Cari resistansi Thévenin Rth dilihat dari terminal a–b.
V1 = 12 VR1 = 20 ΩR2 = 6 ΩR3 = 2 Ω
Rth = Ω
6.Thévenin & NortonSulit
Cari tegangan Thévenin Vth dilihat dari terminal a–b.
V1 = 5 VIs = 2,5 AR1 = 2 ΩR2 = 8 ΩR3 = 4 Ω
Vth = V
7.Transien RC & RLSedang
Induktor mengalirkan arus tunak 3 A. Pada t = 0 sakelar menutup loop melalui R dan sumber dilepas, jadi arus induktor meluruh melalui R. Cari tegangan vR pada R pada t = 1 ms.
i(0) = 3 AR = 20 ΩL = 22 mHt = 1 ms
vR = V
8.Transien RC & RLSulit
Tepat sebelum sakelar ditutup pada t = 0, kapasitor bertegangan 4 V dengan polaritas yang ditunjukkan. Berapa lama waktu yang diperlukan agar vC mencapai 7 V? Cari t.
Vs = 9 VR = 3,3 kΩC = 220 µFvC(0) = 4 V
t = ms
9.Impedansi AC & fasorSedang
Rangkaian RLC seri dihubungkan ke sumber 24 V (rms), 60 Hz. Cari sudut fase φ impedansi, dalam derajat (positif bila arus tertinggal dari tegangan).
V = 24 V (rms)f = 60 HzR = 50 ΩL = 20 mHC = 10 µF
φ = °
10.Impedansi AC & fasorSulit
Rangkaian RLC seri dihubungkan ke sumber 50 V (rms), 60 Hz. Cari tegangan rms VC pada kapasitor.
V = 50 V (rms)f = 60 HzR = 60 ΩL = 250 mHC = 10 µF
VC = V
11.Daya AC & faktor dayaSedang
Sebuah beban dengan impedansi Z = 7 + j24 Ω dihubungkan ke sumber satu fase 240 V (rms). Cari daya nyata P yang diserapnya.
V = 240 VZ = 7 + j24 Ω
P = W
12.Daya AC & faktor dayaSulit
Beban satu fase menyerap 50 kW pada faktor daya 0,75 tertinggal dari sumber 400 V, 60 Hz. Kapasitor yang dipasang paralel menaikkan faktor daya menjadi 0,9. Cari daya reaktif QC yang harus dipasok kapasitor.
P = 50 kWpf1 = 0,75pf2 = 0,9V = 400 Vf = 60 Hz
QC = kvar
13.Daya tiga fasaSedang
Sebuah motor induksi tiga fasa menghasilkan daya keluaran mekanis 45 kW pada beban penuh. Pada beban ini efisiensinya 93% dan faktor dayanya 0,88 tertinggal. Sumbernya memiliki tegangan antarsaluran 415 V. Cari arus saluran IL.
Pout = 45 kWη = 93%cos φ = 0,88VL = 415 V
IL = A
14.Daya tiga fasaSulit
Beban tiga fasa seimbang menyerap 120 kW pada faktor daya 0,75 tertinggal dari sumber 480 V (antarsaluran), 50 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 = 120 kWpf1 = 0,75pf2 = 0,95VL = 480 Vf = 50 Hz
Cph = µF
15.TransformatorSedang
Sebuah transformator ideal dengan rasio lilitan N₁:N₂ = 20:1 diberi tegangan 2400 V pada kumparan primernya. Resistor 4 Ω dihubungkan pada kumparan sekunder. Cari arus primer I1.
N1:N2 = 20:1V1 = 2400 VRL = 4 Ω
I1 = A
16.TransformatorSulit
Sebuah transformator satu fasa 100 kVA memiliki rugi inti 800 W. Pada beban pengenal dan faktor daya 0,9 tertinggal, efisiensinya 96,5%. Cari rugi tembaga beban penuh Pcu,fl dalam watt.
S = 100 kVAPcore = 800 Wpf = 0,9η = 96,5%
Pcu,fl = W
3Larutan
1.Resistor seri & paralel
Jawaban: Req = 13,23 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 = 2 + 5 = 7 Ω
R2 ∥ 7 = 6·7/(6+7) = 3,231 Ω
Req = R1 + 3,231 = 10 + 3,231 = 13,23 Ω
Jawaban
Req = 13,23 Ω
2.Resistor seri & paralel
Jawaban: Req = 8,265 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 = 6 + 5 = 11 Ω
R4 ∥ 11 = 3,438 Ω
R3 + 3,438 = 7,438 Ω
R2 ∥ 7,438 = 4,265 Ω
Req = R1 + 4,265 = 4 + 4,265 = 8,265 Ω
Jawaban
Req = 8,265 Ω
3.Analisis simpul
Jawaban: VA = 7,74 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). 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 − 9)/2 + (VA − VB)/5 = 0
0,8667·VA − 0,2·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/6 + (VB − VA)/5 = 2,5
−0,2·VA + 0,3667·VB = 2,5
Selesaikan
Δ = (0,8667)(0,3667) − (−0,2)(−0,2) = 0,2778
VA = Δ1/Δ = 2,15/0,2778 = 7,74 V
VB = Δ2/Δ = 3,067/0,2778 = 11,04 V
Jawaban
VA = 7,74 V
4.Analisis simpul
Jawaban: Is = 0,315 A
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
VA diketahui, jadi persamaan ini memberi VB.
(VA − V1)/R1 + VA/R2 + (VA − VB)/R3 = 0
(4,5 − 18)/30 + 4,5/20 = (VB − 4,5)/8
−0,225 = (VB − 4,5)/8 → VB = 2,7 V
KCL di simpul B
Arus yang keluar dari B melalui resistor sama dengan arus yang didorong masuk ke B oleh sumber.
Is = (VB − VA)/R3 + VB/R4 = (2,7 − 4,5)/8 + 2,7/5 = 0,315 A
Jawaban
Is = 0,315 A
5.Thévenin & Norton
Jawaban: Rth = 6,615 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 = 20·6/(20+6) = 4,615 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 4,615 + 2 = 6,615 Ω
6.Thévenin & Norton
Jawaban: Vth = −10 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 = 2·8/(2+8) = 1,6 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,6 + 4 = 5,6 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) = 4 + (−2,5)·1,6 = 0 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 0 + (−2,5)·4 = −10 V
7.Transien RC & RL
Jawaban: vR = 24,17 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.
Konstanta waktu
τ = L/R = 22 mH / 20 Ω = 1,1 ms
Peluruhan arus
i(t) = 3·e−1/1,1 = 1,209 A
vR = R·i = 20·1,209 = 24,17 V
Jawaban
vR = 24,17 V
8.Transien RC & RL
Jawaban: t = 665,2 ms
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.
t = τ·ln((4 − 9)/(7 − 9)) = 726·ln(2,5) = 665,2 ms
Jawaban
t = 665,2 ms
9.Impedansi AC & fasor
Jawaban: φ = −79,02 °
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·60 = 377 rad/s
XL = ωL = 377·0,02 = 7,54 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(377·10·10⁻⁶) = 265,3 Ω
Impedansi
Dalam seri, impedansi dijumlahkan sebagai bilangan kompleks: Z = R + j(XL − XC).
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·60 = 377 rad/s
XL = ωL = 377·0,25 = 94,25 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(377·10·10⁻⁶) = 265,3 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| = 50/181,2 = 0,2759 A
Tegangan pada kapasitor
VC = I·XC = 0,2759·265,3 = 73,18 V
Jawaban
VC = 73,18 V
11.Daya AC & faktor daya
Jawaban: P = 645,1 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.
Arus
|Z| = √(7² + 24²) = 25 Ω
I = V/|Z| = 240/25 = 9,6 A
Daya nyata
P = I²·R = 9,6²·7 = 645,1 W
Jawaban
P = 645,1 W
12.Daya AC & faktor daya
Jawaban: QC = 19,88 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 = 50·tan(41,41°) = 44,1 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 50·tan(25,84°) = 24,22 kvar
QC = Q1 − Q2 = 19,88 kvar
Jawaban
QC = 19,88 kvar
13.Daya tiga fasa
Jawaban: IL = 76,5 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 = 45/0,93 = 48,39 kW
Arus saluran
IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 48387/(√3·415·0,88) = 76,5 A
Jawaban
IL = 76,5 A
14.Daya tiga fasa
Jawaban: Cph = 917,2 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 = 120·tan(acos 0,75) = 120·0,8819 = 105,8 kvar
Q2 = 120·tan(acos 0,95) = 120·0,3287 = 39,44 kvar
Daya reaktif dari kapasitor
QC = Q1 − Q2 = 66,39 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.
Tegangan dan arus sekunder
V2 = 2400/20 = 120 V
I2 = 120/4 = 30 A
Arus primer
Transformator ideal tidak memiliki rugi-rugi: V₁·I₁ = V₂·I₂.
I1 = I2/20 = 1,5 A
Jawaban
I1 = 1,5 A
Periksa: beban yang terlihat dari sisi primer adalah a²·RL = 1600 Ω, dan 2400/1600 memberikan arus yang sama.
16.Transformator
Jawaban: Pcu,fl = 2464 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.