Latihan ujian FE Electrical and Computer: paket kilat

Lembar rumus, langkah-langkah metode utama untuk setiap topik, dan 40 soal latihan, dengan pembahasan lengkap di bagian belakang.

Soal baruKembali ke mata kuliah

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

  1. Mulailah dari ujung jaringan yang paling jauh dari terminal.
  2. Gabungkan resistor seri dengan menjumlahkannya, dan resistor paralel dengan 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …
  3. Gambar ulang rangkaian setelah setiap langkah.
  4. 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

  1. Pilih simpul referensi (ground) dan beri label tegangan simpul lainnya.
  2. Tulis hukum arus Kirchhoff di setiap simpul yang tidak diketahui: arus yang keluar melalui setiap cabang sama dengan arus yang masuk.
  3. Nyatakan setiap arus cabang sebagai (Va − Vb)/R.
  4. 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

  1. Gambar arus searah jarum jam di setiap mesh (jendela) rangkaian.
  2. Terapkan hukum tegangan Kirchhoff di sekeliling setiap mesh: jumlah tegangan jatuh sama dengan nol.
  3. Pada resistor yang dipakai bersama oleh dua mesh, arusnya adalah selisih kedua arus mesh.
  4. 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

  1. Hitung jumlah sumber independen. Anda akan menyelesaikan satu rangkaian yang lebih sederhana untuk setiap sumber.
  2. Pertahankan satu sumber dan matikan yang lain: sumber tegangan menjadi hubung singkat (kawat), sumber arus menjadi rangkaian terbuka (celah).
  3. Selesaikan rangkaian yang lebih sederhana untuk tegangan atau arus yang Anda perlukan, dengan memperhatikan arahnya.
  4. 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

  1. Lepaskan beban dan tandai kedua terminal a dan b.
  2. Cari tegangan rangkaian terbuka antara a dan b: inilah Vth.
  3. Matikan semua sumber independen dan cari hambatan yang terlihat dari a–b: inilah Rth.
  4. Pasang kembali beban pada rangkaian ekuivalen: Vth seri dengan Rth.
  5. 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

  1. Cari nilai awal sesaat setelah sakelar berpindah: tegangan kapasitor dan arus induktor tidak dapat melompat.
  2. Cari nilai akhir lama setelah sakelar berpindah: kapasitor berperilaku sebagai rangkaian terbuka, induktor sebagai hubung singkat.
  3. Cari konstanta waktu: τ = RC atau τ = L/R, dengan hambatan yang terlihat oleh kapasitor atau induktor.
  4. 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

  1. Ubah frekuensinya: ω = 2πf.
  2. Cari setiap reaktansi: XL = ωL dan XC = 1/(ωC).
  3. Jumlahkan impedansi seperti resistor, dengan Z = R + jX.
  4. 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

  1. 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.
  2. 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.
  3. 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.
  4. 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

  1. Tulis polinomial karakteristik loop tertutup: penyebut dari 1 + K·G(s) = 0, setelah dijabarkan.
  2. Masukkan koefisien secara bergantian ke dua baris pertama tabel Routh lalu susun baris-baris sisanya.
  3. 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.
  4. 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

  1. Hitung kutub loop terbuka C(s)·G(s) di s = 0: itulah tipe sistem.
  2. Hitung konstanta galat yang sesuai dengan masukan: Kp untuk undak, Kv untuk ramp, Ka untuk parabola.
  3. Terapkan ess = A/(1 + Kp), A/Kv, atau A/Ka, atau selesaikan untuk penguatan yang Anda perlukan.
  4. 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
R1​ = 5 ΩIR1​R3​ = 6 Ω+−V1​24 VR2​2 ΩAR4​6 ΩB

Cari arus IR1 yang dialirkan sumber, yang mengalir melalui R1.

V1 = 24 VR1 = 5 ΩR2 = 2 ΩR3 = 6 ΩR4 = 6 Ω
IR1 = A
2.Resistor seri & paralelSulit
R1​ = 2 ΩR3​ = 15 ΩR5​ = 10 Ω+−V1​5 VR2​20 ΩAR4​15 ΩBR6​5 Ω

Cari resistansi ekuivalen Req yang dilihat sumber V1.

V1 = 5 VR1 = 2 ΩR2 = 20 ΩR3 = 15 ΩR4 = 15 ΩR5 = 10 ΩR6 = 5 Ω
Req = Ω
3.Analisis simpulSedang
R1​8 Ω+−V1​9 VR2​15 Ω−+V2​24 VR3​4 Ω+−V3​18 VI3​A

Tiga cabang terhubung antara simpul A dan ground, seperti pada gambar. Gunakan analisis simpul untuk mencari arus I3 pada cabang 3, yang mengalir ke atas masuk ke simpul A searah panah.

V1 = 9 VR1 = 8 ΩV2 = 24 VR2 = 15 ΩV3 = 18 VR3 = 4 Ω
I3 = A
4.Analisis simpulSulit
R1​ = 25 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​10 VR2​30 ΩAR4​20 ΩBIs​?

Sumber arus diatur sampai tegangan simpul di A menjadi VA = 8,5 V. Gunakan analisis simpul untuk mencari arus sumber Is (arah seperti pada gambar).

V1 = 10 VR1 = 25 ΩR2 = 30 ΩR3 = 15 ΩR4 = 20 ΩVA = 8,5 V
Is = A
5.Analisis meshSedang
R1​ = 12 ΩR2​ = 5 Ω+−V1​15 VR3​10 ΩA+−V2​30 VI1​I2​

Gunakan analisis mesh untuk mencari arus mesh I1 (searah jarum jam).

V1 = 15 VV2 = 30 VR1 = 12 ΩR2 = 5 ΩR3 = 10 Ω
I1 = A
6.Analisis meshSulit
R1​ = 4 ΩR2​ = 2 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​36 VR4​8 ΩAR5​6 ΩB+−V2​18 VI1​I2​I3​

Gunakan analisis mesh untuk mencari arus mesh I2 (searah jarum jam).

V1 = 36 VV2 = 18 VR1 = 4 ΩR2 = 2 ΩR3 = 10 ΩR4 = 8 ΩR5 = 6 Ω
I2 = A
7.SuperposisiSedang
rangkaian linearVs​Is​IRL​

Sebuah rangkaian resistif linear memuat satu sumber tegangan Vs dan satu sumber arus Is. Arus I melalui resistor beban diukur dua kali: dengan Vs = 20 V dan Is = 4 mA, I = 10,4 mA; dengan Vs = 5 V dan Is = 4 mA, I = 2,9 mA. Cari arus beban I ketika Vs = 4 V dan Is = 10 mA.

20 V, 4 mA → 10,4 mA5 V, 4 mA → 2,9 mAVs = 4 V, Is = 10 mA
I = mA
8.SuperposisiSulit
R1​ = 15 ΩR2​ = 4 Ω−+VR2​R4​ = 3 Ω+−V1​5 VR3​15 ΩAIs​5 AB+−V2​30 V

Gunakan superposisi untuk mencari tegangan VR2 pada R2 dengan polaritas yang ditunjukkan.

V1 = 5 VIs = 5 AV2 = 30 VR1 = 15 ΩR2 = 4 ΩR3 = 15 ΩR4 = 3 Ω
VR2 = V
9.Thévenin & NortonSedang
R1​ = 8 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​24 VR2​4 ΩARL​2 ΩIL​B

Beban RL = 2 Ω dipasang di a–b. Ganti sisa rangkaian dengan ekuivalen Thévenin-nya dan cari arus beban IL.

V1 = 24 VR1 = 8 ΩR2 = 4 ΩR3 = 5 ΩRL = 2 Ω
IL = A
10.Thévenin & NortonSulit
R1​ = 5 ΩR3​ = 25 Ω+−V1​9 VR2​4 ΩAIs​0,5 ABRL​30 ΩIL​

Beban RL = 30 Ω dipasang di a–b. Ganti sisa rangkaian dengan ekuivalen Thévenin-nya dan cari arus beban IL.

V1 = 9 VIs = 0,5 AR1 = 5 ΩR2 = 4 ΩR3 = 25 ΩRL = 30 Ω
IL = A
11.Transien RC & RLSedang
+−Vs​15 Vt = 0R = 33 ΩL220 mHi(t)

Induktor tidak dialiri arus sebelum sakelar ditutup pada t = 0. Cari tegangan vL pada induktor saat t = 5 ms.

Vs = 15 VR = 33 ΩL = 220 mHt = 5 ms
vL = V
12.Transien RC & RLSulit
+−Vs​9 Vt = 0R = 4,7 kΩC10 µF+−vC​vC​(0) = 15 V

Tepat sebelum sakelar ditutup pada t = 0, kapasitor bertegangan 15 V dengan polaritas yang ditunjukkan. Berapa lama waktu yang diperlukan agar vC mencapai 11,4 V? Cari t.

Vs = 9 VR = 4,7 kΩC = 10 µFvC(0) = 15 V
t = ms
13.Impedansi AC & fasorSedang
12 V100 HzR = 50 ΩL = 50 mHC = 4,7 µF

Rangkaian RLC seri dihubungkan ke sumber 12 V (rms), 100 Hz. Cari sudut fase φ impedansi, dalam derajat (positif bila arus tertinggal dari tegangan).

V = 12 V (rms)f = 100 HzR = 50 ΩL = 50 mHC = 4,7 µF
φ = °
14.Impedansi AC & fasorSulit
VfR = 15 ΩL = 2 mHC = 0,47 µF

Sebuah rangkaian RLC seri memiliki R = 15 Ω, L = 2 mH, dan C = 0,47 µF. Cari lebar pitanya B (lebar pita antara frekuensi setengah daya), dalam Hz.

R = 15 ΩL = 2 mHC = 0,47 µF
B = Hz
15.Daya AC & faktor dayaSedang
230 V125 kW, 0,823 kW, 0,7I = ?

Dua beban dihubungkan paralel ke sumber satu fase 230 V: beban 25 kW dengan faktor daya 0,8 tertinggal dan beban 3 kW dengan faktor daya 0,7 mendahului. Cari arus total I yang ditarik dari sumber.

V = 230 VP1 = 25 kW, pf1 = 0,8 tertinggalP2 = 3 kW, pf2 = 0,7 mendahului
I = A
16.Daya AC & faktor dayaSulit
P = 20 kWQ1​S1​φ1​QC​

Beban satu fase menyerap 20 kW pada faktor daya 0,6 tertinggal dari sumber 400 V, 50 Hz. Kapasitor yang dipasang paralel menaikkan faktor daya menjadi 0,92. Cari daya reaktif QC yang harus dipasok kapasitor.

P = 20 kWpf1 = 0,6pf2 = 0,92V = 400 Vf = 50 Hz
QC = kvar
17.Daya tiga fasaSedang
ABCVL​ = 400 VIL​ = ?M110 kW, η = 94%cos φ = 0,8

Sebuah motor induksi tiga fasa menghasilkan daya keluaran mekanis 110 kW pada beban penuh. Pada beban ini efisiensinya 94% dan faktor dayanya 0,8 tertinggal. Sumbernya memiliki tegangan antarsaluran 400 V. Cari arus saluran IL.

Pout = 110 kWη = 94%cos φ = 0,8VL = 400 V
IL = A
18.Daya tiga fasaSulit
P = 200 kWφ1​S1​Q2​QC​

Beban tiga fasa seimbang menyerap 200 kW pada faktor daya 0,7 tertinggal dari sumber 480 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. Kapasitor dihubungkan secara Δ. Cari kapasitansi Cph setiap kapasitor dalam µF.

P = 200 kWpf1 = 0,7pf2 = 0,98VL = 480 Vf = 50 Hz
Cph = µF
19.TransformatorSedang
10 ΩN1​N2​250 Ω

Sebuah penguat dengan hambatan keluaran 250 Ω menggerakkan pengeras suara 10 Ω melalui transformator ideal. Untuk transfer daya maksimum, pengeras suara harus terlihat sebagai 250 Ω dari penguat. Cari rasio lilitan a = N₁/N₂.

Rs = 250 ΩRL = 10 Ω
a =
20.TransformatorSulit
pf 0,85100 kVA, η = 96,5%

Sebuah transformator satu fasa 100 kVA memiliki rugi inti 600 W. Pada beban pengenal dan faktor daya 0,85 tertinggal, efisiensinya 96,5%. Cari rugi tembaga beban penuh Pcu,fl dalam watt.

S = 100 kVAPcore = 600 Wpf = 0,85η = 96,5%
Pcu,fl = W
21.Rangkaian op-ampSedang
−+Vout​Rf​ = 47 kΩR1​ = 47 kΩVin​ = 1,9 V

Op-amp ideal dan dicatu ±15 V. Cari tegangan keluaran Vout.

Vin = 1,9 VR1 = 47 kΩRf = 47 kΩ
Vout = V
22.Rangkaian op-ampSulit
−+Vout​Rf​ = 2 kΩV1​ = −1 VR1​ = 100 kΩV2​ = 1,6 VR2​ = 10 kΩ

Penguat penjumlah memakai op-amp ideal yang dicatu ±15 V. Cari tegangan keluaran Vout.

V1 = −1 VV2 = 1,6 VR1 = 100 kΩR2 = 10 kΩRf = 2 kΩ
Vout = V
23.Dioda & transistorSedang
RC​ = 2,7 kΩβ = 150RE​ = 1 kΩVCC​ = 18 VR1​ = 22 kΩR2​ = 8,2 kΩ

Sebuah transistor NPN dengan β = 150 dibias dengan pembagi tegangan dari VCC = 18 V: R₁ = 22 kΩ dari VCC ke basis dan R₂ = 8,2 kΩ dari basis ke ground. Resistor kolektornya RC = 2,7 kΩ dan resistor emitornya RE = 1 kΩ. Ambil VBE = 0,7 V dan gunakan ekivalen Thévenin dari pembagi tegangan (jangan abaikan arus basis). Cari tegangan kolektor–emitor VCE.

VCC = 18 VR1 = 22 kΩR2 = 8,2 kΩRC = 2,7 kΩRE = 1 kΩβ = 150
VCE = V
24.Dioda & transistorSulit
+−≥ 9 VR = ?5,6 V≤ 50 mA

Regulator Zener 5,6 V harus mencatu hingga 50 mA ke beban. Masukan dapat turun hingga 9 V, dan Zener memerlukan minimal 2 mA agar meregulasi. Cari resistansi seri terbesar Rmax yang menjaganya tetap meregulasi.

Vin,min = 9 VVZ = 5,6 VIL,max = 50 mAIZ,min = 2 mA
Rmax = Ω
25.Sistem bilanganSedang
Komplemen dua 8-bit0−12806403201608040201

Atur bit sehingga menyimpan −48 dalam komplemen dua 8-bit. Dibaca sebagai bilangan tak bertanda, berapa nilai pola U?

N = −488 bit
U =
26.Sistem bilanganSulit
klik bit untuk mengaturnya012806403201608040201

Atur bit menjadi hasil 8-bit dari 1101 0011 AND 0100 1000. Berapa nilai hasil R dalam desimal?

1101 0011AND0100 1000
R =
27.Logika digital: gerbang, peta-K & flip-flopSedang
ABCD000111100001111000011302040517060120130151140809011110

Pakai peta Karnaugh untuk mencari bentuk jumlah dari hasil kali (SOP) minimal dari F(A, B, C, D) = Σm(3, 7, 10, 14). Berapa suku hasil kali N yang dimilikinya?

F(A, B, C, D) = Σm(3, 7, 10, 14)
N =
28.Logika digital: gerbang, peta-K & flip-flopSulit
ABCD000111100001111000110312X4X517060120130150140819011110

Untuk F(A, B, C, D) = Σm(1, 2, 7, 9, 10) + d(4, 5), dengan d menandai kondisi don’t-care, carilah banyaknya N implikan prima esensial.

F(A, B, C, D) = Σm(1, 2, 7, 9, 10) + d(4, 5)
N =
29.Transformasi LaplaceSedang
t (s)f(t)t = 0,3f(0,3) = ?

Tentukan f(t) untuk F(s) = 50/(s(s + 4)(s + 6)) dengan pecahan parsial, lalu hitung f(0,3).

F(s) = 50/(s(s + 4)(s + 6))t = 0,3 s
f(0.3) =
30.Transformasi LaplaceSulit
t (s)y(t)t = 0,8y(0,8) = ?

Selesaikan y″ + 7y′ + 6y = 0 dengan y(0) = 1 dan y′(0) = 15 memakai transformasi Laplace, lalu tentukan y(0,8).

y″ + 7y′ + 6y = 0y(0) = 1y′(0) = 15t = 0,8 s
y(0.8) =
31.Diagram blokSedang
R(s)+2K+6s + 4G(s)C(s)3H₁−−

Plant G(s) = 6/(s + 4) memiliki loop umpan balik negatif dalam (minor) dengan penguatan H₁ = 3. Penguatan pengendali K = 2 dan loop umpan balik negatif satuan luar menutup sistem. Tentukan penguatan DC loop tertutup T(0).

G(s) = 6/(s + 4)H₁ = 3K = 2
T(0) =
32.Diagram blokSulit
R(s)+52s(s + 8)G(s)C(s)2H−

Plant G(s) = 52/(s(s + 8)) berada dalam loop umpan balik negatif dengan penguatan sensor H = 2. Kutub loop tertutupnya kompleks. Tentukan bagian imajinernya ωd (nilai positif), dalam rad/s.

G(s) = 52/(s(s + 8))H = 2
ωd = rad/s
33.Respons langkahSedang
t (s)y(t)0,5?

Sebuah sistem memiliki fungsi alih G(s) = 15/(s² + 6s + 30) dan menerima masukan langkah satuan. Tentukan persen overshoot %OS dari respons langkah.

G(s) = 15/(s² + 6s + 30)
%OS = %
34.Respons langkahSulit
+−10 VR = 22 ΩL = 50 mHC = 100 µFvC​

Rangkaian RLC seri dengan R = 22 Ω, L = 50 mH, dan C = 100 µF dihubungkan ke langkah 10 V pada t = 0. Kapasitor belum bermuatan dan tidak ada arus yang mengalir sebelum langkah. Tentukan persen overshoot %OS dari tegangan kapasitor.

R = 22 ΩL = 50 mHC = 100 µFV = 10 V
%OS = %
35.Plot Bode dan marginSedang
|H| (dB)0,10,1111010100100−40−2002040ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−90−450ω = 10

Cari fasa ∠G(jω) dari G(s) = 8(s + 5)/(s(s + 8)) pada ω = 10 rad/s, dalam derajat.

G(s) = 8(s + 5)/(s(s + 8))ω = 10 rad/s
∠G(jω) = °
36.Plot Bode dan marginSulit
|H| (dB)0,10,1111010100100−80−60−40−2002040ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−270−180−900ω180​ = ?

Lingkar umpan balik satuan memiliki fungsi alih lingkar terbuka L(s) = 488/(s(s + 8)(s + 9)). Cari frekuensi persilangan fasa ω180, tempat ∠L(jω) = −180°.

L(s) = 488/(s(s + 8)(s + 9))
ω180 = rad/s
37.Kestabilan: Routh–Hurwitz & tempat kedudukan akarSedang
R(s)+K = 64,81s(s + 3)(s + 6)C(s)−

Loop pada diagram bekerja dengan K = 64,8 dan L(s) = K/(s(s + 3)(s + 6)). Berapa kali lipat m penguatan dapat dinaikkan sebelum loop tertutup menjadi tidak stabil?

L(s) = K/(s(s + 3)(s + 6))K = 64,8
m =
38.Kestabilan: Routh–Hurwitz & tempat kedudukan akarSulit
ReIm−2−4−6−8−10j2

Tempat kedudukan akar dari L(s) = K(s + 9)/(s(s + 4)) meninggalkan sumbu real di antara s = 0 dan s = −4, melingkar, lalu bergabung kembali dengan sumbu real di sebelah kiri nol. Cari titik pencar sb.

L(s) = K(s + 9)/(s(s + 4))
sb =
39.Galat keadaan tunak & kendali PIDSedang
R(s)+K(s + 1)(s + 5)C(s)−

Suatu loop umpan balik satuan memiliki G(s) = K/((s + 1)(s + 5)). Cari penguatan K yang memberikan galat keadaan tunak 2 % untuk masukan undak.

G(s) = K/((s + 1)(s + 5))ess = 2 %
K =
40.Galat keadaan tunak & kendali PIDSulit
r(t) = 1t+2 + 4/s4(s + 4)(s + 10)C(s)−

Pengendali PI C(s) = 2 + 4/s mengendalikan plant G(s) = 4/((s + 4)(s + 10)) dalam loop umpan balik satuan. Cari galat keadaan tunak ess untuk masukan ramp r(t) = 1t.

C(s) = 2 + 4/sG(s) = 4/((s + 4)(s + 10))r(t) = 1t
ess =

3Larutan

1.Resistor seri & paralel

Jawaban: IR1 = 3,574 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.

R1​ = 5 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​24 VR2​2 ΩAR4​6 ΩB

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 = 6 + 6 = 12 Ω
R2 ∥ 12 = 2·12/(2+12) = 1,714 Ω
Req = R1 + 1,714 = 5 + 1,714 = 6,714 Ω

Arus dari sumber

Sumber hanya melihat Req, jadi hukum Ohm memberi arus yang dialirkannya. Arus itu mengalir melalui R₁.

IR1 = V1/Req = 24/6,714 = 3,574 A

Jawaban

IR1 = 3,574 A
2.Resistor seri & paralel

Jawaban: Req = 12,59 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.

R1​ = 2 ΩR3​ = 15 ΩR5​ = 10 Ω+−V1​5 VR2​20 ΩAR4​15 ΩBR6​5 Ω

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 = 7,5 Ω
R3 + 7,5 = 22,5 Ω
R2 ∥ 22,5 = 10,59 Ω
Req = R1 + 10,59 = 2 + 10,59 = 12,59 Ω

Jawaban

Req = 12,59 Ω
3.Analisis simpul

Jawaban: I3 = 2,222 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 − 9)/8 + (VA − (−24))/15 + (VA − 18)/4 = 0

Selesaikan untuk VA

VA = (9/8 + (−24)/15 + 18/4) / (1/8 + 1/15 + 1/4) = 4,025/0,4417 = 9,113 V

Arus cabang

Panah menunjuk ke atas melalui cabang, masuk ke simpul A.

I3 = (18 − VA)/R3 = (18 − 9,113)/4 = 2,222 A

Jawaban

I3 = 2,222 A

Hasil negatif berarti arus sebenarnya mengalir berlawanan dengan panah.

4.Analisis simpul

Jawaban: Is = 0,8158 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
(8,5 − 10)/25 + 8,5/30 = (VB − 8,5)/15
0,2233 = (VB − 8,5)/15 → VB = 11,85 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 = (11,85 − 8,5)/15 + 11,85/20 = 0,8158 A

Jawaban

Is = 0,8158 A
5.Analisis mesh

Jawaban: I1 = −0,3261 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.

R1​ = 12 ΩR2​ = 5 Ω+−V1​15 VR3​10 ΩA+−V2​30 VI1​I2​

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
12·I1 + 10(I1 − I2) = 15
22·I1 − 10·I2 = 15

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
5·I2 + 10(I2 − I1) = (−30)
−10·I1 + 15·I2 = −30

Selesaikan

Δ = (22)(15) − (−10)(−10) = 230
I1 = Δ1/Δ = −75/230 = −0,3261 A
I2 = Δ2/Δ = −510/230 = −2,217 A

Jawaban

I1 = −0,3261 A

Arus mesh negatif mengalir berlawanan arah jarum jam.

6.Analisis mesh

Jawaban: I2 = 2,05 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.

R1​ = 4 ΩR2​ = 2 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​36 VR4​8 ΩAR5​6 ΩB+−V2​18 VI1​I2​I3​

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
4·I1 + 8(I1 − I2) = 36
12·I1 − 8·I2 = 36

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
2·I2 + 8(I2 − I1) + 6(I2 − I3) = 0
−8·I1 + 16·I2 − 6·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
10·I3 + 6(I3 − I2) = (−18)
−6·I2 + 16·I3 = −18

Selesaikan

Δ = determinan matriks koefisien = 1616
I1 = Δ1/Δ = 7056/1616 = 4,366 A
I2 = Δ2/Δ = 3312/1616 = 2,05 A
I3 = Δ3/Δ = −576/1616 = −0,3564 A

Jawaban

I2 = 2,05 A

Arus mesh negatif mengalir berlawanan arah jarum jam.

7.Superposisi

Jawaban: I = 3 mA

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.

Tulis respons sebagai jumlah kontribusi

Setiap kontribusi sebanding dengan sumbernya sendiri, dengan konstanta yang hanya bergantung pada resistor.

I = k₁·Vs + k₂·Is
20·k₁ + 4·k₂ = 10,4
5·k₁ + 4·k₂ = 2,9

Selesaikan konstantanya

Δ = (20)(4) − (4)(5) = 60
k₁ = Δ1/Δ = 30/60 = 0,5
k₂ = Δ2/Δ = 6/60 = 0,1
k₁ = 0,5 mA/V, k₂ = 0,1

Prediksi arus yang baru

I = 0,5·4 + 0,1·10 = 3 mA

Jawaban

I = 3 mA
8.Superposisi

Jawaban: VR2 = 11,72 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.

R1​ = 15 ΩR2​ = 4 ΩR4​ = 3 Ω+−V1​5 VR3​15 ΩATERBUKABHUBUNG SINGKAT

Kasus 1 · hanya V1

V₂ menjadi hubung singkat dan Iₛ rangkaian terbuka. Dilihat dari A, R₃ paralel dengan pasangan seri R₂+R₄.

R3 ∥ (R2+R4) = 15 ∥ 7 = 4,773 Ω
VA = 5·4,773/(15+4,773) = 1,207 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 1,207·3/7 = 0,5172 V
VR2′ = VB − VA = 0,5172 − 1,207 = −0,6897 V
R1​ = 15 ΩR2​ = 4 ΩR4​ = 3 ΩHUBUNG SINGKATR3​15 ΩAIs​5 ABHUBUNG SINGKAT

Kasus 2 · hanya Is

Kedua sumber tegangan menjadi hubung singkat. Iₛ terbagi di B antara R₄ (kini ke ground) dan R₂ yang seri dengan R₁ ∥ R₃.

R1 ∥ R3 = 7,5 Ω, jadi jalur kiri adalah R2+7,5 = 11,5 Ω
Req = R4 ∥ 11,5 = 2,379 Ω
VB = Is·Req = 5·2,379 = 11,9 V
VA = VB·7,5/11,5 = 7,759 V
VR2″ = VB − VA = 11,9 − 7,759 = 4,138 V
R1​ = 15 ΩR2​ = 4 ΩR4​ = 3 ΩHUBUNG SINGKATR3​15 ΩATERBUKAB+−V2​30 V

Kasus 3 · hanya V2

V₁ menjadi hubung singkat dan Iₛ rangkaian terbuka. R₁ ∥ R₃ tergantung dari A, seri dengan R₂ kembali ke B.

R1 ∥ R3 = 15·15/(15+15) = 7,5 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = 30·11,5/14,5 = 23,79 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = 23,79·7,5/11,5 = 15,52 V
VR2‴ = VB − VA = 23,79 − 15,52 = 8,276 V

Jumlahkan kontribusinya

VR2 = VR2′ + VR2″ + VR2‴
VR2 = (−0,6897) + 4,138 + 8,276 = 11,72 V

Hasil negatif berarti sebenarnya polaritasnya berlawanan dengan yang ditandai.

9.Thévenin & Norton

Jawaban: IL = 0,8276 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.

R1​ = 8 ΩR3​ = 5 ΩHUBUNG SINGKATR2​4 ΩAabRth​

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 = 8·4/(8+4) = 2,667 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,667 + 5 = 7,667 Ω
R1​ = 8 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​24 VR2​4 ΩAab+−Vth​

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) = 24·4/(8+4) = 8 V
Rth​ = 7,667 Ω+−Vth​8 VRL​2 ΩIL​

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) = 8/(7,667 + 2) = 0,8276 A
10.Thévenin & Norton

Jawaban: IL = 0,3078 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.

R1​ = 5 ΩR3​ = 25 ΩHUBUNG SINGKATR2​4 ΩATERBUKABabRth​

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 = 5·4/(5+4) = 2,222 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,222 + 25 = 27,22 Ω
R1​ = 5 ΩR3​ = 25 Ω+−V1​9 VR2​4 ΩAIs​0,5 ABab+−Vth​

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 + 0,5·2,222 = 5,111 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 5,111 + 0,5·25 = 17,61 V
Rth​ = 27,22 Ω+−Vth​17,61 VRL​30 ΩIL​

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) = 17,61/(27,22 + 30) = 0,3078 A
11.Transien RC & RL

Jawaban: vL = 7,085 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 dan arus akhir

Lama setelah sakelar ditutup, induktor berperilaku seperti hubung singkat, jadi arus akhir hanya ditentukan oleh R.

τ = L/R = 220 mH / 33 Ω = 6,667 ms
i(∞) = Vs/R = 15/33 = 0,4545 A

Tegangan induktor

Pada t = 0 seluruh tegangan sumber muncul pada induktor; kemudian meluruh ke nol.

vL(t) = Vs·e−t/τ = 15·e−5/6,667 = 7,085 V

Jawaban

vL = 7,085 V
12.Transien RC & RL

Jawaban: t = 43,07 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.

vC(0) = 15 V, vC(∞) = Vs = 9 V
τ = R·C = 4,7 kΩ · 10 µF = 47 ms
vC(t) = 9 + (15 − 9)·e−t/τ

Selesaikan untuk waktu

11,4 = 9 + (6)·e−t/τ → e−t/τ = (11,4 − 9)/(15 − 9) = 0,4
t = τ·ln((15 − 9)/(11,4 − 9)) = 47·ln(2,5) = 43,07 ms

Jawaban

t = 43,07 ms
13.Impedansi AC & fasor

Jawaban: φ = −80,76 °

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·100 = 628,3 rad/s
XL = ωL = 628,3·0,05 = 31,42 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(628,3·4,7·10⁻⁶) = 338,6 Ω

Impedansi

Dalam seri, impedansi dijumlahkan sebagai bilangan kompleks: Z = R + j(XL − XC).

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(50² + (−307,2)²) = 311,3 Ω

Sudut fase

φ = arctan((XL − XC)/R) = arctan(−307,2/50) = −80,76°

Jawaban

φ = −80,76°
14.Impedansi AC & fasor

Jawaban: B = 1194 Hz

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·√(0,002·0,47·10⁻⁶)) = 5191 Hz

Faktor kualitas

Q membandingkan reaktansi pada resonansi dengan resistansi: Q = ω₀L/R.

Q = (1/R)·√(L/C) = (1/15)·√(0,002/(0,47·10⁻⁶)) = 4,349

Lebar pita

B = f0/Q = 5191/4,349 = 1194 Hz

Jawaban

B = 1194 Hz
15.Daya AC & faktor daya

Jawaban: I = 139,5 A

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 tiap beban

Beban tertinggal mengambil daya reaktif (Q > 0); beban mendahului memasoknya (Q < 0).

Q1 = 25·tan(arccos 0,8) = 18,75 kvar
Q2 = −3·tan(arccos 0,7) = −3,061 kvar

Total

P = 25 + 3 = 28 kW
Q = 18,75 + (−3,061) = 15,69 kvar
S = √(28² + 15,69²) = 32,1 kVA

Arus total

I = S/V = 32096/230 = 139,5 A

Jawaban

I = 139,5 A
16.Daya AC & faktor daya

Jawaban: QC = 18,15 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 = 20·tan(53,13°) = 26,67 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 20·tan(23,07°) = 8,52 kvar
QC = Q1 − Q2 = 18,15 kvar

Jawaban

QC = 18,15 kvar
17.Daya tiga fasa

Jawaban: IL = 211,1 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 = 110/0,94 = 117 kW

Arus saluran

IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 117021/(√3·400·0,8) = 211,1 A

Jawaban

IL = 211,1 A
18.Daya tiga fasa

Jawaban: Cph = 752,6 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 = 200·tan(acos 0,7) = 200·1,02 = 204 kvar
Q2 = 200·tan(acos 0,98) = 200·0,2031 = 40,61 kvar

Daya reaktif dari kapasitor

QC = Q1 − Q2 = 163,4 kvar

Kapasitansi per fasa

Pada bank Δ, setiap kapasitor terhubung di antara dua saluran.

V = 480 V, ω = 2π·50 = 314,2 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 54476/(314,2·480²) = 752,6 µF

Jawaban

Cph = 752,6 µF
19.Transformator

Jawaban: a = 5

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 = 250
a = √(250/10) = √25 = 5

Jawaban

a = 5
20.Transformator

Jawaban: Pcu,fl = 2483 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 = 100·0,85 = 85 kW
Pin = 85000/0,965 = 88083 W

Rugi total dan rugi tembaga

Ploss = 88083 − 85000 = 3083 W
Pcu,fl = 3083 − 600 = 2483 W

Jawaban

Pcu,fl = 2483 W
21.Rangkaian op-amp

Jawaban: Vout = 3,8 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.

Masukan pembalik mengikuti masukan

V₋ = V₊ = 1,9 V
I = V₋/R1 = 1,9/47 = 0,04043 mA

Tegangan keluaran

Arus melalui R₁ juga mengalir melalui Rf.

Vout = V₋ + I·Rf = 1,9 + 0,04043·47 = 3,8 V

Jawaban

Vout = 3,8 V
22.Rangkaian op-amp

Jawaban: Vout = −0,3 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.

Arus masukan

V₋ = 0, jadi setiap resistor masukan menanggung seluruh tegangan masukannya.

I1 = V1/R1 = −1/100 = −0,01 mA
I2 = V2/R2 = 1,6/10 = 0,16 mA
If = I1 + I2 = 0,15 mA

Tegangan keluaran

Vout = −Rf·If = −2·0,15 = −0,3 V

Jawaban

Vout = −0,3 V
23.Dioda & transistor

Jawaban: VCE = 3,168 V

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.

Ekivalen Thévenin dari pembagi tegangan

VTH = 18·8,2/(22 + 8,2) = 4,887 V
RTH = 22·8,2/(22 + 8,2) = 5,974 kΩ

Arus basis

KVL di sekeliling loop basis; arus emitor adalah (β + 1)·IB.

IB = (4,887 − 0,7)/(5,974 + 151·1) = 26,68 µA

Arus kolektor

IC = 150·26,68 µA = 4,001 mA
IE = 151·26,68 µA = 4,028 mA

Tegangan kolektor–emitor

VCE = 18 − 4,001·2,7 − 4,028·1 = 3,168 V

Jawaban

VCE = 3,168 V
24.Dioda & transistor

Jawaban: Rmax = 65,38 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 = 50 + 2 = 52 mA

Resistansi terbesar

Rmax = 3,4/0,052 = 65,38 Ω

Jawaban

Rmax = 65,38 Ω
25.Sistem bilangan

Jawaban: U = 208

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

48 = 0011 0000
dibalik: 1100 1111
+1 → 1101 0000

Baca sebagai tak bertanda

1101 0000₂ = 256 − 48 = 208

Jawaban

U = 208
26.Sistem bilangan

Jawaban: R = 64

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.

Bit demi bit

AND menghasilkan 1 hanya jika kedua bit adalah 1.

1101 0011
AND 0100 1000
= 0100 0000

Nilai hasil

0100 0000₂ = 64

Jawaban

R = 64
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.

ABCD000111100001111000011302040517060120130151140809011110

Kelompokkan angka 1

Setiap kelompok adalah persegi panjang berisi 2ᵏ sel; sel di tepi bertetangga dengan sel di tepi seberangnya.

A′CD
ACD′

Bentuk SOP minimal

F = A′CD + ACD′
N = 2

Jawaban

N = 2
28.Logika digital: gerbang, peta-K & flip-flop

Jawaban: N = 3

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.

Implikan prima

Kelompok terbesar yang dapat dibentuk dari angka 1 dan X.

B′C′D, B′CD′, A′C′D, A′BD
ABCD000111100001111000110312X4X517060120130150140819011110

Implikan prima esensial

B′C′D, B′CD′, A′BD
N = 3

Jawaban

N = 3
29.Transformasi Laplace

Jawaban: f(0.3) = 0,8896

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 + 4) + C/(s + 6)
A = 50/(4·6) = 2,083
B = 50/((−4)·2) = −6,25
C = 50/((−6)·(−2)) = 4,167

Transformasi balik

f(t) = 2,083 − 6,25·e−4t + 4,167·e−6t

Hitung nilainya

f(0,3) = 2,083 − 6,25·e−4·0,3 + 4,167·e−6·0,3 = 0,8896

Jawaban

f(0,3) = 0,8896
30.Transformasi Laplace

Jawaban: y(0.8) = 1,861

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

s²Y − 1s − 15 + 7(sY − 1) + 6Y = 0
Y(s) = (s + 22)/((s + 1)(s + 6))

Pecahan parsial

A = 21/5 = 4,2
B = 16/(−5) = −3,2

Hasil

y(t) = 4,2·e−t − 3,2·e−6t
y(0,8) = 1,861

Jawaban

y(0,8) = 1,861

Periksa: y(0) = A + B = 1.

31.Diagram blok

Jawaban: T(0) = 0,3529

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).

Loop dalam

Gᵢ = G/(1 + G·H₁) = 6/(s + 4 + 6·3) = 6/(s + 22)

Loop luar

T(s) = K·Gᵢ/(1 + K·Gᵢ) = 12/(s + 22 + 12) = 12/(s + 34)

Hasil

T(0) = 12/34 = 0,3529

Jawaban

T(0) = 0,3529
32.Diagram blok

Jawaban: ωd = 9,381 rad/s

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).

Persamaan karakteristik

s(s + 8) + 52·2 = 0 → s² + 8s + 104 = 0

Akar

s = −4 ± j·√(104 − 16) = −4 ± j9,381
ωd = 9,381 rad/s

Jawaban

ωd = 9,381 rad/s
33.Respons langkah

Jawaban: %OS = 12,79 %

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 = 30 → ωₙ = 5,477 rad/s
2ζωₙ = 6 → ζ = 6/(2·5,477) = 0,5477

Hasil

%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 100·e−2,057 = 12,79 %

Jawaban

%OS = 12,79 %
34.Respons langkah

Jawaban: %OS = 16,95 %

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).

Frekuensi alami dan rasio redaman

ωₙ = 1/√(LC) = 1/√(0,05·1 × 10⁻⁴) = 447,2 rad/s
ζ = (R/2)·√(C/L) = (22/2)·√(1 × 10⁻⁴/0,05) = 0,4919

Hasil

%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 16,95 %

Jawaban

%OS = 16,95 %
35.Plot Bode dan margin

Jawaban: ∠G(jω) = −77,91 °

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.

Jumlahkan sudut

∠G = atan(10/5) − 90° − atan(10/8) = 63,43° − 90° − 51,34°

Hasil

∠G(j10) = −77,91°

Jawaban

∠G(jω) = −77,91°
36.Plot Bode dan margin

Jawaban: ω180 = 8,485 rad/s

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.

Persilangan fasa

(ω/8)·(ω/9) = 1 → ω180 = √(8·9) = 8,485 rad/s

Jawaban

ω180 = 8,485 rad/s
37.Kestabilan: Routh–Hurwitz & tempat kedudukan akar

Jawaban: m = 2,5

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.

Larik Routh

s³ + 9s² + 18s + K = 0
s³: 1, 18
s²: 9, K
s¹: (9·18 − K)/9
s⁰: K

Penguatan stabil terbesar

Kmax = 9·18 = 162

Faktor

m = 162/64,8 = 2,5

Jawaban

m = 2,5

Faktor ini adalah margin penguatan sebagai rasio: 7,959 dB.

38.Kestabilan: Routh–Hurwitz & tempat kedudukan akar

Jawaban: sb = −2,292

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.

Penguatan sepanjang sumbu real

K(s) = −(s² + 4s)/(s + 9)

Titik stasioner

Turunkan dengan aturan hasil bagi dan samakan pembilang dengan nol.

(2s + 4)(s + 9) − (s² + 4s) = s² + 18s + 36 = 0
s = −9 ± √45 = −2,292, −15,71

Titik pencar

sb = −2,292

Jawaban

sb = −2,292

Di antara titik pencar dan titik temu, tempat kedudukan berupa lingkaran yang berpusat di nol, dengan jari-jari √45 = 6,708.

39.Galat keadaan tunak & kendali PID

Jawaban: K = 245

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) = 0,02 → Kp = 49

Penguatan

K/5 = 49 → K = 245

Jawaban

K = 245

Periksa juga kestabilan loop tertutup: untuk loop orde dua ini, setiap K > 0 stabil.

40.Galat keadaan tunak & kendali PID

Jawaban: ess = 2,5

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).

Konstanta kecepatan

s·C(s) = 2s + 4 → 4 untuk s → 0.

Kv = 4·4/40 = 0,4

Galat ramp

ess = 1/0,4 = 2,5

Jawaban

ess = 2,5

Pengendali PI menghilangkan galat undak sepenuhnya; ramp diikuti dengan ketertinggalan yang konstan.

ExamProblems · examproblems.com/courses/fe-exam-electrical