על המסמך: הצעה לפתרון מלא לשאלון 845381 — מערכות חשמל, קיץ תשע"ט 2019. במסמך פתרון של עשר השאלות, מחולק לשלושה פרקים: זרם ישר, קבלים ומגנטיות (שאלות 1–4), זרם חילופין (שאלות 5–8) ומערכות ספרתיות (שאלות 9–10). לכל סעיף מובאים הנתונים, הנוסחה, ההצבה, התוצאה הסופית עם יחידות והסבר קצר.
מבנה המעגל (SW סגור): הנגדים R₂ ו-R₃ מחוברים במקביל זה לזה, בטור אליהם R₄, וכל הצירוף מקביל ל-R₅. הנגד R₁ מחובר בטור למקור.
סעיף א — ההתנגדות השקולה שרואה המקור (SW סגור)
תחילה מחשבים את השקול של R₂ במקביל ל-R₃, מוסיפים את R₄ בטור, ואת התוצאה מחברים במקביל ל-R₅:
R₂₃ = R₂ · R₃R₂ + R₃ = 30 × 6030 + 60 = 20 Ω
R₂₃₄ = R₂₃ + R₄ = 20 + 30 = 50 Ω
Rₚ = R₂₃₄ · R₅R₂₃₄ + R₅ = 50 × 5050 + 50 = 25 Ω
Req = R₁ + Rₚ = 20 + 25 = 45 Ω
Req = 45 Ω
סעיף ב — המתח על פני הנגד R₁
הזרם הכללי מתקבל מחוק אוהם על כל המעגל, והמתח על R₁ הוא מכפלת הזרם בהתנגדותו:
I = EReq = 9045 = 2 A
UR1 = I · R₁ = 2 × 20 = 40 V
UR1 = 40 V
סעיף ג — הזרם דרך הנגד R₅
המתח על הקטע המקבילי שווה למתח המקור פחות המתח על R₁, ומחוק אוהם מתקבל הזרם:
Uₚ = E - UR1 = 90 - 40 = 50 V
IR5 = UₚR₅ = 5050 = 1 A
IR5 = 1 A
סעיף ד — המעגל כאשר המפסק SW פתוח
כאשר SW פתוח נותק הקשר הישיר בין ראש R₂ לראש R₃, והזרם עובר בהכרח דרך R₂ אל הצומת התחתון. מהצומת קיימים שני מסלולים אל הדק המקור: דרך R₄, או דרך R₃ בטור עם R₅. לכן R₄ מקביל לצירוף הטורי של R₃ ו-R₅:
🧪 בגרסת האתר יש כאן סימולציה אינטראקטיבית — מציאת הקבל ממשוואת המתחים.
שאלה 6 — רשת תלת-מופעית עם שני עומסים סימטריים
נתונים: UL = 400V · f = 50Hz · עומס A כוכב R = 5 Ω · עומס B משולש XL = 9 Ω
סעיף א — חישוב הזרמים
בעומס A (כוכב) המתח על כל נגד הוא המתח המופעי, וזרם הקו שווה לזרם המופע:
Uₚₕ = UL√3 = 400√3 ≈ 230.9 V
I₁ = UₚₕR = 230.95 ≈ 46.19 A
בעומס B (משולש) שורר על כל סליל המתח הקווי, וזרם הקו גדול פי שורש שלוש מזרם המופע:
Iₚₕ = ULXL = 4009 ≈ 44.44 A
I₂ = √3 · Iₚₕ = √3 × 44.44 ≈ 76.98 A
זרם העומס ההתנגדותי במופע עם המתח, וזרם העומס ההשראותי מפגר אחריו ב-90°, ולכן מחברים אותם וקטורית:
I = √I₁2 + I₂2 = √46.192 + 76.982 ≈ 89.77 A
I₁ ≈ 46.19 A ; I₂ ≈ 76.98 A ; I ≈ 89.77 A
סעיף ב — ההספק הממשי, ההיגבי והמדומה
עומס A צורך הספק ממשי בלבד ועומס B צורך הספק היגבי בלבד:
P = √3 · UL · I₁ = √3 × 400 × 46.19 ≈ 32000 W
Q = √3 · UL · I₂ = √3 × 400 × 76.98 ≈ 53333 var
S = √P2 + Q2 = √322 + 53.332 ≈ 62.2 kVA
בדיקה: S = √3 · UL · I = √3 × 400 × 89.77 ≈ 62.2 kVA — מתקבלת אותה תוצאה.
P = 32 kW ; Q ≈ 53.33 kvar ; S ≈ 62.2 kVA
סעיף ג — משולש ההספקים של המקור
משולש ההספקים הוא משולש ישר-זווית: הניצב האופקי מייצג את ההספק הממשי, הניצב האנכי את ההספק ההשראותי, והיתר את ההספק המדומה. הזווית שבין P ל-S היא זווית המופע:
🧪 בגרסת האתר יש כאן סימולציה אינטראקטיבית — עומס אוהמי וניגודו ההשראותי.
שאלה 7 — מעגל מקבילי בעל אופי קיבולי
נתונים: U = 30V · f = 50Hz · R = 300 Ω · XL = 200 Ω · A₂ מורה 0.1A · אופי קיבולי
💡
המקור: מתח המקור נתון כ-u(t) = 30√2 sin(ω t) וולט, כלומר ערך יעיל של 30V. שלושה ענפים במקביל: נגד, קבל וסליל. מד-הזרם A₂ מודד את הזרם המשותף של ענפי הקבל והסליל, ומד-הזרם A₁ מודד את זרם המקור.
סעיף א — הזרם היעיל דרך הנגד R
IR = UR = 30300 = 0.1 A
IR = 0.1 A
סעיף ב — הזרם דרך מד-הזרם A₁
זרם הקבל מקדים את המתח ב-90° וזרם הסליל מפגר ב-90°, ולכן הזרם דרך A₂ הוא ההפרש בין שני הזרמים ההיגביים, כלומר 0.1 A. זרם המקור הוא הסכום הווקטורי של זרם הנגד והזרם ההיגבי:
IA1 = √IR2 + (IC - IL)2 = √0.12 + 0.12 ≈ 0.1414 A
IA1 ≈ 0.14 A
סעיף ג — ערכו של היגב הקבל X_C
תחילה זרם הסליל, ומכיוון שהמעגל בעל אופי קיבולי זרם הקבל גדול מזרם הסליל:
IL = UXL = 30200 = 0.15 A
IC - IL = 0.1 → IC = 0.15 + 0.1 = 0.25 A
XC = UIC = 300.25 = 120 Ω
XC = 120 Ω
סעיף ד — הספקי המעגל ומשולש ההספקים
P = U · IR = 30 × 0.1 = 3 W
Q = U · (IC - IL) = 30 × 0.1 = 3 var
S = √P2 + Q2 = √32 + 32 ≈ 4.24 VA
במשולש ההספקים הניצב האנכי Q פונה כלפי מטה מפני שההספק ההיגבי קיבולי. מכיוון ש-P שווה ל-Q, הזווית ביניהם היא 45°, ולכן מקדם ההספק הוא 0.707.
🧪 בגרסת האתר יש כאן סימולציה אינטראקטיבית — שני שערי AND ושער NOR.
שאלה 10 — מפת קרנו ומימוש ברכיבים משולבים
נתונים: מפת קרנו של פונקציה F התלויה במשתנים A, B, C
מפת קרנו של הפונקציה — שורות לפי C, עמודות לפי AB בסדר קוד גרֵיי:
C \ AB
00
01
11
10
0
1
0
0
1
1
0
0
1
1
סעיף א — פישוט הפונקציה F למינימום משתנים
במפה שתי קבוצות של שני תאים סמוכים. הקבוצה הראשונה — שני התאים בשורה C=0 בעמודות AB=00 ו-AB=10 (עמודות קיצוניות סמוכות במפה), שבה B=0 ו-C=0 קבועים. הקבוצה השנייה — שני התאים בשורה C=1 בעמודות AB=11 ו-AB=10, שבה A=1 ו-C=1 קבועים:
F = B · C + A · C
F = B · C + A · C
סעיף ב — מימוש הפונקציה המפושטת בשערים לוגיים
למימוש דרושים שני מהפכים ליצירת B ו-C, שני שערי AND בעלי שתי כניסות, ושער OR אחד בעל שתי כניסות. הכניסה B מחוברת למהפך שמוצאו B, והכניסה C מחוברת למהפך שמוצאו C; מוצאי שני המהפכים מחוברים לשער AND הראשון. הכניסות A ו-C מחוברות ישירות לשער AND השני. שני מוצאי שערי ה-AND מחוברים לשער OR שמוצאו F.
סעיף ג — הביטוי במוצא F של מערך הרכיבים המשולבים
מעקב אחר החיווט של שלושת הרכיבים. ברכיב 7404 (מהפכים): הכניסה A מחוברת להדק 1 ולכן בהדק 2 מתקבל A; הכניסה C מחוברת להדק 3 ולכן בהדק 4 מתקבל C; הכניסה B מחוברת להדק 5 ולכן בהדק 6 מתקבל B. ברכיב 7408 (שערי AND): להדקי 1 ו-2 מגיעים A ו-B, ולכן בהדק 3 מתקבלת המכפלה A · B; להדקי 4 ו-5 מגיעים B ו-C, ולכן בהדק 6 מתקבלת המכפלה B · C. ברכיב 7432 (שער OR): שני המוצאים מגיעים להדקים 1 ו-2, והמוצא F נלקח מהדק 3: