BAB 3
RESPONS SINUSOIDAL PADA RANGKAIAN SERI RL DAN RC
3.1 Respons Sinusoidal Pada Rangkaian RL Seri
Perhatikan rangkaian di bawah ini :
Gambar 3.1 Rangkaian RL dengan sumber tegangan v = Vm sin (ωt + )
Rangkaian di atas memiliki sumber tegangan v = Vm sin (ωt + θ) di mana θ memiliki harga dari 0
→
2π rad/det. Bilamana saklar ditutup pada saat t = 0, maka persamaan tegangan pada rangkaian adalah : dt V sin
t
di L i . R m (3.1) Penyelesaian umum persamaan ini adalah :iiss itr (3.2)
di mana dalam hal ini :
itr = ic = penyelesaian komplementer iss = ip = penyelesaian partikular
Adapun penyelesaian komplementer dari Persamaan (3.1) adalah :
0 dt di L Ri c c atau : dt di L Ri c c atau : dt L R di di c c atau : L t K' R ) i ( Ln c
atau : t L R t L R ' K ' K t L R c K i atau : t L R c K i (3.3)
misalkan penyelesaian partikular adalah :
) c )...( t ( sin B ) t ( cos A dt i d ) b ..( ... ) t ( cos B ) t ( sin A dt di ) a ( ... ... ) t ( sin B ) t ( cos A i 2 2 2 p 2 p p (3.4)
Bilamana persamaan (3.1) dideferensialkan satu kali maka :
) t ( cos Vm dt i d L dt di R 2 2 (3.5)
Bilamana harga-harga dari Persamaan (3.4) disubsitusikan ke Persamaan (3.5) dengan mengambil i = ip, maka akan diperoleh :
Asin( t ) Bcos( t )
L
Acos( t ) Bsin( t )
Vmcos( t )R 2 2
dengan menyamakan koefisien persamaan ini maka didapat : R LA Vm B : maka Vm LA BR2 L RA B : maka 0 LB RA 2 sehingga diperoleh : 2 2 2 R L LVm A : didapat maka L RA R LA Vm
dan selanjutnya didapat :
2 2 2 R L RVm B
dan seterusnya bilamana harga-harga A dan B disubsitusikan ke dalam Persamaan (3.4a) diperoleh : ) t sin( R L RVm ) t cos( R L LVm ip 2 2 2 2 2 2 (3.6) melihat segi tiga impedansi dari RL seri :
Gambar 3.2 Segitiga impedansi RL seri
maka terlihat bahwa :
2L2 R2 R Z R cos (3.7) 2L2 R2 L Z L sin (3.8) R L tan 1 (3.9)
Persamaan (3.6) dapat dibuat menjadi :
) t sin( R L RVm ) t cos( R L LVm i 2 2 2 2 2 2 p ) t sin( cos R L R R L Vm ) t cos( sin R L L R L Vm i 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 p sehingga : ) t sin( cos R L Vm ) t cos( sin R L Vm i 2 2 2 2 2 2 p atau :
sin( t )cos cos( t )sin
R L Vm i 2 2 2 p mengingat :
t ) sin( t )cos cos( t )sin
( sin maka : ) t ( sin R L Vm i 2 2 2 p (3.10) sehingga dengan demikian :
p c i i i atau : ) t ( sin R L Vm K i 2 2 2 t L R (3.11)
Karena pada t = 0- arus pada rangkaian : i(0-) = iL(0-) = 0, dan karena sifat dari L yang tidak dapat berubah dengan seketika, maka pada t = 0, arus pada rangkaian adalah i(0) = 0 dan kalau harga ini disubsitusikan ke dalam persamaan (3.11) akan diperoleh :
) 0 . ( sin R L Vm K 0 i 2 2 2 0 . L R sehingga diperoleh : ) ( sin R L Vm K 2 2 2
apabila harga K ini disubsitusikan ke Persamaan (3.11) maka diperoleh :
) t ( sin R L Vm ) ( sin R L Vm i 2 2 2 t L R 2 2 2 (3.12)
Bilamana Persamaan (3.9) disubsitusikan ke dalam persamaan ini, maka di dapat bentuk persamaan arus pada rangkaian setelah saklar ditutup :
) R L tan t ( sin R L Vm ) R L tan ( sin R L Vm i 1 2 2 2 1 2 2 2 t L R (3.13) Contoh :
Jawab :
Sewaktu rangkaian dihubungkan dengan sumber tegangan v dimana θ = 0 persamaan tegangan pada rangkaian :
v dt di L i R atau : dt 500sin500t di 2 , 0 i 50 (*)
Adapun penyelesaian komplementer dari persamaan di atas adalah :
0 dt di 2 , 0 i 50 c c atau : dt di 2 , 0 i 50 c c atau : dt 250dt dic
kalau diintegralkan akan diperoleh :
' K t 250 ) i ( Ln c atau : t 250 ' K ' K t 250 c i karena : K' K , maka : ic K 250t (**)
Misalkan persamaan partikular (i = ip) adalah
) t 500 ( cos B 500 ) t 500 ( sin A 500 dt di : maka ) t 500 ( sin B ) t 500 ( cos A ip p (***)
maka persamaan (*) untuk i = ip adalah
t 500 sin 150 dt di 2 , 0 i 50 p p atau : t 500 sin 750 i 250 dt di p p
kemudian subsitusikan ip dan dt dip
ke dalam persamaan di atas, maka diperoleh : t 500 sin 750 ) t 50 sin T 500 cos A ( 250 t 500 cos B 500 t 500 sin A 500 atau :
250B500A
sin500t
500B250A
cos500t750sin500tdengan menyamakan koefisien ini di dapat :
250B – 500A = 750 dan 500B+250A = 0 maka diperoleh : A = -1,2 dan B = 0,6
Harga A dan B yang diperoleh disubsitusikan ke persamaan (***) : t 500 cos 2 , 1 t 500 sin 6 , 0 t 500 sin 6 , 0 t 500 cos 2 , 1 ip Mengingat : ) t ( sin d c ) t cos( b ) t ( sin a 2 2 di mana : d c tan dan ; sin b cos a d ; cos b sin a c 1 maka : ip 1,31sin(500t63,4) (****) sehingga i = (**) + (****) atau : i = Kε-250.t + 1,34 sin (250.t-63,40) (*****)
Pada saat t = 0- diketahui iL(0-) = 0, dan karena sifat dari L yang tidak dapat berubah dengan seketika, pada saat t = 0, arus i(0) = 0 sehingga :
i(0) = 0 = Kε-250.0 + 1,34 sin (250.0-63,40)
Maka diperoleh : K = 1,19, harga K yang diperoleh disubsitusikan ke persamaan (*****), sehingga di dapat persamaan arus pada rangkain bila saklar ditutup adalah :
mp t
sin 1,19.
3.2 Response Sinusoidal Pada RC Seri
Perhatikan gambar di bawah ini :
Gambar 3.3 Rangkaian RC dengan sumber tegangan v = Vm sin (ωt + θ)
Pada saat t = 0 saklar di tutup sehingga rangakaian terhubung dengan sumber tegangan v = Vm sin (ωt + θ) di mana harga θ dari 0 →2π.rad/det.
Setelah saklar di tutup maka persamaan tegangan pada rangkaian adalah : C idt Vmsin( t )
1 i.
R
(3.14)
bila dideferensialkan satu kali :
C Vmcos( t ) i dt di R (3.15) sesuai Persamaan (3.2), maka penyelesaian Persamaan (3.14) ini adalah :
iiss itr
dimana :
itr = ic = penyelesaian komplementer iss = ip = penyelesaian partikular
Adapun penyelesaian komplementer dari Persamaan (3.15) untuk i = ic adalah :
RC i dt di : atau 0 C i dt di R c c c c atau : RC dt i di c c
kalau diintegralkan :
K' RC t i Ln c atau : RC t ' K ' K RC t c i karena : εK' = K, maka : RC t c K. i (3.16)selanjutnya Persamaan (3.15) untuk i = ip adalah :
C Vmcos
t
i dt di R p p (3.17) Misalkan penyelesaian partikular sesuai Persamaan (3.4) yaitu :
t
Bsin
t
...
c sin A dt i d b ... ... t cos B t sin A dt di a ... ... ... t sin B t cos A i 2 2 p 2 p p Bilamana harga-harga Persamaan (3.4) disubsitusikan ke Persamaan (3.5) maka diperoleh :
Acos
t
Bsin
t
Vmcos
t
C 1 t sin A R atau :
cos( t ) Vmcos t C A RB ) t sin( RA C Bdengan menyamakan koefisien ruas kiri dan ruas kanan maka diperoleh :
Vm RB
A : didapat maka Vm C A RB RC B A : didapat maka 0 RA C B dari kedua persamaan ini diperoleh :
2 2 2 2 2 2 2 2 2 R C 1 Vm R C B dan R C 1 CVm A
ip= A cos (ωt + θ) + B sin (ωt + θ) sehingga diperoleh ) t ( sin R C 1 Vm R C ) t ( cos R C 1 CVm i 2 2 2 2 2 2 2 2 2 p atau : sin ( t ) R C 1 CR ) t ( cos R C 1 1 CVm i 2 2 2 2 2 2 p atau : 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 p R C 1 ) t ( sin R C 1 CR R C 1 ) t ( cos R C 1 1 CVm i (3.18)
dari segitiga impedansi RC seri terlihat :
2 2 2 1 C R z C 1
Gambar 3.4 Segitiga impedansi RC seri
maka : 1 R C C 1 R C 1 R R Z R cos 2 2 2 2 2 2 atau : 1 R C CR cos 2 2 2 dan : 1 R C 1 1 R C C 1 C 1 C 1 R C 1 sin 2 2 2 2 2 2 2 2 2 sedangkan :
ωCR 1 tan : maka . R ωC 1 tan 1
jika besaran cos dan sin disubstitusikan kedalam Persamaan (3.18) akan diperoleh :
cos 1 R C ) t ( sin sin 1 R C ) t ( cos CVm i 2 2 2 2 2 2 p atau :
sin( t )cos cos( t )sin
1 R C CVm i 2 2 2 p mengingat :
) sin cos cos sin
( sin maka :
t ) sin( t )cos cos( t )sin
( sin sehingga : ) t ( sin 1 R C CVm i 2 2 2 p (3.19) maka, dengan demikian :
) t ( sin 1 R C CVm . K i i i 2 2 2 RC t p c (3.20) untuk mencari harga K, maka Persamaan (79) pada t = 0 adalah :
i .d0 Vmsin( .0 ) C 1 i . R (0) (0) maka : R sin Vm i(0)kemudian, jika Persamaan (3.20) dibuat pada t = 0, akan diperoleh : ) 0 . ( sin 1 R C CVm . K sin R Vm i 2 2 2 RC 0 ) 0 ( maka diperoleh : ) ( sin 1 R C CVm sin R Vm K 2 2 2
Bilamana harga K ini disubstitusikan kedalam Persamaan (3.20) akan diperoleh persamaan arus yang mengalir pada rangkaian :
) t ( sin 1 R C CVm . ) ( sin 1 R C CVm sin R Vm i 2 2 2 RC t 2 2 2 karena : ωCR 1 tan 1 , maka : ) ωCR 1 1 tan t ( sin 1 2 R 2 C 2 CVm RC t . ) ωCR 1 1 tan ( sin 1 2 R 2 C 2 CVm sin R Vm i (3.21) Contoh :
Perhatikan rangkaian di bawah ini :
volt ) t 500 ( sin 250 v 100 R F 25 C 0 ) 0 ( qc
Pada saat t = 0, dan = 0 saklar ditutup sehingga rangkaian terhubung ke sumber tegangan v, carilah bentuk persamaan arus i pada rangkaian.
Jawab :
Adapun persamaan tegangan pada rangkaian setelah saklar ditutup adalah :
C idt 250sin500t 1 i . R
(a) atau : t 500 sin 250 dt i 10 . 25 1 i . 100 6
atau : t 500 sin 5 , 2 dt i 400 i
bila dideferensialkan satu kali :
dt 400.i 1250cos500t di
(b)
Untuk mencari penyelesaian komplementer maka Persamaan (b) disamakan dengan nol dimana i = ic.
0 i . 400 dt di c c atau : dt 400 i di c c
kemudian diintegralkan hasilnya adalah :
' K t 400 ) i ( Ln c atau : t 400 ' K ' K t 400 c . i karena : K' K, maka : t 400 c K. i
Misalkan penyelesaian partikular adalah :
ip Acos500tBsin500t (c) t 500 cos B 500 t 500 sin A 500 dt dip (d)
selanjutnya Persamaan (b) untuk : i = ip, adalah :
dt 400.i 1250cos500t di p p (e)
selanjutnya bilamana harga-harga i dan p dt
dip
pada persamaan (c) dan (d) disubstitusikan kedalam persamaan (e), maka diperoleh :
t 500 cos 1250 ) t 500 sin B 400 t 500 cos A 400 ( ) t 500 cos B 500 t 500 sin A 500 ( atau : t 500 cos 1250 t 500 cos ) A 400 B 500 ( t 500 sin ) B 400 A 500 ( maka diperoleh : 0 ) B 400 A 500 ( dan (500B400A)1250 maka diperoleh : A = 1,22 dan B = 1,525
Harga A dan B ini disubtitusikan kedalam persamaan (c), maka diperoleh : t 500 sin 525 , 1 t 500 cos 22 , 1 ip atau :
) 3 , 51 t 500 ( cos 953 , 1 ip karena : p c i i i atau : iK.400t 1,953cos(500t51,3) (f) Pada saat t = 0, maka persamaan (a) didapat :
i.d0 250sin500.0 makai 0 C 1 i . R (0) (0)sehingga persamaan (f) untuk t = 0 adalah :
) 3 , 51 0 . 500 ( cos 953 , 1 . K 0 i(0) 400t
maka diperoleh : K = -1,22,kemudian harga K ini disubstitusikan ke persamaan (f), maka diperoleh persamaan arus pada rangkaian setelah saklar ditutup adalah :
. Amp ) 3 , 51 t . 500 ( cos 953 , 1 . 22 , 1 i 400t Contoh :
Perhatikan rangkaian di bawah ini :
100 R F 25 C t = 0 C 10 . 5 qc(0) 3 volt ) t 500 ( sin 250 v -+ i
Pada saat t = 0, dan = 45o saklar ditutup, carilah bentuk persamaan arus pada rangkaian.
Jawab :
Sebelum saklar kapasitor memiliki muatan qc(0-) = 5.10-3 C, berarti pada terminal kapasitor telah ada tegangan sebesar :
volt 200 10 . 25 10 . 5 C q v 6 3 ) 0 ( c ) 0 ( c
C idt 250sin(500t 45 ) 1 i . R
(a) atau : ) 45 t 500 ( sin 250 dt i 10 . 25 1 i . 100 6
atau : t 500 sin 5 , 2 dt i 400 i
bila dideferensialkan satu kali :
dt 400.i 1250cos(500t 45 ) di (b)
Untuk mencari penyelesaian komplementer ic, maka Persamaan (b) disamakan dengan nol dengan menggantikan i = ic.
0 i . 400 dt di c c atau : dt 400 i di c c
jika diintegralkan hasilnya adalah :
' K t 400 ) i ( Ln c atau : t 400 ' K ' K t 400 c . i karena : K' K, maka : t 400 c K. i (c)
Untuk mendapatkan penyelesaian partikular ip, maka dimisalkan :
ip Acos(500t45)Bsin(500t45) (d) sehingga : dt 500Asin(500t 45 ) 500Bcos(500t 45 ) dip (e)
selanjutnya dengan membuat i = ip pada persamaan (b) dan mensubstitusikan persamaan (d) dan (e) ke dalamnya akan diperoleh :
) 45 t 500 ( cos 1250 ) 45 t 500 ( sin B 400 ) 45 t 500 ( cos A 400 ) 45 t 500 ( cos B 500 ) 45 t 500 ( sin A 500 atau :
) 45 t 500 ( cos 1250 ) 45 t 500 ( cos ) A 400 B 500 ( ) 45 t 500 ( sin ) B 400 A 500 (
dengan menyamakan koefisien didapat :
0 ) B 400 A 500 ( dan : 1250 ) A 400 B 500 ( atau diperoleh : A = 1,22 dan B = 1,525
harga-harga A dan B ini disubtitusikan kedalam persamaan (d), maka diperoleh : ) 45 t 500 ( sin 525 , 1 ) 45 t 500 ( cos 22 , 1 ip atau : ip 1,953sin (500t83,67) (f) karena : p c i i i maka diperoleh : iK.400t 1,953sin (500t83,67) (g)
Pada saat t = 0- pada kapasitor telah ada tegangan sebesar vc(0-) = 200 volt dan karena sifat dari kapasitor yang tidak dapat berubah dengan seketika, maka pada t = 0, tegangan pada kapasitor juga sebesar vc(0) = 200 volt. Selanjutnya harga sesaat dari sumber tegangan pada saat t = 0 adalah :
volt 77 , 176 ) 45 0 . 500 ( sin 250 v(0)
maka melihat dari plaritas sumber dan kapasitor, kedua tegangan ini v(0) dan vc(0) saling menguatkan, sehingga pada saat t = 0, kedua tegangan ini menghasilkan arus pada rangkaian sebesar : . Amp 76 , 3 100 200 77 , 176 R v v i(0) (0) c(0)
maka pada saat t = 0, persamaan (g) menjadi :
) 67 , 83 0 . 500 ( cos 953 , 1 . K 76 , 3 i(0) 400t
maka dengan menyelesaikan persamaan ini di dapat K = 1,82. Kemudian harga K ini disubstitusikan ke persamaan (g), sehingga diperoleh bentuk persamaan arus pada rangkaian apabila saklar ditutup adalah :
. Amp ) 67 , 83 t . 500 ( cos 953 , 1 . 82 , 1 i 400t 3.3 Soal Latihan
1. Rangkaian seperti di bawah ini :
V ) 6 t 10 sin( 10 v 4
Carilah bentuk persamaan arus i setelah saklar ditutup.
2. Rangkaian seperti di bawah ini :
V ) 6 t 10 sin( 5 v 5
Carilah bentuk persamaan arus i setelah saklar ditutup.
V ) 30 t 1000 ( sin 10 v