Belah ketupat adalah sumber arus yang dikendalikan tegangan, yang mendorong arus sebesar 0,4·VA (dalam A, dengan VA dalam V) ke atas masuk ke simpul B. Gunakan analisis simpul untuk mencari tegangan simpul VA (diukur terhadap ground).
Induktor mengalirkan arus tunak 2 A. Pada t = 0 sakelar menutup loop melalui R dan sumber dilepas, jadi arus induktor meluruh melalui R. Berapa lama waktu yang diperlukan agar arus turun ke 0,2 A? Cari t.
i(0) = 2 AR = 20 ΩL = 220 mH
t = ms
8.Transien RC & RLSulit
Tepat sebelum sakelar ditutup pada t = 0, kapasitor bertegangan 30 V dengan polaritas yang ditunjukkan. Berapa lama waktu yang diperlukan agar vC mencapai 24 V? Cari t.
Vs = 20 VR = 10 kΩC = 220 µFvC(0) = 30 V
t = ms
9.Impedansi AC & fasorSedang
Rangkaian RLC seri dihubungkan ke sumber 120 V (rms), 200 Hz. Cari arus rms I.
V = 120 V (rms)f = 200 HzR = 20 ΩL = 150 mHC = 2,2 µF
I = A
10.Impedansi AC & fasorSulit
Rangkaian RLC seri dihubungkan ke sumber 50 V (rms), 50 Hz. Cari tegangan rms VC pada kapasitor.
V = 50 V (rms)f = 50 HzR = 80 ΩL = 50 mHC = 4,7 µF
VC = V
11.Daya AC & faktor dayaSedang
Sebuah beban dengan impedansi Z = 12 + j5 Ω dihubungkan ke sumber satu fase 230 V (rms). Cari daya reaktif Q yang diserapnya.
V = 230 VZ = 12 + j5 Ω
Q = var
12.Daya AC & faktor dayaSulit
Sebuah transformator satu fase 75 kVA memasok beban 41 kW pada faktor daya 0,8 tertinggal. Berapa daya nyata tambahan ΔP yang dapat ditambahkan sebagai beban resistif (faktor daya satu) sebelum transformator mencapai rating kVA-nya?
Smax = 75 kVAP1 = 41 kWpf1 = 0,8
ΔP = kW
13.Daya tiga fasaSedang
Sebuah motor induksi tiga fasa menghasilkan daya keluaran mekanis 18,5 kW pada beban penuh. Pada beban ini efisiensinya 95% dan faktor dayanya 0,84 tertinggal. Sumbernya memiliki tegangan antarsaluran 480 V. Cari arus saluran IL.
Pout = 18,5 kWη = 95%cos φ = 0,84VL = 480 V
IL = A
14.Daya tiga fasaSulit
Beban tiga fasa seimbang menyerap 50 kW pada faktor daya 0,8 tertinggal dari sumber 690 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. Cari daya reaktif total QC yang harus disuplai bank kapasitor, dalam kvar.
P = 50 kWpf1 = 0,8pf2 = 0,95VL = 690 Vf = 50 Hz
QC = kvar
15.TransformatorSedang
Resistor 10 Ω dihubungkan pada kumparan sekunder transformator ideal dengan rasio lilitan N₁:N₂ = 2:1. Cari hambatan R1′ yang terlihat dari kumparan primer.
N1:N2 = 2:1RL = 10 Ω
R1′ = Ω
16.TransformatorSulit
Sebuah transformator satu fasa 75 kVA memiliki rugi inti 300 W. Pada beban pengenal dan faktor daya 0,85 tertinggal, efisiensinya 98%. Cari rugi tembaga beban penuh Pcu,fl dalam watt.
S = 75 kVAPcore = 300 Wpf = 0,85η = 98%
Pcu,fl = W
3Larutan
1.Resistor seri & paralel
Jawaban: IR1 = 2,531 A
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 = 2·25/(2+25) = 1,852 Ω
Req = R1 + 1,852 = 10 + 1,852 = 11,85 Ω
Arus dari sumber
Sumber hanya melihat Req, jadi hukum Ohm memberi arus yang dialirkannya. Arus itu mengalir melalui R₁.
IR1 = V1/Req = 30/11,85 = 2,531 A
Jawaban
IR1 = 2,531 A
2.Resistor seri & paralel
Jawaban: Req = 11,81 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 + 2 = 32 Ω
R4 ∥ 32 = 3,556 Ω
R3 + 3,556 = 18,56 Ω
R2 ∥ 18,56 = 1,805 Ω
Req = R1 + 1,805 = 10 + 1,805 = 11,81 Ω
Jawaban
Req = 11,81 Ω
3.Analisis simpul
Jawaban: IR1 = 2,239 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.
Tentukan simpul
Ground adalah kawat bawah. Tegangan simpul yang diketahui langsung berasal dari sumber (V1 = 10 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/10 + (VA − 10)/3 + (VA − VB)/5 = 0
0,6333·VA − 0,2·VB = 3,333
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/3 + (VB − VA)/5 = (−4)
−0,2·VA + 0,5333·VB = −4
Selesaikan
Δ = (0,6333)(0,5333) − (−0,2)(−0,2) = 0,2978
VA = Δ1/Δ = 0,9778/0,2978 = 3,284 V
VB = Δ2/Δ = −1,867/0,2978 = −6,269 V
Jawaban
IR1 = (V1 − VA)/R1 = (10 − 3,284)/3 = 2,239 A
4.Analisis simpul
Jawaban: VA = 4,544 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.
KCL di simpul A
Arus yang keluar dari A melalui resistor sama dengan arus yang didorong masuk ke A oleh sumber.
(VA − V1)/R1 + VA/R2 + (VA − VB)/R3 = 0
0,5·VA − 0,05·VB = 1,8
KCL di simpul B
Sumber tak bebas mendorong g·VA masuk ke simpul B. Perlakukan seperti sumber bebas, lalu pindahkan suku VA ke ruas kiri.
(VB − VA)/R3 + VB/R4 = 0,4·VA
−0,45·VA + 0,2167·VB = 0
Selesaikan
Δ = (0,5)(0,2167) − (−0,05)(−0,45) = 0,08583
VA = Δ1/Δ = 0,39/0,08583 = 4,544 V
VB = Δ2/Δ = 0,81/0,08583 = 9,437 V
Jawaban
VA = 4,544 V
5.Thévenin & Norton
Jawaban: Rth = 14,61 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 = 3·20/(3+20) = 2,609 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,609 + 12 = 14,61 Ω
6.Thévenin & Norton
Jawaban: PL = 28,68 W
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 + 6 = 7,714 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) = 6,857 + 3·1,714 = 12 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 12 + 3·6 = 30 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) = 30/(7,714 + 10) = 1,694 A
PL = IL²·RL = 1,694²·10 = 28,68 W
7.Transien RC & RL
Jawaban: t = 25,33 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.
Konstanta waktu
τ = L/R = 220 mH / 20 Ω = 11 ms
Selesaikan untuk waktu
0,2 = 2·e−t/τ → t = τ·ln(2/0,2)
t = 11·ln(10) = 25,33 ms
Jawaban
t = 25,33 ms
8.Transien RC & RL
Jawaban: t = 2016 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((30 − 20)/(24 − 20)) = 2200·ln(2,5) = 2016 ms
Jawaban
t = 2016 ms
9.Impedansi AC & fasor
Jawaban: I = 0,6882 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·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).
Arus yang sama mengalir melalui setiap elemen rangkaian seri.
I = V/|Z| = 120/174,4 = 0,6882 A
Jawaban
I = 0,6882 A
10.Impedansi AC & fasor
Jawaban: VC = 50,82 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|.
Reaktansi
ω = 2πf = 2π·50 = 314,2 rad/s
XL = ωL = 314,2·0,05 = 15,71 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(314,2·4,7·10⁻⁶) = 677,3 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| = 50/666,4 = 0,07503 A
Tegangan pada kapasitor
VC = I·XC = 0,07503·677,3 = 50,82 V
Jawaban
VC = 50,82 V
11.Daya AC & faktor daya
Jawaban: Q = 1565 var
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 + 5²) = 13 Ω
I = V/|Z| = 230/13 = 17,69 A
Daya reaktif
Q = I²·X = 17,69²·5 = 1565 var
Jawaban
Q = 1565 var
12.Daya AC & faktor daya
Jawaban: ΔP = 27,41 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 = 41·tan(arccos 0,8) = 30,75 kvar
Daya nyata total terbesar
Pada rating penuh S = Smax, dan Q tidak diubah oleh beban resistif.
P = √(Smax² − Q1²) = √(75² − 30,75²) = 68,41 kW
Daya nyata tambahan
ΔP = 68,41 − 41 = 27,41 kW
Jawaban
ΔP = 27,41 kW
13.Daya tiga fasa
Jawaban: IL = 27,88 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 = 18,5/0,95 = 19,47 kW
Arus saluran
IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 19474/(√3·480·0,84) = 27,88 A
Jawaban
IL = 27,88 A
14.Daya tiga fasa
Jawaban: QC = 21,07 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 = 50·tan(acos 0,8) = 50·0,75 = 37,5 kvar
Q2 = 50·tan(acos 0,95) = 50·0,3287 = 16,43 kvar
Daya reaktif dari kapasitor
QC = Q1 − Q2 = 21,07 kvar
Jawaban
QC = 21,07 kvar
15.Transformator
Jawaban: R1′ = 40 Ω
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 = 2²·10 = 40 Ω
Jawaban
R1′ = 40 Ω
16.Transformator
Jawaban: Pcu,fl = 1001 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.