اختر عقدة مرجعية (الأرضي) وسمِّ جهود العقد الأخرى.
اكتب قانون كيرشوف للتيار عند كل عقدة مجهولة: التيارات الخارجة عبر الفروع تساوي التيارات الداخلة.
عبّر عن كل تيار فرع بالصيغة (Va − Vb)/R.
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
ارسم تيارًا باتجاه عقارب الساعة في كل حلقة (نافذة) من الدائرة.
طبّق قانون كيرشوف للجهد حول كل حلقة: مجموع هبوطات الجهد يساوي صفرًا.
في المقاومة المشتركة بين حلقتين يكون التيار هو الفرق بين تياري الحلقتين.
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
عُدّ المصادر المستقلة. ستحلّ دائرة أبسط واحدة لكل مصدر.
أبقِ مصدرًا واحدًا وأطفئ الباقي: يصبح مصدر الجهد قصرًا (سلكًا)، ويصبح مصدر التيار دائرة مفتوحة (فجوة).
حلّ الدائرة الأبسط لإيجاد الجهد أو التيار المطلوب، مع متابعة اتجاهه.
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
أزل الحِمل وعلّم الطرفين a و b.
أوجد جهد الدائرة المفتوحة بين a و b: هذا هو Vth.
أطفئ كل المصادر المستقلة وأوجد المقاومة المرئية من a–b: هذه هي Rth.
أعد الحِمل إلى الدائرة المكافئة: Vth على التوالي مع Rth.
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
أوجد القيمة الابتدائية مباشرة بعد التبديل: جهد المكثّف وتيار الملف لا يقفزان.
أوجد القيمة النهائية بعد التبديل بزمن طويل: يتصرّف المكثّف كدائرة مفتوحة، والملف كقصر.
أوجد الثابت الزمني: τ = RC أو τ = L/R، باستخدام المقاومة التي يراها المكثّف أو الملف.
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
حوّل التردد: ω = 2πf.
أوجد كل ممانعة مفاعلة: XL = ωL و XC = 1/(ωC).
اجمع الممانعات كما تجمع المقاومات، مع Z = R + jX.
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
لدارة ما، اعمل من المداخل إلى المخرج بوابةً بوابةً واكتب القيمة على كل سلك، أو اكتب تعبيرها واملأ جدول الصدق.
للتبسيط ضع الآحاد (وحالات عدم الاكتراث على شكل X) في خريطة كارنو بصفوف وأعمدة بشيفرة غراي: 00, 01, 11, 10.
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.
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
اكتب كثير الحدود المميِّز للحلقة المغلقة: مقام 1 + K·G(s) = 0، بعد فكّه.
ضع المعاملات بالتناوب في الصفين الأولين من جدول راوث وابنِ بقية الصفوف.
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.
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
عُدّ أقطاب الحلقة المفتوحة C(s)·G(s) عند s = 0: فذلك هو نوع النظام.
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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.
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.
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.
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.
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
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
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.
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
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
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.
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
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
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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
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
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
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.
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
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
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.
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
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
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).
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.
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.
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.
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).
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).
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.
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.
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.