Di jendela cetak, pilih “Simpan sebagai PDF” untuk menyimpan salinan di perangkat Anda.
1Rumus dan metode
Resistor seri & paralel
Resistor seri
Req = R1 + R2 + …
Resistor paralel
1/Req = 1/R1 + 1/R2 + …
Dua resistor paralel
Req = R1R2 / (R1 + R2)
Hukum Ohm
V = I·R
Daya
P = V·I = I²R = V²/R
Metode
Mulailah dari ujung jaringan yang paling jauh dari terminal.
Gabungkan resistor seri dengan menjumlahkannya, dan resistor paralel dengan 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …
Gambar ulang rangkaian setelah setiap langkah.
Ulangi sampai tersisa satu resistor di antara terminal.
Analisis simpul
Hukum arus Kirchhoff
ΣIin = ΣIout
Arus cabang
I = (Va − Vb)/R
Simpul referensi
Vground = 0
Metode
Pilih simpul referensi (ground) dan beri label tegangan simpul lainnya.
Tulis hukum arus Kirchhoff di setiap simpul yang tidak diketahui: arus yang keluar melalui setiap cabang sama dengan arus yang masuk.
Nyatakan setiap arus cabang sebagai (Va − Vb)/R.
Selesaikan sistem persamaannya, lalu cari arus yang Anda perlukan.
Analisis mesh
Hukum tegangan Kirchhoff
ΣV = 0 di setiap loop
Resistor bersama
arus = I1 − I2
Sumber arus dalam mesh
menetapkan arus mesh tersebut
Metode
Gambar arus searah jarum jam di setiap mesh (jendela) rangkaian.
Terapkan hukum tegangan Kirchhoff di sekeliling setiap mesh: jumlah tegangan jatuh sama dengan nol.
Pada resistor yang dipakai bersama oleh dua mesh, arusnya adalah selisih kedua arus mesh.
Selesaikan persamaannya; hasil negatif berarti arus mengalir ke arah sebaliknya.
Superposisi
Superposisi
x = x1 + x2 + … (one source at a time)
Sumber tegangan dimatikan
hubung singkat (0 V)
Sumber arus dimatikan
rangkaian terbuka (0 A)
Pembagi tegangan
V2 = V·R2/(R1 + R2)
Pembagi arus
I1 = I·R2/(R1 + R2)
Metode
Hitung jumlah sumber independen. Anda akan menyelesaikan satu rangkaian yang lebih sederhana untuk setiap sumber.
Pertahankan satu sumber dan matikan yang lain: sumber tegangan menjadi hubung singkat (kawat), sumber arus menjadi rangkaian terbuka (celah).
Selesaikan rangkaian yang lebih sederhana untuk tegangan atau arus yang Anda perlukan, dengan memperhatikan arahnya.
Ulangi untuk setiap sumber, lalu jumlahkan kontribusinya beserta tandanya.
Thévenin & Norton
Tegangan Thévenin
Vth = Vopen circuit
Resistansi Thévenin
Rth: semua sumber dimatikan, dilihat dari a–b
Arus Norton
IN = Vth/Rth
Arus beban
IL = Vth/(Rth + RL)
Transfer daya maksimum
RL = Rth, Pmax = Vth²/(4Rth)
Metode
Lepaskan beban dan tandai kedua terminal a dan b.
Cari tegangan rangkaian terbuka antara a dan b: inilah Vth.
Matikan semua sumber independen dan cari hambatan yang terlihat dari a–b: inilah Rth.
Pasang kembali beban pada rangkaian ekuivalen: Vth seri dengan Rth.
Untuk ekuivalen Norton, konversikan: IN = Vth/Rth, dengan RN = Rth secara paralel.
Transien RC & RL
Konstanta waktu
τ = RC | τ = L/R
Respons
x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ
Kapasitor pada DC
rangkaian terbuka; vC tidak dapat melompat
Induktor pada DC
hubung singkat; iL tidak dapat melompat
Keadaan tunak
t ≈ 5τ
Metode
Cari nilai awal sesaat setelah sakelar berpindah: tegangan kapasitor dan arus induktor tidak dapat melompat.
Cari nilai akhir lama setelah sakelar berpindah: kapasitor berperilaku sebagai rangkaian terbuka, induktor sebagai hubung singkat.
Cari konstanta waktu: τ = RC atau τ = L/R, dengan hambatan yang terlihat oleh kapasitor atau induktor.
Gunakan x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ.
Impedansi AC & fasor
Impedansi
ZR = R, ZL = jωL, ZC = 1/(jωC)
Frekuensi sudut
ω = 2πf
Besar dan sudut
|Z| = √(R² + X²), φ = atan(X/R)
Hukum Ohm dalam fasor
V = I·Z
Metode
Ubah frekuensinya: ω = 2πf.
Cari setiap reaktansi: XL = ωL dan XC = 1/(ωC).
Jumlahkan impedansi seperti resistor, dengan Z = R + jX.
Cari besar |Z| = √(R² + X²) dan sudut φ = atan(X/R), lalu gunakan hukum Ohm dengan fasor.
Daya AC & faktor daya
Daya nyata
P = V·I·cos φ
Daya reaktif
Q = V·I·sin φ
Daya semu
S = V·I = √(P² + Q²)
Faktor daya
pf = cos φ = P/S
Kapasitor kompensasi
QC = P(tan φ1 − tan φ2), C = QC/(ωV²)
Daya tiga fasa
Hubungan Y
VL = √3·Vph, IL = Iph
Hubungan Δ
VL = Vph, IL = √3·Iph
Daya nyata total
P = √3·VL·IL·cos φ = 3·Iph²·R
Daya semu dan daya reaktif
S = √3·VL·IL, Q = P·tan φ
Kapasitor perbaikan faktor daya
QC = P(tan φ1 − tan φ2), C = QC/(3ωV²)
Tegangan pada setiap kapasitor
Δ: VL Y: VL/√3
Daya masukan motor
Pin = Pout/η
Transformator
Rasio lilitan
a = N1/N2 = V1/V2
Rasio arus
I1/I2 = N2/N1 = 1/a
Arus pengenal
I = S/V
Impedansi yang dirujuk
Z1′ = a²·ZL
Rugi tembaga pada beban parsial
Pcu = x²·Pcu,fl
Efisiensi
η = x·S·pf/(x·S·pf + Pcore + x²·Pcu,fl)
Efisiensi maksimum
x = √(Pcore/Pcu,fl)
Rangkaian op-amp
Penguat pembalik
Vout = −(Rf/Rin)·Vin
Penguat tak membalik
Vout = (1 + Rf/R1)·Vin
Penguat penjumlah
Vout = −Rf(V1/R1 + V2/R2)
Op-amp ideal
V+ = V−, Iin = 0
Dioda & transistor
Dioda (tegangan jatuh konstan)
VD = 0,7 V when conducting
Daerah aktif
VBE = 0,7 V, IC = β·IB, IE = (β + 1)·IB
Bias tetap
IB = (VCC − 0,7)/RB
Bias pembagi tegangan
IB = (VTH − 0,7)/(RTH + (β + 1)RE)
Thévenin dari pembagi tegangan
VTH = VCC·R2/(R1 + R2), RTH = R1∥R2
Loop kolektor
VCE = VCC − ICRC − IERE
Saturasi
IC(sat) = (VCC − VCE(sat))/RC, IB ≥ IC(sat)/β
Sistem bilangan
Nilai tempat
biner 2k, oktal 8k, heksadesimal 16k
Ke desimal
Σ dk·bk
Dari desimal
bagi dengan basis, baca sisanya dari bawah ke atas
Heksadesimal ↔ biner
satu digit heksadesimal = 4 bit
Komplemen dua
balik bitnya lalu tambahkan 1
Logika digital: gerbang, peta-K & flip-flop
Gerbang dasar
A·B, A + B, A′, (A·B)′, (A + B)′, A ⊕ B
Aturan Boolean
X + X′ = 1, X·X′ = 0, X + XY = X, XY + XY′ = X
De Morgan
(X·Y)′ = X′ + Y′, (X + Y)′ = X′·Y′
Urutan peta Karnaugh
00, 01, 11, 10 (Gray code)
Kelompok 2ᵏ sel
kehilangan k variabel
Multiplekser 4-ke-1
F = A′B′I0 + A′BI1 + AB′I2 + ABI3
Flip-flop
D: Q⁺ = D, T: Q⁺ = T ⊕ Q, JK: Q⁺ = JQ′ + K′Q
Pencacah
n bit: 2ⁿ keadaan; mod-N: n terkecil dengan 2ⁿ ≥ N; fout = fclk/N
Pencacah ripple
fmax = 1/(n·tpd)
Pencacah cincin dan Johnson
n dan 2n keadaan
Metode
Untuk rangkaian, bekerjalah dari masukan ke keluaran satu gerbang demi satu gerbang dan tulis nilai pada setiap kawat, atau tulis ekspresinya dan isi tabel kebenaran.
Untuk penyederhanaan, taruh angka 1 (dan don’t-care sebagai X) ke dalam peta Karnaugh dengan baris dan kolom kode Gray: 00, 01, 11, 10.
Cakup angka 1 dengan kelompok sesedikit dan sebesar mungkin yang berisi 1, 2, 4, 8, atau 16 sel, melingkar melewati tepi; setiap kelompok adalah satu suku hasil kali yang tersusun dari variabel yang tetap konstan. Kelompokkan angka 0 untuk bentuk POS.
Untuk flip-flop dan pencacah, baca masukan pada setiap tepi clock aktif, tulis keadaan setelah setiap tepi, dan ingat bahwa pencacah n bit berputar kembali setelah 2ⁿ keadaan.
Kestabilan: Routh–Hurwitz & tempat kedudukan akar
Kestabilan
semua akar polinomial karakteristik berada di setengah bidang kiri
tabel Routh, entri s¹ dari polinomial kubik
b1 = (a2a1 − a3a0)/a2
Akar di setengah bidang kanan
jumlah perubahan tanda pada kolom pertama
Polinomial kubik s³ + a₂s² + a₁s + a₀
stabil bila semua a > 0 dan a₂·a₁ > a₀
K/(s(s + a)(s + b))
Kmax = ab(a + b), ω = √(ab)
Persamaan karakteristik
1 + K·G(s) = 0
Asimtot
σa = (Σp − Σz)/(n − m), θ = (2q + 1)·180°/(n − m)
Titik pencar dan titik temu
dK/ds = 0
Syarat besar
K = 1/|G(s)|
Sudut keberangkatan
θd = 180° − Σ∠(from other poles) + Σ∠(from zeros)
Metode
Tulis polinomial karakteristik loop tertutup: penyebut dari 1 + K·G(s) = 0, setelah dijabarkan.
Masukkan koefisien secara bergantian ke dua baris pertama tabel Routh lalu susun baris-baris sisanya.
Hitung perubahan tanda pada kolom pertama: masing-masing adalah satu kutub di setengah bidang kanan. Dengan K dalam tabel, syaratkan bahwa setiap entri kolom pertama tetap positif.
Untuk tempat kedudukan akar, tandai kutub dan nol, segmen sumbu real, asimtot dari titik berat, dan titik pisah di tempat dK/ds = 0. Gunakan K = 1/|G(s)| untuk penguatan di suatu titik.
Galat keadaan tunak & kendali PID
Tipe sistem
jumlah kutub G(s) di s = 0
Konstanta galat
Kp = lim G(s), Kv = lim s·G(s), Ka = lim s²·G(s) (s → 0)
Undak A
ess = A/(1 + Kp)
Ramp A·t
ess = A/Kv
Parabola A·t²/2
ess = A/Ka
Pengendali PID
C(s) = Kp + Ki/s + Kd·s
Target orde dua
s² + 2ζωns + ωn²
Lewatan dan waktu
%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), tp = π/ωd, ts ≈ 4/(ζωn)
Metode
Hitung kutub loop terbuka C(s)·G(s) di s = 0: itulah tipe sistem.
Hitung konstanta galat yang sesuai dengan masukan: Kp untuk undak, Kv untuk ramp, Ka untuk parabola.
Terapkan ess = A/(1 + Kp), A/Kv, atau A/Ka, atau selesaikan untuk penguatan yang Anda perlukan.
Untuk spesifikasi redaman atau kecepatan, tulis polinomial karakteristik loop tertutup dan samakan dengan s² + 2ζω_n·s + ω_n².
2Soal latihan
1.Resistor seri & paralelSedang
Cari arus IR2 melalui R2.
V1 = 30 VR1 = 6 ΩR2 = 8 ΩR3 = 5 ΩR4 = 12 Ω
IR2 = A
2.Resistor seri & paralelSulit
Cari arus IR1 yang dialirkan sumber, yang mengalir melalui R1.
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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.
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
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
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
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
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
Sebuah gambar tak terkompresi berukuran 800 × 600 piksel dengan 8 bit per piksel. Berapa memori M yang dipakainya, dalam KiB (1 KiB = 1024 byte)?
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?
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
1tepi clock 1
2tepi clock 2
3tepi clock 3
4tepi clock 4
5tepi clock 5
6tepi clock 6
7tepi clock 7
29.Transformasi LaplaceSedang
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
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).
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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.
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.
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.
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.
Analisis simpul: pilih simpul referensi, beri nama tegangan simpul yang tidak diketahui, tulis hukum arus Kirchhoff di setiap simpul tersebut memakai hukum Ohm (I = ΔV/R), lalu selesaikan persamaannya.
Tentukan simpul
Ground adalah kawat bawah. Tegangan simpul yang diketahui langsung berasal dari sumber (V1 = 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.
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.
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.
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
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.
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
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
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.
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
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.
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
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
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).
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).
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.
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.
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).
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).
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.
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).