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​ = 6 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​30 VR2​8 ΩIR2​AR4​12 ΩB

Cari arus IR2 melalui R2.

V1 = 30 VR1 = 6 ΩR2 = 8 ΩR3 = 5 ΩR4 = 12 Ω
IR2 = A
2.Resistor seri & paralelSulit
R1​ = 3 ΩIR1​R3​ = 20 ΩR5​ = 20 Ω+−V1​30 VR2​5 ΩAR4​5 ΩBR6​3 Ω

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

V1 = 30 VR1 = 3 ΩR2 = 5 ΩR3 = 20 ΩR4 = 5 ΩR5 = 20 ΩR6 = 3 Ω
IR1 = A
3.Analisis simpulSedang
R1​ = 8 ΩIR1​R3​ = 12 Ω+−V1​18 VR2​10 ΩAR4​5 ΩBIs​4 A

Gunakan analisis simpul untuk mencari arus IR1 melalui R1 searah panah.

V1 = 18 VIs = 4 AR1 = 8 ΩR2 = 10 ΩR3 = 12 ΩR4 = 5 Ω
IR1 = A
4.Analisis simpulSulit
R1​ = 15 ΩR2​ = 3 ΩIR2​R4​ = 10 Ω+−V1​5 VR3​20 ΩAR5​25 ΩBIs​4 A+−V2​24 V

Gunakan analisis simpul untuk mencari arus IR2 melalui R2 searah panah.

V1 = 5 VIs = 4 AV2 = 24 VR1 = 15 ΩR2 = 3 ΩR3 = 20 ΩR4 = 10 ΩR5 = 25 Ω
IR2 = A
5.Analisis meshSedang
R1​ = 12 ΩR2​ = 10 Ω+−V1​30 VR3​10 ΩA+−V2​18 VI1​I2​

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

V1 = 30 VV2 = 18 VR1 = 12 ΩR2 = 10 ΩR3 = 10 Ω
I1 = A
6.Analisis meshSulit
R1​ = 25 ΩR2​ = 15 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​18 VR4​2 ΩAR5​25 ΩB+−V2​36 VI1​I2​I3​

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

V1 = 18 VV2 = 36 VR1 = 25 ΩR2 = 15 ΩR3 = 2 ΩR4 = 2 ΩR5 = 25 Ω
I1 = A
7.SuperposisiSedang
R1​ = 6 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​15 VR2​20 Ω−+VR2​AR4​3 ΩBIs​4 A

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

V1 = 15 VIs = 4 AR1 = 6 ΩR2 = 20 ΩR3 = 6 ΩR4 = 3 Ω
VR2 = V
8.SuperposisiSulit
R1​ = 25 ΩR2​ = 30 ΩR4​ = 8 Ω+−V1​30 VR3​20 Ω−+VR3​AIs​6 AB+−V2​18 V

Gunakan superposisi untuk mencari tegangan VR3 pada R3 dengan polaritas yang ditunjukkan.

V1 = 30 VIs = 6 AV2 = 18 VR1 = 25 ΩR2 = 30 ΩR3 = 20 ΩR4 = 8 Ω
VR3 = V
9.Thévenin & NortonSedang
R1​ = 12 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​15 VR2​8 ΩAab

Cari tegangan Thévenin Vth dilihat dari terminal a–b.

V1 = 15 VR1 = 12 ΩR2 = 8 ΩR3 = 3 Ω
Vth = V
10.Thévenin & NortonSulit
R1​ = 30 ΩR3​ = 25 Ω+−V1​5 VR2​25 ΩAIs​3 ABRL​10 ΩIL​

Beban RL = 10 Ω dipasang di a–b. Ganti sisa rangkaian dengan ekuivalen Thévenin-nya dan cari arus beban IL.

V1 = 5 VIs = 3 AR1 = 30 ΩR2 = 25 ΩR3 = 25 ΩRL = 10 Ω
IL = A
11.Transien RC & RLSedang
+−Vs​15 Vt = 0R = 22 ΩL10 mHi(t)

Induktor tidak dialiri arus sebelum sakelar ditutup pada t = 0. Cari tegangan vL pada induktor saat t = 1 ms.

Vs = 15 VR = 22 ΩL = 10 mHt = 1 ms
vL = V
12.Transien RC & RLSulit
+−Vs​10 Vt = 0R = 3,3 kΩC100 µF+−vC​vC​(0) = 8 V

Tepat sebelum sakelar ditutup pada t = 0, kapasitor bertegangan 8 V dengan polaritas yang ditunjukkan. Cari tegangan kapasitor vC pada t = 200 ms.

Vs = 10 VR = 3,3 kΩC = 100 µFvC(0) = 8 Vt = 200 ms
vC = V
13.Impedansi AC & fasorSedang
24 V1000 HzR = 40 ΩL = 100 mHC = 47 µF

Rangkaian RLC seri dihubungkan ke sumber 24 V (rms), 1000 Hz. Cari sudut fase φ impedansi, dalam derajat (positif bila arus tertinggal dari tegangan).

V = 24 V (rms)f = 1000 HzR = 40 ΩL = 100 mHC = 47 µF
φ = °
14.Impedansi AC & fasorSulit
120 V1000 HzR = 80 ΩL = 100 mHC = 2,2 µFI

Rangkaian RLC seri dihubungkan ke sumber 120 V (rms), 1000 Hz. Cari arus rms I.

V = 120 V (rms)f = 1000 HzR = 80 ΩL = 100 mHC = 2,2 µF
I = A
15.Daya AC & faktor dayaSedang
P = 40 kWQ = ?Sφ

Motor satu fase menyerap 40 kW pada faktor daya 0,65 tertinggal dari sumber 240 V. Cari daya reaktif Q yang ditariknya.

P = 40 kWpf = 0,65V = 240 V
Q = kvar
16.Daya AC & faktor dayaSulit
P = 10 kWQ1​S1​φ1​QC​

Beban satu fase menyerap 10 kW pada faktor daya 0,6 tertinggal dari sumber 240 V, 60 Hz. Kapasitor yang dipasang paralel menaikkan faktor daya menjadi 0,9. Cari arus saluran baru Inew.

P = 10 kWpf1 = 0,6pf2 = 0,9V = 240 Vf = 60 Hz
Inew = A
17.Daya tiga fasaSedang
ABCVL​ = 400 VIL​ = ?M22 kW, η = 88%cos φ = 0,8

Sebuah motor induksi tiga fasa menghasilkan daya keluaran mekanis 22 kW pada beban penuh. Pada beban ini efisiensinya 88% dan faktor dayanya 0,8 tertinggal. Sumbernya memiliki tegangan antarsaluran 400 V. Cari arus saluran IL.

Pout = 22 kWη = 88%cos φ = 0,8VL = 400 V
IL = A
18.Daya tiga fasaSulit
P = 60 kWφ1​S1​Q2​QC​ = ?

Beban tiga fasa seimbang menyerap 60 kW pada faktor daya 0,8 tertinggal dari sumber 480 V (antarsaluran), 50 Hz. Bank kapasitor tiga fasa yang diparalel dengan beban harus menaikkan faktor daya keseluruhan menjadi 0,92 tertinggal. Daya nyatanya tetap sama. Cari daya reaktif total QC yang harus disuplai bank kapasitor, dalam kvar.

P = 60 kWpf1 = 0,8pf2 = 0,92VL = 480 Vf = 50 Hz
QC = kvar
19.TransformatorSedang
480 V240 VIHV​ILV​ = ?500 kVA

Sebuah transformator satu fasa 500 kVA, 480/240 V bekerja pada beban pengenalnya. Anggap ideal. Cari arus ILV pada kumparan tegangan rendah.

S = 500 kVAV1 = 480 VV2 = 240 V
ILV = A
20.TransformatorSulit
pf 0,850 kVA, 75% beban

Sebuah transformator satu fasa 50 kVA memiliki rugi inti 300 W dan rugi tembaga 450 W pada beban pengenal. Transformator menyuplai 75% dari kVA pengenalnya pada faktor daya 0,8 tertinggal. Cari rugi total Ploss dalam watt pada beban ini.

S = 50 kVAPcore = 300 WPcu,fl = 450 Wx = 0,75pf = 0,8
Ploss = W
21.Rangkaian op-ampSedang
−+Vout​Rf​ = 47 kΩR1​ = 47 kΩVin​ = 0,8 V

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

Vin = 0,8 VR1 = 47 kΩRf = 47 kΩ
Vout = V
22.Rangkaian op-ampSulit
−+Vout​Rf​ = 2 kΩV1​ = −0,4 VR1​ = 1 kΩV2​ = 0,6 VR2​ = 22 kΩ

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

V1 = −0,4 VV2 = 0,6 VR1 = 1 kΩR2 = 22 kΩRf = 2 kΩ
Vout = V
23.Dioda & transistorSedang
+−9 VR = ?2 × 3,2 V5 mA

2 LED biru (tegangan maju 3,2 V masing-masing) dihubungkan seri dengan resistor ke catu 9 V. Cari resistansi R yang menetapkan arus sebesar 5 mA.

Vs = 9 VVF = 3,2 Vn = 2I = 5 mA
R = Ω
24.Dioda & transistorSulit
+−≤ 18 V220 Ω5,6 V

Regulator Zener 5,6 V memiliki resistor seri 220 Ω. Masukan dapat naik hingga 18 V, dan beban mungkin terlepas. Cari daya terbesar PZ,max yang harus didisipasikan Zener.

Vin,max = 18 VVZ = 5,6 VR = 220 Ω
PZ,max = mW
25.Sistem bilanganSedang
Komplemen dua 8-bit0−12806403201608040201

Atur bit sehingga menyimpan −95 dalam komplemen dua 8-bit. Dibaca sebagai bilangan tak bertanda, berapa nilai pola U?

N = −958 bit
U =
26.Sistem bilanganSulit
8 bit1 px800 px600 pxM = ? KiB

Sebuah gambar tak terkompresi berukuran 800 × 600 piksel dengan 8 bit per piksel. Berapa memori M yang dipakainya, dalam KiB (1 KiB = 1024 byte)?

800 × 600 px8 bit/px1 KiB = 1024 B
M = KiB
27.Logika digital: gerbang, peta-K & flip-flopSedang
ABCD000111100001111000110312040507060121130150140819011010

Pakai peta Karnaugh untuk mencari bentuk hasil kali dari jumlah (POS) minimal dari F(A, B, C, D) = Σm(1, 2, 9, 13). Berapa suku jumlah (faktor) N yang dimilikinya?

F(A, B, C, D) = Σm(1, 2, 9, 13)
N =
28.Logika digital: gerbang, peta-K & flip-flopSulit
CLKJK1234567

Flip-flop JK yang dipicu tepi positif dimulai dengan Q = 0 dan menerima masukan yang ditunjukkan. Klik tepi clock pertama saat Q kembali dari 1 ke 0.

Q₀ = 0JK
  1. 1tepi clock 1
  2. 2tepi clock 2
  3. 3tepi clock 3
  4. 4tepi clock 4
  5. 5tepi clock 5
  6. 6tepi clock 6
  7. 7tepi clock 7
29.Transformasi LaplaceSedang
ReIm−1−2−3−4−5−6−7−81

Tentukan f(t) untuk F(s) = (s + 7)/(s² + 4s + 5) dengan melengkapkan kuadrat, lalu hitung f(0,25).

F(s) = (s + 7)/(s² + 4s + 5)t = 0,25 s
f(0.25) =
30.Transformasi LaplaceSulit
t (s)y(t)t = 0,8y(0,8) = ?

Sebuah sistem memenuhi y″ + 7y′ + 6y = 18·u(t). Sistem mulai dari keadaan diam (y(0) = 0, y′(0) = 0) dan masukannya adalah fungsi langkah u(t) = 10 untuk t ≥ 0. Gunakan transformasi Laplace untuk mencari keluaran y(0,8).

y″ + 7y′ + 6y = 18·u(t)u(t) = 10y(0) = 0, y′(0) = 0t = 0,8 s
y(0.8) =
31.Diagram blokSedang
R(s)+10(s + 8)(s + 2)(s + 6)G(s)C(s)−

Loop umpan balik negatif satuan memiliki G(s) = 10(s + 8)/((s + 2)(s + 6)). Masukan langkah berukuran 1 diberikan pada referensi. Tentukan galat keadaan tunak ess.

G(s) = 10(s + 8)/((s + 2)(s + 6))R = 1
ess =
32.Diagram blokSulit
R(s)+20pengendali+D(s)+9s + 10plantC(s)−

Pengendali proporsional K = 20 menggerakkan plant G(s) = 9/(s + 10) dalam loop umpan balik negatif satuan. Sebuah gangguan D masuk di masukan plant (ditambahkan ke keluaran pengendali). Dengan R = 0, gangguan langkah berukuran 5 diberikan. Tentukan keluaran keadaan tunak css.

K = 20G(s) = 9/(s + 10)D = 5R = 0
css =
33.Respons langkahSedang
t (s)y(t)2

Sebuah sistem memiliki fungsi alih G(s) = 32/(s² + 2s + 16) dan menerima masukan langkah satuan. Tentukan frekuensi alami ωn dalam rad/s.

G(s) = 32/(s² + 2s + 16)
ωn = rad/s
34.Respons langkahSulit
t (s)y(t)1tp​ = 0,2 s2 %

Respons langkah sebuah sistem orde dua tanpa nol menunjukkan overshoot 2 %, dan puncak pertama terjadi pada t = 0,2 s. Tentukan frekuensi alami ωn.

%OS = 2 %tp = 0,2 s
ωn = rad/s
35.Plot Bode dan marginSedang
|H| (dB)0,11101001000−60−40−2002040ω (rad/s)ω = 30

Cari besar eksak |G(jω)| dari G(s) = 2142/((s + 9)(s + 17)) pada ω = 30 rad/s, dalam dB.

G(s) = 2142/((s + 9)(s + 17))ω = 30 rad/s
|G(jω)| = dB
36.Plot Bode dan marginSulit
|H| (dB)0,10,111101010010010001000−60−40−200204060ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−180−135−90−450ωc​ = ?

Lingkar umpan balik satuan memiliki fungsi alih lingkar terbuka L(s) = 140/(s(s + 5)). Cari frekuensi persilangan penguatan ωc, tempat |L(jω)| = 1.

L(s) = 140/(s(s + 5))
ωc = rad/s
37.Kestabilan: Routh–Hurwitz & tempat kedudukan akarSedang
R(s)+K1s(s + 2)(s + 10)C(s)−

Loop pada diagram memiliki fungsi alih loop terbuka L(s) = K/(s(s + 2)(s + 10)). Cari penguatan terbesar Kmax agar loop tertutup stabil.

L(s) = K/(s(s + 2)(s + 10))
Kmax =
38.Kestabilan: Routh–Hurwitz & tempat kedudukan akarSulit
ReIm−1−2−3−4−5−6j1−1

Untuk loop L(s) = K/(s(s + 2)(s + 5)), cari penguatan K yang menempatkan kutub loop tertutup di s = −1.

L(s) = K/(s(s + 2)(s + 5))s = −1
K =
39.Galat keadaan tunak & kendali PIDSedang
r(t) = 0,5·t²/2+10(s + 3)s²(s + 1)C(s)−

Masukan parabola r(t) = 0,5·t²/2 diberikan ke loop umpan balik satuan dengan G(s) = 10(s + 3)/(s²(s + 1)). Cari galat keadaan tunak ess.

G(s) = 10(s + 3)/(s²(s + 1))r(t) = 0,5·t²/2
ess =
40.Galat keadaan tunak & kendali PIDSulit
R(s)+K = 162s(s + 6)C(s)−

Pengendali proporsional K = 16 mengendalikan plant G(s) = 2/(s(s + 6)) dalam loop umpan balik satuan. Tentukan persen overshoot %OS dari respons langkah.

G(s) = 2/(s(s + 6))K = 16
%OS = %

3Larutan

1.Resistor seri & paralel

Jawaban: IR2 = 1,783 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​ = 6 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​30 VR2​8 ΩAR4​12 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 = 5 + 12 = 17 Ω
R2 ∥ 17 = 8·17/(8+17) = 5,44 Ω
Req = R1 + 5,44 = 6 + 5,44 = 11,44 Ω

Arus dari sumber

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

IR1 = V1/Req = 30/11,44 = 2,622 A

Arus melalui R₂

Kurangi jatuh tegangan pada R₁ untuk mendapat tegangan di simpul A, yaitu tegangan pada R₂.

VA = V1 − IR1·R1 = 30 − 2,622·6 = 14,27 V
IR2 = VA/R2 = 14,27/8 = 1,783 A

Jawaban

IR2 = 1,783 A
2.Resistor seri & paralel

Jawaban: IR1 = 4,201 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​ = 3 ΩR3​ = 20 ΩR5​ = 20 Ω+−V1​30 VR2​5 ΩAR4​5 ΩBR6​3 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 = 20 + 3 = 23 Ω
R4 ∥ 23 = 4,107 Ω
R3 + 4,107 = 24,11 Ω
R2 ∥ 24,11 = 4,141 Ω
Req = R1 + 4,141 = 3 + 4,141 = 7,141 Ω

Arus dari sumber

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

IR1 = V1/Req = 30/7,141 = 4,201 A

Jawaban

IR1 = 4,201 A
3.Analisis simpul

Jawaban: IR1 = 0,7409 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.

R1​ = 8 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​18 VR2​10 ΩAR4​5 ΩBIs​4 A

Tentukan simpul

Ground adalah kawat bawah. Tegangan simpul yang diketahui langsung berasal dari sumber (V1 = 18 V). Yang tidak diketahui: VA, VB.

KCL di simpul A

Arus yang keluar dari A melalui resistor sama dengan arus yang dimasukkan sumber ke A.

VA/R2 + (VA − V1)/R1 + (VA − VB)/R3 = 0
VA/10 + (VA − 18)/8 + (VA − VB)/12 = 0
0,3083·VA − 0,08333·VB = 2,25

KCL di simpul B

Arus yang keluar dari B melalui resistor sama dengan arus yang dimasukkan sumber ke B.

VB/R4 + (VB − VA)/R3 = Is
VB/5 + (VB − VA)/12 = 4
−0,08333·VA + 0,2833·VB = 4

Selesaikan

Δ = (0,3083)(0,2833) − (−0,08333)(−0,08333) = 0,08042
VA = Δ1/Δ = 0,9708/0,08042 = 12,07 V
VB = Δ2/Δ = 1,421/0,08042 = 17,67 V

Jawaban

IR1 = (V1 − VA)/R1 = (18 − 12,07)/8 = 0,7409 A
4.Analisis simpul

Jawaban: IR2 = −2,29 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.

R1​ = 15 ΩR2​ = 3 ΩR4​ = 10 Ω+−V1​5 VR3​20 ΩAR5​25 ΩBIs​4 A+−V2​24 V

Tentukan simpul

Ground adalah kawat bawah. Tegangan simpul yang diketahui langsung berasal dari sumber (V1 = 5 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/20 + (VA − 5)/15 + (VA − VB)/3 = 0
0,45·VA − 0,3333·VB = 0,3333

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/25 + (VB − VA)/3 + (VB − 24)/10 = 4
−0,3333·VA + 0,4733·VB = 6,4

Selesaikan

Δ = (0,45)(0,4733) − (−0,3333)(−0,3333) = 0,1019
VA = Δ1/Δ = 2,291/0,1019 = 22,49 V
VB = Δ2/Δ = 2,991/0,1019 = 29,36 V

Jawaban

IR2 = (VA − VB)/R2 = (22,49 − 29,36)/3 = −2,29 A
5.Analisis mesh

Jawaban: I1 = 1,235 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​ = 10 Ω+−V1​30 VR3​10 ΩA+−V2​18 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) = 30
22·I1 − 10·I2 = 30

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
10·I2 + 10(I2 − I1) = (−18)
−10·I1 + 20·I2 = −18

Selesaikan

Δ = (22)(20) − (−10)(−10) = 340
I1 = Δ1/Δ = 420/340 = 1,235 A
I2 = Δ2/Δ = −96/340 = −0,2824 A

Jawaban

I1 = 1,235 A

Arus mesh negatif mengalir berlawanan arah jarum jam.

6.Analisis mesh

Jawaban: I1 = 0,5399 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​ = 25 ΩR2​ = 15 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​18 VR4​2 ΩAR5​25 ΩB+−V2​36 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
25·I1 + 2(I1 − I2) = 18
27·I1 − 2·I2 = 18

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 + 2(I2 − I1) + 25(I2 − I3) = 0
−2·I1 + 42·I2 − 25·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
2·I3 + 25(I3 − I2) = (−36)
−25·I2 + 27·I3 = −36

Selesaikan

Δ = determinan matriks koefisien = 13635
I1 = Δ1/Δ = 7362/13635 = 0,5399 A
I2 = Δ2/Δ = −23328/13635 = −1,711 A
I3 = Δ3/Δ = −39780/13635 = −2,917 A

Jawaban

I1 = 0,5399 A

Arus mesh negatif mengalir berlawanan arah jarum jam.

7.Superposisi

Jawaban: VR2 = −11,69 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​ = 6 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​15 VR2​20 ΩAR4​3 ΩBTERBUKA

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 = 6+3 = 9 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 20·9/(20+9) = 6,207 Ω
VA = 15·6,207/(6+6,207) = 7,627 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 7,627·3/9 = 2,542 V
VR2′ = 0 − VA = 0 − 7,627 = −7,627 V
R1​ = 6 ΩR3​ = 6 ΩHUBUNG SINGKATR2​20 ΩAR4​3 ΩBIs​4 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 = 6·20/(6+20) = 4,615 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 3 ∥ 10,62 = 2,339 Ω
VB = Is·Req = 4·2,339 = 9,356 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 9,356·4,615/10,62 = 4,068 V
VR2″ = 0 − VA = 0 − 4,068 = −4,068 V

Jumlahkan kontribusinya

VR2 = VR2′ + VR2″
VR2 = (−7,627) + (−4,068) = −11,69 V

Hasil negatif berarti sebenarnya polaritasnya berlawanan dengan yang ditandai.

8.Superposisi

Jawaban: VR3 = −25,25 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​ = 25 ΩR2​ = 30 ΩR4​ = 8 Ω+−V1​30 VR3​20 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) = 20 ∥ 38 = 13,1 Ω
VA = 30·13,1/(25+13,1) = 10,32 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 10,32·8/38 = 2,172 V
VR3′ = 0 − VA = 0 − 10,32 = −10,32 V
R1​ = 25 ΩR2​ = 30 ΩR4​ = 8 ΩHUBUNG SINGKATR3​20 ΩAIs​6 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 = 11,11 Ω, jadi jalur kiri adalah R2+11,11 = 41,11 Ω
Req = R4 ∥ 41,11 = 6,697 Ω
VB = Is·Req = 6·6,697 = 40,18 V
VA = VB·11,11/41,11 = 10,86 V
VR3″ = 0 − VA = 0 − 10,86 = −10,86 V
R1​ = 25 ΩR2​ = 30 ΩR4​ = 8 ΩHUBUNG SINGKATR3​20 ΩATERBUKAB+−V2​18 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 = 25·20/(25+20) = 11,11 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = 18·41,11/49,11 = 15,07 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = 15,07·11,11/41,11 = 4,072 V
VR3‴ = 0 − VA = 0 − 4,072 = −4,072 V

Jumlahkan kontribusinya

VR3 = VR3′ + VR3″ + VR3‴
VR3 = (−10,32) + (−10,86) + (−4,072) = −25,25 V

Hasil negatif berarti sebenarnya polaritasnya berlawanan dengan yang ditandai.

9.Thévenin & Norton

Jawaban: Vth = 6 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.

R1​ = 12 ΩR3​ = 3 ΩHUBUNG SINGKATR2​8 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 = 12·8/(12+8) = 4,8 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 4,8 + 3 = 7,8 Ω
R1​ = 12 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​15 VR2​8 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) = 15·8/(12+8) = 6 V
10.Thévenin & Norton

Jawaban: IL = −2,336 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​ = 30 ΩR3​ = 25 ΩHUBUNG SINGKATR2​25 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 = 30·25/(30+25) = 13,64 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 13,64 + 25 = 38,64 Ω
R1​ = 30 ΩR3​ = 25 Ω+−V1​5 VR2​25 ΩAIs​3 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) = 2,273 + (−3)·13,64 = −38,64 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = −38,64 + (−3)·25 = −113,6 V
Rth​ = 38,64 Ω−+Vth​113,6 VRL​10 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) = −113,6/(38,64 + 10) = −2,336 A
11.Transien RC & RL

Jawaban: vL = 1,662 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 = 10 mH / 22 Ω = 0,4545 ms
i(∞) = Vs/R = 15/22 = 0,6818 A

Tegangan induktor

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

vL(t) = Vs·e−t/τ = 15·e−1/0,4545 = 1,662 V

Jawaban

vL = 1,662 V
12.Transien RC & RL

Jawaban: vC = 8,909 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.

Nilai awal, nilai akhir, konstanta waktu

Tegangan kapasitor tidak dapat melompat, jadi dimulai dari nilai tersimpannya dan menuju tegangan sumber.

vC(0) = 8 V, vC(∞) = Vs = 10 V
τ = R·C = 3,3 kΩ · 100 µF = 330 ms
vC(t) = 10 + (8 − 10)·e−t/τ

Tegangan pada waktu tertentu

vC(200) = 10 + (−2)·e−200/330 = 8,909 V

Jawaban

vC = 8,909 V
13.Impedansi AC & fasor

Jawaban: φ = 86,34 °

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·1000 = 6283 rad/s
XL = ωL = 6283·0,1 = 628,3 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(6283·47·10⁻⁶) = 3,386 Ω

Impedansi

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

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(40² + (624,9)²) = 626,2 Ω

Sudut fase

φ = arctan((XL − XC)/R) = arctan(624,9/40) = 86,34°

Jawaban

φ = 86,34°
14.Impedansi AC & fasor

Jawaban: I = 0,2136 A

Rangkaian AC dengan fasor: resistor, induktor, dan kapasitor memiliki impedansi R, jωL, dan 1/(jωC), dengan ω = 2πf. Dalam seri, impedansi dijumlahkan seperti resistansi, tetapi sebagai bilangan kompleks. Arus dan tegangan rms mengikuti hukum Ohm dengan |Z|.

Reaktansi

ω = 2πf = 2π·1000 = 6283 rad/s
XL = ωL = 6283·0,1 = 628,3 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(6283·2,2·10⁻⁶) = 72,34 Ω

Impedansi

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

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(80² + (556)²) = 561,7 Ω

Arus

Arus yang sama mengalir melalui setiap elemen rangkaian seri.

I = V/|Z| = 120/561,7 = 0,2136 A

Jawaban

I = 0,2136 A
15.Daya AC & faktor daya

Jawaban: Q = 46,77 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.

Sudut

φ = arccos(0,65) = 49,46°, tan φ = 1,169

Daya reaktif

Q = P·tan φ = 40·1,169 = 46,77 kvar

Jawaban

Q = 46,77 kvar
16.Daya AC & faktor daya

Jawaban: Inew = 46,3 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 sebelum dan sesudah

Daya nyata P tidak berubah; hanya daya reaktif yang ditarik dari sumber yang berubah.

Q1 = P·tan φ1 = 10·tan(53,13°) = 13,33 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 10·tan(25,84°) = 4,843 kvar
QC = Q1 − Q2 = 8,49 kvar

Arus saluran baru

Inew = P/(V·cos φ2) = 10000/(240·0,9) = 46,3 A

Jawaban

Inew = 46,3 A
17.Daya tiga fasa

Jawaban: IL = 45,11 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 = 22/0,88 = 25 kW

Arus saluran

IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 25000/(√3·400·0,8) = 45,11 A

Jawaban

IL = 45,11 A
18.Daya tiga fasa

Jawaban: QC = 19,44 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 = 60·tan(acos 0,8) = 60·0,75 = 45 kvar
Q2 = 60·tan(acos 0,92) = 60·0,426 = 25,56 kvar

Daya reaktif dari kapasitor

QC = Q1 − Q2 = 19,44 kvar

Jawaban

QC = 19,44 kvar
19.Transformator

Jawaban: ILV = 2083 A

Transformator ideal: tegangan sebanding dengan jumlah lilitan dan arus berbanding terbalik: V₁/V₂ = N₁/N₂ = a dan I₁/I₂ = N₂/N₁ = 1/a, sehingga daya masuk sama dengan daya keluar, V₁·I₁ = V₂·I₂. Impedansi beban Z di sisi sekunder terlihat sebagai a²·Z dari sisi primer.

Arus pengenal

Kedua kumparan membawa daya semu yang sama.

ILV = S/V = 500000/240 = 2083 A

Jawaban

ILV = 2083 A
20.Transformator

Jawaban: Ploss = 553,1 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.

Rugi tembaga pada beban ini

Pcu = x²·Pcu,fl = 0,5625·450 = 253,1 W

Rugi total

Rugi inti sama pada beban berapa pun.

Ploss = 300 + 253,1 = 553,1 W

Jawaban

Ploss = 553,1 W

Efisiensi pada beban ini adalah η = 98,19%.

21.Rangkaian op-amp

Jawaban: Vout = 1,6 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₊ = 0,8 V
I = V₋/R1 = 0,8/47 = 0,01702 mA

Tegangan keluaran

Arus melalui R₁ juga mengalir melalui Rf.

Vout = V₋ + I·Rf = 0,8 + 0,01702·47 = 1,6 V

Jawaban

Vout = 1,6 V
22.Rangkaian op-amp

Jawaban: Vout = 0,7455 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 = −0,4/1 = −0,4 mA
I2 = V2/R2 = 0,6/22 = 0,02727 mA
If = I1 + I2 = −0,3727 mA

Tegangan keluaran

Vout = −Rf·If = −2·(−0,3727) = 0,7455 V

Jawaban

Vout = 0,7455 V
23.Dioda & transistor

Jawaban: R = 520 Ω

Rangkaian LED dan dioda: LED bias maju menjatuhkan tegangan sekitar tegangan majunya VF (sekitar 2 V untuk merah, 3 V untuk biru atau putih), berapa pun arusnya. Resistor seri menentukan arus: R = (Vs − n·VF)/I untuk n LED seri. Dengan model dioda yang lebih eksak V = V₀ + I·rd, titik kerja berada di tempat garis dioda berpotongan dengan garis beban I = (Vs − V)/R, sehingga I = (Vs − V₀)/(R + rd).

Tegangan pada resistor

VR = 9 − 2·3,2 = 2,6 V

Hambatan

R = 2,6/0,005 = 520 Ω

Jawaban

R = 520 Ω

Resistor menyerap daya 13 mW.

24.Dioda & transistor

Jawaban: PZ,max = 315,6 mW

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 Zener kasus terburuk

IZ = 12,4/220 = 56,36 mA

Daya Zener

PZ = 5,6·56,36 = 315,6 mW

Jawaban

PZ,max = 315,6 mW
25.Sistem bilangan

Jawaban: U = 161

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

95 = 0101 1111
dibalik: 1010 0000
+1 → 1010 0001

Baca sebagai tak bertanda

1010 0001₂ = 256 − 95 = 161

Jawaban

U = 161
26.Sistem bilangan

Jawaban: M = 468,8 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

800·600·8 = 3840000 bit = 480000 B

Ubah ke KiB

480000/1024 = 468,75 KiB

Jawaban

M = 468,75 KiB
27.Logika digital: gerbang, peta-K & flip-flop

Jawaban: N = 4

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.

ABCD000111100001111000110312040507060121130150140819011010

Kelompokkan angka 0

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

(C + D)
(C′ + D′)
(A′ + D)
(A + B′)

Bentuk POS minimal

F = (C + D)(C′ + D′)(A′ + D)(A + B′)
N = 4

Jawaban

N = 4

Ada pengelompokan lain dengan ukuran sama; banyaknya suku dan literalnya sama.

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

Jawaban: tepi clock 3

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.

Q setelah setiap tepi

Flip-flop JK: 00 bertahan, 01 reset (Q = 0), 10 set (Q = 1), 11 berbalik.

1: J = 0, K = 0 → Q = 0
2: J = 1, K = 1 → Q = 1
3: J = 1, K = 1 → Q = 0
4: J = 0, K = 1 → Q = 0
5: J = 1, K = 0 → Q = 1
6: J = 0, K = 0 → Q = 1
7: J = 1, K = 1 → Q = 0

Perubahan pertama dari 1 ke 0

tepi clock 3

Jawaban

tepi clock 3
29.Transformasi Laplace

Jawaban: f(0.25) = 1,338

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).

Lengkapkan kuadrat

s² + 4s + 5 = (s + 2)² + 1 = (s + 2)² + 1²

Cocokkan pembilangnya

F(s) = 1·(s + 2)/((s + 2)² + 1²) + (5/1)·1/((s + 2)² + 1²)

Transformasi balik

f(t) = e−2t·(cos 1t + 5·sin 1t)
f(0,25) = e−2·0,25·(cos(1·0,25) + 5·sin(1·0,25)) = 1,338

Jawaban

f(0,25) = 1,338
30.Transformasi Laplace

Jawaban: y(0.8) = 13,87

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

Y(s) = 180/(s(s + 1)(s + 6))

Pecahan parsial

A = 180/(1·6) = 30
B = 180/((−1)·5) = −36
C = 180/((−6)·(−5)) = 6

Haluaran

y(t) = 30 − 36·e−t + 6·e−6t
y(0,8) = 13,87

Jawaban

y(0,8) = 13,87
31.Diagram blok

Jawaban: ess = 0,1304

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).

Konstanta galat posisi

Kₚ = G(0) = 10·8/(2·6) = 6,667

Galat keadaan tunak

ess = A/(1 + Kₚ) = 1/(1 + 6,667) = 0,1304

Jawaban

ess = 0,1304
32.Diagram blok

Jawaban: css = 0,2368

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) = 9/(s + 10 + 180)

Keadaan tunak

css = 5·9/190 = 0,2368

Jawaban

css = 0,2368

K yang lebih besar mengurangi pengaruh gangguan, tetapi tidak pernah sampai nol dengan pengendali proporsional.

33.Respons langkah

Jawaban: ωn = 4 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).

Bandingkan dengan bentuk baku

Penyebut harus cocok dengan s² + 2ζωₙs + ωₙ².

ωₙ² = 16 → ωₙ = 4 rad/s
2ζωₙ = 2 → ζ = 2/(2·4) = 0,25

Hasil

ωₙ = 4 rad/s

Jawaban

ωn = 4 rad/s
34.Respons langkah

Jawaban: ωn = 25,09 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).

Rasio redaman

ζ = −ln(0,02)/√(π² + ln²(0,02)) = 3,912/√(9,87 + 15,3) = 0,7797

Frekuensi alami

ωd = π/tp = π/0,2 = 15,71 rad/s
ωₙ = ωd/√(1 − ζ²) = 15,71/0,6261 = 25,09 rad/s

Jawaban

ωn = 25,09 rad/s
35.Plot Bode dan margin

Jawaban: |G(jω)| = 5,948 dB

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.

Kalikan besar

|G(j30)| = 2142/(√(30² + 9²)·√(30² + 17²)) = 2142/(31,32·34,48) = 1,983

Hasil

20·log₁₀(1,983) = 5,948 dB

Jawaban

|G(jω)| = 5,948 dB
36.Plot Bode dan margin

Jawaban: ωc = 11,32 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 penguatan

ω⁴ + 25ω² − 19600 = 0
ω² = (−25 + √(625 + 4·19600))/2 = 128,1
ωc = 11,32 rad/s

Jawaban

ωc = 11,32 rad/s
37.Kestabilan: Routh–Hurwitz & tempat kedudukan akar

Jawaban: Kmax = 240

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.

Persamaan karakteristik

s³ + 12s² + 20s + K = 0

Larik Routh

s³: 1, 20
s²: 12, K
s¹: (12·20 − K)/12
s⁰: K

Syarat

Setiap entri kolom pertama harus positif.

K > 0
12·20 − K > 0 → K < 240

Jawaban

Kmax = 240

Pada K = 240 loop tertutup berosilasi pada ω = √20 = 4,472 rad/s.

38.Kestabilan: Routh–Hurwitz & tempat kedudukan akar

Jawaban: K = 4

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.

Syarat besar

K = |s|·|s + 2|·|s + 5|

Hitung di titik tersebut

K = 1·1·4 = 4

Jawaban

K = 4

Periksa: s(s + 2)(s + 5) + K bernilai nol di s = −1.

39.Galat keadaan tunak & kendali PID

Jawaban: ess = 0,01667

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 percepatan

Ka = 10·3/1 = 30

Galat parabola

ess = 0,5/30 = 0,01667

Jawaban

ess = 0,01667
40.Galat keadaan tunak & kendali PID

Jawaban: %OS = 14,01 %

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

s(s + 6) + 16·2 = s² + 6s + 32

ωₙ dan ζ

ωₙ = √32 = 5,657 rad/s
ζ = 6/(2·5,657) = 0,5303

Lewatan

%OS = 100·e−0,5303π/√(1 − 0,5303²) = 14,01 %

Jawaban

%OS = 14,01 %

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