Tiga cabang terhubung antara simpul A dan ground, seperti pada gambar. Gunakan analisis simpul untuk mencari arus I2 pada cabang 2, yang mengalir ke atas masuk ke simpul A searah panah.
Sumber tegangan Vₛ antara A dan B memiliki terminal + di A, jadi membuat VA − VB = Vₛ. Gunakan analisis simpul dengan supernode untuk mencari arus Ix melalui sumber tegangan, dari A ke B seperti ditunjukkan panah.
Induktor tidak dialiri arus sebelum sakelar ditutup pada t = 0. Cari arus i pada t = 1 ms.
Vs = 12 VR = 47 ΩL = 68 mHt = 1 ms
i = A
8.Transien RC & RLSulit
Tepat sebelum sakelar ditutup pada t = 0, kapasitor bertegangan 8 V dengan polaritas yang ditunjukkan. Berapa lama waktu yang diperlukan agar vC mencapai 6,2 V? Cari t.
Vs = 5 VR = 6,8 kΩC = 47 µFvC(0) = 8 V
t = ms
9.Impedansi AC & fasorSedang
Rangkaian RLC seri dihubungkan ke sumber 100 V (rms), 200 Hz. Cari sudut fase φ impedansi, dalam derajat (positif bila arus tertinggal dari tegangan).
V = 100 V (rms)f = 200 HzR = 20 ΩL = 150 mHC = 2,2 µF
φ = °
10.Impedansi AC & fasorSulit
Rangkaian RLC seri dihubungkan ke sumber 230 V (rms), 200 Hz. Cari arus rms I.
V = 230 V (rms)f = 200 HzR = 60 ΩL = 250 mHC = 100 µF
I = A
11.Daya AC & faktor dayaSedang
Sebuah beban induktif mengambil 14,5 A dan 1479 W dari sumber satu fase 120 V (rms). Modelkan sebagai resistansi R yang seri dengan reaktansi X. Cari R.
V = 120 VI = 14,5 AP = 1479 W
R = Ω
12.Daya AC & faktor dayaSulit
Sebuah transformator satu fase 50 kVA memasok beban 19 kW pada faktor daya 0,6 tertinggal. Berapa daya nyata tambahan ΔP yang dapat ditambahkan sebagai beban resistif (faktor daya satu) sebelum transformator mencapai rating kVA-nya?
Smax = 50 kVAP1 = 19 kWpf1 = 0,6
ΔP = kW
13.Daya tiga fasaSedang
Beban tiga fasa seimbang menarik arus saluran 120 A dari sumber dengan tegangan antarsaluran 400 V. Faktor dayanya 0,8 tertinggal. Cari daya nyata total P yang diserap beban dalam kW.
VL = 400 VIL = 120 Acos φ = 0,8
P = kW
14.Daya tiga fasaSulit
Beban tiga fasa seimbang menyerap 100 kW pada faktor daya 0,8 tertinggal dari sumber 400 V (antarsaluran), 60 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 = 100 kWpf1 = 0,8pf2 = 0,92VL = 400 Vf = 60 Hz
QC = kvar
15.TransformatorSedang
Sebuah transformator satu fasa 15 kVA, 480/240 V bekerja pada beban pengenalnya. Anggap ideal. Cari arus ILV pada kumparan tegangan rendah.
S = 15 kVAV1 = 480 VV2 = 240 V
ILV = A
16.TransformatorSulit
Sebuah transformator satu fasa 150 kVA memiliki rugi inti 750 W dan rugi tembaga 2250 W pada beban pengenal. Pada beban Sη,max berapa, dalam kVA, efisiensinya paling tinggi?
S = 150 kVAPcore = 750 WPcu,fl = 2250 W
Sη,max = kVA
3Larutan
1.Resistor seri & paralel
Jawaban: Req = 10,92 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 + 20 = 22 Ω
R2 ∥ 22 = 15·22/(15+22) = 8,919 Ω
Req = R1 + 8,919 = 2 + 8,919 = 10,92 Ω
Jawaban
Req = 10,92 Ω
2.Resistor seri & paralel
Jawaban: Req = 12,91 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 = 10 + 5 = 15 Ω
R4 ∥ 15 = 6,667 Ω
R3 + 6,667 = 10,67 Ω
R2 ∥ 10,67 = 2,909 Ω
Req = R1 + 2,909 = 10 + 2,909 = 12,91 Ω
Jawaban
Req = 12,91 Ω
3.Analisis simpul
Jawaban: I2 = −1,45 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
Ambil kawat bawah sebagai ground. Setiap cabang mengalirkan (VA − Vk)/Rk keluar dari A, dengan Vk tegangan sumbernya (nol untuk resistor biasa). Arus-arus yang keluar dari A berjumlah nol.
(VA − 30)/5 + (VA − (−10))/20 + (VA − 10)/12 = 0
Selesaikan untuk VA
VA = (30/5 + (−10)/20 + 10/12) / (1/5 + 1/20 + 1/12) = 6,333/0,3333 = 19 V
Arus cabang
Panah menunjuk ke atas melalui cabang, masuk ke simpul A.
I2 = ((−10) − VA)/R2 = ((−10) − 19)/20 = −1,45 A
Jawaban
I2 = −1,45 A
Hasil negatif berarti arus sebenarnya mengalir berlawanan dengan panah.
4.Analisis simpul
Jawaban: Ix = −1,552 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.
Bentuk supernode
Sumber tegangan antara A dan B mengalirkan arus yang tidak diketahui, jadi KCL tidak dapat ditulis di A atau B secara terpisah. Lingkupi A, B, dan sumber dalam satu supernode: arus yang masuk sama dengan arus yang keluar.
KCL di simpul A saja: arus yang datang melalui R₁ keluar melalui R₂ dan melalui sumber tegangan.
IR1 = (9 − 22,22)/30 = −0,4407 A
Ix = IR1 − VA/R2 = −0,4407 − 22,22/20 = −1,552 A
Jawaban
Ix = −1,552 A
Hasil negatif berarti arus sebenarnya mengalir berlawanan dengan panah.
5.Thévenin & Norton
Jawaban: IN = 1,304 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 = 3·2/(3+2) = 1,2 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,2 + 8 = 9,2 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) = 30·2/(3+2) = 12 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 = 12/9,2 = 1,304 A
6.Thévenin & Norton
Jawaban: IL = 0,7911 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 = 3·4/(3+4) = 1,714 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,714 + 30 = 31,71 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) = 17,14 + 0,5·1,714 = 18 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 18 + 0,5·30 = 33 V
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) = 33/(31,71 + 10) = 0,7911 A
7.Transien RC & RL
Jawaban: i = 0,1274 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.
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((8 − 5)/(6,2 − 5)) = 319,6·ln(2,5) = 292,8 ms
Jawaban
t = 292,8 ms
9.Impedansi AC & fasor
Jawaban: φ = −83,41 °
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·200 = 1257 rad/s
XL = ωL = 1257·0,15 = 188,5 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(1257·2,2·10⁻⁶) = 361,7 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·200 = 1257 rad/s
XL = ωL = 1257·0,25 = 314,2 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(1257·100·10⁻⁶) = 7,958 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| = 230/312 = 0,7371 A
Jawaban
I = 0,7371 A
11.Daya AC & faktor daya
Jawaban: R = 7,034 Ω
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.
Resistansi dari daya nyata
R = P/I² = 1479/14,5² = 7,034 Ω
Jawaban
R = 7,034 Ω
12.Daya AC & faktor daya
Jawaban: ΔP = 24,11 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 = 19·tan(arccos 0,6) = 25,33 kvar
Daya nyata total terbesar
Pada rating penuh S = Smax, dan Q tidak diubah oleh beban resistif.
P = √(Smax² − Q1²) = √(50² − 25,33²) = 43,11 kW
Daya nyata tambahan
ΔP = 43,11 − 19 = 24,11 kW
Jawaban
ΔP = 24,11 kW
13.Daya tiga fasa
Jawaban: P = 66,51 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 = √3·400·120 = 83,14 kVA
Daya nyata
P = S·cos φ = 83,14·0,8 = 66,51 kW
Jawaban
P = 66,51 kW
14.Daya tiga fasa
Jawaban: QC = 32,4 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 = 100·tan(acos 0,8) = 100·0,75 = 75 kvar
Q2 = 100·tan(acos 0,92) = 100·0,426 = 42,6 kvar
Daya reaktif dari kapasitor
QC = Q1 − Q2 = 32,4 kvar
Jawaban
QC = 32,4 kvar
15.Transformator
Jawaban: ILV = 62,5 A
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.
Arus pengenal
Kedua kumparan membawa daya semu yang sama.
ILV = S/V = 15000/240 = 62,5 A
Jawaban
ILV = 62,5 A
16.Transformator
Jawaban: Sη,max = 86,6 kVA
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.