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​ = 3 ΩIR1​R3​ = 10 Ω+−V1​6 VR2​5 ΩAR4​12 ΩB

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

V1 = 6 VR1 = 3 ΩR2 = 5 ΩR3 = 10 ΩR4 = 12 Ω
IR1 = A
2.Resistor seri & paralelSulit
R1​ = 3 ΩR3​ = 6 ΩR5​ = 8 Ω+−V1​12 VR2​4 ΩAR4​15 ΩBR6​4 Ω

Cari resistansi ekuivalen Req yang dilihat sumber V1.

V1 = 12 VR1 = 3 ΩR2 = 4 ΩR3 = 6 ΩR4 = 15 ΩR5 = 8 ΩR6 = 4 Ω
Req = Ω
3.Analisis simpulSedang
R1​4 Ω+−V1​6 VI1​R2​15 Ω+−V2​10 VR3​5 ΩA

Tiga cabang terhubung antara simpul A dan ground, seperti pada gambar. Gunakan analisis simpul untuk mencari arus I1 pada cabang 1, yang mengalir ke atas masuk ke simpul A searah panah.

V1 = 6 VR1 = 4 ΩV2 = 10 VR2 = 15 ΩR3 = 5 Ω
I1 = A
4.Analisis simpulSulit
R1​ = 20 ΩR2​ = 2 ΩIR2​R4​ = 20 Ω+−V1​30 VR3​25 ΩAR5​20 ΩBIs​0,5 A+−V2​24 V

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

V1 = 30 VIs = 0,5 AV2 = 24 VR1 = 20 ΩR2 = 2 ΩR3 = 25 ΩR4 = 20 ΩR5 = 20 Ω
IR2 = A
5.Analisis meshSedang
R1​ = 12 ΩR2​ = 12 ΩIR2​+−V1​9 VR3​8 ΩA+−V2​15 VI1​I2​

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

V1 = 9 VV2 = 15 VR1 = 12 ΩR2 = 12 ΩR3 = 8 Ω
IR2 = A
6.Analisis meshSulit
R1​ = 8 ΩR2​ = 4 ΩR3​ = 4 Ω+−VR3​+−V1​6 VR4​2 ΩAR5​4 ΩB+−V2​9 VI1​I2​I3​

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

V1 = 6 VV2 = 9 VR1 = 8 ΩR2 = 4 ΩR3 = 4 ΩR4 = 2 ΩR5 = 4 Ω
VR3 = V
7.SuperposisiSedang
R1​ = 2 ΩR3​ = 6 ΩIR3​+−V1​10 VR2​4 ΩAR4​5 ΩBIs​?

Cari nilai sumber arus Is (arah seperti pada gambar) yang membuat arus IR3 melalui R3 sama dengan nol.

V1 = 10 VR1 = 2 ΩR2 = 4 ΩR3 = 6 ΩR4 = 5 Ω
Is = A
8.SuperposisiSulit
R1​ = 3 ΩR2​ = 5 ΩR4​ = 6 Ω+−V1​10 VR3​10 Ω−+VR3​AIs​3 AB−+V2​18 V

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

V1 = 10 VIs = 3 AV2 = 18 VR1 = 3 ΩR2 = 5 ΩR3 = 10 ΩR4 = 6 Ω
VR3 = V
9.Thévenin & NortonSedang
R1​ = 3 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​24 VR2​8 ΩAab

Cari arus Norton IN: arus yang mengalir dari a ke b jika terminal dihubung singkat.

V1 = 24 VR1 = 3 ΩR2 = 8 ΩR3 = 4 Ω
IN = A
10.Thévenin & NortonSulit
R1​ = 25 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​18 VR2​3 ΩAIs​1 ABab

Cari tegangan Thévenin Vth dilihat dari terminal a–b.

V1 = 18 VIs = 1 AR1 = 25 ΩR2 = 3 ΩR3 = 5 Ω
Vth = V
11.Transien RC & RLSedang
+−Vs​20 Vt = 0R = 33 ΩL10 mHi(t)

Induktor tidak dialiri arus sebelum sakelar ditutup pada t = 0. Cari energi W yang tersimpan dalam induktor pada t = 1 ms, dalam mJ.

Vs = 20 VR = 33 ΩL = 10 mHt = 1 ms
W = mJ
12.Transien RC & RLSulit
+−Vs​12 Vt = 0R = 2,2 kΩC33 µF+−vC​vC​(0) = 3 V

Tepat sebelum sakelar ditutup pada t = 0, kapasitor bertegangan 3 V dengan polaritas yang ditunjukkan. Berapa lama waktu yang diperlukan agar vC mencapai 6,6 V? Cari t.

Vs = 12 VR = 2,2 kΩC = 33 µFvC(0) = 3 V
t = ms
13.Impedansi AC & fasorSedang
50 V200 HzR = 10 ΩL = 150 mHC = 100 µF

Rangkaian RLC seri dihubungkan ke sumber 50 V (rms), 200 Hz. Cari sudut fase φ impedansi, dalam derajat (positif bila arus tertinggal dari tegangan).

V = 50 V (rms)f = 200 HzR = 10 ΩL = 150 mHC = 100 µF
φ = °
14.Impedansi AC & fasorSulit
120 V500 HzR = 30 ΩL = 50 mHC = 4,7 µF

Rangkaian RLC seri dihubungkan ke sumber 120 V (rms), 500 Hz. Cari frekuensi resonansi f0 rangkaian.

V = 120 V (rms)f = 500 HzR = 30 ΩL = 50 mHC = 4,7 µF
f0 = Hz
15.Daya AC & faktor dayaSedang
120 VZ6 + j8 ΩI

Sebuah beban dengan impedansi Z = 6 + j8 Ω dihubungkan ke sumber satu fase 120 V (rms). Cari daya semu S.

V = 120 VZ = 6 + j8 Ω
S = VA
16.Daya AC & faktor dayaSulit
24 V50 HzRs​ = 4 ΩXs​ = j6 ΩZL​ = ?

Sebuah sumber 24 V (rms), 50 Hz memiliki impedansi dalam Zs = 4 + j6 Ω. Impedansi beban ZL dapat dipilih bebas. Beban untuk daya maksimum dibuat dari resistor yang seri dengan kapasitor. Cari kapasitansinya C.

Vs = 24 V (rms)f = 50 HzZs = 4 + j6 Ω
C = µF
17.Daya tiga fasaSedang
ABCVL​ = 208 VNZ = 8 + j6 Ωper fasa

Beban seimbang terhubung Y dengan impedansi 8 + j6 Ω per fasa dihubungkan ke sumber tiga fasa seimbang dengan tegangan antarsaluran 208 V. Cari daya nyata total P yang diserap beban dalam kW.

VL = 208 VZ = 8 + j6 Ω per fasa
P = kW
18.Daya tiga fasaSulit
P = 150 kWφ1​S1​Q2​QC​

Beban tiga fasa seimbang menyerap 150 kW pada faktor daya 0,8 tertinggal dari sumber 690 V (antarsaluran), 60 Hz. Bank kapasitor tiga fasa yang diparalel dengan beban harus menaikkan faktor daya keseluruhan menjadi 0,9 tertinggal. Daya nyatanya tetap sama. Kapasitor dihubungkan secara Δ. Cari kapasitansi Cph setiap kapasitor dalam µF.

P = 150 kWpf1 = 0,8pf2 = 0,9VL = 690 Vf = 60 Hz
Cph = µF
19.TransformatorSedang
16 Ω101

Resistor 16 Ω dihubungkan pada kumparan sekunder transformator ideal dengan rasio lilitan N₁:N₂ = 10:1. Cari hambatan R1′ yang terlihat dari kumparan primer.

N1:N2 = 10:1RL = 16 Ω
R1′ = Ω
20.TransformatorSulit
pf 0,825 kVA, η = 96%

Sebuah transformator satu fasa 25 kVA memiliki rugi inti 100 W. Pada beban pengenal dan faktor daya 0,8 tertinggal, efisiensinya 96%. Cari rugi tembaga beban penuh Pcu,fl dalam watt.

S = 25 kVAPcore = 100 Wpf = 0,8η = 96%
Pcu,fl = W
21.Rangkaian op-ampSedang
−+Vout​Rf​ = 100 kΩVin​R1​ = 2 kΩ

Op-amp ideal dan dicatu ±15 V; keluarannya jenuh pada ±14 V. Penguat membalik diberi masukan gelombang sinus. Cari amplitudo masukan terbesar Vin,max (nilai puncak) agar keluaran tidak terpotong.

R1 = 2 kΩRf = 100 kΩVsat = ±14 V
Vin,max = V
22.Rangkaian op-ampSulit
−+Vout​R2​ = 2 kΩV1​ = −1 VR1​ = 1 kΩV2​ = 1,2 VR3​ = 100 kΩR4​ = 4,7 kΩ

Op-amp ideal dan dicatu ±15 V. Rasio resistornya tidak sepadan. Cari tegangan keluaran Vout.

V1 = −1 VV2 = 1,2 VR1 = 1 kΩR2 = 2 kΩR3 = 100 kΩR4 = 4,7 kΩ
Vout = V
23.Dioda & transistorSedang
RC​ = 2,7 kΩβ = 200IC​ = ?RE​ = 1,5 kΩVCC​ = 20 VR1​ = 100 kΩR2​ = 8,2 kΩ

Sebuah transistor NPN dengan β = 200 dibias dengan pembagi tegangan dari VCC = 20 V: R₁ = 100 kΩ dari VCC ke basis dan R₂ = 8,2 kΩ dari basis ke ground. Resistor kolektornya RC = 2,7 kΩ dan resistor emitornya RE = 1,5 kΩ. Ambil VBE = 0,7 V dan gunakan ekivalen Thévenin dari pembagi tegangan (jangan abaikan arus basis). Cari arus kolektor IC dalam mA.

VCC = 20 VR1 = 100 kΩR2 = 8,2 kΩRC = 2,7 kΩRE = 1,5 kΩβ = 200
IC = mA
24.Dioda & transistorSulit
V (V)I (mA)0,65919,15Q = ?

Sebuah dioda dimodelkan sebagai 0,65 V yang diseri dengan 10 Ω (ia menghantar di atas 0,65 V). Dioda itu diseri dengan resistor 470 Ω melintasi catu 9 V. Cari arus kerja ID di tempat garis dioda bertemu garis beban.

Vs = 9 VR = 470 ΩV0 = 0,65 Vrd = 10 Ω
ID = mA
25.Sistem bilanganSedang
Komplemen dua 8-bit?−128?64?32?16?8?4?2?1

Tulis −96 sebagai pola komplemen dua 8-bit. Baca pola itu sebagai bilangan biner tak bertanda: berapa nilainya U dalam desimal?

N = −968 bit
U =
26.Sistem bilanganSulit
klik bit untuk mengaturnya012806403201608040201

Atur bit menjadi hasil 8-bit dari 0011 0110 AND 1010 1100. Berapa nilai hasil R dalam desimal?

0011 0110AND1010 1100
R =
27.Logika digital: gerbang, peta-K & flip-flopSedang
ABC000111100101324576

Sederhanakan F = A′B′ + A′BC′ + A′B ke bentuk jumlah dari hasil kali minimal. Berapa literal L yang dimiliki ekspresi yang sudah disederhanakan?

F = A′B′ + A′BC′ + A′B
L =
28.Logika digital: gerbang, peta-K & flip-flopSulit
FFQ0​Q0​FFQ1​Q1​FFQ2​Q2​CLKMOD-8

Clock 12 kHz menggerakkan pencacah mod-8. Carilah frekuensi fout dari keluaran paling signifikannya, yang menyelesaikan satu siklus per siklus pencacahan.

fclk = 12 kHzN = 8
fout = kHz
29.Transformasi LaplaceSedang
ReIm−0,5−1−1,5−2−2,5−3−3,5−4−4,50,51

F(s) = (5s + 11)/(s² + 5s + 4). Transformasi baliknya berbentuk f(t) = A·e−t + B·e−4t. Tentukan koefisien A dengan pecahan parsial.

F(s) = (5s + 11)/(s² + 5s + 4)
A =
30.Transformasi LaplaceSulit
t (s)y(t)t = 0,8y(0,8) = ?

Selesaikan y″ + 7y′ + 6y = 0 dengan y(0) = 1 dan y′(0) = 9 memakai transformasi Laplace, lalu tentukan y(0,8).

y″ + 7y′ + 6y = 0y(0) = 1y′(0) = 9t = 0,8 s
y(0.8) =
31.Diagram blokSedang
R(s)+9(s + 1)(s + 4)(s + 7)G(s)C(s)−

Loop umpan balik negatif satuan memiliki G(s) = 9(s + 1)/((s + 4)(s + 7)). Masukan langkah berukuran 2 diberikan pada referensi. Tentukan galat keadaan tunak ess.

G(s) = 9(s + 1)/((s + 4)(s + 7))R = 2
ess =
32.Diagram blokSulit
R(s)+14pengendali+D(s)+10s + 8plantC(s)−

Pengendali proporsional K = 14 menggerakkan plant G(s) = 10/(s + 8) dalam loop umpan balik negatif satuan. Sebuah gangguan D masuk di masukan plant (ditambahkan ke keluaran pengendali). Masukan langkah referensi berukuran 1 dan gangguan langkah berukuran 0,5 diberikan bersamaan. Tentukan keluaran keadaan tunak css.

K = 14G(s) = 10/(s + 8)D = 0,5R = 1
css =
33.Respons langkahSedang
t (s)y(t)2

Sebuah sistem memiliki fungsi alih G(s) = 12/(s² + s + 6) dan menerima masukan langkah satuan. Cari rasio redaman ζ.

G(s) = 12/(s² + s + 6)
ζ =
34.Respons langkahSulit
R(s)+50s(s + 6)G(s)C(s)−

Loop umpan balik negatif satuan memiliki G(s) = 50/(s(s + 6)). Tentukan waktu penetapan 2 % ts dari respons langkah loop tertutup, dengan ts ≈ 4/(ζωₙ).

G(s) = 50/(s(s + 6))
ts = s
35.Plot Bode dan marginSedang
|H| (dB)0,010,010,10,111101010010010001000−40−200204060ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−90−450ω = 0,5

Cari fasa ∠G(jω) dari G(s) = 17(s + 4)/(s(s + 11)) pada ω = 0,5 rad/s, dalam derajat.

G(s) = 17(s + 4)/(s(s + 11))ω = 0,5 rad/s
∠G(jω) = °
36.Plot Bode dan marginSulit
|H| (dB)0,10,1111010100100−60−40−200204060ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−180−135−90−450ωc​ = ?

Lingkar umpan balik satuan memiliki fungsi alih lingkar terbuka L(s) = 46/(s(s + 4)). Cari frekuensi persilangan penguatan ωc, tempat |L(jω)| = 1.

L(s) = 46/(s(s + 4))
ωc = rad/s
37.Kestabilan: Routh–Hurwitz & tempat kedudukan akarSedang
R(s)+K1s(s + 6)(s + 8)C(s)−

Loop pada diagram memiliki fungsi alih loop terbuka L(s) = K/(s(s + 6)(s + 8)). Cari penguatan terbesar Kmax agar loop tertutup stabil.

L(s) = K/(s(s + 6)(s + 8))
Kmax =
38.Kestabilan: Routh–Hurwitz & tempat kedudukan akarSulit
ReImζ = 0,6−1−2−3−4−5j1j2j3

Tempat kedudukan akar dari L(s) = K/(s(s + 4)) ditampilkan. Cari penguatan K agar kutub loop tertutup memiliki rasio redaman ζ = 0,6.

L(s) = K/(s(s + 4))ζ = 0,6
K =
39.Galat keadaan tunak & kendali PIDSedang
r(t) = 10 + 1t+5(s + 2)s(s + 1)(s + 5)C(s)−

Masukan r(t) = 10 + 1t (undak ditambah ramp) diberikan ke loop umpan balik satuan dengan G(s) = 5(s + 2)/(s(s + 1)(s + 5)). Cari galat keadaan tunak ess.

G(s) = 5(s + 2)/(s(s + 1)(s + 5))r(t) = 10 + 1t
ess =
40.Galat keadaan tunak & kendali PIDSulit
r(t) = 2t+1 + 2/s5(s + 1)(s + 5)C(s)−

Pengendali PI C(s) = 1 + 2/s mengendalikan plant G(s) = 5/((s + 1)(s + 5)) dalam loop umpan balik satuan. Cari galat keadaan tunak ess untuk masukan ramp r(t) = 2t.

C(s) = 1 + 2/sG(s) = 5/((s + 1)(s + 5))r(t) = 2t
ess =

3Larutan

1.Resistor seri & paralel

Jawaban: IR1 = 0,8482 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​ = 10 Ω+−V1​6 VR2​5 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 = 10 + 12 = 22 Ω
R2 ∥ 22 = 5·22/(5+22) = 4,074 Ω
Req = R1 + 4,074 = 3 + 4,074 = 7,074 Ω

Arus dari sumber

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

IR1 = V1/Req = 6/7,074 = 0,8482 A

Jawaban

IR1 = 0,8482 A
2.Resistor seri & paralel

Jawaban: Req = 6,04 Ω

Resistor seri dan paralel: dalam seri, arus yang sama mengalir di setiap resistor dan R = R₁ + R₂ + …. Dalam paralel, setiap resistor punya tegangan yang sama dan 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …. Jaringan tangga disederhanakan satu pasang demi satu pasang hingga tersisa satu resistansi ekuivalen.

R1​ = 3 ΩR3​ = 6 ΩR5​ = 8 Ω+−V1​12 VR2​4 ΩAR4​15 ΩBR6​4 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 = 8 + 4 = 12 Ω
R4 ∥ 12 = 6,667 Ω
R3 + 6,667 = 12,67 Ω
R2 ∥ 12,67 = 3,04 Ω
Req = R1 + 3,04 = 3 + 3,04 = 6,04 Ω

Jawaban

Req = 6,04 Ω
3.Analisis simpul

Jawaban: I1 = 0,4516 A

Analisis simpul: pilih simpul referensi, beri nama tegangan simpul yang tidak diketahui, tulis hukum arus Kirchhoff di setiap simpul tersebut memakai hukum Ohm (I = ΔV/R), lalu selesaikan persamaannya.

KCL di simpul A

Ambil kawat bawah sebagai ground. Setiap cabang mengalirkan (VA − Vk)/Rk keluar dari A, dengan Vk tegangan sumbernya (nol untuk resistor biasa). Arus-arus yang keluar dari A berjumlah nol.

(VA − 6)/4 + (VA − 10)/15 + VA/5 = 0

Selesaikan untuk VA

VA = (6/4 + 10/15 + 0/5) / (1/4 + 1/15 + 1/5) = 2,167/0,5167 = 4,194 V

Arus cabang

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

I1 = (6 − VA)/R1 = (6 − 4,194)/4 = 0,4516 A

Jawaban

I1 = 0,4516 A

Hasil negatif berarti arus sebenarnya mengalir berlawanan dengan panah.

4.Analisis simpul

Jawaban: IR2 = 0,4183 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​ = 20 ΩR2​ = 2 ΩR4​ = 20 Ω+−V1​30 VR3​25 ΩAR5​20 ΩBIs​0,5 A+−V2​24 V

Tentukan simpul

Ground adalah kawat bawah. Tegangan simpul yang diketahui langsung berasal dari sumber (V1 = 30 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/25 + (VA − 30)/20 + (VA − VB)/2 = 0
0,59·VA − 0,5·VB = 1,5

KCL di simpul B

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

VB/R5 + (VB − VA)/R2 + (VB − V2)/R4 = Is
VB/20 + (VB − VA)/2 + (VB − 24)/20 = (−0,5)
−0,5·VA + 0,6·VB = 0,7

Selesaikan

Δ = (0,59)(0,6) − (−0,5)(−0,5) = 0,104
VA = Δ1/Δ = 1,25/0,104 = 12,02 V
VB = Δ2/Δ = 1,163/0,104 = 11,18 V

Jawaban

IR2 = (VA − VB)/R2 = (12,02 − 11,18)/2 = 0,4183 A
5.Analisis mesh

Jawaban: IR2 = −0,6786 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​ = 12 Ω+−V1​9 VR3​8 ΩA+−V2​15 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 + 8(I1 − I2) = 9
20·I1 − 8·I2 = 9

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
12·I2 + 8(I2 − I1) = (−15)
−8·I1 + 20·I2 = −15

Selesaikan

Δ = (20)(20) − (−8)(−8) = 336
I1 = Δ1/Δ = 60/336 = 0,1786 A
I2 = Δ2/Δ = −228/336 = −0,6786 A

Jawaban

IR2 = I2 = −0,6786 A

Arus mesh negatif mengalir berlawanan arah jarum jam.

6.Analisis mesh

Jawaban: VR3 = −5,368 V

Analisis mesh: beri setiap jendela rangkaian planar arus loop sendiri, tulis hukum tegangan Kirchhoff di setiap loop (jumlah jatuh = jumlah kenaikan), lalu selesaikan. Arus cabang adalah arus mesh, atau selisih dua arus mesh pada cabang bersama.

R1​ = 8 ΩR2​ = 4 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​6 VR4​2 ΩAR5​4 ΩB+−V2​9 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
8·I1 + 2(I1 − I2) = 6
10·I1 − 2·I2 = 6

KVL di sekitar mesh 2

Searah jarum jam, jatuh tegangan pada resistor sama dengan kenaikan tegangan sumber (dari − ke + searah lintasan).

R2·I2 + R4(I2 − I1) + R5(I2 − I3) = 0
4·I2 + 2(I2 − I1) + 4(I2 − I3) = 0
−2·I1 + 10·I2 − 4·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
4·I3 + 4(I3 − I2) = (−9)
−4·I2 + 8·I3 = −9

Selesaikan

Δ = determinan matriks koefisien = 608
I1 = Δ1/Δ = 312/608 = 0,5132 A
I2 = Δ2/Δ = −264/608 = −0,4342 A
I3 = Δ3/Δ = −816/608 = −1,342 A

Jawaban

IR3 = I3 = −1,342 A
VR3 = IR3·R3 = −1,342·4 = −5,368 V

Arus mesh negatif mengalir berlawanan arah jarum jam.

7.Superposisi

Jawaban: Is = 1,333 A

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​ = 2 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​10 VR2​4 ΩAR4​5 ΩBTERBUKA

Kasus 1 · V1 bekerja sendiri

Iₛ menjadi rangkaian terbuka, jadi R₃ dan R₄ membentuk satu cabang seri dari A ke ground, paralel dengan R₂.

R3+R4 = 6+5 = 11 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 4·11/(4+11) = 2,933 Ω
VA = 10·2,933/(2+2,933) = 5,946 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 5,946·5/11 = 2,703 V
IR3′ = (VA − VB)/R3 = (5,946 − 2,703)/6 = 0,5405 A

Kasus 2 · Is bekerja sendiri

V₁ menjadi hubung singkat, jadi R₁ ∥ R₂ terhubung dari A ke ground. Iₛ terbagi di B antara R₄ dan jalur R₃ + R₁∥R₂; bagian yang melalui R₃ mengalir dari B ke A, berlawanan dengan panah.

R1 ∥ R2 = 1,333 Ω
IR3″ = −Is·R4/(R4 + R3 + R1∥R2) = −Is·5/12,33 = −0,4054·Is

Samakan total dengan nol

IR3′ + IR3″ = 0,5405 − 0,4054·Is = 0
Is = 0,5405/0,4054 = 1,333 A

Jawaban

Is = 1,333 A
8.Superposisi

Jawaban: VR3 = −6,358 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​ = 3 ΩR2​ = 5 ΩR4​ = 6 Ω+−V1​10 VR3​10 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) = 10 ∥ 11 = 5,238 Ω
VA = 10·5,238/(3+5,238) = 6,358 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 6,358·6/11 = 3,468 V
VR3′ = 0 − VA = 0 − 6,358 = −6,358 V
R1​ = 3 ΩR2​ = 5 ΩR4​ = 6 ΩHUBUNG SINGKATR3​10 ΩAIs​3 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 = 2,308 Ω, jadi jalur kiri adalah R2+2,308 = 7,308 Ω
Req = R4 ∥ 7,308 = 3,295 Ω
VB = Is·Req = 3·3,295 = 9,884 V
VA = VB·2,308/7,308 = 3,121 V
VR3″ = 0 − VA = 0 − 3,121 = −3,121 V
R1​ = 3 ΩR2​ = 5 ΩR4​ = 6 ΩHUBUNG SINGKATR3​10 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 = 3·10/(3+10) = 2,308 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = (−18)·7,308/13,31 = −9,884 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = −9,884·2,308/7,308 = −3,121 V
VR3‴ = 0 − VA = 0 − −3,121 = 3,121 V

Jumlahkan kontribusinya

VR3 = VR3′ + VR3″ + VR3‴
VR3 = (−6,358) + (−3,121) + 3,121 = −6,358 V

Hasil negatif berarti sebenarnya polaritasnya berlawanan dengan yang ditandai.

9.Thévenin & Norton

Jawaban: IN = 2,824 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​ = 3 ΩR3​ = 4 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 = 3·8/(3+8) = 2,182 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,182 + 4 = 6,182 Ω
R1​ = 3 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​24 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) = 24·8/(3+8) = 17,45 V
IN​2,824 ARth​6,182 Ωab

Ekuivalen Norton

Sumber Norton adalah rangkaian yang sama dilihat sebagai sumber arus paralel dengan R_th. Arusnya adalah arus hubung singkat di a–b.

IN = Vth/Rth = 17,45/6,182 = 2,824 A
10.Thévenin & Norton

Jawaban: Vth = 9,607 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​ = 25 ΩR3​ = 5 ΩHUBUNG SINGKATR2​3 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 = 25·3/(25+3) = 2,679 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,679 + 5 = 7,679 Ω
R1​ = 25 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​18 VR2​3 ΩAIs​1 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) = 1,929 + 1·2,679 = 4,607 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 4,607 + 1·5 = 9,607 V
11.Transien RC & RL

Jawaban: W = 1,704 mJ

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 / 33 Ω = 0,303 ms
i(∞) = Vs/R = 20/33 = 0,6061 A

Arus pada waktu tertentu

i(t) = 0,6061·(1 − e−1/0,303) = 0,5837 A

Energi tersimpan

W = ½·L·i² = ½·10·0,5837² = 1,704 mJ

Jawaban

W = 1,704 mJ
12.Transien RC & RL

Jawaban: t = 37,09 ms

Transien orde satu: pada rangkaian dengan satu kapasitor atau satu induktor, setiap tegangan dan arus berubah secara eksponensial dari nilai awal ke nilai akhir: x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ, dengan τ = RC atau τ = L/R. Setelah sekitar 5τ rangkaian sudah stabil.

Nilai awal, nilai akhir, konstanta waktu

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

vC(0) = 3 V, vC(∞) = Vs = 12 V
τ = R·C = 2,2 kΩ · 33 µF = 72,6 ms
vC(t) = 12 + (3 − 12)·e−t/τ

Selesaikan untuk waktu

6,6 = 12 + (−9)·e−t/τ → e−t/τ = (6,6 − 12)/(3 − 12) = 0,6
t = τ·ln((3 − 12)/(6,6 − 12)) = 72,6·ln(1,667) = 37,09 ms

Jawaban

t = 37,09 ms
13.Impedansi AC & fasor

Jawaban: φ = 86,83 °

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

Reaktansi

ω = 2πf = 2π·200 = 1257 rad/s
XL = ωL = 1257·0,15 = 188,5 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(1257·100·10⁻⁶) = 7,958 Ω

Impedansi

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

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(10² + (180,5)²) = 180,8 Ω

Sudut fase

φ = arctan((XL − XC)/R) = arctan(180,5/10) = 86,83°

Jawaban

φ = 86,83°
14.Impedansi AC & fasor

Jawaban: f0 = 328,3 Hz

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

Resonansi

Saat resonansi, reaktansi induktif dan kapasitif saling meniadakan: ωL = 1/(ωC). Frekuensi sumber tidak berpengaruh.

f0 = 1/(2π√(LC)) = 1/(2π·√(0,05·4,7·10⁻⁶)) = 328,3 Hz

Jawaban

f0 = 328,3 Hz
15.Daya AC & faktor daya

Jawaban: S = 1440 VA

Daya AC: daya semu S = V·I (VA) terbagi menjadi daya nyata P = S·cos φ (W), yang melakukan kerja berguna, dan daya reaktif Q = S·sin φ (var), yang bolak-balik antara sumber dan beban. Faktor daya adalah cos φ. Kapasitor paralel memasok daya reaktif secara lokal, sehingga arus saluran turun untuk daya nyata yang sama.

Arus

|Z| = √(6² + 8²) = 10 Ω
I = V/|Z| = 120/10 = 12 A

Daya semu

S = V·I = 120·12 = 1440 VA

Jawaban

S = 1440 VA
16.Daya AC & faktor daya

Jawaban: C = 530,5 µF

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.

Penyesuaian sekawan

Reaktansi beban meniadakan reaktansi sumber, dan resistansi beban sama dengan resistansi sumber.

ZL = Zs* = 4 − j6 Ω

Kapasitansi

XC = 6 Ω → C = 1/(2π·50·6) = 530,5 µF

Jawaban

C = 530,5 µF
17.Daya tiga fasa

Jawaban: P = 3,461 kW

Sistem tiga fasa seimbang: pada hubungan Y (bintang) tegangan antarsaluran adalah √3 kali tegangan fasa, VL = √3·Vph, dan arus saluran sama dengan arus fasa. Pada hubungan Δ (delta) tegangan antarsaluran sama dengan tegangan fasa dan arus saluran adalah √3 kali arus fasa, IL = √3·Iph. Daya total adalah tiga kali daya satu fasa: P = 3·Vph·Iph·cos φ = √3·VL·IL·cos φ.

Tegangan fasa

Vph = 208/√3 = 120,1 V

Arus fasa

|Z| = √(8² + 6²) = 10 Ω
Iph = 120,1/10 = 12,01 A

Daya nyata total

Hanya bagian resistif dari setiap impedansi yang menyerap daya nyata.

P = 3·Iph²·R = 3·12,01²·8 = 3,461 kW

Jawaban

P = 3,461 kW

Periksa: cos φ = R/|Z| = 0,8, dan √3·VL·IL·cos φ memberikan daya yang sama.

18.Daya tiga fasa

Jawaban: Cph = 74,01 µF

Sistem tiga fasa seimbang: pada hubungan Y (bintang) tegangan antarsaluran adalah √3 kali tegangan fasa, VL = √3·Vph, dan arus saluran sama dengan arus fasa. Pada hubungan Δ (delta) tegangan antarsaluran sama dengan tegangan fasa dan arus saluran adalah √3 kali arus fasa, IL = √3·Iph. Daya total adalah tiga kali daya satu fasa: P = 3·Vph·Iph·cos φ = √3·VL·IL·cos φ. Perbaikan faktor daya: kapasitor menyuplai daya reaktif secara lokal, QC = P·(tan φ1 − tan φ2). Masing-masing dari ketiga kapasitor menyuplai QC/3 = V²·ω·C, dengan V tegangan pada kapasitor tersebut: VL pada bank Δ, VL/√3 pada bank Y.

Daya reaktif sebelum dan sesudah

Daya nyata tidak berubah, sehingga setiap faktor daya menentukan daya reaktifnya: Q = P·tan φ.

Q1 = 150·tan(acos 0,8) = 150·0,75 = 112,5 kvar
Q2 = 150·tan(acos 0,9) = 150·0,4843 = 72,65 kvar

Daya reaktif dari kapasitor

QC = Q1 − Q2 = 39,85 kvar

Kapasitansi per fasa

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

V = 690 V, ω = 2π·60 = 377 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 13284/(377·690²) = 74,01 µF

Jawaban

Cph = 74,01 µF
19.Transformator

Jawaban: R1′ = 1600 Ω

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

Hambatan yang dirujuk

Tegangan naik sebesar a dan arus turun sebesar a, sehingga rasio V/I naik sebesar a².

R1′ = a²·RL = 10²·16 = 1600 Ω

Jawaban

R1′ = 1600 Ω
20.Transformator

Jawaban: Pcu,fl = 733,3 W

Rugi-rugi transformator: rugi inti (histeresis dan arus pusar) bergantung pada tegangan dan sama pada beban berapa pun. Rugi tembaga pada kumparan sebanding dengan kuadrat arus, sehingga pada fraksi x dari beban pengenal besarnya x²·Pcu,fl. Efisiensi η = Pout/(Pout + Pcore + Pcu), dengan Pout = x·S·pf. Efisiensi paling tinggi pada beban saat rugi tembaga sama dengan rugi inti.

Daya keluaran dan masukan

Pout = 25·0,8 = 20 kW
Pin = 20000/0,96 = 20833 W

Rugi total dan rugi tembaga

Ploss = 20833 − 20000 = 833,3 W
Pcu,fl = 833,3 − 100 = 733,3 W

Jawaban

Pcu,fl = 733,3 W
21.Rangkaian op-amp

Jawaban: Vin,max = 0,28 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.

Penguatan

|Av| = Rf/R1 = 100/2 = 50

Masukan terbesar sebelum terpotong

Vin,max = Vsat/|Av| = 14/50 = 0,28 V

Jawaban

Vin,max = 0,28 V
22.Rangkaian op-amp

Jawaban: Vout = 2,162 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.

Tegangan di masukan +

V₊ = V2·R4/(R3 + R4) = 1,2·4,7/(100 + 4,7) = 0,05387 V

Superposisikan kedua masukan

Dengan V₂ = 0, V₁ melihat penguat membalik. Dengan V₁ = 0, V₊ diperkuat dengan penguatan tak membalik 1 + R₂/R₁.

Vout = −(2/1)·(−1) + (1 + 2/1)·0,05387 = 2 + 0,1616 = 2,162 V

Jawaban

Vout = 2,162 V
23.Dioda & transistor

Jawaban: IC = 0,5278 mA

Titik kerja BJT: di daerah aktif VBE = 0,7 V, IC = β·IB dan IE = (β + 1)·IB. Cari IB dari loop basis dengan KVL, lalu IC, lalu VCE dari loop kolektor–emitor. Pembagi tegangan di basis diganti dengan ekivalen Théveninnya VTH = VCC·R₂/(R₁ + R₂), RTH = R₁∥R₂; resistor emitor tampak (β + 1) kali lebih besar di loop basis.

Ekivalen Thévenin dari pembagi tegangan

VTH = 20·8,2/(100 + 8,2) = 1,516 V
RTH = 100·8,2/(100 + 8,2) = 7,579 kΩ

Arus basis

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

IB = (1,516 − 0,7)/(7,579 + 201·1,5) = 2,639 µA

Arus kolektor

IC = 200·2,639 µA = 0,5278 mA
IE = 201·2,639 µA = 0,5305 mA

Jawaban

IC = 0,5278 mA
24.Dioda & transistor

Jawaban: ID = 17,4 mA

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).

Gabungkan kedua persamaan

9 = 0,65 + I·(470 + 10)

Arus kerja

ID = 8,35/480 = 17,4 mA
VD = 0,65 + 0,0174·10 = 0,824 V

Jawaban

ID = 17,4 mA
25.Sistem bilangan

Jawaban: U = 160

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.

Balik dan tambah satu

96 = 0110 0000
dibalik: 1001 1111
+1 → 1010 0000

Baca sebagai tak bertanda

1010 0000₂ = 256 − 96 = 160

Jawaban

U = 160
26.Sistem bilangan

Jawaban: R = 36

Mengatur bit: setiap bit bernilai pangkat dua (128, 64, …, 1). Satu digit heksa tepat empat bit, dan pada komplemen dua 8-bit bit paling kiri bernilai −128. Operasi bitwise bekerja pada setiap posisi bit secara terpisah.

Bit demi bit

AND menghasilkan 1 hanya jika kedua bit adalah 1.

0011 0110
AND 1010 1100
= 0010 0100

Nilai hasil

0010 0100₂ = 36

Jawaban

R = 36
27.Logika digital: gerbang, peta-K & flip-flop

Jawaban: L = 1

Aljabar Boolean: aturan yang menyederhanakan ekspresi adalah X + X′ = 1 dan X·X′ = 0, X + X = X, absorpsi X + X·Y = X, aturan penggabungan X·Y + X·Y′ = X, X + X′Y = X + Y, dan teorema konsensus XY + X′Z + YZ = XY + X′Z. Hukum De Morgan mengubah (X·Y)′ menjadi X′ + Y′ dan (X + Y)′ menjadi X′·Y′. Peta Karnaugh menerapkan aturan ini secara grafis: setiap kelompok dua sel bertetangga adalah satu penggunaan XY + XY′ = X.

Minterm dari ekspresi

A′B′ → m(0, 1)
A′BC′ → m(2)
A′B → m(2, 3)
ABC00011110011011131204050706

Kelompokkan dan baca

F = A′

Hitung literalnya

L = 1

Jawaban

L = 1
28.Logika digital: gerbang, peta-K & flip-flop

Jawaban: fout = 1,5 kHz

Flip-flop dan pencacah: flip-flop hanya berubah pada tepi clock aktif. D menyalin masukannya (Q⁺ = D); T berbalik jika T = 1; JK bertahan untuk 00, reset untuk 01, set untuk 10, dan berbalik untuk 11. Pencacah biner n bit memiliki 2ⁿ keadaan dan menghitung modulo 2ⁿ; pencacah mod-N berurutan 0, 1, …, N − 1 lalu kembali ke 0, dan memerlukan flip-flop sebanyak n terkecil dengan 2ⁿ ≥ N. Setiap tahap pencacah ripple membagi dua frekuensi, sehingga keluaran terakhir pencacah mod-N berjalan pada fclk/N. Pencacah Johnson dari n flip-flop memiliki 2n keadaan, pencacah cincin n.

Pembagian frekuensi

fout = 12 kHz / 8 = 1,5 kHz

Jawaban

fout = 1,5 kHz
29.Transformasi Laplace

Jawaban: A = 2

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).

Faktorkan penyebut

s² + 5s + 4 = (s + 1)(s + 4)
F(s) = A/(s + 1) + B/(s + 4)

Aturan tutup (cover-up)

Kalikan dengan (s + 1) dan masukkan s = −1: suku B lenyap.

A = (5s + 11)/(s + 4) |s = −1 = 6/3 = 2

Jawaban

A = 2
(B = 3, jadi f(t) = 2·e−t + 3·e−4t)
30.Transformasi Laplace

Jawaban: y(0.8) = 1,332

Transformasi Laplace: F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt mengubah turunan menjadi perkalian dengan s: ℒ{f′} = sF(s) − f(0), ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0). Pasangan baku: 1 ↔ 1/s, e−at ↔ 1/(s + a), t·e−at ↔ 1/(s + a)², sin ωt ↔ ω/(s² + ω²), cos ωt ↔ s/(s² + ω²), dan pergeseran s → s + σ mengalikan fungsi waktu dengan e−σt. Untuk membalik F(s) rasional, uraikan menjadi pecahan parsial: residu sebuah kutub tunggal p adalah A = [(s − p)·F(s)] pada s = p. Teorema nilai akhir: f(∞) = lims→0 s·F(s), hanya berlaku jika semua kutub s·F(s) berada di setengah bidang kiri. Teorema nilai awal: f(0⁺) = lims→∞ s·F(s).

Transformasikan persamaannya

s²Y − 1s − 9 + 7(sY − 1) + 6Y = 0
Y(s) = (s + 16)/((s + 1)(s + 6))

Pecahan parsial

A = 15/5 = 3
B = 10/(−5) = −2

Hasil

y(t) = 3·e−t − 2·e−6t
y(0,8) = 1,332

Jawaban

y(0,8) = 1,332

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

31.Diagram blok

Jawaban: ess = 1,514

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) = 9·1/(4·7) = 0,3214

Galat keadaan tunak

ess = A/(1 + Kₚ) = 2/(1 + 0,3214) = 1,514

Jawaban

ess = 1,514
32.Diagram blok

Jawaban: css = 0,9797

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) = 10/(s + 8 + 140)
C/R = K·G/(1 + K·G) = 140/(s + 8 + 140)

Keadaan tunak

css = 1·140/148 + 0,5·10/148 = 0,9797

Jawaban

css = 0,9797

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

33.Respons langkah

Jawaban: ζ = 0,2041

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 = 6 → ωₙ = 2,449 rad/s
2ζωₙ = 1 → ζ = 1/(2·2,449) = 0,2041

Hasil

ζ = 0,2041

Jawaban

ζ = 0,2041
34.Respons langkah

Jawaban: ts = 1,333 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).

Fungsi alih loop tertutup

T(s) = 50/(s² + 6s + 50): ωₙ = 7,071 rad/s, ζ = 0,4243

Waktu penetapan

ζωₙ = 6/2 = 3
ts ≈ 4/(ζωₙ) = 1,333 s

Jawaban

ts = 1,333 s

Untuk loop ini ζωₙ = a/2 berapa pun K: menaikkan K menambah overshoot tetapi tidak memperpendek waktu penetapan.

35.Plot Bode dan margin

Jawaban: ∠G(jω) = −85,48 °

Respons frekuensi: substitusikan s = jω ke fungsi alih. Besar dalam desibel adalah 20·log₁₀|H(jω)| dan fasa adalah jumlah sudut faktor pembilang dikurangi sudut faktor penyebut. Filter RC atau RL orde pertama memiliki frekuensi sudut (−3 dB) pada ωc = 1/(RC) atau R/L, dan fc = ωc/(2π); filter lolos rendah memberi |H| = 1/√(1 + (ω/ωc)²) dan φ = −atan(ω/ωc). Pada plot Bode asimtotik (garis lurus) setiap kutub membengkokkan besar ke bawah sebesar 20 dB/dekade pada frekuensi sudutnya, setiap nol membengkokkannya ke atas sebesar 20 dB/dekade, dan integrator 1/s memberi −20 dB/dekade pada semua frekuensi. Persilangan penguatan ωc: |L(jω)| = 1 (0 dB); margin fasa PM = 180° + ∠L(jωc). Persilangan fasa ω180: ∠L(jω) = −180°; margin penguatan GM = −20·log₁₀|L(jω180)| dB. Lingkar tertutup stabil bila kedua margin positif.

Jumlahkan sudut

∠G = atan(0,5/4) − 90° − atan(0,5/11) = 7,125° − 90° − 2,603°

Hasil

∠G(j0,5) = −85,48°

Jawaban

∠G(jω) = −85,48°
36.Plot Bode dan margin

Jawaban: ωc = 6,22 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 + 16ω² − 2116 = 0
ω² = (−16 + √(256 + 4·2116))/2 = 38,69
ωc = 6,22 rad/s

Jawaban

ωc = 6,22 rad/s
37.Kestabilan: Routh–Hurwitz & tempat kedudukan akar

Jawaban: Kmax = 672

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 + 14s² + 48s + K = 0

Larik Routh

s³: 1, 48
s²: 14, K
s¹: (14·48 − K)/14
s⁰: K

Syarat

Setiap entri kolom pertama harus positif.

K > 0
14·48 − K > 0 → K < 672

Jawaban

Kmax = 672

Pada K = 672 loop tertutup berosilasi pada ω = √48 = 6,928 rad/s.

38.Kestabilan: Routh–Hurwitz & tempat kedudukan akar

Jawaban: K = 11,11

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.

Bandingkan dengan bentuk baku

s² + 4s + K = s² + 2ζωₙs + ωₙ²
2·0,6·ωₙ = 4 → ωₙ = 3,333 rad/s

Penguatan

K = ωₙ² = 3,333² = 11,11

Jawaban

K = 11,11

Kutub loop tertutup berada di tempat garis ζ memotong cabang vertikal di s = −2.

39.Galat keadaan tunak & kendali PID

Jawaban: ess = 0,5

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 kecepatan

Kv = lim s·G(s) = 2

Bagian undak

Kp = ∞ → estep = 0

Galat ramp

ess = 1/2 = 0,5

Jawaban

ess = 0,5
40.Galat keadaan tunak & kendali PID

Jawaban: ess = 1

Kendali P, PI, dan PID: pengendali C(s) = Kp + Ki/s + Kd·s bekerja pada galat. Penguatan proporsional membuat loop lebih cepat dan mengurangi galat plant tipe 0, tetapi tidak pernah menghilangkannya. Suku integral menambahkan kutub di s = 0: tipe sistem naik satu, dan undak diikuti tanpa galat. Suku turunan menambah redaman. Untuk memilih penguatan, tulis polinomial karakteristik loop tertutup dan bandingkan dengan s² + 2ζωns + ωn². Maka %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), tp = π/ωd dengan ωd = ωn√(1 − ζ²), dan ts ≈ 4/(ζωn).

Konstanta kecepatan

s·C(s) = 1s + 2 → 2 untuk s → 0.

Kv = 2·5/5 = 2

Galat ramp

ess = 2/2 = 1

Jawaban

ess = 1

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

Ini adalah materi latihan independen. ExamProblems tidak berafiliasi dengan atau didukung oleh organisasi penyelenggara ujian ini, dan nama ujian hanya digunakan untuk menggambarkan isinya. FE exam diselenggarakan oleh NCEES, yang tidak berafiliasi dengan ExamProblems dan tidak mendukungnya.

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