Rangkaian Listrik 2: rangkaian AC: paket kilat

Lembar rumus, langkah-langkah metode utama untuk setiap topik, dan 16 soal latihan, dengan pembahasan lengkap di bagian belakang.

Soal baruKembali ke mata kuliah

Di jendela cetak, pilih “Simpan sebagai PDF” untuk menyimpan salinan di perangkat Anda.

1Rumus dan metode

Bilangan kompleks

Bentuk kartesius
z = a + jb, j² = −1, z̄ = a − jb
Modulus dan argumen
|z| = √(a² + b²), tan θ = b/a (check the quadrant)
Bentuk kutub dan eksponensial
z = r∠θ = r(cos θ + j sin θ) = r·ejθ
Pembagian
z₁/z₂ = z₁z̄₂/|z₂|²
Hasil kali dan hasil bagi
r₁∠θ₁ · r₂∠θ₂ = r₁r₂∠(θ₁ + θ₂), r₁∠θ₁ / r₂∠θ₂ = (r₁/r₂)∠(θ₁ − θ₂)
De Moivre
(r∠θ)ⁿ = rⁿ∠nθ
Akar ke-n
zk = R1/n∠((φ + 360°·k)/n), k = 0 … n − 1
Kuadratik dengan p² < 4q
z = −p/2 ± j√(q − p²/4)

Metode

  1. Tentukan bentuk yang cocok untuk operasinya: kartesius a + jb untuk menjumlahkan dan mengurangkan, kutub r∠θ untuk mengalikan, membagi, pangkat, dan akar.
  2. Kalikan dengan j² = −1; bagi dengan mengalikan pembilang dan penyebut dengan konjugat penyebut.
  3. Ubah dengan r = √(a² + b²) dan θ dari sketsa titik (periksa kuadran), dan kembali dengan a = r cos θ, b = r sin θ.
  4. Untuk pangkat pakai De Moivre, (r∠θ)ⁿ = rⁿ∠nθ; untuk zⁿ = R∠φ daftarkan semua n akar R1/n∠((φ + 360°k)/n).

Impedansi AC & fasor

Impedansi
ZR = R, ZL = jωL, ZC = 1/(jωC)
Frekuensi sudut
ω = 2πf
Besar dan sudut
|Z| = √(R² + X²), φ = atan(X/R)
Hukum Ohm dalam fasor
V = I·Z

Metode

  1. Ubah frekuensinya: ω = 2πf.
  2. Cari setiap reaktansi: XL = ωL dan XC = 1/(ωC).
  3. Jumlahkan impedansi seperti resistor, dengan Z = R + jX.
  4. Cari besar |Z| = √(R² + X²) dan sudut φ = atan(X/R), lalu gunakan hukum Ohm dengan fasor.

Daya AC & faktor daya

Daya nyata
P = V·I·cos φ
Daya reaktif
Q = V·I·sin φ
Daya semu
S = V·I = √(P² + Q²)
Faktor daya
pf = cos φ = P/S
Kapasitor kompensasi
QC = P(tan φ1 − tan φ2), C = QC/(ωV²)

Resonansi LC, faktor Q & lebar pita

Frekuensi alami
ω0 = 1/√(LC), f0 = 1/(2π√(LC))
Energi
W = ½CV0² = ½Cv² + ½Li²
Arus puncak
Imax = V0√(C/L)
Faktor kualitas
Q = 2π·(energy stored)/(energy lost per cycle)
RLC seri
Q = (1/R)√(L/C), BW = R/(2πL)
RLC paralel
Q = R√(C/L), BW = 1/(2πRC)
Lebar pita
BW = f2 − f1 = f0/Q, f0 = √(f1f2)
Frekuensi setengah daya
f1,2 = f0(√(1 + 1/(4Q²)) ∓ 1/(2Q))
Rangkaian tangki dengan resistansi kumparan r
RD = L/(C·r) = Q²·r
Peluruhan amplitudo
e−Rt/(2L)

Metode

  1. Cari frekuensi resonansi lebih dulu: ω₀ = 1/√(LC) dan f₀ = ω₀/(2π).
  2. Tentukan apakah rangkaiannya seri atau paralel: seri Q = (1/R)√(L/C), paralel Q = R√(C/L).
  3. Gunakan BW = f₀/Q untuk lebar pita, atau pintasan R/(2πL) (seri) dan 1/(2πRC) (paralel).
  4. Pada soal energi, gunakan fakta bahwa energi total ½CV₀² tetap konstan pada rangkaian LC ideal dan berpindah antara C dan L setiap seperempat periode.

Daya tiga fasa

Hubungan Y
VL = √3·Vph, IL = Iph
Hubungan Δ
VL = Vph, IL = √3·Iph
Daya nyata total
P = √3·VL·IL·cos φ = 3·Iph²·R
Daya semu dan daya reaktif
S = √3·VL·IL, Q = P·tan φ
Kapasitor perbaikan faktor daya
QC = P(tan φ1 − tan φ2), C = QC/(3ωV²)
Tegangan pada setiap kapasitor
Δ: VL Y: VL/√3
Daya masukan motor
Pin = Pout/η

Transien RC & RL

Konstanta waktu
τ = RC | τ = L/R
Respons
x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ
Kapasitor pada DC
rangkaian terbuka; vC tidak dapat melompat
Induktor pada DC
hubung singkat; iL tidak dapat melompat
Keadaan tunak
t ≈ 5τ

Metode

  1. Cari nilai awal sesaat setelah sakelar berpindah: tegangan kapasitor dan arus induktor tidak dapat melompat.
  2. Cari nilai akhir lama setelah sakelar berpindah: kapasitor berperilaku sebagai rangkaian terbuka, induktor sebagai hubung singkat.
  3. Cari konstanta waktu: τ = RC atau τ = L/R, dengan hambatan yang terlihat oleh kapasitor atau induktor.
  4. Gunakan x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ.

Thévenin & Norton

Tegangan Thévenin
Vth = Vopen circuit
Resistansi Thévenin
Rth: semua sumber dimatikan, dilihat dari a–b
Arus Norton
IN = Vth/Rth
Arus beban
IL = Vth/(Rth + RL)
Transfer daya maksimum
RL = Rth, Pmax = Vth²/(4Rth)

Metode

  1. Lepaskan beban dan tandai kedua terminal a dan b.
  2. Cari tegangan rangkaian terbuka antara a dan b: inilah Vth.
  3. Matikan semua sumber independen dan cari hambatan yang terlihat dari a–b: inilah Rth.
  4. Pasang kembali beban pada rangkaian ekuivalen: Vth seri dengan Rth.
  5. Untuk ekuivalen Norton, konversikan: IN = Vth/Rth, dengan RN = Rth secara paralel.

2Soal latihan

1.Bilangan kompleksSedang
ReIm22−2−244−4−4θz

Carilah argumen θ dari z = 3 + j4 dalam derajat, sebagai nilai pokok di antara −180° dan 180°.

z = 3 + j4
θ = °
2.Bilangan kompleksSulit
ReIm22−2−244−4−466−6−6z₀z₁

Akar-akar zⁿ = w dengan n = 2 dan w = 36∠−60° adalah zk = R1/n∠((φ + 360°·k)/n), k = 0, 1. Carilah bagian real dari z₁.

w = 36∠−60°n = 2k = 1
Re(z₁) =
3.Impedansi AC & fasorSedang
50 V200 HzR = 25 ΩL = 250 mHC = 2,2 µFI

Rangkaian RLC seri dihubungkan ke sumber 50 V (rms), 200 Hz. Cari faktor daya cos φ rangkaian.

V = 50 V (rms)f = 200 HzR = 25 ΩL = 250 mHC = 2,2 µF
cos φ =
4.Impedansi AC & fasorSulit
24 V500 HzR = 60 ΩL = 50 mHC = 4,7 µF

Rangkaian RLC seri dihubungkan ke sumber 24 V (rms), 500 Hz. Cari frekuensi resonansi f0 rangkaian.

V = 24 V (rms)f = 500 HzR = 60 ΩL = 50 mHC = 4,7 µF
f0 = Hz
5.Daya AC & faktor dayaSedang
230 V123 kW, 0,725 kW, 0,85I

Dua beban dihubungkan paralel ke sumber satu fase 230 V: beban 23 kW dengan faktor daya 0,7 tertinggal dan beban 5 kW dengan faktor daya 0,85 tertinggal. Cari faktor daya total cos φ yang dilihat sumber.

V = 230 VP1 = 23 kW, pf1 = 0,7 tertinggalP2 = 5 kW, pf2 = 0,85 tertinggal
cos φ =
6.Daya AC & faktor dayaSulit
P = 10 kWQ1​S1​φ1​QC​

Beban satu fase menyerap 10 kW pada faktor daya 0,7 tertinggal dari sumber 400 V, 50 Hz. Kapasitor yang dipasang paralel menaikkan faktor daya menjadi 0,9. Cari daya reaktif QC yang harus dipasok kapasitor.

P = 10 kWpf1 = 0,7pf2 = 0,9V = 400 Vf = 50 Hz
QC = kvar
7.Resonansi LC, faktor Q & lebar pitaSedang
V22 kΩ100 mH220 nF

Sebuah rangkaian RLC paralel memiliki R = 22 kΩ, L = 100 mH, dan C = 220 nF. Cari faktor kualitasnya Q.

R = 22 kΩL = 100 mHC = 220 nF
Q =
8.Resonansi LC, faktor Q & lebar pitaSulit
C = 1 µFR = 0,5 ΩL = 4,7 mH

Kapasitor 1 µF yang bermuatan dilucuti melalui kumparan 4,7 mH dengan resistansi seri total 0,5 Ω, sehingga osilasi perlahan mereda. Amplitudonya meluruh sebagai e−Rt/(2L). Berapa siklus osilasi n yang berlalu sebelum amplitudo menjadi setengah? (Rugi-ruginya kecil, jadi frekuensinya f₀.)

L = 4,7 mHC = 1 µFR = 0,5 Ω
n =
9.Daya tiga fasaSedang
ABCVL​ = 415 VIL​ = ?M7,5 kW, η = 92%cos φ = 0,9

Sebuah motor induksi tiga fasa menghasilkan daya keluaran mekanis 7,5 kW pada beban penuh. Pada beban ini efisiensinya 92% dan faktor dayanya 0,9 tertinggal. Sumbernya memiliki tegangan antarsaluran 415 V. Cari arus saluran IL.

Pout = 7,5 kWη = 92%cos φ = 0,9VL = 415 V
IL = A
10.Daya tiga fasaSulit
P = 80 kWφ1​S1​Q2​QC​ = ?

Beban tiga fasa seimbang menyerap 80 kW pada faktor daya 0,75 tertinggal dari sumber 690 V (antarsaluran), 50 Hz. Bank kapasitor tiga fasa yang diparalel dengan beban harus menaikkan faktor daya keseluruhan menjadi 0,92 tertinggal. Daya nyatanya tetap sama. Cari daya reaktif total QC yang harus disuplai bank kapasitor, dalam kvar.

P = 80 kWpf1 = 0,75pf2 = 0,92VL = 690 Vf = 50 Hz
QC = kvar
11.Transien RC & RLSedang
+−Vs​20 Vt = 0R = 20 ΩL10 mHi(t)

Induktor tidak dialiri arus sebelum sakelar ditutup pada t = 0. Cari arus i pada t = 1 ms.

Vs = 20 VR = 20 ΩL = 10 mHt = 1 ms
i = A
12.Transien RC & RLSulit
+−Vs​15 Vt = 0R = 2,2 kΩC68 µF+−vC​vC​(0) = 24 V

Tepat sebelum sakelar ditutup pada t = 0, kapasitor bertegangan 24 V dengan polaritas yang ditunjukkan. Cari tegangan kapasitor vC pada t = 50 ms.

Vs = 15 VR = 2,2 kΩC = 68 µFvC(0) = 24 Vt = 50 ms
vC = V
13.Thévenin & NortonSedang
R1​ = 4 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​9 VR2​12 ΩAab

Cari resistansi Thévenin Rth dilihat dari terminal a–b.

V1 = 9 VR1 = 4 ΩR2 = 12 ΩR3 = 20 Ω
Rth = Ω
14.Thévenin & NortonSulit
R1​ = 5 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​5 VR2​3 ΩAIs​6 ABRL​4 ΩIL​

Beban RL = 4 Ω dipasang di a–b. Gunakan ekuivalen Thévenin untuk mencari daya PL yang diserap beban.

V1 = 5 VIs = 6 AR1 = 5 ΩR2 = 3 ΩR3 = 2 ΩRL = 4 Ω
PL = W
15.Plot Bode dan marginSedang
|H| (dB)0,11101001000−80−60−40−20020ω (rad/s)ω = 8

Cari besar eksak |G(jω)| dari G(s) = 144/((s + 2)(s + 18)) pada ω = 8 rad/s, dalam dB.

G(s) = 144/((s + 2)(s + 18))ω = 8 rad/s
|G(jω)| = dB
16.Plot Bode dan marginSulit
|H| (dB)0,10,1111010100100−100−80−60−40−20020ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−270−180−900ω180​

Lingkar umpan balik satuan memiliki fungsi alih lingkar terbuka L(s) = 2/(s(s + 1)(s + 2)). Cari margin penguatan GM dalam dB.

L(s) = 2/(s(s + 1)(s + 2))
GM = dB

3Larutan

1.Bilangan kompleks

Jawaban: θ = 53,13 °

Bentuk kutub: z = r∠θ = r(cos θ + j sin θ) = r·ejθ, dengan r = |z| dan θ = arg z. Kembali ke bentuk kartesius: a = r cos θ, b = r sin θ. Argumen memerlukan kuadran: θ = atan(b/a) hanya jika a > 0; untuk a < 0 tambahkan atau kurangkan 180°. Dalam bentuk kutub perkalian mudah: kalikan modulus dan jumlahkan argumen; untuk pembagian bagi modulus dan kurangkan argumen.

Kuadran

a = 3, b = 4 → I

Sudut acuan

α = atan(4/3) = 53,13°

Argumen

θ = α = 53,13°

Jawaban

θ = 53,13°

Dalam bentuk kutub z = 5∠53,13°.

2.Bilangan kompleks

Jawaban: Re(z₁) = −5,196

De Moivre dan akar: (r∠θ)ⁿ = rⁿ∠nθ. Persamaan zⁿ = R∠φ memiliki tepat n akar, semuanya bermodulus R1/n, pada argumen (φ + 360°·k)/n untuk k = 0, 1, …, n − 1: akar-akar itu tersebar merata pada sebuah lingkaran, berjarak 360°/n. Persamaan kuadrat z² + pz + q = 0 dengan p² < 4q memiliki akar kompleks z = −p/2 ± j√(q − p²/4); polinom berkoefisien real selalu memiliki akar kompleks dalam pasangan konjugat a ± jb.

Modulus akar-akar

361/2 = 6

Argumen akar

θ₁ = (−60° + 360°·1)/2 = 150°

Bentuk kartesius

z₁ = 6·(cos 150° + j sin 150°) = −5,196 + j3
Re(z₁) = −5,196

Jawaban

Re(z₁) = −5,196

2 akar itu terletak pada lingkaran berjari-jari 6, dengan jarak sudut 180°.

3.Impedansi AC & fasor

Jawaban: cos φ = 0,4653

Rangkaian AC dengan fasor: resistor, induktor, dan kapasitor memiliki impedansi R, jωL, dan 1/(jωC), dengan ω = 2πf. Dalam seri, impedansi dijumlahkan seperti resistansi, tetapi sebagai bilangan kompleks. Arus dan tegangan rms mengikuti hukum Ohm dengan |Z|.

Reaktansi

XL = 314,2 Ω, XC = 361,7 Ω

Impedansi

|Z| = √(25² + (−47,56)²) = 53,73 Ω

Faktor daya

cos φ = R/|Z| = 25/53,73 = 0,4653
Rangkaiannya kapasitif, jadi faktor dayanya mendahului.

Jawaban

cos φ = 0,4653
4.Impedansi AC & fasor

Jawaban: f0 = 328,3 Hz

Rangkaian AC dengan fasor: resistor, induktor, dan kapasitor memiliki impedansi R, jωL, dan 1/(jωC), dengan ω = 2πf. Dalam seri, impedansi dijumlahkan seperti resistansi, tetapi sebagai bilangan kompleks. Arus dan tegangan rms mengikuti hukum Ohm dengan |Z|.

Resonansi

Saat resonansi, reaktansi induktif dan kapasitif saling meniadakan: ωL = 1/(ωC). Frekuensi sumber tidak berpengaruh.

f0 = 1/(2π√(LC)) = 1/(2π·√(0,05·4,7·10⁻⁶)) = 328,3 Hz

Jawaban

f0 = 328,3 Hz
5.Daya AC & faktor daya

Jawaban: cos φ = 0,7255

Daya AC: daya semu S = V·I (VA) terbagi menjadi daya nyata P = S·cos φ (W), yang melakukan kerja berguna, dan daya reaktif Q = S·sin φ (var), yang bolak-balik antara sumber dan beban. Faktor daya adalah cos φ. Kapasitor paralel memasok daya reaktif secara lokal, sehingga arus saluran turun untuk daya nyata yang sama.

Daya reaktif tiap beban

Beban tertinggal mengambil daya reaktif (Q > 0); beban mendahului memasoknya (Q < 0).

Q1 = 23·tan(arccos 0,7) = 23,46 kvar
Q2 = 5·tan(arccos 0,85) = 3,099 kvar

Total

P = 23 + 5 = 28 kW
Q = 23,46 + 3,099 = 26,56 kvar
S = √(28² + 26,56²) = 38,6 kVA

Faktor daya total

cos φ = P/S = 28/38,6 = 0,7255 tertinggal

Jawaban

cos φ = 0,7255
6.Daya AC & faktor daya

Jawaban: QC = 5,359 kvar

Daya AC: daya semu S = V·I (VA) terbagi menjadi daya nyata P = S·cos φ (W), yang melakukan kerja berguna, dan daya reaktif Q = S·sin φ (var), yang bolak-balik antara sumber dan beban. Faktor daya adalah cos φ. Kapasitor paralel memasok daya reaktif secara lokal, sehingga arus saluran turun untuk daya nyata yang sama.

Daya reaktif sebelum dan sesudah

Daya nyata P tidak berubah; hanya daya reaktif yang ditarik dari sumber yang berubah.

Q1 = P·tan φ1 = 10·tan(45,57°) = 10,2 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 10·tan(25,84°) = 4,843 kvar
QC = Q1 − Q2 = 5,359 kvar

Jawaban

QC = 5,359 kvar
7.Resonansi LC, faktor Q & lebar pita

Jawaban: Q = 32,63

Faktor Q dan lebar pita: pada rangkaian resonan Q = 2π·(energi tersimpan)/(energi hilang per siklus). Untuk RLC seri Q = ω0L/R = (1/R)√(L/C); untuk RLC paralel Q = R/(ω0L) = R√(C/L). Lebar pita antara frekuensi setengah daya f1 dan f2 (tempat daya menjadi setengah dan arus atau tegangan menjadi 1/√2 dari puncaknya) adalah BW = f2 − f1 = f0/Q, yaitu R/(2πL) pada rangkaian seri dan 1/(2πRC) pada rangkaian paralel. Frekuensi resonansi adalah rata-rata geometrik f0 = √(f1f2), dan f1,2 = f0(√(1 + 1/(4Q²)) ∓ 1/(2Q)). Rugi-rugi juga membuat osilasi meluruh: pada RLC seri amplitudonya turun sebagai e−Rt/(2L).

Frekuensi resonansi

ω₀ = 1/√(LC) = 6742 rad/s

Faktor kualitas

Q = R/(ω₀L) = 22000/(6742·0,1) = 32,63

Jawaban

Q = 32,63

Lebar pitanya adalah 1/(2πRC) = 32,88 Hz.

8.Resonansi LC, faktor Q & lebar pita

Jawaban: n = 30,25

Faktor Q dan lebar pita: pada rangkaian resonan Q = 2π·(energi tersimpan)/(energi hilang per siklus). Untuk RLC seri Q = ω0L/R = (1/R)√(L/C); untuk RLC paralel Q = R/(ω0L) = R√(C/L). Lebar pita antara frekuensi setengah daya f1 dan f2 (tempat daya menjadi setengah dan arus atau tegangan menjadi 1/√2 dari puncaknya) adalah BW = f2 − f1 = f0/Q, yaitu R/(2πL) pada rangkaian seri dan 1/(2πRC) pada rangkaian paralel. Frekuensi resonansi adalah rata-rata geometrik f0 = √(f1f2), dan f1,2 = f0(√(1 + 1/(4Q²)) ∓ 1/(2Q)). Rugi-rugi juga membuat osilasi meluruh: pada RLC seri amplitudonya turun sebagai e−Rt/(2L).

Waktu paruh amplitudo

t = 2·0,0047·ln 2/0,5 = 0,01303 s

Jumlah siklus

n = t·f0 = 0,01303·2322 = 30,25

Jawaban

n = 30,25

Pintasan: n = Q·ln 2/π dengan Q = 137,1.

9.Daya tiga fasa

Jawaban: IL = 12,6 A

Sistem tiga fasa seimbang: pada hubungan Y (bintang) tegangan antarsaluran adalah √3 kali tegangan fasa, VL = √3·Vph, dan arus saluran sama dengan arus fasa. Pada hubungan Δ (delta) tegangan antarsaluran sama dengan tegangan fasa dan arus saluran adalah √3 kali arus fasa, IL = √3·Iph. Daya total adalah tiga kali daya satu fasa: P = 3·Vph·Iph·cos φ = √3·VL·IL·cos φ.

Daya masukan listrik

Pin = Pout/η = 7,5/0,92 = 8,152 kW

Arus saluran

IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 8152/(√3·415·0,9) = 12,6 A

Jawaban

IL = 12,6 A
10.Daya tiga fasa

Jawaban: QC = 36,47 kvar

Sistem tiga fasa seimbang: pada hubungan Y (bintang) tegangan antarsaluran adalah √3 kali tegangan fasa, VL = √3·Vph, dan arus saluran sama dengan arus fasa. Pada hubungan Δ (delta) tegangan antarsaluran sama dengan tegangan fasa dan arus saluran adalah √3 kali arus fasa, IL = √3·Iph. Daya total adalah tiga kali daya satu fasa: P = 3·Vph·Iph·cos φ = √3·VL·IL·cos φ. Perbaikan faktor daya: kapasitor menyuplai daya reaktif secara lokal, QC = P·(tan φ1 − tan φ2). Masing-masing dari ketiga kapasitor menyuplai QC/3 = V²·ω·C, dengan V tegangan pada kapasitor tersebut: VL pada bank Δ, VL/√3 pada bank Y.

Daya reaktif sebelum dan sesudah

Daya nyata tidak berubah, sehingga setiap faktor daya menentukan daya reaktifnya: Q = P·tan φ.

Q1 = 80·tan(acos 0,75) = 80·0,8819 = 70,55 kvar
Q2 = 80·tan(acos 0,92) = 80·0,426 = 34,08 kvar

Daya reaktif dari kapasitor

QC = Q1 − Q2 = 36,47 kvar

Jawaban

QC = 36,47 kvar
11.Transien RC & RL

Jawaban: i = 0,8647 A

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.

Konstanta waktu dan arus akhir

Lama setelah sakelar ditutup, induktor berperilaku seperti hubung singkat, jadi arus akhir hanya ditentukan oleh R.

τ = L/R = 10 mH / 20 Ω = 0,5 ms
i(∞) = Vs/R = 20/20 = 1 A

Arus pada waktu tertentu

i(t) = i(∞)·(1 − e−t/τ) = 1·(1 − e−1/0,5) = 0,8647 A

Jawaban

i = 0,8647 A
12.Transien RC & RL

Jawaban: vC = 21,44 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.

Nilai awal, nilai akhir, konstanta waktu

Tegangan kapasitor tidak dapat melompat, jadi dimulai dari nilai tersimpannya dan menuju tegangan sumber.

vC(0) = 24 V, vC(∞) = Vs = 15 V
τ = R·C = 2,2 kΩ · 68 µF = 149,6 ms
vC(t) = 15 + (24 − 15)·e−t/τ

Tegangan pada waktu tertentu

vC(50) = 15 + (9)·e−50/149,6 = 21,44 V

Jawaban

vC = 21,44 V
13.Thévenin & Norton

Jawaban: Rth = 23 Ω

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.

R1​ = 4 ΩR3​ = 20 ΩHUBUNG SINGKATR2​12 ΩAabRth​

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 = 4·12/(4+12) = 3 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3 + 20 = 23 Ω
14.Thévenin & Norton

Jawaban: PL = 40,72 W

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.

R1​ = 5 ΩR3​ = 2 ΩHUBUNG SINGKATR2​3 ΩATERBUKABabRth​

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 = 5·3/(5+3) = 1,875 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,875 + 2 = 3,875 Ω
R1​ = 5 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​5 VR2​3 ΩAIs​6 ABab+−Vth​

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) = 1,875 + 6·1,875 = 13,13 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 13,13 + 6·2 = 25,13 V
Rth​ = 3,875 Ω+−Vth​25,13 VRL​4 ΩIL​

Hubungkan beban ke ekuivalen Thévenin

Sumber Thévenin dan R_th seri berperilaku persis seperti rangkaian asli di a–b, jadi beban melihat loop seri sederhana.

IL = Vth/(Rth + RL) = 25,13/(3,875 + 4) = 3,19 A
PL = IL²·RL = 3,19²·4 = 40,72 W
15.Plot Bode dan margin

Jawaban: |G(jω)| = −1,046 dB

Respons frekuensi: substitusikan s = jω ke fungsi alih. Besar dalam desibel adalah 20·log₁₀|H(jω)| dan fasa adalah jumlah sudut faktor pembilang dikurangi sudut faktor penyebut. Filter RC atau RL orde pertama memiliki frekuensi sudut (−3 dB) pada ωc = 1/(RC) atau R/L, dan fc = ωc/(2π); filter lolos rendah memberi |H| = 1/√(1 + (ω/ωc)²) dan φ = −atan(ω/ωc). Pada plot Bode asimtotik (garis lurus) setiap kutub membengkokkan besar ke bawah sebesar 20 dB/dekade pada frekuensi sudutnya, setiap nol membengkokkannya ke atas sebesar 20 dB/dekade, dan integrator 1/s memberi −20 dB/dekade pada semua frekuensi. Persilangan penguatan ωc: |L(jω)| = 1 (0 dB); margin fasa PM = 180° + ∠L(jωc). Persilangan fasa ω180: ∠L(jω) = −180°; margin penguatan GM = −20·log₁₀|L(jω180)| dB. Lingkar tertutup stabil bila kedua margin positif.

Kalikan besar

|G(j8)| = 144/(√(8² + 2²)·√(8² + 18²)) = 144/(8,246·19,7) = 0,8865

Hasil

20·log₁₀(0,8865) = −1,046 dB

Jawaban

|G(jω)| = −1,046 dB
16.Plot Bode dan margin

Jawaban: GM = 9,542 dB

Respons frekuensi: substitusikan s = jω ke fungsi alih. Besar dalam desibel adalah 20·log₁₀|H(jω)| dan fasa adalah jumlah sudut faktor pembilang dikurangi sudut faktor penyebut. Filter RC atau RL orde pertama memiliki frekuensi sudut (−3 dB) pada ωc = 1/(RC) atau R/L, dan fc = ωc/(2π); filter lolos rendah memberi |H| = 1/√(1 + (ω/ωc)²) dan φ = −atan(ω/ωc). Pada plot Bode asimtotik (garis lurus) setiap kutub membengkokkan besar ke bawah sebesar 20 dB/dekade pada frekuensi sudutnya, setiap nol membengkokkannya ke atas sebesar 20 dB/dekade, dan integrator 1/s memberi −20 dB/dekade pada semua frekuensi. Persilangan penguatan ωc: |L(jω)| = 1 (0 dB); margin fasa PM = 180° + ∠L(jωc). Persilangan fasa ω180: ∠L(jω) = −180°; margin penguatan GM = −20·log₁₀|L(jω180)| dB. Lingkar tertutup stabil bila kedua margin positif.

Persilangan fasa

(ω/1)·(ω/2) = 1 → ω180 = √(1·2) = 1,414 rad/s

Besar pada persilangan fasa

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 1)·√(ω² + 4)) = K/(1·2·(1 + 2)) = K/6

Margin penguatan

GM = 20·log₁₀(6/2) = 9,542 dB

Jawaban

GM = 9,542 dB

ExamProblems · examproblems.com/courses/circuit-analysis-2