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​ = 8 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​15 VR2​4 ΩAR4​8 ΩB

Cari resistansi ekuivalen Req yang dilihat sumber V1.

V1 = 15 VR1 = 8 ΩR2 = 4 ΩR3 = 15 ΩR4 = 8 Ω
Req = Ω
2.Resistor seri & paralelSulit
R1​ = 4 ΩR3​ = 20 ΩR5​ = 25 Ω+−V1​12 VR2​2 ΩIR2​AR4​10 ΩBR6​15 Ω

Cari arus IR2 melalui R2.

V1 = 12 VR1 = 4 ΩR2 = 2 ΩR3 = 20 ΩR4 = 10 ΩR5 = 25 ΩR6 = 15 Ω
IR2 = A
3.Analisis simpulSedang
R1​ = 15 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​9 VR2​10 ΩAR4​4 ΩBIs​2,5 A

Gunakan analisis simpul untuk mencari daya PIs yang diberikan oleh sumber arus Is.

V1 = 9 VIs = 2,5 AR1 = 15 ΩR2 = 10 ΩR3 = 8 ΩR4 = 4 Ω
PIs = W
4.Analisis simpulSulit
R1​ = 8 ΩR2​ = 8 ΩR4​ = 10 Ω+−V1​12 VR3​4 ΩAR5​20 ΩBIs​3 A−+V2​9 V

Gunakan analisis simpul untuk mencari tegangan simpul VB (diukur terhadap ground).

V1 = 12 VIs = 3 AV2 = 9 VR1 = 8 ΩR2 = 8 ΩR3 = 4 ΩR4 = 10 ΩR5 = 20 Ω
VB = V
5.Analisis meshSedang
R1​ = 20 ΩR2​ = 20 Ω+−V1​12 VR3​2 ΩA+−V2​30 VI1​I2​

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

V1 = 12 VV2 = 30 VR1 = 20 ΩR2 = 20 ΩR3 = 2 Ω
I2 = A
6.Analisis meshSulit
R1​ = 5 ΩR2​ = 15 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​6 VR4​3 ΩAR5​15 ΩB+−V2​15 VI1​I2​I3​

Gunakan analisis mesh untuk mencari arus mesh I3 (searah jarum jam).

V1 = 6 VV2 = 15 VR1 = 5 ΩR2 = 15 ΩR3 = 15 ΩR4 = 3 ΩR5 = 15 Ω
I3 = A
7.SuperposisiSedang
R1​ = 2 ΩR3​ = 2 ΩIR3​+−V1​15 VR2​10 ΩAR4​6 ΩBIs​?

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

V1 = 15 VR1 = 2 ΩR2 = 10 ΩR3 = 2 ΩR4 = 6 Ω
Is = A
8.SuperposisiSulit
R1​ = 3 ΩR2​ = 6 ΩIR2​R4​ = 25 Ω+−V1​12 VR3​6 ΩAIs​1,5 AB−+V2​24 V

Gunakan superposisi untuk mencari arus IR2 melalui R2 searah panah.

V1 = 12 VIs = 1,5 AV2 = 24 VR1 = 3 ΩR2 = 6 ΩR3 = 6 ΩR4 = 25 Ω
IR2 = A
9.Thévenin & NortonSedang
R1​ = 20 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​30 VR2​15 ΩAab

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

V1 = 30 VR1 = 20 ΩR2 = 15 ΩR3 = 2 Ω
IN = A
10.Thévenin & NortonSulit
R1​ = 30 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​36 VR2​3 ΩAIs​5 ABab

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

V1 = 36 VIs = 5 AR1 = 30 ΩR2 = 3 ΩR3 = 20 Ω
IN = A
11.Transien RC & RLSedang
+−Vs​12 Vt = 0R = 33 ΩL22 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 = 12 VR = 33 ΩL = 22 mHt = 1 ms
W = mJ
12.Transien RC & RLSulit
+−Vs​6 VR1​ = 22 ΩR2​ = 47 Ωmembuka pada t = 0L47 mHi(t)

Sakelar yang paralel dengan R2 telah tertutup sejak lama, jadi arus induktor tunak. Pada t = 0 sakelar membuka. Cari arus induktor i pada t = 1 ms.

Vs = 6 VR1 = 22 ΩR2 = 47 ΩL = 47 mHt = 1 ms
i = A
13.Impedansi AC & fasorSedang
24 V500 HzR = 40 ΩL = 20 mHC = 100 µFI

Rangkaian RLC seri dihubungkan ke sumber 24 V (rms), 500 Hz. Cari faktor daya cos φ rangkaian.

V = 24 V (rms)f = 500 HzR = 40 ΩL = 20 mHC = 100 µF
cos φ =
14.Impedansi AC & fasorSulit
230 V100 HzR1​ = 25 ΩR2​ = 40 ΩC = 100 µFI

Sebuah resistor R1 dihubungkan seri dengan gabungan paralel R2 dan kapasitor C, ke sumber 230 V (rms), 100 Hz. Cari arus rms I.

V = 230 V (rms)f = 100 HzR1 = 25 ΩR2 = 40 ΩC = 100 µF
I = A
15.Daya AC & faktor dayaSedang
240 VR + jXP = 1836 W8,5 A

Sebuah beban induktif mengambil 8,5 A dan 1836 W dari sumber satu fase 240 V (rms). Modelkan sebagai resistansi R yang seri dengan reaktansi X. Cari R.

V = 240 VI = 8,5 AP = 1836 W
R = Ω
16.Daya AC & faktor dayaSulit
400 V60 Hzbeban12 kW, 0,6C68 µFI

Sebuah beban satu fase mengambil 12 kW pada faktor daya 0,6 tertinggal dari sumber 400 V, 60 Hz. Kapasitor 68 µF dihubungkan paralel dengan beban. Cari faktor daya baru cos φ yang dilihat sumber.

P = 12 kWpf1 = 0,6V = 400 Vf = 60 HzC = 68 µF
cos φ =
17.Daya tiga fasaSedang
ABCVL​ = 480 VIL​ = 20 Acos φ = 0,75tertinggal

Beban tiga fasa seimbang menarik arus saluran 20 A dari sumber dengan tegangan antarsaluran 480 V. Faktor dayanya 0,75 tertinggal. Cari daya nyata total P yang diserap beban dalam kW.

VL = 480 VIL = 20 Acos φ = 0,75
P = kW
18.Daya tiga fasaSulit
P = 150 kWφ1​S1​Q2​QC​

Beban tiga fasa seimbang menyerap 150 kW pada faktor daya 0,7 tertinggal dari sumber 415 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. Kapasitor dihubungkan secara Y. Cari kapasitansi Cph setiap kapasitor dalam µF.

P = 150 kWpf1 = 0,7pf2 = 0,92VL = 415 Vf = 50 Hz
Cph = µF
19.TransformatorSedang
RL​ = 15 Ω51600 VV2​I1​ = ?I2​

Sebuah transformator ideal dengan rasio lilitan N₁:N₂ = 5:1 diberi tegangan 600 V pada kumparan primernya. Resistor 15 Ω dihubungkan pada kumparan sekunder. Cari arus primer I1.

N1:N2 = 5:1V1 = 600 VRL = 15 Ω
I1 = A
20.TransformatorSulit
pf 0,9200 kVA, η = 96,5%

Sebuah transformator satu fasa 200 kVA memiliki rugi inti 1000 W. Pada beban pengenal dan faktor daya 0,9 tertinggal, efisiensinya 96,5%. Cari rugi tembaga beban penuh Pcu,fl dalam watt.

S = 200 kVAPcore = 1000 Wpf = 0,9η = 96,5%
Pcu,fl = W
21.Rangkaian op-ampSedang
−+Vout​Rf​ = ?R1​ = 1 kΩVin​

Pilih resistor umpan balik Rf yang memberi penguat non-pembalik ini penguatan tegangan 31.

R1 = 1 kΩAv = 31
Rf = kΩ
22.Rangkaian op-ampSulit
−+Vout​Rf​ = 47 kΩV1​ = −0,2 VR1​ = 47 kΩV2​ = −0,8 VR2​ = 22 kΩ

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

V1 = −0,2 VV2 = −0,8 VR1 = 47 kΩR2 = 22 kΩRf = 47 kΩ
Vout = V
23.Dioda & transistorSedang
+−24 V100 Ω5,6 V2200 ΩIZ​ = ?

Regulator Zener 5,6 V dicatu dari 24 V melalui 100 Ω dan mencatu beban 2200 Ω. Cari arus Zener IZ.

Vin = 24 VVZ = 5,6 VR = 100 ΩRL = 2200 Ω
IZ = mA
24.Dioda & transistorSulit
RC​ = 330 Ωβ = 80VCC​ = 5 V3,3 VRB​ = ?

Sebuah transistor NPN dengan β = 80 mengalihkan resistor beban 330 Ω yang terhubung antara VCC = 5 V dan kolektornya. Emitornya dihubungkan ke ground. Basis dikemudikan dari keluaran logika 3,3 V melalui resistor basis RB. Ambil VBE = 0,7 V dan VCE(sat) = 0,2 V. Cari resistor basis terbesar RB, dalam kΩ, yang masih mengemudikan transistor tepat ke saturasi.

VCC = 5 VRC = 330 Ωβ = 80Vin = 3,3 VVBE = 0,7 VVCE(sat) = 0,2 V
RB = kΩ
25.Sistem bilanganSedang
nilai posisi dalam komplemen dua1−12816413201618040211

Pola 8-bit 1110 1001 menyimpan bilangan bulat bertanda dalam komplemen dua. Berapa nilainya N dalam desimal?

1110 10018 bit
N =
26.Sistem bilanganSulit
1878 kode, b = ? bit?2ᵇ⁻¹…?4?2?1

Sebuah sistem harus memberi setiap 1878 item kode biner sendiri dengan panjang yang sama. Berapa jumlah bit b paling sedikit yang dibutuhkan?

1878
b = bit
27.Logika digital: gerbang, peta-K & flip-flopSedang
ABCD000111100001111010111302041517160121131151140809111010

Pakai peta Karnaugh untuk mencari bentuk hasil kali dari jumlah (POS) minimal dari F(A, B, C, D) = Σm(0, 1, 3, 5, 6, 7, 11, 13, 14, 15). Berapa suku jumlah (faktor) N yang dimilikinya?

F(A, B, C, D) = Σm(0, 1, 3, 5, 6, 7, 11, 13, 14, 15)
N =
28.Logika digital: gerbang, peta-K & flip-flopSulit
FFQ0​Q0​FFQ1​Q1​FFQ2​Q2​FFQ3​Q3​CLKMOD-9

Pencacah mod-9 harus melewati 9 keadaan berbeda. Berapa jumlah minimum flip-flop n yang diperlukannya?

N = 9
n =
29.Transformasi LaplaceSedang
t (s)f(t)t = 1f(1) = ?

Tentukan f(t) untuk F(s) = 20/(s(s + 1)(s + 5)) dengan pecahan parsial, lalu hitung f(1).

F(s) = 20/(s(s + 1)(s + 5))t = 1 s
f(1) =
30.Transformasi LaplaceSulit
t (s)y(t)t = 0,3y(0,3) = ?

Selesaikan y″ + 9y′ + 18y = 0 dengan y(0) = 3 dan y′(0) = 0 memakai transformasi Laplace, lalu tentukan y(0,3).

y″ + 9y′ + 18y = 0y(0) = 3y′(0) = 0t = 0,3 s
y(0.3) =
31.Diagram blokSedang
R(s)+K(s + 1)(s + 3)G(s)C(s)−

Plant G(s) = K/((s + 1)(s + 3)) berada dalam loop umpan balik negatif satuan. Tentukan penguatan K agar loop tertutup teredam kritis (dua kutub riil yang sama).

G(s) = K/((s + 1)(s + 3))umpan balik negatif satuan
K =
32.Diagram blokSulit
R(s)+Ks(s + 3)(s + 10)G(s)C(s)−

Plant G(s) = K/(s(s + 3)(s + 10)) berada dalam loop umpan balik negatif satuan. Gunakan kriteria Routh–Hurwitz untuk mencari penguatan terbesar Kmax agar loop tertutup stabil.

G(s) = K/(s(s + 3)(s + 10))umpan balik negatif satuan
Kmax =
33.Respons langkahSedang
t (s)y(t)1

Sebuah sistem memiliki fungsi alih G(s) = 65/(s² + 2s + 65) dan menerima masukan langkah satuan. Kutubnya s = σ ± jωd. Tentukan bagian riil σ.

G(s) = 65/(s² + 2s + 65)
σ =
34.Respons langkahSulit
+−5 VR = 13 ΩL = 100 mHC = 22 µFvC​

Rangkaian RLC seri dengan R = 13 Ω, L = 100 mH, dan C = 22 µF dihubungkan ke langkah 5 V pada t = 0. Kapasitor belum bermuatan dan tidak ada arus yang mengalir sebelum langkah. Tentukan tegangan puncak kapasitor vC,max.

R = 13 ΩL = 100 mHC = 22 µFV = 5 V
vC,max = V
35.Plot Bode dan marginSedang
|H| (dB)0,1110100−60−40−20020ω (rad/s)ω = 4

Cari besar eksak |G(jω)| dari G(s) = 32/((s + 2)(s + 4)) pada ω = 4 rad/s, dalam dB.

G(s) = 32/((s + 2)(s + 4))ω = 4 rad/s
|G(jω)| = dB
36.Plot Bode dan marginSulit
|H| (dB)0,10,1111010100100−80−60−40−2002040ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−270−180−900ω180​ = ?

Lingkar umpan balik satuan memiliki fungsi alih lingkar terbuka L(s) = 244/(s(s + 4)(s + 7)). Cari frekuensi persilangan fasa ω180, tempat ∠L(jω) = −180°.

L(s) = 244/(s(s + 4)(s + 7))
ω180 = rad/s
37.Kestabilan: Routh–Hurwitz & tempat kedudukan akarSedang
R(s)+K1s(s + 1)(s + 3)C(s)−

Loop pada diagram memiliki fungsi alih loop terbuka L(s) = K/(s(s + 1)(s + 3)). Cari penguatan terbesar Kmax agar loop tertutup stabil.

L(s) = K/(s(s + 1)(s + 3))
Kmax =
38.Kestabilan: Routh–Hurwitz & tempat kedudukan akarSulit
ReIm−2−4−6−8−10−12j2

Tempat kedudukan akar dari L(s) = K/(s(s + 8)(s + 10)) meninggalkan sumbu real di antara s = 0 dan s = −8. Cari titik pencar sb.

L(s) = K/(s(s + 8)(s + 10))
sb =
39.Galat keadaan tunak & kendali PIDSedang
R(s)+K = 945s + 1C(s)−

Suatu proses G(s) = 4/(5s + 1) dikendalikan oleh penguatan proporsional K = 9 dalam loop umpan balik satuan. Cari galat keadaan tunak ess untuk undak, sebagai persentase dari ukuran undak.

G(s) = 4/(5s + 1)K = 9
ess = %
40.Galat keadaan tunak & kendali PIDSulit
R(s)+K = 85s(s + 10)C(s)−

Pengendali proporsional K = 8 mengendalikan plant G(s) = 5/(s(s + 10)) dalam loop umpan balik satuan. Tentukan waktu penetapan 2 % ts dari respons langkah, dengan ts ≈ 4/(ζωₙ).

G(s) = 5/(s(s + 10))K = 8
ts = s

3Larutan

1.Resistor seri & paralel

Jawaban: Req = 11,41 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​ = 8 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​15 VR2​4 ΩAR4​8 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 = 15 + 8 = 23 Ω
R2 ∥ 23 = 4·23/(4+23) = 3,407 Ω
Req = R1 + 3,407 = 8 + 3,407 = 11,41 Ω

Jawaban

Req = 11,41 Ω
2.Resistor seri & paralel

Jawaban: IR2 = 1,909 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​ = 4 ΩR3​ = 20 ΩR5​ = 25 Ω+−V1​12 VR2​2 ΩAR4​10 ΩBR6​15 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 = 25 + 15 = 40 Ω
R4 ∥ 40 = 8 Ω
R3 + 8 = 28 Ω
R2 ∥ 28 = 1,867 Ω
Req = R1 + 1,867 = 4 + 1,867 = 5,867 Ω

Arus dari sumber

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

IR1 = V1/Req = 12/5,867 = 2,045 A

Arus melalui R₂

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

VA = V1 − IR1·R1 = 12 − 2,045·4 = 3,818 V
IR2 = VA/R2 = 3,818/2 = 1,909 A

Jawaban

IR2 = 1,909 A
3.Analisis simpul

Jawaban: PIs = 21,44 W

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

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 − 9)/15 + (VA − VB)/8 = 0
0,2917·VA − 0,125·VB = 0,6

KCL di simpul B

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

VB/R4 + (VB − VA)/R3 = Is
VB/4 + (VB − VA)/8 = 2,5
−0,125·VA + 0,375·VB = 2,5

Selesaikan

Δ = (0,2917)(0,375) − (−0,125)(−0,125) = 0,09375
VA = Δ1/Δ = 0,5375/0,09375 = 5,733 V
VB = Δ2/Δ = 0,8042/0,09375 = 8,578 V

Daya yang diberikan sumber arus

Sumber mendorong Iₛ ke atas masuk ke simpul B, dari ground (0 V) ke VB. Sumber yang arusnya keluar dari ujung + memberikan daya P = V·I.

PIs = VB·Is = 8,578·2,5 = 21,44 W

Jawaban

PIs = 21,44 W
4.Analisis simpul

Jawaban: VB = 10,15 V

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

R1​ = 8 ΩR2​ = 8 ΩR4​ = 10 Ω+−V1​12 VR3​4 ΩAR5​20 ΩBIs​3 A−+V2​9 V

Tentukan simpul

Ground adalah kawat bawah. Tegangan simpul yang diketahui langsung berasal dari sumber (V1 = 12 V, V2 = −9 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/4 + (VA − 12)/8 + (VA − VB)/8 = 0
0,5·VA − 0,125·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)/8 + (VB − (−9))/10 = 3
−0,125·VA + 0,275·VB = 2,1

Selesaikan

Δ = (0,5)(0,275) − (−0,125)(−0,125) = 0,1219
VA = Δ1/Δ = 0,675/0,1219 = 5,538 V
VB = Δ2/Δ = 1,238/0,1219 = 10,15 V

Jawaban

VB = 10,15 V
5.Analisis mesh

Jawaban: I2 = −1,325 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​ = 20 ΩR2​ = 20 Ω+−V1​12 VR3​2 ΩA+−V2​30 VI1​I2​

Tetapkan arus mesh

Gambar arus searah jarum jam di setiap jendela: I1, I2. Resistor yang dipakai bersama dua mesh membawa selisih arus keduanya.

KVL di sekitar mesh 1

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

R1·I1 + R3(I1 − I2) = V1
20·I1 + 2(I1 − I2) = 12
22·I1 − 2·I2 = 12

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
20·I2 + 2(I2 − I1) = (−30)
−2·I1 + 22·I2 = −30

Selesaikan

Δ = (22)(22) − (−2)(−2) = 480
I1 = Δ1/Δ = 204/480 = 0,425 A
I2 = Δ2/Δ = −636/480 = −1,325 A

Jawaban

I2 = −1,325 A

Arus mesh negatif mengalir berlawanan arah jarum jam.

6.Analisis mesh

Jawaban: I3 = −0,6077 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​ = 5 ΩR2​ = 15 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​6 VR4​3 ΩAR5​15 ΩB+−V2​15 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
5·I1 + 3(I1 − I2) = 6
8·I1 − 3·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
15·I2 + 3(I2 − I1) + 15(I2 − I3) = 0
−3·I1 + 33·I2 − 15·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
15·I3 + 15(I3 − I2) = (−15)
−15·I2 + 30·I3 = −15

Selesaikan

Δ = determinan matriks koefisien = 5850
I1 = Δ1/Δ = 3915/5850 = 0,6692 A
I2 = Δ2/Δ = −1260/5850 = −0,2154 A
I3 = Δ3/Δ = −3555/5850 = −0,6077 A

Jawaban

I3 = −0,6077 A

Arus mesh negatif mengalir berlawanan arah jarum jam.

7.Superposisi

Jawaban: Is = 2,083 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​ = 2 Ω+−V1​15 VR2​10 ΩAR4​6 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 = 2+6 = 8 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 10·8/(10+8) = 4,444 Ω
VA = 15·4,444/(2+4,444) = 10,34 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 10,34·6/8 = 7,759 V
IR3′ = (VA − VB)/R3 = (10,34 − 7,759)/2 = 1,293 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 = 1,667 Ω
IR3″ = −Is·R4/(R4 + R3 + R1∥R2) = −Is·6/9,667 = −0,6207·Is

Samakan total dengan nol

IR3′ + IR3″ = 1,293 − 0,6207·Is = 0
Is = 1,293/0,6207 = 2,083 A

Jawaban

Is = 2,083 A
8.Superposisi

Jawaban: IR2 = −0,1667 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​ = 3 ΩR2​ = 6 ΩR4​ = 25 Ω+−V1​12 VR3​6 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) = 6 ∥ 31 = 5,027 Ω
VA = 12·5,027/(3+5,027) = 7,515 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 7,515·25/31 = 6,061 V
IR2′ = (VA − VB)/R2 = (7,515 − 6,061)/6 = 0,2424 A
R1​ = 3 ΩR2​ = 6 ΩR4​ = 25 ΩHUBUNG SINGKATR3​6 ΩAIs​1,5 ABHUBUNG SINGKAT

Kasus 2 · hanya Is

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

R1 ∥ R3 = 2 Ω, jadi jalur kiri adalah R2+2 = 8 Ω
Req = R4 ∥ 8 = 6,061 Ω
VB = Is·Req = 1,5·6,061 = 9,091 V
VA = VB·2/8 = 2,273 V
IR2″ = (VA − VB)/R2 = (2,273 − 9,091)/6 = −1,136 A
R1​ = 3 ΩR2​ = 6 ΩR4​ = 25 ΩHUBUNG SINGKATR3​6 ΩATERBUKAB−+V2​24 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 = 3·6/(3+6) = 2 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = (−24)·8/33 = −5,818 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = −5,818·2/8 = −1,455 V
IR2‴ = (VA − VB)/R2 = (−1,455 − −5,818)/6 = 0,7273 A

Jumlahkan kontribusinya

IR2 = IR2′ + IR2″ + IR2‴
IR2 = 0,2424 + (−1,136) + 0,7273 = −0,1667 A

Hasil negatif berarti sebenarnya arus mengalir berlawanan dengan panah.

9.Thévenin & Norton

Jawaban: IN = 1,216 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​ = 20 ΩR3​ = 2 ΩHUBUNG SINGKATR2​15 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 = 20·15/(20+15) = 8,571 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 8,571 + 2 = 10,57 Ω
R1​ = 20 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​30 VR2​15 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) = 30·15/(20+15) = 12,86 V
IN​1,216 ARth​10,57 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 = 12,86/10,57 = 1,216 A
10.Thévenin & Norton

Jawaban: IN = 5,144 A

Teorema Thévenin: setiap jaringan linear dua terminal berperilaku seperti satu sumber tegangan Vth yang seri dengan resistansi Rth. Teorema Norton menyatakan jaringan yang sama sebagai sumber arus IN = Vth/Rth yang paralel dengan Rth.

R1​ = 30 ΩR3​ = 20 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 = 30·3/(30+3) = 2,727 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,727 + 20 = 22,73 Ω
R1​ = 30 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​36 VR2​3 ΩAIs​5 ABab+−Vth​

Cari Vth, tegangan rangkaian terbuka

Dengan a–b terbuka, satu-satunya jalur Iₛ adalah melalui R₃ ke simpul A. Cari V_A dengan superposisi V₁ dan Iₛ, lalu tambahkan jatuh tegangan pada R₃.

VA = V1·R2/(R1+R2) + Is·(R1∥R2) = 3,273 + 5·2,727 = 16,91 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 16,91 + 5·20 = 116,9 V
IN​5,144 ARth​22,73 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 = 116,9/22,73 = 5,144 A
11.Transien RC & RL

Jawaban: W = 0,8779 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 = 22 mH / 33 Ω = 0,6667 ms
i(∞) = Vs/R = 12/33 = 0,3636 A

Arus pada waktu tertentu

i(t) = 0,3636·(1 − e−1/0,6667) = 0,2825 A

Energi tersimpan

W = ½·L·i² = ½·22·0,2825² = 0,8779 mJ

Jawaban

W = 0,8779 mJ
12.Transien RC & RL

Jawaban: i = 0,1298 A

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

Sebelum t = 0 sakelar yang tertutup memintas R₂; sesudahnya R₁ dan R₂ sama-sama berada dalam loop.

i(0) = 6/22 = 0,2727 A
i(∞) = 6/(22 + 47) = 0,08696 A
τ = L/R = 47/69 = 0,6812 ms
i(t) = 0,08696 + (0,2727 − 0,08696)·e−t/τ

Arus pada waktu tertentu

i(1) = 0,08696 + (0,1858)·e−1/0,6812 = 0,1298 A

Jawaban

i = 0,1298 A
13.Impedansi AC & fasor

Jawaban: cos φ = 0,557

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

XL = 62,83 Ω, XC = 3,183 Ω

Impedansi

|Z| = √(40² + (59,65)²) = 71,82 Ω

Faktor daya

cos φ = R/|Z| = 40/71,82 = 0,557
Rangkaiannya induktif, jadi faktor dayanya tertinggal.

Jawaban

cos φ = 0,557
14.Impedansi AC & fasor

Jawaban: I = 6,882 A

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

Reaktansi

XC = 1/(2π·100·100·10⁻⁶) = 15,92 Ω

Gabungan paralel

Kalikan pembilang dan penyebut dengan sekawan kompleksnya untuk memisahkan Zp menjadi bagian real dan imajiner.

Zp = R₂·(−jXC)/(R₂ − jXC) = (R₂·XC² − jR₂²·XC)/(R₂² + XC²)
Zp = 5,467 − j13,74 Ω

Impedansi total

Z = 25 + 5,467 − j13,74 = 30,47 − j13,74 Ω
|Z| = √(30,47² + 13,74²) = 33,42 Ω

Arus

I = V/|Z| = 230/33,42 = 6,882 A

Jawaban

I = 6,882 A
15.Daya AC & faktor daya

Jawaban: R = 25,41 Ω

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

Resistansi dari daya nyata

R = P/I² = 1836/8,5² = 25,41 Ω

Jawaban

R = 25,41 Ω
16.Daya AC & faktor daya

Jawaban: cos φ = 0,7101

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 = 12·tan(arccos 0,6) = 16 kvar
QC = V²·2πf·C = 400²·2π·60·68·10⁻⁶ = 4102 var = 4,102 kvar
Q2 = 16 − 4,102 = 11,9 kvar

Daya semu baru

S2 = √(12² + 11,9²) = 16,9 kVA

Faktor daya baru

cos φ = P/S2 = 12/16,9 = 0,7101

Jawaban

cos φ = 0,7101
17.Daya tiga fasa

Jawaban: P = 12,47 kW

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

Daya semu

S = √3·VL·IL = √3·480·20 = 16,63 kVA

Daya nyata

P = S·cos φ = 16,63·0,75 = 12,47 kW

Jawaban

P = 12,47 kW
18.Daya tiga fasa

Jawaban: Cph = 1647 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 0,7) = 150·1,02 = 153 kvar
Q2 = 150·tan(acos 0,92) = 150·0,426 = 63,9 kvar

Daya reaktif dari kapasitor

QC = Q1 − Q2 = 89,13 kvar

Kapasitansi per fasa

Pada bank Y, setiap kapasitor terhubung di antara satu saluran dan titik bintang.

V = 415/√3 = 239,6 V, ω = 2π·50 = 314,2 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 29710/(314,2·239,6²) = 1647 µF

Jawaban

Cph = 1647 µF
19.Transformator

Jawaban: I1 = 1,6 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.

Tegangan dan arus sekunder

V2 = 600/5 = 120 V
I2 = 120/15 = 8 A

Arus primer

Transformator ideal tidak memiliki rugi-rugi: V₁·I₁ = V₂·I₂.

I1 = I2/5 = 1,6 A

Jawaban

I1 = 1,6 A

Periksa: beban yang terlihat dari sisi primer adalah a²·RL = 375 Ω, dan 600/375 memberikan arus yang sama.

20.Transformator

Jawaban: Pcu,fl = 5528 W

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

Daya keluaran dan masukan

Pout = 200·0,9 = 180 kW
Pin = 180000/0,965 = 186528 W

Rugi total dan rugi tembaga

Ploss = 186528 − 180000 = 6528 W
Pcu,fl = 6528 − 1000 = 5528 W

Jawaban

Pcu,fl = 5528 W
21.Rangkaian op-amp

Jawaban: Rf = 30 kΩ

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 penguat non-pembalik

V₋ = V₊ = Vin, dan arus melalui R₁ juga mengalir melalui Rf, jadi Vout = Vin·(1 + Rf/R₁).

Av = 1 + Rf/R1
Rf = (31 − 1)·1 = 30 kΩ

Jawaban

Rf = 30 kΩ
22.Rangkaian op-amp

Jawaban: Vout = 1,909 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 = −0,2/47 = −0,004255 mA
I2 = V2/R2 = −0,8/22 = −0,03636 mA
If = I1 + I2 = −0,04062 mA

Tegangan keluaran

Vout = −Rf·If = −47·(−0,04062) = 1,909 V

Jawaban

Vout = 1,909 V
23.Dioda & transistor

Jawaban: IZ = 181,5 mA

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 resistor

IR = 18,4/100 = 184 mA

Arus beban

IL = 5,6/2200 = 2,545 mA

Arus Zener

IZ = 184 − 2,545 = 181,5 mA

Jawaban

IZ = 181,5 mA
24.Dioda & transistor

Jawaban: RB = 14,3 kΩ

BJT sebagai sakelar: untuk menyalakan beban sepenuhnya, transistor dikemudikan ke saturasi, dengan VCE = VCE(sat) dan arus kolektor ditentukan oleh beban: IC(sat) = (VCC − VCE(sat))/RC. Saturasi memerlukan paling sedikit IB = IC(sat)/β. Jika arus basis lebih kecil, transistor tetap aktif dan IC = β·IB.

Arus kolektor saat saturasi

IC(sat) = (5 − 0,2)/330 = 14,55 mA

Arus basis minimum

IB(min) = IC(sat)/β = 14,55/80 = 181,8 µA

Resistor basis

RB = (3,3 − 0,7)/IB = 2,6 V/0,1818 mA = 14,3 kΩ

Jawaban

RB = 14,3 kΩ

Resistor basis yang lebih kecil juga menyaturasi transistor; dalam praktik Anda memilih yang beberapa kali lebih kecil.

25.Sistem bilangan

Jawaban: N = −23

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.

Jumlahkan nilai posisi

Bit lainnya tetap bernilai positif seperti biasa.

−128 + 64 + 32 + 8 + 1 = −23

Jawaban

N = −23
26.Sistem bilangan

Jawaban: b = 11 bit

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.

Pangkat dua

210 = 1024 < 1878
211 = 2048 ≥ 1878

Jawaban

b = 11
27.Logika digital: gerbang, peta-K & flip-flop

Jawaban: N = 3

Peta Karnaugh: sel-sel diurutkan dalam kode Gray (00, 01, 11, 10), sehingga sel bertetangga, termasuk yang melewati tepi, berbeda tepat pada satu variabel. Kelompokkan angka 1 dalam persegi panjang berisi 1, 2, 4, 8, atau 16 sel, sebesar mungkin dan sesedikit mungkin, sampai setiap angka 1 tercakup. Setiap kelompok adalah satu suku hasil kali: variabel yang tetap konstan di dalamnya. Kelompok 2ᵏ sel kehilangan k variabel. Don’t-care (X) boleh dipakai untuk memperbesar kelompok tetapi tidak harus dicakup. Mengelompokkan angka 0 sebagai gantinya menghasilkan bentuk POS minimal.

ABCD000111100001111010111302041517160121131151140809111010

Kelompokkan angka 0

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

(B + C′ + D)
(B′ + C + D)
(A′ + B + C)

Bentuk POS minimal

F = (B + C′ + D)(B′ + C + D)(A′ + B + C)
N = 3

Jawaban

N = 3
28.Logika digital: gerbang, peta-K & flip-flop

Jawaban: n = 4

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.

Jumlah flip-flop

2ⁿ ≥ 9 → n = 4 (2⁴ = 16)

Jawaban

n = 4
29.Transformasi Laplace

Jawaban: f(1) = 2,167

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

Pecahan parsial

F(s) = A/s + B/(s + 1) + C/(s + 5)
A = 20/(1·5) = 4
B = 20/((−1)·4) = −5
C = 20/((−5)·(−4)) = 1

Transformasi balik

f(t) = 4 − 5·e−t + e−5t

Hitung nilainya

f(1) = 4 − 5·e−1 + e−5·1 = 2,167

Jawaban

f(1) = 2,167
30.Transformasi Laplace

Jawaban: y(0.3) = 1,944

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 − 3s − 0 + 9(sY − 3) + 18Y = 0
Y(s) = (3s + 27)/((s + 3)(s + 6))

Pecahan parsial

A = 18/3 = 6
B = 9/(−3) = −3

Hasil

y(t) = 6·e−3t − 3·e−6t
y(0,3) = 1,944

Jawaban

y(0,3) = 1,944

Periksa: y(0) = A + B = 3.

31.Diagram blok

Jawaban: K = 1

Aljabar diagram blok: blok yang seri dikalikan (G₁·G₂), blok yang paralel dijumlahkan (G₁ + G₂), dan loop dengan lintasan maju G dan lintasan umpan balik H direduksi menjadi T = G/(1 + G·H) untuk umpan balik negatif dan G/(1 − G·H) untuk umpan balik positif. Reduksi loop dalam terlebih dahulu, lalu bekerja ke luar. Kutub loop tertutup adalah akar persamaan karakteristik 1 + G(s)H(s) = 0. Untuk loop yang stabil, masukan langkah berukuran A memberi keluaran keadaan tunak A·T(0); dengan umpan balik satuan, galat keadaan tunak terhadap langkah adalah A/(1 + Kp) dengan Kp = G(0).

Persamaan karakteristik

1 + K/((s + 1)(s + 3)) = 0 → s² + 4s + 3 + K = 0

Akar kembar

Kuadrat s² + βs + γ memiliki akar ganda jika β² = 4γ.

4² = 4(3 + K) → K = 16/4 − 3 = 1

Jawaban

K = 1
Kedua kutub loop tertutup lalu berada di s = −2.
32.Diagram blok

Jawaban: Kmax = 390

Aljabar diagram blok: blok yang seri dikalikan (G₁·G₂), blok yang paralel dijumlahkan (G₁ + G₂), dan loop dengan lintasan maju G dan lintasan umpan balik H direduksi menjadi T = G/(1 + G·H) untuk umpan balik negatif dan G/(1 − G·H) untuk umpan balik positif. Reduksi loop dalam terlebih dahulu, lalu bekerja ke luar. Kutub loop tertutup adalah akar persamaan karakteristik 1 + G(s)H(s) = 0. Untuk loop yang stabil, masukan langkah berukuran A memberi keluaran keadaan tunak A·T(0); dengan umpan balik satuan, galat keadaan tunak terhadap langkah adalah A/(1 + Kp) dengan Kp = G(0).

Persamaan karakteristik

s³ + 13s² + 30s + K = 0

Larik Routh

s³ | 1 30
s² | 13 K
s¹ | (13·30 − K)/13
s⁰ | K

Batas kestabilan

Semua entri kolom pertama harus positif.

Kmax = 13·30 = 390

Jawaban

Kmax = 390
33.Respons langkah

Jawaban: σ = −1

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 = 65 → ωₙ = 8,062 rad/s
2ζωₙ = 2 → ζ = 2/(2·8,062) = 0,124

Hasil

σ = −ζωₙ = −2/2 = −1

Jawaban

σ = −1
34.Respons langkah

Jawaban: vC,max = 8,688 V

Respons langkah: sistem orde satu G(s) = K/(τs + 1) menjawab masukan langkah berukuran U dengan y(t) = K·U·(1 − e−t/τ): mencapai 63,2 % dari nilai akhir K·U setelah satu konstanta waktu τ dan 98 % setelah 4τ. Sistem orde dua G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) memiliki kutub s = −ζωₙ ± jωd dengan ωd = ωₙ√(1 − ζ²). Untuk 0 < ζ < 1 respons langkahnya melampaui (overshoot): persen overshoot %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), waktu puncak tp = π/ωd, dan waktu penetapan 2 % ts ≈ 4/(ζωₙ). Bandingkan penyebut dengan s² + 2ζωₙs + ωₙ² untuk membaca ωₙ dan ζ. Untuk massa–pegas–peredam ωₙ = √(k/m) dan ζ = c/(2√(km)); untuk rangkaian RLC seri ωₙ = 1/√(LC) dan ζ = (R/2)·√(C/L).

Frekuensi alami dan rasio redaman

ωₙ = 1/√(LC) = 1/√(0,1·2,2 × 10⁻⁵) = 674,2 rad/s
ζ = (R/2)·√(C/L) = (13/2)·√(2,2 × 10⁻⁵/0,1) = 0,09641

Hasil

%OS = 73,76 %
vC,max = 5·(1 + 0,7376) = 8,688 V

Jawaban

vC,max = 8,688 V
35.Plot Bode dan margin

Jawaban: |G(jω)| = 2,041 dB

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

Kalikan besar

|G(j4)| = 32/(√(4² + 2²)·√(4² + 4²)) = 32/(4,472·5,657) = 1,265

Hasil

20·log₁₀(1,265) = 2,041 dB

Jawaban

|G(jω)| = 2,041 dB
36.Plot Bode dan margin

Jawaban: ω180 = 5,292 rad/s

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

Persilangan fasa

(ω/4)·(ω/7) = 1 → ω180 = √(4·7) = 5,292 rad/s

Jawaban

ω180 = 5,292 rad/s
37.Kestabilan: Routh–Hurwitz & tempat kedudukan akar

Jawaban: Kmax = 12

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 + 4s² + 3s + K = 0

Larik Routh

s³: 1, 3
s²: 4, K
s¹: (4·3 − K)/4
s⁰: K

Syarat

Setiap entri kolom pertama harus positif.

K > 0
4·3 − K > 0 → K < 12

Jawaban

Kmax = 12

Pada K = 12 loop tertutup berosilasi pada ω = √3 = 1,732 rad/s.

38.Kestabilan: Routh–Hurwitz & tempat kedudukan akar

Jawaban: sb = −2,945

Tempat kedudukan akar: saat penguatan K bergerak dari 0 ke ∞, kutub loop tertutup, yaitu akar 1 + K·G(s) = 0, bergerak dari kutub loop terbuka menuju nol loop terbuka atau menuju tak hingga. Suatu titik pada sumbu real termasuk dalam tempat kedudukan bila jumlah kutub dan nol real di sebelah kanannya ganjil. n − m cabang yang menuju tak hingga mengikuti asimtot pada sudut (2q + 1)·180°/(n − m), yang berawal dari titik berat σₐ = (Σ kutub − Σ nol)/(n − m). Cabang meninggalkan atau bergabung dengan sumbu real di tempat dK/ds = 0. Syarat sudut ∠G(s) = 180° menentukan bentuknya, dan syarat besar K = 1/|G(s)| memberikan penguatan di titik mana pun pada tempat kedudukan.

Penguatan sepanjang sumbu real

K(s) = −s(s + 8)(s + 10) = −(s³ + 18s² + 80s)

Titik stasioner

dK/ds = −(3s² + 36s + 80) = 0
s = (−36 ± √(1296 − 960))/6 = −2,945, −9,055

Pilih titik pada tempat kedudukan

Tempat kedudukan terletak pada sumbu real di antara 0 dan −8; akar yang lain bukan bagian dari tempat kedudukan.

sb = −2,945

Jawaban

sb = −2,945
39.Galat keadaan tunak & kendali PID

Jawaban: ess = 2,703 %

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 posisi

Kp = 9·4 = 36

Galat undak

ess = 100/(1 + 36) = 2,703 %

Jawaban

ess = 2,703 %
40.Galat keadaan tunak & kendali PID

Jawaban: ts = 0,8 s

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

Polinomial karakteristik

s(s + 10) + 8·5 = s² + 10s + 40

ωₙ dan ζ

ωₙ = √40 = 6,325 rad/s
ζ = 10/(2·6,325) = 0,7906

Waktu penetapan

ζωₙ = 10/2 = 5
ts ≈ 4/5 = 0,8 s

Jawaban

ts = 0,8 s

Waktu penetapan di sini tidak bergantung pada K: menaikkan K hanya membuat respons berosilasi lebih cepat.

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