Cari resistansi Thévenin Rth dilihat dari terminal a–b.
V1 = 10 VR1 = 4 ΩR2 = 10 ΩR3 = 2 Ω
Rth = Ω
6.Thévenin & NortonSulit
Cari tegangan Thévenin Vth dilihat dari terminal a–b.
V1 = 15 VIs = 0,5 AR1 = 12 ΩR2 = 4 ΩR3 = 30 Ω
Vth = V
7.Transien RC & RLSedang
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 = 20 VR1 = 4,7 kΩR2 = 10 kΩC = 47 µFt = 150 ms
vC = V
8.Transien RC & RLSulit
Sakelar yang paralel dengan R2 telah terbuka sejak lama, jadi arus induktor tunak. Pada t = 0 sakelar menutup dan menghubung singkat R2. Cari arus induktor i pada t = 5 ms.
Vs = 12 VR1 = 10 ΩR2 = 33 ΩL = 22 mHt = 5 ms
i = A
9.Impedansi AC & fasorSedang
Rangkaian RLC seri dihubungkan ke sumber 24 V (rms), 1000 Hz. Cari arus rms I.
V = 24 V (rms)f = 1000 HzR = 60 ΩL = 100 mHC = 100 µF
I = A
10.Impedansi AC & fasorSulit
Sebuah rangkaian RLC seri memiliki R = 1 Ω, L = 5 mH, dan C = 0,47 µF. Cari faktor kualitasnya Q pada resonansi.
R = 1 ΩL = 5 mHC = 0,47 µF
Q =
11.Daya AC & faktor dayaSedang
Sebuah beban dengan impedansi Z = 12 + j16 Ω dihubungkan ke sumber satu fase 240 V (rms). Cari daya nyata P yang diserapnya.
V = 240 VZ = 12 + j16 Ω
P = W
12.Daya AC & faktor dayaSulit
Sebuah sumber 24 V (rms), 60 Hz memiliki impedansi dalam Zs = 2 + j20 Ω. Impedansi beban ZL dapat dipilih bebas. Cari daya nyata maksimum Pmax yang dapat diberikan ke beban.
Vs = 24 V (rms)f = 60 HzZs = 2 + j20 Ω
Pmax = W
13.Daya tiga fasaSedang
Sebuah motor induksi tiga fasa menghasilkan daya keluaran mekanis 7,5 kW pada beban penuh. Pada beban ini efisiensinya 90% dan faktor dayanya 0,8 tertinggal. Sumbernya memiliki tegangan antarsaluran 415 V. Cari arus saluran IL.
Pout = 7,5 kWη = 90%cos φ = 0,8VL = 415 V
IL = A
14.Daya tiga fasaSulit
Beban tiga fasa seimbang menyerap 250 kW pada faktor daya 0,72 tertinggal dari sumber 480 V (antarsaluran), 60 Hz. Bank kapasitor tiga fasa yang diparalel dengan beban harus menaikkan faktor daya keseluruhan menjadi 0,9 tertinggal. Daya nyatanya tetap sama. Kapasitor dihubungkan secara Y. Cari kapasitansi Cph setiap kapasitor dalam µF.
P = 250 kWpf1 = 0,72pf2 = 0,9VL = 480 Vf = 60 Hz
Cph = µF
15.TransformatorSedang
Resistor 50 Ω dihubungkan pada kumparan sekunder transformator ideal dengan rasio lilitan N₁:N₂ = 3:1. Cari hambatan R1′ yang terlihat dari kumparan primer.
N1:N2 = 3:1RL = 50 Ω
R1′ = Ω
16.TransformatorSulit
Sebuah transformator satu fasa 250 kVA memiliki rugi inti 1000 W dan rugi tembaga 2500 W pada beban pengenal. Transformator menyuplai 75% dari kVA pengenalnya pada faktor daya 0,9 tertinggal. Cari rugi total Ploss dalam watt pada beban ini.
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 = 15 + 10 = 25 Ω
R2 ∥ 25 = 20·25/(20+25) = 11,11 Ω
Req = R1 + 11,11 = 4 + 11,11 = 15,11 Ω
Jawaban
Req = 15,11 Ω
2.Resistor seri & paralel
Jawaban: Req = 28,38 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 = 30 + 8 = 38 Ω
R4 ∥ 38 = 6,609 Ω
R3 + 6,609 = 21,61 Ω
R2 ∥ 21,61 = 3,375 Ω
Req = R1 + 3,375 = 25 + 3,375 = 28,38 Ω
Jawaban
Req = 28,38 Ω
3.Analisis simpul
Jawaban: VB = −11,21 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). 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/R2 + (VA − V1)/R1 + (VA − VB)/R3 = 0
VA/6 + (VA − 18)/4 + (VA − VB)/4 = 0
0,6667·VA − 0,25·VB = 4,5
KCL di simpul B
Arus yang keluar dari B melalui resistor sama dengan arus yang dimasukkan sumber ke B.
VB/R4 + (VB − VA)/R3 = Is
VB/20 + (VB − VA)/4 = (−4)
−0,25·VA + 0,3·VB = −4
Selesaikan
Δ = (0,6667)(0,3) − (−0,25)(−0,25) = 0,1375
VA = Δ1/Δ = 0,35/0,1375 = 2,545 V
VB = Δ2/Δ = −1,542/0,1375 = −11,21 V
Jawaban
VB = −11,21 V
4.Analisis simpul
Jawaban: VA = 4,244 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 = 9 V, V2 = 15 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/2 + (VA − 9)/4 + (VA − VB)/8 = 0
0,875·VA − 0,125·VB = 2,25
KCL di simpul B
Arus yang keluar dari B melalui resistor sama dengan arus yang dimasukkan sumber ke B.
VB/R5 + (VB − VA)/R2 + (VB − V2)/R4 = Is
VB/30 + (VB − VA)/8 + (VB − 15)/4 = 0,5
−0,125·VA + 0,4083·VB = 4,25
Selesaikan
Δ = (0,875)(0,4083) − (−0,125)(−0,125) = 0,3417
VA = Δ1/Δ = 1,45/0,3417 = 4,244 V
VB = Δ2/Δ = 4/0,3417 = 11,71 V
Jawaban
VA = 4,244 V
5.Thévenin & Norton
Jawaban: Rth = 4,857 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.
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 = 4·10/(4+10) = 2,857 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,857 + 2 = 4,857 Ω
6.Thévenin & Norton
Jawaban: Vth = 20,25 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 = 12·4/(12+4) = 3 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3 + 30 = 33 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) = 3,75 + 0,5·3 = 5,25 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 5,25 + 0,5·30 = 20,25 V
7.Transien RC & RL
Jawaban: vC = 8,591 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 = 4,7·10/(4,7 + 10) = 3,197 kΩ
vC(∞) = 20·10/(4,7 + 10) = 13,61 V
Konstanta waktu
τ = Rth·C = 3,197·47 = 150,3 ms
Kurva pengisian
vC(t) = 13,61·(1 − e−150/150,3) = 8,591 V
Jawaban
vC = 8,591 V
8.Transien RC & RL
Jawaban: i = 1,105 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.
Nilai awal, nilai akhir, konstanta waktu
Sebelum t = 0 kedua resistor berada dalam loop; sesudahnya sakelar yang tertutup memintas R₂.
i(0) = 12/(10 + 33) = 0,2791 A
i(∞) = 12/10 = 1,2 A
τ = L/R = 22/10 = 2,2 ms
i(t) = 1,2 + (0,2791 − 1,2)·e−t/τ
Arus pada waktu tertentu
i(5) = 1,2 + (−0,9209)·e−5/2,2 = 1,105 A
Jawaban
i = 1,105 A
9.Impedansi AC & fasor
Jawaban: I = 0,03812 A
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·1000 = 6283 rad/s
XL = ωL = 6283·0,1 = 628,3 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(6283·100·10⁻⁶) = 1,592 Ω
Impedansi
Dalam seri, impedansi dijumlahkan sebagai bilangan kompleks: Z = R + j(XL − XC).
Arus yang sama mengalir melalui setiap elemen rangkaian seri.
I = V/|Z| = 24/629,6 = 0,03812 A
Jawaban
I = 0,03812 A
10.Impedansi AC & fasor
Jawaban: Q = 103,1
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|.
Frekuensi resonansi
f0 = 1/(2π·√(0,005·0,47·10⁻⁶)) = 3283 Hz
Faktor kualitas
Q membandingkan reaktansi pada resonansi dengan resistansi: Q = ω₀L/R.
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
|Z| = √(12² + 16²) = 20 Ω
I = V/|Z| = 240/20 = 12 A
Daya nyata
P = I²·R = 12²·12 = 1728 W
Jawaban
P = 1728 W
12.Daya AC & faktor daya
Jawaban: Pmax = 72 W
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.
Penyesuaian sekawan
Reaktansi beban meniadakan reaktansi sumber, dan resistansi beban sama dengan resistansi sumber.
ZL = Zs* = 2 − j20 Ω
Daya maksimum
I = Vs/(2Rs) = 24/4 = 6 A
Pmax = I²·RL = Vs²/(4Rs) = 24²/(4·2) = 72 W
Jawaban
Pmax = 72 W
13.Daya tiga fasa
Jawaban: IL = 14,49 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 = 7,5/0,9 = 8,333 kW
Arus saluran
IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 8333/(√3·415·0,8) = 14,49 A
Jawaban
IL = 14,49 A
14.Daya tiga fasa
Jawaban: Cph = 1380 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 = 250·tan(acos 0,72) = 250·0,9639 = 241 kvar
Q2 = 250·tan(acos 0,9) = 250·0,4843 = 121,1 kvar
Daya reaktif dari kapasitor
QC = Q1 − Q2 = 119,9 kvar
Kapasitansi per fasa
Pada bank Y, setiap kapasitor terhubung di antara satu saluran dan titik bintang.
Transformator ideal: tegangan sebanding dengan jumlah lilitan dan arus berbanding terbalik: V₁/V₂ = N₁/N₂ = a dan I₁/I₂ = N₂/N₁ = 1/a, sehingga daya masuk sama dengan daya keluar, V₁·I₁ = V₂·I₂. Impedansi beban Z di sisi sekunder terlihat sebagai a²·Z dari sisi primer.
Hambatan yang dirujuk
Tegangan naik sebesar a dan arus turun sebesar a, sehingga rasio V/I naik sebesar a².
R1′ = a²·RL = 3²·50 = 450 Ω
Jawaban
R1′ = 450 Ω
16.Transformator
Jawaban: Ploss = 2406 W
Rugi-rugi transformator: rugi inti (histeresis dan arus pusar) bergantung pada tegangan dan sama pada beban berapa pun. Rugi tembaga pada kumparan sebanding dengan kuadrat arus, sehingga pada fraksi x dari beban pengenal besarnya x²·Pcu,fl. Efisiensi η = Pout/(Pout + Pcore + Pcu), dengan Pout = x·S·pf. Efisiensi paling tinggi pada beban saat rugi tembaga sama dengan rugi inti.