة بعد كل حافة

0000 → 1000 → 1100 → 1110 → 1111 → 0111 → 0011 → 0001

القيمة العشرية

0001₂ = 1

الإجابة

Q = 1
29.تحويلات لابلاس

الإجابة: A = 3,857

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 + 9s + 8 = (s + 1)(s + 8)
F(s) = A/(s + 1) + B/(s + 8)

قاعدة التغطية

اضرب في (s + 1) وضع s = −1: يختفي حدّ B.

A = (3s + 30)/(s + 8) |s = −1 = 27/7 = 3,857

الإجابة

A = 3,857
(B = −0,8571، لذا f(t) = 3,857·e−t − 0,8571·e−8t)
30.تحويلات لابلاس

الإجابة: y(0.2) = 3,907

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

حوّل المعادلة

s²Y − 5s − 6 + 11(sY − 5) + 30Y = 0
Y(s) = (5s + 61)/((s + 5)(s + 6))

الكسور الجزئية

A = 36/1 = 36
B = 31/(−1) = −31

النتيجة

y(t) = 36·e−5t − 31·e−6t
y(0,2) = 3,907

الإجابة

y(0,2) = 3,907

تحقّق: y(0) = A + B = 5.

31.المخططات الصندوقية

الإجابة: ess = 0,3529

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

ثابت خطأ السرعة

Kᵥ = lims→0 s·G(s) = 34/6 = 5,667

خطأ الحالة المستقرة

ess = A/Kᵥ = 2/5,667 = 0,3529

الإجابة

ess = 0,3529
32.المخططات الصندوقية

الإجابة: T(0) = 0,2

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

الحلقة الداخلية

Gᵢ = G₂/(1 + G₂H₁) = 5/(s + 18)

الحلقة الخارجية

T(s) = G₁Gᵢ/(1 + G₁GᵢH₂) = 15/((s + 4)(s + 18) + 3)

كسب التيار المستمر

T(0) = 15/(4·18 + 3) = 15/75 = 0,2

الإجابة

T(0) = 0,2
33.الاستجابة الخطوية

الإجابة: %OS = 20,37 %

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 = 60 → ωₙ = 7,746 rad/s
2ζωₙ = 7 → ζ = 7/(2·7,746) = 0,4518

النتيجة

%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 100·e−1,591 = 20,37 %

الإجابة

%OS = 20,37 %
34.الاستجابة الخطوية

الإجابة: tp = 0,2509 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).

التردد الطبيعي ونسبة التخميد

ωₙ = √(k/m) = √(400/2,5) = 12,65 rad/s
ζ = c/(2√(km)) = 9/(2·√(400·2,5)) = 0,1423

النتيجة

ωd = 12,52 rad/s
tp = π/ωd = 0,2509 s

الإجابة

tp = 0,2509 s
35.مخططات بودي والهوامش

الإجابة: φ = −78,73 °

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

تردد الركن

ωc = 1/(RC) = 1/(4700·1 × 10⁻⁸) = 21277 rad/s
fc = 3386 Hz → f/fc = 17000/3386 = 5,02

الطور

φ = − atan(5,02) = −78,73°

الإجابة

φ = −78,73°
36.مخططات بودي والهوامش

الإجابة: PM = 48,19 °

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 الكسب

ω⁴ + 400ω² − 230400 = 0
ω² = (−400 + √(160000 + 4·230400))/2 = 320
ωc = 17,89 rad/s

هامش الطور

∠L(jωc) = −90° − atan(17,89/20) = −131,8°
PM = 180° + ∠L = 48,19°

الإجابة

PM = 48,19°
37.الاستقرار: راوث–هرفيتز والمحل الهندسي للجذور

الإجابة: Kmax = 15

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

كثير الحدود المميِّز

s(s + 2)(s + 3) + K(s + 7) = s³ + 5s² + (6 + K)s + 7K

جدول روث

s³: 1, 6 + K
s²: 5, 7K
s¹: (5·(6 + K) − 7K)/5
s⁰: 7K

الشرط

30 − 2K > 0
K < 30/2 = 15

الإجابة

Kmax = 15

لو وقع الصفر على يمين s = −5 لبقيت الحلقة مستقرة لكل K > 0.

38.الاستقرار: راوث–هرفيتز والمحل الهندسي للجذور

الإجابة: K = 39,06

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
2·0,8·ωₙ = 10 → ωₙ = 6,25 rad/s

الكسب

K = ωₙ² = 6,25² = 39,06

الإجابة

K = 39,06

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

39.خطأ الحالة المستقرة والتحكم PID

الإجابة: ess = 16,67 %

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 الموضع

Kp = 10·0,5 = 5

خطأ الخطوة

ess = 100/(1 + 5) = 16,67 %

الإجابة

ess = 16,67 %
40.خطأ الحالة المستقرة والتحكم PID

الإجابة: %OS = 54,49 %

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 + 6) + 25·10 = s² + 6s + 250

ωₙ وζ

ωₙ = √250 = 15,81 rad/s
ζ = 6/(2·15,81) = 0,1897

التجاوز

%OS = 100·e−0,1897π/√(1 − 0,1897²) = 54,49 %

الإجابة

%OS = 54,49 %

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