Di jendela cetak, pilih “Simpan sebagai PDF” untuk menyimpan salinan di perangkat Anda.
1Rumus dan metode
Resistor seri & paralel
Resistor seri
Req = R1 + R2 + …
Resistor paralel
1/Req = 1/R1 + 1/R2 + …
Dua resistor paralel
Req = R1R2 / (R1 + R2)
Hukum Ohm
V = I·R
Daya
P = V·I = I²R = V²/R
Metode
Mulailah dari ujung jaringan yang paling jauh dari terminal.
Gabungkan resistor seri dengan menjumlahkannya, dan resistor paralel dengan 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …
Gambar ulang rangkaian setelah setiap langkah.
Ulangi sampai tersisa satu resistor di antara terminal.
Analisis simpul
Hukum arus Kirchhoff
ΣIin = ΣIout
Arus cabang
I = (Va − Vb)/R
Simpul referensi
Vground = 0
Metode
Pilih simpul referensi (ground) dan beri label tegangan simpul lainnya.
Tulis hukum arus Kirchhoff di setiap simpul yang tidak diketahui: arus yang keluar melalui setiap cabang sama dengan arus yang masuk.
Nyatakan setiap arus cabang sebagai (Va − Vb)/R.
Selesaikan sistem persamaannya, lalu cari arus yang Anda perlukan.
Analisis mesh
Hukum tegangan Kirchhoff
ΣV = 0 di setiap loop
Resistor bersama
arus = I1 − I2
Sumber arus dalam mesh
menetapkan arus mesh tersebut
Metode
Gambar arus searah jarum jam di setiap mesh (jendela) rangkaian.
Terapkan hukum tegangan Kirchhoff di sekeliling setiap mesh: jumlah tegangan jatuh sama dengan nol.
Pada resistor yang dipakai bersama oleh dua mesh, arusnya adalah selisih kedua arus mesh.
Selesaikan persamaannya; hasil negatif berarti arus mengalir ke arah sebaliknya.
Superposisi
Superposisi
x = x1 + x2 + … (one source at a time)
Sumber tegangan dimatikan
hubung singkat (0 V)
Sumber arus dimatikan
rangkaian terbuka (0 A)
Pembagi tegangan
V2 = V·R2/(R1 + R2)
Pembagi arus
I1 = I·R2/(R1 + R2)
Metode
Hitung jumlah sumber independen. Anda akan menyelesaikan satu rangkaian yang lebih sederhana untuk setiap sumber.
Pertahankan satu sumber dan matikan yang lain: sumber tegangan menjadi hubung singkat (kawat), sumber arus menjadi rangkaian terbuka (celah).
Selesaikan rangkaian yang lebih sederhana untuk tegangan atau arus yang Anda perlukan, dengan memperhatikan arahnya.
Ulangi untuk setiap sumber, lalu jumlahkan kontribusinya beserta tandanya.
Thévenin & Norton
Tegangan Thévenin
Vth = Vopen circuit
Resistansi Thévenin
Rth: semua sumber dimatikan, dilihat dari a–b
Arus Norton
IN = Vth/Rth
Arus beban
IL = Vth/(Rth + RL)
Transfer daya maksimum
RL = Rth, Pmax = Vth²/(4Rth)
Metode
Lepaskan beban dan tandai kedua terminal a dan b.
Cari tegangan rangkaian terbuka antara a dan b: inilah Vth.
Matikan semua sumber independen dan cari hambatan yang terlihat dari a–b: inilah Rth.
Pasang kembali beban pada rangkaian ekuivalen: Vth seri dengan Rth.
Untuk ekuivalen Norton, konversikan: IN = Vth/Rth, dengan RN = Rth secara paralel.
Transien RC & RL
Konstanta waktu
τ = RC | τ = L/R
Respons
x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ
Kapasitor pada DC
rangkaian terbuka; vC tidak dapat melompat
Induktor pada DC
hubung singkat; iL tidak dapat melompat
Keadaan tunak
t ≈ 5τ
Metode
Cari nilai awal sesaat setelah sakelar berpindah: tegangan kapasitor dan arus induktor tidak dapat melompat.
Cari nilai akhir lama setelah sakelar berpindah: kapasitor berperilaku sebagai rangkaian terbuka, induktor sebagai hubung singkat.
Cari konstanta waktu: τ = RC atau τ = L/R, dengan hambatan yang terlihat oleh kapasitor atau induktor.
Gunakan x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ.
Impedansi AC & fasor
Impedansi
ZR = R, ZL = jωL, ZC = 1/(jωC)
Frekuensi sudut
ω = 2πf
Besar dan sudut
|Z| = √(R² + X²), φ = atan(X/R)
Hukum Ohm dalam fasor
V = I·Z
Metode
Ubah frekuensinya: ω = 2πf.
Cari setiap reaktansi: XL = ωL dan XC = 1/(ωC).
Jumlahkan impedansi seperti resistor, dengan Z = R + jX.
Cari besar |Z| = √(R² + X²) dan sudut φ = atan(X/R), lalu gunakan hukum Ohm dengan fasor.
Daya AC & faktor daya
Daya nyata
P = V·I·cos φ
Daya reaktif
Q = V·I·sin φ
Daya semu
S = V·I = √(P² + Q²)
Faktor daya
pf = cos φ = P/S
Kapasitor kompensasi
QC = P(tan φ1 − tan φ2), C = QC/(ωV²)
Daya tiga fasa
Hubungan Y
VL = √3·Vph, IL = Iph
Hubungan Δ
VL = Vph, IL = √3·Iph
Daya nyata total
P = √3·VL·IL·cos φ = 3·Iph²·R
Daya semu dan daya reaktif
S = √3·VL·IL, Q = P·tan φ
Kapasitor perbaikan faktor daya
QC = P(tan φ1 − tan φ2), C = QC/(3ωV²)
Tegangan pada setiap kapasitor
Δ: VL Y: VL/√3
Daya masukan motor
Pin = Pout/η
Transformator
Rasio lilitan
a = N1/N2 = V1/V2
Rasio arus
I1/I2 = N2/N1 = 1/a
Arus pengenal
I = S/V
Impedansi yang dirujuk
Z1′ = a²·ZL
Rugi tembaga pada beban parsial
Pcu = x²·Pcu,fl
Efisiensi
η = x·S·pf/(x·S·pf + Pcore + x²·Pcu,fl)
Efisiensi maksimum
x = √(Pcore/Pcu,fl)
Rangkaian op-amp
Penguat pembalik
Vout = −(Rf/Rin)·Vin
Penguat tak membalik
Vout = (1 + Rf/R1)·Vin
Penguat penjumlah
Vout = −Rf(V1/R1 + V2/R2)
Op-amp ideal
V+ = V−, Iin = 0
Dioda & transistor
Dioda (tegangan jatuh konstan)
VD = 0,7 V when conducting
Daerah aktif
VBE = 0,7 V, IC = β·IB, IE = (β + 1)·IB
Bias tetap
IB = (VCC − 0,7)/RB
Bias pembagi tegangan
IB = (VTH − 0,7)/(RTH + (β + 1)RE)
Thévenin dari pembagi tegangan
VTH = VCC·R2/(R1 + R2), RTH = R1∥R2
Loop kolektor
VCE = VCC − ICRC − IERE
Saturasi
IC(sat) = (VCC − VCE(sat))/RC, IB ≥ IC(sat)/β
Sistem bilangan
Nilai tempat
biner 2k, oktal 8k, heksadesimal 16k
Ke desimal
Σ dk·bk
Dari desimal
bagi dengan basis, baca sisanya dari bawah ke atas
Heksadesimal ↔ biner
satu digit heksadesimal = 4 bit
Komplemen dua
balik bitnya lalu tambahkan 1
Logika digital: gerbang, peta-K & flip-flop
Gerbang dasar
A·B, A + B, A′, (A·B)′, (A + B)′, A ⊕ B
Aturan Boolean
X + X′ = 1, X·X′ = 0, X + XY = X, XY + XY′ = X
De Morgan
(X·Y)′ = X′ + Y′, (X + Y)′ = X′·Y′
Urutan peta Karnaugh
00, 01, 11, 10 (Gray code)
Kelompok 2ᵏ sel
kehilangan k variabel
Multiplekser 4-ke-1
F = A′B′I0 + A′BI1 + AB′I2 + ABI3
Flip-flop
D: Q⁺ = D, T: Q⁺ = T ⊕ Q, JK: Q⁺ = JQ′ + K′Q
Pencacah
n bit: 2ⁿ keadaan; mod-N: n terkecil dengan 2ⁿ ≥ N; fout = fclk/N
Pencacah ripple
fmax = 1/(n·tpd)
Pencacah cincin dan Johnson
n dan 2n keadaan
Metode
Untuk rangkaian, bekerjalah dari masukan ke keluaran satu gerbang demi satu gerbang dan tulis nilai pada setiap kawat, atau tulis ekspresinya dan isi tabel kebenaran.
Untuk penyederhanaan, taruh angka 1 (dan don’t-care sebagai X) ke dalam peta Karnaugh dengan baris dan kolom kode Gray: 00, 01, 11, 10.
Cakup angka 1 dengan kelompok sesedikit dan sebesar mungkin yang berisi 1, 2, 4, 8, atau 16 sel, melingkar melewati tepi; setiap kelompok adalah satu suku hasil kali yang tersusun dari variabel yang tetap konstan. Kelompokkan angka 0 untuk bentuk POS.
Untuk flip-flop dan pencacah, baca masukan pada setiap tepi clock aktif, tulis keadaan setelah setiap tepi, dan ingat bahwa pencacah n bit berputar kembali setelah 2ⁿ keadaan.
Kestabilan: Routh–Hurwitz & tempat kedudukan akar
Kestabilan
semua akar polinomial karakteristik berada di setengah bidang kiri
tabel Routh, entri s¹ dari polinomial kubik
b1 = (a2a1 − a3a0)/a2
Akar di setengah bidang kanan
jumlah perubahan tanda pada kolom pertama
Polinomial kubik s³ + a₂s² + a₁s + a₀
stabil bila semua a > 0 dan a₂·a₁ > a₀
K/(s(s + a)(s + b))
Kmax = ab(a + b), ω = √(ab)
Persamaan karakteristik
1 + K·G(s) = 0
Asimtot
σa = (Σp − Σz)/(n − m), θ = (2q + 1)·180°/(n − m)
Titik pencar dan titik temu
dK/ds = 0
Syarat besar
K = 1/|G(s)|
Sudut keberangkatan
θd = 180° − Σ∠(from other poles) + Σ∠(from zeros)
Metode
Tulis polinomial karakteristik loop tertutup: penyebut dari 1 + K·G(s) = 0, setelah dijabarkan.
Masukkan koefisien secara bergantian ke dua baris pertama tabel Routh lalu susun baris-baris sisanya.
Hitung perubahan tanda pada kolom pertama: masing-masing adalah satu kutub di setengah bidang kanan. Dengan K dalam tabel, syaratkan bahwa setiap entri kolom pertama tetap positif.
Untuk tempat kedudukan akar, tandai kutub dan nol, segmen sumbu real, asimtot dari titik berat, dan titik pisah di tempat dK/ds = 0. Gunakan K = 1/|G(s)| untuk penguatan di suatu titik.
Galat keadaan tunak & kendali PID
Tipe sistem
jumlah kutub G(s) di s = 0
Konstanta galat
Kp = lim G(s), Kv = lim s·G(s), Ka = lim s²·G(s) (s → 0)
Undak A
ess = A/(1 + Kp)
Ramp A·t
ess = A/Kv
Parabola A·t²/2
ess = A/Ka
Pengendali PID
C(s) = Kp + Ki/s + Kd·s
Target orde dua
s² + 2ζωns + ωn²
Lewatan dan waktu
%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), tp = π/ωd, ts ≈ 4/(ζωn)
Metode
Hitung kutub loop terbuka C(s)·G(s) di s = 0: itulah tipe sistem.
Hitung konstanta galat yang sesuai dengan masukan: Kp untuk undak, Kv untuk ramp, Ka untuk parabola.
Terapkan ess = A/(1 + Kp), A/Kv, atau A/Ka, atau selesaikan untuk penguatan yang Anda perlukan.
Untuk spesifikasi redaman atau kecepatan, tulis polinomial karakteristik loop tertutup dan samakan dengan s² + 2ζω_n·s + ω_n².
2Soal latihan
1.Resistor seri & paralelSedang
Cari resistansi ekuivalen Req yang dilihat sumber V1.
V1 = 9 VR1 = 20 ΩR2 = 10 ΩR3 = 3 ΩR4 = 4 Ω
Req = Ω
2.Resistor seri & paralelSulit
Cari resistansi ekuivalen Req yang dilihat sumber V1.
Cari tegangan Thévenin Vth dilihat dari terminal a–b.
V1 = 24 VR1 = 8 ΩR2 = 5 ΩR3 = 4 Ω
Vth = V
10.Thévenin & NortonSulit
Cari tegangan Thévenin Vth dilihat dari terminal a–b.
V1 = 12 VIs = 1,5 AR1 = 30 ΩR2 = 8 ΩR3 = 2 Ω
Vth = V
11.Transien RC & RLSedang
Induktor tidak dialiri arus sebelum sakelar ditutup pada t = 0. Berapa lama setelah sakelar ditutup arus mencapai 95% dari nilai akhirnya? Cari t.
Vs = 15 VR = 15 ΩL = 100 mH
t = ms
12.Transien RC & RLSulit
Sakelar telah tertutup sejak lama, jadi rangkaian dalam keadaan tunak. Pada t = 0 sakelar membuka. Cari tegangan kapasitor vC pada t = 100 ms.
Vs = 6 VR1 = 3,3 kΩR2 = 1 kΩC = 68 µFt = 100 ms
vC = V
13.Impedansi AC & fasorSedang
Sebuah rangkaian RLC seri dengan C = 0,22 µF harus beresonansi pada 50 Hz. Cari induktansi L yang diperlukan.
f0 = 50 HzC = 0,22 µF
L = mH
14.Impedansi AC & fasorSulit
Sebuah rangkaian RLC seri memiliki R = 20 Ω, L = 200 mH, dan C = 2,2 µF. Cari faktor kualitasnya Q pada resonansi.
R = 20 ΩL = 200 mHC = 2,2 µF
Q =
15.Daya AC & faktor dayaSedang
Sebuah beban induktif mengambil 9 A dan 648 W dari sumber satu fase 120 V (rms). Modelkan sebagai resistansi R yang seri dengan reaktansi X. Cari X.
V = 120 VI = 9 AP = 648 W
X = Ω
16.Daya AC & faktor dayaSulit
Sebuah beban satu fase mengambil 9 kW pada faktor daya 0,6 tertinggal dari sumber 230 V, 50 Hz. Kapasitor 220 µF dihubungkan paralel dengan beban. Cari faktor daya baru cos φ yang dilihat sumber.
P = 9 kWpf1 = 0,6V = 230 Vf = 50 HzC = 220 µF
cos φ =
17.Daya tiga fasaSedang
Beban tiga fasa seimbang menarik arus saluran 60 A dari sumber dengan tegangan antarsaluran 400 V. Faktor dayanya 0,85 tertinggal. Cari daya nyata total P yang diserap beban dalam kW.
VL = 400 VIL = 60 Acos φ = 0,85
P = kW
18.Daya tiga fasaSulit
Beban tiga fasa seimbang menyerap 150 kW pada faktor daya 0,65 tertinggal dari sumber 415 V (antarsaluran), 50 Hz. Bank kapasitor tiga fasa yang diparalel dengan beban harus menaikkan faktor daya keseluruhan menjadi 0,98 tertinggal. Daya nyatanya tetap sama. Cari daya reaktif total QC yang harus disuplai bank kapasitor, dalam kvar.
P = 150 kWpf1 = 0,65pf2 = 0,98VL = 415 Vf = 50 Hz
QC = kvar
19.TransformatorSedang
Sebuah penguat dengan hambatan keluaran 1440 Ω menggerakkan pengeras suara 10 Ω melalui transformator ideal. Untuk transfer daya maksimum, pengeras suara harus terlihat sebagai 1440 Ω dari penguat. Cari rasio lilitan a = N₁/N₂.
Rs = 1440 ΩRL = 10 Ω
a =
20.TransformatorSulit
Sebuah transformator satu fasa 200 kVA memiliki rugi inti 600 W. Pada beban pengenal dan faktor daya 0,95 tertinggal, efisiensinya 99%. Cari rugi tembaga beban penuh Pcu,fl dalam watt.
S = 200 kVAPcore = 600 Wpf = 0,95η = 99%
Pcu,fl = W
21.Rangkaian op-ampSedang
Op-amp ideal dan dicatu ±15 V. Cari tegangan keluaran Vout.
Sebuah transistor NPN dengan β = 50 dibias oleh resistor basis RB = 220 kΩ dari sumber VCC = 15 V. Resistor kolektornya RC = 1,5 kΩ dan emitornya dihubungkan ke ground. Ambil VBE = 0,7 V dan asumsikan transistor berada di daerah aktif. Cari arus kolektor IC dalam mA.
VCC = 15 VRB = 220 kΩRC = 1,5 kΩβ = 50VBE = 0,7 V
IC = mA
24.Dioda & transistorSulit
Regulator Zener 3,3 V harus mencatu hingga 10 mA ke beban. Masukan dapat turun hingga 20 V, dan Zener memerlukan minimal 1 mA agar meregulasi. Cari resistansi seri terbesar Rmax yang menjaganya tetap meregulasi.
Pakai peta Karnaugh untuk mencari bentuk jumlah dari hasil kali (SOP) minimal dari F(A, B, C) = Σm(0, 2, 4, 5). Berapa suku hasil kali N yang dimilikinya?
Clock 2 kHz menggerakkan pencacah mod-100. Carilah frekuensi fout dari keluaran paling signifikannya, yang menyelesaikan satu siklus per siklus pencacahan.
fclk = 2 kHzN = 100
fout = kHz
29.Transformasi LaplaceSedang
Tentukan f(t) untuk F(s) = 15/(s(s + 5)(s + 6)) dengan pecahan parsial, lalu hitung f(0,2).
F(s) = 15/(s(s + 5)(s + 6))t = 0,2 s
f(0.2) =
30.Transformasi LaplaceSulit
Sebuah sistem memenuhi y″ + 11y′ + 30y = 90·u(t), dengan y(0) = 6 dan y′(0) = 0. Pada t = 0 diberikan masukan langkah u(t) = 2. Gunakan transformasi Laplace untuk mencari y(0,2).
Plant G(s) = 10/(s + 1) memiliki loop umpan balik negatif dalam (minor) dengan penguatan H₁ = 1. Penguatan pengendali K = 2 dan loop umpan balik negatif satuan luar menutup sistem. Tentukan penguatan DC loop tertutup T(0).
G(s) = 10/(s + 1)H₁ = 1K = 2
T(0) =
32.Diagram blokSulit
Pengendali proporsional K = 29 menggerakkan plant G(s) = 6/(s + 8) dalam loop umpan balik negatif satuan. Sebuah gangguan D masuk di masukan plant (ditambahkan ke keluaran pengendali). Masukan langkah referensi berukuran 5 dan gangguan langkah berukuran 2 diberikan bersamaan. Tentukan keluaran keadaan tunak css.
K = 29G(s) = 6/(s + 8)D = 2R = 5
css =
33.Respons langkahSedang
Sebuah sistem memiliki fungsi alih G(s) = 6,5/(s² + 5s + 13) dan menerima masukan langkah satuan. Tentukan persen overshoot %OS dari respons langkah.
G(s) = 6,5/(s² + 5s + 13)
%OS = %
34.Respons langkahSulit
Respons langkah sebuah sistem orde dua tanpa nol menunjukkan overshoot 10 %, dan puncak pertama terjadi pada t = 0,2 s. Tentukan frekuensi alami ωn.
%OS = 10 %tp = 0,2 s
ωn = rad/s
35.Plot Bode dan marginSedang
Filter lolos rendah RL yang ditunjukkan memiliki R = 47 Ω, L = 2,2 mH. Masukan sinusoidal 1,7 kHz diberikan. Cari pergeseran fasa φ dari vout relatif terhadap vin, dalam derajat.
R = 47 ΩL = 2,2 mHf = 1,7 kHz
φ = °
36.Plot Bode dan marginSulit
Lingkar umpan balik satuan memiliki fungsi alih lingkar terbuka L(s) = K/(s(s + 9)(s + 10)). Cari penguatan K yang memberi margin penguatan 12 dB.
L(s) = K/(s(s + 9)(s + 10))GM = 12 dB
K =
37.Kestabilan: Routh–Hurwitz & tempat kedudukan akarSedang
Plant G(s) = (s + 8)/((s − 3)(s + 2)) memiliki kutub tidak stabil di s = 3. Penguatan proporsional K menutup loop umpan balik satuan di sekelilingnya. Cari penguatan terkecil Kmin yang membuat loop tertutup stabil.
G(s) = (s + 8)/((s − 3)(s + 2))
Kmin =
38.Kestabilan: Routh–Hurwitz & tempat kedudukan akarSulit
Untuk L(s) = K/((s + 2)(s² + 6s + 25)), cari sudut keberangkatan θd tempat kedudukan akar dari kutub kompleks di setengah bidang atas, diukur dari sumbu real positif.
L(s) = K/((s + 2)(s² + 6s + 25))
θd = °
39.Galat keadaan tunak & kendali PIDSedang
Suatu loop umpan balik satuan memiliki G(s) = K/((s + 2)(s + 4)). Cari penguatan K yang memberikan galat keadaan tunak 25 % untuk masukan undak.
G(s) = K/((s + 2)(s + 4))ess = 25 %
K =
40.Galat keadaan tunak & kendali PIDSulit
Pengendali PI C(s) = Kp + Ki/s mengendalikan plant G(s) = 5/(s + 4) dalam loop umpan balik satuan. Loop tertutup harus memiliki ωₙ = 6 rad/s dan ζ = 0,6. Cari penguatan proporsional Kp.
G(s) = 5/(s + 4)ωₙ = 6 rad/sζ = 0,6
Kp =
3Larutan
1.Resistor seri & paralel
Jawaban: Req = 24,12 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 = 3 + 4 = 7 Ω
R2 ∥ 7 = 10·7/(10+7) = 4,118 Ω
Req = R1 + 4,118 = 20 + 4,118 = 24,12 Ω
Jawaban
Req = 24,12 Ω
2.Resistor seri & paralel
Jawaban: Req = 37,46 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 = 15 + 8 = 23 Ω
R4 ∥ 23 = 7,886 Ω
R3 + 7,886 = 11,89 Ω
R2 ∥ 11,89 = 7,455 Ω
Req = R1 + 7,455 = 30 + 7,455 = 37,46 Ω
Jawaban
Req = 37,46 Ω
3.Analisis simpul
Jawaban: IR3 = −0,5152 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 = 6 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/20 + (VA − 6)/20 + (VA − VB)/15 = 0
0,1667·VA − 0,06667·VB = 0,3
KCL di simpul B
Arus yang keluar dari B melalui resistor sama dengan arus yang dimasukkan sumber ke B.
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 = 15 V, V2 = 24 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/15 + (VA − 15)/2 + (VA − VB)/10 = 0
0,6667·VA − 0,1·VB = 7,5
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/3 + (VB − VA)/10 + (VB − 24)/3 = 2
−0,1·VA + 0,7667·VB = 10
Selesaikan
Δ = (0,6667)(0,7667) − (−0,1)(−0,1) = 0,5011
VA = Δ1/Δ = 6,75/0,5011 = 13,47 V
VB = Δ2/Δ = 7,417/0,5011 = 14,8 V
Jawaban
VA = 13,47 V
5.Analisis mesh
Jawaban: VR3 = 13,8 V
Analisis mesh: beri setiap jendela rangkaian planar arus loop sendiri, tulis hukum tegangan Kirchhoff di setiap loop (jumlah jatuh = jumlah kenaikan), lalu selesaikan. Arus cabang adalah arus mesh, atau selisih dua arus mesh pada cabang bersama.
Tetapkan arus mesh
Gambar arus searah jarum jam di setiap jendela: I1, I2. Resistor yang dipakai bersama dua mesh membawa selisih arus keduanya.
KVL di sekitar mesh 1
Searah jarum jam, jatuh tegangan pada resistor sama dengan kenaikan tegangan sumber (dari − ke + searah lintasan).
R1·I1 + R3(I1 − I2) = V1
10·I1 + 15(I1 − I2) = 6
25·I1 − 15·I2 = 6
KVL di sekitar mesh 2
Searah jarum jam, jatuh tegangan pada resistor sama dengan kenaikan tegangan sumber (dari − ke + searah lintasan).
R2·I2 + R3(I2 − I1) = −V2
6·I2 + 15(I2 − I1) = (−24)
−15·I1 + 21·I2 = −24
Selesaikan
Δ = (25)(21) − (−15)(−15) = 300
I1 = Δ1/Δ = −234/300 = −0,78 A
I2 = Δ2/Δ = −510/300 = −1,7 A
Jawaban
IR3 = I1 − I2 = 0,92 A
VR3 = IR3·R3 = 0,92·15 = 13,8 V
Arus mesh negatif mengalir berlawanan arah jarum jam.
6.Analisis mesh
Jawaban: I1 = 1,188 A
Analisis mesh: beri setiap jendela rangkaian planar arus loop sendiri, tulis hukum tegangan Kirchhoff di setiap loop (jumlah jatuh = jumlah kenaikan), lalu selesaikan. Arus cabang adalah arus mesh, atau selisih dua arus mesh pada cabang bersama.
Tetapkan arus mesh
Gambar arus searah jarum jam di setiap jendela: I1, I2, I3. Resistor yang dipakai bersama dua mesh membawa selisih arus keduanya.
KVL di sekitar mesh 1
Searah jarum jam, jatuh tegangan pada resistor sama dengan kenaikan tegangan sumber (dari − ke + searah lintasan).
R1·I1 + R4(I1 − I2) = V1
15·I1 + 4(I1 − I2) = 24
19·I1 − 4·I2 = 24
KVL di sekitar mesh 2
Searah jarum jam, jatuh tegangan pada resistor sama dengan kenaikan tegangan sumber (dari − ke + searah lintasan).
R2·I2 + R4(I2 − I1) + R5(I2 − I3) = 0
15·I2 + 4(I2 − I1) + 30(I2 − I3) = 0
−4·I1 + 49·I2 − 30·I3 = 0
KVL di sekitar mesh 3
Searah jarum jam, jatuh tegangan pada resistor sama dengan kenaikan tegangan sumber (dari − ke + searah lintasan).
R3·I3 + R5(I3 − I2) = −V2
25·I3 + 30(I3 − I2) = (−30)
−30·I2 + 55·I3 = −30
Selesaikan
Δ = determinan matriks koefisien = 33225
I1 = Δ1/Δ = 39480/33225 = 1,188 A
I2 = Δ2/Δ = −11820/33225 = −0,3558 A
I3 = Δ3/Δ = −24570/33225 = −0,7395 A
Jawaban
I1 = 1,188 A
Arus mesh negatif mengalir berlawanan arah jarum jam.
7.Superposisi
Jawaban: PR4 = 10,43 W
Superposisi: dalam rangkaian linear, setiap tegangan atau arus adalah jumlah respons terhadap masing-masing sumber independen yang bekerja sendiri. Untuk mematikan sumber, ganti sumber tegangan ideal dengan hubung singkat dan sumber arus ideal dengan rangkaian terbuka. Resistor tetap di tempatnya.
Kasus 1 · hanya V1
Iₛ menjadi rangkaian terbuka, jadi R₃ dan R₄ membentuk satu cabang seri dari A ke ground, paralel dengan R₂.
R3+R4 = 2+5 = 7 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 4·7/(4+7) = 2,545 Ω
VA = 10·2,545/(4+2,545) = 3,889 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 3,889·5/7 = 2,778 V
IR4′ = (VB − 0)/R4 = (2,778 − 0)/5 = 0,5556 A
Kasus 2 · hanya Is
V₁ menjadi hubung singkat, jadi R₁ paralel dengan R₂. Iₛ terbagi di B antara R₄ dan jalur melalui R₃.
R1 ∥ R2 = 4·4/(4+4) = 2 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 5 ∥ 4 = 2,222 Ω
VB = Is·Req = 2·2,222 = 4,444 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 4,444·2/4 = 2,222 V
IR4″ = (VB − 0)/R4 = (4,444 − 0)/5 = 0,8889 A
Jumlahkan kontribusi arus
IR4 = IR4′ + IR4″ = 0,5556 + 0,8889 = 1,444 A
Daya pada resistor
Daya bergantung pada kuadrat arus, jadi tidak mengikuti superposisi: jumlahkan dulu arusnya, lalu kuadratkan.
PR4 = IR4²·R4 = 1,444²·5 = 10,43 W
Jawaban
PR4 = 10,43 W
Menjumlahkan daya dari kasus-kasus terpisah akan memberi 5,494 W, dan itu salah.
8.Superposisi
Jawaban: V2 = 10 V
Superposisi: dalam rangkaian linear, setiap tegangan atau arus adalah jumlah respons terhadap masing-masing sumber independen yang bekerja sendiri. Untuk mematikan sumber, ganti sumber tegangan ideal dengan hubung singkat dan sumber arus ideal dengan rangkaian terbuka. Resistor tetap di tempatnya.
Kasus 1 · V1 bekerja sendiri
V₂ menjadi hubung singkat dan Iₛ rangkaian terbuka. Dilihat dari A, R₃ paralel dengan pasangan seri R₂+R₄.
R3 ∥ (R2+R4) = 20 ∥ 16 = 8,889 Ω
VA = 5·8,889/(4+8,889) = 3,448 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 3,448·10/16 = 2,155 V
Kasus 2 · Is bekerja sendiri
Kedua sumber tegangan menjadi hubung singkat. Iₛ terbagi di B antara R₄ (kini ke ground) dan R₂ yang seri dengan R₁ ∥ R₃. Panah Iₛ mengarah ke bawah, menjauhi simpulnya, jadi Iₛ menarik arus keluar dari simpul itu: sukunya masuk dengan tanda minus.
R1 ∥ R3 = 3,333 Ω, jadi jalur kiri adalah R2+3,333 = 9,333 Ω
Req = R4 ∥ 9,333 = 4,828 Ω
VB = −Is·Req = −3·4,828 = −14,48 V
VA = VB·3,333/9,333 = −5,172 V
Kasus 3 · V2 bekerja sendiri, per volt
V₁ menjadi hubung singkat dan Iₛ rangkaian terbuka. R₁ ∥ R₃ tergantung dari A, seri dengan R₂ kembali ke B.
R1 ∥ R3 = 3,333 Ω
VA‴ = V2·3,333/(10 + 6 + 3,333) = 0,1724·V2
Samakan VA dengan nol
Dengan VA = 0 tidak ada tegangan pada R₃, jadi arusnya nol.
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 = 8·5/(8+5) = 3,077 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3,077 + 4 = 7,077 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) = 24·5/(8+5) = 9,231 V
10.Thévenin & Norton
Jawaban: Vth = 15 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 = 30·8/(30+8) = 6,316 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 6,316 + 2 = 8,316 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) = 2,526 + 1,5·6,316 = 12 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 12 + 1,5·2 = 15 V
11.Transien RC & RL
Jawaban: t = 19,97 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 dan arus akhir
Lama setelah sakelar ditutup, induktor berperilaku seperti hubung singkat, jadi arus akhir hanya ditentukan oleh R.
τ = L/R = 100 mH / 15 Ω = 6,667 ms
i(∞) = Vs/R = 15/15 = 1 A
Selesaikan untuk waktu
0,95 = 1 − e−t/τ → t = −τ·ln(1 − 0,95)
t = −6,667·ln(0,05) = 19,97 ms
Jawaban
t = 19,97 ms
12.Transien RC & RL
Jawaban: vC = 0,3206 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.
Tegangan awal kapasitor
Dalam keadaan tunak kapasitor adalah rangkaian terbuka, jadi R₁ dan R₂ membentuk pembagi tegangan. Tegangan kapasitor tidak dapat melompat saat sakelar membuka.
vC(0) = 6·1/(3,3 + 1) = 1,395 V
Konstanta waktu setelah sakelar membuka
τ = R2·C = 1·68 = 68 ms
Pengosongan
vC(t) = 1,395·e−100/68 = 0,3206 V
Jawaban
vC = 0,3206 V
13.Impedansi AC & fasor
Jawaban: L = 46055 mH
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|.
Syarat resonansi
Pada resonansi reaktansi induktif dan kapasitif saling meniadakan: ωL = 1/(ωC).
ω₀ = 2π·50 = 314,2 rad/s
L = 1/(ω₀²·C) = 1/(314,2²·0,22·10⁻⁶) = 46055 mH
Jawaban
L = 46055 mH
14.Impedansi AC & fasor
Jawaban: Q = 15,08
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·√(0,2·2,2·10⁻⁶)) = 239,9 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.
Resistansi dari daya nyata
R = P/I² = 648/9² = 8 Ω
Reaktansi dari impedansi
|Z| = V/I = 120/9 = 13,33 Ω
X = √(|Z|² − R²) = √(13,33² − 8²) = 10,67 Ω
Jawaban
X = 10,67 Ω
16.Daya AC & faktor daya
Jawaban: cos φ = 0,7333
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 = 9·tan(arccos 0,6) = 12 kvar
QC = V²·2πf·C = 230²·2π·50·220·10⁻⁶ = 3656 var = 3,656 kvar
Q2 = 12 − 3,656 = 8,344 kvar
Daya semu baru
S2 = √(9² + 8,344²) = 12,27 kVA
Faktor daya baru
cos φ = P/S2 = 9/12,27 = 0,7333
Jawaban
cos φ = 0,7333
17.Daya tiga fasa
Jawaban: P = 35,33 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 = √3·400·60 = 41,57 kVA
Daya nyata
P = S·cos φ = 41,57·0,85 = 35,33 kW
Jawaban
P = 35,33 kW
18.Daya tiga fasa
Jawaban: QC = 144,9 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 = 150·tan(acos 0,65) = 150·1,169 = 175,4 kvar
Q2 = 150·tan(acos 0,98) = 150·0,2031 = 30,46 kvar
Daya reaktif dari kapasitor
QC = Q1 − Q2 = 144,9 kvar
Jawaban
QC = 144,9 kvar
19.Transformator
Jawaban: a = 12
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.
Sesuaikan beban yang dirujuk
a²·10 = 1440
a = √(1440/10) = √144 = 12
Jawaban
a = 12
20.Transformator
Jawaban: Pcu,fl = 1319 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.
Daya keluaran dan masukan
Pout = 200·0,95 = 190 kW
Pin = 190000/0,99 = 191919 W
Rugi total dan rugi tembaga
Ploss = 191919 − 190000 = 1919 W
Pcu,fl = 1919 − 600 = 1319 W
Jawaban
Pcu,fl = 1319 W
21.Rangkaian op-amp
Jawaban: Vout = −7,563 V
Aturan op-amp ideal: dengan umpan balik negatif, op-amp mengatur keluarannya sehingga kedua masukan berada pada tegangan yang sama (V₋ = V₊), dan tidak ada arus yang masuk ke masukan mana pun. Menulis KCL di masukan pembalik dengan dua fakta ini memberi keluarannya.
Aturan op-amp ideal: dengan umpan balik negatif, op-amp mengatur keluarannya sehingga kedua masukan berada pada tegangan yang sama (V₋ = V₊), dan tidak ada arus yang masuk ke masukan mana pun. Menulis KCL di masukan pembalik dengan dua fakta ini memberi keluarannya.
Arus masukan
V₋ = 0, jadi setiap resistor masukan menanggung seluruh tegangan masukannya.
I1 = V1/R1 = 1,3/4,7 = 0,2766 mA
I2 = V2/R2 = 1,2/22 = 0,05455 mA
If = I1 + I2 = 0,3311 mA
Tegangan keluaran
Vout = −Rf·If = −4,7·0,3311 = −1,556 V
Jawaban
Vout = −1,556 V
23.Dioda & transistor
Jawaban: IC = 3,25 mA
Titik kerja BJT: di daerah aktif VBE = 0,7 V, IC = β·IB dan IE = (β + 1)·IB. Cari IB dari loop basis dengan KVL, lalu IC, lalu VCE dari loop kolektor–emitor. Pembagi tegangan di basis diganti dengan ekivalen Théveninnya VTH = VCC·R₂/(R₁ + R₂), RTH = R₁∥R₂; resistor emitor tampak (β + 1) kali lebih besar di loop basis.
Arus basis
IB = (VCC − VBE)/RB = (15 − 0,7)/220 kΩ = 65 µA
Arus kolektor
IC = β·IB = 50·65 µA = 3,25 mA
Jawaban
IC = 3,25 mA
Periksa: VCE = 10,13 V jauh di atas 0,2 V, sehingga transistor memang aktif.
24.Dioda & transistor
Jawaban: Rmax = 1518 Ω
Regulator Zener: dioda Zener bias mundur mempertahankan tegangannya VZ selama arusnya tetap di atas minimum IZ,min. Resistor seri R menanggung selisih antara masukan dan keluaran: IR = (Vin − VZ)/R. Arus itu terbagi antara beban, IL = VZ/RL, dan Zener: IZ = IR − IL. Rancang untuk kasus terburuk: masukan terendah dengan beban terbesar tetap harus menyisakan IZ,min, dan masukan tertinggi tanpa beban memberi daya Zener terbesar PZ = VZ·IZ.
Arus kasus terburuk
IR = 10 + 1 = 11 mA
Resistansi terbesar
Rmax = 16,7/0,011 = 1518 Ω
Jawaban
Rmax = 1518 Ω
25.Sistem bilangan
Jawaban: U = 168
Mengatur bit: setiap bit bernilai pangkat dua (128, 64, …, 1). Satu digit heksa tepat empat bit, dan pada komplemen dua 8-bit bit paling kiri bernilai −128. Operasi bitwise bekerja pada setiap posisi bit secara terpisah.
Balik dan tambah satu
88 = 0101 1000
dibalik: 1010 0111
+1 → 1010 1000
Baca sebagai tak bertanda
1010 1000₂ = 256 − 88 = 168
Jawaban
U = 168
26.Sistem bilangan
Jawaban: M = 1200 KiB
Sistem bilangan posisional: setiap digit bernilai digit itu dikali pangkat dari basis. Dalam biner, posisinya bernilai 1, 2, 4, 8, 16, …; dalam heksadesimal 1, 16, 256, …, dengan A–F mewakili 10–15. Dalam komplemen dua 8-bit, bit paling kiri bernilai −128, bukan +128; begitulah bilangan negatif disimpan.
Bit dan byte
640·480·32 = 9830400 bit = 1228800 B
Ubah ke KiB
1228800/1024 = 1200 KiB
Jawaban
M = 1200 KiB
27.Logika digital: gerbang, peta-K & flip-flop
Jawaban: N = 2
Peta Karnaugh: sel-sel diurutkan dalam kode Gray (00, 01, 11, 10), sehingga sel bertetangga, termasuk yang melewati tepi, berbeda tepat pada satu variabel. Kelompokkan angka 1 dalam persegi panjang berisi 1, 2, 4, 8, atau 16 sel, sebesar mungkin dan sesedikit mungkin, sampai setiap angka 1 tercakup. Setiap kelompok adalah satu suku hasil kali: variabel yang tetap konstan di dalamnya. Kelompok 2ᵏ sel kehilangan k variabel. Don’t-care (X) boleh dipakai untuk memperbesar kelompok tetapi tidak harus dicakup. Mengelompokkan angka 0 sebagai gantinya menghasilkan bentuk POS minimal.
Kelompokkan angka 1
Setiap kelompok adalah persegi panjang berisi 2ᵏ sel; sel di tepi bertetangga dengan sel di tepi seberangnya.
A′C′
AB′
Bentuk SOP minimal
F = A′C′ + AB′
N = 2
Jawaban
N = 2
28.Logika digital: gerbang, peta-K & flip-flop
Jawaban: fout = 0,02 kHz
Flip-flop dan pencacah: flip-flop hanya berubah pada tepi clock aktif. D menyalin masukannya (Q⁺ = D); T berbalik jika T = 1; JK bertahan untuk 00, reset untuk 01, set untuk 10, dan berbalik untuk 11. Pencacah biner n bit memiliki 2ⁿ keadaan dan menghitung modulo 2ⁿ; pencacah mod-N berurutan 0, 1, …, N − 1 lalu kembali ke 0, dan memerlukan flip-flop sebanyak n terkecil dengan 2ⁿ ≥ N. Setiap tahap pencacah ripple membagi dua frekuensi, sehingga keluaran terakhir pencacah mod-N berjalan pada fclk/N. Pencacah Johnson dari n flip-flop memiliki 2n keadaan, pencacah cincin n.
Pembagian frekuensi
fout = 2 kHz / 100 = 0,02 kHz
Jawaban
fout = 0,02 kHz
29.Transformasi Laplace
Jawaban: f(0.2) = 0,1493
Transformasi Laplace: F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt mengubah turunan menjadi perkalian dengan s: ℒ{f′} = sF(s) − f(0), ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0). Pasangan baku: 1 ↔ 1/s, e−at ↔ 1/(s + a), t·e−at ↔ 1/(s + a)², sin ωt ↔ ω/(s² + ω²), cos ωt ↔ s/(s² + ω²), dan pergeseran s → s + σ mengalikan fungsi waktu dengan e−σt. Untuk membalik F(s) rasional, uraikan menjadi pecahan parsial: residu sebuah kutub tunggal p adalah A = [(s − p)·F(s)] pada s = p. Teorema nilai akhir: f(∞) = lims→0 s·F(s), hanya berlaku jika semua kutub s·F(s) berada di setengah bidang kiri. Teorema nilai awal: f(0⁺) = lims→∞ s·F(s).
Pecahan parsial
F(s) = A/s + B/(s + 5) + C/(s + 6)
A = 15/(5·6) = 0,5
B = 15/((−5)·1) = −3
C = 15/((−6)·(−1)) = 2,5
Transformasi balik
f(t) = 0,5 − 3·e−5t + 2,5·e−6t
Hitung nilainya
f(0,2) = 0,5 − 3·e−5·0,2 + 2,5·e−6·0,2 = 0,1493
Jawaban
f(0,2) = 0,1493
30.Transformasi Laplace
Jawaban: y(0.2) = 6
Transformasi Laplace: F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt mengubah turunan menjadi perkalian dengan s: ℒ{f′} = sF(s) − f(0), ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0). Pasangan baku: 1 ↔ 1/s, e−at ↔ 1/(s + a), t·e−at ↔ 1/(s + a)², sin ωt ↔ ω/(s² + ω²), cos ωt ↔ s/(s² + ω²), dan pergeseran s → s + σ mengalikan fungsi waktu dengan e−σt. Untuk membalik F(s) rasional, uraikan menjadi pecahan parsial: residu sebuah kutub tunggal p adalah A = [(s − p)·F(s)] pada s = p. Teorema nilai akhir: f(∞) = lims→0 s·F(s), hanya berlaku jika semua kutub s·F(s) berada di setengah bidang kiri. Teorema nilai awal: f(0⁺) = lims→∞ s·F(s).
Transformasikan persamaannya
(s² + 11s + 30)·Y(s) = 6s + 66 + 180/s
Y(s) = (6s² + 66s + 180)/(s(s + 5)(s + 6))
Pecahan parsial
A = 180/(5·6) = 6
B = 0/((−5)·1) = 0
C = 0/((−6)·(−1)) = 0
Hasil
y(t) = 6
y(0,2) = 6
Jawaban
y(0,2) = 6
Periksa: y(0) = A + B + C = 6.
31.Diagram blok
Jawaban: T(0) = 0,6452
Aljabar diagram blok: blok yang seri dikalikan (G₁·G₂), blok yang paralel dijumlahkan (G₁ + G₂), dan loop dengan lintasan maju G dan lintasan umpan balik H direduksi menjadi T = G/(1 + G·H) untuk umpan balik negatif dan G/(1 − G·H) untuk umpan balik positif. Reduksi loop dalam terlebih dahulu, lalu bekerja ke luar. Kutub loop tertutup adalah akar persamaan karakteristik 1 + G(s)H(s) = 0. Untuk loop yang stabil, masukan langkah berukuran A memberi keluaran keadaan tunak A·T(0); dengan umpan balik satuan, galat keadaan tunak terhadap langkah adalah A/(1 + Kp) dengan Kp = G(0).
Aljabar diagram blok: blok yang seri dikalikan (G₁·G₂), blok yang paralel dijumlahkan (G₁ + G₂), dan loop dengan lintasan maju G dan lintasan umpan balik H direduksi menjadi T = G/(1 + G·H) untuk umpan balik negatif dan G/(1 − G·H) untuk umpan balik positif. Reduksi loop dalam terlebih dahulu, lalu bekerja ke luar. Kutub loop tertutup adalah akar persamaan karakteristik 1 + G(s)H(s) = 0. Untuk loop yang stabil, masukan langkah berukuran A memberi keluaran keadaan tunak A·T(0); dengan umpan balik satuan, galat keadaan tunak terhadap langkah adalah A/(1 + Kp) dengan Kp = G(0).
Fungsi alih
C/D = G/(1 + K·G) = 6/(s + 8 + 174)
C/R = K·G/(1 + K·G) = 174/(s + 8 + 174)
Keadaan tunak
css = 5·174/182 + 2·6/182 = 4,846
Jawaban
css = 4,846
K yang lebih besar mengurangi pengaruh gangguan, tetapi tidak pernah sampai nol dengan pengendali proporsional.
33.Respons langkah
Jawaban: %OS = 4,866 %
Respons langkah: sistem orde satu G(s) = K/(τs + 1) menjawab masukan langkah berukuran U dengan y(t) = K·U·(1 − e−t/τ): mencapai 63,2 % dari nilai akhir K·U setelah satu konstanta waktu τ dan 98 % setelah 4τ. Sistem orde dua G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) memiliki kutub s = −ζωₙ ± jωd dengan ωd = ωₙ√(1 − ζ²). Untuk 0 < ζ < 1 respons langkahnya melampaui (overshoot): persen overshoot %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), waktu puncak tp = π/ωd, dan waktu penetapan 2 % ts ≈ 4/(ζωₙ). Bandingkan penyebut dengan s² + 2ζωₙs + ωₙ² untuk membaca ωₙ dan ζ. Untuk massa–pegas–peredam ωₙ = √(k/m) dan ζ = c/(2√(km)); untuk rangkaian RLC seri ωₙ = 1/√(LC) dan ζ = (R/2)·√(C/L).
Bandingkan dengan bentuk baku
Penyebut harus cocok dengan s² + 2ζωₙs + ωₙ².
ωₙ² = 13 → ωₙ = 3,606 rad/s
2ζωₙ = 5 → ζ = 5/(2·3,606) = 0,6934
Hasil
%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 100·e−3,023 = 4,866 %
Jawaban
%OS = 4,866 %
34.Respons langkah
Jawaban: ωn = 19,48 rad/s
Respons langkah: sistem orde satu G(s) = K/(τs + 1) menjawab masukan langkah berukuran U dengan y(t) = K·U·(1 − e−t/τ): mencapai 63,2 % dari nilai akhir K·U setelah satu konstanta waktu τ dan 98 % setelah 4τ. Sistem orde dua G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) memiliki kutub s = −ζωₙ ± jωd dengan ωd = ωₙ√(1 − ζ²). Untuk 0 < ζ < 1 respons langkahnya melampaui (overshoot): persen overshoot %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), waktu puncak tp = π/ωd, dan waktu penetapan 2 % ts ≈ 4/(ζωₙ). Bandingkan penyebut dengan s² + 2ζωₙs + ωₙ² untuk membaca ωₙ dan ζ. Untuk massa–pegas–peredam ωₙ = √(k/m) dan ζ = c/(2√(km)); untuk rangkaian RLC seri ωₙ = 1/√(LC) dan ζ = (R/2)·√(C/L).
Respons frekuensi: substitusikan s = jω ke fungsi alih. Besar dalam desibel adalah 20·log₁₀|H(jω)| dan fasa adalah jumlah sudut faktor pembilang dikurangi sudut faktor penyebut. Filter RC atau RL orde pertama memiliki frekuensi sudut (−3 dB) pada ωc = 1/(RC) atau R/L, dan fc = ωc/(2π); filter lolos rendah memberi |H| = 1/√(1 + (ω/ωc)²) dan φ = −atan(ω/ωc). Pada plot Bode asimtotik (garis lurus) setiap kutub membengkokkan besar ke bawah sebesar 20 dB/dekade pada frekuensi sudutnya, setiap nol membengkokkannya ke atas sebesar 20 dB/dekade, dan integrator 1/s memberi −20 dB/dekade pada semua frekuensi. Persilangan penguatan ωc: |L(jω)| = 1 (0 dB); margin fasa PM = 180° + ∠L(jωc). Persilangan fasa ω180: ∠L(jω) = −180°; margin penguatan GM = −20·log₁₀|L(jω180)| dB. Lingkar tertutup stabil bila kedua margin positif.
Frekuensi sudut
ωc = R/L = 47/0,0022 = 21364 rad/s
fc = 3400 Hz → f/fc = 1700/3400 = 0,5
Fasa
φ = − atan(0,5) = −26,56°
Jawaban
φ = −26,56°
36.Plot Bode dan margin
Jawaban: K = 429,5
Respons frekuensi: substitusikan s = jω ke fungsi alih. Besar dalam desibel adalah 20·log₁₀|H(jω)| dan fasa adalah jumlah sudut faktor pembilang dikurangi sudut faktor penyebut. Filter RC atau RL orde pertama memiliki frekuensi sudut (−3 dB) pada ωc = 1/(RC) atau R/L, dan fc = ωc/(2π); filter lolos rendah memberi |H| = 1/√(1 + (ω/ωc)²) dan φ = −atan(ω/ωc). Pada plot Bode asimtotik (garis lurus) setiap kutub membengkokkan besar ke bawah sebesar 20 dB/dekade pada frekuensi sudutnya, setiap nol membengkokkannya ke atas sebesar 20 dB/dekade, dan integrator 1/s memberi −20 dB/dekade pada semua frekuensi. Persilangan penguatan ωc: |L(jω)| = 1 (0 dB); margin fasa PM = 180° + ∠L(jωc). Persilangan fasa ω180: ∠L(jω) = −180°; margin penguatan GM = −20·log₁₀|L(jω180)| dB. Lingkar tertutup stabil bila kedua margin positif.
37.Kestabilan: Routh–Hurwitz & tempat kedudukan akar
Jawaban: Kmin = 1
Kriteria Routh–Hurwitz: sistem linear stabil bila setiap akar polinomial karakteristiknya terletak di setengah bidang kiri pada bidang-s. Tulis koefisien secara bergantian ke dua baris pertama tabel Routh. Setiap entri baris baru berasal dari dua baris di atasnya; untuk polinomial kubik a₃s³ + a₂s² + a₁s + a₀ entri s¹ adalah b₁ = (a₂·a₁ − a₃·a₀)/a₂. Jumlah perubahan tanda pada kolom pertama sama dengan jumlah akar di setengah bidang kanan. Dengan penguatan K pada koefisien, setiap entri kolom pertama harus tetap positif: penguatan yang membuat entri s¹ sama dengan nol adalah batas kestabilan, dan baris s² kemudian memberikan frekuensi osilasi yang terus-menerus.
Untuk s² + c₁s + c₀ semua akar terletak di setengah bidang kiri tepat ketika c₁ > 0 dan c₀ > 0.
-1 + K > 0 → K > 1
8K − 6 > 0 → K > 0,75
Kmin = 1
Jawaban
Kmin = 1
38.Kestabilan: Routh–Hurwitz & tempat kedudukan akar
Jawaban: θd = −14,04 °
Tempat kedudukan akar: saat penguatan K bergerak dari 0 ke ∞, kutub loop tertutup, yaitu akar 1 + K·G(s) = 0, bergerak dari kutub loop terbuka menuju nol loop terbuka atau menuju tak hingga. Suatu titik pada sumbu real termasuk dalam tempat kedudukan bila jumlah kutub dan nol real di sebelah kanannya ganjil. n − m cabang yang menuju tak hingga mengikuti asimtot pada sudut (2q + 1)·180°/(n − m), yang berawal dari titik berat σₐ = (Σ kutub − Σ nol)/(n − m). Cabang meninggalkan atau bergabung dengan sumbu real di tempat dK/ds = 0. Syarat sudut ∠G(s) = 180° menentukan bentuknya, dan syarat besar K = 1/|G(s)| memberikan penguatan di titik mana pun pada tempat kedudukan.
Letak kutub
s² + 6s + 25 = 0 → s = −3 ± j4
s = −2
Sudut dari kutub lainnya
∠(−3 + j4 + 2) = atan2(4, -1) = 104°
∠(−3 + j4 − (−3 − j4)) = ∠(j8) = 90°
Sudut keberangkatan
θd = 180° − 104° − 90° = −14,04°
Jawaban
θd = −14,04°
39.Galat keadaan tunak & kendali PID
Jawaban: K = 24
Galat keadaan tunak: dalam loop umpan balik satuan dengan fungsi alih loop terbuka G(s), galatnya adalah E(s) = R(s)/(1 + G(s)), dan menurut teorema nilai akhir ess = lims→0 s·E(s). Tipe sistem adalah jumlah kutub G(s) di s = 0. Konstanta galat adalah Kp = lim G(s), Kv = lim s·G(s) dan Ka = lim s²·G(s), semuanya untuk s → 0. Masukan undak berukuran A memberikan ess = A/(1 + Kp), ramp A·t memberikan A/Kv dan parabola A·t²/2 memberikan A/Ka. Loop tipe 0 mengikuti undak dengan galat terhingga, loop tipe 1 mengikutinya dengan tepat dan mengikuti ramp dengan galat terhingga.
Konstanta galat yang diperlukan
1/(1 + Kp) = 0,25 → Kp = 3
Penguatan
K/8 = 3 → K = 24
Jawaban
K = 24
Periksa juga kestabilan loop tertutup: untuk loop orde dua ini, setiap K > 0 stabil.
40.Galat keadaan tunak & kendali PID
Jawaban: Kp = 0,64
Kendali P, PI, dan PID: pengendali C(s) = Kp + Ki/s + Kd·s bekerja pada galat. Penguatan proporsional membuat loop lebih cepat dan mengurangi galat plant tipe 0, tetapi tidak pernah menghilangkannya. Suku integral menambahkan kutub di s = 0: tipe sistem naik satu, dan undak diikuti tanpa galat. Suku turunan menambah redaman. Untuk memilih penguatan, tulis polinomial karakteristik loop tertutup dan bandingkan dengan s² + 2ζωns + ωn². Maka %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), tp = π/ωd dengan ωd = ωn√(1 − ζ²), dan ts ≈ 4/(ζωn).
Polinomial karakteristik
1 + C(s)G(s) = 0, dikalikan dengan s(s + 4).
s² + (4 + 5Kp)s + 5Ki
Polinomial target
s² + 2·0,6·6s + 6² = s² + 7,2s + 36
Samakan koefisien-koefisiennya
4 + 5Kp = 7,2 → Kp = 0,64
Jawaban
Kp = 0,64
Suku integral membuat loop bertipe 1, sehingga undak diikuti tanpa galat keadaan tunak.