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
ReIm55−5−51010−10−10θz

Tuliskan z = 12∠−155° dalam bentuk kartesius a + jb dan berikan bagian imajiner b.

r = 12θ = −155°
b =
2.Bilangan kompleksSulit
ReIm22−2−244−4−4z₁z₂

Selesaikan z² + 8z + 20 = 0. Akar-akarnya a ± jb; carilah bagian real a.

p = 8q = 20
a =
3.Impedansi AC & fasorSedang
100 V50 HzR = 80 ΩL = 200 mHC = 100 µF

Rangkaian RLC seri dihubungkan ke sumber 100 V (rms), 50 Hz. Cari sudut fase φ impedansi, dalam derajat (positif bila arus tertinggal dari tegangan).

V = 100 V (rms)f = 50 HzR = 80 ΩL = 200 mHC = 100 µF
φ = °
4.Impedansi AC & fasorSulit
5 Vf0​R = 15 ΩL = 200 mHC = 0,47 µF

Sebuah rangkaian RLC seri dicatu oleh sumber 5 V (rms) yang frekuensinya diatur pada frekuensi resonansi rangkaian. Cari tegangan rms VL pada induktor.

V = 5 V (rms)R = 15 ΩL = 200 mHC = 0,47 µF
VL = V
5.Daya AC & faktor dayaSedang
P = 22 kWQSφ

Motor satu fase menyerap 22 kW pada faktor daya 0,9 tertinggal dari sumber 240 V. Cari arus saluran I.

P = 22 kWpf = 0,9V = 240 V
I = A
6.Daya AC & faktor dayaSulit
P1​ = 56 kWQ1​S1​φ

Sebuah transformator satu fase 200 kVA memasok beban 56 kW pada faktor daya 0,85 tertinggal. Berapa daya nyata tambahan ΔP yang dapat ditambahkan sebagai beban resistif (faktor daya satu) sebelum transformator mencapai rating kVA-nya?

Smax = 200 kVAP1 = 56 kWpf1 = 0,85
ΔP = kW
7.Resonansi LC, faktor Q & lebar pitaSedang
V22 Ω22 mH22 nF

Sebuah rangkaian RLC seri memiliki R = 22 Ω, L = 22 mH, dan C = 22 nF. Cari lebar pitanya BW dalam Hz.

R = 22 ΩL = 22 mHC = 22 nF
BW = Hz
8.Resonansi LC, faktor Q & lebar pitaSulit
V10 ΩLC = ?

Rancang filter RLC seri dengan resistansi total 10 Ω, frekuensi resonansi 50 kHz, dan lebar pita 2 kHz. Cari kapasitansi C dalam nF.

R = 10 Ωf0 = 50 kHzBW = 2 kHz
C = nF
9.Daya tiga fasaSedang
ABCVL​ = 415 VIL​ = 30 Acos φ = 0,82tertinggal

Beban tiga fasa seimbang menarik arus saluran 30 A dari sumber dengan tegangan antarsaluran 415 V. Faktor dayanya 0,82 tertinggal. Cari daya nyata total P yang diserap beban dalam kW.

VL = 415 VIL = 30 Acos φ = 0,82
P = kW
10.Daya tiga fasaSulit
P = 75 kWφ1​S1​Q2​QC​

Beban tiga fasa seimbang menyerap 75 kW pada faktor daya 0,75 tertinggal dari sumber 480 V (antarsaluran), 60 Hz. Bank kapasitor tiga fasa yang diparalel dengan beban harus menaikkan faktor daya keseluruhan menjadi 0,95 tertinggal. Daya nyatanya tetap sama. Kapasitor dihubungkan secara Y. Cari kapasitansi Cph setiap kapasitor dalam µF.

P = 75 kWpf1 = 0,75pf2 = 0,95VL = 480 Vf = 60 Hz
Cph = µF
11.Transien RC & RLSedang
+−Vs​9 Vt = 0R = 50 ΩL150 mHi(t)

Induktor tidak dialiri arus sebelum sakelar ditutup pada t = 0. Cari energi W yang tersimpan dalam induktor pada t = 5 ms, dalam mJ.

Vs = 9 VR = 50 ΩL = 150 mHt = 5 ms
W = mJ
12.Transien RC & RLSulit
+−Vs​5 Vt = 0R = ?C2,2 µF+−vC​

Sebuah pewaktu mulai mengisi kapasitor yang tidak bermuatan melalui resistor dari catu 5 V pada t = 0. Pewaktu harus terpicu ketika tegangan kapasitor mencapai 3 V, tepat 1000 ms setelah mulai. Dengan C = 2,2 µF, cari resistansi R yang diperlukan.

Vs = 5 VVth = 3 VT = 1000 msC = 2,2 µF
R = kΩ
13.Thévenin & NortonSedang
R1​ = 3 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​15 VR2​8 ΩAab

Cari arus Norton IN: arus yang mengalir dari a ke b jika terminal dihubung singkat.

V1 = 15 VR1 = 3 ΩR2 = 8 ΩR3 = 8 Ω
IN = A
14.Thévenin & NortonSulit
R1​ = 10 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​9 VR2​10 ΩAIs​2 ABRL​4 ΩIL​

Beban RL = 4 Ω dipasang di a–b. Ganti sisa rangkaian dengan ekuivalen Thévenin-nya dan cari arus beban IL.

V1 = 9 VIs = 2 AR1 = 10 ΩR2 = 10 ΩR3 = 12 ΩRL = 4 Ω
IL = A
15.Plot Bode dan marginSedang
|H| (dB)0,010,11101001000−60−40−2002040ω (rad/s)ω = 0,5

Cari besar eksak |G(jω)| dari G(s) = 1100/((s + 5)(s + 11)) pada ω = 0,5 rad/s, dalam dB.

G(s) = 1100/((s + 5)(s + 11))ω = 0,5 rad/s
|G(jω)| = dB
16.Plot Bode dan marginSulit
|H| (dB)0,10,1111010100100−80−60−40−2002040ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−270−180−900ω180​

Lingkar umpan balik satuan memiliki fungsi alih lingkar terbuka L(s) = K/(s(s + 6)(s + 10)). Cari penguatan K yang memberi margin penguatan 6 dB.

L(s) = K/(s(s + 6)(s + 10))GM = 6 dB
K =

3Larutan

1.Bilangan kompleks

Jawaban: b = −5,071

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.

Komponen

a = 12·cos(−155°) = −10,88
b = 12·sin(−155°) = −5,071

Bentuk kartesius

z = −10,88 − j5,071
b = −5,071

Jawaban

b = −5,071
2.Bilangan kompleks

Jawaban: a = −4

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.

Diskriminan

p² − 4q = 64 − 80 = −16 < 0

Rumus kuadrat

z = (−8 ± j√16)/2 = −4 + j2, −4 − j2

Jawaban

a = −4

Jawaban

a = −4
3.Impedansi AC & fasor

Jawaban: φ = 21,18 °

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

ω = 2πf = 2π·50 = 314,2 rad/s
XL = ωL = 314,2·0,2 = 62,83 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(314,2·100·10⁻⁶) = 31,83 Ω

Impedansi

Dalam seri, impedansi dijumlahkan sebagai bilangan kompleks: Z = R + j(XL − XC).

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(80² + (31)²) = 85,8 Ω

Sudut fase

φ = arctan((XL − XC)/R) = arctan(31/80) = 21,18°

Jawaban

φ = 21,18°
4.Impedansi AC & fasor

Jawaban: VL = 217,4 V

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

Pada resonansi reaktansi saling meniadakan, jadi impedansinya hanya R.

ω₀ = 1/√(LC) = 1/√(0,2·0,47·10⁻⁶) = 3262 rad/s
I = V/R = 5/15 = 0,3333 A

Tegangan pada induktor

XL = ω₀L = 3262·0,2 = 652,3 Ω
VL = I·XL = 0,3333·652,3 = 217,4 V

Jawaban

VL = 217,4 V

Ini Q = 43,49 kali tegangan sumber.

5.Daya AC & faktor daya

Jawaban: I = 101,9 A

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.

Arus saluran

Hanya bagian nyata dari daya yang melakukan kerja, jadi bagi dengan faktor daya.

I = P/(V·cos φ) = 22000/(240·0,9) = 101,9 A

Jawaban

I = 101,9 A
6.Daya AC & faktor daya

Jawaban: ΔP = 141 kW

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 beban yang ada

Q1 = 56·tan(arccos 0,85) = 34,71 kvar

Daya nyata total terbesar

Pada rating penuh S = Smax, dan Q tidak diubah oleh beban resistif.

P = √(Smax² − Q1²) = √(200² − 34,71²) = 197 kW

Daya nyata tambahan

ΔP = 197 − 56 = 141 kW

Jawaban

ΔP = 141 kW
7.Resonansi LC, faktor Q & lebar pita

Jawaban: BW = 159,2 Hz

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).

Lebar pita dalam rad/s

R/L = 22/0,022 = 1000 rad/s

Lebar pita dalam Hz

BW = 1000/(2π) = 159,2 Hz = 159,2 Hz

Jawaban

BW = 159,2 Hz

Dengan f₀ = 7,234 kHz ini memberi Q = 45,45.

8.Resonansi LC, faktor Q & lebar pita

Jawaban: C = 12,73 nF

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).

Induktansi dari lebar pita

L = R/(2π·BW) = 10/(2π·2000) = 0,0007958 H

Kapasitansi dari frekuensi resonansi

C = 1/((2π·50000)²·0,0007958) = 1,273 × 10⁻⁸ F = 12,73 nF

Jawaban

C = 12,73 nF

Q = f₀/BW = 25.

9.Daya tiga fasa

Jawaban: P = 17,68 kW

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 semu

S = √3·VL·IL = √3·415·30 = 21,56 kVA

Daya nyata

P = S·cos φ = 21,56·0,82 = 17,68 kW

Jawaban

P = 17,68 kW
10.Daya tiga fasa

Jawaban: Cph = 477,7 µF

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 = 75·tan(acos 0,75) = 75·0,8819 = 66,14 kvar
Q2 = 75·tan(acos 0,95) = 75·0,3287 = 24,65 kvar

Daya reaktif dari kapasitor

QC = Q1 − Q2 = 41,49 kvar

Kapasitansi per fasa

Pada bank Y, setiap kapasitor terhubung di antara satu saluran dan titik bintang.

V = 480/√3 = 277,1 V, ω = 2π·60 = 377 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 13831/(377·277,1²) = 477,7 µF

Jawaban

Cph = 477,7 µF
11.Transien RC & RL

Jawaban: W = 1,599 mJ

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 = 150 mH / 50 Ω = 3 ms
i(∞) = Vs/R = 9/50 = 0,18 A

Arus pada waktu tertentu

i(t) = 0,18·(1 − e−5/3) = 0,146 A

Energi tersimpan

W = ½·L·i² = ½·150·0,146² = 1,599 mJ

Jawaban

W = 1,599 mJ
12.Transien RC & RL

Jawaban: R = 496,1 kΩ

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 yang diperlukan

3 = 5·(1 − e−1000/τ) → τ = 1000/ln(5/(5 − 3))
τ = 1000/0,9163 = 1091 ms

Hambatan

kΩ dikali µF menghasilkan milidetik.

R = τ/C = 1091/2,2 = 496,1 kΩ

Jawaban

R = 496,1 kΩ
13.Thévenin & Norton

Jawaban: IN = 1,071 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.

R1​ = 3 ΩR3​ = 8 ΩHUBUNG SINGKATR2​8 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 = 3·8/(3+8) = 2,182 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,182 + 8 = 10,18 Ω
R1​ = 3 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​15 VR2​8 ΩAab+−Vth​

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) = 15·8/(3+8) = 10,91 V
IN​1,071 ARth​10,18 Ωab

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 = 10,91/10,18 = 1,071 A
14.Thévenin & Norton

Jawaban: IL = 1,833 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.

R1​ = 10 ΩR3​ = 12 ΩHUBUNG SINGKATR2​10 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 = 10·10/(10+10) = 5 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 5 + 12 = 17 Ω
R1​ = 10 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​9 VR2​10 ΩAIs​2 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) = 4,5 + 2·5 = 14,5 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 14,5 + 2·12 = 38,5 V
Rth​ = 17 Ω+−Vth​38,5 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) = 38,5/(17 + 4) = 1,833 A
15.Plot Bode dan margin

Jawaban: |G(jω)| = 25,97 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(j0,5)| = 1100/(√(0,5² + 5²)·√(0,5² + 11²)) = 1100/(5,025·11,01) = 19,88

Hasil

20·log₁₀(19,88) = 25,97 dB

Jawaban

|G(jω)| = 25,97 dB
16.Plot Bode dan margin

Jawaban: K = 481,1

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/6)·(ω/10) = 1 → ω180 = √(6·10) = 7,746 rad/s

Besar pada persilangan fasa

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 36)·√(ω² + 100)) = K/(6·10·(6 + 10)) = K/960

Penguatan yang diperlukan

960/K = 106/20 = 1,995
K = 960/1,995 = 481,1

Jawaban

K = 481,1

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