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​ = 3 ΩIR1​R3​ = 10 Ω+−V1​30 VR2​5 ΩAR4​15 ΩB

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

V1 = 30 VR1 = 3 ΩR2 = 5 ΩR3 = 10 ΩR4 = 15 Ω
IR1 = A
2.المقاومات على التوالي والتوازيصعبة
R1​ = 4 ΩR3​ = 2 ΩR5​ = 3 Ω+−V1​18 VR2​8 ΩAR4​5 ΩBR6​25 Ω

أوجد المقاومة المكافئة Req التي يراها المصدر V1.

V1 = 18 VR1 = 4 ΩR2 = 8 ΩR3 = 2 ΩR4 = 5 ΩR5 = 3 ΩR6 = 25 Ω
Req = Ω
3.تحليل العقدمتوسطة
R1​12 Ω+−V1​30 VR2​3 Ω+−V2​30 VR3​8 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 = 30 VR1 = 12 ΩV2 = 30 VR2 = 3 ΩR3 = 8 Ω
I3 = A
4.تحليل العقدصعبة
R1​ = 10 ΩIR1​R2​ = 2 ΩR4​ = 3 Ω+−V1​36 VR3​4 ΩAR5​12 ΩBIs​2,5 A+−V2​5 V

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

V1 = 36 VIs = 2,5 AV2 = 5 VR1 = 10 ΩR2 = 2 ΩR3 = 4 ΩR4 = 3 ΩR5 = 12 Ω
IR1 = A
5.تحليل الحلقاتمتوسطة
R1​ = 15 ΩR2​ = 3 Ω+−V1​12 VR3​12 ΩIR3​A+−V2​18 VI1​I2​

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

V1 = 12 VV2 = 18 VR1 = 15 ΩR2 = 3 ΩR3 = 12 Ω
IR3 = A
6.تحليل الحلقاتصعبة
R1​ = 10 ΩR2​ = 2 ΩIR2​R3​ = 10 Ω+−V1​18 VR4​8 ΩAR5​25 ΩB+−V2​10 VI1​I2​I3​

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

V1 = 18 VV2 = 10 VR1 = 10 ΩR2 = 2 ΩR3 = 10 ΩR4 = 8 ΩR5 = 25 Ω
IR2 = A
7.التراكبمتوسطة
R1​ = 4 ΩR3​ = 10 ΩIR3​+−V1​24 VR2​20 ΩAR4​10 ΩBIs​?

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

V1 = 24 VR1 = 4 ΩR2 = 20 ΩR3 = 10 ΩR4 = 10 Ω
Is = A
8.التراكبصعبة
R1​ = 12 ΩR2​ = 2 ΩR4​ = 2 Ω+−V1​30 VR3​4 ΩIR3​AIs​6 AB−+V2​24 V

استخدم مبدأ التراكب لإيجاد القدرة PR3 التي يمتصها R3.

V1 = 30 VIs = 6 AV2 = 24 VR1 = 12 ΩR2 = 2 ΩR3 = 4 ΩR4 = 2 Ω
PR3 = W
9.ثيفنن ونورتنمتوسطة
R1​ = 10 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​15 VR2​15 ΩAab

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

V1 = 15 VR1 = 10 ΩR2 = 15 ΩR3 = 3 Ω
IN = A
10.ثيفنن ونورتنصعبة
R1​ = 20 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​24 VR2​15 ΩAIs​3 ABab

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

V1 = 24 VIs = 3 AR1 = 20 ΩR2 = 15 ΩR3 = 4 Ω
IN = A
11.الحالات العابرة RC و RLمتوسطة
+−Vs​20 Vt = 0R1​ = 1 kΩR2​ = 10 kΩC10 µF+−vC​

يشحن المصدر Vₛ المكثّف عبر R₁، و R₂ موصول على التوازي مع C. المكثّف غير مشحون عندما يُغلق المفتاح عند t = 0. أوجد جهد المكثّف vC عند t = 20 ms.

Vs = 20 VR1 = 1 kΩR2 = 10 kΩC = 10 µFt = 20 ms
vC = V
12.الحالات العابرة RC و RLصعبة
+−Vs​9 Vt = 0R = 1 kΩC220 µF+−vC​vC​(0) = 20 V

قبل إغلاق المفتاح عند t = 0 مباشرة، يكون جهد المكثّف 20 V بالقطبية الموضّحة. أوجد جهد المكثّف vC عند t = 300 ms.

Vs = 9 VR = 1 kΩC = 220 µFvC(0) = 20 Vt = 300 ms
vC = V
13.معاوقة التيار المتردد والطورياتمتوسطة
230 V200 HzR = 30 ΩL = 250 mHC = 2,2 µFI

دائرة RLC على التوالي موصولة بمصدر 230 V (فعّال)، 200 Hz. أوجد معامل القدرة cos φ للدائرة.

V = 230 V (rms)f = 200 HzR = 30 ΩL = 250 mHC = 2,2 µF
cos φ =
14.معاوقة التيار المتردد والطورياتصعبة
230 V50 HzR = 100 ΩL = 50 mHC = 47 µF+−VC​

دائرة RLC على التوالي موصولة بمصدر 230 V (فعّال)، 50 Hz. أوجد الجهد الفعّال VC على المكثّف.

V = 230 V (rms)f = 50 HzR = 100 ΩL = 50 mHC = 47 µF
VC = V
15.قدرة التيار المتردد ومعامل القدرةمتوسطة
120 VZ12 + j5 ΩI

حِمل معاوقته Z = 12 + j5 Ω موصول بمصدر أحادي الطور 120 V (فعّال). أوجد القدرة الفعلية P التي يمتصها.

V = 120 VZ = 12 + j5 Ω
P = W
16.قدرة التيار المتردد ومعامل القدرةصعبة
P = 45 kWQ1​S1​φ1​QC​

يستهلك حِمل أحادي الطور 45 kW بمعامل قدرة 0,6 متأخّر من مصدر 400 V، 50 Hz. يرفع مكثّف موصول على التوازي معامل القدرة إلى 0,92. أوجد السعة C اللازمة.

P = 45 kWpf1 = 0,6pf2 = 0,92V = 400 Vf = 50 Hz
C = µF
17.القدرة ثلاثية الطورمتوسطة
ABCVL​ = 415 VIL​ = 30 Acos φ = 0,95متأخر

حمل ثلاثي الطور متوازن يسحب تيار خط مقداره 30 A من مصدر جهد خطه 415 V. معامل القدرة 0,95 متأخر. أوجد القدرة الفعّالة الكلية P التي يسحبها الحمل بالـ kW.

VL = 415 VIL = 30 Acos φ = 0,95
P = kW
18.القدرة ثلاثية الطورصعبة
P = 150 kWφ1​S1​Q2​QC​ = ?

حمل ثلاثي الطور متوازن يأخذ 150 kW عند معامل قدرة 0,65 متأخر من مصدر 400 V (جهد خط) و 50 Hz. يجب أن ترفع مجموعة مكثّفات ثلاثية الطور موصولة على التوازي مع الحمل معامل القدرة الكلي إلى 0,95 متأخر. تبقى القدرة الفعّالة كما هي. أوجد القدرة غير الفعّالة الكلية QC التي يجب أن تقدّمها مجموعة المكثّفات، بالـ kvar.

P = 150 kWpf1 = 0,65pf2 = 0,95VL = 400 Vf = 50 Hz
QC = kvar
19.المحوّلاتمتوسطة
2400 V240 VIHV​ = ?ILV​15 kVA

محوّل أحادي الطور 15 kVA و 2400/240 V يعمل عند حمله المقنَّن. اعتبره مثاليًا. أوجد التيار IHV في ملف الجهد العالي.

S = 15 kVAV1 = 2400 VV2 = 240 V
IHV = A
20.المحوّلاتصعبة
150 kVA

محوّل أحادي الطور 150 kVA مفقودات قلبه 750 W ومفقودات نحاسه 3000 W عند الحمل المقنَّن. عند أي حمل Sη,max، بالـ kVA، تكون كفاءته في أعلاها؟

S = 150 kVAPcore = 750 WPcu,fl = 3000 W
Sη,max = kVA
21.دوائر مكبّرات العملياتمتوسطة
−+Vout​Rf​ = 4,7 kΩR1​ = 1 kΩVin​ = −2 V

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

Vin = −2 VR1 = 1 kΩRf = 4,7 kΩ
Vout = V
22.دوائر مكبّرات العملياتصعبة
Vin​V1​Vout​المرحلة 1: عاكسR1​ = 1 kΩRf1​ = 1 kΩالمرحلة 2: غير عاكسR2​ = 4,7 kΩRf2​ = 47 kΩ

مرحلتا مكبّر عمليات مثاليتان موصولتان على التتالي: مكبّر عاكس (R1، Rf1) يليه مكبّر غير عاكس (R2 إلى الأرضي، Rf2 في التغذية الراجعة). كلتاهما تعملان من مصدرَي تغذية ±15 V. الدخل Vin = 0,2 V. أوجد جهد الخرج Vout.

R1 = 1 kΩRf1 = 1 kΩR2 = 4,7 kΩRf2 = 47 kΩVin = 0,2 V
Vout = V
23.الثنائيات والترانزستوراتمتوسطة
RC​ = 1 kΩβ = 120RE​ = 1,5 kΩVCC​ = 18 VR1​ = 68 kΩR2​ = 10 kΩ

ترانزستور NPN بـ β = 120 منحاز بمقسّم جهد من VCC = 18 V: R₁ = 68 kΩ من VCC إلى القاعدة و R₂ = 10 kΩ من القاعدة إلى الأرضي. مقاومة المجمِّع RC = 1 kΩ ومقاومة الباعث RE = 1,5 kΩ. خذ VBE = 0,7 V واستخدم مكافئ ثيفنن للمقسّم (لا تُهمل تيار القاعدة). أوجد جهد المجمِّع–الباعث VCE.

VCC = 18 VR1 = 68 kΩR2 = 10 kΩRC = 1 kΩRE = 1,5 kΩβ = 120
VCE = V
24.الثنائيات والترانزستوراتصعبة
RC​ = 150 Ωβ = 150VCC​ = 24 V3,3 VRB​ = ?

ترانزستور NPN بـ β = 150 يتحكّم بمقاومة حمل 150 Ω موصولة بين VCC = 24 V ومجمِّعه. الباعث موصول بالأرضي. تُغذّى القاعدة من خرج منطقي 3,3 V عبر مقاومة قاعدة RB. خذ VBE = 0,7 V و VCE(sat) = 0,2 V. أوجد أكبر مقاومة قاعدة RB، بالـ kΩ، التي ما زالت تدفع الترانزستور إلى بداية التشبّع.

VCC = 24 VRC = 150 Ωβ = 150Vin = 3,3 VVBE = 0,7 VVCE(sat) = 0,2 V
RB = kΩ
25.أنظمة العدمتوسطة
المتمم الثنائي ذو 8 بتات0−12806403201608040201

اضبط البتات بحيث تخزن −101 في المتمم الثنائي بـ 8 بتات. إذا قُرئ كعدد بدون إشارة، فما قيمة النمط U؟

N = −1018 bit
U =
26.أنظمة العدصعبة
24 bit1 px640 px480 pxM = ? KiB

صورة غير مضغوطة أبعادها 640 × 480 بكسل و24 بت لكل بكسل. كم تشغل من الذاكرة M بوحدة KiB (1 KiB = 1024 بايت)؟

640 × 480 px24 bit/px1 KiB = 1024 B
M = KiB
27.المنطق الرقمي: البوابات وخرائط كارنو والقلّاباتمتوسطة
ABCD000111100001111011111111

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, 3, 7, 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
CLKJK1234567

قلّاب JK يُحفَّز بالحافة الموجبة يبدأ بـ Q = 0 ويتلقى المداخل المعروضة عند 7 حافة ساعة صاعدة. كم مرة N يغيّر Q حالته؟

Q₀ = 0JK
N =
29.تحويلات لابلاسمتوسطة
t (s)f(t)t = 0,4f(0,4) = ?

أوجد f(t) للدالة F(s) = (s + 27)/(s² + 8s + 16) واحسب f(0,4).

F(s) = (s + 27)/(s² + 8s + 16)t = 0,4 s
f(0.4) =
30.تحويلات لابلاسصعبة
ReIm−55

يُوصف نظام بالمعادلة التفاضلية y″ + 6y′ + 34y = u′ + 5u، مع الدخل u(t) والخرج y(t). أوجد دالة تحويله G(s) = Y(s)/U(s) (شروط ابتدائية صفرية) واحسب استجابة النبضة g(t) عند t = 0,2 s. أوجد g(0,2).

y″ + 6y′ + 34y = u′ + 5ut = 0,2 s
g(0.2) =
31.المخططات الصندوقيةمتوسطة
R(s)+5K+10s + 2G(s)C(s)1H₁−−

للنظام المُتحكَّم فيه G(s) = 10/(s + 2) حلقة تغذية راجعة سالبة داخلية (ثانوية) كسبها H₁ = 1. كسب متحكّم K = 5 وحلقة تغذية راجعة سالبة أحادية خارجية يُغلقان النظام. أوجد كسب التيار المستمر للحلقة المغلقة T(0).

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

النظام المُتحكَّم فيه G(s) = K/(s(s + 7)(s + 10)) في حلقة تغذية راجعة سالبة أحادية. عند أكبر كسب مستقر تتذبذب الحلقة. أوجد تردّد التذبذب ω بوحدة rad/s.

G(s) = K/(s(s + 7)(s + 10))تغذية راجعة سالبة أحادية
ω = rad/s
33.الاستجابة الخطويةمتوسطة
t (s)y(t)3

لنظام دالة النقل G(s) = 96/(s² + 8s + 32) ويتلقى دخلًا خطويًا وحدويًا. أوجد نسبة التخميد ζ.

G(s) = 96/(s² + 8s + 32)
ζ =
34.الاستجابة الخطويةصعبة
R(s)+Ks(s + 12)G(s)C(s)−

لحلقة تغذية عكسية سالبة وحدوية G(s) = K/(s(s + 12)). أوجد الكسب K الذي يعطي استجابة خطوية بتجاوز 15 %.

G(s) = K/(s(s + 12))%OS = 15 %
K =
35.مخططات بودي والهوامشمتوسطة
vin​R = 1000 ΩL = 10 mHvout​

لـ مرشح RL لتمرير الترددات العالية الموضح R = 1000 Ω, L = 10 mH. يُطبَّق دخل جيبي مقداره 4 kHz. أوجد إزاحة الطور φ للجهد vout بالنسبة إلى vin، بالدرجات.

R = 1000 ΩL = 10 mHf = 4 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) = 4/(s(s + 1)(s + 3)). أوجد هامش الكسب GM بوحدة dB.

L(s) = 4/(s(s + 1)(s + 3))
GM = dB
37.الاستقرار: راوث–هرفيتز والمحل الهندسي للجذورمتوسطة
R(s)+Ks + 8s(s + 1)(s + 4)C(s)−

لحلقة تغذية عكسية وحدوية L(s) = K(s + 8)/(s(s + 1)(s + 4)) مع K > 0. أوجد أكبر كسب Kmax تكون الحلقة المغلقة عنده مستقرة.

L(s) = K(s + 8)/(s(s + 1)(s + 4))
Kmax =
38.الاستقرار: راوث–هرفيتز والمحل الهندسي للجذورصعبة
ReIm−0,5−1−1,5−2−2,5−3−3,5−40,5j0,5j1

لـ L(s) = K/((s + 3)(s² + 2s + 2))، أوجد زاوية المغادرة θd للمحل الهندسي للجذور من القطب المركّب في النصف العلوي من المستوى، مقيسة من المحور الحقيقي الموجب.

L(s) = K/((s + 3)(s² + 2s + 2))
θd = °
39.خطأ الحالة المستقرة والتحكم PIDمتوسطة
r(t) = 2t+Ks(s + 5)C(s)−

يجب أن تتبع حلقة تغذية عكسية وحدوية فيها G(s) = K/(s(s + 5)) المنحدر r(t) = 2t بخطأ حالة مستقرة قدره 0,2. أوجد الكسب K.

G(s) = K/(s(s + 5))r(t) = 2tess = 0,2
K =
40.خطأ الحالة المستقرة والتحكم PIDصعبة
R(s)+K = 210s(s + 4)C(s)−

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

G(s) = 10/(s(s + 4))K = 2
ts = s

3المحاليل

1.المقاومات على التوالي والتوازي

الإجابة: IR1 = 4,186 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​ = 3 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​30 VR2​5 ΩAR4​15 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 = 10 + 15 = 25 Ω
R2 ∥ 25 = 5·25/(5+25) = 4,167 Ω
Req = R1 + 4,167 = 3 + 4,167 = 7,167 Ω

التيار من المصدر

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

IR1 = V1/Req = 30/7,167 = 4,186 A

الإجابة

IR1 = 4,186 A
2.المقاومات على التوالي والتوازي

الإجابة: Req = 7,506 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​ = 4 ΩR3​ = 2 ΩR5​ = 3 Ω+−V1​18 VR2​8 ΩAR4​5 ΩBR6​25 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 = 3 + 25 = 28 Ω
R4 ∥ 28 = 4,242 Ω
R3 + 4,242 = 6,242 Ω
R2 ∥ 6,242 = 3,506 Ω
Req = R1 + 3,506 = 4 + 3,506 = 7,506 Ω

الإجابة

Req = 7,506 Ω
3.تحليل العقد

الإجابة: I3 = −2,885 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 − 30)/12 + (VA − 30)/3 + VA/8 = 0

حلّ لإيجاد VA

VA = (30/12 + 30/3 + 0/8) / (1/12 + 1/3 + 1/8) = 12,5/0,5417 = 23,08 V

تيار الفرع

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

I3 = (0 − VA)/R3 = (0 − 23,08)/8 = −2,885 A

الإجابة

I3 = −2,885 A

النتيجة السالبة تعني أن التيار الفعلي يجري عكس السهم.

4.تحليل العقد

الإجابة: IR1 = 2,583 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​ = 10 ΩR2​ = 2 ΩR4​ = 3 Ω+−V1​36 VR3​4 ΩAR5​12 ΩBIs​2,5 A+−V2​5 V

حدّد العقد

الأرضي هو السلك السفلي. جهود العقد المعروفة تأتي مباشرة من المصادر (V1 = 36 V, V2 = 5 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/4 + (VA − 36)/10 + (VA − VB)/2 = 0
0,85·VA − 0,5·VB = 3,6

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/12 + (VB − VA)/2 + (VB − 5)/3 = 2,5
−0,5·VA + 0,9167·VB = 4,167

الحل

Δ = (0,85)(0,9167) − (−0,5)(−0,5) = 0,5292
VA = Δ1/Δ = 5,383/0,5292 = 10,17 V
VB = Δ2/Δ = 5,342/0,5292 = 10,09 V

الإجابة

IR1 = (V1 − VA)/R1 = (36 − 10,17)/10 = 2,583 A
5.تحليل الحلقات

الإجابة: IR3 = 1,172 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​ = 15 ΩR2​ = 3 Ω+−V1​12 VR3​12 ΩA+−V2​18 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
15·I1 + 12(I1 − I2) = 12
27·I1 − 12·I2 = 12

قانون كيرشوف للجهد حول الحلقة 2

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

R2·I2 + R3(I2 − I1) = −V2
3·I2 + 12(I2 − I1) = (−18)
−12·I1 + 15·I2 = −18

الحل

Δ = (27)(15) − (−12)(−12) = 261
I1 = Δ1/Δ = −36/261 = −0,1379 A
I2 = Δ2/Δ = −342/261 = −1,31 A

الإجابة

IR3 = I1 − I2 = 1,172 A

تيار الحلقة السالب يسري عكس عقارب الساعة.

6.تحليل الحلقات

الإجابة: IR2 = 0,06308 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​ = 10 ΩR2​ = 2 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​18 VR4​8 ΩAR5​25 ΩB+−V2​10 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
10·I1 + 8(I1 − I2) = 18
18·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 + R4(I2 − I1) + R5(I2 − I3) = 0
2·I2 + 8(I2 − I1) + 25(I2 − I3) = 0
−8·I1 + 35·I2 − 25·I3 = 0

قانون كيرشوف للجهد حول الحلقة 3

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

R3·I3 + R5(I3 − I2) = −V2
10·I3 + 25(I3 − I2) = (−10)
−25·I2 + 35·I3 = −10

الحل

Δ = محدد مصفوفة المعاملات = 8560
I1 = Δ1/Δ = 8800/8560 = 1,028 A
I2 = Δ2/Δ = 540/8560 = 0,06308 A
I3 = Δ3/Δ = −2060/8560 = −0,2407 A

الإجابة

IR2 = I2 = 0,06308 A

تيار الحلقة السالب يسري عكس عقارب الساعة.

7.التراكب

الإجابة: Is = 2 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​ = 4 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​24 VR2​20 ΩAR4​10 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 = 10+10 = 20 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 20·20/(20+20) = 10 Ω
VA = 24·10/(4+10) = 17,14 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 17,14·10/20 = 8,571 V
IR3′ = (VA − VB)/R3 = (17,14 − 8,571)/10 = 0,8571 A

الحالة 2 · Is يعمل وحده

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

R1 ∥ R2 = 3,333 Ω
IR3″ = −Is·R4/(R4 + R3 + R1∥R2) = −Is·10/23,33 = −0,4286·Is

اجعل المجموع صفرًا

IR3′ + IR3″ = 0,8571 − 0,4286·Is = 0
Is = 0,8571/0,4286 = 2 A

الإجابة

Is = 2 A
8.التراكب

الإجابة: PR3 = 0,1837 W

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

R1​ = 12 ΩR2​ = 2 ΩR4​ = 2 Ω+−V1​30 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 ∥ 4 = 2 Ω
VA = 30·2/(12+2) = 4,286 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 4,286·2/4 = 2,143 V
IR3′ = (VA − 0)/R3 = (4,286 − 0)/4 = 1,071 A
R1​ = 12 ΩR2​ = 2 ΩR4​ = 2 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.

R1 ∥ R3 = 3 Ω، إذن المسار الأيسر هو R2+3 = 5 Ω
Req = R4 ∥ 5 = 1,429 Ω
VB = Is·Req = 6·1,429 = 8,571 V
VA = VB·3/5 = 5,143 V
IR3″ = (VA − 0)/R3 = (5,143 − 0)/4 = 1,286 A
R1​ = 12 ΩR2​ = 2 ΩR4​ = 2 ΩقصرR3​4 ΩAمفتوحB−+V2​24 V

الحالة 3 · V2 يعمل وحده

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

R1 ∥ R3 = 12·4/(12+4) = 3 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = (−24)·5/7 = −17,14 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = −17,14·3/5 = −10,29 V
IR3‴ = (VA − 0)/R3 = (−10,29 − 0)/4 = −2,571 A

اجمع إسهامات التيار

IR3 = IR3′ + IR3″ + IR3‴ = 1,071 + 1,286 + (−2,571) = −0,2143 A

القدرة في المقاومة

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

PR3 = IR3²·R3 = (−0,2143)²·4 = 0,1837 W

الإجابة

PR3 = 0,1837 W

جمع قدرات الحالات المنفصلة يعطي 37,65 W، وهذا خطأ.

9.ثيفنن ونورتن

الإجابة: IN = 1 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​ = 10 ΩR3​ = 3 ΩقصرR2​15 ΩAabRth​

أوجد Rth مع إطفاء كل المصادر

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

R1 ∥ R2 = 10·15/(10+15) = 6 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 6 + 3 = 9 Ω
R1​ = 10 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​15 VR2​15 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) = 15·15/(10+15) = 9 V
IN​1 ARth​9 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 = 9/9 = 1 A
10.ثيفنن ونورتن

الإجابة: IN = −2,182 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​ = 20 ΩR3​ = 4 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 = 20·15/(20+15) = 8,571 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 8,571 + 4 = 12,57 Ω
R1​ = 20 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​24 VR2​15 ΩAIs​3 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) = 10,29 + (−3)·8,571 = −15,43 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = −15,43 + (−3)·4 = −27,43 V
IN​2,182 ARth​12,57 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 = −27,43/12,57 = −2,182 A
11.الحالات العابرة RC و RL

الإجابة: vC = 16,17 V

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

مكافئ ثيفينين كما يراه المكثّف

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

Rth = R1 ∥ R2 = 1·10/(1 + 10) = 0,9091 kΩ
vC(∞) = 20·10/(1 + 10) = 18,18 V

الثابت الزمني

τ = Rth·C = 0,9091·10 = 9,091 ms

منحنى الشحن

vC(t) = 18,18·(1 − e−20/9,091) = 16,17 V

الإجابة

vC = 16,17 V
12.الحالات العابرة RC و RL

الإجابة: vC = 11,81 V

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

القيمة الابتدائية، القيمة النهائية، الثابت الزمني

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

vC(0) = 20 V, vC(∞) = Vs = 9 V
τ = R·C = 1 kΩ · 220 µF = 220 ms
vC(t) = 9 + (20 − 9)·e−t/τ

الجهد في اللحظة المعطاة

vC(300) = 9 + (11)·e−300/220 = 11,81 V

الإجابة

vC = 11,81 V
13.معاوقة التيار المتردد والطوريات

الإجابة: cos φ = 0,5335

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

XL = 314,2 Ω, XC = 361,7 Ω

المعاوقة

|Z| = √(30² + (−47,56)²) = 56,23 Ω

معامل القدرة

cos φ = R/|Z| = 30/56,23 = 0,5335
الدائرة سعوية، لذا معامل القدرة متقدّم.

الإجابة

cos φ = 0,5335
14.معاوقة التيار المتردد والطوريات

الإجابة: VC = 138,2 V

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

المفاعلات

ω = 2πf = 2π·50 = 314,2 rad/s
XL = ωL = 314,2·0,05 = 15,71 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(314,2·47·10⁻⁶) = 67,73 Ω

المعاوقة

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

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(100² + (−52,02)²) = 112,7 Ω

التيار

يمرّ التيار نفسه في كل عنصر من عناصر دائرة التوالي.

I = V/|Z| = 230/112,7 = 2,04 A

الجهد على المكثّف

VC = I·XC = 2,04·67,73 = 138,2 V

الإجابة

VC = 138,2 V
15.قدرة التيار المتردد ومعامل القدرة

الإجابة: P = 1022 W

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.

التيار

|Z| = √(12² + 5²) = 13 Ω
I = V/|Z| = 120/13 = 9,231 A

القدرة الفعلية

P = I²·R = 9,231²·12 = 1022 W

الإجابة

P = 1022 W
16.قدرة التيار المتردد ومعامل القدرة

الإجابة: C = 812,3 µF

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

القدرة غير الفعّالة قبل وبعد

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

Q1 = P·tan φ1 = 45·tan(53,13°) = 60 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 45·tan(23,07°) = 19,17 kvar
QC = Q1 − Q2 = 40,83 kvar

السعة

المكثّف الموصول على المصدر يزوّد Q = V²·ωC.

C = QC/(2πf·V²) = 40830/(2π·50·400²) = 812,3 µF

الإجابة

C = 812,3 µF
17.القدرة ثلاثية الطور

الإجابة: P = 20,49 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 = √3·415·30 = 21,56 kVA

القدرة الفعلية

P = S·cos φ = 21,56·0,95 = 20,49 kW

الإجابة

P = 20,49 kW
18.القدرة ثلاثية الطور

الإجابة: QC = 126,1 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 = 150·tan(acos 0,65) = 150·1,169 = 175,4 kvar
Q2 = 150·tan(acos 0,95) = 150·0,3287 = 49,3 kvar

القدرة غير الفعّالة من المكثّفات

QC = Q1 − Q2 = 126,1 kvar

الإجابة

QC = 126,1 kvar
19.المحوّلات

الإجابة: IHV = 6,25 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 = 15000/2400 = 6,25 A

الإجابة

IHV = 6,25 A
20.المحوّلات

الإجابة: Sη,max = 75 kVA

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 تساوي مفقودات القلب

x²·3000 = 750 → x = √(750/3000) = 0,5

الحمل عند أقصى كفاءة

Sη,max = x·S = 0,5·150 = 75 kVA

الإجابة

Sη,max = 75 kVA
21.دوائر مكبّرات العمليات

الإجابة: Vout = −11,4 V

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

الدخل العاكس يتبع الدخل

V₋ = V₊ = −2 V
I = V₋/R1 = −2/1 = −2 mA

جهد الخرج

التيار عبر R₁ يمرّ أيضًا عبر Rf.

Vout = V₋ + I·Rf = −2 + (−2)·4,7 = −11,4 V

الإجابة

Vout = −11,4 V
22.دوائر مكبّرات العمليات

الإجابة: Vout = −2,2 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.

كسب كل مرحلة

A1 = −Rf1/R1 = −1/1 = −1
A2 = 1 + Rf2/R2 = 1 + 47/4,7 = 11

مرحلةً مرحلة

V1 = −1·0,2 = −0,2 V
Vout = 11·(−0,2) = −2,2 V

الإجابة

Vout = −2,2 V
23.الثنائيات والترانزستورات

الإجابة: VCE = 15,45 V

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

مكافئ ثيفنن للمقسّم

VTH = 18·10/(68 + 10) = 2,308 V
RTH = 68·10/(68 + 10) = 8,718 kΩ

تيار القاعدة

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

IB = (2,308 − 0,7)/(8,718 + 121·1,5) = 8,452 µA

تيار المجمِّع

IC = 120·8,452 µA = 1,014 mA
IE = 121·8,452 µA = 1,023 mA

جهد المجمِّع–الباعث

VCE = 18 − 1,014·1 − 1,023·1,5 = 15,45 V

الإجابة

VCE = 15,45 V
24.الثنائيات والترانزستورات

الإجابة: RB = 2,458 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 = 158,7/150 = 1058 µA

مقاومة القاعدة

RB = (3,3 − 0,7)/IB = 2,6 V/1,058 mA = 2,458 kΩ

الإجابة

RB = 2,458 kΩ

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

25.أنظمة العد

الإجابة: U = 155

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.

اقلب وأضف واحدًا

101 = 0110 0101
مقلوب: 1001 1010
+1 → 1001 1011

اقرأه بلا إشارة

1001 1011₂ = 256 − 101 = 155

الإجابة

U = 155
26.أنظمة العد

الإجابة: M = 900 KiB

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.

البتات والبايتات

640·480·24 = 7372800 bit = 921600 B

حوّل إلى KiB

921600/1024 = 900 KiB

الإجابة

M = 900 KiB
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
ABCD000111100001111011111111

الـ 1 المعزول

m14 = ABCD′ → AB = 11, CD = 10

الإجابة

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

الإجابة: N = 4

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

Q بعد كل حافة

قلّاب JK: 00 يحتفظ، 01 يصفّر (Q = 0)، 10 يضبط (Q = 1)، 11 يتبدّل.

1: J = 0, K = 1 → Q = 0
2: J = 0, K = 0 → Q = 0
3: J = 1, K = 0 → Q = 1
4: J = 1, K = 1 → Q = 0
5: J = 0, K = 1 → Q = 0
6: J = 1, K = 1 → Q = 1
7: J = 1, K = 1 → Q = 0

عُدّ التغيرات

0 → 0 → 0 → 1 → 0 → 0 → 1 → 0
N = 4

الإجابة

N = 4
29.تحويلات لابلاس

الإجابة: f(0.4) = 2,059

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

s + 27 = 1(s + 4) + 23
F(s) = 1/(s + 4) + 23/(s + 4)²

التحويل العكسي

f(t) = e−4t + 23·t·e−4t
f(0,4) = (1 + 23·0,4)·e−4·0,4 = 2,059

الإجابة

f(0,4) = 2,059
30.تحويلات لابلاس

الإجابة: g(0.2) = 0,4812

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

دالة التحويل

G(s) = Y(s)/U(s) = (s + 5)/(s² + 6s + 34)

الكسور الجزئية

s² + 6s + 34 = (s + 3)² + 5²
G(s) = 1·(s + 3)/((s + 3)² + 5²) + (2/5)·5/((s + 3)² + 5²)

استجابة النبضة

g(t) = e−3t·(cos 5t + 0,4·sin 5t)
g(0,2) = 0,4812

الإجابة

g(0,2) = 0,4812
31.المخططات الصندوقية

الإجابة: T(0) = 0,8065

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 + 2 + 10·1) = 10/(s + 12)

الحلقة الخارجية

T(s) = K·Gᵢ/(1 + K·Gᵢ) = 50/(s + 12 + 50) = 50/(s + 62)

النتيجة

T(0) = 50/62 = 0,8065

الإجابة

T(0) = 0,8065
32.المخططات الصندوقية

الإجابة: ω = 8,367 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 + 17s² + 70s + K = 0

جدول روث

s³ | 1 70
s² | 17 K
s¹ | (17·70 − K)/17
s⁰ | K

حدّ الاستقرار

يجب أن تكون كل عناصر العمود الأول موجبة.

Kmax = 17·70 = 1190

تردّد التذبذب

17·(jω)² + 1190 = 0 → ω² = 1190/17 = 70
ω = 8,367 rad/s

الإجابة

ω = 8,367 rad/s
33.الاستجابة الخطوية

الإجابة: ζ = 0,7071

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 = 32 → ωₙ = 5,657 rad/s
2ζωₙ = 8 → ζ = 8/(2·5,657) = 0,7071

النتيجة

ζ = 0,7071

الإجابة

ζ = 0,7071
34.الاستجابة الخطوية

الإجابة: K = 134,7

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

دالة تحويل الحلقة المغلقة

T(s) = K/(s² + 12s + K)

نسبة التخميد من التجاوز

ζ = −ln(0,15)/√(π² + ln²(0,15)) = 0,5169

الكسب

ωₙ = 12/(2ζ) = 11,61 rad/s
K = ωₙ² = 134,7

الإجابة

K = 134,7
35.مخططات بودي والهوامش

الإجابة: φ = 75,89 °

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 = R/L = 1000/0,01 = 100000 rad/s
fc = 15915 Hz → f/fc = 4000/15915 = 0,2513

الطور

φ = 90° − atan(0,2513) = 75,89°

الإجابة

φ = 75,89°
36.مخططات بودي والهوامش

الإجابة: GM = 9,542 dB

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

تقاطع الطور

(ω/1)·(ω/3) = 1 → ω180 = √(1·3) = 1,732 rad/s

المقدار عند تقاطع الطور

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 1)·√(ω² + 9)) = K/(1·3·(1 + 3)) = K/12

هامش الكسب

GM = 20·log₁₀(12/4) = 9,542 dB

الإجابة

GM = 9,542 dB
37.الاستقرار: راوث–هرفيتز والمحل الهندسي للجذور

الإجابة: Kmax = 6,667

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

كثير الحدود المميِّز

s(s + 1)(s + 4) + K(s + 8) = s³ + 5s² + (4 + K)s + 8K

جدول روث

s³: 1, 4 + K
s²: 5, 8K
s¹: (5·(4 + K) − 8K)/5
s⁰: 8K

الشرط

20 − 3K > 0
K < 20/3 = 6,667

الإجابة

Kmax = 6,667

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

38.الاستقرار: راوث–هرفيتز والمحل الهندسي للجذور

الإجابة: θd = 63,43 °

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.

مواضع الأقطاب

s² + 2s + 2 = 0 → s = −1 ± j1
s = −3

الزوايا من الأقطاب الأخرى

∠(−1 + j1 + 3) = atan2(1, 2) = 26,57°
∠(−1 + j1 − (−1 − j1)) = ∠(j2) = 90°

زاوية المغادرة

θd = 180° − 26,57° − 90° = 63,43°

الإجابة

θd = 63,43°
39.خطأ الحالة المستقرة والتحكم PID

الإجابة: K = 50

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 = 2/0,2 = 10

الكسب

K = 5·Kv = 50

الإجابة

K = 50

الكسب الكبير يجعل هذه الحلقة قليلة التخميد جدًا: ζ = 0,3536. وهذا التعارض هو سبب استخدام المعوِّضات.

40.خطأ الحالة المستقرة والتحكم PID

الإجابة: ts = 2 s

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

كثير الحدود المميِّز

s(s + 4) + 2·10 = s² + 4s + 20

ωₙ وζ

ωₙ = √20 = 4,472 rad/s
ζ = 4/(2·4,472) = 0,4472

زمن الاستقرار

ζωₙ = 4/2 = 2
ts ≈ 4/2 = 2 s

الإجابة

ts = 2 s

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

هذه مادة تدريب مستقلة. ExamProblems غير تابع للجهة التي تنظّم هذا الامتحان ولا معتمد منها، ويُستخدم اسم الامتحان لوصف المحتوى فقط. يُجري اختبار FE exam جهةُ NCEES، وهي غير تابعة لـ ExamProblems ولا تؤيده.

ExamProblems · examproblems.com/courses/fe-exam-electrical