הצעה לפתרון מלא — מערכות חשמל
בגרות · קיץ נבצרים תשפ״א 2021 · שאלון 845381 · שאלות 1–10
✦ בנוי על ידי פהד גאנם ✦
💡
על המסמך: הצעה לפתרון מלא לשאלון 845381 — מערכות חשמל, מועד נבצרים קיץ תשפ״א 2021. השאלון בנוי משלושה פרקים ובהם עשר שאלות: פרק ראשון — זרם ישר (שאלות 1–4), פרק שני — זרם חילופין (שאלות 5–8), ופרק שלישי — מערכות ספרתיות (שאלות 9–10).
שאלה 1 — מעגל משולב בזרם ישר
נתונים: R₁ = 9 Ω · R₂ = 6 Ω · R₃ = 4 Ω · R₄ = 2.5 Ω · R₅ = 3.5 Ω · I = 2A
💡
מבנה המעגל: בצד ימין של המקור מחוברים R₁ ו-R₂ במקביל. בצד שמאל מחובר R₃ במקביל לצירוף הטורי של R₄ ו-R₅. שני הצירופים השקולים מחוברים זה לזה בטור דרך המקור.
סעיף א — מתח המקור E

תחילה מפשטים את המעגל. בצד שמאל הנגדים R₄ ו-R₅ מחוברים בטור זה לזה, והצירוף שלהם מקביל לנגד R₃:

R₄₅ = R₄ + R₅ = 2.5 + 3.5 = 6  Ω
R(שמאלי) = R₄₅ · R₃R₄₅ + R₃ = 6 × 46 + 4 = 2410 = 2.4  Ω

בצד ימין הנגדים R₁ ו-R₂ מחוברים במקביל:

R(ימני) = R₁ · R₂R₁ + R₂ = 9 × 69 + 6 = 5415 = 3.6  Ω

שתי ההתנגדויות השקולות מחוברות בטור, ולכן ההתנגדות הכוללת היא סכומן, ומתח המקור מתקבל מחוק אוהם:

RT = R(שמאלי) + R(ימני) = 2.4 + 3.6 = 6  Ω
E = I · RT = 2 × 6
E = 12 V
סעיף ב — הזרם דרך הנגד R₁

הזרם הכולל זורם דרך הצירוף המקבילי הימני, ולכן המתח על שני הנגדים R₁ ו-R₂ הוא:

U₁₂ = I · R(ימני) = 2 × 3.6 = 7.2 V
I₁ = U₁₂R₁ = 7.29
I₁ = 0.8 A
סעיף ג — ההספק על הנגד R₂

המתח על R₂ הוא אותו מתח מקבילי. תחילה מחשבים את הזרם דרך R₂ ואחר כך את ההספק:

I₂ = U₁₂R₂ = 7.26 = 1.2 A
P₂ = U₁₂ · I₂ = 7.2 × 1.2

בדיקה: סכום זרמי שני הענפים הוא 0.8 + 1.2 = 2 A, בהתאמה מלאה לזרם המקור.

P₂ = 8.64 W
שאלה 2 — מעגל עם שני מקורות (שיטת החוגים)
נתונים: E₁ = 3V · R₁ = 3 Ω · E₂ = 16V · R₂ = 5 Ω · R₃ = 6 Ω
💡
מבנה המעגל: המקור E₁ בטור עם R₁ בענף השמאלי, המקור E₂ בטור עם R₂ בענף הימני, והנגד R₃ בענף האמצעי בין הצמתים A ל-B. הזרמים I₁ ו-I₂ מסומנים באיור כנכנסים אל הצומת A.
סעיף א — הזרמים I₁ ו-I₂

לפי חוק הזרמים של קירכהוף, הזרם דרך R₃ (מ-A אל B) הוא סכום שני הזרמים הנכנסים:

I₃ = I₁ + I₂

נכתוב את חוק המתחים של קירכהוף עבור החוג השמאלי ועבור החוג הימני:

E₁ = I₁ R₁ + (I₁ + I₂) R₃  →  3 = 3 I₁ + 6(I₁ + I₂)
E₂ = I₂ R₂ + (I₁ + I₂) R₃  →  16 = 5 I₂ + 6(I₁ + I₂)

מסדרים את שתי המשוואות ופותרים את המערכת:

9 I₁ + 6 I₂ = 3
6 I₁ + 11 I₂ = 16
99 I₁ + 66 I₂ = 33
36 I₁ + 66 I₂ = 96
63 I₁ = -63  →  I₁ = -1 A
9(-1) + 6 I₂ = 3  →  I₂ = 2 A

הסימן השלילי של I₁ מלמד שכיוון הזרם בפועל הפוך לחץ שסומן באיור: זרם בגודל 1 אמפר זורם בענף השמאלי מן הצומת A אל המקור E₁, שכן המקור החזק E₂ דוחף זרם דרך E₁.

I₁ = -1 A ; I₂ = 2 A
סעיף ב(1) — הזרם דרך הנגד R₃
I₃ = I₁ + I₂ = (-1) + 2
I₃ = 1 A
סעיף ב(2) — כיוון הזרם בנגד R₃

הזרם I₃ יצא חיובי לפי הכיוון שהונח, מ-A אל B. אל הצומת A נכנסים בפועל 2 אמפר מן הענף הימני, ומן הצומת יוצא 1 אמפר אל הענף השמאלי. לפי חוק הזרמים של קירכהוף, יתרת הזרם, 1 אמפר, זורמת מן הצומת A דרך R₃ אל הצומת B.

I₃ = 1 A    (A → B)
סעיף ג — ההספק הנצרך על הנגד R₃
P₃ = I₃2 · R₃ = 12 × 6
P₃ = 6 W
שאלה 3 — מעגל קבלים
נתונים: C₁ = 2 µF · C₂ = 4 µF · C₃ = 6 µF · C₄ = 8 µF · U(מדוד על C₃) = 2V
💡
מבנה המעגל: הקבלים C₂ ו-C₃ מחוברים בטור זה לזה, והצירוף הטורי שלהם מקביל לקבל C₁. הצירוף המקבילי כולו מחובר בטור לקבל C₄ ולמקור E. מד-מתח אידיאלי מודד את המתח על C₃.
סעיף א — המתח והמטען על הקבלים C₂ ו-C₄

המטען על C₃ מחושב ישירות מהמתח המדוד עליו. בחיבור טורי המטען זהה על שני הקבלים, ולכן המטען על C₂ שווה למטען על C₃:

Q₃ = C₃ · U₃ = 6 × 2 = 12  µC
Q₂ = Q₃ = 12  µC
U₂ = Q₂C₂ = 124 = 3 V

המתח על הצירוף המקבילי (וגם על C₁) הוא סכום המתחים בענף הטורי, וממנו מחשבים את מטען C₁:

U(מקבילי) = U₂ + U₃ = 3 + 2 = 5 V
Q₁ = C₁ · U(מקבילי) = 2 × 5 = 10  µC

הקבל C₄ מחובר בטור אל הצירוף המקבילי כולו, ולכן המטען עליו שווה לסכום מטעני שני הענפים המקביליים:

Q₄ = Q₁ + Q₂ = 10 + 12 = 22  µC
U₄ = Q₄C₄ = 228 = 2.75 V
U₂ = 3 V ; Q₂ = 12  µC ; U₄ = 2.75 V ; Q₄ = 22  µC
סעיף ב — מתח המקור E

לפי חוק המתחים של קירכהוף, מתח המקור שווה לסכום המתח על הצירוף המקבילי והמתח על C₄:

E = U(מקבילי) + U₄ = 5 + 2.75
E = 7.75 V
סעיף ג — הקיבול השקול של המעגל
C₂₃ = C₂ · C₃C₂ + C₃ = 4 × 64 + 6 = 2.4  µF
C(מקבילי) = C₂₃ + C₁ = 2.4 + 2 = 4.4  µF
Ceq = C(מקבילי) · C₄C(מקבילי) + C₄ = 4.4 × 84.4 + 8 = 35.212.4 ≈ 2.84  µF

בדיקה: מכפלת הקיבול השקול במתח המקור נותנת מטען כולל של כ-22 µC, בהתאמה למטען שחושב על C₄.

Ceq ≈ 2.84  µF
שאלה 4 — צרכנים ביתיים במקביל
נתונים: E = 250V · P₁ = 1.5 kW · P₂ = 1.2 kW · P₃ = 1.8 kW · חיבור מקבילי
סעיף א — הזרמים I₁, I₂ ו-I₃

בחיבור מקבילי כל צרכן מקבל את מלוא מתח המקור, ולכן הזרם דרך כל צרכן מתקבל מנוסחת ההספק:

I₁ = P₁U = 1500250 = 6 A
I₂ = P₂U = 1200250 = 4.8 A
I₃ = P₃U = 1800250 = 7.2 A
I₁ = 6 A ; I₂ = 4.8 A ; I₃ = 7.2 A
סעיף ב — התנגדות כל אחד מהצרכנים
R₁ = UI₁ = 2506 ≈ 41.67  Ω
R₂ = UI₂ = 2504.8 ≈ 52.08  Ω
R₃ = UI₃ = 2507.2 ≈ 34.72  Ω
R₁ ≈ 41.67  Ω ; R₂ ≈ 52.08  Ω ; R₃ ≈ 34.72  Ω
סעיף ג — הספק המקור

בחיבור מקבילי הספק המקור שווה לסכום הספקי הצרכנים:

PT = P₁ + P₂ + P₃ = 1500 + 1200 + 1800 = 4500 W

בדיקה: הזרם הכולל הוא 18 אמפר, ומכפלתו במתח המקור נותנת 250 × 18 = 4500 W.

PT = 4500 W = 4.5 kW
🔌 פרק שני — זרם חילופין
שאלה 5 — מעגל RLC טורי לפי מדידות מתח
נתונים: f = 50Hz · I = 2A · UR = 3V · UL = 12V · UC = 8V · חיבור טורי
סעיף א — מתח המקור U (הערך היעיל)

במעגל טורי המתח על הנגד במופע עם הזרם, המתח על המשרן מקדים את הזרם ב-90°, והמתח על הקבל מפגר אחריו ב-90°. לכן מחברים את המתחים חיבור וקטורי:

U = √UR2 + (UL - UC)2 = √32 + (12 - 8)2 = √9 + 16 = √25
U = 5 V
סעיף ב — התנגדות הנגד, השראות המשרן וקיבול הקבל

בכל רכיב הזרם הוא 2 אמפר, ולכן מחלקים את המתח על כל רכיב בזרם:

R = URI = 32 = 1.5  Ω
XL = ULI = 122 = 6  Ω  →  L = XL2π f = 62π × 50 ≈ 0.0191 H ≈ 19.1  mH
XC = UCI = 82 = 4  Ω  →  C = 12π f XC = 12π × 50 × 4 ≈ 796  µF
R = 1.5  Ω ; L ≈ 19.1  mH ; C ≈ 796  µF
סעיף ג — ההספק בכל אחד ממרכיבי המעגל

הנגד צורך הספק ממשי, ואילו המשרן והקבל צורכים הספק היגבי בלבד:

PR = UR · I = 3 × 2 = 6 W
QL = UL · I = 12 × 2 = 24  var
QC = UC · I = 8 × 2 = 16  var

בדיקה: ההספק המדומה של המקור מתקבל בשתי דרכים ומתלכד:

S = U · I = 5 × 2 = 10  VA
S = √PR2 + (QL - QC)2 = √62 + 82 = √100 = 10  VA ✓
PR = 6 W ; QL = 24  var ; QC = 16  var
שאלה 6 — מעגל RLC מקבילי
נתונים: U = 50 ∠ 0° V · ω = 600 rad/s · C = 400 µF · L = 13.3 mH · חיבור מקבילי
⚠️
נתון חסר: בשאלון המודפס לא מופיע ערך הנגד R (ככל הנראה פגם בהדפסה). הפתרון נכתב תחת ההנחה R = 10 \,\Omega, וכל שלבי החישוב מנוסחים כך שאפשר להציב כל ערך אחר של R באותה דרך.
סעיף א — היגב המשרן והיגב הקבל
XL = ω L = 600 × 0.0133 = 7.98  Ω ≈ 8  Ω
XC = 1ω C = 1600 × 400 × 10-6 = 10.24 ≈ 4.17  Ω
XL ≈ 7.98  Ω ; XC ≈ 4.17  Ω
סעיף ב — עכבת המעגל ואופיו

במעגל מקבילי נוח לעבוד עם מוליכויות. המוליכות הכוללת היא סכום מוליכויות הענפים — ענף הקבל תורם מוליכות היגבית חיובית וענף המשרן שלילית:

Y = 1R + j(1XC - 1XL) = 110 + j(0.24 - 0.125) = 0.1 + j0.115  S
|Y| = √0.12 + 0.1152 ≈ 0.152  S
Z = 1|Y| = 10.152 ≈ 6.57  Ω

זרם הקבל גדול מזרם המשרן, ולכן הרכיב ההיגבי הקיבולי גובר, הזרם הכולל מקדים את המתח, ואופי המעגל קיבולי.

Z ≈ 6.57  Ω ; אופי המעגל — קיבולי
סעיף ג — הזרמים I₁, I₂ וזרם המקור הכולל

המתח המשותף על כל הענפים הוא 50 וולט, ולכן:

I₁ = UXL = 507.98 ≈ 6.27 A
I₂ = UXC = 504.17 = 12 A
IR = UR = 5010 = 5 A

זרם המקור הוא הסכום הווקטורי של זרמי הענפים:

IT = √IR2 + (I₂ - I₁)2 = √52 + (12 - 6.27)2 = √25 + 32.8 ≈ 7.61 A
φ = arctan(I₂ - I₁IR) = arctan(5.735) ≈ 48.9°
I₁ ≈ 6.27 A ; I₂ = 12 A ; IT ≈ 7.61 ∠ 48.9° A
שאלה 7 — עומס תלת-מופעי בחיבור משולש
נתונים: חיבור משולש · U(קווי) = 400V · f = 50Hz · Z = 16 + j12  Ω לכל מופע
סעיף א — הזרם המופעי והזרם בקווי ההזנה

בחיבור משולש המתח על כל מופע שווה למתח הקווי. תחילה מחשבים את גודל העכבה:

|Z| = √162 + 122 = √256 + 144 = √400 = 20  Ω
I(מופעי) = U(קווי)|Z| = 40020 = 20 A

בחיבור משולש הזרם הקווי גדול מן הזרם המופעי פי שורש שלוש:

I(קווי) = √3 · I(מופעי) = 1.732 × 20 ≈ 34.64 A
I(מופעי) = 20 A ; I(קווי) ≈ 34.64 A
סעיף ב — מקדם ההספק

מקדם ההספק הוא היחס בין ההתנגדות הממשית לגודל העכבה:

cos φ = R|Z| = 1620 = 0.8
cos φ = 0.8  (מפגר, השראתי)
סעיף ג — ההספק הממשי, ההיגבי והמדומה
P = 3 · U(מופעי) · I(מופעי) · cos φ = 3 × 400 × 20 × 0.8 = 19200 W
sin φ = X|Z| = 1220 = 0.6
Q = 3 · U(מופעי) · I(מופעי) · sin φ = 3 × 400 × 20 × 0.6 = 14400  var
S = 3 · U(מופעי) · I(מופעי) = 3 × 400 × 20 = 24000  VA

בדיקה לפי משולש ההספקים:

S = √P2 + Q2 = √19.22 + 14.42 = √576 = 24  kVA ✓
P = 19.2 kW ; Q = 14.4 kvar ; S = 24 kVA
שאלה 8 — מעגל RLC טורי ותהודה
נתונים: R = 4 Ω · L = 6.37 mH · C = 159 µF · U = 120V · f = 200Hz · חיבור טורי
סעיף א(1) — חישוב הזרם I

מחשבים תחילה את ההיגבים בתדר הנתון, ומהם את העכבה השקולה:

XL = 2π f L = 2π × 200 × 6.37 × 10-3 ≈ 8  Ω
XC = 12π f C = 12π × 200 × 159 × 10-6 ≈ 5  Ω
Z = √R2 + (XL - XC)2 = √42 + (8 - 5)2 = √16 + 9 = 5  Ω
I = UZ = 1205
I = 24 A
סעיף א(2) — המתחים על הנגד, על המשרן ועל הקבל
UR = I · R = 24 × 4 = 96 V
UL = I · XL = 24 × 8 = 192 V
UC = I · XC = 24 × 5 = 120 V

בדיקה: החיבור הווקטורי של המתחים מחזיר את מתח המקור:

U = √UR2 + (UL - UC)2 = √962 + 722 = √14400 = 120 V ✓
UR = 96 V ; UL = 192 V ; UC = 120 V
סעיף ב — תדר התהודה

בתדר הנתון היגב המשרן גדול מהיגב הקבל, ולכן המעגל השראתי. במצב תהודה נדרש שוויון בין שני ההיגבים, ולכן יש להנמיך את תדר המקור. תדר התהודה מתקבל מנוסחת תומסון:

f₀ = 12π√L C = 12π√6.37 × 10-3 × 159 × 10-6 = 12π × 1.006 × 10-3 ≈ 158 Hz
f₀ ≈ 158 Hz
📘 פרק שלישי — מערכות ספרתיות
שאלה 9 — פישוט פונקציה בינארית
נתונים: F(A,B,C) = A + A · C · B + B · C + B
סעיף א — פישוט הפונקציה למינימום משתנים

מפשטים תחילה את הביטוי שבתוך הסוגריים, מתחת לקו השלילה. לפי כלל הבליעה המשתנה B בולע את המכפלה שהוא מופיע בה:

B · C + B = B(C + 1) = B
A + A · B · C + B · C + B = A + A · B · C + B

לפי הכלל X + X · Y = X + Y, המשתנה A בולע את המשלים שלו שבמכפלה:

A + A · B · C = A + B · C  →  A + B · C + B

מפעילים את אותו כלל פעם נוספת על המשתנה B והמשלים שלו:

B + B · C = B + C  →  A + B + C

כעת מפעילים את השלילה החיצונית לפי משפט דה-מורגן:

F = A + B + C = A · B · C

בדיקה: הפונקציה שווה 1 רק כאשר שלושת המשתנים שווים 0, בהתאמה מלאה בכל שמונה שורות טבלת האמת.

F = A · B · C
סעיף ב — מימוש הפונקציה המפושטת בשערים לוגיים

הפונקציה המפושטת שקולה לפי משפט דה-מורגן לשלילה של סכום שלושת המשתנים:

F = A · B · C = A + B + C

המימוש הפשוט ביותר הוא שער NOR יחיד בעל שלוש כניסות — הכניסות A, B, C והיציאה F. לחלופין אפשר לממש בשערים בסיסיים: שלושה מהפכים היוצרים את שלושת המשלימים, ושער AND בעל שלוש כניסות שמכפיל אותם ומוציא את F.

F = A + B + C = A · B · C
שאלה 10 — פונקציה בוליאנית מטבלת אמת
נתונים: פונקציה F של שלושה משתנים A, B, C נתונה בטבלת אמת
סעיף א — כתיבת ביטוי לפונקציה F לפי טבלת האמת

טבלת האמת של הפונקציה, שבה F שווה 1 בשלוש שורות בלבד:

ABCF
0001
0010
0101
0110
1001
1010
1100
1110

כותבים את הפונקציה כסכום של מכפלות (מינטרמים) עבור השורות שבהן F = 1:

F = A · B · C + A · B · C + A · B · C
F = A · B · C + A · B · C + A · B · C
סעיף ב — פישוט הפונקציה בכללי האלגברה הבוליאנית

מאחדים את שני האיברים הראשונים באמצעות הוצאת גורם משותף:

A · B · C + A · B · C = A · C(B + B) = A · C
F = A · C + A · B · C

מוציאים גורם משותף נוסף ומשתמשים בכלל X + X · Y = X + Y:

F = C(A + A · B) = C(A + B)
F = C(A + B) = A · C + B · C

בדיקה: הביטוי המפושט הושווה מול כל שמונה שורות טבלת האמת ונמצאה התאמה מלאה.

F = C(A + B) = A · C + B · C
סעיף ג — מימוש הפונקציה המפושטת בשערים לוגיים

מימוש הצורה המפושטת דורש שני מהפכים היוצרים את המשלימים של A ו-B, שער OR המחבר אותם, מהפך על C, ושער AND המכפיל את מוצא שער ה-OR במשלים של C. דרך חסכונית בשלושה שערים בלבד מתקבלת לפי משפט דה-מורגן:

F = C(A + B) = A · B + C

לפי צורה זו מספיק שער AND על הכניסות A ו-B, שער OR המחבר את המכפלה עם C, ושער NOT ביציאה.

F = C(A + B) = A · B + C
🏠