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​ = 2 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​30 VR2​12 ΩAR4​5 ΩB

أوجد المقاومة المكافئة Req التي يراها المصدر V1.

V1 = 30 VR1 = 2 ΩR2 = 12 ΩR3 = 4 ΩR4 = 5 Ω
Req = Ω
2.المقاومات على التوالي والتوازيصعبة
R1​ = 15 ΩR3​ = 6 ΩR5​ = 5 Ω+−V1​5 VR2​12 ΩIR2​AR4​6 ΩBR6​4 Ω

أوجد التيار IR2 عبر R2.

V1 = 5 VR1 = 15 ΩR2 = 12 ΩR3 = 6 ΩR4 = 6 ΩR5 = 5 ΩR6 = 4 Ω
IR2 = A
3.تحليل العقدمتوسطة
R1​20 Ω−+V1​10 VI1​R2​20 Ω+−V2​9 VR3​10 Ω+−V3​12 VA

ثلاثة فروع موصولة بين العقدة A والأرضي، كما هو موضّح. استخدم تحليل العقد لإيجاد التيار I1 في الفرع 1، الجاري إلى الأعلى نحو العقدة A باتجاه السهم.

V1 = 10 VR1 = 20 ΩV2 = 9 VR2 = 20 ΩV3 = 12 VR3 = 10 Ω
I1 = A
4.تحليل العقدصعبة
R1​ = 30 Ω−+Vs​ = 3 V+−V1​15 VR2​8 ΩAR3​30 ΩBIs​4 A

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

V1 = 15 VIs = 4 AVs = 3 VR1 = 30 ΩR2 = 8 ΩR3 = 30 Ω
VB = V
5.تحليل الحلقاتمتوسطة
R1​ = 10 ΩR2​ = 12 ΩIR2​+−V1​12 VR3​10 ΩA+−V2​15 VI1​I2​

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

V1 = 12 VV2 = 15 VR1 = 10 ΩR2 = 12 ΩR3 = 10 Ω
IR2 = A
6.تحليل الحلقاتصعبة
R1​ = 6 ΩR2​ = 15 ΩR3​ = 2 ΩIR3​+−V1​12 VR4​10 ΩAR5​30 ΩB+−V2​18 VI1​I2​I3​

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

V1 = 12 VV2 = 18 VR1 = 6 ΩR2 = 15 ΩR3 = 2 ΩR4 = 10 ΩR5 = 30 Ω
IR3 = A
7.التراكبمتوسطة
R1​ = 4 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​10 VR2​20 ΩAR4​5 ΩIR4​BIs​1 A

استخدم مبدأ التراكب لإيجاد القدرة PR4 التي يمتصها R4.

V1 = 10 VIs = 1 AR1 = 4 ΩR2 = 20 ΩR3 = 12 ΩR4 = 5 Ω
PR4 = W
8.التراكبصعبة
R1​ = 5 ΩR2​ = 15 ΩR4​ = 20 ΩIR4​+−V1​18 VR3​3 ΩAIs​3 AB+−V2​10 V

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

V1 = 18 VIs = 3 AV2 = 10 VR1 = 5 ΩR2 = 15 ΩR3 = 3 ΩR4 = 20 Ω
IR4 = A
9.ثيفنن ونورتنمتوسطة
R1​ = 3 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​18 VR2​20 ΩAab

أوجد مقاومة ثيفنن Rth المرئية من الطرفين a–b.

V1 = 18 VR1 = 3 ΩR2 = 20 ΩR3 = 12 Ω
Rth = Ω
10.ثيفنن ونورتنصعبة
R1​ = 30 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​18 VR2​25 ΩAIs​2,5 ABab

أوجد جهد ثيفنن Vth المرئي من الطرفين a–b.

V1 = 18 VIs = 2,5 AR1 = 30 ΩR2 = 25 ΩR3 = 3 Ω
Vth = V
11.الحالات العابرة RC و RLمتوسطة
R = 15 Ωt = 0L100 mHi(t)

يحمل الملف تيارًا مستقرًا 0,5 A. عند t = 0 يغلق المفتاح الحلقة عبر R ويُزال المصدر، فيتناقص تيار الملف عبر R. كم يستغرق التيار لينخفض إلى 0,25 A؟ أوجد t.

i(0) = 0,5 AR = 15 ΩL = 100 mH
t = ms
12.الحالات العابرة RC و RLصعبة
+−Vs​6 Vt = 0R = 3,3 kΩC33 µF+−vC​vC​(0) = 12 V

قبل إغلاق المفتاح عند t = 0 مباشرة، يكون جهد المكثّف 12 V بالقطبية الموضّحة. كم يستغرق vC ليبلغ 8,4 V؟ أوجد t.

Vs = 6 VR = 3,3 kΩC = 33 µFvC(0) = 12 V
t = ms
13.معاوقة التيار المتردد والطورياتمتوسطة
120 V100 HzR = 40 ΩL = 50 mHC = 10 µF

دائرة RLC على التوالي موصولة بمصدر 120 V (فعّال)، 100 Hz. أوجد زاوية الطور φ للمعاوقة بالدرجات (موجبة عندما يتأخّر التيار عن الجهد).

V = 120 V (rms)f = 100 HzR = 40 ΩL = 50 mHC = 10 µF
φ = °
14.معاوقة التيار المتردد والطورياتصعبة
VfR = 50 ΩL = 1 mHC = 0,047 µF

دائرة RLC على التوالي لها R = 50 Ω و L = 1 mH و C = 0,047 µF. أوجد عرض النطاق B لها (عرض النطاق بين تردّدَي نصف القدرة)، بوحدة Hz.

R = 50 ΩL = 1 mHC = 0,047 µF
B = Hz
15.قدرة التيار المتردد ومعامل القدرةمتوسطة
120 VZ16 + j12 ΩI

حِمل معاوقته Z = 16 + j12 Ω موصول بمصدر أحادي الطور 120 V (فعّال). أوجد القدرة غير الفعّالة Q التي يمتصها.

V = 120 VZ = 16 + j12 Ω
Q = var
16.قدرة التيار المتردد ومعامل القدرةصعبة
240 V50 Hzالحمل14 kW, 0,6C330 µFI = ?

يأخذ حِمل أحادي الطور 14 kW بمعامل قدرة 0,6 متأخّر من مصدر 240 V، 50 Hz. يُوصل مكثّف سعته 330 µF على التوازي مع الحِمل. أوجد تيار الخط الجديد I.

P = 14 kWpf1 = 0,6V = 240 Vf = 50 HzC = 330 µF
I = A
17.القدرة ثلاثية الطورمتوسطة
ABCVL​ = 400 VNZ = 12 + j16 Ωلكل طور

حمل متوازن موصول Y ممانعته 12 + j16 Ω لكل طور موصول بمصدر ثلاثي الطور متوازن جهد خطه 400 V. أوجد القدرة الفعّالة الكلية P التي يمتصّها الحمل بالـ kW.

VL = 400 VZ = 12 + j16 Ω لكل طور
P = kW
18.القدرة ثلاثية الطورصعبة
P = 120 kWφ1​S1​Q2​QC​ = ?

حمل ثلاثي الطور متوازن يأخذ 120 kW عند معامل قدرة 0,72 متأخر من مصدر 480 V (جهد خط) و 50 Hz. يجب أن ترفع مجموعة مكثّفات ثلاثية الطور موصولة على التوازي مع الحمل معامل القدرة الكلي إلى 0,9 متأخر. تبقى القدرة الفعّالة كما هي. أوجد القدرة غير الفعّالة الكلية QC التي يجب أن تقدّمها مجموعة المكثّفات، بالـ kvar.

P = 120 kWpf1 = 0,72pf2 = 0,9VL = 480 Vf = 50 Hz
QC = kvar
19.المحوّلاتمتوسطة
4800 V240 VIHV​ = ?ILV​50 kVA

محوّل أحادي الطور 50 kVA و 4800/240 V يعمل عند حمله المقنَّن. اعتبره مثاليًا. أوجد التيار IHV في ملف الجهد العالي.

S = 50 kVAV1 = 4800 VV2 = 240 V
IHV = A
20.المحوّلاتصعبة
pf 0,95500 kVA, η = 97,5%

محوّل أحادي الطور 500 kVA مفقودات قلبه 1500 W. عند الحمل المقنَّن ومعامل قدرة 0,95 متأخر تكون كفاءته 97,5%. أوجد مفقودات النحاس عند الحمل الكامل Pcu,fl بالواط.

S = 500 kVAPcore = 1500 Wpf = 0,95η = 97,5%
Pcu,fl = W
21.دوائر مكبّرات العملياتمتوسطة
−+Vout​R2​ = 4,7 kΩV1​ = 1,9 VR1​ = 10 kΩV2​ = −2,5 VR3​ = 10 kΩR4​ = 4,7 kΩ

يستخدم مكبّر الفرق مكبّر عمليات مثاليًا بمصدرَي تغذية ±15 V، مع R3 = R1 و R4 = R2. أوجد جهد الخرج Vout.

V1 = 1,9 VV2 = −2,5 VR1 = R3 = 10 kΩR2 = R4 = 4,7 kΩ
Vout = V
22.دوائر مكبّرات العملياتصعبة
Vin​V1​Vout​المرحلة 1: عاكسR1​ = 2 kΩRf1​ = 2 kΩالمرحلة 2: غير عاكسR2​ = 1 kΩRf2​ = 22 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 = 0,25 V. أوجد جهد الخرج Vout.

R1 = 2 kΩRf1 = 2 kΩR2 = 1 kΩRf2 = 22 kΩVin = 0,25 V
Vout = V
23.الثنائيات والترانزستوراتمتوسطة
RC​ = 3,3 kΩβ = 100IC​ = ?RE​ = 1,5 kΩVCC​ = 15 VR1​ = 82 kΩR2​ = 15 kΩ

ترانزستور NPN بـ β = 100 منحاز بمقسّم جهد من VCC = 15 V: R₁ = 82 kΩ من VCC إلى القاعدة و R₂ = 15 kΩ من القاعدة إلى الأرضي. مقاومة المجمِّع RC = 3,3 kΩ ومقاومة الباعث RE = 1,5 kΩ. خذ VBE = 0,7 V واستخدم مكافئ ثيفنن للمقسّم (لا تُهمل تيار القاعدة). أوجد تيار المجمِّع IC بالـ mA.

VCC = 15 VR1 = 82 kΩR2 = 15 kΩRC = 3,3 kΩRE = 1,5 kΩβ = 100
IC = mA
24.الثنائيات والترانزستوراتصعبة
V (V)I (mA)0,65320Q = ?

يُنمذج صمام ثنائي بـ 0,65 V على التوالي مع 5 Ω (يوصل فوق 0,65 V). وهو على التوالي مع مقاومة 150 Ω عبر مصدر 3 V. أوجد تيار التشغيل ID حيث يلتقي خط الصمام بخط الحمل.

Vs = 3 VR = 150 ΩV0 = 0,65 Vrd = 5 Ω
ID = mA
25.أنظمة العدمتوسطة
القيم الموضعية في المتمم الثنائي1−12806403211618140201

النمط ذو 8 بتات 1001 1100 يخزّن عددًا صحيحًا بإشارة بصيغة المتمم الثنائي. ما قيمته N في النظام العشري؟

1001 11008 bit
N =
26.أنظمة العدصعبة
انقر على البتات لضبطها012806403201608040201

اضبط البتات على الناتج بـ 8 بتات لـ 1110 0100 OR 1101 1110. ما قيمة الناتج R بالعشري؟

1110 0100OR1101 1110
R =
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, 4, 6, 7, 10, 12, 13)
  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​CLKRING

عدّاد حلقي من 4 بتّات Q₃Q₂Q₁Q₀ يبدأ من 1000. عند كل حافة ساعة تنزاح البتّات مكانًا واحدًا إلى اليمين (Q₃ → Q₂ → Q₁ → Q₀) ويتلقى Q₃ القيمة Q₀. أعطِ الحالة Q = Q₃Q₂Q₁Q₀ كعدد عشري بعد 11 حافة ساعة.

Q₃Q₂Q₁Q₀ = 100011
Q =
29.تحويلات لابلاسمتوسطة
ReIm−0,5−1−1,5−2−2,5−30,51

أوجد f(t) للدالة F(s) = (3s + 9)/(s² + 4s + 5) بإكمال المربّع، واحسب f(0,75).

F(s) = (3s + 9)/(s² + 4s + 5)t = 0,75 s
f(0.75) =
30.تحويلات لابلاسصعبة
t (s)y(t)t = 0,2y(0,2) = ?

يخضع نظام للمعادلة y″ + 5y′ + 4y = 8·u(t)، مع y(0) = 1 و y′(0) = 0. عند t = 0 يُطبَّق دخل خطوة u(t) = 4. استخدم تحويل لابلاس لإيجاد y(0,2).

y″ + 5y′ + 4y = 8·u(t)y(0) = 1y′(0) = 0u(t) = 4t = 0,2 s
y(0.2) =
31.المخططات الصندوقيةمتوسطة
R(s)+13K+1s + 6G(s)C(s)1H₁−−

للنظام المُتحكَّم فيه G(s) = 1/(s + 6) حلقة تغذية راجعة سالبة داخلية (ثانوية) كسبها H₁ = 1. كسب متحكّم K = 13 وحلقة تغذية راجعة سالبة أحادية خارجية يُغلقان النظام. أوجد قطب الحلقة المغلقة p.

G(s) = 1/(s + 6)H₁ = 1K = 13
p =
32.المخططات الصندوقيةصعبة
R(s)+Ks(s + 1)(s + 3)G(s)C(s)−

النظام المُتحكَّم فيه G(s) = K/(s(s + 1)(s + 3)) في حلقة تغذية راجعة سالبة أحادية. عند أكبر كسب مستقر تتذبذب الحلقة. أوجد تردّد التذبذب ω بوحدة rad/s.

G(s) = K/(s(s + 1)(s + 3))تغذية راجعة سالبة أحادية
ω = rad/s
33.الاستجابة الخطويةمتوسطة
t (s)y(t)1

لنظام دالة النقل G(s) = 43/(s² + 6s + 43) ويتلقى دخلًا خطويًا وحدويًا. أوجد التردد الطبيعي ωn بوحدة rad/s.

G(s) = 43/(s² + 6s + 43)
ωn = rad/s
34.الاستجابة الخطويةصعبة
t (s)y(t)1tp​ = 0,5 s8 %

تُظهر الاستجابة الخطوية لنظام من الرتبة الثانية بلا أصفار تجاوزًا قدره 8 %، وتقع الذروة الأولى عند t = 0,5 s. أوجد التردد الطبيعي ωn.

%OS = 8 %tp = 0,5 s
ωn = rad/s
35.مخططات بودي والهوامشمتوسطة
|H| (dB)0,11101001000−80−60−40−20020ω (rad/s)ω = 10

أوجد المقدار الدقيق |G(jω)| لـ G(s) = 972/((s + 9)(s + 18)) عند ω = 10 rad/s، بوحدة dB.

G(s) = 972/((s + 9)(s + 18))ω = 10 rad/s
|G(jω)| = dB
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) = K/(s(s + 1)(s + 7)). أوجد الكسب K الذي يعطي هامش كسب قدره 2 dB.

L(s) = K/(s(s + 1)(s + 7))GM = 2 dB
K =
37.الاستقرار: راوث–هرفيتز والمحل الهندسي للجذورمتوسطة
R(s)+Ks + 9s(s + 1)(s + 2)C(s)−

لحلقة تغذية عكسية وحدوية L(s) = K(s + 9)/(s(s + 1)(s + 2)) مع K > 0. أوجد أكبر كسب Kmax تكون الحلقة المغلقة عنده مستقرة.

L(s) = K(s + 9)/(s(s + 1)(s + 2))
Kmax =
38.الاستقرار: راوث–هرفيتز والمحل الهندسي للجذورصعبة
ReIm−2−4j2j4

لـ L(s) = K/((s + 1)(s² + 6s + 25))، أوجد زاوية المغادرة θd للمحل الهندسي للجذور من القطب المركّب في النصف العلوي من المستوى، مقيسة من المحور الحقيقي الموجب.

L(s) = K/((s + 1)(s² + 6s + 25))
θd = °
39.خطأ الحالة المستقرة والتحكم PIDمتوسطة
R(s)+K = 942s + 1C(s)−

تُضبط عملية G(s) = 4/(2s + 1) بواسطة كسب تناسبي K = 9 ضمن حلقة تغذية عكسية وحدوية. أوجد خطأ الحالة المستقرة ess لخطوة، كنسبة مئوية من حجم الخطوة.

G(s) = 4/(2s + 1)K = 9
ess = %
40.خطأ الحالة المستقرة والتحكم PIDصعبة
R(s)+Kp​ + Ki​/s4s + 2C(s)−

يتحكم متحكم PI بالصيغة C(s) = Kp + Ki/s في المحطة G(s) = 4/(s + 2) ضمن حلقة تغذية عكسية وحدوية. يجب أن تكون للحلقة المغلقة ωₙ = 8 rad/s وζ = 1. أوجد الكسب التناسبي Kp.

G(s) = 4/(s + 2)ωₙ = 8 rad/sζ = 1
Kp =

3المحاليل

1.المقاومات على التوالي والتوازي

الإجابة: Req = 7,143 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​ = 2 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​30 VR2​12 ΩAR4​5 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 = 4 + 5 = 9 Ω
R2 ∥ 9 = 12·9/(12+9) = 5,143 Ω
Req = R1 + 5,143 = 2 + 5,143 = 7,143 Ω

الإجابة

Req = 7,143 Ω
2.المقاومات على التوالي والتوازي

الإجابة: IR2 = 0,1093 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​ = 15 ΩR3​ = 6 ΩR5​ = 5 Ω+−V1​5 VR2​12 ΩAR4​6 ΩBR6​4 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 = 5 + 4 = 9 Ω
R4 ∥ 9 = 3,6 Ω
R3 + 3,6 = 9,6 Ω
R2 ∥ 9,6 = 5,333 Ω
Req = R1 + 5,333 = 15 + 5,333 = 20,33 Ω

التيار من المصدر

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

IR1 = V1/Req = 5/20,33 = 0,2459 A

التيار عبر R₂

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

VA = V1 − IR1·R1 = 5 − 0,2459·15 = 1,311 V
IR2 = VA/R2 = 1,311/12 = 0,1093 A

الإجابة

IR2 = 0,1093 A
3.تحليل العقد

الإجابة: I1 = −0,7875 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))/20 + (VA − 9)/20 + (VA − 12)/10 = 0

حلّ لإيجاد VA

VA = ((−10)/20 + 9/20 + 12/10) / (1/20 + 1/20 + 1/10) = 1,15/0,2 = 5,75 V

تيار الفرع

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

I1 = ((−10) − VA)/R1 = ((−10) − 5,75)/20 = −0,7875 A

الإجابة

I1 = −0,7875 A

النتيجة السالبة تعني أن التيار الفعلي يجري عكس السهم.

4.تحليل العقد

الإجابة: VB = 25,96 V

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

كوّن عقدة فائقة

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

VB = VA + 3
(VA − V1)/R1 + VA/R2 + VB/R3 = Is

الحل

(VA − 15)/30 + VA/8 + (VA + 3)/30 = 4
VA·(1/30 + 1/8 + 1/30) = 4 + 15/30 − 3/30 = 4,4
VA = 4,4/0,1917 = 22,96 V
VB = 25,96 V

الإجابة

VB = 25,96 V
5.تحليل الحلقات

الإجابة: IR2 = −0,5294 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​ = 12 Ω+−V1​12 VR3​10 ΩA+−V2​15 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
10·I1 + 10(I1 − I2) = 12
20·I1 − 10·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
12·I2 + 10(I2 − I1) = (−15)
−10·I1 + 22·I2 = −15

الحل

Δ = (20)(22) − (−10)(−10) = 340
I1 = Δ1/Δ = 114/340 = 0,3353 A
I2 = Δ2/Δ = −180/340 = −0,5294 A

الإجابة

IR2 = I2 = −0,5294 A

تيار الحلقة السالب يسري عكس عقارب الساعة.

6.تحليل الحلقات

الإجابة: IR3 = −0,9886 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​ = 6 ΩR2​ = 15 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​12 VR4​10 ΩAR5​30 ΩB+−V2​18 VI1​I2​I3​

عيّن تيارات الحلقات

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

قانون كيرشوف للجهد حول الحلقة 1

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

R1·I1 + R4(I1 − I2) = V1
6·I1 + 10(I1 − I2) = 12
16·I1 − 10·I2 = 12

قانون كيرشوف للجهد حول الحلقة 2

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

R2·I2 + R4(I2 − I1) + R5(I2 − I3) = 0
15·I2 + 10(I2 − I1) + 30(I2 − I3) = 0
−10·I1 + 55·I2 − 30·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
2·I3 + 30(I3 − I2) = (−18)
−30·I2 + 32·I3 = −18

الحل

Δ = محدد مصفوفة المعاملات = 10560
I1 = Δ1/Δ = 4920/10560 = 0,4659 A
I2 = Δ2/Δ = −4800/10560 = −0,4545 A
I3 = Δ3/Δ = −10440/10560 = −0,9886 A

الإجابة

IR3 = I3 = −0,9886 A

تيار الحلقة السالب يسري عكس عقارب الساعة.

7.التراكب

الإجابة: PR4 = 6,774 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​ = 4 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​10 VR2​20 ΩAR4​5 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 = 12+5 = 17 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 20·17/(20+17) = 9,189 Ω
VA = 10·9,189/(4+9,189) = 6,967 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 6,967·5/17 = 2,049 V
IR4′ = (VB − 0)/R4 = (2,049 − 0)/5 = 0,4098 A
R1​ = 4 ΩR3​ = 12 ΩقصرR2​20 ΩAR4​5 ΩBIs​1 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 = 4·20/(4+20) = 3,333 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 5 ∥ 15,33 = 3,77 Ω
VB = Is·Req = 1·3,77 = 3,77 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 3,77·3,333/15,33 = 0,8197 V
IR4″ = (VB − 0)/R4 = (3,77 − 0)/5 = 0,7541 A

اجمع إسهامات التيار

IR4 = IR4′ + IR4″ = 0,4098 + 0,7541 = 1,164 A

القدرة في المقاومة

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

PR4 = IR4²·R4 = 1,164²·5 = 6,774 W

الإجابة

PR4 = 6,774 W

جمع قدرات الحالات المنفصلة يعطي 3,683 W، وهذا خطأ.

8.التراكب

الإجابة: IR4 = 1,285 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​ = 5 ΩR2​ = 15 ΩR4​ = 20 Ω+−V1​18 VR3​3 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) = 3 ∥ 35 = 2,763 Ω
VA = 18·2,763/(5+2,763) = 6,407 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 6,407·20/35 = 3,661 V
IR4′ = (VB − V2)/R4 = (3,661 − 0)/20 = 0,1831 A
R1​ = 5 ΩR2​ = 15 ΩR4​ = 20 ΩقصرR3​3 ΩAIs​3 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 = 1,875 Ω، إذن المسار الأيسر هو R2+1,875 = 16,88 Ω
Req = R4 ∥ 16,88 = 9,153 Ω
VB = Is·Req = 3·9,153 = 27,46 V
VA = VB·1,875/16,88 = 3,051 V
IR4″ = (VB − V2)/R4 = (27,46 − 0)/20 = 1,373 A
R1​ = 5 ΩR2​ = 15 ΩR4​ = 20 ΩقصرR3​3 ΩAمفتوحB+−V2​10 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 = 5·3/(5+3) = 1,875 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = 10·16,88/36,88 = 4,576 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = 4,576·1,875/16,88 = 0,5085 V
IR4‴ = (VB − V2)/R4 = (4,576 − 10)/20 = −0,2712 A

اجمع المساهمات

IR4 = IR4′ + IR4″ + IR4‴
IR4 = 0,1831 + 1,373 + (−0,2712) = 1,285 A

النتيجة السالبة تعني أن التيار يسري عكس السهم في الواقع.

9.ثيفنن ونورتن

الإجابة: Rth = 14,61 Ω

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

R1​ = 3 ΩR3​ = 12 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 = 3·20/(3+20) = 2,609 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,609 + 12 = 14,61 Ω
10.ثيفنن ونورتن

الإجابة: Vth = −33,41 V

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​ = 30 ΩR3​ = 3 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 = 30·25/(30+25) = 13,64 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 13,64 + 3 = 16,64 Ω
R1​ = 30 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​18 VR2​25 ΩAIs​2,5 ABab+−Vth​

أوجد Vth، جهد الدائرة المفتوحة

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

VA = V1·R2/(R1+R2) + Is·(R1∥R2) = 8,182 + (−2,5)·13,64 = −25,91 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = −25,91 + (−2,5)·3 = −33,41 V
11.الحالات العابرة RC و RL

الإجابة: t = 4,621 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

τ = L/R = 100 mH / 15 Ω = 6,667 ms

حلّ لإيجاد الزمن

0,25 = 0,5·e−t/τ → t = τ·ln(0,5/0,25)
t = 6,667·ln(2) = 4,621 ms

الإجابة

t = 4,621 ms
12.الحالات العابرة RC و RL

الإجابة: t = 99,78 ms

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

القيمة الابتدائية، القيمة النهائية، الثابت الزمني

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

vC(0) = 12 V, vC(∞) = Vs = 6 V
τ = R·C = 3,3 kΩ · 33 µF = 108,9 ms
vC(t) = 6 + (12 − 6)·e−t/τ

حلّ لإيجاد الزمن

8,4 = 6 + (6)·e−t/τ → e−t/τ = (8,4 − 6)/(12 − 6) = 0,4
t = τ·ln((12 − 6)/(8,4 − 6)) = 108,9·ln(2,5) = 99,78 ms

الإجابة

t = 99,78 ms
13.معاوقة التيار المتردد والطوريات

الإجابة: φ = −72,61 °

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

المفاعلات

ω = 2πf = 2π·100 = 628,3 rad/s
XL = ωL = 628,3·0,05 = 31,42 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(628,3·10·10⁻⁶) = 159,2 Ω

المعاوقة

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

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(40² + (−127,7)²) = 133,9 Ω

زاوية الطور

φ = arctan((XL − XC)/R) = arctan(−127,7/40) = −72,61°

الإجابة

φ = −72,61°
14.معاوقة التيار المتردد والطوريات

الإجابة: B = 7958 Hz

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

تردد الرنين

f0 = 1/(2π·√(0,001·0,047·10⁻⁶)) = 23215 Hz

معامل الجودة

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

Q = (1/R)·√(L/C) = (1/50)·√(0,001/(0,047·10⁻⁶)) = 2,917

عرض النطاق

B = f0/Q = 23215/2,917 = 7958 Hz

الإجابة

B = 7958 Hz
15.قدرة التيار المتردد ومعامل القدرة

الإجابة: Q = 432 var

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| = √(16² + 12²) = 20 Ω
I = V/|Z| = 120/20 = 6 A

القدرة غير الفعّالة

Q = I²·X = 6²·12 = 432 var

الإجابة

Q = 432 var
16.قدرة التيار المتردد ومعامل القدرة

الإجابة: I = 78,75 A

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

القدرة غير الفعّالة قبل وبعد

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

Q1 = 14·tan(arccos 0,6) = 18,67 kvar
QC = V²·2πf·C = 240²·2π·50·330·10⁻⁶ = 5972 var = 5,972 kvar
Q2 = 18,67 − 5,972 = 12,7 kvar

القدرة الظاهرية الجديدة

S2 = √(14² + 12,7²) = 18,9 kVA

تيار الخط الجديد

I = S2/V = 18899/240 = 78,75 A

الإجابة

I = 78,75 A
17.القدرة ثلاثية الطور

الإجابة: P = 4,8 kW

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

جهد الطور

Vph = 400/√3 = 230,9 V

تيار الطور

|Z| = √(12² + 16²) = 20 Ω
Iph = 230,9/20 = 11,55 A

القدرة الفعّالة الكلية

الجزء المقاومي فقط من كل ممانعة يمتصّ القدرة الفعّالة.

P = 3·Iph²·R = 3·11,55²·12 = 4,8 kW

الإجابة

P = 4,8 kW

تحقّق: cos φ = R/|Z| = 0,6، و √3·VL·IL·cos φ يعطي القدرة نفسها.

18.القدرة ثلاثية الطور

الإجابة: QC = 57,54 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 = 120·tan(acos 0,72) = 120·0,9639 = 115,7 kvar
Q2 = 120·tan(acos 0,9) = 120·0,4843 = 58,12 kvar

القدرة غير الفعّالة من المكثّفات

QC = Q1 − Q2 = 57,54 kvar

الإجابة

QC = 57,54 kvar
19.المحوّلات

الإجابة: IHV = 10,42 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 = 50000/4800 = 10,42 A

الإجابة

IHV = 10,42 A
20.المحوّلات

الإجابة: Pcu,fl = 10679 W

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

قدرتا الخرج والدخل

Pout = 500·0,95 = 475 kW
Pin = 475000/0,975 = 487179 W

المفقودات الكلية ومفقودات النحاس

Ploss = 487179 − 475000 = 12179 W
Pcu,fl = 12179 − 1500 = 10679 W

الإجابة

Pcu,fl = 10679 W
21.دوائر مكبّرات العمليات

الإجابة: Vout = −2,068 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 الدخلين

R₃ و R₄ يحملان التيار نفسه، لذا يشكّلان مقسّم جهد؛ والتغذية الراجعة تجعل V₋ = V₊.

V₊ = V2·R4/(R3 + R4) = −2,5·4,7/(10 + 4,7) = −0,7993 V
V₋ = V₊

قانون كيرشوف للتيار عند الدخل العاكس

(1,9 − −0,7993)/10 = (−0,7993 − Vout)/4,7
Vout = (R2/R1)·(V2 − V1) = (4,7/10)·(−2,5 − 1,9) = −2,068 V

الإجابة

Vout = −2,068 V
22.دوائر مكبّرات العمليات

الإجابة: Vout = −5,75 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 = −2/2 = −1
A2 = 1 + Rf2/R2 = 1 + 22/1 = 23

مرحلةً مرحلة

V1 = −1·0,25 = −0,25 V
Vout = 23·(−0,25) = −5,75 V

الإجابة

Vout = −5,75 V
23.الثنائيات والترانزستورات

الإجابة: IC = 0,9865 mA

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

مكافئ ثيفنن للمقسّم

VTH = 15·15/(82 + 15) = 2,32 V
RTH = 82·15/(82 + 15) = 12,68 kΩ

تيار القاعدة

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

IB = (2,32 − 0,7)/(12,68 + 101·1,5) = 9,865 µA

تيار المجمِّع

IC = 100·9,865 µA = 0,9865 mA
IE = 101·9,865 µA = 0,9963 mA

الإجابة

IC = 0,9865 mA
24.الثنائيات والترانزستورات

الإجابة: ID = 15,16 mA

دوائر الصمام الثنائي الباعث للضوء (LED) والصمامات الثنائية: يهبط جهد LED المنحاز أماميًا بنحو جهده الأمامي VF (نحو 2 V للأحمر و3 V للأزرق أو الأبيض)، مهما كان التيار. وتحدد المقاومة التوالية التيار: R = (Vs − n·VF)/I لعدد n من LED على التوالي. وفي نموذج أدق للصمام V = V₀ + I·rd، تكون نقطة التشغيل حيث يلتقي خط الصمام بخط الحمل I = (Vs − V)/R، إذن I = (Vs − V₀)/(R + rd).

ادمج المعادلتين

3 = 0,65 + I·(150 + 5)

تيار التشغيل

ID = 2,35/155 = 15,16 mA
VD = 0,65 + 0,01516·5 = 0,7258 V

الإجابة

ID = 15,16 mA
25.أنظمة العد

الإجابة: N = −100

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.

−128 + 16 + 8 + 4 = −100

الإجابة

N = −100
26.أنظمة العد

الإجابة: R = 254

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

بتًا ببت

تعطي OR القيمة 1 حيث يكون أحد البتين على الأقل 1.

1110 0100
OR 1101 1110
= 1111 1110

قيمة الناتج

1111 1110₂ = 254

الإجابة

R = 254
27.المنطق الرقمي: البوابات وخرائط كارنو والقلّابات

الإجابة: AB = 10, 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.

m10: m11, m8, m14, m2 → 0
ABCD000111100001111011111111

الـ 1 المعزول

m10 = AB′CD′ → AB = 10, CD = 10

الإجابة

AB = 10, 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

1000 → 0100 → 0010 → 0001 → 1000 → 0100 → 0010 → 0001 → 1000 → 0100 → 0010 → 0001

القيمة العشرية

0001₂ = 1

الإجابة

Q = 1
29.تحويلات لابلاس

الإجابة: f(0.75) = 0,9461

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).

أكمل المربّع

s² + 4s + 5 = (s + 2)² + 1 = (s + 2)² + 1²

طابق البسط

F(s) = 3·(s + 2)/((s + 2)² + 1²) + (3/1)·1/((s + 2)² + 1²)

التحويل العكسي

f(t) = e−2t·(3·cos 1t + 3·sin 1t)
f(0,75) = e−2·0,75·(3·cos(1·0,75) + 3·sin(1·0,75)) = 0,9461

الإجابة

f(0,75) = 0,9461
30.تحويلات لابلاس

الإجابة: y(0.2) = 1,407

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

(s² + 5s + 4)·Y(s) = 1s + 5 + 32/s
Y(s) = (s² + 5s + 32)/(s(s + 1)(s + 4))

الكسور الجزئية

A = 32/(1·4) = 8
B = 28/((−1)·3) = −9,333
C = 28/((−4)·(−3)) = 2,333

النتيجة

y(t) = 8 − 9,333·e−t + 2,333·e−4t
y(0,2) = 1,407

الإجابة

y(0,2) = 1,407

تحقّق: y(0) = A + B + C = 1.

31.المخططات الصندوقية

الإجابة: p = −20

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) = 1/(s + 6 + 1·1) = 1/(s + 7)

الحلقة الخارجية

T(s) = K·Gᵢ/(1 + K·Gᵢ) = 13/(s + 7 + 13) = 13/(s + 20)

النتيجة

p = −20

الإجابة

p = −20
32.المخططات الصندوقية

الإجابة: ω = 1,732 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 + 4s² + 3s + K = 0

جدول روث

s³ | 1 3
s² | 4 K
s¹ | (4·3 − K)/4
s⁰ | K

حدّ الاستقرار

يجب أن تكون كل عناصر العمود الأول موجبة.

Kmax = 4·3 = 12

تردّد التذبذب

4·(jω)² + 12 = 0 → ω² = 12/4 = 3
ω = 1,732 rad/s

الإجابة

ω = 1,732 rad/s
33.الاستجابة الخطوية

الإجابة: ωn = 6,557 rad/s

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

قارن مع الصيغة القياسية

يجب أن يطابق المقام s² + 2ζωₙs + ωₙ².

ωₙ² = 43 → ωₙ = 6,557 rad/s
2ζωₙ = 6 → ζ = 6/(2·6,557) = 0,4575

النتيجة

ωₙ = 6,557 rad/s

الإجابة

ωn = 6,557 rad/s
34.الاستجابة الخطوية

الإجابة: ωn = 8,062 rad/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).

نسبة التخميد

ζ = −ln(0,08)/√(π² + ln²(0,08)) = 2,526/√(9,87 + 6,379) = 0,6266

التردد الطبيعي

ωd = π/tp = π/0,5 = 6,283 rad/s
ωₙ = ωd/√(1 − ζ²) = 6,283/0,7794 = 8,062 rad/s

الإجابة

ωn = 8,062 rad/s
35.مخططات بودي والهوامش

الإجابة: |G(jω)| = 10,9 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.

اضرب المقادير

|G(j10)| = 972/(√(10² + 9²)·√(10² + 18²)) = 972/(13,45·20,59) = 3,509

النتيجة

20·log₁₀(3,509) = 10,9 dB

الإجابة

|G(jω)| = 10,9 dB
36.مخططات بودي والهوامش

الإجابة: K = 44,48

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/7) = 1 → ω180 = √(1·7) = 2,646 rad/s

المقدار عند تقاطع الطور

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 1)·√(ω² + 49)) = K/(1·7·(1 + 7)) = K/56

الكسب المطلوب

56/K = 102/20 = 1,259
K = 56/1,259 = 44,48

الإجابة

K = 44,48
37.الاستقرار: راوث–هرفيتز والمحل الهندسي للجذور

الإجابة: Kmax = 1

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 + 2) + K(s + 9) = s³ + 3s² + (2 + K)s + 9K

جدول روث

s³: 1, 2 + K
s²: 3, 9K
s¹: (3·(2 + K) − 9K)/3
s⁰: 9K

الشرط

6 − 6K > 0
K < 6/6 = 1

الإجابة

Kmax = 1

لو وقع الصفر على يمين s = −3 لبقيت الحلقة مستقرة لكل K > 0.

38.الاستقرار: راوث–هرفيتز والمحل الهندسي للجذور

الإجابة: θd = −26,57 °

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 + 6s + 25 = 0 → s = −3 ± j4
s = −1

الزوايا من الأقطاب الأخرى

∠(−3 + j4 + 1) = atan2(4, -2) = 116,6°
∠(−3 + j4 − (−3 − j4)) = ∠(j8) = 90°

زاوية المغادرة

θd = 180° − 116,6° − 90° = −26,57°

الإجابة

θd = −26,57°
39.خطأ الحالة المستقرة والتحكم PID

الإجابة: ess = 2,703 %

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 = 9·4 = 36

خطأ الخطوة

ess = 100/(1 + 36) = 2,703 %

الإجابة

ess = 2,703 %
40.خطأ الحالة المستقرة والتحكم PID

الإجابة: Kp = 3,5

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

1 + C(s)G(s) = 0، مضروبة في s(s + 2).

s² + (2 + 4Kp)s + 4Ki

كثير الحدود المستهدف

s² + 2·1·8s + 8² = s² + 16s + 64

طابِق المعاملات

2 + 4Kp = 16 → Kp = 3,5

الإجابة

Kp = 3,5

الحد التكاملي يجعل الحلقة من النوع 1، فتُتبع الخطوة دون خطأ في الحالة المستقرة.

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