בחינת גמר · אביב תשפ"ד 2024 · שאלון 733001 · שאלות 1–10
✦ בנוי על ידי פהד גאנם ✦
💡
על המסמך: הצעה לפתרון מלא לשאלון 733001 — חשמל ואלקטרוניקה לטכנאים, מגמת הנדסת חשמל, בקרה ואנרגייה (כיתה י"ג), אביב תשפ"ד 2024. בשאלון עשר שאלות, והנבחן עונה על חמש בלבד. נוסח השאלות הוא של משרד החינוך; הפתרונות נכתבו במלואם ואומתו נומרית על ידי פהד גאנם.
מבנה המעגל: שלושה ענפים נפגשים בצומת A ונסגרים בצומת B. הענף השמאלי מכיל את E₁ ואת R₁ ו-R₂ בטור (סך 20Ω), הענף האמצעי מכיל את R₃ ו-R₄ בטור (סך 30Ω), והענף הימני מכיל את E₂ ואת R₅ (60Ω). קוטבם החיובי של שני המקורות פונה כלפי מעלה, ולכן שניהם דוחפים זרם אל הצומת A.
סעיף א — הזרמים בשיטת ההרכבה
בשיטת ההרכבה מפעילים מקור אחד בכל פעם ומקצרים את השני, ובסוף מחברים את התרומות עם הסימן המתאים.
שלב ראשון — רק E₁ פועל, המקור E₂ מקוצר. הענף האמצעי והענף הימני נראים מן המקור כשני נגדים מקביליים:
שלב שלישי — חיבור התרומות. נשמור על הכיוונים שסומנו באיור: הזרם I₁ נכנס אל A משמאל, הזרם I₃ נכנס אל A מימין, והזרם I₂ יורד מ-A ל-B. בשלב הראשון הזרם בענף הימני יוצא מ-A, ובשלב השני הזרם בענף השמאלי יוצא ממנו — ולכן שתי התרומות האלה נכנסות בסימן שלילי:
I₁ = 1.5 - 1.2 = 0.3 A
I₂ = 1 + 0.8 = 1.8 A
I₃ = -0.5 + 2 = 1.5 A
I₁ = 0.3 A ; I₂ = 1.8 A ; I₃ = 1.5 A
אימות בחוק הזרמים של קירכהוף: 0.3 + 1.5 = 1.8 — שני הזרמים הנכנסים אל הצומת A שווים בדיוק לזרם היוצא ממנו ✓
סעיף ב — המתח בין A ל-B
הדרך הקצרה היא דרך הענף האמצעי, שכל כולו נגדים:
UAB = I₂ · (R₃ + R₄) = 1.8 × 30
UAB = 54 V
אותו מתח חייב להתקבל גם דרך שני הענפים האחרים — וזו הבדיקה הטובה ביותר לשלושת הזרמים:
דרך הענף השמאלי: 60 - 0.3 × 20 = 54 V ✓
דרך הענף הימני: 144 - 1.5 × 60 = 54 V ✓
סעיף ג — ההספק המתפתח על R₅
P(R₅) = I₃2 · R₅ = 1.52 × 60 = 2.25 × 60
P(R₅) = 135 W
🧪סימולציה בתוך הדף— שלושת הזרמים והמתח בין הצמתים
המעגל נפתר כאן במכה אחת, אבל התוצאה זהה לשיטת ההרכבה. הקטינו את E₂ אל מתחת לחמישים וולט וראו את I₃ מתהפך — הענף הימני מפסיק להזין ומתחיל לצרוך.▶ סימולטור שיטת ההרכבה
🧪 בגרסת האתר יש כאן סימולציה אינטראקטיבית — שלושת הזרמים והמתח בין הצמתים.
מבנה המעגל: מן הנקודה A יוצאים בטור הסליל X(L₁) והנגד R₁ אל צומת ביניים. מן הצומת יורד ענף אחד ובו X(L₂) ו-R₂ בטור (הזרם I₂), ויוצא ענף שני ובו R₃ ו-X(C) בטור (הזרם I₃) — שני הענפים מקבילים זה לזה.
אימות בדרך השנייה — חלוקת המתח שעל המקבילית בעכבת המקבילית עצמה:
I₁ = 20.13∠23.43°5.66∠-13.43° = 3.55∠36.86° ✓
סעיף ד — גורם ההספק
גורם ההספק הוא הקוסינוס של זווית העכבה השקולה — אותה זווית שבין מתח המקור לזרם הכולל:
cos φ = cos(16.8°)
cos φ = 0.957 (מפגר — אופי השראותי)
🧪סימולציה בתוך הדף— מן הזרם הידוע אל שאר המעגל
כאן ההתחלה היא בזרם ולא במתח, ולכן כל השאר נגזר ממנו. שימו לב שהזרם הכולל אינו סכום אריתמטי של שני הענפים אלא סכום פאזורי — בציור זה נראה מיד.▶ מעבדת המספרים המרוכבים
🧪 בגרסת האתר יש כאן סימולציה אינטראקטיבית — מן הזרם הידוע אל שאר המעגל.
שאלה 4 — עומס תלת-מופעי בחיבור משולש
נתונים: U = 400 V / 50 Hz · Z = 20 + j16 Ω בכל מופע · חיבור משולש, עומס מאוזן
💡
הכלל שקובע את כל השאלה: בחיבור משולש כל עכבה מחוברת ישירות בין שני קווים, ולכן מתח המופע שווה למתח הקו — 400V. לעומת זאת זרם הקו גדול פי √3 מזרם המופע ומפגר אחריו ב-30°.
משולש ההספקים הוא משולש ישר-זווית: הניצב האופקי הוא ההספק הממשי P = 14.63 kW, הניצב האנכי הוא ההספק המדומה Q = 11.71 kvar ומצויר כלפי מעלה מפני שהעומס השראותי, והיתר הוא ההספק המדומה-הכולל S = 18.74 kVA. הזווית שבין P לבין S היא 38.66° — בדיוק זווית העכבה.
🧪סימולציה בתוך הדף— משולש ההספקים והמעבר בין משולש לכוכב
החליפו את החיבור מן המשולש אל הכוכב ובדקו: ההספקים קטנים פי שלושה בדיוק, כי מתח המופע קטן פי שורש שלוש והזרם אתו. גורם ההספק אינו משתנה כלל.▶ מעבדת המערכת התלת-מופעית
🧪 בגרסת האתר יש כאן סימולציה אינטראקטיבית — משולש ההספקים והמעבר בין משולש לכוכב.
פרק שני — אלקטרוניקה א׳ ומערכות ספרתיות · שאלות 5–8
נקודת עבודה תקינה:V(CE) = 6.17 V נמצא בערך באמצע התחום שבין הרוויה (0V) לניתוק (15V), ולכן האות יוכל להתנדנד לשני הכיוונים בלי לחתוך. זהו כל תפקידו של הקיטוב.
סעיף ב — מעגל התמורה לאות חילופין
בזרם חילופין הקבלים מהווים קצר, ומקור ההזנה נחשב אדמה. מעגל התמורה כולל: בכניסה — מקור האות מול R(B) במקביל ל-h(ie); ביציאה — מקור זרם מבוקר בעוצמת h(fe)·i(b), ומולו R(C) במקביל ל-R(L).
RB ∥ hie = 810 kΩ ∥ 1 kΩ ≈ 0.999 kΩ
RC ∥ RL = 5 × 85 + 8 = 4013 = 3.08 kΩ
סעיף ג — הגבר המתח
AV = -hfe · (RC ∥ RL)hie = -100 × 3.08·1031·103
AV = -307.7
ההגבר גבוה בהרבה מזה של מגבר עם נגד פולט לא מעוקף, וזה הגיוני: כל האות שנופל על מעבר הבסיס-פולט מתורגם לזרם קולט בלי שום משוב שיבלום אותו. המחיר הוא יציבות נמוכה — נקודת העבודה כאן תלויה ישירות ב-β, ושינוי טמפרטורה מזיז אותה.
🧪סימולציה בתוך הדף— קו העומס בקיטוב קבוע
בקיטוב קבוע אין נגד פולט, ולכן זרם הבסיס תלוי רק ב-R(B) — ונקודת העבודה נודדת עם β. הגדילו את β וראו כמה מהר הטרנזיסטור נכנס לרוויה; זו בדיוק החולשה של הקיטוב הזה.▶ מעבדת המגבר בפולט משותף
🧪 בגרסת האתר יש כאן סימולציה אינטראקטיבית — קו העומס בקיטוב קבוע.
שאלה 6 — מייצב מתח בדיודת זנר
נתונים: E = 12 V · R = 6 Ω · R(L) = 10 Ω · V(Z) = 6 V · I(Z max) = 1.3 A · דיודה אידאלית
סעיף א — המתח על העומס
קודם כול נבדוק אם הזנר בכלל מוליך. נחשב את המתח שהיה מתקבל על העומס בלעדיו:
V = E · R(L)R + R(L) = 12 × 1016 = 7.5 V
המתח הזה גבוה ממתח הזנר, ולכן הדיודה נכנסת לפעולה ומקבעת את המתח על ערכה. מכיוון שהדיודה אידאלית, המתח עליה — ולכן גם על העומס המקביל לה — קבוע לחלוטין:
V(R(L)) = 6 V
סעיף ב — הזרמים במעגל
עכשיו כל שלושת הזרמים נובעים ישירות. הזרם הכולל נקבע על ידי המפל על הנגד הטורי, שהוא ההפרש בין המקור למתח המיוצב:
I = E - V(Z)R = 12 - 66 = 1 A
I(L) = V(Z)R(L) = 610 = 0.6 A
I(Z) = I - I(L) = 1 - 0.6
I = 1 A ; I(L) = 0.6 A ; I(Z) = 0.4 A
הזרם דרך הזנר קטן מן הזרם המרבי המותר 1.3 A, ולכן הדיודה עובדת בתחום הבטוח שלה.
סעיף ג — העומס שיביא את זרם הזנר ל-0.8 A
המפתח כאן: הזרם הכולל אינו משתנה כלל. הוא נקבע על ידי המקור, הנגד הטורי ומתח הזנר — ואף אחד מן השלושה אינו תלוי בעומס. לכן כל אמפר שהזנר לוקח, העומס מפסיד:
I(L) = I - I(Z) = 1 - 0.8 = 0.2 A
R(L) = V(Z)I(L) = 60.2
R(L) = 30 Ω
💡
הכיוון ההפוך מן האינטואיציה: כדי שהזנר יוליך יותר, יש להגדיל את התנגדות העומס — כלומר להקטין את הזרם שהוא לוקח. הזנר הוא זה שבולע את העודף, וזה בדיוק מנגנון הייצוב: הוא מפצה על שינויי העומס כדי לשמור על מתח קבוע.
🧪סימולציה בתוך הדף— מתח המוצא כפונקציה של העומס
הקו הישר הוא מתח הזנר. כל עוד העקומה נצמדת אליו הייצוב עובד; הקטינו את העומס וראו את הנקודה יורדת מן הקו — שם הזנר נסגר והמייצב חדל לייצב.▶ מעבדת הדיודות והמייצבים
🧪 בגרסת האתר יש כאן סימולציה אינטראקטיבית — מתח המוצא כפונקציה של העומס.
בדיקת שפיות: מתח ההזנה הוא ±15V, ו--10 V נמצא בתחום — המגבר אינו ברוויה והחישוב הליניארי תקף.
סעיף ד — מה קורה כשמקצרים את R₆
קיצור נגד המשוב הופך את הקומה השנייה למעקב מתח: המוצא מחובר ישירות אל הכניסה השלילית, ולכן הוא נאלץ להשתוות אליה — והיא, לפי הקצר המדומה, שווה לכניסה החיובית:
Vo = VY = VZ = 2 V
Vo = 2 V
💡
לאן נעלם הזרם: הזרם דרך R₃ ממשיך לזרום — 1.2 mA כמקודם — אבל הוא נבלע כולו במוצא המגבר, שמחזיק את הנקודה Y במתחה. ההגבר של הקומה הזאת ירד לאפס, והמתח בכניסה החיובית הוא שקובע לבדו את המוצא.
🧪סימולציה בתוך הדף— שרשרת המתחים ומתחי ההזנה
אפסו את R₆ וראו את המוצא קופץ למתח הייחוס — זה בדיוק סעיף ד. הגדילו אותו וראו את המוצא נתקע במתח ההזנה השלילי.▶ מעבדת מגברי השרת
🧪 בגרסת האתר יש כאן סימולציה אינטראקטיבית — שרשרת המתחים ומתחי ההזנה.
שאלה 8 — מערכת שערים לוגיים
נתונים: שער NOT על A · שער AND ראשון על מוצא ה-NOT ועל B · שער AND שני על C ועל B · שער AND שלישי המאחד את שני הקודמים · שער NOR על A ועל B · שער OR סופי
סעיף א — ביטוי הפונקציה
נעקוב אחרי המערכת שער אחרי שער. שער ה-AND הראשון מקבל את המשלים של A ואת B, השני מקבל את C ואת B, והשלישי מכפיל את שני המוצאים. במקביל, שער ה-NOR נותן את המשלים של הסכום A+B, ושער ה-OR הסופי מאחד את שני הענפים:
F(A,B,C) = (A · B) · (B · C) + A + B
סעיף ב — צמצום למינימום ליטרלים
נפתח את שני האיברים. במכפלה, המשתנה B מופיע פעמיים — ומכפלת משתנה בעצמו היא המשתנה עצמו. את האיבר השני נפתח לפי חוק דה-מורגן:
(A · B) · (B · C) = A · B · C
A + B = A · B
F = A·B·C + A·B
המשלים של A משותף לשני האיברים, ולכן נוציא אותו כגורם משותף:
F = A · (B·C + B)
בתוך הסוגריים פועל כלל הבליעה: סכום של משתנה עם מכפלה שמכילה את משלימו מוותר על המשלים שבתוך המכפלה:
B + B·C = B + C
F = A · (B + C)
F = A · (B + C) — שלושה ליטרלים
בהצגת סכום-של-מכפלות אותה פונקציה נכתבת כך:
F = A·B + A·C
נוודא בטבלת אמת שהפונקציה המקורית והמצומצמת נותנות אותן תוצאות:
A
B
C
F
0
0
0
1
0
0
1
1
0
1
0
0
0
1
1
1
1
0
0
0
1
0
1
0
1
1
0
0
1
1
1
0
המערכת מוציאה אחד רק כאשר A הוא אפס, ובנוסף B הוא אפס או C הוא אחד — בדיוק מה שאומרת הצורה המצומצמת.
סעיף ג — מימוש בשערים לוגיים
הצורה המצומצמת דורשת ארבעה שערים בלבד: שני שערי NOT, שער OR ושער AND:
A → NOT → A ; B → NOT → B ; (B , C) → OR ; (A , OR) → AND → F
💡
מה הרווחנו: המערכת המקורית מנתה שישה שערים — שלושה AND, שער NOT, שער NOR ושער OR. הצמצום הוריד אותה לארבעה, בלי לשנות אף שורה בטבלת האמת.
🧪סימולציה בתוך הדף— טבלת האמת המלאה, שורה אחר שורה
השורה המודגשת היא הצירוף שבחרתם. עברו על כל שמונה השורות והשוו את המערכת בת שישה השערים לביטוי המצומצם — הן זהות בכל שורה.▶ המעבדה הספרתית — מפת קרנו
🧪 בגרסת האתר יש כאן סימולציה אינטראקטיבית — טבלת האמת המלאה, שורה אחר שורה.
פרק שלישי — אנגלית טכנית · שאלות 9–10
שאלות 9–10 — אנגלית טכנית
שתי השאלות האחרונות נשענות על קטעי קריאה באנגלית המצורפים לשאלון בנספחים א׳ ו-ב׳: שאלה 9 עוסקת בתחנת אגירה שאובה, ושאלה 10 בטורבינות רוח. בכל שאלה ארבעה סעיפים, והנבחן עונה על אחת מהן בלבד.
💡
שלושה כללים שמזכים בניקוד המלא: עונים בעברית ולא באנגלית; מסתמכים רק על הכתוב בקטע ולא על ידע כללי; ולכל סעיף מציינים את מספרי השורות בקטע שעליהן מבוססת התשובה — סעיף בלי מספרי שורות מאבד ניקוד גם אם תוכנו נכון.
מכיוון שהתשובות נגזרות ישירות מנוסח הקטעים המצורפים, אין כאן פתרון מספרי לצטט. עברו על הקטע, סמנו בו את השורות הרלוונטיות לכל סעיף, וכתבו תשובה קצרה ומדויקת המפנה אליהן.