Sebuah rangkaian resistif linear memuat satu sumber tegangan Vs dan satu sumber arus Is. Arus I melalui resistor beban diukur dua kali: dengan Vs = 20 V dan Is = 2 mA, I = 12,2 mA; dengan Vs = 5 V dan Is = 5 mA, I = 3,5 mA. Cari arus beban I ketika Vs = 8 V dan Is = 8 mA.
20 V, 2 mA → 12,2 mA5 V, 5 mA → 3,5 mAVs = 8 V, Is = 8 mA
I = mA
8.SuperposisiSulit
Sebuah rangkaian resistif linear memuat tiga sumber bebas: V1, V2, dan Is. Arus I melalui beban diukur tiga kali. Dengan semua sumber pada nilai normalnya, I = 19 mA. Dengan V1 digandakan dan dua lainnya tidak berubah, I = 23,5 mA. Dengan arah Is dibalik dan dua lainnya tidak berubah, I = −4 mA. Cari arus beban I ketika V2 dimatikan dan V1 serta Is bernilai normal.
normal: I = 19 mA2·V1: I = 23,5 mA−Is: I = −4 mA
I = mA
9.Thévenin & NortonSedang
Cari arus Norton IN: arus yang mengalir dari a ke b jika terminal dihubung singkat.
V1 = 15 VR1 = 12 ΩR2 = 5 ΩR3 = 3 Ω
IN = A
10.Thévenin & NortonSulit
Cari tegangan Thévenin Vth dilihat dari terminal a–b.
V1 = 6 VIs = 2,5 AR1 = 20 ΩR2 = 8 ΩR3 = 8 Ω
Vth = V
11.Rangkaian op-ampSedang
Op-amp ideal dan dicatu ±15 V. Cari tegangan keluaran Vout.
Dua tingkat op-amp ideal dihubungkan secara kaskade: penguat membalik (R1, Rf1) diikuti penguat tak membalik (R2 ke ground, Rf2 di umpan balik). Keduanya dicatu ±15 V. Masukannya Vin = −0,5 V. Cari tegangan keluaran Vout.
Sumber Vₛ mengisi kapasitor melalui R₁, dan R₂ terhubung paralel dengan C. Kapasitor belum bermuatan saat sakelar ditutup pada t = 0. Cari tegangan kapasitor vC pada t = 150 ms.
Vs = 9 VR1 = 2,2 kΩR2 = 6,8 kΩC = 220 µFt = 150 ms
vC = V
14.Transien RC & RLSulit
Sebuah pewaktu mulai mengisi kapasitor yang tidak bermuatan melalui resistor dari catu 15 V pada t = 0. Pewaktu harus terpicu ketika tegangan kapasitor mencapai 9,48 V, tepat 100 ms setelah mulai. Dengan R = 10 kΩ, cari kapasitansi C yang diperlukan.
Vs = 15 VVth = 9,48 VT = 100 msR = 10 kΩ
C = µF
3Larutan
1.Resistor seri & paralel
Jawaban: Req = 7 Ω
Resistor seri dan paralel: dalam seri, arus yang sama mengalir di setiap resistor dan R = R₁ + R₂ + …. Dalam paralel, setiap resistor punya tegangan yang sama dan 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …. Jaringan tangga disederhanakan satu pasang demi satu pasang hingga tersisa satu resistansi ekuivalen.
Gabungkan resistor dari ujung terjauh
Mulai dari ujung yang paling jauh dari sumber dan bergerak kembali ke arahnya. Resistor yang dialiri arus sama terhubung seri; resistor di antara dua simpul yang sama terhubung paralel.
R3 + R4 = 5 + 5 = 10 Ω
R2 ∥ 10 = 10·10/(10+10) = 5 Ω
Req = R1 + 5 = 2 + 5 = 7 Ω
Jawaban
Req = 7 Ω
2.Resistor seri & paralel
Jawaban: Req = 15,2 Ω
Resistor seri dan paralel: dalam seri, arus yang sama mengalir di setiap resistor dan R = R₁ + R₂ + …. Dalam paralel, setiap resistor punya tegangan yang sama dan 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …. Jaringan tangga disederhanakan satu pasang demi satu pasang hingga tersisa satu resistansi ekuivalen.
Gabungkan resistor dari ujung terjauh
Mulai dari ujung yang paling jauh dari sumber dan bergerak kembali ke arahnya. Resistor yang dialiri arus sama terhubung seri; resistor di antara dua simpul yang sama terhubung paralel.
R5 + R6 = 15 + 10 = 25 Ω
R4 ∥ 25 = 9,375 Ω
R3 + 9,375 = 39,38 Ω
R2 ∥ 39,38 = 9,197 Ω
Req = R1 + 9,197 = 6 + 9,197 = 15,2 Ω
Jawaban
Req = 15,2 Ω
3.Analisis simpul
Jawaban: PIs = 27,02 W
Analisis simpul: pilih simpul referensi, beri nama tegangan simpul yang tidak diketahui, tulis hukum arus Kirchhoff di setiap simpul tersebut memakai hukum Ohm (I = ΔV/R), lalu selesaikan persamaannya.
KCL di simpul A
Arus yang keluar dari A melalui resistor sama dengan arus yang dimasukkan sumber ke A.
VA/R2 + (VA − V1)/R1 + (VA − VB)/R3 = 0
VA/5 + (VA − 6)/5 + (VA − VB)/3 = 0
0,7333·VA − 0,3333·VB = 1,2
KCL di simpul B
Arus yang keluar dari B melalui resistor sama dengan arus yang dimasukkan sumber ke B.
Sumber mendorong Iₛ ke atas masuk ke simpul B, dari ground (0 V) ke VB. Sumber yang arusnya keluar dari ujung + memberikan daya P = V·I.
PIs = VB·Is = 10,81·2,5 = 27,02 W
Jawaban
PIs = 27,02 W
4.Analisis simpul
Jawaban: VB = −8,215 V
Analisis simpul: pilih simpul referensi, beri nama tegangan simpul yang tidak diketahui, tulis hukum arus Kirchhoff di setiap simpul tersebut memakai hukum Ohm (I = ΔV/R), lalu selesaikan persamaannya.
Tentukan simpul
Ground adalah kawat bawah. Tegangan simpul yang diketahui langsung berasal dari sumber (V1 = 18 V, V2 = 10 V). Yang tidak diketahui: VA, VB.
KCL di simpul A
Arus yang keluar dari A melalui resistor sama dengan arus yang dimasukkan sumber ke A.
VA/R3 + (VA − V1)/R1 + (VA − VB)/R2 = 0
VA/6 + (VA − 18)/4 + (VA − VB)/30 = 0
0,45·VA − 0,03333·VB = 4,5
KCL di simpul B
Arus yang keluar dari B melalui resistor sama dengan arus yang dimasukkan sumber ke B.
Analisis mesh: beri setiap jendela rangkaian planar arus loop sendiri, tulis hukum tegangan Kirchhoff di setiap loop (jumlah jatuh = jumlah kenaikan), lalu selesaikan. Arus cabang adalah arus mesh, atau selisih dua arus mesh pada cabang bersama.
Tetapkan arus mesh
Gambar arus searah jarum jam di setiap jendela: I1, I2. Resistor yang dipakai bersama dua mesh membawa selisih arus keduanya.
KVL di sekitar mesh 1
Searah jarum jam, jatuh tegangan pada resistor sama dengan kenaikan tegangan sumber (dari − ke + searah lintasan).
R1·I1 + R3(I1 − I2) = V1
8·I1 + 20(I1 − I2) = 18
28·I1 − 20·I2 = 18
KVL di sekitar mesh 2
Searah jarum jam, jatuh tegangan pada resistor sama dengan kenaikan tegangan sumber (dari − ke + searah lintasan).
R2·I2 + R3(I2 − I1) = −V2
6·I2 + 20(I2 − I1) = (−30)
−20·I1 + 26·I2 = −30
Selesaikan
Δ = (28)(26) − (−20)(−20) = 328
I1 = Δ1/Δ = −132/328 = −0,4024 A
I2 = Δ2/Δ = −480/328 = −1,463 A
Jawaban
I1 = −0,4024 A
Arus mesh negatif mengalir berlawanan arah jarum jam.
6.Analisis mesh
Jawaban: VR1 = 28,07 V
Analisis mesh: beri setiap jendela rangkaian planar arus loop sendiri, tulis hukum tegangan Kirchhoff di setiap loop (jumlah jatuh = jumlah kenaikan), lalu selesaikan. Arus cabang adalah arus mesh, atau selisih dua arus mesh pada cabang bersama.
Tetapkan arus mesh
Gambar arus searah jarum jam di setiap jendela: I1, I2, I3. Resistor yang dipakai bersama dua mesh membawa selisih arus keduanya.
KVL di sekitar mesh 1
Searah jarum jam, jatuh tegangan pada resistor sama dengan kenaikan tegangan sumber (dari − ke + searah lintasan).
R1·I1 + R4(I1 − I2) = V1
25·I1 + 8(I1 − I2) = 36
33·I1 − 8·I2 = 36
KVL di sekitar mesh 2
Searah jarum jam, jatuh tegangan pada resistor sama dengan kenaikan tegangan sumber (dari − ke + searah lintasan).
R2·I2 + R4(I2 − I1) + R5(I2 − I3) = 0
20·I2 + 8(I2 − I1) + 30(I2 − I3) = 0
−8·I1 + 58·I2 − 30·I3 = 0
KVL di sekitar mesh 3
Searah jarum jam, jatuh tegangan pada resistor sama dengan kenaikan tegangan sumber (dari − ke + searah lintasan).
R3·I3 + R5(I3 − I2) = −V2
15·I3 + 30(I3 − I2) = (−6)
−30·I2 + 45·I3 = −6
Selesaikan
Δ = determinan matriks koefisien = 53550
I1 = Δ1/Δ = 60120/53550 = 1,123 A
I2 = Δ2/Δ = 7020/53550 = 0,1311 A
I3 = Δ3/Δ = −2460/53550 = −0,04594 A
Jawaban
IR1 = I1 = 1,123 A
VR1 = IR1·R1 = 1,123·25 = 28,07 V
Arus mesh negatif mengalir berlawanan arah jarum jam.
7.Superposisi
Jawaban: I = 5,6 mA
Superposisi: dalam rangkaian linear, setiap tegangan atau arus adalah jumlah respons terhadap masing-masing sumber independen yang bekerja sendiri. Untuk mematikan sumber, ganti sumber tegangan ideal dengan hubung singkat dan sumber arus ideal dengan rangkaian terbuka. Resistor tetap di tempatnya.
Tulis respons sebagai jumlah kontribusi
Setiap kontribusi sebanding dengan sumbernya sendiri, dengan konstanta yang hanya bergantung pada resistor.
I = k₁·Vs + k₂·Is
20·k₁ + 2·k₂ = 12,2
5·k₁ + 5·k₂ = 3,5
Selesaikan konstantanya
Δ = (20)(5) − (2)(5) = 90
k₁ = Δ1/Δ = 54/90 = 0,6
k₂ = Δ2/Δ = 9/90 = 0,1
k₁ = 0,6 mA/V, k₂ = 0,1
Prediksi arus yang baru
I = 0,6·8 + 0,1·8 = 5,6 mA
Jawaban
I = 5,6 mA
8.Superposisi
Jawaban: I = 16 mA
Superposisi: dalam rangkaian linear, setiap tegangan atau arus adalah jumlah respons terhadap masing-masing sumber independen yang bekerja sendiri. Untuk mematikan sumber, ganti sumber tegangan ideal dengan hubung singkat dan sumber arus ideal dengan rangkaian terbuka. Resistor tetap di tempatnya.
Tulis pengukuran dalam bentuk kontribusi
Setiap kontribusi sebanding dengan sumbernya sendiri.
I₁ + I₂ + I₃ = 19
2·I₁ + I₂ + I₃ = 23,5
I₁ + I₂ − I₃ = −4
Selesaikan kontribusinya
I₁ = 23,5 − 19 = 4,5 mA
I₃ = (19 − (−4))/2 = 11,5 mA
I₂ = 19 − 4,5 − 11,5 = 3 mA
Matikan V₂
I = I₁ + I₃ = 4,5 + 11,5 = 16 mA
Jawaban
I = 16 mA
9.Thévenin & Norton
Jawaban: IN = 0,6757 A
Teorema Thévenin: setiap jaringan linear dua terminal berperilaku seperti satu sumber tegangan Vth yang seri dengan resistansi Rth. Teorema Norton menyatakan jaringan yang sama sebagai sumber arus IN = Vth/Rth yang paralel dengan Rth.
Cari Rth dengan semua sumber dimatikan
Ganti sumber tegangan dengan hubung singkat dan sumber arus dengan rangkaian terbuka, lalu lihat rangkaian dari a–b.
R1 ∥ R2 = 12·5/(12+5) = 3,529 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3,529 + 3 = 6,529 Ω
Cari Vth, tegangan rangkaian terbuka
Dengan a–b terbuka, tidak ada arus yang mengalir di R₃, jadi tidak ada jatuh tegangan dan V_b = V_A. R₁ dan R₂ membentuk pembagi tegangan.
Vth = V1·R2/(R1+R2) = 15·5/(12+5) = 4,412 V
Ekuivalen Norton
Sumber Norton adalah rangkaian yang sama dilihat sebagai sumber arus paralel dengan R_th. Arusnya adalah arus hubung singkat di a–b.
IN = Vth/Rth = 4,412/6,529 = 0,6757 A
10.Thévenin & Norton
Jawaban: Vth = 36 V
Teorema Thévenin: setiap jaringan linear dua terminal berperilaku seperti satu sumber tegangan Vth yang seri dengan resistansi Rth. Teorema Norton menyatakan jaringan yang sama sebagai sumber arus IN = Vth/Rth yang paralel dengan Rth.
Cari Rth dengan semua sumber dimatikan
Ganti sumber tegangan dengan hubung singkat dan sumber arus dengan rangkaian terbuka, lalu lihat rangkaian dari a–b.
R1 ∥ R2 = 20·8/(20+8) = 5,714 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 5,714 + 8 = 13,71 Ω
Cari Vth, tegangan rangkaian terbuka
Dengan a–b terbuka, satu-satunya jalur Iₛ adalah melalui R₃ ke simpul A. Cari V_A dengan superposisi V₁ dan Iₛ, lalu tambahkan jatuh tegangan pada R₃.
VA = V1·R2/(R1+R2) + Is·(R1∥R2) = 1,714 + 2,5·5,714 = 16 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 16 + 2,5·8 = 36 V
11.Rangkaian op-amp
Jawaban: Vout = 7,164 V
Aturan op-amp ideal: dengan umpan balik negatif, op-amp mengatur keluarannya sehingga kedua masukan berada pada tegangan yang sama (V₋ = V₊), dan tidak ada arus yang masuk ke masukan mana pun. Menulis KCL di masukan pembalik dengan dua fakta ini memberi keluarannya.
Aturan op-amp ideal: dengan umpan balik negatif, op-amp mengatur keluarannya sehingga kedua masukan berada pada tegangan yang sama (V₋ = V₊), dan tidak ada arus yang masuk ke masukan mana pun. Menulis KCL di masukan pembalik dengan dua fakta ini memberi keluarannya.
Penguatan tiap tingkat
A1 = −Rf1/R1 = −10/4,7 = −2,128
A2 = 1 + Rf2/R2 = 1 + 22/100 = 1,22
Tingkat demi tingkat
V1 = −2,128·(−0,5) = 1,064 V
Vout = 1,22·1,064 = 1,298 V
Jawaban
Vout = 1,298 V
13.Transien RC & RL
Jawaban: vC = 2,288 V
Transien orde satu: pada rangkaian dengan satu kapasitor atau satu induktor, setiap tegangan dan arus berubah secara eksponensial dari nilai awal ke nilai akhir: x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ, dengan τ = RC atau τ = L/R. Setelah sekitar 5τ rangkaian sudah stabil.
Ekuivalen Thévenin yang dilihat kapasitor
Hubung singkatkan sumber untuk mencari Rth; buka kapasitor untuk mencari tegangan akhirnya.
Rth = R1 ∥ R2 = 2,2·6,8/(2,2 + 6,8) = 1,662 kΩ
vC(∞) = 9·6,8/(2,2 + 6,8) = 6,8 V
Konstanta waktu
τ = Rth·C = 1,662·220 = 365,7 ms
Kurva pengisian
vC(t) = 6,8·(1 − e−150/365,7) = 2,288 V
Jawaban
vC = 2,288 V
14.Transien RC & RL
Jawaban: C = 10 µF
Transien orde satu: pada rangkaian dengan satu kapasitor atau satu induktor, setiap tegangan dan arus berubah secara eksponensial dari nilai awal ke nilai akhir: x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ, dengan τ = RC atau τ = L/R. Setelah sekitar 5τ rangkaian sudah stabil.