Induktor mengalirkan arus tunak 2,5 A. Pada t = 0 sakelar menutup loop melalui R dan sumber dilepas, jadi arus induktor meluruh melalui R. Cari arus i pada t = 5 ms.
i(0) = 2,5 AR = 47 ΩL = 150 mHt = 5 ms
i = A
8.Transien RC & RLSulit
Tepat sebelum sakelar ditutup pada t = 0, kapasitor bertegangan 6 V dengan polaritas yang ditunjukkan. Berapa lama waktu yang diperlukan agar vC mencapai 13,2 V? Cari t.
Vs = 24 VR = 2,2 kΩC = 33 µFvC(0) = 6 V
t = ms
9.Impedansi AC & fasorSedang
Rangkaian RLC seri dihubungkan ke sumber 12 V (rms), 200 Hz. Cari sudut fase φ impedansi, dalam derajat (positif bila arus tertinggal dari tegangan).
V = 12 V (rms)f = 200 HzR = 40 ΩL = 250 mHC = 1 µF
φ = °
10.Impedansi AC & fasorSulit
Sebuah rangkaian RLC seri memiliki R = 10 Ω, L = 50 mH, dan C = 0,47 µF. Cari lebar pitanya B (lebar pita antara frekuensi setengah daya), dalam Hz.
R = 10 ΩL = 50 mHC = 0,47 µF
B = Hz
11.Daya AC & faktor dayaSedang
Sebuah beban dengan impedansi Z = 4 + j3 Ω dihubungkan ke sumber satu fase 240 V (rms). Cari daya nyata P yang diserapnya.
V = 240 VZ = 4 + j3 Ω
P = W
12.Daya AC & faktor dayaSulit
Beban satu fase menyerap 25 kW pada faktor daya 0,75 tertinggal dari sumber 240 V, 50 Hz. Kapasitor yang dipasang paralel menaikkan faktor daya menjadi 0,95. Cari kapasitansi C yang diperlukan.
P = 25 kWpf1 = 0,75pf2 = 0,95V = 240 Vf = 50 Hz
C = µF
13.Daya tiga fasaSedang
Beban tiga fasa seimbang menarik arus saluran 150 A dari sumber dengan tegangan antarsaluran 690 V. Faktor dayanya 0,75 tertinggal. Cari daya nyata total P yang diserap beban dalam kW.
VL = 690 VIL = 150 Acos φ = 0,75
P = kW
14.Daya tiga fasaSulit
Beban tiga fasa seimbang menyerap 80 kW pada faktor daya 0,8 tertinggal dari sumber 415 V (antarsaluran), 50 Hz. Bank kapasitor tiga fasa yang diparalel dengan beban harus menaikkan faktor daya keseluruhan menjadi 0,9 tertinggal. Daya nyatanya tetap sama. Cari daya reaktif total QC yang harus disuplai bank kapasitor, dalam kvar.
P = 80 kWpf1 = 0,8pf2 = 0,9VL = 415 Vf = 50 Hz
QC = kvar
15.TransformatorSedang
Sebuah transformator satu fasa 150 kVA, 6600/230 V bekerja pada beban pengenalnya. Anggap ideal. Cari arus ILV pada kumparan tegangan rendah.
S = 150 kVAV1 = 6600 VV2 = 230 V
ILV = A
16.TransformatorSulit
Sebuah transformator satu fasa 250 kVA memiliki rugi inti 1000 W dan rugi tembaga 4000 W pada beban pengenal. Transformator menyuplai 50% dari kVA pengenalnya pada faktor daya 0,95 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 = 12 + 5 = 17 Ω
R2 ∥ 17 = 6·17/(6+17) = 4,435 Ω
Req = R1 + 4,435 = 20 + 4,435 = 24,43 Ω
Arus dari sumber
Sumber hanya melihat Req, jadi hukum Ohm memberi arus yang dialirkannya. Arus itu mengalir melalui R₁.
IR1 = V1/Req = 30/24,43 = 1,228 A
Jawaban
IR1 = 1,228 A
2.Resistor seri & paralel
Jawaban: Req = 12,5 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 + 10 = 16 Ω
R4 ∥ 16 = 5,333 Ω
R3 + 5,333 = 15,33 Ω
R2 ∥ 15,33 = 9,504 Ω
Req = R1 + 9,504 = 3 + 9,504 = 12,5 Ω
Jawaban
Req = 12,5 Ω
3.Analisis simpul
Jawaban: VB = 21,43 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 = 30 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/5 + (VA − 30)/20 + (VA − VB)/4 = 0
0,5·VA − 0,25·VB = 1,5
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 = 3
−0,25·VA + 0,3·VB = 3
Selesaikan
Δ = (0,5)(0,3) − (−0,25)(−0,25) = 0,0875
VA = Δ1/Δ = 1,2/0,0875 = 13,71 V
VB = Δ2/Δ = 1,875/0,0875 = 21,43 V
Jawaban
VB = 21,43 V
4.Analisis simpul
Jawaban: VA = 16,41 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, V2 = 36 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/25 + (VA − 18)/5 + (VA − VB)/4 = 0
0,49·VA − 0,25·VB = 3,6
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/4 + (VB − VA)/4 + (VB − 36)/8 = 2,5
−0,25·VA + 0,625·VB = 7
Selesaikan
Δ = (0,49)(0,625) − (−0,25)(−0,25) = 0,2438
VA = Δ1/Δ = 4/0,2438 = 16,41 V
VB = Δ2/Δ = 4,33/0,2438 = 17,76 V
Jawaban
VA = 16,41 V
5.Thévenin & Norton
Jawaban: Rth = 10,67 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 = 10·20/(10+20) = 6,667 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 6,667 + 4 = 10,67 Ω
6.Thévenin & Norton
Jawaban: IL = −4,498 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 = 8·25/(8+25) = 6,061 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 6,061 + 15 = 21,06 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) = 13,64 + (−6)·6,061 = −22,73 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = −22,73 + (−6)·15 = −112,7 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) = −112,7/(21,06 + 4) = −4,498 A
7.Transien RC & RL
Jawaban: i = 0,5218 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
τ = L/R = 150 mH / 47 Ω = 3,191 ms
Peluruhan arus
i(t) = 2,5·e−5/3,191 = 0,5218 A
Jawaban
i = 0,5218 A
8.Transien RC & RL
Jawaban: t = 37,09 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((6 − 24)/(13,2 − 24)) = 72,6·ln(1,667) = 37,09 ms
Jawaban
t = 37,09 ms
9.Impedansi AC & fasor
Jawaban: φ = −85,25 °
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/(1257·1·10⁻⁶) = 795,8 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|.
Frekuensi resonansi
f0 = 1/(2π·√(0,05·0,47·10⁻⁶)) = 1038 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| = √(4² + 3²) = 5 Ω
I = V/|Z| = 240/5 = 48 A
Daya nyata
P = I²·R = 48²·4 = 9216 W
Jawaban
P = 9216 W
12.Daya AC & faktor daya
Jawaban: C = 764,3 µF
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 = 25·tan(41,41°) = 22,05 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 25·tan(18,19°) = 8,217 kvar
QC = Q1 − Q2 = 13,83 kvar
Kapasitansi
Kapasitor yang dipasang pada sumber memasok Q = V²·ωC.
C = QC/(2πf·V²) = 13831/(2π·50·240²) = 764,3 µF
Jawaban
C = 764,3 µF
13.Daya tiga fasa
Jawaban: P = 134,5 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 = √3·690·150 = 179,3 kVA
Daya nyata
P = S·cos φ = 179,3·0,75 = 134,5 kW
Jawaban
P = 134,5 kW
14.Daya tiga fasa
Jawaban: QC = 21,25 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 0,8) = 80·0,75 = 60 kvar
Q2 = 80·tan(acos 0,9) = 80·0,4843 = 38,75 kvar
Daya reaktif dari kapasitor
QC = Q1 − Q2 = 21,25 kvar
Jawaban
QC = 21,25 kvar
15.Transformator
Jawaban: ILV = 652,2 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 = 150000/230 = 652,2 A
Jawaban
ILV = 652,2 A
16.Transformator
Jawaban: Ploss = 2000 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.