Latihan ujian FE Electrical and Computer: paket kilat

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

Soal baruKembali ke mata kuliah

Di jendela cetak, pilih “Simpan sebagai PDF” untuk menyimpan salinan di perangkat Anda.

1Rumus dan metode

Resistor seri & paralel

Resistor seri
Req = R1 + R2 + …
Resistor paralel
1/Req = 1/R1 + 1/R2 + …
Dua resistor paralel
Req = R1R2 / (R1 + R2)
Hukum Ohm
V = I·R
Daya
P = V·I = I²R = V²/R

Metode

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

Analisis simpul

Hukum arus Kirchhoff
ΣIin = ΣIout
Arus cabang
I = (Va − Vb)/R
Simpul referensi
Vground = 0

Metode

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

Analisis mesh

Hukum tegangan Kirchhoff
ΣV = 0 di setiap loop
Resistor bersama
arus = I1 − I2
Sumber arus dalam mesh
menetapkan arus mesh tersebut

Metode

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

Superposisi

Superposisi
x = x1 + x2 + … (one source at a time)
Sumber tegangan dimatikan
hubung singkat (0 V)
Sumber arus dimatikan
rangkaian terbuka (0 A)
Pembagi tegangan
V2 = V·R2/(R1 + R2)
Pembagi arus
I1 = I·R2/(R1 + R2)

Metode

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

Thévenin & Norton

Tegangan Thévenin
Vth = Vopen circuit
Resistansi Thévenin
Rth: semua sumber dimatikan, dilihat dari a–b
Arus Norton
IN = Vth/Rth
Arus beban
IL = Vth/(Rth + RL)
Transfer daya maksimum
RL = Rth, Pmax = Vth²/(4Rth)

Metode

  1. Lepaskan beban dan tandai kedua terminal a dan b.
  2. Cari tegangan rangkaian terbuka antara a dan b: inilah Vth.
  3. Matikan semua sumber independen dan cari hambatan yang terlihat dari a–b: inilah Rth.
  4. Pasang kembali beban pada rangkaian ekuivalen: Vth seri dengan Rth.
  5. Untuk ekuivalen Norton, konversikan: IN = Vth/Rth, dengan RN = Rth secara paralel.

Transien RC & RL

Konstanta waktu
τ = RC | τ = L/R
Respons
x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ
Kapasitor pada DC
rangkaian terbuka; vC tidak dapat melompat
Induktor pada DC
hubung singkat; iL tidak dapat melompat
Keadaan tunak
t ≈ 5τ

Metode

  1. Cari nilai awal sesaat setelah sakelar berpindah: tegangan kapasitor dan arus induktor tidak dapat melompat.
  2. Cari nilai akhir lama setelah sakelar berpindah: kapasitor berperilaku sebagai rangkaian terbuka, induktor sebagai hubung singkat.
  3. Cari konstanta waktu: τ = RC atau τ = L/R, dengan hambatan yang terlihat oleh kapasitor atau induktor.
  4. Gunakan x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ.

Impedansi AC & fasor

Impedansi
ZR = R, ZL = jωL, ZC = 1/(jωC)
Frekuensi sudut
ω = 2πf
Besar dan sudut
|Z| = √(R² + X²), φ = atan(X/R)
Hukum Ohm dalam fasor
V = I·Z

Metode

  1. Ubah frekuensinya: ω = 2πf.
  2. Cari setiap reaktansi: XL = ωL dan XC = 1/(ωC).
  3. Jumlahkan impedansi seperti resistor, dengan Z = R + jX.
  4. Cari besar |Z| = √(R² + X²) dan sudut φ = atan(X/R), lalu gunakan hukum Ohm dengan fasor.

Daya AC & faktor daya

Daya nyata
P = V·I·cos φ
Daya reaktif
Q = V·I·sin φ
Daya semu
S = V·I = √(P² + Q²)
Faktor daya
pf = cos φ = P/S
Kapasitor kompensasi
QC = P(tan φ1 − tan φ2), C = QC/(ωV²)

Daya tiga fasa

Hubungan Y
VL = √3·Vph, IL = Iph
Hubungan Δ
VL = Vph, IL = √3·Iph
Daya nyata total
P = √3·VL·IL·cos φ = 3·Iph²·R
Daya semu dan daya reaktif
S = √3·VL·IL, Q = P·tan φ
Kapasitor perbaikan faktor daya
QC = P(tan φ1 − tan φ2), C = QC/(3ωV²)
Tegangan pada setiap kapasitor
Δ: VL Y: VL/√3
Daya masukan motor
Pin = Pout/η

Transformator

Rasio lilitan
a = N1/N2 = V1/V2
Rasio arus
I1/I2 = N2/N1 = 1/a
Arus pengenal
I = S/V
Impedansi yang dirujuk
Z1′ = a²·ZL
Rugi tembaga pada beban parsial
Pcu = x²·Pcu,fl
Efisiensi
η = x·S·pf/(x·S·pf + Pcore + x²·Pcu,fl)
Efisiensi maksimum
x = √(Pcore/Pcu,fl)

Rangkaian op-amp

Penguat pembalik
Vout = −(Rf/Rin)·Vin
Penguat tak membalik
Vout = (1 + Rf/R1)·Vin
Penguat penjumlah
Vout = −Rf(V1/R1 + V2/R2)
Op-amp ideal
V+ = V−, Iin = 0

Dioda & transistor

Dioda (tegangan jatuh konstan)
VD = 0,7 V when conducting
Daerah aktif
VBE = 0,7 V, IC = β·IB, IE = (β + 1)·IB
Bias tetap
IB = (VCC − 0,7)/RB
Bias pembagi tegangan
IB = (VTH − 0,7)/(RTH + (β + 1)RE)
Thévenin dari pembagi tegangan
VTH = VCC·R2/(R1 + R2), RTH = R1∥R2
Loop kolektor
VCE = VCC − ICRC − IERE
Saturasi
IC(sat) = (VCC − VCE(sat))/RC, IB ≥ IC(sat)/β

Sistem bilangan

Nilai tempat
biner 2k, oktal 8k, heksadesimal 16k
Ke desimal
Σ dk·bk
Dari desimal
bagi dengan basis, baca sisanya dari bawah ke atas
Heksadesimal ↔ biner
satu digit heksadesimal = 4 bit
Komplemen dua
balik bitnya lalu tambahkan 1

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

Gerbang dasar
A·B, A + B, A′, (A·B)′, (A + B)′, A ⊕ B
Aturan Boolean
X + X′ = 1, X·X′ = 0, X + XY = X, XY + XY′ = X
De Morgan
(X·Y)′ = X′ + Y′, (X + Y)′ = X′·Y′
Urutan peta Karnaugh
00, 01, 11, 10 (Gray code)
Kelompok 2ᵏ sel
kehilangan k variabel
Multiplekser 4-ke-1
F = A′B′I0 + A′BI1 + AB′I2 + ABI3
Flip-flop
D: Q⁺ = D, T: Q⁺ = T ⊕ Q, JK: Q⁺ = JQ′ + K′Q
Pencacah
n bit: 2ⁿ keadaan; mod-N: n terkecil dengan 2ⁿ ≥ N; fout = fclk/N
Pencacah ripple
fmax = 1/(n·tpd)
Pencacah cincin dan Johnson
n dan 2n keadaan

Metode

  1. Untuk rangkaian, bekerjalah dari masukan ke keluaran satu gerbang demi satu gerbang dan tulis nilai pada setiap kawat, atau tulis ekspresinya dan isi tabel kebenaran.
  2. Untuk penyederhanaan, taruh angka 1 (dan don’t-care sebagai X) ke dalam peta Karnaugh dengan baris dan kolom kode Gray: 00, 01, 11, 10.
  3. Cakup angka 1 dengan kelompok sesedikit dan sebesar mungkin yang berisi 1, 2, 4, 8, atau 16 sel, melingkar melewati tepi; setiap kelompok adalah satu suku hasil kali yang tersusun dari variabel yang tetap konstan. Kelompokkan angka 0 untuk bentuk POS.
  4. Untuk flip-flop dan pencacah, baca masukan pada setiap tepi clock aktif, tulis keadaan setelah setiap tepi, dan ingat bahwa pencacah n bit berputar kembali setelah 2ⁿ keadaan.

Kestabilan: Routh–Hurwitz & tempat kedudukan akar

Kestabilan
semua akar polinomial karakteristik berada di setengah bidang kiri
tabel Routh, entri s¹ dari polinomial kubik
b1 = (a2a1 − a3a0)/a2
Akar di setengah bidang kanan
jumlah perubahan tanda pada kolom pertama
Polinomial kubik s³ + a₂s² + a₁s + a₀
stabil bila semua a > 0 dan a₂·a₁ > a₀
K/(s(s + a)(s + b))
Kmax = ab(a + b), ω = √(ab)
Persamaan karakteristik
1 + K·G(s) = 0
Asimtot
σa = (Σp − Σz)/(n − m), θ = (2q + 1)·180°/(n − m)
Titik pencar dan titik temu
dK/ds = 0
Syarat besar
K = 1/|G(s)|
Sudut keberangkatan
θd = 180° − Σ∠(from other poles) + Σ∠(from zeros)

Metode

  1. Tulis polinomial karakteristik loop tertutup: penyebut dari 1 + K·G(s) = 0, setelah dijabarkan.
  2. Masukkan koefisien secara bergantian ke dua baris pertama tabel Routh lalu susun baris-baris sisanya.
  3. Hitung perubahan tanda pada kolom pertama: masing-masing adalah satu kutub di setengah bidang kanan. Dengan K dalam tabel, syaratkan bahwa setiap entri kolom pertama tetap positif.
  4. Untuk tempat kedudukan akar, tandai kutub dan nol, segmen sumbu real, asimtot dari titik berat, dan titik pisah di tempat dK/ds = 0. Gunakan K = 1/|G(s)| untuk penguatan di suatu titik.

Galat keadaan tunak & kendali PID

Tipe sistem
jumlah kutub G(s) di s = 0
Konstanta galat
Kp = lim G(s), Kv = lim s·G(s), Ka = lim s²·G(s) (s → 0)
Undak A
ess = A/(1 + Kp)
Ramp A·t
ess = A/Kv
Parabola A·t²/2
ess = A/Ka
Pengendali PID
C(s) = Kp + Ki/s + Kd·s
Target orde dua
s² + 2ζωns + ωn²
Lewatan dan waktu
%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), tp = π/ωd, ts ≈ 4/(ζωn)

Metode

  1. Hitung kutub loop terbuka C(s)·G(s) di s = 0: itulah tipe sistem.
  2. Hitung konstanta galat yang sesuai dengan masukan: Kp untuk undak, Kv untuk ramp, Ka untuk parabola.
  3. Terapkan ess = A/(1 + Kp), A/Kv, atau A/Ka, atau selesaikan untuk penguatan yang Anda perlukan.
  4. Untuk spesifikasi redaman atau kecepatan, tulis polinomial karakteristik loop tertutup dan samakan dengan s² + 2ζω_n·s + ω_n².

2Soal latihan

1.Resistor seri & paralelSedang
R1​ = 5 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​9 VR2​15 ΩIR2​AR4​6 ΩB

Cari arus IR2 melalui R2.

V1 = 9 VR1 = 5 ΩR2 = 15 ΩR3 = 10 ΩR4 = 6 Ω
IR2 = A
2.Resistor seri & paralelSulit
R1​ = 2 ΩIR1​R3​ = 10 ΩR5​ = 25 Ω+−V1​30 VR2​5 ΩAR4​3 ΩBR6​2 Ω

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

V1 = 30 VR1 = 2 ΩR2 = 5 ΩR3 = 10 ΩR4 = 3 ΩR5 = 25 ΩR6 = 2 Ω
IR1 = A
3.Analisis simpulSedang
R1​ = 10 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​10 VR2​20 ΩAR4​8 ΩBIs​1,5 A

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

V1 = 10 VIs = 1,5 AR1 = 10 ΩR2 = 20 ΩR3 = 8 ΩR4 = 8 Ω
PIs = W
4.Analisis simpulSulit
R1​ = 15 Ω+−Vs​ = 5 V+−V1​24 VR2​5 ΩAR3​12 ΩBIs​2 A

Sumber tegangan Vₛ antara A dan B memiliki terminal + di A, jadi membuat VA − VB = Vₛ. Gunakan analisis simpul dengan supernode untuk mencari tegangan simpul VB (diukur terhadap ground).

V1 = 24 VIs = 2 AVs = 5 VR1 = 15 ΩR2 = 5 ΩR3 = 12 Ω
VB = V
5.Analisis meshSedang
R1​ = 2 ΩR2​ = 15 Ω+−V1​30 VR3​20 ΩIR3​A+−V2​6 VI1​I2​

Gunakan analisis mesh untuk mencari arus IR3 melalui R3 searah panah.

V1 = 30 VV2 = 6 VR1 = 2 ΩR2 = 15 ΩR3 = 20 Ω
IR3 = A
6.Analisis meshSulit
R1​ = 12 ΩR2​ = 3 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​24 VR4​3 ΩAR5​12 ΩB+−V2​5 VI1​I2​I3​

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

V1 = 24 VV2 = 5 VR1 = 12 ΩR2 = 3 ΩR3 = 10 ΩR4 = 3 ΩR5 = 12 Ω
I2 = A
7.SuperposisiSedang
R1​ = 6 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​15 VR2​5 ΩAR4​12 Ω+−VR4​BIs​1 A

Gunakan superposisi untuk mencari tegangan VR4 pada R4 dengan polaritas yang ditunjukkan.

V1 = 15 VIs = 1 AR1 = 6 ΩR2 = 5 ΩR3 = 6 ΩR4 = 12 Ω
VR4 = V
8.SuperposisiSulit
R1​ = 3 ΩR2​ = 25 ΩIR2​R4​ = 25 Ω+−V1​9 VR3​6 ΩAIs​4 AB+−V2​6 V

Gunakan superposisi untuk mencari arus IR2 melalui R2 searah panah.

V1 = 9 VIs = 4 AV2 = 6 VR1 = 3 ΩR2 = 25 ΩR3 = 6 ΩR4 = 25 Ω
IR2 = A
9.Thévenin & NortonSedang
R1​ = 8 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​15 VR2​4 ΩARL​5 ΩIL​B

Beban RL = 5 Ω dipasang di a–b. Ganti sisa rangkaian dengan ekuivalen Thévenin-nya dan cari arus beban IL.

V1 = 15 VR1 = 8 ΩR2 = 4 ΩR3 = 10 ΩRL = 5 Ω
IL = A
10.Thévenin & NortonSulit
R1​ = 15 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​6 VR2​12 ΩAIs​1,5 ABRL​8 ΩIL​

Beban RL = 8 Ω dipasang di a–b. Gunakan ekuivalen Thévenin untuk mencari daya PL yang diserap beban.

V1 = 6 VIs = 1,5 AR1 = 15 ΩR2 = 12 ΩR3 = 8 ΩRL = 8 Ω
PL = W
11.Transien RC & RLSedang
R = 22 Ωt = 0L220 mHi(t)

Induktor mengalirkan arus tunak 2 A. Pada t = 0 sakelar menutup loop melalui R dan sumber dilepas, jadi arus induktor meluruh melalui R. Cari tegangan vR pada R pada t = 20 ms.

i(0) = 2 AR = 22 ΩL = 220 mHt = 20 ms
vR = V
12.Transien RC & RLSulit
+−Vs​9 VR1​ = 47 ΩR2​ = 10 Ωmenutup pada t = 0L150 mHi(t)

Sakelar yang paralel dengan R2 telah terbuka sejak lama, jadi arus induktor tunak. Pada t = 0 sakelar menutup dan menghubung singkat R2. Berapa lama setelah t = 0 arus induktor mencapai 0,171 A? Cari t.

Vs = 9 VR1 = 47 ΩR2 = 10 ΩL = 150 mH
t = ms
13.Impedansi AC & fasorSedang
120 V100 HzR = 100 ΩL = 100 mHC = 2,2 µFI

Rangkaian RLC seri dihubungkan ke sumber 120 V (rms), 100 Hz. Cari daya nyata P yang diambil dari sumber.

V = 120 V (rms)f = 100 HzR = 100 ΩL = 100 mHC = 2,2 µF
P = W
14.Impedansi AC & fasorSulit
12 V50 HzR1​ = 30 ΩR2​ = 40 ΩC = 100 µFI

Sebuah resistor R1 dihubungkan seri dengan gabungan paralel R2 dan kapasitor C, ke sumber 12 V (rms), 50 Hz. Cari arus rms I.

V = 12 V (rms)f = 50 HzR1 = 30 ΩR2 = 40 ΩC = 100 µF
I = A
15.Daya AC & faktor dayaSedang
240 VR + jXP = 288 W2 A

Sebuah beban induktif mengambil 2 A dan 288 W dari sumber satu fase 240 V (rms). Modelkan sebagai resistansi R yang seri dengan reaktansi X. Cari R.

V = 240 VI = 2 AP = 288 W
R = Ω
16.Daya AC & faktor dayaSulit
24 V60 HzRs​ = 50 ΩXs​ = j10 ΩZL​ = ?

Sebuah sumber 24 V (rms), 60 Hz memiliki impedansi dalam Zs = 50 + j10 Ω. Impedansi beban ZL dapat dipilih bebas. Cari daya nyata maksimum Pmax yang dapat diberikan ke beban.

Vs = 24 V (rms)f = 60 HzZs = 50 + j10 Ω
Pmax = W
17.Daya tiga fasaSedang
ABCVL​ = 415 VZ = 12 + j16 Ωper fasa

Beban seimbang terhubung Δ dengan impedansi 12 + j16 Ω per fasa dihubungkan ke sumber tiga fasa seimbang dengan tegangan antarsaluran 415 V. Cari daya nyata total P yang diserap beban dalam kW.

VL = 415 VZ = 12 + j16 Ω per fasa
P = kW
18.Daya tiga fasaSulit
P = 250 kWφ1​S1​Q2​QC​ = ?

Beban tiga fasa seimbang menyerap 250 kW pada faktor daya 0,75 tertinggal dari sumber 690 V (antarsaluran), 50 Hz. Bank kapasitor tiga fasa yang diparalel dengan beban harus menaikkan faktor daya keseluruhan menjadi 0,95 tertinggal. Daya nyatanya tetap sama. Cari daya reaktif total QC yang harus disuplai bank kapasitor, dalam kvar.

P = 250 kWpf1 = 0,75pf2 = 0,95VL = 690 Vf = 50 Hz
QC = kvar
19.TransformatorSedang
4800 V240 VIHV​ = ?ILV​150 kVA

Sebuah transformator satu fasa 150 kVA, 4800/240 V bekerja pada beban pengenalnya. Anggap ideal. Cari arus IHV pada kumparan tegangan tinggi.

S = 150 kVAV1 = 4800 VV2 = 240 V
IHV = A
20.TransformatorSulit
250 kVA

Sebuah transformator satu fasa 250 kVA memiliki rugi inti 750 W dan rugi tembaga 3000 W pada beban pengenal. Pada beban Sη,max berapa, dalam kVA, efisiensinya paling tinggi?

S = 250 kVAPcore = 750 WPcu,fl = 3000 W
Sη,max = kVA
21.Rangkaian op-ampSedang
−+Vout​Rf​ = 100 kΩR1​ = 22 kΩVin​ = −1,9 V

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

Vin = −1,9 VR1 = 22 kΩRf = 100 kΩ
Vout = V
22.Rangkaian op-ampSulit
−+Vout​Rf​ = 47 kΩV1​ = −0,9 VR1​ = 47 kΩV2​ = −0,7 VR2​ = 4,7 kΩIf​

Penguat penjumlah memakai op-amp ideal yang dicatu ±15 V. Cari arus If melalui resistor umpan balik, yang mengalir menuju keluaran.

V1 = −0,9 VV2 = −0,7 VR1 = 47 kΩR2 = 4,7 kΩRf = 47 kΩ
If = mA
23.Dioda & transistorSedang
+−20 V470 Ω5,6 V1000 ΩIZ​ = ?

Regulator Zener 5,6 V dicatu dari 20 V melalui 470 Ω dan mencatu beban 1000 Ω. Cari arus Zener IZ.

Vin = 20 VVZ = 5,6 VR = 470 ΩRL = 1000 Ω
IZ = mA
24.Dioda & transistorSulit
RC​ = 220 Ωβ = 100VCC​ = 24 V3,3 VRB​ = ?

Sebuah transistor NPN dengan β = 100 mengalihkan resistor beban 220 Ω yang terhubung antara VCC = 24 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 = 24 VRC = 220 Ωβ = 100Vin = 3,3 VVBE = 0,7 VVCE(sat) = 0,2 V
RB = kΩ
25.Sistem bilanganSedang
Komplemen dua 8-bit0−12806403201608040201

Atur bit sehingga menyimpan −116 dalam komplemen dua 8-bit. Dibaca sebagai bilangan tak bertanda, berapa nilai pola U?

N = −1168 bit
U =
26.Sistem bilanganSulit
klik bit untuk mengaturnya012806403201608040201

Atur bit menjadi hasil 8-bit dari 1000 1000 XOR 1010 0001. Berapa nilai hasil R dalam desimal?

1000 1000XOR1010 0001
R =
27.Logika digital: gerbang, peta-K & flip-flopSedang
ABCD000111100001111000111312041517161121130150141819011010

Pakai peta Karnaugh untuk mencari bentuk jumlah dari hasil kali (SOP) minimal dari F(A, B, C, D) = Σm(1, 2, 3, 5, 6, 7, 8, 9, 12, 13). Berapa literal L yang dimilikinya secara total (variabel beraksen dihitung satu literal)?

F(A, B, C, D) = Σm(1, 2, 3, 5, 6, 7, 8, 9, 12, 13)
L =
28.Logika digital: gerbang, peta-K & flip-flopSulit
TQ0​Q0​TQ1​Q1​TQ2​Q2​TQ3​Q3​TQ4​Q4​TQ5​Q5​CLK

Pencacah ripple (asinkron) 6 bit dibangun dari flip-flop dengan tundaan propagasi 15 ns masing-masing. Semua keluaran harus sudah stabil sebelum tepi clock berikutnya. Carilah frekuensi clock maksimum fmax.

n = 6tpd = 15 ns
fmax = MHz
29.Transformasi LaplaceSedang
t (s)f(t)t = 0,1f(0,1) = ?

Tentukan f(t) untuk F(s) = 40/(s(s + 5)(s + 6)) dengan pecahan parsial, lalu hitung f(0,1).

F(s) = 40/(s(s + 5)(s + 6))t = 0,1 s
f(0.1) =
30.Transformasi LaplaceSulit
t (s)y(t)t = 0,3y(0,3) = ?

Sebuah sistem memenuhi y″ + 8y′ + 15y = 45·u(t). Sistem mulai dari keadaan diam (y(0) = 0, y′(0) = 0) dan masukannya adalah fungsi langkah u(t) = 2 untuk t ≥ 0. Gunakan transformasi Laplace untuk mencari keluaran y(0,3).

y″ + 8y′ + 15y = 45·u(t)u(t) = 2y(0) = 0, y′(0) = 0t = 0,3 s
y(0.3) =
31.Diagram blokSedang
R(s)+Ks(s + 18)G(s)C(s)−

Plant G(s) = K/(s(s + 18)) berada dalam loop umpan balik negatif satuan. Tentukan penguatan K agar loop tertutup teredam kritis (dua kutub riil yang sama).

G(s) = K/(s(s + 18))umpan balik negatif satuan
K =
32.Diagram blokSulit
R(s)+19pengendali+D(s)+5s + 2plantC(s)−

Pengendali proporsional K = 19 menggerakkan plant G(s) = 5/(s + 2) dalam loop umpan balik negatif satuan. Sebuah gangguan D masuk di masukan plant (ditambahkan ke keluaran pengendali). Masukan langkah referensi berukuran 2 dan gangguan langkah berukuran 10 diberikan bersamaan. Tentukan keluaran keadaan tunak css.

K = 19G(s) = 5/(s + 2)D = 10R = 2
css =
33.Respons langkahSedang
t (s)y(t)3tp​ = ?

Sebuah sistem memiliki fungsi alih G(s) = 219/(s² + 5s + 73) dan menerima masukan langkah satuan. Tentukan waktu puncak tp dari respons langkah.

G(s) = 219/(s² + 5s + 73)
tp = s
34.Respons langkahSulit
t (s)y(t)1tp​ = 0,2 s2 %

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

%OS = 2 %tp = 0,2 s
ωn = rad/s
35.Plot Bode dan marginSedang
vin​L = 2 mHC = 0,22 µFR = 50 Ωvout​

Pada filter lolos pita RLC seri yang ditunjukkan, keluaran diambil di seberang R = 50 Ω, dengan L = 2 mH dan C = 0,22 µF. Cari lebar pita −3 dB BW dalam Hz.

R = 50 ΩL = 2 mHC = 0,22 µF
BW = Hz
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) = 20/(s(s + 1)(s + 10)). Cari margin penguatan GM dalam dB.

L(s) = 20/(s(s + 1)(s + 10))
GM = dB
37.Kestabilan: Routh–Hurwitz & tempat kedudukan akarSedang
R(s)+Ks + 8s(s + 1)(s + 3)C(s)−

Suatu loop umpan balik satuan memiliki L(s) = K(s + 8)/(s(s + 1)(s + 3)), dengan K > 0. Cari penguatan terbesar Kmax agar loop tertutup stabil.

L(s) = K(s + 8)/(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 + 10)/(s(s + 3)) meninggalkan sumbu real di antara s = 0 dan s = −3, melingkar, lalu bergabung kembali dengan sumbu real di sebelah kiri nol. Cari titik pencar sb.

L(s) = K(s + 10)/(s(s + 3))
sb =
39.Galat keadaan tunak & kendali PIDSedang
R(s)+K(s + 4)(s + 5)C(s)−

Suatu loop umpan balik satuan memiliki G(s) = K/((s + 4)(s + 5)). Cari penguatan K yang memberikan galat keadaan tunak 25 % untuk masukan undak.

G(s) = K/((s + 4)(s + 5))ess = 25 %
K =
40.Galat keadaan tunak & kendali PIDSulit
R(s)+8 + Kd​s5s(s + 3)C(s)−

Pengendali PD C(s) = 8 + Kd·s mengendalikan plant G(s) = 5/(s(s + 3)) dalam loop umpan balik satuan. Cari penguatan turunan Kd yang memberi loop tertutup rasio redaman ζ = 0,9.

G(s) = 5/(s(s + 3))Kp = 8ζ = 0,9
Kd = s

3Larutan

1.Resistor seri & paralel

Jawaban: IR2 = 0,3646 A

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

R1​ = 5 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​9 VR2​15 ΩAR4​6 ΩB

Gabungkan resistor dari ujung terjauh

Mulai dari ujung yang paling jauh dari sumber dan bergerak kembali ke arahnya. Resistor yang dialiri arus sama terhubung seri; resistor di antara dua simpul yang sama terhubung paralel.

R3 + R4 = 10 + 6 = 16 Ω
R2 ∥ 16 = 15·16/(15+16) = 7,742 Ω
Req = R1 + 7,742 = 5 + 7,742 = 12,74 Ω

Arus dari sumber

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

IR1 = V1/Req = 9/12,74 = 0,7063 A

Arus melalui R₂

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

VA = V1 − IR1·R1 = 9 − 0,7063·5 = 5,468 V
IR2 = VA/R2 = 5,468/15 = 0,3646 A

Jawaban

IR2 = 0,3646 A
2.Resistor seri & paralel

Jawaban: IR1 = 5,369 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​ = 2 ΩR3​ = 10 ΩR5​ = 25 Ω+−V1​30 VR2​5 ΩAR4​3 ΩBR6​2 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 + 2 = 27 Ω
R4 ∥ 27 = 2,7 Ω
R3 + 2,7 = 12,7 Ω
R2 ∥ 12,7 = 3,588 Ω
Req = R1 + 3,588 = 2 + 3,588 = 5,588 Ω

Arus dari sumber

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

IR1 = V1/Req = 30/5,588 = 5,369 A

Jawaban

IR1 = 5,369 A
3.Analisis simpul

Jawaban: PIs = 15,18 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/20 + (VA − 10)/10 + (VA − VB)/8 = 0
0,275·VA − 0,125·VB = 1

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/8 + (VB − VA)/8 = 1,5
−0,125·VA + 0,25·VB = 1,5

Selesaikan

Δ = (0,275)(0,25) − (−0,125)(−0,125) = 0,05313
VA = Δ1/Δ = 0,4375/0,05313 = 8,235 V
VB = Δ2/Δ = 0,5375/0,05313 = 10,12 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 = 10,12·1,5 = 15,18 W

Jawaban

PIs = 15,18 W
4.Analisis simpul

Jawaban: VB = 6,476 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.

Bentuk supernode

Sumber tegangan antara A dan B mengalirkan arus yang tidak diketahui, jadi KCL tidak dapat ditulis di A atau B secara terpisah. Lingkupi A, B, dan sumber dalam satu supernode: arus yang masuk sama dengan arus yang keluar.

VB = VA − 5
(VA − V1)/R1 + VA/R2 + VB/R3 = Is

Selesaikan

(VA − 24)/15 + VA/5 + (VA − 5)/12 = 2
VA·(1/15 + 1/5 + 1/12) = 2 + 24/15 + 5/12 = 4,017
VA = 4,017/0,35 = 11,48 V
VB = 6,476 V

Jawaban

VB = 6,476 V
5.Analisis mesh

Jawaban: IR3 = 1,249 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​ = 2 ΩR2​ = 15 Ω+−V1​30 VR3​20 ΩA+−V2​6 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
2·I1 + 20(I1 − I2) = 30
22·I1 − 20·I2 = 30

KVL di sekitar mesh 2

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

R2·I2 + R3(I2 − I1) = −V2
15·I2 + 20(I2 − I1) = (−6)
−20·I1 + 35·I2 = −6

Selesaikan

Δ = (22)(35) − (−20)(−20) = 370
I1 = Δ1/Δ = 930/370 = 2,514 A
I2 = Δ2/Δ = 468/370 = 1,265 A

Jawaban

IR3 = I1 − I2 = 1,249 A

Arus mesh negatif mengalir berlawanan arah jarum jam.

6.Analisis mesh

Jawaban: I2 = 0,191 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​ = 3 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​24 VR4​3 ΩAR5​12 ΩB+−V2​5 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
12·I1 + 3(I1 − I2) = 24
15·I1 − 3·I2 = 24

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
3·I2 + 3(I2 − I1) + 12(I2 − I3) = 0
−3·I1 + 18·I2 − 12·I3 = 0

KVL di sekitar mesh 3

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

R3·I3 + R5(I3 − I2) = −V2
10·I3 + 12(I3 − I2) = (−5)
−12·I2 + 22·I3 = −5

Selesaikan

Δ = determinan matriks koefisien = 3582
I1 = Δ1/Δ = 5868/3582 = 1,638 A
I2 = Δ2/Δ = 684/3582 = 0,191 A
I3 = Δ3/Δ = −441/3582 = −0,1231 A

Jawaban

I2 = 0,191 A

Arus mesh negatif mengalir berlawanan arah jarum jam.

7.Superposisi

Jawaban: VR4 = 9 V

Superposisi: dalam rangkaian linear, setiap tegangan atau arus adalah jumlah respons terhadap masing-masing sumber independen yang bekerja sendiri. Untuk mematikan sumber, ganti sumber tegangan ideal dengan hubung singkat dan sumber arus ideal dengan rangkaian terbuka. Resistor tetap di tempatnya.

R1​ = 6 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​15 VR2​5 ΩAR4​12 ΩBTERBUKA

Kasus 1 · hanya V1

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

R3+R4 = 6+12 = 18 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 5·18/(5+18) = 3,913 Ω
VA = 15·3,913/(6+3,913) = 5,921 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 5,921·12/18 = 3,947 V
VR4′ = VB − 0 = 3,947 − 0 = 3,947 V
R1​ = 6 ΩR3​ = 6 ΩHUBUNG SINGKATR2​5 ΩAR4​12 ΩBIs​1 A

Kasus 2 · hanya Is

V₁ menjadi hubung singkat, jadi R₁ paralel dengan R₂. Iₛ terbagi di B antara R₄ dan jalur melalui R₃.

R1 ∥ R2 = 6·5/(6+5) = 2,727 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 12 ∥ 8,727 = 5,053 Ω
VB = Is·Req = 1·5,053 = 5,053 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 5,053·2,727/8,727 = 1,579 V
VR4″ = VB − 0 = 5,053 − 0 = 5,053 V

Jumlahkan kontribusinya

VR4 = VR4′ + VR4″
VR4 = 3,947 + 5,053 = 9 V

Hasil negatif berarti sebenarnya polaritasnya berlawanan dengan yang ditandai.

8.Superposisi

Jawaban: IR2 = −1,923 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​ = 25 ΩR4​ = 25 Ω+−V1​9 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 ∥ 50 = 5,357 Ω
VA = 9·5,357/(3+5,357) = 5,769 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 5,769·25/50 = 2,885 V
IR2′ = (VA − VB)/R2 = (5,769 − 2,885)/25 = 0,1154 A
R1​ = 3 ΩR2​ = 25 ΩR4​ = 25 ΩHUBUNG SINGKATR3​6 ΩAIs​4 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 = 27 Ω
Req = R4 ∥ 27 = 12,98 Ω
VB = Is·Req = 4·12,98 = 51,92 V
VA = VB·2/27 = 3,846 V
IR2″ = (VA − VB)/R2 = (3,846 − 51,92)/25 = −1,923 A
R1​ = 3 ΩR2​ = 25 ΩR4​ = 25 ΩHUBUNG SINGKATR3​6 ΩATERBUKAB+−V2​6 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) = 6·27/52 = 3,115 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = 3,115·2/27 = 0,2308 V
IR2‴ = (VA − VB)/R2 = (0,2308 − 3,115)/25 = −0,1154 A

Jumlahkan kontribusinya

IR2 = IR2′ + IR2″ + IR2‴
IR2 = 0,1154 + (−1,923) + (−0,1154) = −1,923 A

Hasil negatif berarti sebenarnya arus mengalir berlawanan dengan panah.

9.Thévenin & Norton

Jawaban: IL = 0,283 A

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

R1​ = 8 ΩR3​ = 10 ΩHUBUNG SINGKATR2​4 ΩAabRth​

Cari Rth dengan semua sumber dimatikan

Ganti sumber tegangan dengan hubung singkat dan sumber arus dengan rangkaian terbuka, lalu lihat rangkaian dari a–b.

R1 ∥ R2 = 8·4/(8+4) = 2,667 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,667 + 10 = 12,67 Ω
R1​ = 8 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​15 VR2​4 ΩAab+−Vth​

Cari Vth, tegangan rangkaian terbuka

Dengan a–b terbuka, tidak ada arus yang mengalir di R₃, jadi tidak ada jatuh tegangan dan V_b = V_A. R₁ dan R₂ membentuk pembagi tegangan.

Vth = V1·R2/(R1+R2) = 15·4/(8+4) = 5 V
Rth​ = 12,67 Ω+−Vth​5 VRL​5 ΩIL​

Hubungkan beban ke ekuivalen Thévenin

Sumber Thévenin dan R_th seri berperilaku persis seperti rangkaian asli di a–b, jadi beban melihat loop seri sederhana.

IL = Vth/(Rth + RL) = 5/(12,67 + 5) = 0,283 A
10.Thévenin & Norton

Jawaban: PL = 9,474 W

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​ = 15 ΩR3​ = 8 ΩHUBUNG SINGKATR2​12 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 = 15·12/(15+12) = 6,667 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 6,667 + 8 = 14,67 Ω
R1​ = 15 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​6 VR2​12 ΩAIs​1,5 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) = 2,667 + 1,5·6,667 = 12,67 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 12,67 + 1,5·8 = 24,67 V
Rth​ = 14,67 Ω+−Vth​24,67 VRL​8 ΩIL​

Hubungkan beban ke ekuivalen Thévenin

Sumber Thévenin dan R_th seri berperilaku persis seperti rangkaian asli di a–b, jadi beban melihat loop seri sederhana.

IL = Vth/(Rth + RL) = 24,67/(14,67 + 8) = 1,088 A
PL = IL²·RL = 1,088²·8 = 9,474 W
11.Transien RC & RL

Jawaban: vR = 5,955 V

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

Konstanta waktu

τ = L/R = 220 mH / 22 Ω = 10 ms

Peluruhan arus

i(t) = 2·e−20/10 = 0,2707 A
vR = R·i = 22·0,2707 = 5,955 V

Jawaban

vR = 5,955 V
12.Transien RC & RL

Jawaban: t = 1,578 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

Sebelum t = 0 kedua resistor berada dalam loop; sesudahnya sakelar yang tertutup memintas R₂.

i(0) = 9/(47 + 10) = 0,1579 A
i(∞) = 9/47 = 0,1915 A
τ = L/R = 150/47 = 3,191 ms
i(t) = 0,1915 + (0,1579 − 0,1915)·e−t/τ

Selesaikan untuk waktu

e−t/τ = (0,171 − 0,1915)/(0,1579 − 0,1915) = 0,6099
t = 3,191·ln(1,64) = 1,578 ms

Jawaban

t = 1,578 ms
13.Impedansi AC & fasor

Jawaban: P = 3,226 W

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 = 723,4 Ω

Impedansi

|Z| = √(100² + (−660,6)²) = 668,1 Ω

Daya nyata

Induktor dan kapasitor hanya menyimpan dan mengembalikan energi; resistor menyerap seluruh daya nyata.

I = 120/668,1 = 0,1796 A
P = I²·R = 0,1796²·100 = 3,226 W

Jawaban

P = 3,226 W
14.Impedansi AC & fasor

Jawaban: I = 0,2424 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·50·100·10⁻⁶) = 31,83 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 = 15,51 − j19,49 Ω

Impedansi total

Z = 30 + 15,51 − j19,49 = 45,51 − j19,49 Ω
|Z| = √(45,51² + 19,49²) = 49,51 Ω

Arus

I = V/|Z| = 12/49,51 = 0,2424 A

Jawaban

I = 0,2424 A
15.Daya AC & faktor daya

Jawaban: R = 72 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 = 288/2² = 72 Ω

Jawaban

R = 72 Ω
16.Daya AC & faktor daya

Jawaban: Pmax = 2,88 W

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* = 50 − j10 Ω

Daya maksimum

I = Vs/(2Rs) = 24/100 = 0,24 A
Pmax = I²·RL = Vs²/(4Rs) = 24²/(4·50) = 2,88 W

Jawaban

Pmax = 2,88 W
17.Daya tiga fasa

Jawaban: P = 15,5 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 = VL = 415 V

Arus fasa

|Z| = √(12² + 16²) = 20 Ω
Iph = 415/20 = 20,75 A

Daya nyata total

Hanya bagian resistif dari setiap impedansi yang menyerap daya nyata.

P = 3·Iph²·R = 3·20,75²·12 = 15,5 kW

Jawaban

P = 15,5 kW

Periksa: cos φ = R/|Z| = 0,6, dan √3·VL·IL·cos φ memberikan daya yang sama.

18.Daya tiga fasa

Jawaban: QC = 138,3 kvar

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

Daya reaktif sebelum dan sesudah

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

Q1 = 250·tan(acos 0,75) = 250·0,8819 = 220,5 kvar
Q2 = 250·tan(acos 0,95) = 250·0,3287 = 82,17 kvar

Daya reaktif dari kapasitor

QC = Q1 − Q2 = 138,3 kvar

Jawaban

QC = 138,3 kvar
19.Transformator

Jawaban: IHV = 31,25 A

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

Arus pengenal

Kedua kumparan membawa daya semu yang sama.

IHV = S/V = 150000/4800 = 31,25 A

Jawaban

IHV = 31,25 A
20.Transformator

Jawaban: Sη,max = 125 kVA

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

Rugi tembaga sama dengan rugi inti

x²·3000 = 750 → x = √(750/3000) = 0,5

Beban pada efisiensi maksimum

Sη,max = x·S = 0,5·250 = 125 kVA

Jawaban

Sη,max = 125 kVA
21.Rangkaian op-amp

Jawaban: Vout = −10,54 V

Aturan op-amp ideal: dengan umpan balik negatif, op-amp mengatur keluarannya sehingga kedua masukan berada pada tegangan yang sama (V₋ = V₊), dan tidak ada arus yang masuk ke masukan mana pun. Menulis KCL di masukan pembalik dengan dua fakta ini memberi keluarannya.

Masukan pembalik mengikuti masukan

V₋ = V₊ = −1,9 V
I = V₋/R1 = −1,9/22 = −0,08636 mA

Tegangan keluaran

Arus melalui R₁ juga mengalir melalui Rf.

Vout = V₋ + I·Rf = −1,9 + (−0,08636)·100 = −10,54 V

Jawaban

Vout = −10,54 V
22.Rangkaian op-amp

Jawaban: If = −0,1681 mA

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 = −0,9/47 = −0,01915 mA
I2 = V2/R2 = −0,7/4,7 = −0,1489 mA
If = I1 + I2 = −0,1681 mA

Jawaban

If = −0,1681 mA
23.Dioda & transistor

Jawaban: IZ = 25,04 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 = 14,4/470 = 30,64 mA

Arus beban

IL = 5,6/1000 = 5,6 mA

Arus Zener

IZ = 30,64 − 5,6 = 25,04 mA

Jawaban

IZ = 25,04 mA
24.Dioda & transistor

Jawaban: RB = 2,403 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) = (24 − 0,2)/220 = 108,2 mA

Arus basis minimum

IB(min) = IC(sat)/β = 108,2/100 = 1082 µA

Resistor basis

RB = (3,3 − 0,7)/IB = 2,6 V/1,082 mA = 2,403 kΩ

Jawaban

RB = 2,403 kΩ

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

25.Sistem bilangan

Jawaban: U = 140

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

Balik dan tambah satu

116 = 0111 0100
dibalik: 1000 1011
+1 → 1000 1100

Baca sebagai tak bertanda

1000 1100₂ = 256 − 116 = 140

Jawaban

U = 140
26.Sistem bilangan

Jawaban: R = 41

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

XOR menghasilkan 1 jika kedua bit berbeda.

1000 1000
XOR 1010 0001
= 0010 1001

Nilai hasil

0010 1001₂ = 41

Jawaban

R = 41
27.Logika digital: gerbang, peta-K & flip-flop

Jawaban: L = 6

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.

ABCD000111100001111000111312041517161121130150141819011010

Kelompokkan angka 1

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

C′D
A′C
AC′

Bentuk SOP minimal

F = C′D + A′C + AC′
L = 6

Jawaban

L = 6

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

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

Jawaban: fmax = 11,11 MHz

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.

Waktu penyetelan terburuk

T = 6·15 ns = 90 ns

Frekuensi maksimum

fmax = 1/90 ns = 11,11 MHz

Jawaban

fmax = 11,11 MHz
29.Transformasi Laplace

Jawaban: f(0.1) = 0,1398

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 + 5) + C/(s + 6)
A = 40/(5·6) = 1,333
B = 40/((−5)·1) = −8
C = 40/((−6)·(−1)) = 6,667

Transformasi balik

f(t) = 1,333 − 8·e−5t + 6,667·e−6t

Hitung nilainya

f(0,1) = 1,333 − 8·e−5·0,1 + 6,667·e−6·0,1 = 0,1398

Jawaban

f(0,1) = 0,1398
30.Transformasi Laplace

Jawaban: y(0.3) = 1,91

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

Transformasikan persamaannya

Y(s) = 90/(s(s + 3)(s + 5))

Pecahan parsial

A = 90/(3·5) = 6
B = 90/((−3)·2) = −15
C = 90/((−5)·(−2)) = 9

Haluaran

y(t) = 6 − 15·e−3t + 9·e−5t
y(0,3) = 1,91

Jawaban

y(0,3) = 1,91
31.Diagram blok

Jawaban: K = 81

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(s + 18)) = 0 → s² + 18s + K = 0

Akar kembar

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

18² = 4K → K = 324/4 = 81

Jawaban

K = 81
Kedua kutub loop tertutup lalu berada di s = −9.
32.Diagram blok

Jawaban: css = 2,474

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) = 5/(s + 2 + 95)
C/R = K·G/(1 + K·G) = 95/(s + 2 + 95)

Keadaan tunak

css = 2·95/97 + 10·5/97 = 2,474

Jawaban

css = 2,474

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

33.Respons langkah

Jawaban: tp = 0,3845 s

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

Bandingkan dengan bentuk baku

Penyebut harus cocok dengan s² + 2ζωₙs + ωₙ².

ωₙ² = 73 → ωₙ = 8,544 rad/s
2ζωₙ = 5 → ζ = 5/(2·8,544) = 0,2926

Hasil

ωd = 8,544·√(1 − 0,2926²) = 8,17 rad/s → tp = π/ωd = 0,3845 s

Jawaban

tp = 0,3845 s
34.Respons langkah

Jawaban: ωn = 25,09 rad/s

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

Rasio redaman

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

Frekuensi alami

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

Jawaban

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

Jawaban: BW = 3979 Hz

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.

Frekuensi resonansi

ω₀ = 1/√(LC) = 1/√(0,002·2,2 × 10⁻⁷) = 47673 rad/s
f₀ = ω₀/(2π) = 7587 Hz

Lebar pita

BW = R/L = 50/0,002 = 25000 rad/s = 3979 Hz

Jawaban

BW = 3979 Hz
36.Plot Bode dan margin

Jawaban: GM = 14,81 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.

Persilangan fasa

(ω/1)·(ω/10) = 1 → ω180 = √(1·10) = 3,162 rad/s

Besar pada persilangan fasa

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 1)·√(ω² + 100)) = K/(1·10·(1 + 10)) = K/110

Margin penguatan

GM = 20·log₁₀(110/20) = 14,81 dB

Jawaban

GM = 14,81 dB
37.Kestabilan: Routh–Hurwitz & tempat kedudukan akar

Jawaban: Kmax = 3

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.

Polinomial karakteristik

s(s + 1)(s + 3) + K(s + 8) = s³ + 4s² + (3 + K)s + 8K

Larik Routh

s³: 1, 3 + K
s²: 4, 8K
s¹: (4·(3 + K) − 8K)/4
s⁰: 8K

Syarat

12 − 4K > 0
K < 12/4 = 3

Jawaban

Kmax = 3

Bila nol berada di sebelah kanan s = −4, loop akan tetap stabil untuk setiap K > 0.

38.Kestabilan: Routh–Hurwitz & tempat kedudukan akar

Jawaban: sb = −1,633

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

Penguatan sepanjang sumbu real

K(s) = −(s² + 3s)/(s + 10)

Titik stasioner

Turunkan dengan aturan hasil bagi dan samakan pembilang dengan nol.

(2s + 3)(s + 10) − (s² + 3s) = s² + 20s + 30 = 0
s = −10 ± √70 = −1,633, −18,37

Titik pencar

sb = −1,633

Jawaban

sb = −1,633

Di antara titik pencar dan titik temu, tempat kedudukan berupa lingkaran yang berpusat di nol, dengan jari-jari √70 = 8,367.

39.Galat keadaan tunak & kendali PID

Jawaban: K = 60

Galat keadaan tunak: dalam loop umpan balik satuan dengan fungsi alih loop terbuka G(s), galatnya adalah E(s) = R(s)/(1 + G(s)), dan menurut teorema nilai akhir ess = lims→0 s·E(s). Tipe sistem adalah jumlah kutub G(s) di s = 0. Konstanta galat adalah Kp = lim G(s), Kv = lim s·G(s) dan Ka = lim s²·G(s), semuanya untuk s → 0. Masukan undak berukuran A memberikan ess = A/(1 + Kp), ramp A·t memberikan A/Kv dan parabola A·t²/2 memberikan A/Ka. Loop tipe 0 mengikuti undak dengan galat terhingga, loop tipe 1 mengikutinya dengan tepat dan mengikuti ramp dengan galat terhingga.

Konstanta galat yang diperlukan

1/(1 + Kp) = 0,25 → Kp = 3

Penguatan

K/20 = 3 → K = 60

Jawaban

K = 60

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

40.Galat keadaan tunak & kendali PID

Jawaban: Kd = 1,677 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 + 3) + 5(8 + Kds) = s² + (3 + 5Kd)s + 40

Frekuensi alami

ωₙ = √40 = 6,325 rad/s

Penguatan turunan

3 + 5Kd = 2·0,9·6,325 = 11,38
Kd = 1,677 s

Jawaban

Kd = 1,677 s

Suku turunan menambah redaman tanpa mengubah ωₙ.

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