Open Course Selamat Belajar oleh: Sudaryatno Sudirham Tujuan  mampu menurunkan persamaan rangkaian yang merupakan rangkaian orde kedua.  memahami bahwa tanggapan rangkaian terdiri dari tanggapan paksa.

Download Report

Transcript Open Course Selamat Belajar oleh: Sudaryatno Sudirham Tujuan  mampu menurunkan persamaan rangkaian yang merupakan rangkaian orde kedua.  memahami bahwa tanggapan rangkaian terdiri dari tanggapan paksa.

Slide 1

Open Course

Selamat Belajar

oleh: Sudaryatno Sudirham

Tujuan
 mampu menurunkan persamaan rangkaian yang merupakan
rangkaian orde kedua.

 memahami bahwa tanggapan rangkaian terdiri dari tanggapan
paksa dan tanggapan alami yang mungkin berosilasi.
 mampu melakukan analisis transien pada rangkaian orde

kedua.

Bentuk Umum
Persamaan Rangkaian
Orde Ke-dua

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
2

a

d y
dt

2

b

dy

 cy  x ( t )

dt

y = tanggapan rangkaian yang dapat
berupa tegangan ataupun arus

fungsi pemaksa atau
fungsi penggerak.

tetapan a dan b ditentukan oleh nilainilai elemen yang membentuk rangkaian
Persamaan diferensial orde ke-dua muncul karena
rangkaian mengandung kapasitor dan induktor

dengan tegangan sebagai
peubah status

dengan arus
sebagai peubah status

sedangkan peubah dalam persamaan rangkaian
harus salah satu di ataranya, tegangan atau arus

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Tanggapan Alami
Tanggapan alami adalah solusi persamaan rangkaian di
mana x(t) bernilai nol:
2

a

d y
dt

2

b

dy

 cy  0

dt

Dugaan solusi y berbentuk fungsi eksponensial ya = Kest dengan nilai
K dan s yang masih harus ditentukan.
Kalau solusi ini dimasukkan ke persamaan, akan diperoleh
aKs
Ke

st

2

e

st

as

2

 bKse

st



 cKe

st

0

atau

 bs  c  0

Bagian ini yang harus bernilai nol yang
memberikan persamaan karakteristik
as

2

 bs  c  0

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
2

as  bs  c  0

Persamaan karakteristik yang berbentuk persamaan kwadrat itu
mempunyai dua akar yaitu
s1 , s 2 

2

b

b  4 ac
2a

Dengan adanya dua akar tersebut maka kita mempunyai
dua solusi homogen, yaitu
y a1  K 1e

s1 t

dan

ya 2  K 2e

s2t

dan tanggapan alami yang kita cari akan berbentuk
y a  K 1e

s1 t

 K 2e

s2t

Seperti halnya pada rangkaian orde pertama, tetapan-tetapan ini
diperoleh melalui penerapan kondisi awal pada tanggapan lengkap

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Tanggapan Paksa
Tanggapan paksa adalah solusi persamaan rangkaian di
mana x(t) 0:
2

a

d y
dt

2

b

dy

 cy  x ( t )

dt

Bentuk tanggapan paksa ditentukan oleh bentuk x(t)
sebagaimana telah diulas pada rangkaian orde pertama, yaitu
Jika x ( t )  0 , maka

yp  0

Jika x ( t )  A  konstan,
t

maka

Jika

x ( t )  Ae

Jika

x ( t )  A sin  t , maka

Jika

x ( t )  A cos  t , maka

y p  konstan  K

 eksponensi al, maka

y p  eksponensi al  Ke

y p  K c cos  t  K s sin  t
y p  K c cos  t  K s sin  t

Perhatikan : y  K c cos  t  K s sin  t adalah bentuk umum
fungsi sinus maupun

cosinus .

t

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Tanggapan Lengkap
Tanggapan lengkap adalah jumlah tanggapan alami
dan tanggapan paksa
y  y p  y a  y p  K 1e

s1t

 K 2e

s2t

Tetapan ini diperoleh melalui penerapan kondisi awal
Jika rangkaian mengandung C dan L, dua elemen
ini akan cenderung mempertahankan statusnya.
Jadi ada dua kondisi awal yang harus dipenuhi
yaitu




vC (0 )  vC (0 )

dan




iL (0 )  iL (0 )

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Kondisi Awal
Secara umum, kondisi awal adalah:




y (0 )  y (0 )

dan

dy





(0 )  y ' (0 )

dt

Nilai sesaat sebelum dan sesudah
penutupan/pembukaan saklar harus sama, dan
laju perubahan nilainya harus kontinyu
y

y

0

t

Pada rangkaian orde
pertama dy/dt(0+) tidak
perlu kontinyu

0

t

Pada rangkaian orde kedua dy/dt(0+)
harus kontinyu sebab ada d2y/dt2
dalam persamaan rangkaian yang
hanya terdefinisi jika dy/dt(0+) kontinyu

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Tiga Kemungkinan Bentuk Tanggapan
Persamaan karakteristik
as

2

 bs  c  0

dapat mempunyai tiga kemungkinan nilai akar, yaitu:
a). Dua akar riil berbeda, s1  s2, jika {b2 4ac } > 0;
b). Dua akar sama, s1 = s2 = s , jika {b24ac } = 0;

c). Dua akar kompleks konjugat s1,s2 =   j jika {b24ac } < 0.
Tiga kemungkinan akar ini akan memberikan tiga
kemungkinan bentuk tanggapan

Persamaan karakteristik dengan
dua akar riil berbeda,
s1  s2, {b2 4ac } > 0

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
Contoh-1
1H

S 1 2
+


15 V

+
v



iC
0,25 F

i
8,5 k

Saklar S telah lama berada pada posisi 1.
Pada t = 0 saklar dipindahkan ke posisi 2.
Carilah perubahan tegangan kapasitor.



Pada t = 0- : i ( 0 )  0 dan v ( 0 )  12 V

Persamaan Rangkaian pada t > 0 :  v  L

di

 Ri  0

dt

Karena i = -iC = -C dv/dt, maka:  v  LC

2

d v
dt

2

d v



dt

2



2

R dv

 RC

dt

2

0

dt


L dt

 8 ,5  10

v

0

LC

2

d v

dv

3

dv
dt

6

 4  10 v  0

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami

Persamaan karakteristik:

s

2

3

 8 , 5  10 s  4  10

 akar - akar : s1 , s 2   4250  10

3

6

0

2

( 4 , 25 )  4   500 ,  8000

 500 t
 8000 t
 K 2e
Dugaan tanggapan lengkap: v  0  K 1 e

Tak ada fungsi pemaksa

Kondisi awal: v C ( 0  )  15 V dan i L ( 0  )  0
Karena persamaan rangkaian menggunakan v
sebagai peubah maka kondisi awal arus iL(0+)
harus diubah menjadi dalam tegangan v






i L ( 0 )  iC ( 0 )  C

dv C ( 0 )



dv C ( 0 )
dt

0

dt

0

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
Kondisi awal:





v ( 0 )  15 V

dv ( 0 )

0

dt

 500 t
 8000 t
 K 2e
Dugaan tanggapan lengkap: v  0  K 1 e

0   500 K 1  8000 K 2

15  K1  K 2

0   500 K 1  8000 (15  K 1 )

K1 

8000  15

 16

K 2  1

7500

Tanggapan lengkap menjadi: v  16 e  500 t  e  8000 t V
(hanya ada tanggapan alami).

Ini adalah pelepasan muatan kapasitor pada
rangkaian R-L-C seri

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami

Tanggapan

lengkap : v  16 e

 500 t

e

 8000 t

V

16

v
[V] 12

v
8
4
0
0

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

-4

Perhatikan bahwa pada t = 0+ tegangan kapasitor adalah 15 V

Pada waktu kapasitor mulai melepaskan muatannya,
ada perlawanan dari induktor yang menyebabkan
penurunan tegangan pada saat-saat awal agak landai

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
Contoh-2

1H

S
+


19 V

+
v

iC



0,25 F

Saklar S telah lama tertutup.
Pada t = 0 saklar dibuka.
Tentukan perubahan tegangan
kapasitor dan arus induktor.

i
8,5 k

Sebelum saklar dibuka arus hanya melalui induktor. Dioda tidak konduksi.


i L (0 ) 

19
8500

Persamaan Rangkaian pada t > 0 :

i   iC   C



vC (0 )  0 V

 2 mA

dv C
dt

did 2 v
dv
L
 Ri 
0
vvLC
RC
0
dtdt 2
dt
2



d v
dt

2



R dv
L dt

dt

2

 8 ,5  10

0

LC

2

d v

v



3

dv
dt

6

 4  10 v  0

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
Persamaan

karkterist ik : s  8 ,5  10 s  4  10  0
2

3

 akar - akar : s1 , s 2   4250  10

Dugaan ta

nggapan

lengkap

3

6

( 4 , 25 )  4   500 ,  8000
2

: v  0  K 1e

 500 t

 K 2e

 8000 t

Tak ada fungsi pemaksa
Kondisi awal:



i L ( 0 )  2 mA



vC (0 )  0 V

dan

Karena persamaan rangkaian menggunakan v sebagai
peubah maka kondisi awal iL(0+) harus diubah menjadi
dalam v






 i L ( 0 )  iC ( 0 )  C


dv C ( 0 )
dt

 

dv C ( 0 )
dt
2  10
C

3

 2  10

3

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami


dv ( 0 )



Kondisi awal: v ( 0 )  0



dt

Dugaan ta

nggapan

2  10

6

0 , 25  10

: v  0  K 1e

lengkap

3

0  K1  K 2

 500 t

  8  10

 K 2e

3

 8000 t

 8000   500 K 1  8000 K 2

 8000   500 K 1  8000 K 1
K1 

Tegangan kapasitor menjadi

 8000

K 2   K1  1

  1, 06

7500

: v  1, 06 e

 500 t

 1e

 8000 t

V

Ini adalah pengisian kapasitor oleh arus
induktor pada rangkaian R-L-C seri
Arus induktor

: i L   iC   C
  133  10

dv

  0 , 25  10

dt
 3  500 t

e

 2e

6

 530 e

 8000 t

mA

 500 t

 8000 e

 8000 t



Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
Tanggapan lengkap : v  1, 06 e

 500 t

 1e

 8000 t

V

1

v
[V]

0. 5

0
0

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

-0. 5

-1

Perhatikan bahwa pada awalnya tegangan kapasitor naik
karena menerima pelepasan energi dari induktor

Kenaikan tegangan kapasitor mencapai puncak kemudian
menurun karena ia melepaskan muatan yang pada awalnya
diterima.

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
v  16 e

 500 t

e

 8000 t

v  1, 06 e

V

16

 500 t

 1e

 8000 t

V

1

v [V]

Pelepasan energi induktor

v

12

[V]

v

8

0. 5
0
0

4

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

-0. 5

0
0

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

-1

-4

Untuk kedua peristiwa ini yang di-plot terhadap waktu adalah tegangan kapasitor
Seandainya tidak ada induktor, penurunan tegangan kapasitor akan terjadi
dengan konstanta waktu

  RC  8500  0 . 25  10

6

 2125  10

-6

atau 1/ = 470,6. Tetapi karena ada induktor, konstanta waktu menjadi lebih kecil
sehingga 1/ = 500. Inilah yang terlihat pada suku pertama v.
Suku ke-dua v adalah pengaruh induktor, yang jika tidak ada kapasitor nilai 1/
= R/L = 8500. Karena ada kapasitor nilai ini menjadi 8000 pada suku ke-dua v.

Persamaan Karakteristik Memiliki Dua Akar
Riil Sama Besar
s1 = s2, {b2 4ac } = 0

Dua Akar Riil Sama Besar
Dua akar yang sama besar dapat kita tuliskan sebagai
s1  s

dan

s 2  s   ; dengan   0

Tanggapan lengkap akan berbentuk
y  y p  K 1e

s1t

 K 2e

s2t

st

 y p  K 1e

Tanggapan paksa

Kondisi awal pertama

 K 2e

( s   )t

Tanggapan alami

Kondisi awal kedua







y ( 0 )  y p ( 0 )  K 1 s  K 2 ( s   )







y ( 0 )  y p ( 0 )  ( K 1  K 2 ) s  K 2   B 0

y (0 )  y p (0 )  K 1  K 2
y ( 0 )  y p ( 0 )  K 1  K 2  A0

A0 s  K 2   B 0



K2 

B 0  A0 s


dan

K 1  A0 

B 0  A0 s


Dua Akar Riil Sama Besar
Tanggapan lengkap menjadi

 1 e  t   st
 e
y  y p   A0  ( B 0  A0 s )   
 
  


t
 1
 e t  1 
e 

t
lim  
 lim 







 0
 0





y  y p   A0  ( B 0  A0 s ) t  e

y  y p  K a  K b t  e

ditentukan oleh kondisi awal

st

st

ditentukan oleh kondisi awal dan s
s sendiri ditentukan oleh nilai elemenelemen yang membentuk rangkaian dan
tidak ada kaitannya dengan kondisi awal

Dua Akar Riil Sama Besar, Tanggapan Alami
Contoh-3.
1H

S 1 2
+


15 V

+
v



iC
0,25 F

i
4 k

Sakalar telah lama di posisi 1. Pada t
= 0 di pindah ke posisi 2. Tentukan
perubahan tegangan kapasitor.

(Diganti dengan 4 k dari contoh sebelumnya)


Sebelum saklar dipindahkan: v ( 0 )  15 V ; i ( 0 )  0

di

Persamaan rangkaian untuk t > 0:  v  L

 iR  0

dt
2

Karena i =  iC = C dv/dt

LC

d v
dt

2

 RC

dt

Persamaan karakteristik:

2

3

2

 4  10

s  4  10 s  4  10

v0

dt

2

d v

dv

3

dv
dt

6

0

 4  10 v  0
6

Dua Akar Riil Sama Besar, Tanggapan Alami
Persamaan

2

karakteris tik : s  4000 s  4  10
akar - akar : s1 , s 2   2000 

Karena persamaan
maka tanggapan

karakteris tik memiliki

6

0

4  10

6

 4  10

6

  2000  s

akar sama besar

lengkap akan berbentuk :
v  v p  K a  K b t  e

st

 0  K a  K b t  e

st

Tak ada fungsi pemaksa

Kondisi
Kondisi

awal pertama
awal kedua



dv
dt



dv
dt





v ( 0 )  v ( 0 )  v ( 0 )  15  K a .


(0 )  0 

dv
dt

 K be



(0 )  0  K b  K a s 

 Jadi : v  15  30000 t  e

st

 K a  K bt  s e

st

K b   K a s  30000
 2000 t

V

Dua Akar Riil Sama Besar, Tanggapan Alami

v  15  30000 t  e

 2000 t

V

15
10

v  30000 t e

 2000 t

5
0
0
-5
-10
-15

0.001

v  15 e

0.002

 2000 t

0.003

0.004

0.005

0.006

Dua akar kompleks konjugat
{b2 4ac } < 0
s1    j 

dan

s 2    j

Dua Akar Kompleks Konjugat
Akar-Akar Kompleks Konjugat
s1    j 

dan

s 2    j

Tanggapan lengkap akan berbentuk
y  y p  K 1e

(   j ) t

 K 2e

(   j ) t



 y p  K 1e

 j t

K 1 (cos  t  j sin  t )

 K 2e

 j t

e

t

K 2 (cos  t  j sin  t )

( K 1  K 2 ) cos  t  j ( K 1  K 2 ) sin  t

K a cos  t  K b sin  t

y  y p   K a cos  t  K b sin  t  e

t



Kondisi awal pertama: y ( 0 )  y p ( 0 )  K a

Kondisi awal kedua:





K a  y (0 )  y p (0 )



t
y ( 0 )  y p ( 0 )  {(  K b  K a  ) sin  t  ( K b    K a ) cos  t }e

 y p ( 0 )   K a   K b


 K a   K b  y  ( 0 )  y p ( 0 )

Dua Akar Kompleks Konjugat, Tanggapan Alami
Contoh-4.
1H

S 1 2
+


15 V

+
v


iC

0,25 F

i
1 k

Saklar S sudah lama pada posisi 1.
Pada t = 0 dipindah ke poisisi 2.
Carilah perubahan tegangan kapasitor.

(Diganti dengan 1 k dari contoh sebelumnya)

Pada t = 0+ : v ( 0  )  15 V ; i ( 0  )  0

vL

di

 iR  0

dt

Persamaan rangkaian untuk t > 0:
2

Karena i = iC = C dv/dt

d v

LC

dt

2

dt

Persamaan karakteristik:

2

2

3

 1  10

v0

dt

2

d v

dv

 RC

3

s  1  10 s  4  10

dv

 4  10 v  0

dt
6

0

6

Dua Akar Kompleks Konjugat, Tanggapan Alami
Persamaan

karakteris tik : s

2

 1000

dv

6

0

2

 4  10

 4  10

dt
akar - akar : s1 , s 2   500 

500

6

  500  j 500

15

dua akar kompleks konjugat
  j  dengan    500 ;   500

15

Tanggapan lengkap akan berbentuk:
v  0   K a cos  t  K b sin  t  e
Kondisi

awal pertama

Kondisi

awal kedua 



 v ( 0 )  15  K a
dv
dt



(0 )  0   K a   K b
 Kb 

Tanggapan

t



 K a




lengkap : v  15 cos( 500 15 t ) 

500  15
500



15

15



15 sin( 500 15 t ) e

 500 t

V

Dua Akar Kompleks Konjugat, Tanggapan Alami



v  15 cos( 500 15 t ) 



15 sin( 500 15 t ) e

 500 t

V

15

15 cos( 500 15 t

v 10
[V]
5

15 sin( 500 15 t )

t

0
0
-5
-10
-15

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

0.006

Dua Akar Kompleks Konjugat, Tanggapan Alami
Perbandingan tanggapan rangkaian:
Dua akar riil berbeda: sangat teredam, v  16 e  500 t  e  8000 t V
Dua akar riil sama besar : teredam kritis, v  15  30000 t  e  2000 t V

Dua akar kompleks konjugat : kurang teredam,



v  15 cos( 500 15 t ) 



15 sin( 500 15 t ) e

15
10
5
0
0
-5
-10
-15

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

0.006

 500 t

V

Tanggapan Rangkaian Terhadap Sinyal Sinus
Contoh Tanggapan Rangkaian Dengan Masukan Sinyal Sinus

vs =
26cos3t u(t) V

+


i
vs

5

1H
1

F

6

+
v



Rangkaian mendapat masukan
sinyal sinus yang muncul pada t = 0.
Tentukan perubahan tegangan dan
arus kapasitor, apabila kondisi awal
adalahi(0) = 2 A dan v(0) = 6 V

Pada t = 0+ : i(0+) = 2 A dan v(0+) = 6 V

Persamaan rangkaian untuk t > 0 :

 v s  Ri  L
dv

RC



di
dt

2

 LC

d i
2

dt

dt

5 dv

1 d v



2

d v
2

 v  vs

2

6 dt

dt

v0

5

6 dt

dv
dt

2

 v  26 cos 3 t

 6 v  156 cos 3 t

Tanggapan Rangkaian Terhadap Sinyal Sinus
Persamaan

2

karakteris tik : s  5 s  6  0  ( s  2 )( s  3 );
akar - akar : s1 , s 2   2 ,  3

Dugaan ta nggapan

paksa : v p  A c cos 3 t  A s sin 3 t
2

Persamaan rangkaian

d v
dt

2

5

dv

 6 v  156 cos 3 t

dt

   9 A c  15 A s  6 A c  cos 3 t    9 A s  15 A c  6 A s  sin 3 t  156 cos 3 t
  3 A c  15 A s  156
 Ac 

Tanggapan

156  0
 3  75

dan  15 A c  3 A s  0
  2 ; As 

5  156  0
75  3

 10

paksa : v p   2 cos 3 t  10 sin 3 t

Dugaan tan ggapan lengkap

: v   2 cos 3t  10 sin 3t  K 1 e

2t

 K 2e

 3t

masih harus ditentukan melalui
penerapan kondisi awal

Tanggapan Rangkaian Terhadap Sinyal Sinus


1 dv



awal : v ( 0 )  6 dan i ( 0 )  2 

Kondisi



(0 ) 

dv

6 dt
Aplikasi

kondisi

awal pertama

Aplikasi

kondisi

awal kedua :
 K1  6

Tanggapan

 i

1 dv

dt

: 6  2  K1  K 2  K 2  8  K1
12  30  2 K 1  3 K 2
 K2  2

: v   2 cos 3 t  10 sin 3 t  6 e

lengkap



( 0 )  12

 sin 3 t  5 cos 3 t  2 e

2t

e

 3t

2t

 2e

 3t

V

A

6 dt
30

v [V] 20
i [A]
10

Amplitudo tegangan
menurun

vs

Amplitudo arus
meningkat

v

0
-10 0
-20
-30

t [s]
i

2

4

6

8

10

Courseware
Analisis Transien Rangkaian Orde Ke-Dua

Sudaryatno Sudirham


Slide 2

Open Course

Selamat Belajar

oleh: Sudaryatno Sudirham

Tujuan
 mampu menurunkan persamaan rangkaian yang merupakan
rangkaian orde kedua.

 memahami bahwa tanggapan rangkaian terdiri dari tanggapan
paksa dan tanggapan alami yang mungkin berosilasi.
 mampu melakukan analisis transien pada rangkaian orde

kedua.

Bentuk Umum
Persamaan Rangkaian
Orde Ke-dua

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
2

a

d y
dt

2

b

dy

 cy  x ( t )

dt

y = tanggapan rangkaian yang dapat
berupa tegangan ataupun arus

fungsi pemaksa atau
fungsi penggerak.

tetapan a dan b ditentukan oleh nilainilai elemen yang membentuk rangkaian
Persamaan diferensial orde ke-dua muncul karena
rangkaian mengandung kapasitor dan induktor

dengan tegangan sebagai
peubah status

dengan arus
sebagai peubah status

sedangkan peubah dalam persamaan rangkaian
harus salah satu di ataranya, tegangan atau arus

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Tanggapan Alami
Tanggapan alami adalah solusi persamaan rangkaian di
mana x(t) bernilai nol:
2

a

d y
dt

2

b

dy

 cy  0

dt

Dugaan solusi y berbentuk fungsi eksponensial ya = Kest dengan nilai
K dan s yang masih harus ditentukan.
Kalau solusi ini dimasukkan ke persamaan, akan diperoleh
aKs
Ke

st

2

e

st

as

2

 bKse

st



 cKe

st

0

atau

 bs  c  0

Bagian ini yang harus bernilai nol yang
memberikan persamaan karakteristik
as

2

 bs  c  0

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
2

as  bs  c  0

Persamaan karakteristik yang berbentuk persamaan kwadrat itu
mempunyai dua akar yaitu
s1 , s 2 

2

b

b  4 ac
2a

Dengan adanya dua akar tersebut maka kita mempunyai
dua solusi homogen, yaitu
y a1  K 1e

s1 t

dan

ya 2  K 2e

s2t

dan tanggapan alami yang kita cari akan berbentuk
y a  K 1e

s1 t

 K 2e

s2t

Seperti halnya pada rangkaian orde pertama, tetapan-tetapan ini
diperoleh melalui penerapan kondisi awal pada tanggapan lengkap

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Tanggapan Paksa
Tanggapan paksa adalah solusi persamaan rangkaian di
mana x(t) 0:
2

a

d y
dt

2

b

dy

 cy  x ( t )

dt

Bentuk tanggapan paksa ditentukan oleh bentuk x(t)
sebagaimana telah diulas pada rangkaian orde pertama, yaitu
Jika x ( t )  0 , maka

yp  0

Jika x ( t )  A  konstan,
t

maka

Jika

x ( t )  Ae

Jika

x ( t )  A sin  t , maka

Jika

x ( t )  A cos  t , maka

y p  konstan  K

 eksponensi al, maka

y p  eksponensi al  Ke

y p  K c cos  t  K s sin  t
y p  K c cos  t  K s sin  t

Perhatikan : y  K c cos  t  K s sin  t adalah bentuk umum
fungsi sinus maupun

cosinus .

t

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Tanggapan Lengkap
Tanggapan lengkap adalah jumlah tanggapan alami
dan tanggapan paksa
y  y p  y a  y p  K 1e

s1t

 K 2e

s2t

Tetapan ini diperoleh melalui penerapan kondisi awal
Jika rangkaian mengandung C dan L, dua elemen
ini akan cenderung mempertahankan statusnya.
Jadi ada dua kondisi awal yang harus dipenuhi
yaitu




vC (0 )  vC (0 )

dan




iL (0 )  iL (0 )

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Kondisi Awal
Secara umum, kondisi awal adalah:




y (0 )  y (0 )

dan

dy





(0 )  y ' (0 )

dt

Nilai sesaat sebelum dan sesudah
penutupan/pembukaan saklar harus sama, dan
laju perubahan nilainya harus kontinyu
y

y

0

t

Pada rangkaian orde
pertama dy/dt(0+) tidak
perlu kontinyu

0

t

Pada rangkaian orde kedua dy/dt(0+)
harus kontinyu sebab ada d2y/dt2
dalam persamaan rangkaian yang
hanya terdefinisi jika dy/dt(0+) kontinyu

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Tiga Kemungkinan Bentuk Tanggapan
Persamaan karakteristik
as

2

 bs  c  0

dapat mempunyai tiga kemungkinan nilai akar, yaitu:
a). Dua akar riil berbeda, s1  s2, jika {b2 4ac } > 0;
b). Dua akar sama, s1 = s2 = s , jika {b24ac } = 0;

c). Dua akar kompleks konjugat s1,s2 =   j jika {b24ac } < 0.
Tiga kemungkinan akar ini akan memberikan tiga
kemungkinan bentuk tanggapan

Persamaan karakteristik dengan
dua akar riil berbeda,
s1  s2, {b2 4ac } > 0

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
Contoh-1
1H

S 1 2
+


15 V

+
v



iC
0,25 F

i
8,5 k

Saklar S telah lama berada pada posisi 1.
Pada t = 0 saklar dipindahkan ke posisi 2.
Carilah perubahan tegangan kapasitor.



Pada t = 0- : i ( 0 )  0 dan v ( 0 )  12 V

Persamaan Rangkaian pada t > 0 :  v  L

di

 Ri  0

dt

Karena i = -iC = -C dv/dt, maka:  v  LC

2

d v
dt

2

d v



dt

2



2

R dv

 RC

dt

2

0

dt


L dt

 8 ,5  10

v

0

LC

2

d v

dv

3

dv
dt

6

 4  10 v  0

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami

Persamaan karakteristik:

s

2

3

 8 , 5  10 s  4  10

 akar - akar : s1 , s 2   4250  10

3

6

0

2

( 4 , 25 )  4   500 ,  8000

 500 t
 8000 t
 K 2e
Dugaan tanggapan lengkap: v  0  K 1 e

Tak ada fungsi pemaksa

Kondisi awal: v C ( 0  )  15 V dan i L ( 0  )  0
Karena persamaan rangkaian menggunakan v
sebagai peubah maka kondisi awal arus iL(0+)
harus diubah menjadi dalam tegangan v






i L ( 0 )  iC ( 0 )  C

dv C ( 0 )



dv C ( 0 )
dt

0

dt

0

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
Kondisi awal:





v ( 0 )  15 V

dv ( 0 )

0

dt

 500 t
 8000 t
 K 2e
Dugaan tanggapan lengkap: v  0  K 1 e

0   500 K 1  8000 K 2

15  K1  K 2

0   500 K 1  8000 (15  K 1 )

K1 

8000  15

 16

K 2  1

7500

Tanggapan lengkap menjadi: v  16 e  500 t  e  8000 t V
(hanya ada tanggapan alami).

Ini adalah pelepasan muatan kapasitor pada
rangkaian R-L-C seri

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami

Tanggapan

lengkap : v  16 e

 500 t

e

 8000 t

V

16

v
[V] 12

v
8
4
0
0

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

-4

Perhatikan bahwa pada t = 0+ tegangan kapasitor adalah 15 V

Pada waktu kapasitor mulai melepaskan muatannya,
ada perlawanan dari induktor yang menyebabkan
penurunan tegangan pada saat-saat awal agak landai

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
Contoh-2

1H

S
+


19 V

+
v

iC



0,25 F

Saklar S telah lama tertutup.
Pada t = 0 saklar dibuka.
Tentukan perubahan tegangan
kapasitor dan arus induktor.

i
8,5 k

Sebelum saklar dibuka arus hanya melalui induktor. Dioda tidak konduksi.


i L (0 ) 

19
8500

Persamaan Rangkaian pada t > 0 :

i   iC   C



vC (0 )  0 V

 2 mA

dv C
dt

did 2 v
dv
L
 Ri 
0
vvLC
RC
0
dtdt 2
dt
2



d v
dt

2



R dv
L dt

dt

2

 8 ,5  10

0

LC

2

d v

v



3

dv
dt

6

 4  10 v  0

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
Persamaan

karkterist ik : s  8 ,5  10 s  4  10  0
2

3

 akar - akar : s1 , s 2   4250  10

Dugaan ta

nggapan

lengkap

3

6

( 4 , 25 )  4   500 ,  8000
2

: v  0  K 1e

 500 t

 K 2e

 8000 t

Tak ada fungsi pemaksa
Kondisi awal:



i L ( 0 )  2 mA



vC (0 )  0 V

dan

Karena persamaan rangkaian menggunakan v sebagai
peubah maka kondisi awal iL(0+) harus diubah menjadi
dalam v






 i L ( 0 )  iC ( 0 )  C


dv C ( 0 )
dt

 

dv C ( 0 )
dt
2  10
C

3

 2  10

3

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami


dv ( 0 )



Kondisi awal: v ( 0 )  0



dt

Dugaan ta

nggapan

2  10

6

0 , 25  10

: v  0  K 1e

lengkap

3

0  K1  K 2

 500 t

  8  10

 K 2e

3

 8000 t

 8000   500 K 1  8000 K 2

 8000   500 K 1  8000 K 1
K1 

Tegangan kapasitor menjadi

 8000

K 2   K1  1

  1, 06

7500

: v  1, 06 e

 500 t

 1e

 8000 t

V

Ini adalah pengisian kapasitor oleh arus
induktor pada rangkaian R-L-C seri
Arus induktor

: i L   iC   C
  133  10

dv

  0 , 25  10

dt
 3  500 t

e

 2e

6

 530 e

 8000 t

mA

 500 t

 8000 e

 8000 t



Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
Tanggapan lengkap : v  1, 06 e

 500 t

 1e

 8000 t

V

1

v
[V]

0. 5

0
0

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

-0. 5

-1

Perhatikan bahwa pada awalnya tegangan kapasitor naik
karena menerima pelepasan energi dari induktor

Kenaikan tegangan kapasitor mencapai puncak kemudian
menurun karena ia melepaskan muatan yang pada awalnya
diterima.

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
v  16 e

 500 t

e

 8000 t

v  1, 06 e

V

16

 500 t

 1e

 8000 t

V

1

v [V]

Pelepasan energi induktor

v

12

[V]

v

8

0. 5
0
0

4

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

-0. 5

0
0

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

-1

-4

Untuk kedua peristiwa ini yang di-plot terhadap waktu adalah tegangan kapasitor
Seandainya tidak ada induktor, penurunan tegangan kapasitor akan terjadi
dengan konstanta waktu

  RC  8500  0 . 25  10

6

 2125  10

-6

atau 1/ = 470,6. Tetapi karena ada induktor, konstanta waktu menjadi lebih kecil
sehingga 1/ = 500. Inilah yang terlihat pada suku pertama v.
Suku ke-dua v adalah pengaruh induktor, yang jika tidak ada kapasitor nilai 1/
= R/L = 8500. Karena ada kapasitor nilai ini menjadi 8000 pada suku ke-dua v.

Persamaan Karakteristik Memiliki Dua Akar
Riil Sama Besar
s1 = s2, {b2 4ac } = 0

Dua Akar Riil Sama Besar
Dua akar yang sama besar dapat kita tuliskan sebagai
s1  s

dan

s 2  s   ; dengan   0

Tanggapan lengkap akan berbentuk
y  y p  K 1e

s1t

 K 2e

s2t

st

 y p  K 1e

Tanggapan paksa

Kondisi awal pertama

 K 2e

( s   )t

Tanggapan alami

Kondisi awal kedua







y ( 0 )  y p ( 0 )  K 1 s  K 2 ( s   )







y ( 0 )  y p ( 0 )  ( K 1  K 2 ) s  K 2   B 0

y (0 )  y p (0 )  K 1  K 2
y ( 0 )  y p ( 0 )  K 1  K 2  A0

A0 s  K 2   B 0



K2 

B 0  A0 s


dan

K 1  A0 

B 0  A0 s


Dua Akar Riil Sama Besar
Tanggapan lengkap menjadi

 1 e  t   st
 e
y  y p   A0  ( B 0  A0 s )   
 
  


t
 1
 e t  1 
e 

t
lim  
 lim 







 0
 0





y  y p   A0  ( B 0  A0 s ) t  e

y  y p  K a  K b t  e

ditentukan oleh kondisi awal

st

st

ditentukan oleh kondisi awal dan s
s sendiri ditentukan oleh nilai elemenelemen yang membentuk rangkaian dan
tidak ada kaitannya dengan kondisi awal

Dua Akar Riil Sama Besar, Tanggapan Alami
Contoh-3.
1H

S 1 2
+


15 V

+
v



iC
0,25 F

i
4 k

Sakalar telah lama di posisi 1. Pada t
= 0 di pindah ke posisi 2. Tentukan
perubahan tegangan kapasitor.

(Diganti dengan 4 k dari contoh sebelumnya)


Sebelum saklar dipindahkan: v ( 0 )  15 V ; i ( 0 )  0

di

Persamaan rangkaian untuk t > 0:  v  L

 iR  0

dt
2

Karena i =  iC = C dv/dt

LC

d v
dt

2

 RC

dt

Persamaan karakteristik:

2

3

2

 4  10

s  4  10 s  4  10

v0

dt

2

d v

dv

3

dv
dt

6

0

 4  10 v  0
6

Dua Akar Riil Sama Besar, Tanggapan Alami
Persamaan

2

karakteris tik : s  4000 s  4  10
akar - akar : s1 , s 2   2000 

Karena persamaan
maka tanggapan

karakteris tik memiliki

6

0

4  10

6

 4  10

6

  2000  s

akar sama besar

lengkap akan berbentuk :
v  v p  K a  K b t  e

st

 0  K a  K b t  e

st

Tak ada fungsi pemaksa

Kondisi
Kondisi

awal pertama
awal kedua



dv
dt



dv
dt





v ( 0 )  v ( 0 )  v ( 0 )  15  K a .


(0 )  0 

dv
dt

 K be



(0 )  0  K b  K a s 

 Jadi : v  15  30000 t  e

st

 K a  K bt  s e

st

K b   K a s  30000
 2000 t

V

Dua Akar Riil Sama Besar, Tanggapan Alami

v  15  30000 t  e

 2000 t

V

15
10

v  30000 t e

 2000 t

5
0
0
-5
-10
-15

0.001

v  15 e

0.002

 2000 t

0.003

0.004

0.005

0.006

Dua akar kompleks konjugat
{b2 4ac } < 0
s1    j 

dan

s 2    j

Dua Akar Kompleks Konjugat
Akar-Akar Kompleks Konjugat
s1    j 

dan

s 2    j

Tanggapan lengkap akan berbentuk
y  y p  K 1e

(   j ) t

 K 2e

(   j ) t



 y p  K 1e

 j t

K 1 (cos  t  j sin  t )

 K 2e

 j t

e

t

K 2 (cos  t  j sin  t )

( K 1  K 2 ) cos  t  j ( K 1  K 2 ) sin  t

K a cos  t  K b sin  t

y  y p   K a cos  t  K b sin  t  e

t



Kondisi awal pertama: y ( 0 )  y p ( 0 )  K a

Kondisi awal kedua:





K a  y (0 )  y p (0 )



t
y ( 0 )  y p ( 0 )  {(  K b  K a  ) sin  t  ( K b    K a ) cos  t }e

 y p ( 0 )   K a   K b


 K a   K b  y  ( 0 )  y p ( 0 )

Dua Akar Kompleks Konjugat, Tanggapan Alami
Contoh-4.
1H

S 1 2
+


15 V

+
v


iC

0,25 F

i
1 k

Saklar S sudah lama pada posisi 1.
Pada t = 0 dipindah ke poisisi 2.
Carilah perubahan tegangan kapasitor.

(Diganti dengan 1 k dari contoh sebelumnya)

Pada t = 0+ : v ( 0  )  15 V ; i ( 0  )  0

vL

di

 iR  0

dt

Persamaan rangkaian untuk t > 0:
2

Karena i = iC = C dv/dt

d v

LC

dt

2

dt

Persamaan karakteristik:

2

2

3

 1  10

v0

dt

2

d v

dv

 RC

3

s  1  10 s  4  10

dv

 4  10 v  0

dt
6

0

6

Dua Akar Kompleks Konjugat, Tanggapan Alami
Persamaan

karakteris tik : s

2

 1000

dv

6

0

2

 4  10

 4  10

dt
akar - akar : s1 , s 2   500 

500

6

  500  j 500

15

dua akar kompleks konjugat
  j  dengan    500 ;   500

15

Tanggapan lengkap akan berbentuk:
v  0   K a cos  t  K b sin  t  e
Kondisi

awal pertama

Kondisi

awal kedua 



 v ( 0 )  15  K a
dv
dt



(0 )  0   K a   K b
 Kb 

Tanggapan

t



 K a




lengkap : v  15 cos( 500 15 t ) 

500  15
500



15

15



15 sin( 500 15 t ) e

 500 t

V

Dua Akar Kompleks Konjugat, Tanggapan Alami



v  15 cos( 500 15 t ) 



15 sin( 500 15 t ) e

 500 t

V

15

15 cos( 500 15 t

v 10
[V]
5

15 sin( 500 15 t )

t

0
0
-5
-10
-15

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

0.006

Dua Akar Kompleks Konjugat, Tanggapan Alami
Perbandingan tanggapan rangkaian:
Dua akar riil berbeda: sangat teredam, v  16 e  500 t  e  8000 t V
Dua akar riil sama besar : teredam kritis, v  15  30000 t  e  2000 t V

Dua akar kompleks konjugat : kurang teredam,



v  15 cos( 500 15 t ) 



15 sin( 500 15 t ) e

15
10
5
0
0
-5
-10
-15

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

0.006

 500 t

V

Tanggapan Rangkaian Terhadap Sinyal Sinus
Contoh Tanggapan Rangkaian Dengan Masukan Sinyal Sinus

vs =
26cos3t u(t) V

+


i
vs

5

1H
1

F

6

+
v



Rangkaian mendapat masukan
sinyal sinus yang muncul pada t = 0.
Tentukan perubahan tegangan dan
arus kapasitor, apabila kondisi awal
adalahi(0) = 2 A dan v(0) = 6 V

Pada t = 0+ : i(0+) = 2 A dan v(0+) = 6 V

Persamaan rangkaian untuk t > 0 :

 v s  Ri  L
dv

RC



di
dt

2

 LC

d i
2

dt

dt

5 dv

1 d v



2

d v
2

 v  vs

2

6 dt

dt

v0

5

6 dt

dv
dt

2

 v  26 cos 3 t

 6 v  156 cos 3 t

Tanggapan Rangkaian Terhadap Sinyal Sinus
Persamaan

2

karakteris tik : s  5 s  6  0  ( s  2 )( s  3 );
akar - akar : s1 , s 2   2 ,  3

Dugaan ta nggapan

paksa : v p  A c cos 3 t  A s sin 3 t
2

Persamaan rangkaian

d v
dt

2

5

dv

 6 v  156 cos 3 t

dt

   9 A c  15 A s  6 A c  cos 3 t    9 A s  15 A c  6 A s  sin 3 t  156 cos 3 t
  3 A c  15 A s  156
 Ac 

Tanggapan

156  0
 3  75

dan  15 A c  3 A s  0
  2 ; As 

5  156  0
75  3

 10

paksa : v p   2 cos 3 t  10 sin 3 t

Dugaan tan ggapan lengkap

: v   2 cos 3t  10 sin 3t  K 1 e

2t

 K 2e

 3t

masih harus ditentukan melalui
penerapan kondisi awal

Tanggapan Rangkaian Terhadap Sinyal Sinus


1 dv



awal : v ( 0 )  6 dan i ( 0 )  2 

Kondisi



(0 ) 

dv

6 dt
Aplikasi

kondisi

awal pertama

Aplikasi

kondisi

awal kedua :
 K1  6

Tanggapan

 i

1 dv

dt

: 6  2  K1  K 2  K 2  8  K1
12  30  2 K 1  3 K 2
 K2  2

: v   2 cos 3 t  10 sin 3 t  6 e

lengkap



( 0 )  12

 sin 3 t  5 cos 3 t  2 e

2t

e

 3t

2t

 2e

 3t

V

A

6 dt
30

v [V] 20
i [A]
10

Amplitudo tegangan
menurun

vs

Amplitudo arus
meningkat

v

0
-10 0
-20
-30

t [s]
i

2

4

6

8

10

Courseware
Analisis Transien Rangkaian Orde Ke-Dua

Sudaryatno Sudirham


Slide 3

Open Course

Selamat Belajar

oleh: Sudaryatno Sudirham

Tujuan
 mampu menurunkan persamaan rangkaian yang merupakan
rangkaian orde kedua.

 memahami bahwa tanggapan rangkaian terdiri dari tanggapan
paksa dan tanggapan alami yang mungkin berosilasi.
 mampu melakukan analisis transien pada rangkaian orde

kedua.

Bentuk Umum
Persamaan Rangkaian
Orde Ke-dua

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
2

a

d y
dt

2

b

dy

 cy  x ( t )

dt

y = tanggapan rangkaian yang dapat
berupa tegangan ataupun arus

fungsi pemaksa atau
fungsi penggerak.

tetapan a dan b ditentukan oleh nilainilai elemen yang membentuk rangkaian
Persamaan diferensial orde ke-dua muncul karena
rangkaian mengandung kapasitor dan induktor

dengan tegangan sebagai
peubah status

dengan arus
sebagai peubah status

sedangkan peubah dalam persamaan rangkaian
harus salah satu di ataranya, tegangan atau arus

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Tanggapan Alami
Tanggapan alami adalah solusi persamaan rangkaian di
mana x(t) bernilai nol:
2

a

d y
dt

2

b

dy

 cy  0

dt

Dugaan solusi y berbentuk fungsi eksponensial ya = Kest dengan nilai
K dan s yang masih harus ditentukan.
Kalau solusi ini dimasukkan ke persamaan, akan diperoleh
aKs
Ke

st

2

e

st

as

2

 bKse

st



 cKe

st

0

atau

 bs  c  0

Bagian ini yang harus bernilai nol yang
memberikan persamaan karakteristik
as

2

 bs  c  0

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
2

as  bs  c  0

Persamaan karakteristik yang berbentuk persamaan kwadrat itu
mempunyai dua akar yaitu
s1 , s 2 

2

b

b  4 ac
2a

Dengan adanya dua akar tersebut maka kita mempunyai
dua solusi homogen, yaitu
y a1  K 1e

s1 t

dan

ya 2  K 2e

s2t

dan tanggapan alami yang kita cari akan berbentuk
y a  K 1e

s1 t

 K 2e

s2t

Seperti halnya pada rangkaian orde pertama, tetapan-tetapan ini
diperoleh melalui penerapan kondisi awal pada tanggapan lengkap

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Tanggapan Paksa
Tanggapan paksa adalah solusi persamaan rangkaian di
mana x(t) 0:
2

a

d y
dt

2

b

dy

 cy  x ( t )

dt

Bentuk tanggapan paksa ditentukan oleh bentuk x(t)
sebagaimana telah diulas pada rangkaian orde pertama, yaitu
Jika x ( t )  0 , maka

yp  0

Jika x ( t )  A  konstan,
t

maka

Jika

x ( t )  Ae

Jika

x ( t )  A sin  t , maka

Jika

x ( t )  A cos  t , maka

y p  konstan  K

 eksponensi al, maka

y p  eksponensi al  Ke

y p  K c cos  t  K s sin  t
y p  K c cos  t  K s sin  t

Perhatikan : y  K c cos  t  K s sin  t adalah bentuk umum
fungsi sinus maupun

cosinus .

t

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Tanggapan Lengkap
Tanggapan lengkap adalah jumlah tanggapan alami
dan tanggapan paksa
y  y p  y a  y p  K 1e

s1t

 K 2e

s2t

Tetapan ini diperoleh melalui penerapan kondisi awal
Jika rangkaian mengandung C dan L, dua elemen
ini akan cenderung mempertahankan statusnya.
Jadi ada dua kondisi awal yang harus dipenuhi
yaitu




vC (0 )  vC (0 )

dan




iL (0 )  iL (0 )

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Kondisi Awal
Secara umum, kondisi awal adalah:




y (0 )  y (0 )

dan

dy





(0 )  y ' (0 )

dt

Nilai sesaat sebelum dan sesudah
penutupan/pembukaan saklar harus sama, dan
laju perubahan nilainya harus kontinyu
y

y

0

t

Pada rangkaian orde
pertama dy/dt(0+) tidak
perlu kontinyu

0

t

Pada rangkaian orde kedua dy/dt(0+)
harus kontinyu sebab ada d2y/dt2
dalam persamaan rangkaian yang
hanya terdefinisi jika dy/dt(0+) kontinyu

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Tiga Kemungkinan Bentuk Tanggapan
Persamaan karakteristik
as

2

 bs  c  0

dapat mempunyai tiga kemungkinan nilai akar, yaitu:
a). Dua akar riil berbeda, s1  s2, jika {b2 4ac } > 0;
b). Dua akar sama, s1 = s2 = s , jika {b24ac } = 0;

c). Dua akar kompleks konjugat s1,s2 =   j jika {b24ac } < 0.
Tiga kemungkinan akar ini akan memberikan tiga
kemungkinan bentuk tanggapan

Persamaan karakteristik dengan
dua akar riil berbeda,
s1  s2, {b2 4ac } > 0

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
Contoh-1
1H

S 1 2
+


15 V

+
v



iC
0,25 F

i
8,5 k

Saklar S telah lama berada pada posisi 1.
Pada t = 0 saklar dipindahkan ke posisi 2.
Carilah perubahan tegangan kapasitor.



Pada t = 0- : i ( 0 )  0 dan v ( 0 )  12 V

Persamaan Rangkaian pada t > 0 :  v  L

di

 Ri  0

dt

Karena i = -iC = -C dv/dt, maka:  v  LC

2

d v
dt

2

d v



dt

2



2

R dv

 RC

dt

2

0

dt


L dt

 8 ,5  10

v

0

LC

2

d v

dv

3

dv
dt

6

 4  10 v  0

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami

Persamaan karakteristik:

s

2

3

 8 , 5  10 s  4  10

 akar - akar : s1 , s 2   4250  10

3

6

0

2

( 4 , 25 )  4   500 ,  8000

 500 t
 8000 t
 K 2e
Dugaan tanggapan lengkap: v  0  K 1 e

Tak ada fungsi pemaksa

Kondisi awal: v C ( 0  )  15 V dan i L ( 0  )  0
Karena persamaan rangkaian menggunakan v
sebagai peubah maka kondisi awal arus iL(0+)
harus diubah menjadi dalam tegangan v






i L ( 0 )  iC ( 0 )  C

dv C ( 0 )



dv C ( 0 )
dt

0

dt

0

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
Kondisi awal:





v ( 0 )  15 V

dv ( 0 )

0

dt

 500 t
 8000 t
 K 2e
Dugaan tanggapan lengkap: v  0  K 1 e

0   500 K 1  8000 K 2

15  K1  K 2

0   500 K 1  8000 (15  K 1 )

K1 

8000  15

 16

K 2  1

7500

Tanggapan lengkap menjadi: v  16 e  500 t  e  8000 t V
(hanya ada tanggapan alami).

Ini adalah pelepasan muatan kapasitor pada
rangkaian R-L-C seri

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami

Tanggapan

lengkap : v  16 e

 500 t

e

 8000 t

V

16

v
[V] 12

v
8
4
0
0

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

-4

Perhatikan bahwa pada t = 0+ tegangan kapasitor adalah 15 V

Pada waktu kapasitor mulai melepaskan muatannya,
ada perlawanan dari induktor yang menyebabkan
penurunan tegangan pada saat-saat awal agak landai

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
Contoh-2

1H

S
+


19 V

+
v

iC



0,25 F

Saklar S telah lama tertutup.
Pada t = 0 saklar dibuka.
Tentukan perubahan tegangan
kapasitor dan arus induktor.

i
8,5 k

Sebelum saklar dibuka arus hanya melalui induktor. Dioda tidak konduksi.


i L (0 ) 

19
8500

Persamaan Rangkaian pada t > 0 :

i   iC   C



vC (0 )  0 V

 2 mA

dv C
dt

did 2 v
dv
L
 Ri 
0
vvLC
RC
0
dtdt 2
dt
2



d v
dt

2



R dv
L dt

dt

2

 8 ,5  10

0

LC

2

d v

v



3

dv
dt

6

 4  10 v  0

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
Persamaan

karkterist ik : s  8 ,5  10 s  4  10  0
2

3

 akar - akar : s1 , s 2   4250  10

Dugaan ta

nggapan

lengkap

3

6

( 4 , 25 )  4   500 ,  8000
2

: v  0  K 1e

 500 t

 K 2e

 8000 t

Tak ada fungsi pemaksa
Kondisi awal:



i L ( 0 )  2 mA



vC (0 )  0 V

dan

Karena persamaan rangkaian menggunakan v sebagai
peubah maka kondisi awal iL(0+) harus diubah menjadi
dalam v






 i L ( 0 )  iC ( 0 )  C


dv C ( 0 )
dt

 

dv C ( 0 )
dt
2  10
C

3

 2  10

3

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami


dv ( 0 )



Kondisi awal: v ( 0 )  0



dt

Dugaan ta

nggapan

2  10

6

0 , 25  10

: v  0  K 1e

lengkap

3

0  K1  K 2

 500 t

  8  10

 K 2e

3

 8000 t

 8000   500 K 1  8000 K 2

 8000   500 K 1  8000 K 1
K1 

Tegangan kapasitor menjadi

 8000

K 2   K1  1

  1, 06

7500

: v  1, 06 e

 500 t

 1e

 8000 t

V

Ini adalah pengisian kapasitor oleh arus
induktor pada rangkaian R-L-C seri
Arus induktor

: i L   iC   C
  133  10

dv

  0 , 25  10

dt
 3  500 t

e

 2e

6

 530 e

 8000 t

mA

 500 t

 8000 e

 8000 t



Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
Tanggapan lengkap : v  1, 06 e

 500 t

 1e

 8000 t

V

1

v
[V]

0. 5

0
0

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

-0. 5

-1

Perhatikan bahwa pada awalnya tegangan kapasitor naik
karena menerima pelepasan energi dari induktor

Kenaikan tegangan kapasitor mencapai puncak kemudian
menurun karena ia melepaskan muatan yang pada awalnya
diterima.

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
v  16 e

 500 t

e

 8000 t

v  1, 06 e

V

16

 500 t

 1e

 8000 t

V

1

v [V]

Pelepasan energi induktor

v

12

[V]

v

8

0. 5
0
0

4

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

-0. 5

0
0

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

-1

-4

Untuk kedua peristiwa ini yang di-plot terhadap waktu adalah tegangan kapasitor
Seandainya tidak ada induktor, penurunan tegangan kapasitor akan terjadi
dengan konstanta waktu

  RC  8500  0 . 25  10

6

 2125  10

-6

atau 1/ = 470,6. Tetapi karena ada induktor, konstanta waktu menjadi lebih kecil
sehingga 1/ = 500. Inilah yang terlihat pada suku pertama v.
Suku ke-dua v adalah pengaruh induktor, yang jika tidak ada kapasitor nilai 1/
= R/L = 8500. Karena ada kapasitor nilai ini menjadi 8000 pada suku ke-dua v.

Persamaan Karakteristik Memiliki Dua Akar
Riil Sama Besar
s1 = s2, {b2 4ac } = 0

Dua Akar Riil Sama Besar
Dua akar yang sama besar dapat kita tuliskan sebagai
s1  s

dan

s 2  s   ; dengan   0

Tanggapan lengkap akan berbentuk
y  y p  K 1e

s1t

 K 2e

s2t

st

 y p  K 1e

Tanggapan paksa

Kondisi awal pertama

 K 2e

( s   )t

Tanggapan alami

Kondisi awal kedua







y ( 0 )  y p ( 0 )  K 1 s  K 2 ( s   )







y ( 0 )  y p ( 0 )  ( K 1  K 2 ) s  K 2   B 0

y (0 )  y p (0 )  K 1  K 2
y ( 0 )  y p ( 0 )  K 1  K 2  A0

A0 s  K 2   B 0



K2 

B 0  A0 s


dan

K 1  A0 

B 0  A0 s


Dua Akar Riil Sama Besar
Tanggapan lengkap menjadi

 1 e  t   st
 e
y  y p   A0  ( B 0  A0 s )   
 
  


t
 1
 e t  1 
e 

t
lim  
 lim 







 0
 0





y  y p   A0  ( B 0  A0 s ) t  e

y  y p  K a  K b t  e

ditentukan oleh kondisi awal

st

st

ditentukan oleh kondisi awal dan s
s sendiri ditentukan oleh nilai elemenelemen yang membentuk rangkaian dan
tidak ada kaitannya dengan kondisi awal

Dua Akar Riil Sama Besar, Tanggapan Alami
Contoh-3.
1H

S 1 2
+


15 V

+
v



iC
0,25 F

i
4 k

Sakalar telah lama di posisi 1. Pada t
= 0 di pindah ke posisi 2. Tentukan
perubahan tegangan kapasitor.

(Diganti dengan 4 k dari contoh sebelumnya)


Sebelum saklar dipindahkan: v ( 0 )  15 V ; i ( 0 )  0

di

Persamaan rangkaian untuk t > 0:  v  L

 iR  0

dt
2

Karena i =  iC = C dv/dt

LC

d v
dt

2

 RC

dt

Persamaan karakteristik:

2

3

2

 4  10

s  4  10 s  4  10

v0

dt

2

d v

dv

3

dv
dt

6

0

 4  10 v  0
6

Dua Akar Riil Sama Besar, Tanggapan Alami
Persamaan

2

karakteris tik : s  4000 s  4  10
akar - akar : s1 , s 2   2000 

Karena persamaan
maka tanggapan

karakteris tik memiliki

6

0

4  10

6

 4  10

6

  2000  s

akar sama besar

lengkap akan berbentuk :
v  v p  K a  K b t  e

st

 0  K a  K b t  e

st

Tak ada fungsi pemaksa

Kondisi
Kondisi

awal pertama
awal kedua



dv
dt



dv
dt





v ( 0 )  v ( 0 )  v ( 0 )  15  K a .


(0 )  0 

dv
dt

 K be



(0 )  0  K b  K a s 

 Jadi : v  15  30000 t  e

st

 K a  K bt  s e

st

K b   K a s  30000
 2000 t

V

Dua Akar Riil Sama Besar, Tanggapan Alami

v  15  30000 t  e

 2000 t

V

15
10

v  30000 t e

 2000 t

5
0
0
-5
-10
-15

0.001

v  15 e

0.002

 2000 t

0.003

0.004

0.005

0.006

Dua akar kompleks konjugat
{b2 4ac } < 0
s1    j 

dan

s 2    j

Dua Akar Kompleks Konjugat
Akar-Akar Kompleks Konjugat
s1    j 

dan

s 2    j

Tanggapan lengkap akan berbentuk
y  y p  K 1e

(   j ) t

 K 2e

(   j ) t



 y p  K 1e

 j t

K 1 (cos  t  j sin  t )

 K 2e

 j t

e

t

K 2 (cos  t  j sin  t )

( K 1  K 2 ) cos  t  j ( K 1  K 2 ) sin  t

K a cos  t  K b sin  t

y  y p   K a cos  t  K b sin  t  e

t



Kondisi awal pertama: y ( 0 )  y p ( 0 )  K a

Kondisi awal kedua:





K a  y (0 )  y p (0 )



t
y ( 0 )  y p ( 0 )  {(  K b  K a  ) sin  t  ( K b    K a ) cos  t }e

 y p ( 0 )   K a   K b


 K a   K b  y  ( 0 )  y p ( 0 )

Dua Akar Kompleks Konjugat, Tanggapan Alami
Contoh-4.
1H

S 1 2
+


15 V

+
v


iC

0,25 F

i
1 k

Saklar S sudah lama pada posisi 1.
Pada t = 0 dipindah ke poisisi 2.
Carilah perubahan tegangan kapasitor.

(Diganti dengan 1 k dari contoh sebelumnya)

Pada t = 0+ : v ( 0  )  15 V ; i ( 0  )  0

vL

di

 iR  0

dt

Persamaan rangkaian untuk t > 0:
2

Karena i = iC = C dv/dt

d v

LC

dt

2

dt

Persamaan karakteristik:

2

2

3

 1  10

v0

dt

2

d v

dv

 RC

3

s  1  10 s  4  10

dv

 4  10 v  0

dt
6

0

6

Dua Akar Kompleks Konjugat, Tanggapan Alami
Persamaan

karakteris tik : s

2

 1000

dv

6

0

2

 4  10

 4  10

dt
akar - akar : s1 , s 2   500 

500

6

  500  j 500

15

dua akar kompleks konjugat
  j  dengan    500 ;   500

15

Tanggapan lengkap akan berbentuk:
v  0   K a cos  t  K b sin  t  e
Kondisi

awal pertama

Kondisi

awal kedua 



 v ( 0 )  15  K a
dv
dt



(0 )  0   K a   K b
 Kb 

Tanggapan

t



 K a




lengkap : v  15 cos( 500 15 t ) 

500  15
500



15

15



15 sin( 500 15 t ) e

 500 t

V

Dua Akar Kompleks Konjugat, Tanggapan Alami



v  15 cos( 500 15 t ) 



15 sin( 500 15 t ) e

 500 t

V

15

15 cos( 500 15 t

v 10
[V]
5

15 sin( 500 15 t )

t

0
0
-5
-10
-15

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

0.006

Dua Akar Kompleks Konjugat, Tanggapan Alami
Perbandingan tanggapan rangkaian:
Dua akar riil berbeda: sangat teredam, v  16 e  500 t  e  8000 t V
Dua akar riil sama besar : teredam kritis, v  15  30000 t  e  2000 t V

Dua akar kompleks konjugat : kurang teredam,



v  15 cos( 500 15 t ) 



15 sin( 500 15 t ) e

15
10
5
0
0
-5
-10
-15

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

0.006

 500 t

V

Tanggapan Rangkaian Terhadap Sinyal Sinus
Contoh Tanggapan Rangkaian Dengan Masukan Sinyal Sinus

vs =
26cos3t u(t) V

+


i
vs

5

1H
1

F

6

+
v



Rangkaian mendapat masukan
sinyal sinus yang muncul pada t = 0.
Tentukan perubahan tegangan dan
arus kapasitor, apabila kondisi awal
adalahi(0) = 2 A dan v(0) = 6 V

Pada t = 0+ : i(0+) = 2 A dan v(0+) = 6 V

Persamaan rangkaian untuk t > 0 :

 v s  Ri  L
dv

RC



di
dt

2

 LC

d i
2

dt

dt

5 dv

1 d v



2

d v
2

 v  vs

2

6 dt

dt

v0

5

6 dt

dv
dt

2

 v  26 cos 3 t

 6 v  156 cos 3 t

Tanggapan Rangkaian Terhadap Sinyal Sinus
Persamaan

2

karakteris tik : s  5 s  6  0  ( s  2 )( s  3 );
akar - akar : s1 , s 2   2 ,  3

Dugaan ta nggapan

paksa : v p  A c cos 3 t  A s sin 3 t
2

Persamaan rangkaian

d v
dt

2

5

dv

 6 v  156 cos 3 t

dt

   9 A c  15 A s  6 A c  cos 3 t    9 A s  15 A c  6 A s  sin 3 t  156 cos 3 t
  3 A c  15 A s  156
 Ac 

Tanggapan

156  0
 3  75

dan  15 A c  3 A s  0
  2 ; As 

5  156  0
75  3

 10

paksa : v p   2 cos 3 t  10 sin 3 t

Dugaan tan ggapan lengkap

: v   2 cos 3t  10 sin 3t  K 1 e

2t

 K 2e

 3t

masih harus ditentukan melalui
penerapan kondisi awal

Tanggapan Rangkaian Terhadap Sinyal Sinus


1 dv



awal : v ( 0 )  6 dan i ( 0 )  2 

Kondisi



(0 ) 

dv

6 dt
Aplikasi

kondisi

awal pertama

Aplikasi

kondisi

awal kedua :
 K1  6

Tanggapan

 i

1 dv

dt

: 6  2  K1  K 2  K 2  8  K1
12  30  2 K 1  3 K 2
 K2  2

: v   2 cos 3 t  10 sin 3 t  6 e

lengkap



( 0 )  12

 sin 3 t  5 cos 3 t  2 e

2t

e

 3t

2t

 2e

 3t

V

A

6 dt
30

v [V] 20
i [A]
10

Amplitudo tegangan
menurun

vs

Amplitudo arus
meningkat

v

0
-10 0
-20
-30

t [s]
i

2

4

6

8

10

Courseware
Analisis Transien Rangkaian Orde Ke-Dua

Sudaryatno Sudirham


Slide 4

Open Course

Selamat Belajar

oleh: Sudaryatno Sudirham

Tujuan
 mampu menurunkan persamaan rangkaian yang merupakan
rangkaian orde kedua.

 memahami bahwa tanggapan rangkaian terdiri dari tanggapan
paksa dan tanggapan alami yang mungkin berosilasi.
 mampu melakukan analisis transien pada rangkaian orde

kedua.

Bentuk Umum
Persamaan Rangkaian
Orde Ke-dua

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
2

a

d y
dt

2

b

dy

 cy  x ( t )

dt

y = tanggapan rangkaian yang dapat
berupa tegangan ataupun arus

fungsi pemaksa atau
fungsi penggerak.

tetapan a dan b ditentukan oleh nilainilai elemen yang membentuk rangkaian
Persamaan diferensial orde ke-dua muncul karena
rangkaian mengandung kapasitor dan induktor

dengan tegangan sebagai
peubah status

dengan arus
sebagai peubah status

sedangkan peubah dalam persamaan rangkaian
harus salah satu di ataranya, tegangan atau arus

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Tanggapan Alami
Tanggapan alami adalah solusi persamaan rangkaian di
mana x(t) bernilai nol:
2

a

d y
dt

2

b

dy

 cy  0

dt

Dugaan solusi y berbentuk fungsi eksponensial ya = Kest dengan nilai
K dan s yang masih harus ditentukan.
Kalau solusi ini dimasukkan ke persamaan, akan diperoleh
aKs
Ke

st

2

e

st

as

2

 bKse

st



 cKe

st

0

atau

 bs  c  0

Bagian ini yang harus bernilai nol yang
memberikan persamaan karakteristik
as

2

 bs  c  0

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
2

as  bs  c  0

Persamaan karakteristik yang berbentuk persamaan kwadrat itu
mempunyai dua akar yaitu
s1 , s 2 

2

b

b  4 ac
2a

Dengan adanya dua akar tersebut maka kita mempunyai
dua solusi homogen, yaitu
y a1  K 1e

s1 t

dan

ya 2  K 2e

s2t

dan tanggapan alami yang kita cari akan berbentuk
y a  K 1e

s1 t

 K 2e

s2t

Seperti halnya pada rangkaian orde pertama, tetapan-tetapan ini
diperoleh melalui penerapan kondisi awal pada tanggapan lengkap

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Tanggapan Paksa
Tanggapan paksa adalah solusi persamaan rangkaian di
mana x(t) 0:
2

a

d y
dt

2

b

dy

 cy  x ( t )

dt

Bentuk tanggapan paksa ditentukan oleh bentuk x(t)
sebagaimana telah diulas pada rangkaian orde pertama, yaitu
Jika x ( t )  0 , maka

yp  0

Jika x ( t )  A  konstan,
t

maka

Jika

x ( t )  Ae

Jika

x ( t )  A sin  t , maka

Jika

x ( t )  A cos  t , maka

y p  konstan  K

 eksponensi al, maka

y p  eksponensi al  Ke

y p  K c cos  t  K s sin  t
y p  K c cos  t  K s sin  t

Perhatikan : y  K c cos  t  K s sin  t adalah bentuk umum
fungsi sinus maupun

cosinus .

t

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Tanggapan Lengkap
Tanggapan lengkap adalah jumlah tanggapan alami
dan tanggapan paksa
y  y p  y a  y p  K 1e

s1t

 K 2e

s2t

Tetapan ini diperoleh melalui penerapan kondisi awal
Jika rangkaian mengandung C dan L, dua elemen
ini akan cenderung mempertahankan statusnya.
Jadi ada dua kondisi awal yang harus dipenuhi
yaitu




vC (0 )  vC (0 )

dan




iL (0 )  iL (0 )

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Kondisi Awal
Secara umum, kondisi awal adalah:




y (0 )  y (0 )

dan

dy





(0 )  y ' (0 )

dt

Nilai sesaat sebelum dan sesudah
penutupan/pembukaan saklar harus sama, dan
laju perubahan nilainya harus kontinyu
y

y

0

t

Pada rangkaian orde
pertama dy/dt(0+) tidak
perlu kontinyu

0

t

Pada rangkaian orde kedua dy/dt(0+)
harus kontinyu sebab ada d2y/dt2
dalam persamaan rangkaian yang
hanya terdefinisi jika dy/dt(0+) kontinyu

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Tiga Kemungkinan Bentuk Tanggapan
Persamaan karakteristik
as

2

 bs  c  0

dapat mempunyai tiga kemungkinan nilai akar, yaitu:
a). Dua akar riil berbeda, s1  s2, jika {b2 4ac } > 0;
b). Dua akar sama, s1 = s2 = s , jika {b24ac } = 0;

c). Dua akar kompleks konjugat s1,s2 =   j jika {b24ac } < 0.
Tiga kemungkinan akar ini akan memberikan tiga
kemungkinan bentuk tanggapan

Persamaan karakteristik dengan
dua akar riil berbeda,
s1  s2, {b2 4ac } > 0

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
Contoh-1
1H

S 1 2
+


15 V

+
v



iC
0,25 F

i
8,5 k

Saklar S telah lama berada pada posisi 1.
Pada t = 0 saklar dipindahkan ke posisi 2.
Carilah perubahan tegangan kapasitor.



Pada t = 0- : i ( 0 )  0 dan v ( 0 )  12 V

Persamaan Rangkaian pada t > 0 :  v  L

di

 Ri  0

dt

Karena i = -iC = -C dv/dt, maka:  v  LC

2

d v
dt

2

d v



dt

2



2

R dv

 RC

dt

2

0

dt


L dt

 8 ,5  10

v

0

LC

2

d v

dv

3

dv
dt

6

 4  10 v  0

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami

Persamaan karakteristik:

s

2

3

 8 , 5  10 s  4  10

 akar - akar : s1 , s 2   4250  10

3

6

0

2

( 4 , 25 )  4   500 ,  8000

 500 t
 8000 t
 K 2e
Dugaan tanggapan lengkap: v  0  K 1 e

Tak ada fungsi pemaksa

Kondisi awal: v C ( 0  )  15 V dan i L ( 0  )  0
Karena persamaan rangkaian menggunakan v
sebagai peubah maka kondisi awal arus iL(0+)
harus diubah menjadi dalam tegangan v






i L ( 0 )  iC ( 0 )  C

dv C ( 0 )



dv C ( 0 )
dt

0

dt

0

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
Kondisi awal:





v ( 0 )  15 V

dv ( 0 )

0

dt

 500 t
 8000 t
 K 2e
Dugaan tanggapan lengkap: v  0  K 1 e

0   500 K 1  8000 K 2

15  K1  K 2

0   500 K 1  8000 (15  K 1 )

K1 

8000  15

 16

K 2  1

7500

Tanggapan lengkap menjadi: v  16 e  500 t  e  8000 t V
(hanya ada tanggapan alami).

Ini adalah pelepasan muatan kapasitor pada
rangkaian R-L-C seri

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami

Tanggapan

lengkap : v  16 e

 500 t

e

 8000 t

V

16

v
[V] 12

v
8
4
0
0

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

-4

Perhatikan bahwa pada t = 0+ tegangan kapasitor adalah 15 V

Pada waktu kapasitor mulai melepaskan muatannya,
ada perlawanan dari induktor yang menyebabkan
penurunan tegangan pada saat-saat awal agak landai

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
Contoh-2

1H

S
+


19 V

+
v

iC



0,25 F

Saklar S telah lama tertutup.
Pada t = 0 saklar dibuka.
Tentukan perubahan tegangan
kapasitor dan arus induktor.

i
8,5 k

Sebelum saklar dibuka arus hanya melalui induktor. Dioda tidak konduksi.


i L (0 ) 

19
8500

Persamaan Rangkaian pada t > 0 :

i   iC   C



vC (0 )  0 V

 2 mA

dv C
dt

did 2 v
dv
L
 Ri 
0
vvLC
RC
0
dtdt 2
dt
2



d v
dt

2



R dv
L dt

dt

2

 8 ,5  10

0

LC

2

d v

v



3

dv
dt

6

 4  10 v  0

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
Persamaan

karkterist ik : s  8 ,5  10 s  4  10  0
2

3

 akar - akar : s1 , s 2   4250  10

Dugaan ta

nggapan

lengkap

3

6

( 4 , 25 )  4   500 ,  8000
2

: v  0  K 1e

 500 t

 K 2e

 8000 t

Tak ada fungsi pemaksa
Kondisi awal:



i L ( 0 )  2 mA



vC (0 )  0 V

dan

Karena persamaan rangkaian menggunakan v sebagai
peubah maka kondisi awal iL(0+) harus diubah menjadi
dalam v






 i L ( 0 )  iC ( 0 )  C


dv C ( 0 )
dt

 

dv C ( 0 )
dt
2  10
C

3

 2  10

3

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami


dv ( 0 )



Kondisi awal: v ( 0 )  0



dt

Dugaan ta

nggapan

2  10

6

0 , 25  10

: v  0  K 1e

lengkap

3

0  K1  K 2

 500 t

  8  10

 K 2e

3

 8000 t

 8000   500 K 1  8000 K 2

 8000   500 K 1  8000 K 1
K1 

Tegangan kapasitor menjadi

 8000

K 2   K1  1

  1, 06

7500

: v  1, 06 e

 500 t

 1e

 8000 t

V

Ini adalah pengisian kapasitor oleh arus
induktor pada rangkaian R-L-C seri
Arus induktor

: i L   iC   C
  133  10

dv

  0 , 25  10

dt
 3  500 t

e

 2e

6

 530 e

 8000 t

mA

 500 t

 8000 e

 8000 t



Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
Tanggapan lengkap : v  1, 06 e

 500 t

 1e

 8000 t

V

1

v
[V]

0. 5

0
0

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

-0. 5

-1

Perhatikan bahwa pada awalnya tegangan kapasitor naik
karena menerima pelepasan energi dari induktor

Kenaikan tegangan kapasitor mencapai puncak kemudian
menurun karena ia melepaskan muatan yang pada awalnya
diterima.

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
v  16 e

 500 t

e

 8000 t

v  1, 06 e

V

16

 500 t

 1e

 8000 t

V

1

v [V]

Pelepasan energi induktor

v

12

[V]

v

8

0. 5
0
0

4

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

-0. 5

0
0

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

-1

-4

Untuk kedua peristiwa ini yang di-plot terhadap waktu adalah tegangan kapasitor
Seandainya tidak ada induktor, penurunan tegangan kapasitor akan terjadi
dengan konstanta waktu

  RC  8500  0 . 25  10

6

 2125  10

-6

atau 1/ = 470,6. Tetapi karena ada induktor, konstanta waktu menjadi lebih kecil
sehingga 1/ = 500. Inilah yang terlihat pada suku pertama v.
Suku ke-dua v adalah pengaruh induktor, yang jika tidak ada kapasitor nilai 1/
= R/L = 8500. Karena ada kapasitor nilai ini menjadi 8000 pada suku ke-dua v.

Persamaan Karakteristik Memiliki Dua Akar
Riil Sama Besar
s1 = s2, {b2 4ac } = 0

Dua Akar Riil Sama Besar
Dua akar yang sama besar dapat kita tuliskan sebagai
s1  s

dan

s 2  s   ; dengan   0

Tanggapan lengkap akan berbentuk
y  y p  K 1e

s1t

 K 2e

s2t

st

 y p  K 1e

Tanggapan paksa

Kondisi awal pertama

 K 2e

( s   )t

Tanggapan alami

Kondisi awal kedua







y ( 0 )  y p ( 0 )  K 1 s  K 2 ( s   )







y ( 0 )  y p ( 0 )  ( K 1  K 2 ) s  K 2   B 0

y (0 )  y p (0 )  K 1  K 2
y ( 0 )  y p ( 0 )  K 1  K 2  A0

A0 s  K 2   B 0



K2 

B 0  A0 s


dan

K 1  A0 

B 0  A0 s


Dua Akar Riil Sama Besar
Tanggapan lengkap menjadi

 1 e  t   st
 e
y  y p   A0  ( B 0  A0 s )   
 
  


t
 1
 e t  1 
e 

t
lim  
 lim 







 0
 0





y  y p   A0  ( B 0  A0 s ) t  e

y  y p  K a  K b t  e

ditentukan oleh kondisi awal

st

st

ditentukan oleh kondisi awal dan s
s sendiri ditentukan oleh nilai elemenelemen yang membentuk rangkaian dan
tidak ada kaitannya dengan kondisi awal

Dua Akar Riil Sama Besar, Tanggapan Alami
Contoh-3.
1H

S 1 2
+


15 V

+
v



iC
0,25 F

i
4 k

Sakalar telah lama di posisi 1. Pada t
= 0 di pindah ke posisi 2. Tentukan
perubahan tegangan kapasitor.

(Diganti dengan 4 k dari contoh sebelumnya)


Sebelum saklar dipindahkan: v ( 0 )  15 V ; i ( 0 )  0

di

Persamaan rangkaian untuk t > 0:  v  L

 iR  0

dt
2

Karena i =  iC = C dv/dt

LC

d v
dt

2

 RC

dt

Persamaan karakteristik:

2

3

2

 4  10

s  4  10 s  4  10

v0

dt

2

d v

dv

3

dv
dt

6

0

 4  10 v  0
6

Dua Akar Riil Sama Besar, Tanggapan Alami
Persamaan

2

karakteris tik : s  4000 s  4  10
akar - akar : s1 , s 2   2000 

Karena persamaan
maka tanggapan

karakteris tik memiliki

6

0

4  10

6

 4  10

6

  2000  s

akar sama besar

lengkap akan berbentuk :
v  v p  K a  K b t  e

st

 0  K a  K b t  e

st

Tak ada fungsi pemaksa

Kondisi
Kondisi

awal pertama
awal kedua



dv
dt



dv
dt





v ( 0 )  v ( 0 )  v ( 0 )  15  K a .


(0 )  0 

dv
dt

 K be



(0 )  0  K b  K a s 

 Jadi : v  15  30000 t  e

st

 K a  K bt  s e

st

K b   K a s  30000
 2000 t

V

Dua Akar Riil Sama Besar, Tanggapan Alami

v  15  30000 t  e

 2000 t

V

15
10

v  30000 t e

 2000 t

5
0
0
-5
-10
-15

0.001

v  15 e

0.002

 2000 t

0.003

0.004

0.005

0.006

Dua akar kompleks konjugat
{b2 4ac } < 0
s1    j 

dan

s 2    j

Dua Akar Kompleks Konjugat
Akar-Akar Kompleks Konjugat
s1    j 

dan

s 2    j

Tanggapan lengkap akan berbentuk
y  y p  K 1e

(   j ) t

 K 2e

(   j ) t



 y p  K 1e

 j t

K 1 (cos  t  j sin  t )

 K 2e

 j t

e

t

K 2 (cos  t  j sin  t )

( K 1  K 2 ) cos  t  j ( K 1  K 2 ) sin  t

K a cos  t  K b sin  t

y  y p   K a cos  t  K b sin  t  e

t



Kondisi awal pertama: y ( 0 )  y p ( 0 )  K a

Kondisi awal kedua:





K a  y (0 )  y p (0 )



t
y ( 0 )  y p ( 0 )  {(  K b  K a  ) sin  t  ( K b    K a ) cos  t }e

 y p ( 0 )   K a   K b


 K a   K b  y  ( 0 )  y p ( 0 )

Dua Akar Kompleks Konjugat, Tanggapan Alami
Contoh-4.
1H

S 1 2
+


15 V

+
v


iC

0,25 F

i
1 k

Saklar S sudah lama pada posisi 1.
Pada t = 0 dipindah ke poisisi 2.
Carilah perubahan tegangan kapasitor.

(Diganti dengan 1 k dari contoh sebelumnya)

Pada t = 0+ : v ( 0  )  15 V ; i ( 0  )  0

vL

di

 iR  0

dt

Persamaan rangkaian untuk t > 0:
2

Karena i = iC = C dv/dt

d v

LC

dt

2

dt

Persamaan karakteristik:

2

2

3

 1  10

v0

dt

2

d v

dv

 RC

3

s  1  10 s  4  10

dv

 4  10 v  0

dt
6

0

6

Dua Akar Kompleks Konjugat, Tanggapan Alami
Persamaan

karakteris tik : s

2

 1000

dv

6

0

2

 4  10

 4  10

dt
akar - akar : s1 , s 2   500 

500

6

  500  j 500

15

dua akar kompleks konjugat
  j  dengan    500 ;   500

15

Tanggapan lengkap akan berbentuk:
v  0   K a cos  t  K b sin  t  e
Kondisi

awal pertama

Kondisi

awal kedua 



 v ( 0 )  15  K a
dv
dt



(0 )  0   K a   K b
 Kb 

Tanggapan

t



 K a




lengkap : v  15 cos( 500 15 t ) 

500  15
500



15

15



15 sin( 500 15 t ) e

 500 t

V

Dua Akar Kompleks Konjugat, Tanggapan Alami



v  15 cos( 500 15 t ) 



15 sin( 500 15 t ) e

 500 t

V

15

15 cos( 500 15 t

v 10
[V]
5

15 sin( 500 15 t )

t

0
0
-5
-10
-15

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

0.006

Dua Akar Kompleks Konjugat, Tanggapan Alami
Perbandingan tanggapan rangkaian:
Dua akar riil berbeda: sangat teredam, v  16 e  500 t  e  8000 t V
Dua akar riil sama besar : teredam kritis, v  15  30000 t  e  2000 t V

Dua akar kompleks konjugat : kurang teredam,



v  15 cos( 500 15 t ) 



15 sin( 500 15 t ) e

15
10
5
0
0
-5
-10
-15

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

0.006

 500 t

V

Tanggapan Rangkaian Terhadap Sinyal Sinus
Contoh Tanggapan Rangkaian Dengan Masukan Sinyal Sinus

vs =
26cos3t u(t) V

+


i
vs

5

1H
1

F

6

+
v



Rangkaian mendapat masukan
sinyal sinus yang muncul pada t = 0.
Tentukan perubahan tegangan dan
arus kapasitor, apabila kondisi awal
adalahi(0) = 2 A dan v(0) = 6 V

Pada t = 0+ : i(0+) = 2 A dan v(0+) = 6 V

Persamaan rangkaian untuk t > 0 :

 v s  Ri  L
dv

RC



di
dt

2

 LC

d i
2

dt

dt

5 dv

1 d v



2

d v
2

 v  vs

2

6 dt

dt

v0

5

6 dt

dv
dt

2

 v  26 cos 3 t

 6 v  156 cos 3 t

Tanggapan Rangkaian Terhadap Sinyal Sinus
Persamaan

2

karakteris tik : s  5 s  6  0  ( s  2 )( s  3 );
akar - akar : s1 , s 2   2 ,  3

Dugaan ta nggapan

paksa : v p  A c cos 3 t  A s sin 3 t
2

Persamaan rangkaian

d v
dt

2

5

dv

 6 v  156 cos 3 t

dt

   9 A c  15 A s  6 A c  cos 3 t    9 A s  15 A c  6 A s  sin 3 t  156 cos 3 t
  3 A c  15 A s  156
 Ac 

Tanggapan

156  0
 3  75

dan  15 A c  3 A s  0
  2 ; As 

5  156  0
75  3

 10

paksa : v p   2 cos 3 t  10 sin 3 t

Dugaan tan ggapan lengkap

: v   2 cos 3t  10 sin 3t  K 1 e

2t

 K 2e

 3t

masih harus ditentukan melalui
penerapan kondisi awal

Tanggapan Rangkaian Terhadap Sinyal Sinus


1 dv



awal : v ( 0 )  6 dan i ( 0 )  2 

Kondisi



(0 ) 

dv

6 dt
Aplikasi

kondisi

awal pertama

Aplikasi

kondisi

awal kedua :
 K1  6

Tanggapan

 i

1 dv

dt

: 6  2  K1  K 2  K 2  8  K1
12  30  2 K 1  3 K 2
 K2  2

: v   2 cos 3 t  10 sin 3 t  6 e

lengkap



( 0 )  12

 sin 3 t  5 cos 3 t  2 e

2t

e

 3t

2t

 2e

 3t

V

A

6 dt
30

v [V] 20
i [A]
10

Amplitudo tegangan
menurun

vs

Amplitudo arus
meningkat

v

0
-10 0
-20
-30

t [s]
i

2

4

6

8

10

Courseware
Analisis Transien Rangkaian Orde Ke-Dua

Sudaryatno Sudirham


Slide 5

Open Course

Selamat Belajar

oleh: Sudaryatno Sudirham

Tujuan
 mampu menurunkan persamaan rangkaian yang merupakan
rangkaian orde kedua.

 memahami bahwa tanggapan rangkaian terdiri dari tanggapan
paksa dan tanggapan alami yang mungkin berosilasi.
 mampu melakukan analisis transien pada rangkaian orde

kedua.

Bentuk Umum
Persamaan Rangkaian
Orde Ke-dua

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
2

a

d y
dt

2

b

dy

 cy  x ( t )

dt

y = tanggapan rangkaian yang dapat
berupa tegangan ataupun arus

fungsi pemaksa atau
fungsi penggerak.

tetapan a dan b ditentukan oleh nilainilai elemen yang membentuk rangkaian
Persamaan diferensial orde ke-dua muncul karena
rangkaian mengandung kapasitor dan induktor

dengan tegangan sebagai
peubah status

dengan arus
sebagai peubah status

sedangkan peubah dalam persamaan rangkaian
harus salah satu di ataranya, tegangan atau arus

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Tanggapan Alami
Tanggapan alami adalah solusi persamaan rangkaian di
mana x(t) bernilai nol:
2

a

d y
dt

2

b

dy

 cy  0

dt

Dugaan solusi y berbentuk fungsi eksponensial ya = Kest dengan nilai
K dan s yang masih harus ditentukan.
Kalau solusi ini dimasukkan ke persamaan, akan diperoleh
aKs
Ke

st

2

e

st

as

2

 bKse

st



 cKe

st

0

atau

 bs  c  0

Bagian ini yang harus bernilai nol yang
memberikan persamaan karakteristik
as

2

 bs  c  0

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
2

as  bs  c  0

Persamaan karakteristik yang berbentuk persamaan kwadrat itu
mempunyai dua akar yaitu
s1 , s 2 

2

b

b  4 ac
2a

Dengan adanya dua akar tersebut maka kita mempunyai
dua solusi homogen, yaitu
y a1  K 1e

s1 t

dan

ya 2  K 2e

s2t

dan tanggapan alami yang kita cari akan berbentuk
y a  K 1e

s1 t

 K 2e

s2t

Seperti halnya pada rangkaian orde pertama, tetapan-tetapan ini
diperoleh melalui penerapan kondisi awal pada tanggapan lengkap

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Tanggapan Paksa
Tanggapan paksa adalah solusi persamaan rangkaian di
mana x(t) 0:
2

a

d y
dt

2

b

dy

 cy  x ( t )

dt

Bentuk tanggapan paksa ditentukan oleh bentuk x(t)
sebagaimana telah diulas pada rangkaian orde pertama, yaitu
Jika x ( t )  0 , maka

yp  0

Jika x ( t )  A  konstan,
t

maka

Jika

x ( t )  Ae

Jika

x ( t )  A sin  t , maka

Jika

x ( t )  A cos  t , maka

y p  konstan  K

 eksponensi al, maka

y p  eksponensi al  Ke

y p  K c cos  t  K s sin  t
y p  K c cos  t  K s sin  t

Perhatikan : y  K c cos  t  K s sin  t adalah bentuk umum
fungsi sinus maupun

cosinus .

t

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Tanggapan Lengkap
Tanggapan lengkap adalah jumlah tanggapan alami
dan tanggapan paksa
y  y p  y a  y p  K 1e

s1t

 K 2e

s2t

Tetapan ini diperoleh melalui penerapan kondisi awal
Jika rangkaian mengandung C dan L, dua elemen
ini akan cenderung mempertahankan statusnya.
Jadi ada dua kondisi awal yang harus dipenuhi
yaitu




vC (0 )  vC (0 )

dan




iL (0 )  iL (0 )

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Kondisi Awal
Secara umum, kondisi awal adalah:




y (0 )  y (0 )

dan

dy





(0 )  y ' (0 )

dt

Nilai sesaat sebelum dan sesudah
penutupan/pembukaan saklar harus sama, dan
laju perubahan nilainya harus kontinyu
y

y

0

t

Pada rangkaian orde
pertama dy/dt(0+) tidak
perlu kontinyu

0

t

Pada rangkaian orde kedua dy/dt(0+)
harus kontinyu sebab ada d2y/dt2
dalam persamaan rangkaian yang
hanya terdefinisi jika dy/dt(0+) kontinyu

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Tiga Kemungkinan Bentuk Tanggapan
Persamaan karakteristik
as

2

 bs  c  0

dapat mempunyai tiga kemungkinan nilai akar, yaitu:
a). Dua akar riil berbeda, s1  s2, jika {b2 4ac } > 0;
b). Dua akar sama, s1 = s2 = s , jika {b24ac } = 0;

c). Dua akar kompleks konjugat s1,s2 =   j jika {b24ac } < 0.
Tiga kemungkinan akar ini akan memberikan tiga
kemungkinan bentuk tanggapan

Persamaan karakteristik dengan
dua akar riil berbeda,
s1  s2, {b2 4ac } > 0

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
Contoh-1
1H

S 1 2
+


15 V

+
v



iC
0,25 F

i
8,5 k

Saklar S telah lama berada pada posisi 1.
Pada t = 0 saklar dipindahkan ke posisi 2.
Carilah perubahan tegangan kapasitor.



Pada t = 0- : i ( 0 )  0 dan v ( 0 )  12 V

Persamaan Rangkaian pada t > 0 :  v  L

di

 Ri  0

dt

Karena i = -iC = -C dv/dt, maka:  v  LC

2

d v
dt

2

d v



dt

2



2

R dv

 RC

dt

2

0

dt


L dt

 8 ,5  10

v

0

LC

2

d v

dv

3

dv
dt

6

 4  10 v  0

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami

Persamaan karakteristik:

s

2

3

 8 , 5  10 s  4  10

 akar - akar : s1 , s 2   4250  10

3

6

0

2

( 4 , 25 )  4   500 ,  8000

 500 t
 8000 t
 K 2e
Dugaan tanggapan lengkap: v  0  K 1 e

Tak ada fungsi pemaksa

Kondisi awal: v C ( 0  )  15 V dan i L ( 0  )  0
Karena persamaan rangkaian menggunakan v
sebagai peubah maka kondisi awal arus iL(0+)
harus diubah menjadi dalam tegangan v






i L ( 0 )  iC ( 0 )  C

dv C ( 0 )



dv C ( 0 )
dt

0

dt

0

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
Kondisi awal:





v ( 0 )  15 V

dv ( 0 )

0

dt

 500 t
 8000 t
 K 2e
Dugaan tanggapan lengkap: v  0  K 1 e

0   500 K 1  8000 K 2

15  K1  K 2

0   500 K 1  8000 (15  K 1 )

K1 

8000  15

 16

K 2  1

7500

Tanggapan lengkap menjadi: v  16 e  500 t  e  8000 t V
(hanya ada tanggapan alami).

Ini adalah pelepasan muatan kapasitor pada
rangkaian R-L-C seri

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami

Tanggapan

lengkap : v  16 e

 500 t

e

 8000 t

V

16

v
[V] 12

v
8
4
0
0

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

-4

Perhatikan bahwa pada t = 0+ tegangan kapasitor adalah 15 V

Pada waktu kapasitor mulai melepaskan muatannya,
ada perlawanan dari induktor yang menyebabkan
penurunan tegangan pada saat-saat awal agak landai

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
Contoh-2

1H

S
+


19 V

+
v

iC



0,25 F

Saklar S telah lama tertutup.
Pada t = 0 saklar dibuka.
Tentukan perubahan tegangan
kapasitor dan arus induktor.

i
8,5 k

Sebelum saklar dibuka arus hanya melalui induktor. Dioda tidak konduksi.


i L (0 ) 

19
8500

Persamaan Rangkaian pada t > 0 :

i   iC   C



vC (0 )  0 V

 2 mA

dv C
dt

did 2 v
dv
L
 Ri 
0
vvLC
RC
0
dtdt 2
dt
2



d v
dt

2



R dv
L dt

dt

2

 8 ,5  10

0

LC

2

d v

v



3

dv
dt

6

 4  10 v  0

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
Persamaan

karkterist ik : s  8 ,5  10 s  4  10  0
2

3

 akar - akar : s1 , s 2   4250  10

Dugaan ta

nggapan

lengkap

3

6

( 4 , 25 )  4   500 ,  8000
2

: v  0  K 1e

 500 t

 K 2e

 8000 t

Tak ada fungsi pemaksa
Kondisi awal:



i L ( 0 )  2 mA



vC (0 )  0 V

dan

Karena persamaan rangkaian menggunakan v sebagai
peubah maka kondisi awal iL(0+) harus diubah menjadi
dalam v






 i L ( 0 )  iC ( 0 )  C


dv C ( 0 )
dt

 

dv C ( 0 )
dt
2  10
C

3

 2  10

3

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami


dv ( 0 )



Kondisi awal: v ( 0 )  0



dt

Dugaan ta

nggapan

2  10

6

0 , 25  10

: v  0  K 1e

lengkap

3

0  K1  K 2

 500 t

  8  10

 K 2e

3

 8000 t

 8000   500 K 1  8000 K 2

 8000   500 K 1  8000 K 1
K1 

Tegangan kapasitor menjadi

 8000

K 2   K1  1

  1, 06

7500

: v  1, 06 e

 500 t

 1e

 8000 t

V

Ini adalah pengisian kapasitor oleh arus
induktor pada rangkaian R-L-C seri
Arus induktor

: i L   iC   C
  133  10

dv

  0 , 25  10

dt
 3  500 t

e

 2e

6

 530 e

 8000 t

mA

 500 t

 8000 e

 8000 t



Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
Tanggapan lengkap : v  1, 06 e

 500 t

 1e

 8000 t

V

1

v
[V]

0. 5

0
0

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

-0. 5

-1

Perhatikan bahwa pada awalnya tegangan kapasitor naik
karena menerima pelepasan energi dari induktor

Kenaikan tegangan kapasitor mencapai puncak kemudian
menurun karena ia melepaskan muatan yang pada awalnya
diterima.

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
v  16 e

 500 t

e

 8000 t

v  1, 06 e

V

16

 500 t

 1e

 8000 t

V

1

v [V]

Pelepasan energi induktor

v

12

[V]

v

8

0. 5
0
0

4

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

-0. 5

0
0

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

-1

-4

Untuk kedua peristiwa ini yang di-plot terhadap waktu adalah tegangan kapasitor
Seandainya tidak ada induktor, penurunan tegangan kapasitor akan terjadi
dengan konstanta waktu

  RC  8500  0 . 25  10

6

 2125  10

-6

atau 1/ = 470,6. Tetapi karena ada induktor, konstanta waktu menjadi lebih kecil
sehingga 1/ = 500. Inilah yang terlihat pada suku pertama v.
Suku ke-dua v adalah pengaruh induktor, yang jika tidak ada kapasitor nilai 1/
= R/L = 8500. Karena ada kapasitor nilai ini menjadi 8000 pada suku ke-dua v.

Persamaan Karakteristik Memiliki Dua Akar
Riil Sama Besar
s1 = s2, {b2 4ac } = 0

Dua Akar Riil Sama Besar
Dua akar yang sama besar dapat kita tuliskan sebagai
s1  s

dan

s 2  s   ; dengan   0

Tanggapan lengkap akan berbentuk
y  y p  K 1e

s1t

 K 2e

s2t

st

 y p  K 1e

Tanggapan paksa

Kondisi awal pertama

 K 2e

( s   )t

Tanggapan alami

Kondisi awal kedua







y ( 0 )  y p ( 0 )  K 1 s  K 2 ( s   )







y ( 0 )  y p ( 0 )  ( K 1  K 2 ) s  K 2   B 0

y (0 )  y p (0 )  K 1  K 2
y ( 0 )  y p ( 0 )  K 1  K 2  A0

A0 s  K 2   B 0



K2 

B 0  A0 s


dan

K 1  A0 

B 0  A0 s


Dua Akar Riil Sama Besar
Tanggapan lengkap menjadi

 1 e  t   st
 e
y  y p   A0  ( B 0  A0 s )   
 
  


t
 1
 e t  1 
e 

t
lim  
 lim 







 0
 0





y  y p   A0  ( B 0  A0 s ) t  e

y  y p  K a  K b t  e

ditentukan oleh kondisi awal

st

st

ditentukan oleh kondisi awal dan s
s sendiri ditentukan oleh nilai elemenelemen yang membentuk rangkaian dan
tidak ada kaitannya dengan kondisi awal

Dua Akar Riil Sama Besar, Tanggapan Alami
Contoh-3.
1H

S 1 2
+


15 V

+
v



iC
0,25 F

i
4 k

Sakalar telah lama di posisi 1. Pada t
= 0 di pindah ke posisi 2. Tentukan
perubahan tegangan kapasitor.

(Diganti dengan 4 k dari contoh sebelumnya)


Sebelum saklar dipindahkan: v ( 0 )  15 V ; i ( 0 )  0

di

Persamaan rangkaian untuk t > 0:  v  L

 iR  0

dt
2

Karena i =  iC = C dv/dt

LC

d v
dt

2

 RC

dt

Persamaan karakteristik:

2

3

2

 4  10

s  4  10 s  4  10

v0

dt

2

d v

dv

3

dv
dt

6

0

 4  10 v  0
6

Dua Akar Riil Sama Besar, Tanggapan Alami
Persamaan

2

karakteris tik : s  4000 s  4  10
akar - akar : s1 , s 2   2000 

Karena persamaan
maka tanggapan

karakteris tik memiliki

6

0

4  10

6

 4  10

6

  2000  s

akar sama besar

lengkap akan berbentuk :
v  v p  K a  K b t  e

st

 0  K a  K b t  e

st

Tak ada fungsi pemaksa

Kondisi
Kondisi

awal pertama
awal kedua



dv
dt



dv
dt





v ( 0 )  v ( 0 )  v ( 0 )  15  K a .


(0 )  0 

dv
dt

 K be



(0 )  0  K b  K a s 

 Jadi : v  15  30000 t  e

st

 K a  K bt  s e

st

K b   K a s  30000
 2000 t

V

Dua Akar Riil Sama Besar, Tanggapan Alami

v  15  30000 t  e

 2000 t

V

15
10

v  30000 t e

 2000 t

5
0
0
-5
-10
-15

0.001

v  15 e

0.002

 2000 t

0.003

0.004

0.005

0.006

Dua akar kompleks konjugat
{b2 4ac } < 0
s1    j 

dan

s 2    j

Dua Akar Kompleks Konjugat
Akar-Akar Kompleks Konjugat
s1    j 

dan

s 2    j

Tanggapan lengkap akan berbentuk
y  y p  K 1e

(   j ) t

 K 2e

(   j ) t



 y p  K 1e

 j t

K 1 (cos  t  j sin  t )

 K 2e

 j t

e

t

K 2 (cos  t  j sin  t )

( K 1  K 2 ) cos  t  j ( K 1  K 2 ) sin  t

K a cos  t  K b sin  t

y  y p   K a cos  t  K b sin  t  e

t



Kondisi awal pertama: y ( 0 )  y p ( 0 )  K a

Kondisi awal kedua:





K a  y (0 )  y p (0 )



t
y ( 0 )  y p ( 0 )  {(  K b  K a  ) sin  t  ( K b    K a ) cos  t }e

 y p ( 0 )   K a   K b


 K a   K b  y  ( 0 )  y p ( 0 )

Dua Akar Kompleks Konjugat, Tanggapan Alami
Contoh-4.
1H

S 1 2
+


15 V

+
v


iC

0,25 F

i
1 k

Saklar S sudah lama pada posisi 1.
Pada t = 0 dipindah ke poisisi 2.
Carilah perubahan tegangan kapasitor.

(Diganti dengan 1 k dari contoh sebelumnya)

Pada t = 0+ : v ( 0  )  15 V ; i ( 0  )  0

vL

di

 iR  0

dt

Persamaan rangkaian untuk t > 0:
2

Karena i = iC = C dv/dt

d v

LC

dt

2

dt

Persamaan karakteristik:

2

2

3

 1  10

v0

dt

2

d v

dv

 RC

3

s  1  10 s  4  10

dv

 4  10 v  0

dt
6

0

6

Dua Akar Kompleks Konjugat, Tanggapan Alami
Persamaan

karakteris tik : s

2

 1000

dv

6

0

2

 4  10

 4  10

dt
akar - akar : s1 , s 2   500 

500

6

  500  j 500

15

dua akar kompleks konjugat
  j  dengan    500 ;   500

15

Tanggapan lengkap akan berbentuk:
v  0   K a cos  t  K b sin  t  e
Kondisi

awal pertama

Kondisi

awal kedua 



 v ( 0 )  15  K a
dv
dt



(0 )  0   K a   K b
 Kb 

Tanggapan

t



 K a




lengkap : v  15 cos( 500 15 t ) 

500  15
500



15

15



15 sin( 500 15 t ) e

 500 t

V

Dua Akar Kompleks Konjugat, Tanggapan Alami



v  15 cos( 500 15 t ) 



15 sin( 500 15 t ) e

 500 t

V

15

15 cos( 500 15 t

v 10
[V]
5

15 sin( 500 15 t )

t

0
0
-5
-10
-15

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

0.006

Dua Akar Kompleks Konjugat, Tanggapan Alami
Perbandingan tanggapan rangkaian:
Dua akar riil berbeda: sangat teredam, v  16 e  500 t  e  8000 t V
Dua akar riil sama besar : teredam kritis, v  15  30000 t  e  2000 t V

Dua akar kompleks konjugat : kurang teredam,



v  15 cos( 500 15 t ) 



15 sin( 500 15 t ) e

15
10
5
0
0
-5
-10
-15

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

0.006

 500 t

V

Tanggapan Rangkaian Terhadap Sinyal Sinus
Contoh Tanggapan Rangkaian Dengan Masukan Sinyal Sinus

vs =
26cos3t u(t) V

+


i
vs

5

1H
1

F

6

+
v



Rangkaian mendapat masukan
sinyal sinus yang muncul pada t = 0.
Tentukan perubahan tegangan dan
arus kapasitor, apabila kondisi awal
adalahi(0) = 2 A dan v(0) = 6 V

Pada t = 0+ : i(0+) = 2 A dan v(0+) = 6 V

Persamaan rangkaian untuk t > 0 :

 v s  Ri  L
dv

RC



di
dt

2

 LC

d i
2

dt

dt

5 dv

1 d v



2

d v
2

 v  vs

2

6 dt

dt

v0

5

6 dt

dv
dt

2

 v  26 cos 3 t

 6 v  156 cos 3 t

Tanggapan Rangkaian Terhadap Sinyal Sinus
Persamaan

2

karakteris tik : s  5 s  6  0  ( s  2 )( s  3 );
akar - akar : s1 , s 2   2 ,  3

Dugaan ta nggapan

paksa : v p  A c cos 3 t  A s sin 3 t
2

Persamaan rangkaian

d v
dt

2

5

dv

 6 v  156 cos 3 t

dt

   9 A c  15 A s  6 A c  cos 3 t    9 A s  15 A c  6 A s  sin 3 t  156 cos 3 t
  3 A c  15 A s  156
 Ac 

Tanggapan

156  0
 3  75

dan  15 A c  3 A s  0
  2 ; As 

5  156  0
75  3

 10

paksa : v p   2 cos 3 t  10 sin 3 t

Dugaan tan ggapan lengkap

: v   2 cos 3t  10 sin 3t  K 1 e

2t

 K 2e

 3t

masih harus ditentukan melalui
penerapan kondisi awal

Tanggapan Rangkaian Terhadap Sinyal Sinus


1 dv



awal : v ( 0 )  6 dan i ( 0 )  2 

Kondisi



(0 ) 

dv

6 dt
Aplikasi

kondisi

awal pertama

Aplikasi

kondisi

awal kedua :
 K1  6

Tanggapan

 i

1 dv

dt

: 6  2  K1  K 2  K 2  8  K1
12  30  2 K 1  3 K 2
 K2  2

: v   2 cos 3 t  10 sin 3 t  6 e

lengkap



( 0 )  12

 sin 3 t  5 cos 3 t  2 e

2t

e

 3t

2t

 2e

 3t

V

A

6 dt
30

v [V] 20
i [A]
10

Amplitudo tegangan
menurun

vs

Amplitudo arus
meningkat

v

0
-10 0
-20
-30

t [s]
i

2

4

6

8

10

Courseware
Analisis Transien Rangkaian Orde Ke-Dua

Sudaryatno Sudirham


Slide 6

Open Course

Selamat Belajar

oleh: Sudaryatno Sudirham

Tujuan
 mampu menurunkan persamaan rangkaian yang merupakan
rangkaian orde kedua.

 memahami bahwa tanggapan rangkaian terdiri dari tanggapan
paksa dan tanggapan alami yang mungkin berosilasi.
 mampu melakukan analisis transien pada rangkaian orde

kedua.

Bentuk Umum
Persamaan Rangkaian
Orde Ke-dua

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
2

a

d y
dt

2

b

dy

 cy  x ( t )

dt

y = tanggapan rangkaian yang dapat
berupa tegangan ataupun arus

fungsi pemaksa atau
fungsi penggerak.

tetapan a dan b ditentukan oleh nilainilai elemen yang membentuk rangkaian
Persamaan diferensial orde ke-dua muncul karena
rangkaian mengandung kapasitor dan induktor

dengan tegangan sebagai
peubah status

dengan arus
sebagai peubah status

sedangkan peubah dalam persamaan rangkaian
harus salah satu di ataranya, tegangan atau arus

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Tanggapan Alami
Tanggapan alami adalah solusi persamaan rangkaian di
mana x(t) bernilai nol:
2

a

d y
dt

2

b

dy

 cy  0

dt

Dugaan solusi y berbentuk fungsi eksponensial ya = Kest dengan nilai
K dan s yang masih harus ditentukan.
Kalau solusi ini dimasukkan ke persamaan, akan diperoleh
aKs
Ke

st

2

e

st

as

2

 bKse

st



 cKe

st

0

atau

 bs  c  0

Bagian ini yang harus bernilai nol yang
memberikan persamaan karakteristik
as

2

 bs  c  0

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
2

as  bs  c  0

Persamaan karakteristik yang berbentuk persamaan kwadrat itu
mempunyai dua akar yaitu
s1 , s 2 

2

b

b  4 ac
2a

Dengan adanya dua akar tersebut maka kita mempunyai
dua solusi homogen, yaitu
y a1  K 1e

s1 t

dan

ya 2  K 2e

s2t

dan tanggapan alami yang kita cari akan berbentuk
y a  K 1e

s1 t

 K 2e

s2t

Seperti halnya pada rangkaian orde pertama, tetapan-tetapan ini
diperoleh melalui penerapan kondisi awal pada tanggapan lengkap

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Tanggapan Paksa
Tanggapan paksa adalah solusi persamaan rangkaian di
mana x(t) 0:
2

a

d y
dt

2

b

dy

 cy  x ( t )

dt

Bentuk tanggapan paksa ditentukan oleh bentuk x(t)
sebagaimana telah diulas pada rangkaian orde pertama, yaitu
Jika x ( t )  0 , maka

yp  0

Jika x ( t )  A  konstan,
t

maka

Jika

x ( t )  Ae

Jika

x ( t )  A sin  t , maka

Jika

x ( t )  A cos  t , maka

y p  konstan  K

 eksponensi al, maka

y p  eksponensi al  Ke

y p  K c cos  t  K s sin  t
y p  K c cos  t  K s sin  t

Perhatikan : y  K c cos  t  K s sin  t adalah bentuk umum
fungsi sinus maupun

cosinus .

t

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Tanggapan Lengkap
Tanggapan lengkap adalah jumlah tanggapan alami
dan tanggapan paksa
y  y p  y a  y p  K 1e

s1t

 K 2e

s2t

Tetapan ini diperoleh melalui penerapan kondisi awal
Jika rangkaian mengandung C dan L, dua elemen
ini akan cenderung mempertahankan statusnya.
Jadi ada dua kondisi awal yang harus dipenuhi
yaitu




vC (0 )  vC (0 )

dan




iL (0 )  iL (0 )

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Kondisi Awal
Secara umum, kondisi awal adalah:




y (0 )  y (0 )

dan

dy





(0 )  y ' (0 )

dt

Nilai sesaat sebelum dan sesudah
penutupan/pembukaan saklar harus sama, dan
laju perubahan nilainya harus kontinyu
y

y

0

t

Pada rangkaian orde
pertama dy/dt(0+) tidak
perlu kontinyu

0

t

Pada rangkaian orde kedua dy/dt(0+)
harus kontinyu sebab ada d2y/dt2
dalam persamaan rangkaian yang
hanya terdefinisi jika dy/dt(0+) kontinyu

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Tiga Kemungkinan Bentuk Tanggapan
Persamaan karakteristik
as

2

 bs  c  0

dapat mempunyai tiga kemungkinan nilai akar, yaitu:
a). Dua akar riil berbeda, s1  s2, jika {b2 4ac } > 0;
b). Dua akar sama, s1 = s2 = s , jika {b24ac } = 0;

c). Dua akar kompleks konjugat s1,s2 =   j jika {b24ac } < 0.
Tiga kemungkinan akar ini akan memberikan tiga
kemungkinan bentuk tanggapan

Persamaan karakteristik dengan
dua akar riil berbeda,
s1  s2, {b2 4ac } > 0

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
Contoh-1
1H

S 1 2
+


15 V

+
v



iC
0,25 F

i
8,5 k

Saklar S telah lama berada pada posisi 1.
Pada t = 0 saklar dipindahkan ke posisi 2.
Carilah perubahan tegangan kapasitor.



Pada t = 0- : i ( 0 )  0 dan v ( 0 )  12 V

Persamaan Rangkaian pada t > 0 :  v  L

di

 Ri  0

dt

Karena i = -iC = -C dv/dt, maka:  v  LC

2

d v
dt

2

d v



dt

2



2

R dv

 RC

dt

2

0

dt


L dt

 8 ,5  10

v

0

LC

2

d v

dv

3

dv
dt

6

 4  10 v  0

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami

Persamaan karakteristik:

s

2

3

 8 , 5  10 s  4  10

 akar - akar : s1 , s 2   4250  10

3

6

0

2

( 4 , 25 )  4   500 ,  8000

 500 t
 8000 t
 K 2e
Dugaan tanggapan lengkap: v  0  K 1 e

Tak ada fungsi pemaksa

Kondisi awal: v C ( 0  )  15 V dan i L ( 0  )  0
Karena persamaan rangkaian menggunakan v
sebagai peubah maka kondisi awal arus iL(0+)
harus diubah menjadi dalam tegangan v






i L ( 0 )  iC ( 0 )  C

dv C ( 0 )



dv C ( 0 )
dt

0

dt

0

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
Kondisi awal:





v ( 0 )  15 V

dv ( 0 )

0

dt

 500 t
 8000 t
 K 2e
Dugaan tanggapan lengkap: v  0  K 1 e

0   500 K 1  8000 K 2

15  K1  K 2

0   500 K 1  8000 (15  K 1 )

K1 

8000  15

 16

K 2  1

7500

Tanggapan lengkap menjadi: v  16 e  500 t  e  8000 t V
(hanya ada tanggapan alami).

Ini adalah pelepasan muatan kapasitor pada
rangkaian R-L-C seri

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami

Tanggapan

lengkap : v  16 e

 500 t

e

 8000 t

V

16

v
[V] 12

v
8
4
0
0

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

-4

Perhatikan bahwa pada t = 0+ tegangan kapasitor adalah 15 V

Pada waktu kapasitor mulai melepaskan muatannya,
ada perlawanan dari induktor yang menyebabkan
penurunan tegangan pada saat-saat awal agak landai

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
Contoh-2

1H

S
+


19 V

+
v

iC



0,25 F

Saklar S telah lama tertutup.
Pada t = 0 saklar dibuka.
Tentukan perubahan tegangan
kapasitor dan arus induktor.

i
8,5 k

Sebelum saklar dibuka arus hanya melalui induktor. Dioda tidak konduksi.


i L (0 ) 

19
8500

Persamaan Rangkaian pada t > 0 :

i   iC   C



vC (0 )  0 V

 2 mA

dv C
dt

did 2 v
dv
L
 Ri 
0
vvLC
RC
0
dtdt 2
dt
2



d v
dt

2



R dv
L dt

dt

2

 8 ,5  10

0

LC

2

d v

v



3

dv
dt

6

 4  10 v  0

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
Persamaan

karkterist ik : s  8 ,5  10 s  4  10  0
2

3

 akar - akar : s1 , s 2   4250  10

Dugaan ta

nggapan

lengkap

3

6

( 4 , 25 )  4   500 ,  8000
2

: v  0  K 1e

 500 t

 K 2e

 8000 t

Tak ada fungsi pemaksa
Kondisi awal:



i L ( 0 )  2 mA



vC (0 )  0 V

dan

Karena persamaan rangkaian menggunakan v sebagai
peubah maka kondisi awal iL(0+) harus diubah menjadi
dalam v






 i L ( 0 )  iC ( 0 )  C


dv C ( 0 )
dt

 

dv C ( 0 )
dt
2  10
C

3

 2  10

3

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami


dv ( 0 )



Kondisi awal: v ( 0 )  0



dt

Dugaan ta

nggapan

2  10

6

0 , 25  10

: v  0  K 1e

lengkap

3

0  K1  K 2

 500 t

  8  10

 K 2e

3

 8000 t

 8000   500 K 1  8000 K 2

 8000   500 K 1  8000 K 1
K1 

Tegangan kapasitor menjadi

 8000

K 2   K1  1

  1, 06

7500

: v  1, 06 e

 500 t

 1e

 8000 t

V

Ini adalah pengisian kapasitor oleh arus
induktor pada rangkaian R-L-C seri
Arus induktor

: i L   iC   C
  133  10

dv

  0 , 25  10

dt
 3  500 t

e

 2e

6

 530 e

 8000 t

mA

 500 t

 8000 e

 8000 t



Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
Tanggapan lengkap : v  1, 06 e

 500 t

 1e

 8000 t

V

1

v
[V]

0. 5

0
0

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

-0. 5

-1

Perhatikan bahwa pada awalnya tegangan kapasitor naik
karena menerima pelepasan energi dari induktor

Kenaikan tegangan kapasitor mencapai puncak kemudian
menurun karena ia melepaskan muatan yang pada awalnya
diterima.

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
v  16 e

 500 t

e

 8000 t

v  1, 06 e

V

16

 500 t

 1e

 8000 t

V

1

v [V]

Pelepasan energi induktor

v

12

[V]

v

8

0. 5
0
0

4

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

-0. 5

0
0

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

-1

-4

Untuk kedua peristiwa ini yang di-plot terhadap waktu adalah tegangan kapasitor
Seandainya tidak ada induktor, penurunan tegangan kapasitor akan terjadi
dengan konstanta waktu

  RC  8500  0 . 25  10

6

 2125  10

-6

atau 1/ = 470,6. Tetapi karena ada induktor, konstanta waktu menjadi lebih kecil
sehingga 1/ = 500. Inilah yang terlihat pada suku pertama v.
Suku ke-dua v adalah pengaruh induktor, yang jika tidak ada kapasitor nilai 1/
= R/L = 8500. Karena ada kapasitor nilai ini menjadi 8000 pada suku ke-dua v.

Persamaan Karakteristik Memiliki Dua Akar
Riil Sama Besar
s1 = s2, {b2 4ac } = 0

Dua Akar Riil Sama Besar
Dua akar yang sama besar dapat kita tuliskan sebagai
s1  s

dan

s 2  s   ; dengan   0

Tanggapan lengkap akan berbentuk
y  y p  K 1e

s1t

 K 2e

s2t

st

 y p  K 1e

Tanggapan paksa

Kondisi awal pertama

 K 2e

( s   )t

Tanggapan alami

Kondisi awal kedua







y ( 0 )  y p ( 0 )  K 1 s  K 2 ( s   )







y ( 0 )  y p ( 0 )  ( K 1  K 2 ) s  K 2   B 0

y (0 )  y p (0 )  K 1  K 2
y ( 0 )  y p ( 0 )  K 1  K 2  A0

A0 s  K 2   B 0



K2 

B 0  A0 s


dan

K 1  A0 

B 0  A0 s


Dua Akar Riil Sama Besar
Tanggapan lengkap menjadi

 1 e  t   st
 e
y  y p   A0  ( B 0  A0 s )   
 
  


t
 1
 e t  1 
e 

t
lim  
 lim 







 0
 0





y  y p   A0  ( B 0  A0 s ) t  e

y  y p  K a  K b t  e

ditentukan oleh kondisi awal

st

st

ditentukan oleh kondisi awal dan s
s sendiri ditentukan oleh nilai elemenelemen yang membentuk rangkaian dan
tidak ada kaitannya dengan kondisi awal

Dua Akar Riil Sama Besar, Tanggapan Alami
Contoh-3.
1H

S 1 2
+


15 V

+
v



iC
0,25 F

i
4 k

Sakalar telah lama di posisi 1. Pada t
= 0 di pindah ke posisi 2. Tentukan
perubahan tegangan kapasitor.

(Diganti dengan 4 k dari contoh sebelumnya)


Sebelum saklar dipindahkan: v ( 0 )  15 V ; i ( 0 )  0

di

Persamaan rangkaian untuk t > 0:  v  L

 iR  0

dt
2

Karena i =  iC = C dv/dt

LC

d v
dt

2

 RC

dt

Persamaan karakteristik:

2

3

2

 4  10

s  4  10 s  4  10

v0

dt

2

d v

dv

3

dv
dt

6

0

 4  10 v  0
6

Dua Akar Riil Sama Besar, Tanggapan Alami
Persamaan

2

karakteris tik : s  4000 s  4  10
akar - akar : s1 , s 2   2000 

Karena persamaan
maka tanggapan

karakteris tik memiliki

6

0

4  10

6

 4  10

6

  2000  s

akar sama besar

lengkap akan berbentuk :
v  v p  K a  K b t  e

st

 0  K a  K b t  e

st

Tak ada fungsi pemaksa

Kondisi
Kondisi

awal pertama
awal kedua



dv
dt



dv
dt





v ( 0 )  v ( 0 )  v ( 0 )  15  K a .


(0 )  0 

dv
dt

 K be



(0 )  0  K b  K a s 

 Jadi : v  15  30000 t  e

st

 K a  K bt  s e

st

K b   K a s  30000
 2000 t

V

Dua Akar Riil Sama Besar, Tanggapan Alami

v  15  30000 t  e

 2000 t

V

15
10

v  30000 t e

 2000 t

5
0
0
-5
-10
-15

0.001

v  15 e

0.002

 2000 t

0.003

0.004

0.005

0.006

Dua akar kompleks konjugat
{b2 4ac } < 0
s1    j 

dan

s 2    j

Dua Akar Kompleks Konjugat
Akar-Akar Kompleks Konjugat
s1    j 

dan

s 2    j

Tanggapan lengkap akan berbentuk
y  y p  K 1e

(   j ) t

 K 2e

(   j ) t



 y p  K 1e

 j t

K 1 (cos  t  j sin  t )

 K 2e

 j t

e

t

K 2 (cos  t  j sin  t )

( K 1  K 2 ) cos  t  j ( K 1  K 2 ) sin  t

K a cos  t  K b sin  t

y  y p   K a cos  t  K b sin  t  e

t



Kondisi awal pertama: y ( 0 )  y p ( 0 )  K a

Kondisi awal kedua:





K a  y (0 )  y p (0 )



t
y ( 0 )  y p ( 0 )  {(  K b  K a  ) sin  t  ( K b    K a ) cos  t }e

 y p ( 0 )   K a   K b


 K a   K b  y  ( 0 )  y p ( 0 )

Dua Akar Kompleks Konjugat, Tanggapan Alami
Contoh-4.
1H

S 1 2
+


15 V

+
v


iC

0,25 F

i
1 k

Saklar S sudah lama pada posisi 1.
Pada t = 0 dipindah ke poisisi 2.
Carilah perubahan tegangan kapasitor.

(Diganti dengan 1 k dari contoh sebelumnya)

Pada t = 0+ : v ( 0  )  15 V ; i ( 0  )  0

vL

di

 iR  0

dt

Persamaan rangkaian untuk t > 0:
2

Karena i = iC = C dv/dt

d v

LC

dt

2

dt

Persamaan karakteristik:

2

2

3

 1  10

v0

dt

2

d v

dv

 RC

3

s  1  10 s  4  10

dv

 4  10 v  0

dt
6

0

6

Dua Akar Kompleks Konjugat, Tanggapan Alami
Persamaan

karakteris tik : s

2

 1000

dv

6

0

2

 4  10

 4  10

dt
akar - akar : s1 , s 2   500 

500

6

  500  j 500

15

dua akar kompleks konjugat
  j  dengan    500 ;   500

15

Tanggapan lengkap akan berbentuk:
v  0   K a cos  t  K b sin  t  e
Kondisi

awal pertama

Kondisi

awal kedua 



 v ( 0 )  15  K a
dv
dt



(0 )  0   K a   K b
 Kb 

Tanggapan

t



 K a




lengkap : v  15 cos( 500 15 t ) 

500  15
500



15

15



15 sin( 500 15 t ) e

 500 t

V

Dua Akar Kompleks Konjugat, Tanggapan Alami



v  15 cos( 500 15 t ) 



15 sin( 500 15 t ) e

 500 t

V

15

15 cos( 500 15 t

v 10
[V]
5

15 sin( 500 15 t )

t

0
0
-5
-10
-15

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

0.006

Dua Akar Kompleks Konjugat, Tanggapan Alami
Perbandingan tanggapan rangkaian:
Dua akar riil berbeda: sangat teredam, v  16 e  500 t  e  8000 t V
Dua akar riil sama besar : teredam kritis, v  15  30000 t  e  2000 t V

Dua akar kompleks konjugat : kurang teredam,



v  15 cos( 500 15 t ) 



15 sin( 500 15 t ) e

15
10
5
0
0
-5
-10
-15

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

0.006

 500 t

V

Tanggapan Rangkaian Terhadap Sinyal Sinus
Contoh Tanggapan Rangkaian Dengan Masukan Sinyal Sinus

vs =
26cos3t u(t) V

+


i
vs

5

1H
1

F

6

+
v



Rangkaian mendapat masukan
sinyal sinus yang muncul pada t = 0.
Tentukan perubahan tegangan dan
arus kapasitor, apabila kondisi awal
adalahi(0) = 2 A dan v(0) = 6 V

Pada t = 0+ : i(0+) = 2 A dan v(0+) = 6 V

Persamaan rangkaian untuk t > 0 :

 v s  Ri  L
dv

RC



di
dt

2

 LC

d i
2

dt

dt

5 dv

1 d v



2

d v
2

 v  vs

2

6 dt

dt

v0

5

6 dt

dv
dt

2

 v  26 cos 3 t

 6 v  156 cos 3 t

Tanggapan Rangkaian Terhadap Sinyal Sinus
Persamaan

2

karakteris tik : s  5 s  6  0  ( s  2 )( s  3 );
akar - akar : s1 , s 2   2 ,  3

Dugaan ta nggapan

paksa : v p  A c cos 3 t  A s sin 3 t
2

Persamaan rangkaian

d v
dt

2

5

dv

 6 v  156 cos 3 t

dt

   9 A c  15 A s  6 A c  cos 3 t    9 A s  15 A c  6 A s  sin 3 t  156 cos 3 t
  3 A c  15 A s  156
 Ac 

Tanggapan

156  0
 3  75

dan  15 A c  3 A s  0
  2 ; As 

5  156  0
75  3

 10

paksa : v p   2 cos 3 t  10 sin 3 t

Dugaan tan ggapan lengkap

: v   2 cos 3t  10 sin 3t  K 1 e

2t

 K 2e

 3t

masih harus ditentukan melalui
penerapan kondisi awal

Tanggapan Rangkaian Terhadap Sinyal Sinus


1 dv



awal : v ( 0 )  6 dan i ( 0 )  2 

Kondisi



(0 ) 

dv

6 dt
Aplikasi

kondisi

awal pertama

Aplikasi

kondisi

awal kedua :
 K1  6

Tanggapan

 i

1 dv

dt

: 6  2  K1  K 2  K 2  8  K1
12  30  2 K 1  3 K 2
 K2  2

: v   2 cos 3 t  10 sin 3 t  6 e

lengkap



( 0 )  12

 sin 3 t  5 cos 3 t  2 e

2t

e

 3t

2t

 2e

 3t

V

A

6 dt
30

v [V] 20
i [A]
10

Amplitudo tegangan
menurun

vs

Amplitudo arus
meningkat

v

0
-10 0
-20
-30

t [s]
i

2

4

6

8

10

Courseware
Analisis Transien Rangkaian Orde Ke-Dua

Sudaryatno Sudirham


Slide 7

Open Course

Selamat Belajar

oleh: Sudaryatno Sudirham

Tujuan
 mampu menurunkan persamaan rangkaian yang merupakan
rangkaian orde kedua.

 memahami bahwa tanggapan rangkaian terdiri dari tanggapan
paksa dan tanggapan alami yang mungkin berosilasi.
 mampu melakukan analisis transien pada rangkaian orde

kedua.

Bentuk Umum
Persamaan Rangkaian
Orde Ke-dua

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
2

a

d y
dt

2

b

dy

 cy  x ( t )

dt

y = tanggapan rangkaian yang dapat
berupa tegangan ataupun arus

fungsi pemaksa atau
fungsi penggerak.

tetapan a dan b ditentukan oleh nilainilai elemen yang membentuk rangkaian
Persamaan diferensial orde ke-dua muncul karena
rangkaian mengandung kapasitor dan induktor

dengan tegangan sebagai
peubah status

dengan arus
sebagai peubah status

sedangkan peubah dalam persamaan rangkaian
harus salah satu di ataranya, tegangan atau arus

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Tanggapan Alami
Tanggapan alami adalah solusi persamaan rangkaian di
mana x(t) bernilai nol:
2

a

d y
dt

2

b

dy

 cy  0

dt

Dugaan solusi y berbentuk fungsi eksponensial ya = Kest dengan nilai
K dan s yang masih harus ditentukan.
Kalau solusi ini dimasukkan ke persamaan, akan diperoleh
aKs
Ke

st

2

e

st

as

2

 bKse

st



 cKe

st

0

atau

 bs  c  0

Bagian ini yang harus bernilai nol yang
memberikan persamaan karakteristik
as

2

 bs  c  0

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
2

as  bs  c  0

Persamaan karakteristik yang berbentuk persamaan kwadrat itu
mempunyai dua akar yaitu
s1 , s 2 

2

b

b  4 ac
2a

Dengan adanya dua akar tersebut maka kita mempunyai
dua solusi homogen, yaitu
y a1  K 1e

s1 t

dan

ya 2  K 2e

s2t

dan tanggapan alami yang kita cari akan berbentuk
y a  K 1e

s1 t

 K 2e

s2t

Seperti halnya pada rangkaian orde pertama, tetapan-tetapan ini
diperoleh melalui penerapan kondisi awal pada tanggapan lengkap

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Tanggapan Paksa
Tanggapan paksa adalah solusi persamaan rangkaian di
mana x(t) 0:
2

a

d y
dt

2

b

dy

 cy  x ( t )

dt

Bentuk tanggapan paksa ditentukan oleh bentuk x(t)
sebagaimana telah diulas pada rangkaian orde pertama, yaitu
Jika x ( t )  0 , maka

yp  0

Jika x ( t )  A  konstan,
t

maka

Jika

x ( t )  Ae

Jika

x ( t )  A sin  t , maka

Jika

x ( t )  A cos  t , maka

y p  konstan  K

 eksponensi al, maka

y p  eksponensi al  Ke

y p  K c cos  t  K s sin  t
y p  K c cos  t  K s sin  t

Perhatikan : y  K c cos  t  K s sin  t adalah bentuk umum
fungsi sinus maupun

cosinus .

t

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Tanggapan Lengkap
Tanggapan lengkap adalah jumlah tanggapan alami
dan tanggapan paksa
y  y p  y a  y p  K 1e

s1t

 K 2e

s2t

Tetapan ini diperoleh melalui penerapan kondisi awal
Jika rangkaian mengandung C dan L, dua elemen
ini akan cenderung mempertahankan statusnya.
Jadi ada dua kondisi awal yang harus dipenuhi
yaitu




vC (0 )  vC (0 )

dan




iL (0 )  iL (0 )

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Kondisi Awal
Secara umum, kondisi awal adalah:




y (0 )  y (0 )

dan

dy





(0 )  y ' (0 )

dt

Nilai sesaat sebelum dan sesudah
penutupan/pembukaan saklar harus sama, dan
laju perubahan nilainya harus kontinyu
y

y

0

t

Pada rangkaian orde
pertama dy/dt(0+) tidak
perlu kontinyu

0

t

Pada rangkaian orde kedua dy/dt(0+)
harus kontinyu sebab ada d2y/dt2
dalam persamaan rangkaian yang
hanya terdefinisi jika dy/dt(0+) kontinyu

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Tiga Kemungkinan Bentuk Tanggapan
Persamaan karakteristik
as

2

 bs  c  0

dapat mempunyai tiga kemungkinan nilai akar, yaitu:
a). Dua akar riil berbeda, s1  s2, jika {b2 4ac } > 0;
b). Dua akar sama, s1 = s2 = s , jika {b24ac } = 0;

c). Dua akar kompleks konjugat s1,s2 =   j jika {b24ac } < 0.
Tiga kemungkinan akar ini akan memberikan tiga
kemungkinan bentuk tanggapan

Persamaan karakteristik dengan
dua akar riil berbeda,
s1  s2, {b2 4ac } > 0

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
Contoh-1
1H

S 1 2
+


15 V

+
v



iC
0,25 F

i
8,5 k

Saklar S telah lama berada pada posisi 1.
Pada t = 0 saklar dipindahkan ke posisi 2.
Carilah perubahan tegangan kapasitor.



Pada t = 0- : i ( 0 )  0 dan v ( 0 )  12 V

Persamaan Rangkaian pada t > 0 :  v  L

di

 Ri  0

dt

Karena i = -iC = -C dv/dt, maka:  v  LC

2

d v
dt

2

d v



dt

2



2

R dv

 RC

dt

2

0

dt


L dt

 8 ,5  10

v

0

LC

2

d v

dv

3

dv
dt

6

 4  10 v  0

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami

Persamaan karakteristik:

s

2

3

 8 , 5  10 s  4  10

 akar - akar : s1 , s 2   4250  10

3

6

0

2

( 4 , 25 )  4   500 ,  8000

 500 t
 8000 t
 K 2e
Dugaan tanggapan lengkap: v  0  K 1 e

Tak ada fungsi pemaksa

Kondisi awal: v C ( 0  )  15 V dan i L ( 0  )  0
Karena persamaan rangkaian menggunakan v
sebagai peubah maka kondisi awal arus iL(0+)
harus diubah menjadi dalam tegangan v






i L ( 0 )  iC ( 0 )  C

dv C ( 0 )



dv C ( 0 )
dt

0

dt

0

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
Kondisi awal:





v ( 0 )  15 V

dv ( 0 )

0

dt

 500 t
 8000 t
 K 2e
Dugaan tanggapan lengkap: v  0  K 1 e

0   500 K 1  8000 K 2

15  K1  K 2

0   500 K 1  8000 (15  K 1 )

K1 

8000  15

 16

K 2  1

7500

Tanggapan lengkap menjadi: v  16 e  500 t  e  8000 t V
(hanya ada tanggapan alami).

Ini adalah pelepasan muatan kapasitor pada
rangkaian R-L-C seri

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami

Tanggapan

lengkap : v  16 e

 500 t

e

 8000 t

V

16

v
[V] 12

v
8
4
0
0

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

-4

Perhatikan bahwa pada t = 0+ tegangan kapasitor adalah 15 V

Pada waktu kapasitor mulai melepaskan muatannya,
ada perlawanan dari induktor yang menyebabkan
penurunan tegangan pada saat-saat awal agak landai

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
Contoh-2

1H

S
+


19 V

+
v

iC



0,25 F

Saklar S telah lama tertutup.
Pada t = 0 saklar dibuka.
Tentukan perubahan tegangan
kapasitor dan arus induktor.

i
8,5 k

Sebelum saklar dibuka arus hanya melalui induktor. Dioda tidak konduksi.


i L (0 ) 

19
8500

Persamaan Rangkaian pada t > 0 :

i   iC   C



vC (0 )  0 V

 2 mA

dv C
dt

did 2 v
dv
L
 Ri 
0
vvLC
RC
0
dtdt 2
dt
2



d v
dt

2



R dv
L dt

dt

2

 8 ,5  10

0

LC

2

d v

v



3

dv
dt

6

 4  10 v  0

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
Persamaan

karkterist ik : s  8 ,5  10 s  4  10  0
2

3

 akar - akar : s1 , s 2   4250  10

Dugaan ta

nggapan

lengkap

3

6

( 4 , 25 )  4   500 ,  8000
2

: v  0  K 1e

 500 t

 K 2e

 8000 t

Tak ada fungsi pemaksa
Kondisi awal:



i L ( 0 )  2 mA



vC (0 )  0 V

dan

Karena persamaan rangkaian menggunakan v sebagai
peubah maka kondisi awal iL(0+) harus diubah menjadi
dalam v






 i L ( 0 )  iC ( 0 )  C


dv C ( 0 )
dt

 

dv C ( 0 )
dt
2  10
C

3

 2  10

3

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami


dv ( 0 )



Kondisi awal: v ( 0 )  0



dt

Dugaan ta

nggapan

2  10

6

0 , 25  10

: v  0  K 1e

lengkap

3

0  K1  K 2

 500 t

  8  10

 K 2e

3

 8000 t

 8000   500 K 1  8000 K 2

 8000   500 K 1  8000 K 1
K1 

Tegangan kapasitor menjadi

 8000

K 2   K1  1

  1, 06

7500

: v  1, 06 e

 500 t

 1e

 8000 t

V

Ini adalah pengisian kapasitor oleh arus
induktor pada rangkaian R-L-C seri
Arus induktor

: i L   iC   C
  133  10

dv

  0 , 25  10

dt
 3  500 t

e

 2e

6

 530 e

 8000 t

mA

 500 t

 8000 e

 8000 t



Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
Tanggapan lengkap : v  1, 06 e

 500 t

 1e

 8000 t

V

1

v
[V]

0. 5

0
0

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

-0. 5

-1

Perhatikan bahwa pada awalnya tegangan kapasitor naik
karena menerima pelepasan energi dari induktor

Kenaikan tegangan kapasitor mencapai puncak kemudian
menurun karena ia melepaskan muatan yang pada awalnya
diterima.

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
v  16 e

 500 t

e

 8000 t

v  1, 06 e

V

16

 500 t

 1e

 8000 t

V

1

v [V]

Pelepasan energi induktor

v

12

[V]

v

8

0. 5
0
0

4

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

-0. 5

0
0

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

-1

-4

Untuk kedua peristiwa ini yang di-plot terhadap waktu adalah tegangan kapasitor
Seandainya tidak ada induktor, penurunan tegangan kapasitor akan terjadi
dengan konstanta waktu

  RC  8500  0 . 25  10

6

 2125  10

-6

atau 1/ = 470,6. Tetapi karena ada induktor, konstanta waktu menjadi lebih kecil
sehingga 1/ = 500. Inilah yang terlihat pada suku pertama v.
Suku ke-dua v adalah pengaruh induktor, yang jika tidak ada kapasitor nilai 1/
= R/L = 8500. Karena ada kapasitor nilai ini menjadi 8000 pada suku ke-dua v.

Persamaan Karakteristik Memiliki Dua Akar
Riil Sama Besar
s1 = s2, {b2 4ac } = 0

Dua Akar Riil Sama Besar
Dua akar yang sama besar dapat kita tuliskan sebagai
s1  s

dan

s 2  s   ; dengan   0

Tanggapan lengkap akan berbentuk
y  y p  K 1e

s1t

 K 2e

s2t

st

 y p  K 1e

Tanggapan paksa

Kondisi awal pertama

 K 2e

( s   )t

Tanggapan alami

Kondisi awal kedua







y ( 0 )  y p ( 0 )  K 1 s  K 2 ( s   )







y ( 0 )  y p ( 0 )  ( K 1  K 2 ) s  K 2   B 0

y (0 )  y p (0 )  K 1  K 2
y ( 0 )  y p ( 0 )  K 1  K 2  A0

A0 s  K 2   B 0



K2 

B 0  A0 s


dan

K 1  A0 

B 0  A0 s


Dua Akar Riil Sama Besar
Tanggapan lengkap menjadi

 1 e  t   st
 e
y  y p   A0  ( B 0  A0 s )   
 
  


t
 1
 e t  1 
e 

t
lim  
 lim 







 0
 0





y  y p   A0  ( B 0  A0 s ) t  e

y  y p  K a  K b t  e

ditentukan oleh kondisi awal

st

st

ditentukan oleh kondisi awal dan s
s sendiri ditentukan oleh nilai elemenelemen yang membentuk rangkaian dan
tidak ada kaitannya dengan kondisi awal

Dua Akar Riil Sama Besar, Tanggapan Alami
Contoh-3.
1H

S 1 2
+


15 V

+
v



iC
0,25 F

i
4 k

Sakalar telah lama di posisi 1. Pada t
= 0 di pindah ke posisi 2. Tentukan
perubahan tegangan kapasitor.

(Diganti dengan 4 k dari contoh sebelumnya)


Sebelum saklar dipindahkan: v ( 0 )  15 V ; i ( 0 )  0

di

Persamaan rangkaian untuk t > 0:  v  L

 iR  0

dt
2

Karena i =  iC = C dv/dt

LC

d v
dt

2

 RC

dt

Persamaan karakteristik:

2

3

2

 4  10

s  4  10 s  4  10

v0

dt

2

d v

dv

3

dv
dt

6

0

 4  10 v  0
6

Dua Akar Riil Sama Besar, Tanggapan Alami
Persamaan

2

karakteris tik : s  4000 s  4  10
akar - akar : s1 , s 2   2000 

Karena persamaan
maka tanggapan

karakteris tik memiliki

6

0

4  10

6

 4  10

6

  2000  s

akar sama besar

lengkap akan berbentuk :
v  v p  K a  K b t  e

st

 0  K a  K b t  e

st

Tak ada fungsi pemaksa

Kondisi
Kondisi

awal pertama
awal kedua



dv
dt



dv
dt





v ( 0 )  v ( 0 )  v ( 0 )  15  K a .


(0 )  0 

dv
dt

 K be



(0 )  0  K b  K a s 

 Jadi : v  15  30000 t  e

st

 K a  K bt  s e

st

K b   K a s  30000
 2000 t

V

Dua Akar Riil Sama Besar, Tanggapan Alami

v  15  30000 t  e

 2000 t

V

15
10

v  30000 t e

 2000 t

5
0
0
-5
-10
-15

0.001

v  15 e

0.002

 2000 t

0.003

0.004

0.005

0.006

Dua akar kompleks konjugat
{b2 4ac } < 0
s1    j 

dan

s 2    j

Dua Akar Kompleks Konjugat
Akar-Akar Kompleks Konjugat
s1    j 

dan

s 2    j

Tanggapan lengkap akan berbentuk
y  y p  K 1e

(   j ) t

 K 2e

(   j ) t



 y p  K 1e

 j t

K 1 (cos  t  j sin  t )

 K 2e

 j t

e

t

K 2 (cos  t  j sin  t )

( K 1  K 2 ) cos  t  j ( K 1  K 2 ) sin  t

K a cos  t  K b sin  t

y  y p   K a cos  t  K b sin  t  e

t



Kondisi awal pertama: y ( 0 )  y p ( 0 )  K a

Kondisi awal kedua:





K a  y (0 )  y p (0 )



t
y ( 0 )  y p ( 0 )  {(  K b  K a  ) sin  t  ( K b    K a ) cos  t }e

 y p ( 0 )   K a   K b


 K a   K b  y  ( 0 )  y p ( 0 )

Dua Akar Kompleks Konjugat, Tanggapan Alami
Contoh-4.
1H

S 1 2
+


15 V

+
v


iC

0,25 F

i
1 k

Saklar S sudah lama pada posisi 1.
Pada t = 0 dipindah ke poisisi 2.
Carilah perubahan tegangan kapasitor.

(Diganti dengan 1 k dari contoh sebelumnya)

Pada t = 0+ : v ( 0  )  15 V ; i ( 0  )  0

vL

di

 iR  0

dt

Persamaan rangkaian untuk t > 0:
2

Karena i = iC = C dv/dt

d v

LC

dt

2

dt

Persamaan karakteristik:

2

2

3

 1  10

v0

dt

2

d v

dv

 RC

3

s  1  10 s  4  10

dv

 4  10 v  0

dt
6

0

6

Dua Akar Kompleks Konjugat, Tanggapan Alami
Persamaan

karakteris tik : s

2

 1000

dv

6

0

2

 4  10

 4  10

dt
akar - akar : s1 , s 2   500 

500

6

  500  j 500

15

dua akar kompleks konjugat
  j  dengan    500 ;   500

15

Tanggapan lengkap akan berbentuk:
v  0   K a cos  t  K b sin  t  e
Kondisi

awal pertama

Kondisi

awal kedua 



 v ( 0 )  15  K a
dv
dt



(0 )  0   K a   K b
 Kb 

Tanggapan

t



 K a




lengkap : v  15 cos( 500 15 t ) 

500  15
500



15

15



15 sin( 500 15 t ) e

 500 t

V

Dua Akar Kompleks Konjugat, Tanggapan Alami



v  15 cos( 500 15 t ) 



15 sin( 500 15 t ) e

 500 t

V

15

15 cos( 500 15 t

v 10
[V]
5

15 sin( 500 15 t )

t

0
0
-5
-10
-15

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

0.006

Dua Akar Kompleks Konjugat, Tanggapan Alami
Perbandingan tanggapan rangkaian:
Dua akar riil berbeda: sangat teredam, v  16 e  500 t  e  8000 t V
Dua akar riil sama besar : teredam kritis, v  15  30000 t  e  2000 t V

Dua akar kompleks konjugat : kurang teredam,



v  15 cos( 500 15 t ) 



15 sin( 500 15 t ) e

15
10
5
0
0
-5
-10
-15

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

0.006

 500 t

V

Tanggapan Rangkaian Terhadap Sinyal Sinus
Contoh Tanggapan Rangkaian Dengan Masukan Sinyal Sinus

vs =
26cos3t u(t) V

+


i
vs

5

1H
1

F

6

+
v



Rangkaian mendapat masukan
sinyal sinus yang muncul pada t = 0.
Tentukan perubahan tegangan dan
arus kapasitor, apabila kondisi awal
adalahi(0) = 2 A dan v(0) = 6 V

Pada t = 0+ : i(0+) = 2 A dan v(0+) = 6 V

Persamaan rangkaian untuk t > 0 :

 v s  Ri  L
dv

RC



di
dt

2

 LC

d i
2

dt

dt

5 dv

1 d v



2

d v
2

 v  vs

2

6 dt

dt

v0

5

6 dt

dv
dt

2

 v  26 cos 3 t

 6 v  156 cos 3 t

Tanggapan Rangkaian Terhadap Sinyal Sinus
Persamaan

2

karakteris tik : s  5 s  6  0  ( s  2 )( s  3 );
akar - akar : s1 , s 2   2 ,  3

Dugaan ta nggapan

paksa : v p  A c cos 3 t  A s sin 3 t
2

Persamaan rangkaian

d v
dt

2

5

dv

 6 v  156 cos 3 t

dt

   9 A c  15 A s  6 A c  cos 3 t    9 A s  15 A c  6 A s  sin 3 t  156 cos 3 t
  3 A c  15 A s  156
 Ac 

Tanggapan

156  0
 3  75

dan  15 A c  3 A s  0
  2 ; As 

5  156  0
75  3

 10

paksa : v p   2 cos 3 t  10 sin 3 t

Dugaan tan ggapan lengkap

: v   2 cos 3t  10 sin 3t  K 1 e

2t

 K 2e

 3t

masih harus ditentukan melalui
penerapan kondisi awal

Tanggapan Rangkaian Terhadap Sinyal Sinus


1 dv



awal : v ( 0 )  6 dan i ( 0 )  2 

Kondisi



(0 ) 

dv

6 dt
Aplikasi

kondisi

awal pertama

Aplikasi

kondisi

awal kedua :
 K1  6

Tanggapan

 i

1 dv

dt

: 6  2  K1  K 2  K 2  8  K1
12  30  2 K 1  3 K 2
 K2  2

: v   2 cos 3 t  10 sin 3 t  6 e

lengkap



( 0 )  12

 sin 3 t  5 cos 3 t  2 e

2t

e

 3t

2t

 2e

 3t

V

A

6 dt
30

v [V] 20
i [A]
10

Amplitudo tegangan
menurun

vs

Amplitudo arus
meningkat

v

0
-10 0
-20
-30

t [s]
i

2

4

6

8

10

Courseware
Analisis Transien Rangkaian Orde Ke-Dua

Sudaryatno Sudirham


Slide 8

Open Course

Selamat Belajar

oleh: Sudaryatno Sudirham

Tujuan
 mampu menurunkan persamaan rangkaian yang merupakan
rangkaian orde kedua.

 memahami bahwa tanggapan rangkaian terdiri dari tanggapan
paksa dan tanggapan alami yang mungkin berosilasi.
 mampu melakukan analisis transien pada rangkaian orde

kedua.

Bentuk Umum
Persamaan Rangkaian
Orde Ke-dua

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
2

a

d y
dt

2

b

dy

 cy  x ( t )

dt

y = tanggapan rangkaian yang dapat
berupa tegangan ataupun arus

fungsi pemaksa atau
fungsi penggerak.

tetapan a dan b ditentukan oleh nilainilai elemen yang membentuk rangkaian
Persamaan diferensial orde ke-dua muncul karena
rangkaian mengandung kapasitor dan induktor

dengan tegangan sebagai
peubah status

dengan arus
sebagai peubah status

sedangkan peubah dalam persamaan rangkaian
harus salah satu di ataranya, tegangan atau arus

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Tanggapan Alami
Tanggapan alami adalah solusi persamaan rangkaian di
mana x(t) bernilai nol:
2

a

d y
dt

2

b

dy

 cy  0

dt

Dugaan solusi y berbentuk fungsi eksponensial ya = Kest dengan nilai
K dan s yang masih harus ditentukan.
Kalau solusi ini dimasukkan ke persamaan, akan diperoleh
aKs
Ke

st

2

e

st

as

2

 bKse

st



 cKe

st

0

atau

 bs  c  0

Bagian ini yang harus bernilai nol yang
memberikan persamaan karakteristik
as

2

 bs  c  0

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
2

as  bs  c  0

Persamaan karakteristik yang berbentuk persamaan kwadrat itu
mempunyai dua akar yaitu
s1 , s 2 

2

b

b  4 ac
2a

Dengan adanya dua akar tersebut maka kita mempunyai
dua solusi homogen, yaitu
y a1  K 1e

s1 t

dan

ya 2  K 2e

s2t

dan tanggapan alami yang kita cari akan berbentuk
y a  K 1e

s1 t

 K 2e

s2t

Seperti halnya pada rangkaian orde pertama, tetapan-tetapan ini
diperoleh melalui penerapan kondisi awal pada tanggapan lengkap

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Tanggapan Paksa
Tanggapan paksa adalah solusi persamaan rangkaian di
mana x(t) 0:
2

a

d y
dt

2

b

dy

 cy  x ( t )

dt

Bentuk tanggapan paksa ditentukan oleh bentuk x(t)
sebagaimana telah diulas pada rangkaian orde pertama, yaitu
Jika x ( t )  0 , maka

yp  0

Jika x ( t )  A  konstan,
t

maka

Jika

x ( t )  Ae

Jika

x ( t )  A sin  t , maka

Jika

x ( t )  A cos  t , maka

y p  konstan  K

 eksponensi al, maka

y p  eksponensi al  Ke

y p  K c cos  t  K s sin  t
y p  K c cos  t  K s sin  t

Perhatikan : y  K c cos  t  K s sin  t adalah bentuk umum
fungsi sinus maupun

cosinus .

t

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Tanggapan Lengkap
Tanggapan lengkap adalah jumlah tanggapan alami
dan tanggapan paksa
y  y p  y a  y p  K 1e

s1t

 K 2e

s2t

Tetapan ini diperoleh melalui penerapan kondisi awal
Jika rangkaian mengandung C dan L, dua elemen
ini akan cenderung mempertahankan statusnya.
Jadi ada dua kondisi awal yang harus dipenuhi
yaitu




vC (0 )  vC (0 )

dan




iL (0 )  iL (0 )

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Kondisi Awal
Secara umum, kondisi awal adalah:




y (0 )  y (0 )

dan

dy





(0 )  y ' (0 )

dt

Nilai sesaat sebelum dan sesudah
penutupan/pembukaan saklar harus sama, dan
laju perubahan nilainya harus kontinyu
y

y

0

t

Pada rangkaian orde
pertama dy/dt(0+) tidak
perlu kontinyu

0

t

Pada rangkaian orde kedua dy/dt(0+)
harus kontinyu sebab ada d2y/dt2
dalam persamaan rangkaian yang
hanya terdefinisi jika dy/dt(0+) kontinyu

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Tiga Kemungkinan Bentuk Tanggapan
Persamaan karakteristik
as

2

 bs  c  0

dapat mempunyai tiga kemungkinan nilai akar, yaitu:
a). Dua akar riil berbeda, s1  s2, jika {b2 4ac } > 0;
b). Dua akar sama, s1 = s2 = s , jika {b24ac } = 0;

c). Dua akar kompleks konjugat s1,s2 =   j jika {b24ac } < 0.
Tiga kemungkinan akar ini akan memberikan tiga
kemungkinan bentuk tanggapan

Persamaan karakteristik dengan
dua akar riil berbeda,
s1  s2, {b2 4ac } > 0

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
Contoh-1
1H

S 1 2
+


15 V

+
v



iC
0,25 F

i
8,5 k

Saklar S telah lama berada pada posisi 1.
Pada t = 0 saklar dipindahkan ke posisi 2.
Carilah perubahan tegangan kapasitor.



Pada t = 0- : i ( 0 )  0 dan v ( 0 )  12 V

Persamaan Rangkaian pada t > 0 :  v  L

di

 Ri  0

dt

Karena i = -iC = -C dv/dt, maka:  v  LC

2

d v
dt

2

d v



dt

2



2

R dv

 RC

dt

2

0

dt


L dt

 8 ,5  10

v

0

LC

2

d v

dv

3

dv
dt

6

 4  10 v  0

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami

Persamaan karakteristik:

s

2

3

 8 , 5  10 s  4  10

 akar - akar : s1 , s 2   4250  10

3

6

0

2

( 4 , 25 )  4   500 ,  8000

 500 t
 8000 t
 K 2e
Dugaan tanggapan lengkap: v  0  K 1 e

Tak ada fungsi pemaksa

Kondisi awal: v C ( 0  )  15 V dan i L ( 0  )  0
Karena persamaan rangkaian menggunakan v
sebagai peubah maka kondisi awal arus iL(0+)
harus diubah menjadi dalam tegangan v






i L ( 0 )  iC ( 0 )  C

dv C ( 0 )



dv C ( 0 )
dt

0

dt

0

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
Kondisi awal:





v ( 0 )  15 V

dv ( 0 )

0

dt

 500 t
 8000 t
 K 2e
Dugaan tanggapan lengkap: v  0  K 1 e

0   500 K 1  8000 K 2

15  K1  K 2

0   500 K 1  8000 (15  K 1 )

K1 

8000  15

 16

K 2  1

7500

Tanggapan lengkap menjadi: v  16 e  500 t  e  8000 t V
(hanya ada tanggapan alami).

Ini adalah pelepasan muatan kapasitor pada
rangkaian R-L-C seri

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami

Tanggapan

lengkap : v  16 e

 500 t

e

 8000 t

V

16

v
[V] 12

v
8
4
0
0

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

-4

Perhatikan bahwa pada t = 0+ tegangan kapasitor adalah 15 V

Pada waktu kapasitor mulai melepaskan muatannya,
ada perlawanan dari induktor yang menyebabkan
penurunan tegangan pada saat-saat awal agak landai

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
Contoh-2

1H

S
+


19 V

+
v

iC



0,25 F

Saklar S telah lama tertutup.
Pada t = 0 saklar dibuka.
Tentukan perubahan tegangan
kapasitor dan arus induktor.

i
8,5 k

Sebelum saklar dibuka arus hanya melalui induktor. Dioda tidak konduksi.


i L (0 ) 

19
8500

Persamaan Rangkaian pada t > 0 :

i   iC   C



vC (0 )  0 V

 2 mA

dv C
dt

did 2 v
dv
L
 Ri 
0
vvLC
RC
0
dtdt 2
dt
2



d v
dt

2



R dv
L dt

dt

2

 8 ,5  10

0

LC

2

d v

v



3

dv
dt

6

 4  10 v  0

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
Persamaan

karkterist ik : s  8 ,5  10 s  4  10  0
2

3

 akar - akar : s1 , s 2   4250  10

Dugaan ta

nggapan

lengkap

3

6

( 4 , 25 )  4   500 ,  8000
2

: v  0  K 1e

 500 t

 K 2e

 8000 t

Tak ada fungsi pemaksa
Kondisi awal:



i L ( 0 )  2 mA



vC (0 )  0 V

dan

Karena persamaan rangkaian menggunakan v sebagai
peubah maka kondisi awal iL(0+) harus diubah menjadi
dalam v






 i L ( 0 )  iC ( 0 )  C


dv C ( 0 )
dt

 

dv C ( 0 )
dt
2  10
C

3

 2  10

3

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami


dv ( 0 )



Kondisi awal: v ( 0 )  0



dt

Dugaan ta

nggapan

2  10

6

0 , 25  10

: v  0  K 1e

lengkap

3

0  K1  K 2

 500 t

  8  10

 K 2e

3

 8000 t

 8000   500 K 1  8000 K 2

 8000   500 K 1  8000 K 1
K1 

Tegangan kapasitor menjadi

 8000

K 2   K1  1

  1, 06

7500

: v  1, 06 e

 500 t

 1e

 8000 t

V

Ini adalah pengisian kapasitor oleh arus
induktor pada rangkaian R-L-C seri
Arus induktor

: i L   iC   C
  133  10

dv

  0 , 25  10

dt
 3  500 t

e

 2e

6

 530 e

 8000 t

mA

 500 t

 8000 e

 8000 t



Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
Tanggapan lengkap : v  1, 06 e

 500 t

 1e

 8000 t

V

1

v
[V]

0. 5

0
0

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

-0. 5

-1

Perhatikan bahwa pada awalnya tegangan kapasitor naik
karena menerima pelepasan energi dari induktor

Kenaikan tegangan kapasitor mencapai puncak kemudian
menurun karena ia melepaskan muatan yang pada awalnya
diterima.

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
v  16 e

 500 t

e

 8000 t

v  1, 06 e

V

16

 500 t

 1e

 8000 t

V

1

v [V]

Pelepasan energi induktor

v

12

[V]

v

8

0. 5
0
0

4

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

-0. 5

0
0

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

-1

-4

Untuk kedua peristiwa ini yang di-plot terhadap waktu adalah tegangan kapasitor
Seandainya tidak ada induktor, penurunan tegangan kapasitor akan terjadi
dengan konstanta waktu

  RC  8500  0 . 25  10

6

 2125  10

-6

atau 1/ = 470,6. Tetapi karena ada induktor, konstanta waktu menjadi lebih kecil
sehingga 1/ = 500. Inilah yang terlihat pada suku pertama v.
Suku ke-dua v adalah pengaruh induktor, yang jika tidak ada kapasitor nilai 1/
= R/L = 8500. Karena ada kapasitor nilai ini menjadi 8000 pada suku ke-dua v.

Persamaan Karakteristik Memiliki Dua Akar
Riil Sama Besar
s1 = s2, {b2 4ac } = 0

Dua Akar Riil Sama Besar
Dua akar yang sama besar dapat kita tuliskan sebagai
s1  s

dan

s 2  s   ; dengan   0

Tanggapan lengkap akan berbentuk
y  y p  K 1e

s1t

 K 2e

s2t

st

 y p  K 1e

Tanggapan paksa

Kondisi awal pertama

 K 2e

( s   )t

Tanggapan alami

Kondisi awal kedua







y ( 0 )  y p ( 0 )  K 1 s  K 2 ( s   )







y ( 0 )  y p ( 0 )  ( K 1  K 2 ) s  K 2   B 0

y (0 )  y p (0 )  K 1  K 2
y ( 0 )  y p ( 0 )  K 1  K 2  A0

A0 s  K 2   B 0



K2 

B 0  A0 s


dan

K 1  A0 

B 0  A0 s


Dua Akar Riil Sama Besar
Tanggapan lengkap menjadi

 1 e  t   st
 e
y  y p   A0  ( B 0  A0 s )   
 
  


t
 1
 e t  1 
e 

t
lim  
 lim 







 0
 0





y  y p   A0  ( B 0  A0 s ) t  e

y  y p  K a  K b t  e

ditentukan oleh kondisi awal

st

st

ditentukan oleh kondisi awal dan s
s sendiri ditentukan oleh nilai elemenelemen yang membentuk rangkaian dan
tidak ada kaitannya dengan kondisi awal

Dua Akar Riil Sama Besar, Tanggapan Alami
Contoh-3.
1H

S 1 2
+


15 V

+
v



iC
0,25 F

i
4 k

Sakalar telah lama di posisi 1. Pada t
= 0 di pindah ke posisi 2. Tentukan
perubahan tegangan kapasitor.

(Diganti dengan 4 k dari contoh sebelumnya)


Sebelum saklar dipindahkan: v ( 0 )  15 V ; i ( 0 )  0

di

Persamaan rangkaian untuk t > 0:  v  L

 iR  0

dt
2

Karena i =  iC = C dv/dt

LC

d v
dt

2

 RC

dt

Persamaan karakteristik:

2

3

2

 4  10

s  4  10 s  4  10

v0

dt

2

d v

dv

3

dv
dt

6

0

 4  10 v  0
6

Dua Akar Riil Sama Besar, Tanggapan Alami
Persamaan

2

karakteris tik : s  4000 s  4  10
akar - akar : s1 , s 2   2000 

Karena persamaan
maka tanggapan

karakteris tik memiliki

6

0

4  10

6

 4  10

6

  2000  s

akar sama besar

lengkap akan berbentuk :
v  v p  K a  K b t  e

st

 0  K a  K b t  e

st

Tak ada fungsi pemaksa

Kondisi
Kondisi

awal pertama
awal kedua



dv
dt



dv
dt





v ( 0 )  v ( 0 )  v ( 0 )  15  K a .


(0 )  0 

dv
dt

 K be



(0 )  0  K b  K a s 

 Jadi : v  15  30000 t  e

st

 K a  K bt  s e

st

K b   K a s  30000
 2000 t

V

Dua Akar Riil Sama Besar, Tanggapan Alami

v  15  30000 t  e

 2000 t

V

15
10

v  30000 t e

 2000 t

5
0
0
-5
-10
-15

0.001

v  15 e

0.002

 2000 t

0.003

0.004

0.005

0.006

Dua akar kompleks konjugat
{b2 4ac } < 0
s1    j 

dan

s 2    j

Dua Akar Kompleks Konjugat
Akar-Akar Kompleks Konjugat
s1    j 

dan

s 2    j

Tanggapan lengkap akan berbentuk
y  y p  K 1e

(   j ) t

 K 2e

(   j ) t



 y p  K 1e

 j t

K 1 (cos  t  j sin  t )

 K 2e

 j t

e

t

K 2 (cos  t  j sin  t )

( K 1  K 2 ) cos  t  j ( K 1  K 2 ) sin  t

K a cos  t  K b sin  t

y  y p   K a cos  t  K b sin  t  e

t



Kondisi awal pertama: y ( 0 )  y p ( 0 )  K a

Kondisi awal kedua:





K a  y (0 )  y p (0 )



t
y ( 0 )  y p ( 0 )  {(  K b  K a  ) sin  t  ( K b    K a ) cos  t }e

 y p ( 0 )   K a   K b


 K a   K b  y  ( 0 )  y p ( 0 )

Dua Akar Kompleks Konjugat, Tanggapan Alami
Contoh-4.
1H

S 1 2
+


15 V

+
v


iC

0,25 F

i
1 k

Saklar S sudah lama pada posisi 1.
Pada t = 0 dipindah ke poisisi 2.
Carilah perubahan tegangan kapasitor.

(Diganti dengan 1 k dari contoh sebelumnya)

Pada t = 0+ : v ( 0  )  15 V ; i ( 0  )  0

vL

di

 iR  0

dt

Persamaan rangkaian untuk t > 0:
2

Karena i = iC = C dv/dt

d v

LC

dt

2

dt

Persamaan karakteristik:

2

2

3

 1  10

v0

dt

2

d v

dv

 RC

3

s  1  10 s  4  10

dv

 4  10 v  0

dt
6

0

6

Dua Akar Kompleks Konjugat, Tanggapan Alami
Persamaan

karakteris tik : s

2

 1000

dv

6

0

2

 4  10

 4  10

dt
akar - akar : s1 , s 2   500 

500

6

  500  j 500

15

dua akar kompleks konjugat
  j  dengan    500 ;   500

15

Tanggapan lengkap akan berbentuk:
v  0   K a cos  t  K b sin  t  e
Kondisi

awal pertama

Kondisi

awal kedua 



 v ( 0 )  15  K a
dv
dt



(0 )  0   K a   K b
 Kb 

Tanggapan

t



 K a




lengkap : v  15 cos( 500 15 t ) 

500  15
500



15

15



15 sin( 500 15 t ) e

 500 t

V

Dua Akar Kompleks Konjugat, Tanggapan Alami



v  15 cos( 500 15 t ) 



15 sin( 500 15 t ) e

 500 t

V

15

15 cos( 500 15 t

v 10
[V]
5

15 sin( 500 15 t )

t

0
0
-5
-10
-15

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

0.006

Dua Akar Kompleks Konjugat, Tanggapan Alami
Perbandingan tanggapan rangkaian:
Dua akar riil berbeda: sangat teredam, v  16 e  500 t  e  8000 t V
Dua akar riil sama besar : teredam kritis, v  15  30000 t  e  2000 t V

Dua akar kompleks konjugat : kurang teredam,



v  15 cos( 500 15 t ) 



15 sin( 500 15 t ) e

15
10
5
0
0
-5
-10
-15

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

0.006

 500 t

V

Tanggapan Rangkaian Terhadap Sinyal Sinus
Contoh Tanggapan Rangkaian Dengan Masukan Sinyal Sinus

vs =
26cos3t u(t) V

+


i
vs

5

1H
1

F

6

+
v



Rangkaian mendapat masukan
sinyal sinus yang muncul pada t = 0.
Tentukan perubahan tegangan dan
arus kapasitor, apabila kondisi awal
adalahi(0) = 2 A dan v(0) = 6 V

Pada t = 0+ : i(0+) = 2 A dan v(0+) = 6 V

Persamaan rangkaian untuk t > 0 :

 v s  Ri  L
dv

RC



di
dt

2

 LC

d i
2

dt

dt

5 dv

1 d v



2

d v
2

 v  vs

2

6 dt

dt

v0

5

6 dt

dv
dt

2

 v  26 cos 3 t

 6 v  156 cos 3 t

Tanggapan Rangkaian Terhadap Sinyal Sinus
Persamaan

2

karakteris tik : s  5 s  6  0  ( s  2 )( s  3 );
akar - akar : s1 , s 2   2 ,  3

Dugaan ta nggapan

paksa : v p  A c cos 3 t  A s sin 3 t
2

Persamaan rangkaian

d v
dt

2

5

dv

 6 v  156 cos 3 t

dt

   9 A c  15 A s  6 A c  cos 3 t    9 A s  15 A c  6 A s  sin 3 t  156 cos 3 t
  3 A c  15 A s  156
 Ac 

Tanggapan

156  0
 3  75

dan  15 A c  3 A s  0
  2 ; As 

5  156  0
75  3

 10

paksa : v p   2 cos 3 t  10 sin 3 t

Dugaan tan ggapan lengkap

: v   2 cos 3t  10 sin 3t  K 1 e

2t

 K 2e

 3t

masih harus ditentukan melalui
penerapan kondisi awal

Tanggapan Rangkaian Terhadap Sinyal Sinus


1 dv



awal : v ( 0 )  6 dan i ( 0 )  2 

Kondisi



(0 ) 

dv

6 dt
Aplikasi

kondisi

awal pertama

Aplikasi

kondisi

awal kedua :
 K1  6

Tanggapan

 i

1 dv

dt

: 6  2  K1  K 2  K 2  8  K1
12  30  2 K 1  3 K 2
 K2  2

: v   2 cos 3 t  10 sin 3 t  6 e

lengkap



( 0 )  12

 sin 3 t  5 cos 3 t  2 e

2t

e

 3t

2t

 2e

 3t

V

A

6 dt
30

v [V] 20
i [A]
10

Amplitudo tegangan
menurun

vs

Amplitudo arus
meningkat

v

0
-10 0
-20
-30

t [s]
i

2

4

6

8

10

Courseware
Analisis Transien Rangkaian Orde Ke-Dua

Sudaryatno Sudirham


Slide 9

Open Course

Selamat Belajar

oleh: Sudaryatno Sudirham

Tujuan
 mampu menurunkan persamaan rangkaian yang merupakan
rangkaian orde kedua.

 memahami bahwa tanggapan rangkaian terdiri dari tanggapan
paksa dan tanggapan alami yang mungkin berosilasi.
 mampu melakukan analisis transien pada rangkaian orde

kedua.

Bentuk Umum
Persamaan Rangkaian
Orde Ke-dua

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
2

a

d y
dt

2

b

dy

 cy  x ( t )

dt

y = tanggapan rangkaian yang dapat
berupa tegangan ataupun arus

fungsi pemaksa atau
fungsi penggerak.

tetapan a dan b ditentukan oleh nilainilai elemen yang membentuk rangkaian
Persamaan diferensial orde ke-dua muncul karena
rangkaian mengandung kapasitor dan induktor

dengan tegangan sebagai
peubah status

dengan arus
sebagai peubah status

sedangkan peubah dalam persamaan rangkaian
harus salah satu di ataranya, tegangan atau arus

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Tanggapan Alami
Tanggapan alami adalah solusi persamaan rangkaian di
mana x(t) bernilai nol:
2

a

d y
dt

2

b

dy

 cy  0

dt

Dugaan solusi y berbentuk fungsi eksponensial ya = Kest dengan nilai
K dan s yang masih harus ditentukan.
Kalau solusi ini dimasukkan ke persamaan, akan diperoleh
aKs
Ke

st

2

e

st

as

2

 bKse

st



 cKe

st

0

atau

 bs  c  0

Bagian ini yang harus bernilai nol yang
memberikan persamaan karakteristik
as

2

 bs  c  0

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
2

as  bs  c  0

Persamaan karakteristik yang berbentuk persamaan kwadrat itu
mempunyai dua akar yaitu
s1 , s 2 

2

b

b  4 ac
2a

Dengan adanya dua akar tersebut maka kita mempunyai
dua solusi homogen, yaitu
y a1  K 1e

s1 t

dan

ya 2  K 2e

s2t

dan tanggapan alami yang kita cari akan berbentuk
y a  K 1e

s1 t

 K 2e

s2t

Seperti halnya pada rangkaian orde pertama, tetapan-tetapan ini
diperoleh melalui penerapan kondisi awal pada tanggapan lengkap

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Tanggapan Paksa
Tanggapan paksa adalah solusi persamaan rangkaian di
mana x(t) 0:
2

a

d y
dt

2

b

dy

 cy  x ( t )

dt

Bentuk tanggapan paksa ditentukan oleh bentuk x(t)
sebagaimana telah diulas pada rangkaian orde pertama, yaitu
Jika x ( t )  0 , maka

yp  0

Jika x ( t )  A  konstan,
t

maka

Jika

x ( t )  Ae

Jika

x ( t )  A sin  t , maka

Jika

x ( t )  A cos  t , maka

y p  konstan  K

 eksponensi al, maka

y p  eksponensi al  Ke

y p  K c cos  t  K s sin  t
y p  K c cos  t  K s sin  t

Perhatikan : y  K c cos  t  K s sin  t adalah bentuk umum
fungsi sinus maupun

cosinus .

t

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Tanggapan Lengkap
Tanggapan lengkap adalah jumlah tanggapan alami
dan tanggapan paksa
y  y p  y a  y p  K 1e

s1t

 K 2e

s2t

Tetapan ini diperoleh melalui penerapan kondisi awal
Jika rangkaian mengandung C dan L, dua elemen
ini akan cenderung mempertahankan statusnya.
Jadi ada dua kondisi awal yang harus dipenuhi
yaitu




vC (0 )  vC (0 )

dan




iL (0 )  iL (0 )

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Kondisi Awal
Secara umum, kondisi awal adalah:




y (0 )  y (0 )

dan

dy





(0 )  y ' (0 )

dt

Nilai sesaat sebelum dan sesudah
penutupan/pembukaan saklar harus sama, dan
laju perubahan nilainya harus kontinyu
y

y

0

t

Pada rangkaian orde
pertama dy/dt(0+) tidak
perlu kontinyu

0

t

Pada rangkaian orde kedua dy/dt(0+)
harus kontinyu sebab ada d2y/dt2
dalam persamaan rangkaian yang
hanya terdefinisi jika dy/dt(0+) kontinyu

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Tiga Kemungkinan Bentuk Tanggapan
Persamaan karakteristik
as

2

 bs  c  0

dapat mempunyai tiga kemungkinan nilai akar, yaitu:
a). Dua akar riil berbeda, s1  s2, jika {b2 4ac } > 0;
b). Dua akar sama, s1 = s2 = s , jika {b24ac } = 0;

c). Dua akar kompleks konjugat s1,s2 =   j jika {b24ac } < 0.
Tiga kemungkinan akar ini akan memberikan tiga
kemungkinan bentuk tanggapan

Persamaan karakteristik dengan
dua akar riil berbeda,
s1  s2, {b2 4ac } > 0

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
Contoh-1
1H

S 1 2
+


15 V

+
v



iC
0,25 F

i
8,5 k

Saklar S telah lama berada pada posisi 1.
Pada t = 0 saklar dipindahkan ke posisi 2.
Carilah perubahan tegangan kapasitor.



Pada t = 0- : i ( 0 )  0 dan v ( 0 )  12 V

Persamaan Rangkaian pada t > 0 :  v  L

di

 Ri  0

dt

Karena i = -iC = -C dv/dt, maka:  v  LC

2

d v
dt

2

d v



dt

2



2

R dv

 RC

dt

2

0

dt


L dt

 8 ,5  10

v

0

LC

2

d v

dv

3

dv
dt

6

 4  10 v  0

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami

Persamaan karakteristik:

s

2

3

 8 , 5  10 s  4  10

 akar - akar : s1 , s 2   4250  10

3

6

0

2

( 4 , 25 )  4   500 ,  8000

 500 t
 8000 t
 K 2e
Dugaan tanggapan lengkap: v  0  K 1 e

Tak ada fungsi pemaksa

Kondisi awal: v C ( 0  )  15 V dan i L ( 0  )  0
Karena persamaan rangkaian menggunakan v
sebagai peubah maka kondisi awal arus iL(0+)
harus diubah menjadi dalam tegangan v






i L ( 0 )  iC ( 0 )  C

dv C ( 0 )



dv C ( 0 )
dt

0

dt

0

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
Kondisi awal:





v ( 0 )  15 V

dv ( 0 )

0

dt

 500 t
 8000 t
 K 2e
Dugaan tanggapan lengkap: v  0  K 1 e

0   500 K 1  8000 K 2

15  K1  K 2

0   500 K 1  8000 (15  K 1 )

K1 

8000  15

 16

K 2  1

7500

Tanggapan lengkap menjadi: v  16 e  500 t  e  8000 t V
(hanya ada tanggapan alami).

Ini adalah pelepasan muatan kapasitor pada
rangkaian R-L-C seri

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami

Tanggapan

lengkap : v  16 e

 500 t

e

 8000 t

V

16

v
[V] 12

v
8
4
0
0

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

-4

Perhatikan bahwa pada t = 0+ tegangan kapasitor adalah 15 V

Pada waktu kapasitor mulai melepaskan muatannya,
ada perlawanan dari induktor yang menyebabkan
penurunan tegangan pada saat-saat awal agak landai

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
Contoh-2

1H

S
+


19 V

+
v

iC



0,25 F

Saklar S telah lama tertutup.
Pada t = 0 saklar dibuka.
Tentukan perubahan tegangan
kapasitor dan arus induktor.

i
8,5 k

Sebelum saklar dibuka arus hanya melalui induktor. Dioda tidak konduksi.


i L (0 ) 

19
8500

Persamaan Rangkaian pada t > 0 :

i   iC   C



vC (0 )  0 V

 2 mA

dv C
dt

did 2 v
dv
L
 Ri 
0
vvLC
RC
0
dtdt 2
dt
2



d v
dt

2



R dv
L dt

dt

2

 8 ,5  10

0

LC

2

d v

v



3

dv
dt

6

 4  10 v  0

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
Persamaan

karkterist ik : s  8 ,5  10 s  4  10  0
2

3

 akar - akar : s1 , s 2   4250  10

Dugaan ta

nggapan

lengkap

3

6

( 4 , 25 )  4   500 ,  8000
2

: v  0  K 1e

 500 t

 K 2e

 8000 t

Tak ada fungsi pemaksa
Kondisi awal:



i L ( 0 )  2 mA



vC (0 )  0 V

dan

Karena persamaan rangkaian menggunakan v sebagai
peubah maka kondisi awal iL(0+) harus diubah menjadi
dalam v






 i L ( 0 )  iC ( 0 )  C


dv C ( 0 )
dt

 

dv C ( 0 )
dt
2  10
C

3

 2  10

3

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami


dv ( 0 )



Kondisi awal: v ( 0 )  0



dt

Dugaan ta

nggapan

2  10

6

0 , 25  10

: v  0  K 1e

lengkap

3

0  K1  K 2

 500 t

  8  10

 K 2e

3

 8000 t

 8000   500 K 1  8000 K 2

 8000   500 K 1  8000 K 1
K1 

Tegangan kapasitor menjadi

 8000

K 2   K1  1

  1, 06

7500

: v  1, 06 e

 500 t

 1e

 8000 t

V

Ini adalah pengisian kapasitor oleh arus
induktor pada rangkaian R-L-C seri
Arus induktor

: i L   iC   C
  133  10

dv

  0 , 25  10

dt
 3  500 t

e

 2e

6

 530 e

 8000 t

mA

 500 t

 8000 e

 8000 t



Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
Tanggapan lengkap : v  1, 06 e

 500 t

 1e

 8000 t

V

1

v
[V]

0. 5

0
0

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

-0. 5

-1

Perhatikan bahwa pada awalnya tegangan kapasitor naik
karena menerima pelepasan energi dari induktor

Kenaikan tegangan kapasitor mencapai puncak kemudian
menurun karena ia melepaskan muatan yang pada awalnya
diterima.

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
v  16 e

 500 t

e

 8000 t

v  1, 06 e

V

16

 500 t

 1e

 8000 t

V

1

v [V]

Pelepasan energi induktor

v

12

[V]

v

8

0. 5
0
0

4

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

-0. 5

0
0

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

-1

-4

Untuk kedua peristiwa ini yang di-plot terhadap waktu adalah tegangan kapasitor
Seandainya tidak ada induktor, penurunan tegangan kapasitor akan terjadi
dengan konstanta waktu

  RC  8500  0 . 25  10

6

 2125  10

-6

atau 1/ = 470,6. Tetapi karena ada induktor, konstanta waktu menjadi lebih kecil
sehingga 1/ = 500. Inilah yang terlihat pada suku pertama v.
Suku ke-dua v adalah pengaruh induktor, yang jika tidak ada kapasitor nilai 1/
= R/L = 8500. Karena ada kapasitor nilai ini menjadi 8000 pada suku ke-dua v.

Persamaan Karakteristik Memiliki Dua Akar
Riil Sama Besar
s1 = s2, {b2 4ac } = 0

Dua Akar Riil Sama Besar
Dua akar yang sama besar dapat kita tuliskan sebagai
s1  s

dan

s 2  s   ; dengan   0

Tanggapan lengkap akan berbentuk
y  y p  K 1e

s1t

 K 2e

s2t

st

 y p  K 1e

Tanggapan paksa

Kondisi awal pertama

 K 2e

( s   )t

Tanggapan alami

Kondisi awal kedua







y ( 0 )  y p ( 0 )  K 1 s  K 2 ( s   )







y ( 0 )  y p ( 0 )  ( K 1  K 2 ) s  K 2   B 0

y (0 )  y p (0 )  K 1  K 2
y ( 0 )  y p ( 0 )  K 1  K 2  A0

A0 s  K 2   B 0



K2 

B 0  A0 s


dan

K 1  A0 

B 0  A0 s


Dua Akar Riil Sama Besar
Tanggapan lengkap menjadi

 1 e  t   st
 e
y  y p   A0  ( B 0  A0 s )   
 
  


t
 1
 e t  1 
e 

t
lim  
 lim 







 0
 0





y  y p   A0  ( B 0  A0 s ) t  e

y  y p  K a  K b t  e

ditentukan oleh kondisi awal

st

st

ditentukan oleh kondisi awal dan s
s sendiri ditentukan oleh nilai elemenelemen yang membentuk rangkaian dan
tidak ada kaitannya dengan kondisi awal

Dua Akar Riil Sama Besar, Tanggapan Alami
Contoh-3.
1H

S 1 2
+


15 V

+
v



iC
0,25 F

i
4 k

Sakalar telah lama di posisi 1. Pada t
= 0 di pindah ke posisi 2. Tentukan
perubahan tegangan kapasitor.

(Diganti dengan 4 k dari contoh sebelumnya)


Sebelum saklar dipindahkan: v ( 0 )  15 V ; i ( 0 )  0

di

Persamaan rangkaian untuk t > 0:  v  L

 iR  0

dt
2

Karena i =  iC = C dv/dt

LC

d v
dt

2

 RC

dt

Persamaan karakteristik:

2

3

2

 4  10

s  4  10 s  4  10

v0

dt

2

d v

dv

3

dv
dt

6

0

 4  10 v  0
6

Dua Akar Riil Sama Besar, Tanggapan Alami
Persamaan

2

karakteris tik : s  4000 s  4  10
akar - akar : s1 , s 2   2000 

Karena persamaan
maka tanggapan

karakteris tik memiliki

6

0

4  10

6

 4  10

6

  2000  s

akar sama besar

lengkap akan berbentuk :
v  v p  K a  K b t  e

st

 0  K a  K b t  e

st

Tak ada fungsi pemaksa

Kondisi
Kondisi

awal pertama
awal kedua



dv
dt



dv
dt





v ( 0 )  v ( 0 )  v ( 0 )  15  K a .


(0 )  0 

dv
dt

 K be



(0 )  0  K b  K a s 

 Jadi : v  15  30000 t  e

st

 K a  K bt  s e

st

K b   K a s  30000
 2000 t

V

Dua Akar Riil Sama Besar, Tanggapan Alami

v  15  30000 t  e

 2000 t

V

15
10

v  30000 t e

 2000 t

5
0
0
-5
-10
-15

0.001

v  15 e

0.002

 2000 t

0.003

0.004

0.005

0.006

Dua akar kompleks konjugat
{b2 4ac } < 0
s1    j 

dan

s 2    j

Dua Akar Kompleks Konjugat
Akar-Akar Kompleks Konjugat
s1    j 

dan

s 2    j

Tanggapan lengkap akan berbentuk
y  y p  K 1e

(   j ) t

 K 2e

(   j ) t



 y p  K 1e

 j t

K 1 (cos  t  j sin  t )

 K 2e

 j t

e

t

K 2 (cos  t  j sin  t )

( K 1  K 2 ) cos  t  j ( K 1  K 2 ) sin  t

K a cos  t  K b sin  t

y  y p   K a cos  t  K b sin  t  e

t



Kondisi awal pertama: y ( 0 )  y p ( 0 )  K a

Kondisi awal kedua:





K a  y (0 )  y p (0 )



t
y ( 0 )  y p ( 0 )  {(  K b  K a  ) sin  t  ( K b    K a ) cos  t }e

 y p ( 0 )   K a   K b


 K a   K b  y  ( 0 )  y p ( 0 )

Dua Akar Kompleks Konjugat, Tanggapan Alami
Contoh-4.
1H

S 1 2
+


15 V

+
v


iC

0,25 F

i
1 k

Saklar S sudah lama pada posisi 1.
Pada t = 0 dipindah ke poisisi 2.
Carilah perubahan tegangan kapasitor.

(Diganti dengan 1 k dari contoh sebelumnya)

Pada t = 0+ : v ( 0  )  15 V ; i ( 0  )  0

vL

di

 iR  0

dt

Persamaan rangkaian untuk t > 0:
2

Karena i = iC = C dv/dt

d v

LC

dt

2

dt

Persamaan karakteristik:

2

2

3

 1  10

v0

dt

2

d v

dv

 RC

3

s  1  10 s  4  10

dv

 4  10 v  0

dt
6

0

6

Dua Akar Kompleks Konjugat, Tanggapan Alami
Persamaan

karakteris tik : s

2

 1000

dv

6

0

2

 4  10

 4  10

dt
akar - akar : s1 , s 2   500 

500

6

  500  j 500

15

dua akar kompleks konjugat
  j  dengan    500 ;   500

15

Tanggapan lengkap akan berbentuk:
v  0   K a cos  t  K b sin  t  e
Kondisi

awal pertama

Kondisi

awal kedua 



 v ( 0 )  15  K a
dv
dt



(0 )  0   K a   K b
 Kb 

Tanggapan

t



 K a




lengkap : v  15 cos( 500 15 t ) 

500  15
500



15

15



15 sin( 500 15 t ) e

 500 t

V

Dua Akar Kompleks Konjugat, Tanggapan Alami



v  15 cos( 500 15 t ) 



15 sin( 500 15 t ) e

 500 t

V

15

15 cos( 500 15 t

v 10
[V]
5

15 sin( 500 15 t )

t

0
0
-5
-10
-15

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

0.006

Dua Akar Kompleks Konjugat, Tanggapan Alami
Perbandingan tanggapan rangkaian:
Dua akar riil berbeda: sangat teredam, v  16 e  500 t  e  8000 t V
Dua akar riil sama besar : teredam kritis, v  15  30000 t  e  2000 t V

Dua akar kompleks konjugat : kurang teredam,



v  15 cos( 500 15 t ) 



15 sin( 500 15 t ) e

15
10
5
0
0
-5
-10
-15

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

0.006

 500 t

V

Tanggapan Rangkaian Terhadap Sinyal Sinus
Contoh Tanggapan Rangkaian Dengan Masukan Sinyal Sinus

vs =
26cos3t u(t) V

+


i
vs

5

1H
1

F

6

+
v



Rangkaian mendapat masukan
sinyal sinus yang muncul pada t = 0.
Tentukan perubahan tegangan dan
arus kapasitor, apabila kondisi awal
adalahi(0) = 2 A dan v(0) = 6 V

Pada t = 0+ : i(0+) = 2 A dan v(0+) = 6 V

Persamaan rangkaian untuk t > 0 :

 v s  Ri  L
dv

RC



di
dt

2

 LC

d i
2

dt

dt

5 dv

1 d v



2

d v
2

 v  vs

2

6 dt

dt

v0

5

6 dt

dv
dt

2

 v  26 cos 3 t

 6 v  156 cos 3 t

Tanggapan Rangkaian Terhadap Sinyal Sinus
Persamaan

2

karakteris tik : s  5 s  6  0  ( s  2 )( s  3 );
akar - akar : s1 , s 2   2 ,  3

Dugaan ta nggapan

paksa : v p  A c cos 3 t  A s sin 3 t
2

Persamaan rangkaian

d v
dt

2

5

dv

 6 v  156 cos 3 t

dt

   9 A c  15 A s  6 A c  cos 3 t    9 A s  15 A c  6 A s  sin 3 t  156 cos 3 t
  3 A c  15 A s  156
 Ac 

Tanggapan

156  0
 3  75

dan  15 A c  3 A s  0
  2 ; As 

5  156  0
75  3

 10

paksa : v p   2 cos 3 t  10 sin 3 t

Dugaan tan ggapan lengkap

: v   2 cos 3t  10 sin 3t  K 1 e

2t

 K 2e

 3t

masih harus ditentukan melalui
penerapan kondisi awal

Tanggapan Rangkaian Terhadap Sinyal Sinus


1 dv



awal : v ( 0 )  6 dan i ( 0 )  2 

Kondisi



(0 ) 

dv

6 dt
Aplikasi

kondisi

awal pertama

Aplikasi

kondisi

awal kedua :
 K1  6

Tanggapan

 i

1 dv

dt

: 6  2  K1  K 2  K 2  8  K1
12  30  2 K 1  3 K 2
 K2  2

: v   2 cos 3 t  10 sin 3 t  6 e

lengkap



( 0 )  12

 sin 3 t  5 cos 3 t  2 e

2t

e

 3t

2t

 2e

 3t

V

A

6 dt
30

v [V] 20
i [A]
10

Amplitudo tegangan
menurun

vs

Amplitudo arus
meningkat

v

0
-10 0
-20
-30

t [s]
i

2

4

6

8

10

Courseware
Analisis Transien Rangkaian Orde Ke-Dua

Sudaryatno Sudirham


Slide 10

Open Course

Selamat Belajar

oleh: Sudaryatno Sudirham

Tujuan
 mampu menurunkan persamaan rangkaian yang merupakan
rangkaian orde kedua.

 memahami bahwa tanggapan rangkaian terdiri dari tanggapan
paksa dan tanggapan alami yang mungkin berosilasi.
 mampu melakukan analisis transien pada rangkaian orde

kedua.

Bentuk Umum
Persamaan Rangkaian
Orde Ke-dua

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
2

a

d y
dt

2

b

dy

 cy  x ( t )

dt

y = tanggapan rangkaian yang dapat
berupa tegangan ataupun arus

fungsi pemaksa atau
fungsi penggerak.

tetapan a dan b ditentukan oleh nilainilai elemen yang membentuk rangkaian
Persamaan diferensial orde ke-dua muncul karena
rangkaian mengandung kapasitor dan induktor

dengan tegangan sebagai
peubah status

dengan arus
sebagai peubah status

sedangkan peubah dalam persamaan rangkaian
harus salah satu di ataranya, tegangan atau arus

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Tanggapan Alami
Tanggapan alami adalah solusi persamaan rangkaian di
mana x(t) bernilai nol:
2

a

d y
dt

2

b

dy

 cy  0

dt

Dugaan solusi y berbentuk fungsi eksponensial ya = Kest dengan nilai
K dan s yang masih harus ditentukan.
Kalau solusi ini dimasukkan ke persamaan, akan diperoleh
aKs
Ke

st

2

e

st

as

2

 bKse

st



 cKe

st

0

atau

 bs  c  0

Bagian ini yang harus bernilai nol yang
memberikan persamaan karakteristik
as

2

 bs  c  0

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
2

as  bs  c  0

Persamaan karakteristik yang berbentuk persamaan kwadrat itu
mempunyai dua akar yaitu
s1 , s 2 

2

b

b  4 ac
2a

Dengan adanya dua akar tersebut maka kita mempunyai
dua solusi homogen, yaitu
y a1  K 1e

s1 t

dan

ya 2  K 2e

s2t

dan tanggapan alami yang kita cari akan berbentuk
y a  K 1e

s1 t

 K 2e

s2t

Seperti halnya pada rangkaian orde pertama, tetapan-tetapan ini
diperoleh melalui penerapan kondisi awal pada tanggapan lengkap

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Tanggapan Paksa
Tanggapan paksa adalah solusi persamaan rangkaian di
mana x(t) 0:
2

a

d y
dt

2

b

dy

 cy  x ( t )

dt

Bentuk tanggapan paksa ditentukan oleh bentuk x(t)
sebagaimana telah diulas pada rangkaian orde pertama, yaitu
Jika x ( t )  0 , maka

yp  0

Jika x ( t )  A  konstan,
t

maka

Jika

x ( t )  Ae

Jika

x ( t )  A sin  t , maka

Jika

x ( t )  A cos  t , maka

y p  konstan  K

 eksponensi al, maka

y p  eksponensi al  Ke

y p  K c cos  t  K s sin  t
y p  K c cos  t  K s sin  t

Perhatikan : y  K c cos  t  K s sin  t adalah bentuk umum
fungsi sinus maupun

cosinus .

t

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Tanggapan Lengkap
Tanggapan lengkap adalah jumlah tanggapan alami
dan tanggapan paksa
y  y p  y a  y p  K 1e

s1t

 K 2e

s2t

Tetapan ini diperoleh melalui penerapan kondisi awal
Jika rangkaian mengandung C dan L, dua elemen
ini akan cenderung mempertahankan statusnya.
Jadi ada dua kondisi awal yang harus dipenuhi
yaitu




vC (0 )  vC (0 )

dan




iL (0 )  iL (0 )

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Kondisi Awal
Secara umum, kondisi awal adalah:




y (0 )  y (0 )

dan

dy





(0 )  y ' (0 )

dt

Nilai sesaat sebelum dan sesudah
penutupan/pembukaan saklar harus sama, dan
laju perubahan nilainya harus kontinyu
y

y

0

t

Pada rangkaian orde
pertama dy/dt(0+) tidak
perlu kontinyu

0

t

Pada rangkaian orde kedua dy/dt(0+)
harus kontinyu sebab ada d2y/dt2
dalam persamaan rangkaian yang
hanya terdefinisi jika dy/dt(0+) kontinyu

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Tiga Kemungkinan Bentuk Tanggapan
Persamaan karakteristik
as

2

 bs  c  0

dapat mempunyai tiga kemungkinan nilai akar, yaitu:
a). Dua akar riil berbeda, s1  s2, jika {b2 4ac } > 0;
b). Dua akar sama, s1 = s2 = s , jika {b24ac } = 0;

c). Dua akar kompleks konjugat s1,s2 =   j jika {b24ac } < 0.
Tiga kemungkinan akar ini akan memberikan tiga
kemungkinan bentuk tanggapan

Persamaan karakteristik dengan
dua akar riil berbeda,
s1  s2, {b2 4ac } > 0

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
Contoh-1
1H

S 1 2
+


15 V

+
v



iC
0,25 F

i
8,5 k

Saklar S telah lama berada pada posisi 1.
Pada t = 0 saklar dipindahkan ke posisi 2.
Carilah perubahan tegangan kapasitor.



Pada t = 0- : i ( 0 )  0 dan v ( 0 )  12 V

Persamaan Rangkaian pada t > 0 :  v  L

di

 Ri  0

dt

Karena i = -iC = -C dv/dt, maka:  v  LC

2

d v
dt

2

d v



dt

2



2

R dv

 RC

dt

2

0

dt


L dt

 8 ,5  10

v

0

LC

2

d v

dv

3

dv
dt

6

 4  10 v  0

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami

Persamaan karakteristik:

s

2

3

 8 , 5  10 s  4  10

 akar - akar : s1 , s 2   4250  10

3

6

0

2

( 4 , 25 )  4   500 ,  8000

 500 t
 8000 t
 K 2e
Dugaan tanggapan lengkap: v  0  K 1 e

Tak ada fungsi pemaksa

Kondisi awal: v C ( 0  )  15 V dan i L ( 0  )  0
Karena persamaan rangkaian menggunakan v
sebagai peubah maka kondisi awal arus iL(0+)
harus diubah menjadi dalam tegangan v






i L ( 0 )  iC ( 0 )  C

dv C ( 0 )



dv C ( 0 )
dt

0

dt

0

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
Kondisi awal:





v ( 0 )  15 V

dv ( 0 )

0

dt

 500 t
 8000 t
 K 2e
Dugaan tanggapan lengkap: v  0  K 1 e

0   500 K 1  8000 K 2

15  K1  K 2

0   500 K 1  8000 (15  K 1 )

K1 

8000  15

 16

K 2  1

7500

Tanggapan lengkap menjadi: v  16 e  500 t  e  8000 t V
(hanya ada tanggapan alami).

Ini adalah pelepasan muatan kapasitor pada
rangkaian R-L-C seri

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami

Tanggapan

lengkap : v  16 e

 500 t

e

 8000 t

V

16

v
[V] 12

v
8
4
0
0

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

-4

Perhatikan bahwa pada t = 0+ tegangan kapasitor adalah 15 V

Pada waktu kapasitor mulai melepaskan muatannya,
ada perlawanan dari induktor yang menyebabkan
penurunan tegangan pada saat-saat awal agak landai

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
Contoh-2

1H

S
+


19 V

+
v

iC



0,25 F

Saklar S telah lama tertutup.
Pada t = 0 saklar dibuka.
Tentukan perubahan tegangan
kapasitor dan arus induktor.

i
8,5 k

Sebelum saklar dibuka arus hanya melalui induktor. Dioda tidak konduksi.


i L (0 ) 

19
8500

Persamaan Rangkaian pada t > 0 :

i   iC   C



vC (0 )  0 V

 2 mA

dv C
dt

did 2 v
dv
L
 Ri 
0
vvLC
RC
0
dtdt 2
dt
2



d v
dt

2



R dv
L dt

dt

2

 8 ,5  10

0

LC

2

d v

v



3

dv
dt

6

 4  10 v  0

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
Persamaan

karkterist ik : s  8 ,5  10 s  4  10  0
2

3

 akar - akar : s1 , s 2   4250  10

Dugaan ta

nggapan

lengkap

3

6

( 4 , 25 )  4   500 ,  8000
2

: v  0  K 1e

 500 t

 K 2e

 8000 t

Tak ada fungsi pemaksa
Kondisi awal:



i L ( 0 )  2 mA



vC (0 )  0 V

dan

Karena persamaan rangkaian menggunakan v sebagai
peubah maka kondisi awal iL(0+) harus diubah menjadi
dalam v






 i L ( 0 )  iC ( 0 )  C


dv C ( 0 )
dt

 

dv C ( 0 )
dt
2  10
C

3

 2  10

3

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami


dv ( 0 )



Kondisi awal: v ( 0 )  0



dt

Dugaan ta

nggapan

2  10

6

0 , 25  10

: v  0  K 1e

lengkap

3

0  K1  K 2

 500 t

  8  10

 K 2e

3

 8000 t

 8000   500 K 1  8000 K 2

 8000   500 K 1  8000 K 1
K1 

Tegangan kapasitor menjadi

 8000

K 2   K1  1

  1, 06

7500

: v  1, 06 e

 500 t

 1e

 8000 t

V

Ini adalah pengisian kapasitor oleh arus
induktor pada rangkaian R-L-C seri
Arus induktor

: i L   iC   C
  133  10

dv

  0 , 25  10

dt
 3  500 t

e

 2e

6

 530 e

 8000 t

mA

 500 t

 8000 e

 8000 t



Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
Tanggapan lengkap : v  1, 06 e

 500 t

 1e

 8000 t

V

1

v
[V]

0. 5

0
0

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

-0. 5

-1

Perhatikan bahwa pada awalnya tegangan kapasitor naik
karena menerima pelepasan energi dari induktor

Kenaikan tegangan kapasitor mencapai puncak kemudian
menurun karena ia melepaskan muatan yang pada awalnya
diterima.

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
v  16 e

 500 t

e

 8000 t

v  1, 06 e

V

16

 500 t

 1e

 8000 t

V

1

v [V]

Pelepasan energi induktor

v

12

[V]

v

8

0. 5
0
0

4

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

-0. 5

0
0

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

-1

-4

Untuk kedua peristiwa ini yang di-plot terhadap waktu adalah tegangan kapasitor
Seandainya tidak ada induktor, penurunan tegangan kapasitor akan terjadi
dengan konstanta waktu

  RC  8500  0 . 25  10

6

 2125  10

-6

atau 1/ = 470,6. Tetapi karena ada induktor, konstanta waktu menjadi lebih kecil
sehingga 1/ = 500. Inilah yang terlihat pada suku pertama v.
Suku ke-dua v adalah pengaruh induktor, yang jika tidak ada kapasitor nilai 1/
= R/L = 8500. Karena ada kapasitor nilai ini menjadi 8000 pada suku ke-dua v.

Persamaan Karakteristik Memiliki Dua Akar
Riil Sama Besar
s1 = s2, {b2 4ac } = 0

Dua Akar Riil Sama Besar
Dua akar yang sama besar dapat kita tuliskan sebagai
s1  s

dan

s 2  s   ; dengan   0

Tanggapan lengkap akan berbentuk
y  y p  K 1e

s1t

 K 2e

s2t

st

 y p  K 1e

Tanggapan paksa

Kondisi awal pertama

 K 2e

( s   )t

Tanggapan alami

Kondisi awal kedua







y ( 0 )  y p ( 0 )  K 1 s  K 2 ( s   )







y ( 0 )  y p ( 0 )  ( K 1  K 2 ) s  K 2   B 0

y (0 )  y p (0 )  K 1  K 2
y ( 0 )  y p ( 0 )  K 1  K 2  A0

A0 s  K 2   B 0



K2 

B 0  A0 s


dan

K 1  A0 

B 0  A0 s


Dua Akar Riil Sama Besar
Tanggapan lengkap menjadi

 1 e  t   st
 e
y  y p   A0  ( B 0  A0 s )   
 
  


t
 1
 e t  1 
e 

t
lim  
 lim 







 0
 0





y  y p   A0  ( B 0  A0 s ) t  e

y  y p  K a  K b t  e

ditentukan oleh kondisi awal

st

st

ditentukan oleh kondisi awal dan s
s sendiri ditentukan oleh nilai elemenelemen yang membentuk rangkaian dan
tidak ada kaitannya dengan kondisi awal

Dua Akar Riil Sama Besar, Tanggapan Alami
Contoh-3.
1H

S 1 2
+


15 V

+
v



iC
0,25 F

i
4 k

Sakalar telah lama di posisi 1. Pada t
= 0 di pindah ke posisi 2. Tentukan
perubahan tegangan kapasitor.

(Diganti dengan 4 k dari contoh sebelumnya)


Sebelum saklar dipindahkan: v ( 0 )  15 V ; i ( 0 )  0

di

Persamaan rangkaian untuk t > 0:  v  L

 iR  0

dt
2

Karena i =  iC = C dv/dt

LC

d v
dt

2

 RC

dt

Persamaan karakteristik:

2

3

2

 4  10

s  4  10 s  4  10

v0

dt

2

d v

dv

3

dv
dt

6

0

 4  10 v  0
6

Dua Akar Riil Sama Besar, Tanggapan Alami
Persamaan

2

karakteris tik : s  4000 s  4  10
akar - akar : s1 , s 2   2000 

Karena persamaan
maka tanggapan

karakteris tik memiliki

6

0

4  10

6

 4  10

6

  2000  s

akar sama besar

lengkap akan berbentuk :
v  v p  K a  K b t  e

st

 0  K a  K b t  e

st

Tak ada fungsi pemaksa

Kondisi
Kondisi

awal pertama
awal kedua



dv
dt



dv
dt





v ( 0 )  v ( 0 )  v ( 0 )  15  K a .


(0 )  0 

dv
dt

 K be



(0 )  0  K b  K a s 

 Jadi : v  15  30000 t  e

st

 K a  K bt  s e

st

K b   K a s  30000
 2000 t

V

Dua Akar Riil Sama Besar, Tanggapan Alami

v  15  30000 t  e

 2000 t

V

15
10

v  30000 t e

 2000 t

5
0
0
-5
-10
-15

0.001

v  15 e

0.002

 2000 t

0.003

0.004

0.005

0.006

Dua akar kompleks konjugat
{b2 4ac } < 0
s1    j 

dan

s 2    j

Dua Akar Kompleks Konjugat
Akar-Akar Kompleks Konjugat
s1    j 

dan

s 2    j

Tanggapan lengkap akan berbentuk
y  y p  K 1e

(   j ) t

 K 2e

(   j ) t



 y p  K 1e

 j t

K 1 (cos  t  j sin  t )

 K 2e

 j t

e

t

K 2 (cos  t  j sin  t )

( K 1  K 2 ) cos  t  j ( K 1  K 2 ) sin  t

K a cos  t  K b sin  t

y  y p   K a cos  t  K b sin  t  e

t



Kondisi awal pertama: y ( 0 )  y p ( 0 )  K a

Kondisi awal kedua:





K a  y (0 )  y p (0 )



t
y ( 0 )  y p ( 0 )  {(  K b  K a  ) sin  t  ( K b    K a ) cos  t }e

 y p ( 0 )   K a   K b


 K a   K b  y  ( 0 )  y p ( 0 )

Dua Akar Kompleks Konjugat, Tanggapan Alami
Contoh-4.
1H

S 1 2
+


15 V

+
v


iC

0,25 F

i
1 k

Saklar S sudah lama pada posisi 1.
Pada t = 0 dipindah ke poisisi 2.
Carilah perubahan tegangan kapasitor.

(Diganti dengan 1 k dari contoh sebelumnya)

Pada t = 0+ : v ( 0  )  15 V ; i ( 0  )  0

vL

di

 iR  0

dt

Persamaan rangkaian untuk t > 0:
2

Karena i = iC = C dv/dt

d v

LC

dt

2

dt

Persamaan karakteristik:

2

2

3

 1  10

v0

dt

2

d v

dv

 RC

3

s  1  10 s  4  10

dv

 4  10 v  0

dt
6

0

6

Dua Akar Kompleks Konjugat, Tanggapan Alami
Persamaan

karakteris tik : s

2

 1000

dv

6

0

2

 4  10

 4  10

dt
akar - akar : s1 , s 2   500 

500

6

  500  j 500

15

dua akar kompleks konjugat
  j  dengan    500 ;   500

15

Tanggapan lengkap akan berbentuk:
v  0   K a cos  t  K b sin  t  e
Kondisi

awal pertama

Kondisi

awal kedua 



 v ( 0 )  15  K a
dv
dt



(0 )  0   K a   K b
 Kb 

Tanggapan

t



 K a




lengkap : v  15 cos( 500 15 t ) 

500  15
500



15

15



15 sin( 500 15 t ) e

 500 t

V

Dua Akar Kompleks Konjugat, Tanggapan Alami



v  15 cos( 500 15 t ) 



15 sin( 500 15 t ) e

 500 t

V

15

15 cos( 500 15 t

v 10
[V]
5

15 sin( 500 15 t )

t

0
0
-5
-10
-15

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

0.006

Dua Akar Kompleks Konjugat, Tanggapan Alami
Perbandingan tanggapan rangkaian:
Dua akar riil berbeda: sangat teredam, v  16 e  500 t  e  8000 t V
Dua akar riil sama besar : teredam kritis, v  15  30000 t  e  2000 t V

Dua akar kompleks konjugat : kurang teredam,



v  15 cos( 500 15 t ) 



15 sin( 500 15 t ) e

15
10
5
0
0
-5
-10
-15

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

0.006

 500 t

V

Tanggapan Rangkaian Terhadap Sinyal Sinus
Contoh Tanggapan Rangkaian Dengan Masukan Sinyal Sinus

vs =
26cos3t u(t) V

+


i
vs

5

1H
1

F

6

+
v



Rangkaian mendapat masukan
sinyal sinus yang muncul pada t = 0.
Tentukan perubahan tegangan dan
arus kapasitor, apabila kondisi awal
adalahi(0) = 2 A dan v(0) = 6 V

Pada t = 0+ : i(0+) = 2 A dan v(0+) = 6 V

Persamaan rangkaian untuk t > 0 :

 v s  Ri  L
dv

RC



di
dt

2

 LC

d i
2

dt

dt

5 dv

1 d v



2

d v
2

 v  vs

2

6 dt

dt

v0

5

6 dt

dv
dt

2

 v  26 cos 3 t

 6 v  156 cos 3 t

Tanggapan Rangkaian Terhadap Sinyal Sinus
Persamaan

2

karakteris tik : s  5 s  6  0  ( s  2 )( s  3 );
akar - akar : s1 , s 2   2 ,  3

Dugaan ta nggapan

paksa : v p  A c cos 3 t  A s sin 3 t
2

Persamaan rangkaian

d v
dt

2

5

dv

 6 v  156 cos 3 t

dt

   9 A c  15 A s  6 A c  cos 3 t    9 A s  15 A c  6 A s  sin 3 t  156 cos 3 t
  3 A c  15 A s  156
 Ac 

Tanggapan

156  0
 3  75

dan  15 A c  3 A s  0
  2 ; As 

5  156  0
75  3

 10

paksa : v p   2 cos 3 t  10 sin 3 t

Dugaan tan ggapan lengkap

: v   2 cos 3t  10 sin 3t  K 1 e

2t

 K 2e

 3t

masih harus ditentukan melalui
penerapan kondisi awal

Tanggapan Rangkaian Terhadap Sinyal Sinus


1 dv



awal : v ( 0 )  6 dan i ( 0 )  2 

Kondisi



(0 ) 

dv

6 dt
Aplikasi

kondisi

awal pertama

Aplikasi

kondisi

awal kedua :
 K1  6

Tanggapan

 i

1 dv

dt

: 6  2  K1  K 2  K 2  8  K1
12  30  2 K 1  3 K 2
 K2  2

: v   2 cos 3 t  10 sin 3 t  6 e

lengkap



( 0 )  12

 sin 3 t  5 cos 3 t  2 e

2t

e

 3t

2t

 2e

 3t

V

A

6 dt
30

v [V] 20
i [A]
10

Amplitudo tegangan
menurun

vs

Amplitudo arus
meningkat

v

0
-10 0
-20
-30

t [s]
i

2

4

6

8

10

Courseware
Analisis Transien Rangkaian Orde Ke-Dua

Sudaryatno Sudirham


Slide 11

Open Course

Selamat Belajar

oleh: Sudaryatno Sudirham

Tujuan
 mampu menurunkan persamaan rangkaian yang merupakan
rangkaian orde kedua.

 memahami bahwa tanggapan rangkaian terdiri dari tanggapan
paksa dan tanggapan alami yang mungkin berosilasi.
 mampu melakukan analisis transien pada rangkaian orde

kedua.

Bentuk Umum
Persamaan Rangkaian
Orde Ke-dua

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
2

a

d y
dt

2

b

dy

 cy  x ( t )

dt

y = tanggapan rangkaian yang dapat
berupa tegangan ataupun arus

fungsi pemaksa atau
fungsi penggerak.

tetapan a dan b ditentukan oleh nilainilai elemen yang membentuk rangkaian
Persamaan diferensial orde ke-dua muncul karena
rangkaian mengandung kapasitor dan induktor

dengan tegangan sebagai
peubah status

dengan arus
sebagai peubah status

sedangkan peubah dalam persamaan rangkaian
harus salah satu di ataranya, tegangan atau arus

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Tanggapan Alami
Tanggapan alami adalah solusi persamaan rangkaian di
mana x(t) bernilai nol:
2

a

d y
dt

2

b

dy

 cy  0

dt

Dugaan solusi y berbentuk fungsi eksponensial ya = Kest dengan nilai
K dan s yang masih harus ditentukan.
Kalau solusi ini dimasukkan ke persamaan, akan diperoleh
aKs
Ke

st

2

e

st

as

2

 bKse

st



 cKe

st

0

atau

 bs  c  0

Bagian ini yang harus bernilai nol yang
memberikan persamaan karakteristik
as

2

 bs  c  0

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
2

as  bs  c  0

Persamaan karakteristik yang berbentuk persamaan kwadrat itu
mempunyai dua akar yaitu
s1 , s 2 

2

b

b  4 ac
2a

Dengan adanya dua akar tersebut maka kita mempunyai
dua solusi homogen, yaitu
y a1  K 1e

s1 t

dan

ya 2  K 2e

s2t

dan tanggapan alami yang kita cari akan berbentuk
y a  K 1e

s1 t

 K 2e

s2t

Seperti halnya pada rangkaian orde pertama, tetapan-tetapan ini
diperoleh melalui penerapan kondisi awal pada tanggapan lengkap

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Tanggapan Paksa
Tanggapan paksa adalah solusi persamaan rangkaian di
mana x(t) 0:
2

a

d y
dt

2

b

dy

 cy  x ( t )

dt

Bentuk tanggapan paksa ditentukan oleh bentuk x(t)
sebagaimana telah diulas pada rangkaian orde pertama, yaitu
Jika x ( t )  0 , maka

yp  0

Jika x ( t )  A  konstan,
t

maka

Jika

x ( t )  Ae

Jika

x ( t )  A sin  t , maka

Jika

x ( t )  A cos  t , maka

y p  konstan  K

 eksponensi al, maka

y p  eksponensi al  Ke

y p  K c cos  t  K s sin  t
y p  K c cos  t  K s sin  t

Perhatikan : y  K c cos  t  K s sin  t adalah bentuk umum
fungsi sinus maupun

cosinus .

t

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Tanggapan Lengkap
Tanggapan lengkap adalah jumlah tanggapan alami
dan tanggapan paksa
y  y p  y a  y p  K 1e

s1t

 K 2e

s2t

Tetapan ini diperoleh melalui penerapan kondisi awal
Jika rangkaian mengandung C dan L, dua elemen
ini akan cenderung mempertahankan statusnya.
Jadi ada dua kondisi awal yang harus dipenuhi
yaitu




vC (0 )  vC (0 )

dan




iL (0 )  iL (0 )

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Kondisi Awal
Secara umum, kondisi awal adalah:




y (0 )  y (0 )

dan

dy





(0 )  y ' (0 )

dt

Nilai sesaat sebelum dan sesudah
penutupan/pembukaan saklar harus sama, dan
laju perubahan nilainya harus kontinyu
y

y

0

t

Pada rangkaian orde
pertama dy/dt(0+) tidak
perlu kontinyu

0

t

Pada rangkaian orde kedua dy/dt(0+)
harus kontinyu sebab ada d2y/dt2
dalam persamaan rangkaian yang
hanya terdefinisi jika dy/dt(0+) kontinyu

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Tiga Kemungkinan Bentuk Tanggapan
Persamaan karakteristik
as

2

 bs  c  0

dapat mempunyai tiga kemungkinan nilai akar, yaitu:
a). Dua akar riil berbeda, s1  s2, jika {b2 4ac } > 0;
b). Dua akar sama, s1 = s2 = s , jika {b24ac } = 0;

c). Dua akar kompleks konjugat s1,s2 =   j jika {b24ac } < 0.
Tiga kemungkinan akar ini akan memberikan tiga
kemungkinan bentuk tanggapan

Persamaan karakteristik dengan
dua akar riil berbeda,
s1  s2, {b2 4ac } > 0

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
Contoh-1
1H

S 1 2
+


15 V

+
v



iC
0,25 F

i
8,5 k

Saklar S telah lama berada pada posisi 1.
Pada t = 0 saklar dipindahkan ke posisi 2.
Carilah perubahan tegangan kapasitor.



Pada t = 0- : i ( 0 )  0 dan v ( 0 )  12 V

Persamaan Rangkaian pada t > 0 :  v  L

di

 Ri  0

dt

Karena i = -iC = -C dv/dt, maka:  v  LC

2

d v
dt

2

d v



dt

2



2

R dv

 RC

dt

2

0

dt


L dt

 8 ,5  10

v

0

LC

2

d v

dv

3

dv
dt

6

 4  10 v  0

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami

Persamaan karakteristik:

s

2

3

 8 , 5  10 s  4  10

 akar - akar : s1 , s 2   4250  10

3

6

0

2

( 4 , 25 )  4   500 ,  8000

 500 t
 8000 t
 K 2e
Dugaan tanggapan lengkap: v  0  K 1 e

Tak ada fungsi pemaksa

Kondisi awal: v C ( 0  )  15 V dan i L ( 0  )  0
Karena persamaan rangkaian menggunakan v
sebagai peubah maka kondisi awal arus iL(0+)
harus diubah menjadi dalam tegangan v






i L ( 0 )  iC ( 0 )  C

dv C ( 0 )



dv C ( 0 )
dt

0

dt

0

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
Kondisi awal:





v ( 0 )  15 V

dv ( 0 )

0

dt

 500 t
 8000 t
 K 2e
Dugaan tanggapan lengkap: v  0  K 1 e

0   500 K 1  8000 K 2

15  K1  K 2

0   500 K 1  8000 (15  K 1 )

K1 

8000  15

 16

K 2  1

7500

Tanggapan lengkap menjadi: v  16 e  500 t  e  8000 t V
(hanya ada tanggapan alami).

Ini adalah pelepasan muatan kapasitor pada
rangkaian R-L-C seri

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami

Tanggapan

lengkap : v  16 e

 500 t

e

 8000 t

V

16

v
[V] 12

v
8
4
0
0

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

-4

Perhatikan bahwa pada t = 0+ tegangan kapasitor adalah 15 V

Pada waktu kapasitor mulai melepaskan muatannya,
ada perlawanan dari induktor yang menyebabkan
penurunan tegangan pada saat-saat awal agak landai

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
Contoh-2

1H

S
+


19 V

+
v

iC



0,25 F

Saklar S telah lama tertutup.
Pada t = 0 saklar dibuka.
Tentukan perubahan tegangan
kapasitor dan arus induktor.

i
8,5 k

Sebelum saklar dibuka arus hanya melalui induktor. Dioda tidak konduksi.


i L (0 ) 

19
8500

Persamaan Rangkaian pada t > 0 :

i   iC   C



vC (0 )  0 V

 2 mA

dv C
dt

did 2 v
dv
L
 Ri 
0
vvLC
RC
0
dtdt 2
dt
2



d v
dt

2



R dv
L dt

dt

2

 8 ,5  10

0

LC

2

d v

v



3

dv
dt

6

 4  10 v  0

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
Persamaan

karkterist ik : s  8 ,5  10 s  4  10  0
2

3

 akar - akar : s1 , s 2   4250  10

Dugaan ta

nggapan

lengkap

3

6

( 4 , 25 )  4   500 ,  8000
2

: v  0  K 1e

 500 t

 K 2e

 8000 t

Tak ada fungsi pemaksa
Kondisi awal:



i L ( 0 )  2 mA



vC (0 )  0 V

dan

Karena persamaan rangkaian menggunakan v sebagai
peubah maka kondisi awal iL(0+) harus diubah menjadi
dalam v






 i L ( 0 )  iC ( 0 )  C


dv C ( 0 )
dt

 

dv C ( 0 )
dt
2  10
C

3

 2  10

3

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami


dv ( 0 )



Kondisi awal: v ( 0 )  0



dt

Dugaan ta

nggapan

2  10

6

0 , 25  10

: v  0  K 1e

lengkap

3

0  K1  K 2

 500 t

  8  10

 K 2e

3

 8000 t

 8000   500 K 1  8000 K 2

 8000   500 K 1  8000 K 1
K1 

Tegangan kapasitor menjadi

 8000

K 2   K1  1

  1, 06

7500

: v  1, 06 e

 500 t

 1e

 8000 t

V

Ini adalah pengisian kapasitor oleh arus
induktor pada rangkaian R-L-C seri
Arus induktor

: i L   iC   C
  133  10

dv

  0 , 25  10

dt
 3  500 t

e

 2e

6

 530 e

 8000 t

mA

 500 t

 8000 e

 8000 t



Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
Tanggapan lengkap : v  1, 06 e

 500 t

 1e

 8000 t

V

1

v
[V]

0. 5

0
0

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

-0. 5

-1

Perhatikan bahwa pada awalnya tegangan kapasitor naik
karena menerima pelepasan energi dari induktor

Kenaikan tegangan kapasitor mencapai puncak kemudian
menurun karena ia melepaskan muatan yang pada awalnya
diterima.

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
v  16 e

 500 t

e

 8000 t

v  1, 06 e

V

16

 500 t

 1e

 8000 t

V

1

v [V]

Pelepasan energi induktor

v

12

[V]

v

8

0. 5
0
0

4

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

-0. 5

0
0

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

-1

-4

Untuk kedua peristiwa ini yang di-plot terhadap waktu adalah tegangan kapasitor
Seandainya tidak ada induktor, penurunan tegangan kapasitor akan terjadi
dengan konstanta waktu

  RC  8500  0 . 25  10

6

 2125  10

-6

atau 1/ = 470,6. Tetapi karena ada induktor, konstanta waktu menjadi lebih kecil
sehingga 1/ = 500. Inilah yang terlihat pada suku pertama v.
Suku ke-dua v adalah pengaruh induktor, yang jika tidak ada kapasitor nilai 1/
= R/L = 8500. Karena ada kapasitor nilai ini menjadi 8000 pada suku ke-dua v.

Persamaan Karakteristik Memiliki Dua Akar
Riil Sama Besar
s1 = s2, {b2 4ac } = 0

Dua Akar Riil Sama Besar
Dua akar yang sama besar dapat kita tuliskan sebagai
s1  s

dan

s 2  s   ; dengan   0

Tanggapan lengkap akan berbentuk
y  y p  K 1e

s1t

 K 2e

s2t

st

 y p  K 1e

Tanggapan paksa

Kondisi awal pertama

 K 2e

( s   )t

Tanggapan alami

Kondisi awal kedua







y ( 0 )  y p ( 0 )  K 1 s  K 2 ( s   )







y ( 0 )  y p ( 0 )  ( K 1  K 2 ) s  K 2   B 0

y (0 )  y p (0 )  K 1  K 2
y ( 0 )  y p ( 0 )  K 1  K 2  A0

A0 s  K 2   B 0



K2 

B 0  A0 s


dan

K 1  A0 

B 0  A0 s


Dua Akar Riil Sama Besar
Tanggapan lengkap menjadi

 1 e  t   st
 e
y  y p   A0  ( B 0  A0 s )   
 
  


t
 1
 e t  1 
e 

t
lim  
 lim 







 0
 0





y  y p   A0  ( B 0  A0 s ) t  e

y  y p  K a  K b t  e

ditentukan oleh kondisi awal

st

st

ditentukan oleh kondisi awal dan s
s sendiri ditentukan oleh nilai elemenelemen yang membentuk rangkaian dan
tidak ada kaitannya dengan kondisi awal

Dua Akar Riil Sama Besar, Tanggapan Alami
Contoh-3.
1H

S 1 2
+


15 V

+
v



iC
0,25 F

i
4 k

Sakalar telah lama di posisi 1. Pada t
= 0 di pindah ke posisi 2. Tentukan
perubahan tegangan kapasitor.

(Diganti dengan 4 k dari contoh sebelumnya)


Sebelum saklar dipindahkan: v ( 0 )  15 V ; i ( 0 )  0

di

Persamaan rangkaian untuk t > 0:  v  L

 iR  0

dt
2

Karena i =  iC = C dv/dt

LC

d v
dt

2

 RC

dt

Persamaan karakteristik:

2

3

2

 4  10

s  4  10 s  4  10

v0

dt

2

d v

dv

3

dv
dt

6

0

 4  10 v  0
6

Dua Akar Riil Sama Besar, Tanggapan Alami
Persamaan

2

karakteris tik : s  4000 s  4  10
akar - akar : s1 , s 2   2000 

Karena persamaan
maka tanggapan

karakteris tik memiliki

6

0

4  10

6

 4  10

6

  2000  s

akar sama besar

lengkap akan berbentuk :
v  v p  K a  K b t  e

st

 0  K a  K b t  e

st

Tak ada fungsi pemaksa

Kondisi
Kondisi

awal pertama
awal kedua



dv
dt



dv
dt





v ( 0 )  v ( 0 )  v ( 0 )  15  K a .


(0 )  0 

dv
dt

 K be



(0 )  0  K b  K a s 

 Jadi : v  15  30000 t  e

st

 K a  K bt  s e

st

K b   K a s  30000
 2000 t

V

Dua Akar Riil Sama Besar, Tanggapan Alami

v  15  30000 t  e

 2000 t

V

15
10

v  30000 t e

 2000 t

5
0
0
-5
-10
-15

0.001

v  15 e

0.002

 2000 t

0.003

0.004

0.005

0.006

Dua akar kompleks konjugat
{b2 4ac } < 0
s1    j 

dan

s 2    j

Dua Akar Kompleks Konjugat
Akar-Akar Kompleks Konjugat
s1    j 

dan

s 2    j

Tanggapan lengkap akan berbentuk
y  y p  K 1e

(   j ) t

 K 2e

(   j ) t



 y p  K 1e

 j t

K 1 (cos  t  j sin  t )

 K 2e

 j t

e

t

K 2 (cos  t  j sin  t )

( K 1  K 2 ) cos  t  j ( K 1  K 2 ) sin  t

K a cos  t  K b sin  t

y  y p   K a cos  t  K b sin  t  e

t



Kondisi awal pertama: y ( 0 )  y p ( 0 )  K a

Kondisi awal kedua:





K a  y (0 )  y p (0 )



t
y ( 0 )  y p ( 0 )  {(  K b  K a  ) sin  t  ( K b    K a ) cos  t }e

 y p ( 0 )   K a   K b


 K a   K b  y  ( 0 )  y p ( 0 )

Dua Akar Kompleks Konjugat, Tanggapan Alami
Contoh-4.
1H

S 1 2
+


15 V

+
v


iC

0,25 F

i
1 k

Saklar S sudah lama pada posisi 1.
Pada t = 0 dipindah ke poisisi 2.
Carilah perubahan tegangan kapasitor.

(Diganti dengan 1 k dari contoh sebelumnya)

Pada t = 0+ : v ( 0  )  15 V ; i ( 0  )  0

vL

di

 iR  0

dt

Persamaan rangkaian untuk t > 0:
2

Karena i = iC = C dv/dt

d v

LC

dt

2

dt

Persamaan karakteristik:

2

2

3

 1  10

v0

dt

2

d v

dv

 RC

3

s  1  10 s  4  10

dv

 4  10 v  0

dt
6

0

6

Dua Akar Kompleks Konjugat, Tanggapan Alami
Persamaan

karakteris tik : s

2

 1000

dv

6

0

2

 4  10

 4  10

dt
akar - akar : s1 , s 2   500 

500

6

  500  j 500

15

dua akar kompleks konjugat
  j  dengan    500 ;   500

15

Tanggapan lengkap akan berbentuk:
v  0   K a cos  t  K b sin  t  e
Kondisi

awal pertama

Kondisi

awal kedua 



 v ( 0 )  15  K a
dv
dt



(0 )  0   K a   K b
 Kb 

Tanggapan

t



 K a




lengkap : v  15 cos( 500 15 t ) 

500  15
500



15

15



15 sin( 500 15 t ) e

 500 t

V

Dua Akar Kompleks Konjugat, Tanggapan Alami



v  15 cos( 500 15 t ) 



15 sin( 500 15 t ) e

 500 t

V

15

15 cos( 500 15 t

v 10
[V]
5

15 sin( 500 15 t )

t

0
0
-5
-10
-15

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

0.006

Dua Akar Kompleks Konjugat, Tanggapan Alami
Perbandingan tanggapan rangkaian:
Dua akar riil berbeda: sangat teredam, v  16 e  500 t  e  8000 t V
Dua akar riil sama besar : teredam kritis, v  15  30000 t  e  2000 t V

Dua akar kompleks konjugat : kurang teredam,



v  15 cos( 500 15 t ) 



15 sin( 500 15 t ) e

15
10
5
0
0
-5
-10
-15

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

0.006

 500 t

V

Tanggapan Rangkaian Terhadap Sinyal Sinus
Contoh Tanggapan Rangkaian Dengan Masukan Sinyal Sinus

vs =
26cos3t u(t) V

+


i
vs

5

1H
1

F

6

+
v



Rangkaian mendapat masukan
sinyal sinus yang muncul pada t = 0.
Tentukan perubahan tegangan dan
arus kapasitor, apabila kondisi awal
adalahi(0) = 2 A dan v(0) = 6 V

Pada t = 0+ : i(0+) = 2 A dan v(0+) = 6 V

Persamaan rangkaian untuk t > 0 :

 v s  Ri  L
dv

RC



di
dt

2

 LC

d i
2

dt

dt

5 dv

1 d v



2

d v
2

 v  vs

2

6 dt

dt

v0

5

6 dt

dv
dt

2

 v  26 cos 3 t

 6 v  156 cos 3 t

Tanggapan Rangkaian Terhadap Sinyal Sinus
Persamaan

2

karakteris tik : s  5 s  6  0  ( s  2 )( s  3 );
akar - akar : s1 , s 2   2 ,  3

Dugaan ta nggapan

paksa : v p  A c cos 3 t  A s sin 3 t
2

Persamaan rangkaian

d v
dt

2

5

dv

 6 v  156 cos 3 t

dt

   9 A c  15 A s  6 A c  cos 3 t    9 A s  15 A c  6 A s  sin 3 t  156 cos 3 t
  3 A c  15 A s  156
 Ac 

Tanggapan

156  0
 3  75

dan  15 A c  3 A s  0
  2 ; As 

5  156  0
75  3

 10

paksa : v p   2 cos 3 t  10 sin 3 t

Dugaan tan ggapan lengkap

: v   2 cos 3t  10 sin 3t  K 1 e

2t

 K 2e

 3t

masih harus ditentukan melalui
penerapan kondisi awal

Tanggapan Rangkaian Terhadap Sinyal Sinus


1 dv



awal : v ( 0 )  6 dan i ( 0 )  2 

Kondisi



(0 ) 

dv

6 dt
Aplikasi

kondisi

awal pertama

Aplikasi

kondisi

awal kedua :
 K1  6

Tanggapan

 i

1 dv

dt

: 6  2  K1  K 2  K 2  8  K1
12  30  2 K 1  3 K 2
 K2  2

: v   2 cos 3 t  10 sin 3 t  6 e

lengkap



( 0 )  12

 sin 3 t  5 cos 3 t  2 e

2t

e

 3t

2t

 2e

 3t

V

A

6 dt
30

v [V] 20
i [A]
10

Amplitudo tegangan
menurun

vs

Amplitudo arus
meningkat

v

0
-10 0
-20
-30

t [s]
i

2

4

6

8

10

Courseware
Analisis Transien Rangkaian Orde Ke-Dua

Sudaryatno Sudirham


Slide 12

Open Course

Selamat Belajar

oleh: Sudaryatno Sudirham

Tujuan
 mampu menurunkan persamaan rangkaian yang merupakan
rangkaian orde kedua.

 memahami bahwa tanggapan rangkaian terdiri dari tanggapan
paksa dan tanggapan alami yang mungkin berosilasi.
 mampu melakukan analisis transien pada rangkaian orde

kedua.

Bentuk Umum
Persamaan Rangkaian
Orde Ke-dua

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
2

a

d y
dt

2

b

dy

 cy  x ( t )

dt

y = tanggapan rangkaian yang dapat
berupa tegangan ataupun arus

fungsi pemaksa atau
fungsi penggerak.

tetapan a dan b ditentukan oleh nilainilai elemen yang membentuk rangkaian
Persamaan diferensial orde ke-dua muncul karena
rangkaian mengandung kapasitor dan induktor

dengan tegangan sebagai
peubah status

dengan arus
sebagai peubah status

sedangkan peubah dalam persamaan rangkaian
harus salah satu di ataranya, tegangan atau arus

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Tanggapan Alami
Tanggapan alami adalah solusi persamaan rangkaian di
mana x(t) bernilai nol:
2

a

d y
dt

2

b

dy

 cy  0

dt

Dugaan solusi y berbentuk fungsi eksponensial ya = Kest dengan nilai
K dan s yang masih harus ditentukan.
Kalau solusi ini dimasukkan ke persamaan, akan diperoleh
aKs
Ke

st

2

e

st

as

2

 bKse

st



 cKe

st

0

atau

 bs  c  0

Bagian ini yang harus bernilai nol yang
memberikan persamaan karakteristik
as

2

 bs  c  0

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
2

as  bs  c  0

Persamaan karakteristik yang berbentuk persamaan kwadrat itu
mempunyai dua akar yaitu
s1 , s 2 

2

b

b  4 ac
2a

Dengan adanya dua akar tersebut maka kita mempunyai
dua solusi homogen, yaitu
y a1  K 1e

s1 t

dan

ya 2  K 2e

s2t

dan tanggapan alami yang kita cari akan berbentuk
y a  K 1e

s1 t

 K 2e

s2t

Seperti halnya pada rangkaian orde pertama, tetapan-tetapan ini
diperoleh melalui penerapan kondisi awal pada tanggapan lengkap

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Tanggapan Paksa
Tanggapan paksa adalah solusi persamaan rangkaian di
mana x(t) 0:
2

a

d y
dt

2

b

dy

 cy  x ( t )

dt

Bentuk tanggapan paksa ditentukan oleh bentuk x(t)
sebagaimana telah diulas pada rangkaian orde pertama, yaitu
Jika x ( t )  0 , maka

yp  0

Jika x ( t )  A  konstan,
t

maka

Jika

x ( t )  Ae

Jika

x ( t )  A sin  t , maka

Jika

x ( t )  A cos  t , maka

y p  konstan  K

 eksponensi al, maka

y p  eksponensi al  Ke

y p  K c cos  t  K s sin  t
y p  K c cos  t  K s sin  t

Perhatikan : y  K c cos  t  K s sin  t adalah bentuk umum
fungsi sinus maupun

cosinus .

t

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Tanggapan Lengkap
Tanggapan lengkap adalah jumlah tanggapan alami
dan tanggapan paksa
y  y p  y a  y p  K 1e

s1t

 K 2e

s2t

Tetapan ini diperoleh melalui penerapan kondisi awal
Jika rangkaian mengandung C dan L, dua elemen
ini akan cenderung mempertahankan statusnya.
Jadi ada dua kondisi awal yang harus dipenuhi
yaitu




vC (0 )  vC (0 )

dan




iL (0 )  iL (0 )

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Kondisi Awal
Secara umum, kondisi awal adalah:




y (0 )  y (0 )

dan

dy





(0 )  y ' (0 )

dt

Nilai sesaat sebelum dan sesudah
penutupan/pembukaan saklar harus sama, dan
laju perubahan nilainya harus kontinyu
y

y

0

t

Pada rangkaian orde
pertama dy/dt(0+) tidak
perlu kontinyu

0

t

Pada rangkaian orde kedua dy/dt(0+)
harus kontinyu sebab ada d2y/dt2
dalam persamaan rangkaian yang
hanya terdefinisi jika dy/dt(0+) kontinyu

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Tiga Kemungkinan Bentuk Tanggapan
Persamaan karakteristik
as

2

 bs  c  0

dapat mempunyai tiga kemungkinan nilai akar, yaitu:
a). Dua akar riil berbeda, s1  s2, jika {b2 4ac } > 0;
b). Dua akar sama, s1 = s2 = s , jika {b24ac } = 0;

c). Dua akar kompleks konjugat s1,s2 =   j jika {b24ac } < 0.
Tiga kemungkinan akar ini akan memberikan tiga
kemungkinan bentuk tanggapan

Persamaan karakteristik dengan
dua akar riil berbeda,
s1  s2, {b2 4ac } > 0

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
Contoh-1
1H

S 1 2
+


15 V

+
v



iC
0,25 F

i
8,5 k

Saklar S telah lama berada pada posisi 1.
Pada t = 0 saklar dipindahkan ke posisi 2.
Carilah perubahan tegangan kapasitor.



Pada t = 0- : i ( 0 )  0 dan v ( 0 )  12 V

Persamaan Rangkaian pada t > 0 :  v  L

di

 Ri  0

dt

Karena i = -iC = -C dv/dt, maka:  v  LC

2

d v
dt

2

d v



dt

2



2

R dv

 RC

dt

2

0

dt


L dt

 8 ,5  10

v

0

LC

2

d v

dv

3

dv
dt

6

 4  10 v  0

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami

Persamaan karakteristik:

s

2

3

 8 , 5  10 s  4  10

 akar - akar : s1 , s 2   4250  10

3

6

0

2

( 4 , 25 )  4   500 ,  8000

 500 t
 8000 t
 K 2e
Dugaan tanggapan lengkap: v  0  K 1 e

Tak ada fungsi pemaksa

Kondisi awal: v C ( 0  )  15 V dan i L ( 0  )  0
Karena persamaan rangkaian menggunakan v
sebagai peubah maka kondisi awal arus iL(0+)
harus diubah menjadi dalam tegangan v






i L ( 0 )  iC ( 0 )  C

dv C ( 0 )



dv C ( 0 )
dt

0

dt

0

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
Kondisi awal:





v ( 0 )  15 V

dv ( 0 )

0

dt

 500 t
 8000 t
 K 2e
Dugaan tanggapan lengkap: v  0  K 1 e

0   500 K 1  8000 K 2

15  K1  K 2

0   500 K 1  8000 (15  K 1 )

K1 

8000  15

 16

K 2  1

7500

Tanggapan lengkap menjadi: v  16 e  500 t  e  8000 t V
(hanya ada tanggapan alami).

Ini adalah pelepasan muatan kapasitor pada
rangkaian R-L-C seri

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami

Tanggapan

lengkap : v  16 e

 500 t

e

 8000 t

V

16

v
[V] 12

v
8
4
0
0

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

-4

Perhatikan bahwa pada t = 0+ tegangan kapasitor adalah 15 V

Pada waktu kapasitor mulai melepaskan muatannya,
ada perlawanan dari induktor yang menyebabkan
penurunan tegangan pada saat-saat awal agak landai

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
Contoh-2

1H

S
+


19 V

+
v

iC



0,25 F

Saklar S telah lama tertutup.
Pada t = 0 saklar dibuka.
Tentukan perubahan tegangan
kapasitor dan arus induktor.

i
8,5 k

Sebelum saklar dibuka arus hanya melalui induktor. Dioda tidak konduksi.


i L (0 ) 

19
8500

Persamaan Rangkaian pada t > 0 :

i   iC   C



vC (0 )  0 V

 2 mA

dv C
dt

did 2 v
dv
L
 Ri 
0
vvLC
RC
0
dtdt 2
dt
2



d v
dt

2



R dv
L dt

dt

2

 8 ,5  10

0

LC

2

d v

v



3

dv
dt

6

 4  10 v  0

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
Persamaan

karkterist ik : s  8 ,5  10 s  4  10  0
2

3

 akar - akar : s1 , s 2   4250  10

Dugaan ta

nggapan

lengkap

3

6

( 4 , 25 )  4   500 ,  8000
2

: v  0  K 1e

 500 t

 K 2e

 8000 t

Tak ada fungsi pemaksa
Kondisi awal:



i L ( 0 )  2 mA



vC (0 )  0 V

dan

Karena persamaan rangkaian menggunakan v sebagai
peubah maka kondisi awal iL(0+) harus diubah menjadi
dalam v






 i L ( 0 )  iC ( 0 )  C


dv C ( 0 )
dt

 

dv C ( 0 )
dt
2  10
C

3

 2  10

3

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami


dv ( 0 )



Kondisi awal: v ( 0 )  0



dt

Dugaan ta

nggapan

2  10

6

0 , 25  10

: v  0  K 1e

lengkap

3

0  K1  K 2

 500 t

  8  10

 K 2e

3

 8000 t

 8000   500 K 1  8000 K 2

 8000   500 K 1  8000 K 1
K1 

Tegangan kapasitor menjadi

 8000

K 2   K1  1

  1, 06

7500

: v  1, 06 e

 500 t

 1e

 8000 t

V

Ini adalah pengisian kapasitor oleh arus
induktor pada rangkaian R-L-C seri
Arus induktor

: i L   iC   C
  133  10

dv

  0 , 25  10

dt
 3  500 t

e

 2e

6

 530 e

 8000 t

mA

 500 t

 8000 e

 8000 t



Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
Tanggapan lengkap : v  1, 06 e

 500 t

 1e

 8000 t

V

1

v
[V]

0. 5

0
0

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

-0. 5

-1

Perhatikan bahwa pada awalnya tegangan kapasitor naik
karena menerima pelepasan energi dari induktor

Kenaikan tegangan kapasitor mencapai puncak kemudian
menurun karena ia melepaskan muatan yang pada awalnya
diterima.

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
v  16 e

 500 t

e

 8000 t

v  1, 06 e

V

16

 500 t

 1e

 8000 t

V

1

v [V]

Pelepasan energi induktor

v

12

[V]

v

8

0. 5
0
0

4

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

-0. 5

0
0

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

-1

-4

Untuk kedua peristiwa ini yang di-plot terhadap waktu adalah tegangan kapasitor
Seandainya tidak ada induktor, penurunan tegangan kapasitor akan terjadi
dengan konstanta waktu

  RC  8500  0 . 25  10

6

 2125  10

-6

atau 1/ = 470,6. Tetapi karena ada induktor, konstanta waktu menjadi lebih kecil
sehingga 1/ = 500. Inilah yang terlihat pada suku pertama v.
Suku ke-dua v adalah pengaruh induktor, yang jika tidak ada kapasitor nilai 1/
= R/L = 8500. Karena ada kapasitor nilai ini menjadi 8000 pada suku ke-dua v.

Persamaan Karakteristik Memiliki Dua Akar
Riil Sama Besar
s1 = s2, {b2 4ac } = 0

Dua Akar Riil Sama Besar
Dua akar yang sama besar dapat kita tuliskan sebagai
s1  s

dan

s 2  s   ; dengan   0

Tanggapan lengkap akan berbentuk
y  y p  K 1e

s1t

 K 2e

s2t

st

 y p  K 1e

Tanggapan paksa

Kondisi awal pertama

 K 2e

( s   )t

Tanggapan alami

Kondisi awal kedua







y ( 0 )  y p ( 0 )  K 1 s  K 2 ( s   )







y ( 0 )  y p ( 0 )  ( K 1  K 2 ) s  K 2   B 0

y (0 )  y p (0 )  K 1  K 2
y ( 0 )  y p ( 0 )  K 1  K 2  A0

A0 s  K 2   B 0



K2 

B 0  A0 s


dan

K 1  A0 

B 0  A0 s


Dua Akar Riil Sama Besar
Tanggapan lengkap menjadi

 1 e  t   st
 e
y  y p   A0  ( B 0  A0 s )   
 
  


t
 1
 e t  1 
e 

t
lim  
 lim 







 0
 0





y  y p   A0  ( B 0  A0 s ) t  e

y  y p  K a  K b t  e

ditentukan oleh kondisi awal

st

st

ditentukan oleh kondisi awal dan s
s sendiri ditentukan oleh nilai elemenelemen yang membentuk rangkaian dan
tidak ada kaitannya dengan kondisi awal

Dua Akar Riil Sama Besar, Tanggapan Alami
Contoh-3.
1H

S 1 2
+


15 V

+
v



iC
0,25 F

i
4 k

Sakalar telah lama di posisi 1. Pada t
= 0 di pindah ke posisi 2. Tentukan
perubahan tegangan kapasitor.

(Diganti dengan 4 k dari contoh sebelumnya)


Sebelum saklar dipindahkan: v ( 0 )  15 V ; i ( 0 )  0

di

Persamaan rangkaian untuk t > 0:  v  L

 iR  0

dt
2

Karena i =  iC = C dv/dt

LC

d v
dt

2

 RC

dt

Persamaan karakteristik:

2

3

2

 4  10

s  4  10 s  4  10

v0

dt

2

d v

dv

3

dv
dt

6

0

 4  10 v  0
6

Dua Akar Riil Sama Besar, Tanggapan Alami
Persamaan

2

karakteris tik : s  4000 s  4  10
akar - akar : s1 , s 2   2000 

Karena persamaan
maka tanggapan

karakteris tik memiliki

6

0

4  10

6

 4  10

6

  2000  s

akar sama besar

lengkap akan berbentuk :
v  v p  K a  K b t  e

st

 0  K a  K b t  e

st

Tak ada fungsi pemaksa

Kondisi
Kondisi

awal pertama
awal kedua



dv
dt



dv
dt





v ( 0 )  v ( 0 )  v ( 0 )  15  K a .


(0 )  0 

dv
dt

 K be



(0 )  0  K b  K a s 

 Jadi : v  15  30000 t  e

st

 K a  K bt  s e

st

K b   K a s  30000
 2000 t

V

Dua Akar Riil Sama Besar, Tanggapan Alami

v  15  30000 t  e

 2000 t

V

15
10

v  30000 t e

 2000 t

5
0
0
-5
-10
-15

0.001

v  15 e

0.002

 2000 t

0.003

0.004

0.005

0.006

Dua akar kompleks konjugat
{b2 4ac } < 0
s1    j 

dan

s 2    j

Dua Akar Kompleks Konjugat
Akar-Akar Kompleks Konjugat
s1    j 

dan

s 2    j

Tanggapan lengkap akan berbentuk
y  y p  K 1e

(   j ) t

 K 2e

(   j ) t



 y p  K 1e

 j t

K 1 (cos  t  j sin  t )

 K 2e

 j t

e

t

K 2 (cos  t  j sin  t )

( K 1  K 2 ) cos  t  j ( K 1  K 2 ) sin  t

K a cos  t  K b sin  t

y  y p   K a cos  t  K b sin  t  e

t



Kondisi awal pertama: y ( 0 )  y p ( 0 )  K a

Kondisi awal kedua:





K a  y (0 )  y p (0 )



t
y ( 0 )  y p ( 0 )  {(  K b  K a  ) sin  t  ( K b    K a ) cos  t }e

 y p ( 0 )   K a   K b


 K a   K b  y  ( 0 )  y p ( 0 )

Dua Akar Kompleks Konjugat, Tanggapan Alami
Contoh-4.
1H

S 1 2
+


15 V

+
v


iC

0,25 F

i
1 k

Saklar S sudah lama pada posisi 1.
Pada t = 0 dipindah ke poisisi 2.
Carilah perubahan tegangan kapasitor.

(Diganti dengan 1 k dari contoh sebelumnya)

Pada t = 0+ : v ( 0  )  15 V ; i ( 0  )  0

vL

di

 iR  0

dt

Persamaan rangkaian untuk t > 0:
2

Karena i = iC = C dv/dt

d v

LC

dt

2

dt

Persamaan karakteristik:

2

2

3

 1  10

v0

dt

2

d v

dv

 RC

3

s  1  10 s  4  10

dv

 4  10 v  0

dt
6

0

6

Dua Akar Kompleks Konjugat, Tanggapan Alami
Persamaan

karakteris tik : s

2

 1000

dv

6

0

2

 4  10

 4  10

dt
akar - akar : s1 , s 2   500 

500

6

  500  j 500

15

dua akar kompleks konjugat
  j  dengan    500 ;   500

15

Tanggapan lengkap akan berbentuk:
v  0   K a cos  t  K b sin  t  e
Kondisi

awal pertama

Kondisi

awal kedua 



 v ( 0 )  15  K a
dv
dt



(0 )  0   K a   K b
 Kb 

Tanggapan

t



 K a




lengkap : v  15 cos( 500 15 t ) 

500  15
500



15

15



15 sin( 500 15 t ) e

 500 t

V

Dua Akar Kompleks Konjugat, Tanggapan Alami



v  15 cos( 500 15 t ) 



15 sin( 500 15 t ) e

 500 t

V

15

15 cos( 500 15 t

v 10
[V]
5

15 sin( 500 15 t )

t

0
0
-5
-10
-15

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

0.006

Dua Akar Kompleks Konjugat, Tanggapan Alami
Perbandingan tanggapan rangkaian:
Dua akar riil berbeda: sangat teredam, v  16 e  500 t  e  8000 t V
Dua akar riil sama besar : teredam kritis, v  15  30000 t  e  2000 t V

Dua akar kompleks konjugat : kurang teredam,



v  15 cos( 500 15 t ) 



15 sin( 500 15 t ) e

15
10
5
0
0
-5
-10
-15

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

0.006

 500 t

V

Tanggapan Rangkaian Terhadap Sinyal Sinus
Contoh Tanggapan Rangkaian Dengan Masukan Sinyal Sinus

vs =
26cos3t u(t) V

+


i
vs

5

1H
1

F

6

+
v



Rangkaian mendapat masukan
sinyal sinus yang muncul pada t = 0.
Tentukan perubahan tegangan dan
arus kapasitor, apabila kondisi awal
adalahi(0) = 2 A dan v(0) = 6 V

Pada t = 0+ : i(0+) = 2 A dan v(0+) = 6 V

Persamaan rangkaian untuk t > 0 :

 v s  Ri  L
dv

RC



di
dt

2

 LC

d i
2

dt

dt

5 dv

1 d v



2

d v
2

 v  vs

2

6 dt

dt

v0

5

6 dt

dv
dt

2

 v  26 cos 3 t

 6 v  156 cos 3 t

Tanggapan Rangkaian Terhadap Sinyal Sinus
Persamaan

2

karakteris tik : s  5 s  6  0  ( s  2 )( s  3 );
akar - akar : s1 , s 2   2 ,  3

Dugaan ta nggapan

paksa : v p  A c cos 3 t  A s sin 3 t
2

Persamaan rangkaian

d v
dt

2

5

dv

 6 v  156 cos 3 t

dt

   9 A c  15 A s  6 A c  cos 3 t    9 A s  15 A c  6 A s  sin 3 t  156 cos 3 t
  3 A c  15 A s  156
 Ac 

Tanggapan

156  0
 3  75

dan  15 A c  3 A s  0
  2 ; As 

5  156  0
75  3

 10

paksa : v p   2 cos 3 t  10 sin 3 t

Dugaan tan ggapan lengkap

: v   2 cos 3t  10 sin 3t  K 1 e

2t

 K 2e

 3t

masih harus ditentukan melalui
penerapan kondisi awal

Tanggapan Rangkaian Terhadap Sinyal Sinus


1 dv



awal : v ( 0 )  6 dan i ( 0 )  2 

Kondisi



(0 ) 

dv

6 dt
Aplikasi

kondisi

awal pertama

Aplikasi

kondisi

awal kedua :
 K1  6

Tanggapan

 i

1 dv

dt

: 6  2  K1  K 2  K 2  8  K1
12  30  2 K 1  3 K 2
 K2  2

: v   2 cos 3 t  10 sin 3 t  6 e

lengkap



( 0 )  12

 sin 3 t  5 cos 3 t  2 e

2t

e

 3t

2t

 2e

 3t

V

A

6 dt
30

v [V] 20
i [A]
10

Amplitudo tegangan
menurun

vs

Amplitudo arus
meningkat

v

0
-10 0
-20
-30

t [s]
i

2

4

6

8

10

Courseware
Analisis Transien Rangkaian Orde Ke-Dua

Sudaryatno Sudirham


Slide 13

Open Course

Selamat Belajar

oleh: Sudaryatno Sudirham

Tujuan
 mampu menurunkan persamaan rangkaian yang merupakan
rangkaian orde kedua.

 memahami bahwa tanggapan rangkaian terdiri dari tanggapan
paksa dan tanggapan alami yang mungkin berosilasi.
 mampu melakukan analisis transien pada rangkaian orde

kedua.

Bentuk Umum
Persamaan Rangkaian
Orde Ke-dua

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
2

a

d y
dt

2

b

dy

 cy  x ( t )

dt

y = tanggapan rangkaian yang dapat
berupa tegangan ataupun arus

fungsi pemaksa atau
fungsi penggerak.

tetapan a dan b ditentukan oleh nilainilai elemen yang membentuk rangkaian
Persamaan diferensial orde ke-dua muncul karena
rangkaian mengandung kapasitor dan induktor

dengan tegangan sebagai
peubah status

dengan arus
sebagai peubah status

sedangkan peubah dalam persamaan rangkaian
harus salah satu di ataranya, tegangan atau arus

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Tanggapan Alami
Tanggapan alami adalah solusi persamaan rangkaian di
mana x(t) bernilai nol:
2

a

d y
dt

2

b

dy

 cy  0

dt

Dugaan solusi y berbentuk fungsi eksponensial ya = Kest dengan nilai
K dan s yang masih harus ditentukan.
Kalau solusi ini dimasukkan ke persamaan, akan diperoleh
aKs
Ke

st

2

e

st

as

2

 bKse

st



 cKe

st

0

atau

 bs  c  0

Bagian ini yang harus bernilai nol yang
memberikan persamaan karakteristik
as

2

 bs  c  0

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
2

as  bs  c  0

Persamaan karakteristik yang berbentuk persamaan kwadrat itu
mempunyai dua akar yaitu
s1 , s 2 

2

b

b  4 ac
2a

Dengan adanya dua akar tersebut maka kita mempunyai
dua solusi homogen, yaitu
y a1  K 1e

s1 t

dan

ya 2  K 2e

s2t

dan tanggapan alami yang kita cari akan berbentuk
y a  K 1e

s1 t

 K 2e

s2t

Seperti halnya pada rangkaian orde pertama, tetapan-tetapan ini
diperoleh melalui penerapan kondisi awal pada tanggapan lengkap

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Tanggapan Paksa
Tanggapan paksa adalah solusi persamaan rangkaian di
mana x(t) 0:
2

a

d y
dt

2

b

dy

 cy  x ( t )

dt

Bentuk tanggapan paksa ditentukan oleh bentuk x(t)
sebagaimana telah diulas pada rangkaian orde pertama, yaitu
Jika x ( t )  0 , maka

yp  0

Jika x ( t )  A  konstan,
t

maka

Jika

x ( t )  Ae

Jika

x ( t )  A sin  t , maka

Jika

x ( t )  A cos  t , maka

y p  konstan  K

 eksponensi al, maka

y p  eksponensi al  Ke

y p  K c cos  t  K s sin  t
y p  K c cos  t  K s sin  t

Perhatikan : y  K c cos  t  K s sin  t adalah bentuk umum
fungsi sinus maupun

cosinus .

t

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Tanggapan Lengkap
Tanggapan lengkap adalah jumlah tanggapan alami
dan tanggapan paksa
y  y p  y a  y p  K 1e

s1t

 K 2e

s2t

Tetapan ini diperoleh melalui penerapan kondisi awal
Jika rangkaian mengandung C dan L, dua elemen
ini akan cenderung mempertahankan statusnya.
Jadi ada dua kondisi awal yang harus dipenuhi
yaitu




vC (0 )  vC (0 )

dan




iL (0 )  iL (0 )

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Kondisi Awal
Secara umum, kondisi awal adalah:




y (0 )  y (0 )

dan

dy





(0 )  y ' (0 )

dt

Nilai sesaat sebelum dan sesudah
penutupan/pembukaan saklar harus sama, dan
laju perubahan nilainya harus kontinyu
y

y

0

t

Pada rangkaian orde
pertama dy/dt(0+) tidak
perlu kontinyu

0

t

Pada rangkaian orde kedua dy/dt(0+)
harus kontinyu sebab ada d2y/dt2
dalam persamaan rangkaian yang
hanya terdefinisi jika dy/dt(0+) kontinyu

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Tiga Kemungkinan Bentuk Tanggapan
Persamaan karakteristik
as

2

 bs  c  0

dapat mempunyai tiga kemungkinan nilai akar, yaitu:
a). Dua akar riil berbeda, s1  s2, jika {b2 4ac } > 0;
b). Dua akar sama, s1 = s2 = s , jika {b24ac } = 0;

c). Dua akar kompleks konjugat s1,s2 =   j jika {b24ac } < 0.
Tiga kemungkinan akar ini akan memberikan tiga
kemungkinan bentuk tanggapan

Persamaan karakteristik dengan
dua akar riil berbeda,
s1  s2, {b2 4ac } > 0

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
Contoh-1
1H

S 1 2
+


15 V

+
v



iC
0,25 F

i
8,5 k

Saklar S telah lama berada pada posisi 1.
Pada t = 0 saklar dipindahkan ke posisi 2.
Carilah perubahan tegangan kapasitor.



Pada t = 0- : i ( 0 )  0 dan v ( 0 )  12 V

Persamaan Rangkaian pada t > 0 :  v  L

di

 Ri  0

dt

Karena i = -iC = -C dv/dt, maka:  v  LC

2

d v
dt

2

d v



dt

2



2

R dv

 RC

dt

2

0

dt


L dt

 8 ,5  10

v

0

LC

2

d v

dv

3

dv
dt

6

 4  10 v  0

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami

Persamaan karakteristik:

s

2

3

 8 , 5  10 s  4  10

 akar - akar : s1 , s 2   4250  10

3

6

0

2

( 4 , 25 )  4   500 ,  8000

 500 t
 8000 t
 K 2e
Dugaan tanggapan lengkap: v  0  K 1 e

Tak ada fungsi pemaksa

Kondisi awal: v C ( 0  )  15 V dan i L ( 0  )  0
Karena persamaan rangkaian menggunakan v
sebagai peubah maka kondisi awal arus iL(0+)
harus diubah menjadi dalam tegangan v






i L ( 0 )  iC ( 0 )  C

dv C ( 0 )



dv C ( 0 )
dt

0

dt

0

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
Kondisi awal:





v ( 0 )  15 V

dv ( 0 )

0

dt

 500 t
 8000 t
 K 2e
Dugaan tanggapan lengkap: v  0  K 1 e

0   500 K 1  8000 K 2

15  K1  K 2

0   500 K 1  8000 (15  K 1 )

K1 

8000  15

 16

K 2  1

7500

Tanggapan lengkap menjadi: v  16 e  500 t  e  8000 t V
(hanya ada tanggapan alami).

Ini adalah pelepasan muatan kapasitor pada
rangkaian R-L-C seri

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami

Tanggapan

lengkap : v  16 e

 500 t

e

 8000 t

V

16

v
[V] 12

v
8
4
0
0

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

-4

Perhatikan bahwa pada t = 0+ tegangan kapasitor adalah 15 V

Pada waktu kapasitor mulai melepaskan muatannya,
ada perlawanan dari induktor yang menyebabkan
penurunan tegangan pada saat-saat awal agak landai

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
Contoh-2

1H

S
+


19 V

+
v

iC



0,25 F

Saklar S telah lama tertutup.
Pada t = 0 saklar dibuka.
Tentukan perubahan tegangan
kapasitor dan arus induktor.

i
8,5 k

Sebelum saklar dibuka arus hanya melalui induktor. Dioda tidak konduksi.


i L (0 ) 

19
8500

Persamaan Rangkaian pada t > 0 :

i   iC   C



vC (0 )  0 V

 2 mA

dv C
dt

did 2 v
dv
L
 Ri 
0
vvLC
RC
0
dtdt 2
dt
2



d v
dt

2



R dv
L dt

dt

2

 8 ,5  10

0

LC

2

d v

v



3

dv
dt

6

 4  10 v  0

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
Persamaan

karkterist ik : s  8 ,5  10 s  4  10  0
2

3

 akar - akar : s1 , s 2   4250  10

Dugaan ta

nggapan

lengkap

3

6

( 4 , 25 )  4   500 ,  8000
2

: v  0  K 1e

 500 t

 K 2e

 8000 t

Tak ada fungsi pemaksa
Kondisi awal:



i L ( 0 )  2 mA



vC (0 )  0 V

dan

Karena persamaan rangkaian menggunakan v sebagai
peubah maka kondisi awal iL(0+) harus diubah menjadi
dalam v






 i L ( 0 )  iC ( 0 )  C


dv C ( 0 )
dt

 

dv C ( 0 )
dt
2  10
C

3

 2  10

3

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami


dv ( 0 )



Kondisi awal: v ( 0 )  0



dt

Dugaan ta

nggapan

2  10

6

0 , 25  10

: v  0  K 1e

lengkap

3

0  K1  K 2

 500 t

  8  10

 K 2e

3

 8000 t

 8000   500 K 1  8000 K 2

 8000   500 K 1  8000 K 1
K1 

Tegangan kapasitor menjadi

 8000

K 2   K1  1

  1, 06

7500

: v  1, 06 e

 500 t

 1e

 8000 t

V

Ini adalah pengisian kapasitor oleh arus
induktor pada rangkaian R-L-C seri
Arus induktor

: i L   iC   C
  133  10

dv

  0 , 25  10

dt
 3  500 t

e

 2e

6

 530 e

 8000 t

mA

 500 t

 8000 e

 8000 t



Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
Tanggapan lengkap : v  1, 06 e

 500 t

 1e

 8000 t

V

1

v
[V]

0. 5

0
0

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

-0. 5

-1

Perhatikan bahwa pada awalnya tegangan kapasitor naik
karena menerima pelepasan energi dari induktor

Kenaikan tegangan kapasitor mencapai puncak kemudian
menurun karena ia melepaskan muatan yang pada awalnya
diterima.

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
v  16 e

 500 t

e

 8000 t

v  1, 06 e

V

16

 500 t

 1e

 8000 t

V

1

v [V]

Pelepasan energi induktor

v

12

[V]

v

8

0. 5
0
0

4

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

-0. 5

0
0

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

-1

-4

Untuk kedua peristiwa ini yang di-plot terhadap waktu adalah tegangan kapasitor
Seandainya tidak ada induktor, penurunan tegangan kapasitor akan terjadi
dengan konstanta waktu

  RC  8500  0 . 25  10

6

 2125  10

-6

atau 1/ = 470,6. Tetapi karena ada induktor, konstanta waktu menjadi lebih kecil
sehingga 1/ = 500. Inilah yang terlihat pada suku pertama v.
Suku ke-dua v adalah pengaruh induktor, yang jika tidak ada kapasitor nilai 1/
= R/L = 8500. Karena ada kapasitor nilai ini menjadi 8000 pada suku ke-dua v.

Persamaan Karakteristik Memiliki Dua Akar
Riil Sama Besar
s1 = s2, {b2 4ac } = 0

Dua Akar Riil Sama Besar
Dua akar yang sama besar dapat kita tuliskan sebagai
s1  s

dan

s 2  s   ; dengan   0

Tanggapan lengkap akan berbentuk
y  y p  K 1e

s1t

 K 2e

s2t

st

 y p  K 1e

Tanggapan paksa

Kondisi awal pertama

 K 2e

( s   )t

Tanggapan alami

Kondisi awal kedua







y ( 0 )  y p ( 0 )  K 1 s  K 2 ( s   )







y ( 0 )  y p ( 0 )  ( K 1  K 2 ) s  K 2   B 0

y (0 )  y p (0 )  K 1  K 2
y ( 0 )  y p ( 0 )  K 1  K 2  A0

A0 s  K 2   B 0



K2 

B 0  A0 s


dan

K 1  A0 

B 0  A0 s


Dua Akar Riil Sama Besar
Tanggapan lengkap menjadi

 1 e  t   st
 e
y  y p   A0  ( B 0  A0 s )   
 
  


t
 1
 e t  1 
e 

t
lim  
 lim 







 0
 0





y  y p   A0  ( B 0  A0 s ) t  e

y  y p  K a  K b t  e

ditentukan oleh kondisi awal

st

st

ditentukan oleh kondisi awal dan s
s sendiri ditentukan oleh nilai elemenelemen yang membentuk rangkaian dan
tidak ada kaitannya dengan kondisi awal

Dua Akar Riil Sama Besar, Tanggapan Alami
Contoh-3.
1H

S 1 2
+


15 V

+
v



iC
0,25 F

i
4 k

Sakalar telah lama di posisi 1. Pada t
= 0 di pindah ke posisi 2. Tentukan
perubahan tegangan kapasitor.

(Diganti dengan 4 k dari contoh sebelumnya)


Sebelum saklar dipindahkan: v ( 0 )  15 V ; i ( 0 )  0

di

Persamaan rangkaian untuk t > 0:  v  L

 iR  0

dt
2

Karena i =  iC = C dv/dt

LC

d v
dt

2

 RC

dt

Persamaan karakteristik:

2

3

2

 4  10

s  4  10 s  4  10

v0

dt

2

d v

dv

3

dv
dt

6

0

 4  10 v  0
6

Dua Akar Riil Sama Besar, Tanggapan Alami
Persamaan

2

karakteris tik : s  4000 s  4  10
akar - akar : s1 , s 2   2000 

Karena persamaan
maka tanggapan

karakteris tik memiliki

6

0

4  10

6

 4  10

6

  2000  s

akar sama besar

lengkap akan berbentuk :
v  v p  K a  K b t  e

st

 0  K a  K b t  e

st

Tak ada fungsi pemaksa

Kondisi
Kondisi

awal pertama
awal kedua



dv
dt



dv
dt





v ( 0 )  v ( 0 )  v ( 0 )  15  K a .


(0 )  0 

dv
dt

 K be



(0 )  0  K b  K a s 

 Jadi : v  15  30000 t  e

st

 K a  K bt  s e

st

K b   K a s  30000
 2000 t

V

Dua Akar Riil Sama Besar, Tanggapan Alami

v  15  30000 t  e

 2000 t

V

15
10

v  30000 t e

 2000 t

5
0
0
-5
-10
-15

0.001

v  15 e

0.002

 2000 t

0.003

0.004

0.005

0.006

Dua akar kompleks konjugat
{b2 4ac } < 0
s1    j 

dan

s 2    j

Dua Akar Kompleks Konjugat
Akar-Akar Kompleks Konjugat
s1    j 

dan

s 2    j

Tanggapan lengkap akan berbentuk
y  y p  K 1e

(   j ) t

 K 2e

(   j ) t



 y p  K 1e

 j t

K 1 (cos  t  j sin  t )

 K 2e

 j t

e

t

K 2 (cos  t  j sin  t )

( K 1  K 2 ) cos  t  j ( K 1  K 2 ) sin  t

K a cos  t  K b sin  t

y  y p   K a cos  t  K b sin  t  e

t



Kondisi awal pertama: y ( 0 )  y p ( 0 )  K a

Kondisi awal kedua:





K a  y (0 )  y p (0 )



t
y ( 0 )  y p ( 0 )  {(  K b  K a  ) sin  t  ( K b    K a ) cos  t }e

 y p ( 0 )   K a   K b


 K a   K b  y  ( 0 )  y p ( 0 )

Dua Akar Kompleks Konjugat, Tanggapan Alami
Contoh-4.
1H

S 1 2
+


15 V

+
v


iC

0,25 F

i
1 k

Saklar S sudah lama pada posisi 1.
Pada t = 0 dipindah ke poisisi 2.
Carilah perubahan tegangan kapasitor.

(Diganti dengan 1 k dari contoh sebelumnya)

Pada t = 0+ : v ( 0  )  15 V ; i ( 0  )  0

vL

di

 iR  0

dt

Persamaan rangkaian untuk t > 0:
2

Karena i = iC = C dv/dt

d v

LC

dt

2

dt

Persamaan karakteristik:

2

2

3

 1  10

v0

dt

2

d v

dv

 RC

3

s  1  10 s  4  10

dv

 4  10 v  0

dt
6

0

6

Dua Akar Kompleks Konjugat, Tanggapan Alami
Persamaan

karakteris tik : s

2

 1000

dv

6

0

2

 4  10

 4  10

dt
akar - akar : s1 , s 2   500 

500

6

  500  j 500

15

dua akar kompleks konjugat
  j  dengan    500 ;   500

15

Tanggapan lengkap akan berbentuk:
v  0   K a cos  t  K b sin  t  e
Kondisi

awal pertama

Kondisi

awal kedua 



 v ( 0 )  15  K a
dv
dt



(0 )  0   K a   K b
 Kb 

Tanggapan

t



 K a




lengkap : v  15 cos( 500 15 t ) 

500  15
500



15

15



15 sin( 500 15 t ) e

 500 t

V

Dua Akar Kompleks Konjugat, Tanggapan Alami



v  15 cos( 500 15 t ) 



15 sin( 500 15 t ) e

 500 t

V

15

15 cos( 500 15 t

v 10
[V]
5

15 sin( 500 15 t )

t

0
0
-5
-10
-15

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

0.006

Dua Akar Kompleks Konjugat, Tanggapan Alami
Perbandingan tanggapan rangkaian:
Dua akar riil berbeda: sangat teredam, v  16 e  500 t  e  8000 t V
Dua akar riil sama besar : teredam kritis, v  15  30000 t  e  2000 t V

Dua akar kompleks konjugat : kurang teredam,



v  15 cos( 500 15 t ) 



15 sin( 500 15 t ) e

15
10
5
0
0
-5
-10
-15

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

0.006

 500 t

V

Tanggapan Rangkaian Terhadap Sinyal Sinus
Contoh Tanggapan Rangkaian Dengan Masukan Sinyal Sinus

vs =
26cos3t u(t) V

+


i
vs

5

1H
1

F

6

+
v



Rangkaian mendapat masukan
sinyal sinus yang muncul pada t = 0.
Tentukan perubahan tegangan dan
arus kapasitor, apabila kondisi awal
adalahi(0) = 2 A dan v(0) = 6 V

Pada t = 0+ : i(0+) = 2 A dan v(0+) = 6 V

Persamaan rangkaian untuk t > 0 :

 v s  Ri  L
dv

RC



di
dt

2

 LC

d i
2

dt

dt

5 dv

1 d v



2

d v
2

 v  vs

2

6 dt

dt

v0

5

6 dt

dv
dt

2

 v  26 cos 3 t

 6 v  156 cos 3 t

Tanggapan Rangkaian Terhadap Sinyal Sinus
Persamaan

2

karakteris tik : s  5 s  6  0  ( s  2 )( s  3 );
akar - akar : s1 , s 2   2 ,  3

Dugaan ta nggapan

paksa : v p  A c cos 3 t  A s sin 3 t
2

Persamaan rangkaian

d v
dt

2

5

dv

 6 v  156 cos 3 t

dt

   9 A c  15 A s  6 A c  cos 3 t    9 A s  15 A c  6 A s  sin 3 t  156 cos 3 t
  3 A c  15 A s  156
 Ac 

Tanggapan

156  0
 3  75

dan  15 A c  3 A s  0
  2 ; As 

5  156  0
75  3

 10

paksa : v p   2 cos 3 t  10 sin 3 t

Dugaan tan ggapan lengkap

: v   2 cos 3t  10 sin 3t  K 1 e

2t

 K 2e

 3t

masih harus ditentukan melalui
penerapan kondisi awal

Tanggapan Rangkaian Terhadap Sinyal Sinus


1 dv



awal : v ( 0 )  6 dan i ( 0 )  2 

Kondisi



(0 ) 

dv

6 dt
Aplikasi

kondisi

awal pertama

Aplikasi

kondisi

awal kedua :
 K1  6

Tanggapan

 i

1 dv

dt

: 6  2  K1  K 2  K 2  8  K1
12  30  2 K 1  3 K 2
 K2  2

: v   2 cos 3 t  10 sin 3 t  6 e

lengkap



( 0 )  12

 sin 3 t  5 cos 3 t  2 e

2t

e

 3t

2t

 2e

 3t

V

A

6 dt
30

v [V] 20
i [A]
10

Amplitudo tegangan
menurun

vs

Amplitudo arus
meningkat

v

0
-10 0
-20
-30

t [s]
i

2

4

6

8

10

Courseware
Analisis Transien Rangkaian Orde Ke-Dua

Sudaryatno Sudirham


Slide 14

Open Course

Selamat Belajar

oleh: Sudaryatno Sudirham

Tujuan
 mampu menurunkan persamaan rangkaian yang merupakan
rangkaian orde kedua.

 memahami bahwa tanggapan rangkaian terdiri dari tanggapan
paksa dan tanggapan alami yang mungkin berosilasi.
 mampu melakukan analisis transien pada rangkaian orde

kedua.

Bentuk Umum
Persamaan Rangkaian
Orde Ke-dua

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
2

a

d y
dt

2

b

dy

 cy  x ( t )

dt

y = tanggapan rangkaian yang dapat
berupa tegangan ataupun arus

fungsi pemaksa atau
fungsi penggerak.

tetapan a dan b ditentukan oleh nilainilai elemen yang membentuk rangkaian
Persamaan diferensial orde ke-dua muncul karena
rangkaian mengandung kapasitor dan induktor

dengan tegangan sebagai
peubah status

dengan arus
sebagai peubah status

sedangkan peubah dalam persamaan rangkaian
harus salah satu di ataranya, tegangan atau arus

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Tanggapan Alami
Tanggapan alami adalah solusi persamaan rangkaian di
mana x(t) bernilai nol:
2

a

d y
dt

2

b

dy

 cy  0

dt

Dugaan solusi y berbentuk fungsi eksponensial ya = Kest dengan nilai
K dan s yang masih harus ditentukan.
Kalau solusi ini dimasukkan ke persamaan, akan diperoleh
aKs
Ke

st

2

e

st

as

2

 bKse

st



 cKe

st

0

atau

 bs  c  0

Bagian ini yang harus bernilai nol yang
memberikan persamaan karakteristik
as

2

 bs  c  0

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
2

as  bs  c  0

Persamaan karakteristik yang berbentuk persamaan kwadrat itu
mempunyai dua akar yaitu
s1 , s 2 

2

b

b  4 ac
2a

Dengan adanya dua akar tersebut maka kita mempunyai
dua solusi homogen, yaitu
y a1  K 1e

s1 t

dan

ya 2  K 2e

s2t

dan tanggapan alami yang kita cari akan berbentuk
y a  K 1e

s1 t

 K 2e

s2t

Seperti halnya pada rangkaian orde pertama, tetapan-tetapan ini
diperoleh melalui penerapan kondisi awal pada tanggapan lengkap

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Tanggapan Paksa
Tanggapan paksa adalah solusi persamaan rangkaian di
mana x(t) 0:
2

a

d y
dt

2

b

dy

 cy  x ( t )

dt

Bentuk tanggapan paksa ditentukan oleh bentuk x(t)
sebagaimana telah diulas pada rangkaian orde pertama, yaitu
Jika x ( t )  0 , maka

yp  0

Jika x ( t )  A  konstan,
t

maka

Jika

x ( t )  Ae

Jika

x ( t )  A sin  t , maka

Jika

x ( t )  A cos  t , maka

y p  konstan  K

 eksponensi al, maka

y p  eksponensi al  Ke

y p  K c cos  t  K s sin  t
y p  K c cos  t  K s sin  t

Perhatikan : y  K c cos  t  K s sin  t adalah bentuk umum
fungsi sinus maupun

cosinus .

t

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Tanggapan Lengkap
Tanggapan lengkap adalah jumlah tanggapan alami
dan tanggapan paksa
y  y p  y a  y p  K 1e

s1t

 K 2e

s2t

Tetapan ini diperoleh melalui penerapan kondisi awal
Jika rangkaian mengandung C dan L, dua elemen
ini akan cenderung mempertahankan statusnya.
Jadi ada dua kondisi awal yang harus dipenuhi
yaitu




vC (0 )  vC (0 )

dan




iL (0 )  iL (0 )

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Kondisi Awal
Secara umum, kondisi awal adalah:




y (0 )  y (0 )

dan

dy





(0 )  y ' (0 )

dt

Nilai sesaat sebelum dan sesudah
penutupan/pembukaan saklar harus sama, dan
laju perubahan nilainya harus kontinyu
y

y

0

t

Pada rangkaian orde
pertama dy/dt(0+) tidak
perlu kontinyu

0

t

Pada rangkaian orde kedua dy/dt(0+)
harus kontinyu sebab ada d2y/dt2
dalam persamaan rangkaian yang
hanya terdefinisi jika dy/dt(0+) kontinyu

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Tiga Kemungkinan Bentuk Tanggapan
Persamaan karakteristik
as

2

 bs  c  0

dapat mempunyai tiga kemungkinan nilai akar, yaitu:
a). Dua akar riil berbeda, s1  s2, jika {b2 4ac } > 0;
b). Dua akar sama, s1 = s2 = s , jika {b24ac } = 0;

c). Dua akar kompleks konjugat s1,s2 =   j jika {b24ac } < 0.
Tiga kemungkinan akar ini akan memberikan tiga
kemungkinan bentuk tanggapan

Persamaan karakteristik dengan
dua akar riil berbeda,
s1  s2, {b2 4ac } > 0

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
Contoh-1
1H

S 1 2
+


15 V

+
v



iC
0,25 F

i
8,5 k

Saklar S telah lama berada pada posisi 1.
Pada t = 0 saklar dipindahkan ke posisi 2.
Carilah perubahan tegangan kapasitor.



Pada t = 0- : i ( 0 )  0 dan v ( 0 )  12 V

Persamaan Rangkaian pada t > 0 :  v  L

di

 Ri  0

dt

Karena i = -iC = -C dv/dt, maka:  v  LC

2

d v
dt

2

d v



dt

2



2

R dv

 RC

dt

2

0

dt


L dt

 8 ,5  10

v

0

LC

2

d v

dv

3

dv
dt

6

 4  10 v  0

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami

Persamaan karakteristik:

s

2

3

 8 , 5  10 s  4  10

 akar - akar : s1 , s 2   4250  10

3

6

0

2

( 4 , 25 )  4   500 ,  8000

 500 t
 8000 t
 K 2e
Dugaan tanggapan lengkap: v  0  K 1 e

Tak ada fungsi pemaksa

Kondisi awal: v C ( 0  )  15 V dan i L ( 0  )  0
Karena persamaan rangkaian menggunakan v
sebagai peubah maka kondisi awal arus iL(0+)
harus diubah menjadi dalam tegangan v






i L ( 0 )  iC ( 0 )  C

dv C ( 0 )



dv C ( 0 )
dt

0

dt

0

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
Kondisi awal:





v ( 0 )  15 V

dv ( 0 )

0

dt

 500 t
 8000 t
 K 2e
Dugaan tanggapan lengkap: v  0  K 1 e

0   500 K 1  8000 K 2

15  K1  K 2

0   500 K 1  8000 (15  K 1 )

K1 

8000  15

 16

K 2  1

7500

Tanggapan lengkap menjadi: v  16 e  500 t  e  8000 t V
(hanya ada tanggapan alami).

Ini adalah pelepasan muatan kapasitor pada
rangkaian R-L-C seri

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami

Tanggapan

lengkap : v  16 e

 500 t

e

 8000 t

V

16

v
[V] 12

v
8
4
0
0

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

-4

Perhatikan bahwa pada t = 0+ tegangan kapasitor adalah 15 V

Pada waktu kapasitor mulai melepaskan muatannya,
ada perlawanan dari induktor yang menyebabkan
penurunan tegangan pada saat-saat awal agak landai

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
Contoh-2

1H

S
+


19 V

+
v

iC



0,25 F

Saklar S telah lama tertutup.
Pada t = 0 saklar dibuka.
Tentukan perubahan tegangan
kapasitor dan arus induktor.

i
8,5 k

Sebelum saklar dibuka arus hanya melalui induktor. Dioda tidak konduksi.


i L (0 ) 

19
8500

Persamaan Rangkaian pada t > 0 :

i   iC   C



vC (0 )  0 V

 2 mA

dv C
dt

did 2 v
dv
L
 Ri 
0
vvLC
RC
0
dtdt 2
dt
2



d v
dt

2



R dv
L dt

dt

2

 8 ,5  10

0

LC

2

d v

v



3

dv
dt

6

 4  10 v  0

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
Persamaan

karkterist ik : s  8 ,5  10 s  4  10  0
2

3

 akar - akar : s1 , s 2   4250  10

Dugaan ta

nggapan

lengkap

3

6

( 4 , 25 )  4   500 ,  8000
2

: v  0  K 1e

 500 t

 K 2e

 8000 t

Tak ada fungsi pemaksa
Kondisi awal:



i L ( 0 )  2 mA



vC (0 )  0 V

dan

Karena persamaan rangkaian menggunakan v sebagai
peubah maka kondisi awal iL(0+) harus diubah menjadi
dalam v






 i L ( 0 )  iC ( 0 )  C


dv C ( 0 )
dt

 

dv C ( 0 )
dt
2  10
C

3

 2  10

3

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami


dv ( 0 )



Kondisi awal: v ( 0 )  0



dt

Dugaan ta

nggapan

2  10

6

0 , 25  10

: v  0  K 1e

lengkap

3

0  K1  K 2

 500 t

  8  10

 K 2e

3

 8000 t

 8000   500 K 1  8000 K 2

 8000   500 K 1  8000 K 1
K1 

Tegangan kapasitor menjadi

 8000

K 2   K1  1

  1, 06

7500

: v  1, 06 e

 500 t

 1e

 8000 t

V

Ini adalah pengisian kapasitor oleh arus
induktor pada rangkaian R-L-C seri
Arus induktor

: i L   iC   C
  133  10

dv

  0 , 25  10

dt
 3  500 t

e

 2e

6

 530 e

 8000 t

mA

 500 t

 8000 e

 8000 t



Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
Tanggapan lengkap : v  1, 06 e

 500 t

 1e

 8000 t

V

1

v
[V]

0. 5

0
0

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

-0. 5

-1

Perhatikan bahwa pada awalnya tegangan kapasitor naik
karena menerima pelepasan energi dari induktor

Kenaikan tegangan kapasitor mencapai puncak kemudian
menurun karena ia melepaskan muatan yang pada awalnya
diterima.

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
v  16 e

 500 t

e

 8000 t

v  1, 06 e

V

16

 500 t

 1e

 8000 t

V

1

v [V]

Pelepasan energi induktor

v

12

[V]

v

8

0. 5
0
0

4

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

-0. 5

0
0

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

-1

-4

Untuk kedua peristiwa ini yang di-plot terhadap waktu adalah tegangan kapasitor
Seandainya tidak ada induktor, penurunan tegangan kapasitor akan terjadi
dengan konstanta waktu

  RC  8500  0 . 25  10

6

 2125  10

-6

atau 1/ = 470,6. Tetapi karena ada induktor, konstanta waktu menjadi lebih kecil
sehingga 1/ = 500. Inilah yang terlihat pada suku pertama v.
Suku ke-dua v adalah pengaruh induktor, yang jika tidak ada kapasitor nilai 1/
= R/L = 8500. Karena ada kapasitor nilai ini menjadi 8000 pada suku ke-dua v.

Persamaan Karakteristik Memiliki Dua Akar
Riil Sama Besar
s1 = s2, {b2 4ac } = 0

Dua Akar Riil Sama Besar
Dua akar yang sama besar dapat kita tuliskan sebagai
s1  s

dan

s 2  s   ; dengan   0

Tanggapan lengkap akan berbentuk
y  y p  K 1e

s1t

 K 2e

s2t

st

 y p  K 1e

Tanggapan paksa

Kondisi awal pertama

 K 2e

( s   )t

Tanggapan alami

Kondisi awal kedua







y ( 0 )  y p ( 0 )  K 1 s  K 2 ( s   )







y ( 0 )  y p ( 0 )  ( K 1  K 2 ) s  K 2   B 0

y (0 )  y p (0 )  K 1  K 2
y ( 0 )  y p ( 0 )  K 1  K 2  A0

A0 s  K 2   B 0



K2 

B 0  A0 s


dan

K 1  A0 

B 0  A0 s


Dua Akar Riil Sama Besar
Tanggapan lengkap menjadi

 1 e  t   st
 e
y  y p   A0  ( B 0  A0 s )   
 
  


t
 1
 e t  1 
e 

t
lim  
 lim 







 0
 0





y  y p   A0  ( B 0  A0 s ) t  e

y  y p  K a  K b t  e

ditentukan oleh kondisi awal

st

st

ditentukan oleh kondisi awal dan s
s sendiri ditentukan oleh nilai elemenelemen yang membentuk rangkaian dan
tidak ada kaitannya dengan kondisi awal

Dua Akar Riil Sama Besar, Tanggapan Alami
Contoh-3.
1H

S 1 2
+


15 V

+
v



iC
0,25 F

i
4 k

Sakalar telah lama di posisi 1. Pada t
= 0 di pindah ke posisi 2. Tentukan
perubahan tegangan kapasitor.

(Diganti dengan 4 k dari contoh sebelumnya)


Sebelum saklar dipindahkan: v ( 0 )  15 V ; i ( 0 )  0

di

Persamaan rangkaian untuk t > 0:  v  L

 iR  0

dt
2

Karena i =  iC = C dv/dt

LC

d v
dt

2

 RC

dt

Persamaan karakteristik:

2

3

2

 4  10

s  4  10 s  4  10

v0

dt

2

d v

dv

3

dv
dt

6

0

 4  10 v  0
6

Dua Akar Riil Sama Besar, Tanggapan Alami
Persamaan

2

karakteris tik : s  4000 s  4  10
akar - akar : s1 , s 2   2000 

Karena persamaan
maka tanggapan

karakteris tik memiliki

6

0

4  10

6

 4  10

6

  2000  s

akar sama besar

lengkap akan berbentuk :
v  v p  K a  K b t  e

st

 0  K a  K b t  e

st

Tak ada fungsi pemaksa

Kondisi
Kondisi

awal pertama
awal kedua



dv
dt



dv
dt





v ( 0 )  v ( 0 )  v ( 0 )  15  K a .


(0 )  0 

dv
dt

 K be



(0 )  0  K b  K a s 

 Jadi : v  15  30000 t  e

st

 K a  K bt  s e

st

K b   K a s  30000
 2000 t

V

Dua Akar Riil Sama Besar, Tanggapan Alami

v  15  30000 t  e

 2000 t

V

15
10

v  30000 t e

 2000 t

5
0
0
-5
-10
-15

0.001

v  15 e

0.002

 2000 t

0.003

0.004

0.005

0.006

Dua akar kompleks konjugat
{b2 4ac } < 0
s1    j 

dan

s 2    j

Dua Akar Kompleks Konjugat
Akar-Akar Kompleks Konjugat
s1    j 

dan

s 2    j

Tanggapan lengkap akan berbentuk
y  y p  K 1e

(   j ) t

 K 2e

(   j ) t



 y p  K 1e

 j t

K 1 (cos  t  j sin  t )

 K 2e

 j t

e

t

K 2 (cos  t  j sin  t )

( K 1  K 2 ) cos  t  j ( K 1  K 2 ) sin  t

K a cos  t  K b sin  t

y  y p   K a cos  t  K b sin  t  e

t



Kondisi awal pertama: y ( 0 )  y p ( 0 )  K a

Kondisi awal kedua:





K a  y (0 )  y p (0 )



t
y ( 0 )  y p ( 0 )  {(  K b  K a  ) sin  t  ( K b    K a ) cos  t }e

 y p ( 0 )   K a   K b


 K a   K b  y  ( 0 )  y p ( 0 )

Dua Akar Kompleks Konjugat, Tanggapan Alami
Contoh-4.
1H

S 1 2
+


15 V

+
v


iC

0,25 F

i
1 k

Saklar S sudah lama pada posisi 1.
Pada t = 0 dipindah ke poisisi 2.
Carilah perubahan tegangan kapasitor.

(Diganti dengan 1 k dari contoh sebelumnya)

Pada t = 0+ : v ( 0  )  15 V ; i ( 0  )  0

vL

di

 iR  0

dt

Persamaan rangkaian untuk t > 0:
2

Karena i = iC = C dv/dt

d v

LC

dt

2

dt

Persamaan karakteristik:

2

2

3

 1  10

v0

dt

2

d v

dv

 RC

3

s  1  10 s  4  10

dv

 4  10 v  0

dt
6

0

6

Dua Akar Kompleks Konjugat, Tanggapan Alami
Persamaan

karakteris tik : s

2

 1000

dv

6

0

2

 4  10

 4  10

dt
akar - akar : s1 , s 2   500 

500

6

  500  j 500

15

dua akar kompleks konjugat
  j  dengan    500 ;   500

15

Tanggapan lengkap akan berbentuk:
v  0   K a cos  t  K b sin  t  e
Kondisi

awal pertama

Kondisi

awal kedua 



 v ( 0 )  15  K a
dv
dt



(0 )  0   K a   K b
 Kb 

Tanggapan

t



 K a




lengkap : v  15 cos( 500 15 t ) 

500  15
500



15

15



15 sin( 500 15 t ) e

 500 t

V

Dua Akar Kompleks Konjugat, Tanggapan Alami



v  15 cos( 500 15 t ) 



15 sin( 500 15 t ) e

 500 t

V

15

15 cos( 500 15 t

v 10
[V]
5

15 sin( 500 15 t )

t

0
0
-5
-10
-15

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

0.006

Dua Akar Kompleks Konjugat, Tanggapan Alami
Perbandingan tanggapan rangkaian:
Dua akar riil berbeda: sangat teredam, v  16 e  500 t  e  8000 t V
Dua akar riil sama besar : teredam kritis, v  15  30000 t  e  2000 t V

Dua akar kompleks konjugat : kurang teredam,



v  15 cos( 500 15 t ) 



15 sin( 500 15 t ) e

15
10
5
0
0
-5
-10
-15

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

0.006

 500 t

V

Tanggapan Rangkaian Terhadap Sinyal Sinus
Contoh Tanggapan Rangkaian Dengan Masukan Sinyal Sinus

vs =
26cos3t u(t) V

+


i
vs

5

1H
1

F

6

+
v



Rangkaian mendapat masukan
sinyal sinus yang muncul pada t = 0.
Tentukan perubahan tegangan dan
arus kapasitor, apabila kondisi awal
adalahi(0) = 2 A dan v(0) = 6 V

Pada t = 0+ : i(0+) = 2 A dan v(0+) = 6 V

Persamaan rangkaian untuk t > 0 :

 v s  Ri  L
dv

RC



di
dt

2

 LC

d i
2

dt

dt

5 dv

1 d v



2

d v
2

 v  vs

2

6 dt

dt

v0

5

6 dt

dv
dt

2

 v  26 cos 3 t

 6 v  156 cos 3 t

Tanggapan Rangkaian Terhadap Sinyal Sinus
Persamaan

2

karakteris tik : s  5 s  6  0  ( s  2 )( s  3 );
akar - akar : s1 , s 2   2 ,  3

Dugaan ta nggapan

paksa : v p  A c cos 3 t  A s sin 3 t
2

Persamaan rangkaian

d v
dt

2

5

dv

 6 v  156 cos 3 t

dt

   9 A c  15 A s  6 A c  cos 3 t    9 A s  15 A c  6 A s  sin 3 t  156 cos 3 t
  3 A c  15 A s  156
 Ac 

Tanggapan

156  0
 3  75

dan  15 A c  3 A s  0
  2 ; As 

5  156  0
75  3

 10

paksa : v p   2 cos 3 t  10 sin 3 t

Dugaan tan ggapan lengkap

: v   2 cos 3t  10 sin 3t  K 1 e

2t

 K 2e

 3t

masih harus ditentukan melalui
penerapan kondisi awal

Tanggapan Rangkaian Terhadap Sinyal Sinus


1 dv



awal : v ( 0 )  6 dan i ( 0 )  2 

Kondisi



(0 ) 

dv

6 dt
Aplikasi

kondisi

awal pertama

Aplikasi

kondisi

awal kedua :
 K1  6

Tanggapan

 i

1 dv

dt

: 6  2  K1  K 2  K 2  8  K1
12  30  2 K 1  3 K 2
 K2  2

: v   2 cos 3 t  10 sin 3 t  6 e

lengkap



( 0 )  12

 sin 3 t  5 cos 3 t  2 e

2t

e

 3t

2t

 2e

 3t

V

A

6 dt
30

v [V] 20
i [A]
10

Amplitudo tegangan
menurun

vs

Amplitudo arus
meningkat

v

0
-10 0
-20
-30

t [s]
i

2

4

6

8

10

Courseware
Analisis Transien Rangkaian Orde Ke-Dua

Sudaryatno Sudirham


Slide 15

Open Course

Selamat Belajar

oleh: Sudaryatno Sudirham

Tujuan
 mampu menurunkan persamaan rangkaian yang merupakan
rangkaian orde kedua.

 memahami bahwa tanggapan rangkaian terdiri dari tanggapan
paksa dan tanggapan alami yang mungkin berosilasi.
 mampu melakukan analisis transien pada rangkaian orde

kedua.

Bentuk Umum
Persamaan Rangkaian
Orde Ke-dua

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
2

a

d y
dt

2

b

dy

 cy  x ( t )

dt

y = tanggapan rangkaian yang dapat
berupa tegangan ataupun arus

fungsi pemaksa atau
fungsi penggerak.

tetapan a dan b ditentukan oleh nilainilai elemen yang membentuk rangkaian
Persamaan diferensial orde ke-dua muncul karena
rangkaian mengandung kapasitor dan induktor

dengan tegangan sebagai
peubah status

dengan arus
sebagai peubah status

sedangkan peubah dalam persamaan rangkaian
harus salah satu di ataranya, tegangan atau arus

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Tanggapan Alami
Tanggapan alami adalah solusi persamaan rangkaian di
mana x(t) bernilai nol:
2

a

d y
dt

2

b

dy

 cy  0

dt

Dugaan solusi y berbentuk fungsi eksponensial ya = Kest dengan nilai
K dan s yang masih harus ditentukan.
Kalau solusi ini dimasukkan ke persamaan, akan diperoleh
aKs
Ke

st

2

e

st

as

2

 bKse

st



 cKe

st

0

atau

 bs  c  0

Bagian ini yang harus bernilai nol yang
memberikan persamaan karakteristik
as

2

 bs  c  0

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
2

as  bs  c  0

Persamaan karakteristik yang berbentuk persamaan kwadrat itu
mempunyai dua akar yaitu
s1 , s 2 

2

b

b  4 ac
2a

Dengan adanya dua akar tersebut maka kita mempunyai
dua solusi homogen, yaitu
y a1  K 1e

s1 t

dan

ya 2  K 2e

s2t

dan tanggapan alami yang kita cari akan berbentuk
y a  K 1e

s1 t

 K 2e

s2t

Seperti halnya pada rangkaian orde pertama, tetapan-tetapan ini
diperoleh melalui penerapan kondisi awal pada tanggapan lengkap

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Tanggapan Paksa
Tanggapan paksa adalah solusi persamaan rangkaian di
mana x(t) 0:
2

a

d y
dt

2

b

dy

 cy  x ( t )

dt

Bentuk tanggapan paksa ditentukan oleh bentuk x(t)
sebagaimana telah diulas pada rangkaian orde pertama, yaitu
Jika x ( t )  0 , maka

yp  0

Jika x ( t )  A  konstan,
t

maka

Jika

x ( t )  Ae

Jika

x ( t )  A sin  t , maka

Jika

x ( t )  A cos  t , maka

y p  konstan  K

 eksponensi al, maka

y p  eksponensi al  Ke

y p  K c cos  t  K s sin  t
y p  K c cos  t  K s sin  t

Perhatikan : y  K c cos  t  K s sin  t adalah bentuk umum
fungsi sinus maupun

cosinus .

t

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Tanggapan Lengkap
Tanggapan lengkap adalah jumlah tanggapan alami
dan tanggapan paksa
y  y p  y a  y p  K 1e

s1t

 K 2e

s2t

Tetapan ini diperoleh melalui penerapan kondisi awal
Jika rangkaian mengandung C dan L, dua elemen
ini akan cenderung mempertahankan statusnya.
Jadi ada dua kondisi awal yang harus dipenuhi
yaitu




vC (0 )  vC (0 )

dan




iL (0 )  iL (0 )

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Kondisi Awal
Secara umum, kondisi awal adalah:




y (0 )  y (0 )

dan

dy





(0 )  y ' (0 )

dt

Nilai sesaat sebelum dan sesudah
penutupan/pembukaan saklar harus sama, dan
laju perubahan nilainya harus kontinyu
y

y

0

t

Pada rangkaian orde
pertama dy/dt(0+) tidak
perlu kontinyu

0

t

Pada rangkaian orde kedua dy/dt(0+)
harus kontinyu sebab ada d2y/dt2
dalam persamaan rangkaian yang
hanya terdefinisi jika dy/dt(0+) kontinyu

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Tiga Kemungkinan Bentuk Tanggapan
Persamaan karakteristik
as

2

 bs  c  0

dapat mempunyai tiga kemungkinan nilai akar, yaitu:
a). Dua akar riil berbeda, s1  s2, jika {b2 4ac } > 0;
b). Dua akar sama, s1 = s2 = s , jika {b24ac } = 0;

c). Dua akar kompleks konjugat s1,s2 =   j jika {b24ac } < 0.
Tiga kemungkinan akar ini akan memberikan tiga
kemungkinan bentuk tanggapan

Persamaan karakteristik dengan
dua akar riil berbeda,
s1  s2, {b2 4ac } > 0

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
Contoh-1
1H

S 1 2
+


15 V

+
v



iC
0,25 F

i
8,5 k

Saklar S telah lama berada pada posisi 1.
Pada t = 0 saklar dipindahkan ke posisi 2.
Carilah perubahan tegangan kapasitor.



Pada t = 0- : i ( 0 )  0 dan v ( 0 )  12 V

Persamaan Rangkaian pada t > 0 :  v  L

di

 Ri  0

dt

Karena i = -iC = -C dv/dt, maka:  v  LC

2

d v
dt

2

d v



dt

2



2

R dv

 RC

dt

2

0

dt


L dt

 8 ,5  10

v

0

LC

2

d v

dv

3

dv
dt

6

 4  10 v  0

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami

Persamaan karakteristik:

s

2

3

 8 , 5  10 s  4  10

 akar - akar : s1 , s 2   4250  10

3

6

0

2

( 4 , 25 )  4   500 ,  8000

 500 t
 8000 t
 K 2e
Dugaan tanggapan lengkap: v  0  K 1 e

Tak ada fungsi pemaksa

Kondisi awal: v C ( 0  )  15 V dan i L ( 0  )  0
Karena persamaan rangkaian menggunakan v
sebagai peubah maka kondisi awal arus iL(0+)
harus diubah menjadi dalam tegangan v






i L ( 0 )  iC ( 0 )  C

dv C ( 0 )



dv C ( 0 )
dt

0

dt

0

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
Kondisi awal:





v ( 0 )  15 V

dv ( 0 )

0

dt

 500 t
 8000 t
 K 2e
Dugaan tanggapan lengkap: v  0  K 1 e

0   500 K 1  8000 K 2

15  K1  K 2

0   500 K 1  8000 (15  K 1 )

K1 

8000  15

 16

K 2  1

7500

Tanggapan lengkap menjadi: v  16 e  500 t  e  8000 t V
(hanya ada tanggapan alami).

Ini adalah pelepasan muatan kapasitor pada
rangkaian R-L-C seri

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami

Tanggapan

lengkap : v  16 e

 500 t

e

 8000 t

V

16

v
[V] 12

v
8
4
0
0

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

-4

Perhatikan bahwa pada t = 0+ tegangan kapasitor adalah 15 V

Pada waktu kapasitor mulai melepaskan muatannya,
ada perlawanan dari induktor yang menyebabkan
penurunan tegangan pada saat-saat awal agak landai

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
Contoh-2

1H

S
+


19 V

+
v

iC



0,25 F

Saklar S telah lama tertutup.
Pada t = 0 saklar dibuka.
Tentukan perubahan tegangan
kapasitor dan arus induktor.

i
8,5 k

Sebelum saklar dibuka arus hanya melalui induktor. Dioda tidak konduksi.


i L (0 ) 

19
8500

Persamaan Rangkaian pada t > 0 :

i   iC   C



vC (0 )  0 V

 2 mA

dv C
dt

did 2 v
dv
L
 Ri 
0
vvLC
RC
0
dtdt 2
dt
2



d v
dt

2



R dv
L dt

dt

2

 8 ,5  10

0

LC

2

d v

v



3

dv
dt

6

 4  10 v  0

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
Persamaan

karkterist ik : s  8 ,5  10 s  4  10  0
2

3

 akar - akar : s1 , s 2   4250  10

Dugaan ta

nggapan

lengkap

3

6

( 4 , 25 )  4   500 ,  8000
2

: v  0  K 1e

 500 t

 K 2e

 8000 t

Tak ada fungsi pemaksa
Kondisi awal:



i L ( 0 )  2 mA



vC (0 )  0 V

dan

Karena persamaan rangkaian menggunakan v sebagai
peubah maka kondisi awal iL(0+) harus diubah menjadi
dalam v






 i L ( 0 )  iC ( 0 )  C


dv C ( 0 )
dt

 

dv C ( 0 )
dt
2  10
C

3

 2  10

3

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami


dv ( 0 )



Kondisi awal: v ( 0 )  0



dt

Dugaan ta

nggapan

2  10

6

0 , 25  10

: v  0  K 1e

lengkap

3

0  K1  K 2

 500 t

  8  10

 K 2e

3

 8000 t

 8000   500 K 1  8000 K 2

 8000   500 K 1  8000 K 1
K1 

Tegangan kapasitor menjadi

 8000

K 2   K1  1

  1, 06

7500

: v  1, 06 e

 500 t

 1e

 8000 t

V

Ini adalah pengisian kapasitor oleh arus
induktor pada rangkaian R-L-C seri
Arus induktor

: i L   iC   C
  133  10

dv

  0 , 25  10

dt
 3  500 t

e

 2e

6

 530 e

 8000 t

mA

 500 t

 8000 e

 8000 t



Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
Tanggapan lengkap : v  1, 06 e

 500 t

 1e

 8000 t

V

1

v
[V]

0. 5

0
0

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

-0. 5

-1

Perhatikan bahwa pada awalnya tegangan kapasitor naik
karena menerima pelepasan energi dari induktor

Kenaikan tegangan kapasitor mencapai puncak kemudian
menurun karena ia melepaskan muatan yang pada awalnya
diterima.

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
v  16 e

 500 t

e

 8000 t

v  1, 06 e

V

16

 500 t

 1e

 8000 t

V

1

v [V]

Pelepasan energi induktor

v

12

[V]

v

8

0. 5
0
0

4

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

-0. 5

0
0

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

-1

-4

Untuk kedua peristiwa ini yang di-plot terhadap waktu adalah tegangan kapasitor
Seandainya tidak ada induktor, penurunan tegangan kapasitor akan terjadi
dengan konstanta waktu

  RC  8500  0 . 25  10

6

 2125  10

-6

atau 1/ = 470,6. Tetapi karena ada induktor, konstanta waktu menjadi lebih kecil
sehingga 1/ = 500. Inilah yang terlihat pada suku pertama v.
Suku ke-dua v adalah pengaruh induktor, yang jika tidak ada kapasitor nilai 1/
= R/L = 8500. Karena ada kapasitor nilai ini menjadi 8000 pada suku ke-dua v.

Persamaan Karakteristik Memiliki Dua Akar
Riil Sama Besar
s1 = s2, {b2 4ac } = 0

Dua Akar Riil Sama Besar
Dua akar yang sama besar dapat kita tuliskan sebagai
s1  s

dan

s 2  s   ; dengan   0

Tanggapan lengkap akan berbentuk
y  y p  K 1e

s1t

 K 2e

s2t

st

 y p  K 1e

Tanggapan paksa

Kondisi awal pertama

 K 2e

( s   )t

Tanggapan alami

Kondisi awal kedua







y ( 0 )  y p ( 0 )  K 1 s  K 2 ( s   )







y ( 0 )  y p ( 0 )  ( K 1  K 2 ) s  K 2   B 0

y (0 )  y p (0 )  K 1  K 2
y ( 0 )  y p ( 0 )  K 1  K 2  A0

A0 s  K 2   B 0



K2 

B 0  A0 s


dan

K 1  A0 

B 0  A0 s


Dua Akar Riil Sama Besar
Tanggapan lengkap menjadi

 1 e  t   st
 e
y  y p   A0  ( B 0  A0 s )   
 
  


t
 1
 e t  1 
e 

t
lim  
 lim 







 0
 0





y  y p   A0  ( B 0  A0 s ) t  e

y  y p  K a  K b t  e

ditentukan oleh kondisi awal

st

st

ditentukan oleh kondisi awal dan s
s sendiri ditentukan oleh nilai elemenelemen yang membentuk rangkaian dan
tidak ada kaitannya dengan kondisi awal

Dua Akar Riil Sama Besar, Tanggapan Alami
Contoh-3.
1H

S 1 2
+


15 V

+
v



iC
0,25 F

i
4 k

Sakalar telah lama di posisi 1. Pada t
= 0 di pindah ke posisi 2. Tentukan
perubahan tegangan kapasitor.

(Diganti dengan 4 k dari contoh sebelumnya)


Sebelum saklar dipindahkan: v ( 0 )  15 V ; i ( 0 )  0

di

Persamaan rangkaian untuk t > 0:  v  L

 iR  0

dt
2

Karena i =  iC = C dv/dt

LC

d v
dt

2

 RC

dt

Persamaan karakteristik:

2

3

2

 4  10

s  4  10 s  4  10

v0

dt

2

d v

dv

3

dv
dt

6

0

 4  10 v  0
6

Dua Akar Riil Sama Besar, Tanggapan Alami
Persamaan

2

karakteris tik : s  4000 s  4  10
akar - akar : s1 , s 2   2000 

Karena persamaan
maka tanggapan

karakteris tik memiliki

6

0

4  10

6

 4  10

6

  2000  s

akar sama besar

lengkap akan berbentuk :
v  v p  K a  K b t  e

st

 0  K a  K b t  e

st

Tak ada fungsi pemaksa

Kondisi
Kondisi

awal pertama
awal kedua



dv
dt



dv
dt





v ( 0 )  v ( 0 )  v ( 0 )  15  K a .


(0 )  0 

dv
dt

 K be



(0 )  0  K b  K a s 

 Jadi : v  15  30000 t  e

st

 K a  K bt  s e

st

K b   K a s  30000
 2000 t

V

Dua Akar Riil Sama Besar, Tanggapan Alami

v  15  30000 t  e

 2000 t

V

15
10

v  30000 t e

 2000 t

5
0
0
-5
-10
-15

0.001

v  15 e

0.002

 2000 t

0.003

0.004

0.005

0.006

Dua akar kompleks konjugat
{b2 4ac } < 0
s1    j 

dan

s 2    j

Dua Akar Kompleks Konjugat
Akar-Akar Kompleks Konjugat
s1    j 

dan

s 2    j

Tanggapan lengkap akan berbentuk
y  y p  K 1e

(   j ) t

 K 2e

(   j ) t



 y p  K 1e

 j t

K 1 (cos  t  j sin  t )

 K 2e

 j t

e

t

K 2 (cos  t  j sin  t )

( K 1  K 2 ) cos  t  j ( K 1  K 2 ) sin  t

K a cos  t  K b sin  t

y  y p   K a cos  t  K b sin  t  e

t



Kondisi awal pertama: y ( 0 )  y p ( 0 )  K a

Kondisi awal kedua:





K a  y (0 )  y p (0 )



t
y ( 0 )  y p ( 0 )  {(  K b  K a  ) sin  t  ( K b    K a ) cos  t }e

 y p ( 0 )   K a   K b


 K a   K b  y  ( 0 )  y p ( 0 )

Dua Akar Kompleks Konjugat, Tanggapan Alami
Contoh-4.
1H

S 1 2
+


15 V

+
v


iC

0,25 F

i
1 k

Saklar S sudah lama pada posisi 1.
Pada t = 0 dipindah ke poisisi 2.
Carilah perubahan tegangan kapasitor.

(Diganti dengan 1 k dari contoh sebelumnya)

Pada t = 0+ : v ( 0  )  15 V ; i ( 0  )  0

vL

di

 iR  0

dt

Persamaan rangkaian untuk t > 0:
2

Karena i = iC = C dv/dt

d v

LC

dt

2

dt

Persamaan karakteristik:

2

2

3

 1  10

v0

dt

2

d v

dv

 RC

3

s  1  10 s  4  10

dv

 4  10 v  0

dt
6

0

6

Dua Akar Kompleks Konjugat, Tanggapan Alami
Persamaan

karakteris tik : s

2

 1000

dv

6

0

2

 4  10

 4  10

dt
akar - akar : s1 , s 2   500 

500

6

  500  j 500

15

dua akar kompleks konjugat
  j  dengan    500 ;   500

15

Tanggapan lengkap akan berbentuk:
v  0   K a cos  t  K b sin  t  e
Kondisi

awal pertama

Kondisi

awal kedua 



 v ( 0 )  15  K a
dv
dt



(0 )  0   K a   K b
 Kb 

Tanggapan

t



 K a




lengkap : v  15 cos( 500 15 t ) 

500  15
500



15

15



15 sin( 500 15 t ) e

 500 t

V

Dua Akar Kompleks Konjugat, Tanggapan Alami



v  15 cos( 500 15 t ) 



15 sin( 500 15 t ) e

 500 t

V

15

15 cos( 500 15 t

v 10
[V]
5

15 sin( 500 15 t )

t

0
0
-5
-10
-15

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

0.006

Dua Akar Kompleks Konjugat, Tanggapan Alami
Perbandingan tanggapan rangkaian:
Dua akar riil berbeda: sangat teredam, v  16 e  500 t  e  8000 t V
Dua akar riil sama besar : teredam kritis, v  15  30000 t  e  2000 t V

Dua akar kompleks konjugat : kurang teredam,



v  15 cos( 500 15 t ) 



15 sin( 500 15 t ) e

15
10
5
0
0
-5
-10
-15

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

0.006

 500 t

V

Tanggapan Rangkaian Terhadap Sinyal Sinus
Contoh Tanggapan Rangkaian Dengan Masukan Sinyal Sinus

vs =
26cos3t u(t) V

+


i
vs

5

1H
1

F

6

+
v



Rangkaian mendapat masukan
sinyal sinus yang muncul pada t = 0.
Tentukan perubahan tegangan dan
arus kapasitor, apabila kondisi awal
adalahi(0) = 2 A dan v(0) = 6 V

Pada t = 0+ : i(0+) = 2 A dan v(0+) = 6 V

Persamaan rangkaian untuk t > 0 :

 v s  Ri  L
dv

RC



di
dt

2

 LC

d i
2

dt

dt

5 dv

1 d v



2

d v
2

 v  vs

2

6 dt

dt

v0

5

6 dt

dv
dt

2

 v  26 cos 3 t

 6 v  156 cos 3 t

Tanggapan Rangkaian Terhadap Sinyal Sinus
Persamaan

2

karakteris tik : s  5 s  6  0  ( s  2 )( s  3 );
akar - akar : s1 , s 2   2 ,  3

Dugaan ta nggapan

paksa : v p  A c cos 3 t  A s sin 3 t
2

Persamaan rangkaian

d v
dt

2

5

dv

 6 v  156 cos 3 t

dt

   9 A c  15 A s  6 A c  cos 3 t    9 A s  15 A c  6 A s  sin 3 t  156 cos 3 t
  3 A c  15 A s  156
 Ac 

Tanggapan

156  0
 3  75

dan  15 A c  3 A s  0
  2 ; As 

5  156  0
75  3

 10

paksa : v p   2 cos 3 t  10 sin 3 t

Dugaan tan ggapan lengkap

: v   2 cos 3t  10 sin 3t  K 1 e

2t

 K 2e

 3t

masih harus ditentukan melalui
penerapan kondisi awal

Tanggapan Rangkaian Terhadap Sinyal Sinus


1 dv



awal : v ( 0 )  6 dan i ( 0 )  2 

Kondisi



(0 ) 

dv

6 dt
Aplikasi

kondisi

awal pertama

Aplikasi

kondisi

awal kedua :
 K1  6

Tanggapan

 i

1 dv

dt

: 6  2  K1  K 2  K 2  8  K1
12  30  2 K 1  3 K 2
 K2  2

: v   2 cos 3 t  10 sin 3 t  6 e

lengkap



( 0 )  12

 sin 3 t  5 cos 3 t  2 e

2t

e

 3t

2t

 2e

 3t

V

A

6 dt
30

v [V] 20
i [A]
10

Amplitudo tegangan
menurun

vs

Amplitudo arus
meningkat

v

0
-10 0
-20
-30

t [s]
i

2

4

6

8

10

Courseware
Analisis Transien Rangkaian Orde Ke-Dua

Sudaryatno Sudirham


Slide 16

Open Course

Selamat Belajar

oleh: Sudaryatno Sudirham

Tujuan
 mampu menurunkan persamaan rangkaian yang merupakan
rangkaian orde kedua.

 memahami bahwa tanggapan rangkaian terdiri dari tanggapan
paksa dan tanggapan alami yang mungkin berosilasi.
 mampu melakukan analisis transien pada rangkaian orde

kedua.

Bentuk Umum
Persamaan Rangkaian
Orde Ke-dua

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
2

a

d y
dt

2

b

dy

 cy  x ( t )

dt

y = tanggapan rangkaian yang dapat
berupa tegangan ataupun arus

fungsi pemaksa atau
fungsi penggerak.

tetapan a dan b ditentukan oleh nilainilai elemen yang membentuk rangkaian
Persamaan diferensial orde ke-dua muncul karena
rangkaian mengandung kapasitor dan induktor

dengan tegangan sebagai
peubah status

dengan arus
sebagai peubah status

sedangkan peubah dalam persamaan rangkaian
harus salah satu di ataranya, tegangan atau arus

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Tanggapan Alami
Tanggapan alami adalah solusi persamaan rangkaian di
mana x(t) bernilai nol:
2

a

d y
dt

2

b

dy

 cy  0

dt

Dugaan solusi y berbentuk fungsi eksponensial ya = Kest dengan nilai
K dan s yang masih harus ditentukan.
Kalau solusi ini dimasukkan ke persamaan, akan diperoleh
aKs
Ke

st

2

e

st

as

2

 bKse

st



 cKe

st

0

atau

 bs  c  0

Bagian ini yang harus bernilai nol yang
memberikan persamaan karakteristik
as

2

 bs  c  0

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
2

as  bs  c  0

Persamaan karakteristik yang berbentuk persamaan kwadrat itu
mempunyai dua akar yaitu
s1 , s 2 

2

b

b  4 ac
2a

Dengan adanya dua akar tersebut maka kita mempunyai
dua solusi homogen, yaitu
y a1  K 1e

s1 t

dan

ya 2  K 2e

s2t

dan tanggapan alami yang kita cari akan berbentuk
y a  K 1e

s1 t

 K 2e

s2t

Seperti halnya pada rangkaian orde pertama, tetapan-tetapan ini
diperoleh melalui penerapan kondisi awal pada tanggapan lengkap

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Tanggapan Paksa
Tanggapan paksa adalah solusi persamaan rangkaian di
mana x(t) 0:
2

a

d y
dt

2

b

dy

 cy  x ( t )

dt

Bentuk tanggapan paksa ditentukan oleh bentuk x(t)
sebagaimana telah diulas pada rangkaian orde pertama, yaitu
Jika x ( t )  0 , maka

yp  0

Jika x ( t )  A  konstan,
t

maka

Jika

x ( t )  Ae

Jika

x ( t )  A sin  t , maka

Jika

x ( t )  A cos  t , maka

y p  konstan  K

 eksponensi al, maka

y p  eksponensi al  Ke

y p  K c cos  t  K s sin  t
y p  K c cos  t  K s sin  t

Perhatikan : y  K c cos  t  K s sin  t adalah bentuk umum
fungsi sinus maupun

cosinus .

t

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Tanggapan Lengkap
Tanggapan lengkap adalah jumlah tanggapan alami
dan tanggapan paksa
y  y p  y a  y p  K 1e

s1t

 K 2e

s2t

Tetapan ini diperoleh melalui penerapan kondisi awal
Jika rangkaian mengandung C dan L, dua elemen
ini akan cenderung mempertahankan statusnya.
Jadi ada dua kondisi awal yang harus dipenuhi
yaitu




vC (0 )  vC (0 )

dan




iL (0 )  iL (0 )

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Kondisi Awal
Secara umum, kondisi awal adalah:




y (0 )  y (0 )

dan

dy





(0 )  y ' (0 )

dt

Nilai sesaat sebelum dan sesudah
penutupan/pembukaan saklar harus sama, dan
laju perubahan nilainya harus kontinyu
y

y

0

t

Pada rangkaian orde
pertama dy/dt(0+) tidak
perlu kontinyu

0

t

Pada rangkaian orde kedua dy/dt(0+)
harus kontinyu sebab ada d2y/dt2
dalam persamaan rangkaian yang
hanya terdefinisi jika dy/dt(0+) kontinyu

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Tiga Kemungkinan Bentuk Tanggapan
Persamaan karakteristik
as

2

 bs  c  0

dapat mempunyai tiga kemungkinan nilai akar, yaitu:
a). Dua akar riil berbeda, s1  s2, jika {b2 4ac } > 0;
b). Dua akar sama, s1 = s2 = s , jika {b24ac } = 0;

c). Dua akar kompleks konjugat s1,s2 =   j jika {b24ac } < 0.
Tiga kemungkinan akar ini akan memberikan tiga
kemungkinan bentuk tanggapan

Persamaan karakteristik dengan
dua akar riil berbeda,
s1  s2, {b2 4ac } > 0

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
Contoh-1
1H

S 1 2
+


15 V

+
v



iC
0,25 F

i
8,5 k

Saklar S telah lama berada pada posisi 1.
Pada t = 0 saklar dipindahkan ke posisi 2.
Carilah perubahan tegangan kapasitor.



Pada t = 0- : i ( 0 )  0 dan v ( 0 )  12 V

Persamaan Rangkaian pada t > 0 :  v  L

di

 Ri  0

dt

Karena i = -iC = -C dv/dt, maka:  v  LC

2

d v
dt

2

d v



dt

2



2

R dv

 RC

dt

2

0

dt


L dt

 8 ,5  10

v

0

LC

2

d v

dv

3

dv
dt

6

 4  10 v  0

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami

Persamaan karakteristik:

s

2

3

 8 , 5  10 s  4  10

 akar - akar : s1 , s 2   4250  10

3

6

0

2

( 4 , 25 )  4   500 ,  8000

 500 t
 8000 t
 K 2e
Dugaan tanggapan lengkap: v  0  K 1 e

Tak ada fungsi pemaksa

Kondisi awal: v C ( 0  )  15 V dan i L ( 0  )  0
Karena persamaan rangkaian menggunakan v
sebagai peubah maka kondisi awal arus iL(0+)
harus diubah menjadi dalam tegangan v






i L ( 0 )  iC ( 0 )  C

dv C ( 0 )



dv C ( 0 )
dt

0

dt

0

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
Kondisi awal:





v ( 0 )  15 V

dv ( 0 )

0

dt

 500 t
 8000 t
 K 2e
Dugaan tanggapan lengkap: v  0  K 1 e

0   500 K 1  8000 K 2

15  K1  K 2

0   500 K 1  8000 (15  K 1 )

K1 

8000  15

 16

K 2  1

7500

Tanggapan lengkap menjadi: v  16 e  500 t  e  8000 t V
(hanya ada tanggapan alami).

Ini adalah pelepasan muatan kapasitor pada
rangkaian R-L-C seri

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami

Tanggapan

lengkap : v  16 e

 500 t

e

 8000 t

V

16

v
[V] 12

v
8
4
0
0

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

-4

Perhatikan bahwa pada t = 0+ tegangan kapasitor adalah 15 V

Pada waktu kapasitor mulai melepaskan muatannya,
ada perlawanan dari induktor yang menyebabkan
penurunan tegangan pada saat-saat awal agak landai

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
Contoh-2

1H

S
+


19 V

+
v

iC



0,25 F

Saklar S telah lama tertutup.
Pada t = 0 saklar dibuka.
Tentukan perubahan tegangan
kapasitor dan arus induktor.

i
8,5 k

Sebelum saklar dibuka arus hanya melalui induktor. Dioda tidak konduksi.


i L (0 ) 

19
8500

Persamaan Rangkaian pada t > 0 :

i   iC   C



vC (0 )  0 V

 2 mA

dv C
dt

did 2 v
dv
L
 Ri 
0
vvLC
RC
0
dtdt 2
dt
2



d v
dt

2



R dv
L dt

dt

2

 8 ,5  10

0

LC

2

d v

v



3

dv
dt

6

 4  10 v  0

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
Persamaan

karkterist ik : s  8 ,5  10 s  4  10  0
2

3

 akar - akar : s1 , s 2   4250  10

Dugaan ta

nggapan

lengkap

3

6

( 4 , 25 )  4   500 ,  8000
2

: v  0  K 1e

 500 t

 K 2e

 8000 t

Tak ada fungsi pemaksa
Kondisi awal:



i L ( 0 )  2 mA



vC (0 )  0 V

dan

Karena persamaan rangkaian menggunakan v sebagai
peubah maka kondisi awal iL(0+) harus diubah menjadi
dalam v






 i L ( 0 )  iC ( 0 )  C


dv C ( 0 )
dt

 

dv C ( 0 )
dt
2  10
C

3

 2  10

3

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami


dv ( 0 )



Kondisi awal: v ( 0 )  0



dt

Dugaan ta

nggapan

2  10

6

0 , 25  10

: v  0  K 1e

lengkap

3

0  K1  K 2

 500 t

  8  10

 K 2e

3

 8000 t

 8000   500 K 1  8000 K 2

 8000   500 K 1  8000 K 1
K1 

Tegangan kapasitor menjadi

 8000

K 2   K1  1

  1, 06

7500

: v  1, 06 e

 500 t

 1e

 8000 t

V

Ini adalah pengisian kapasitor oleh arus
induktor pada rangkaian R-L-C seri
Arus induktor

: i L   iC   C
  133  10

dv

  0 , 25  10

dt
 3  500 t

e

 2e

6

 530 e

 8000 t

mA

 500 t

 8000 e

 8000 t



Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
Tanggapan lengkap : v  1, 06 e

 500 t

 1e

 8000 t

V

1

v
[V]

0. 5

0
0

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

-0. 5

-1

Perhatikan bahwa pada awalnya tegangan kapasitor naik
karena menerima pelepasan energi dari induktor

Kenaikan tegangan kapasitor mencapai puncak kemudian
menurun karena ia melepaskan muatan yang pada awalnya
diterima.

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
v  16 e

 500 t

e

 8000 t

v  1, 06 e

V

16

 500 t

 1e

 8000 t

V

1

v [V]

Pelepasan energi induktor

v

12

[V]

v

8

0. 5
0
0

4

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

-0. 5

0
0

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

-1

-4

Untuk kedua peristiwa ini yang di-plot terhadap waktu adalah tegangan kapasitor
Seandainya tidak ada induktor, penurunan tegangan kapasitor akan terjadi
dengan konstanta waktu

  RC  8500  0 . 25  10

6

 2125  10

-6

atau 1/ = 470,6. Tetapi karena ada induktor, konstanta waktu menjadi lebih kecil
sehingga 1/ = 500. Inilah yang terlihat pada suku pertama v.
Suku ke-dua v adalah pengaruh induktor, yang jika tidak ada kapasitor nilai 1/
= R/L = 8500. Karena ada kapasitor nilai ini menjadi 8000 pada suku ke-dua v.

Persamaan Karakteristik Memiliki Dua Akar
Riil Sama Besar
s1 = s2, {b2 4ac } = 0

Dua Akar Riil Sama Besar
Dua akar yang sama besar dapat kita tuliskan sebagai
s1  s

dan

s 2  s   ; dengan   0

Tanggapan lengkap akan berbentuk
y  y p  K 1e

s1t

 K 2e

s2t

st

 y p  K 1e

Tanggapan paksa

Kondisi awal pertama

 K 2e

( s   )t

Tanggapan alami

Kondisi awal kedua







y ( 0 )  y p ( 0 )  K 1 s  K 2 ( s   )







y ( 0 )  y p ( 0 )  ( K 1  K 2 ) s  K 2   B 0

y (0 )  y p (0 )  K 1  K 2
y ( 0 )  y p ( 0 )  K 1  K 2  A0

A0 s  K 2   B 0



K2 

B 0  A0 s


dan

K 1  A0 

B 0  A0 s


Dua Akar Riil Sama Besar
Tanggapan lengkap menjadi

 1 e  t   st
 e
y  y p   A0  ( B 0  A0 s )   
 
  


t
 1
 e t  1 
e 

t
lim  
 lim 







 0
 0





y  y p   A0  ( B 0  A0 s ) t  e

y  y p  K a  K b t  e

ditentukan oleh kondisi awal

st

st

ditentukan oleh kondisi awal dan s
s sendiri ditentukan oleh nilai elemenelemen yang membentuk rangkaian dan
tidak ada kaitannya dengan kondisi awal

Dua Akar Riil Sama Besar, Tanggapan Alami
Contoh-3.
1H

S 1 2
+


15 V

+
v



iC
0,25 F

i
4 k

Sakalar telah lama di posisi 1. Pada t
= 0 di pindah ke posisi 2. Tentukan
perubahan tegangan kapasitor.

(Diganti dengan 4 k dari contoh sebelumnya)


Sebelum saklar dipindahkan: v ( 0 )  15 V ; i ( 0 )  0

di

Persamaan rangkaian untuk t > 0:  v  L

 iR  0

dt
2

Karena i =  iC = C dv/dt

LC

d v
dt

2

 RC

dt

Persamaan karakteristik:

2

3

2

 4  10

s  4  10 s  4  10

v0

dt

2

d v

dv

3

dv
dt

6

0

 4  10 v  0
6

Dua Akar Riil Sama Besar, Tanggapan Alami
Persamaan

2

karakteris tik : s  4000 s  4  10
akar - akar : s1 , s 2   2000 

Karena persamaan
maka tanggapan

karakteris tik memiliki

6

0

4  10

6

 4  10

6

  2000  s

akar sama besar

lengkap akan berbentuk :
v  v p  K a  K b t  e

st

 0  K a  K b t  e

st

Tak ada fungsi pemaksa

Kondisi
Kondisi

awal pertama
awal kedua



dv
dt



dv
dt





v ( 0 )  v ( 0 )  v ( 0 )  15  K a .


(0 )  0 

dv
dt

 K be



(0 )  0  K b  K a s 

 Jadi : v  15  30000 t  e

st

 K a  K bt  s e

st

K b   K a s  30000
 2000 t

V

Dua Akar Riil Sama Besar, Tanggapan Alami

v  15  30000 t  e

 2000 t

V

15
10

v  30000 t e

 2000 t

5
0
0
-5
-10
-15

0.001

v  15 e

0.002

 2000 t

0.003

0.004

0.005

0.006

Dua akar kompleks konjugat
{b2 4ac } < 0
s1    j 

dan

s 2    j

Dua Akar Kompleks Konjugat
Akar-Akar Kompleks Konjugat
s1    j 

dan

s 2    j

Tanggapan lengkap akan berbentuk
y  y p  K 1e

(   j ) t

 K 2e

(   j ) t



 y p  K 1e

 j t

K 1 (cos  t  j sin  t )

 K 2e

 j t

e

t

K 2 (cos  t  j sin  t )

( K 1  K 2 ) cos  t  j ( K 1  K 2 ) sin  t

K a cos  t  K b sin  t

y  y p   K a cos  t  K b sin  t  e

t



Kondisi awal pertama: y ( 0 )  y p ( 0 )  K a

Kondisi awal kedua:





K a  y (0 )  y p (0 )



t
y ( 0 )  y p ( 0 )  {(  K b  K a  ) sin  t  ( K b    K a ) cos  t }e

 y p ( 0 )   K a   K b


 K a   K b  y  ( 0 )  y p ( 0 )

Dua Akar Kompleks Konjugat, Tanggapan Alami
Contoh-4.
1H

S 1 2
+


15 V

+
v


iC

0,25 F

i
1 k

Saklar S sudah lama pada posisi 1.
Pada t = 0 dipindah ke poisisi 2.
Carilah perubahan tegangan kapasitor.

(Diganti dengan 1 k dari contoh sebelumnya)

Pada t = 0+ : v ( 0  )  15 V ; i ( 0  )  0

vL

di

 iR  0

dt

Persamaan rangkaian untuk t > 0:
2

Karena i = iC = C dv/dt

d v

LC

dt

2

dt

Persamaan karakteristik:

2

2

3

 1  10

v0

dt

2

d v

dv

 RC

3

s  1  10 s  4  10

dv

 4  10 v  0

dt
6

0

6

Dua Akar Kompleks Konjugat, Tanggapan Alami
Persamaan

karakteris tik : s

2

 1000

dv

6

0

2

 4  10

 4  10

dt
akar - akar : s1 , s 2   500 

500

6

  500  j 500

15

dua akar kompleks konjugat
  j  dengan    500 ;   500

15

Tanggapan lengkap akan berbentuk:
v  0   K a cos  t  K b sin  t  e
Kondisi

awal pertama

Kondisi

awal kedua 



 v ( 0 )  15  K a
dv
dt



(0 )  0   K a   K b
 Kb 

Tanggapan

t



 K a




lengkap : v  15 cos( 500 15 t ) 

500  15
500



15

15



15 sin( 500 15 t ) e

 500 t

V

Dua Akar Kompleks Konjugat, Tanggapan Alami



v  15 cos( 500 15 t ) 



15 sin( 500 15 t ) e

 500 t

V

15

15 cos( 500 15 t

v 10
[V]
5

15 sin( 500 15 t )

t

0
0
-5
-10
-15

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

0.006

Dua Akar Kompleks Konjugat, Tanggapan Alami
Perbandingan tanggapan rangkaian:
Dua akar riil berbeda: sangat teredam, v  16 e  500 t  e  8000 t V
Dua akar riil sama besar : teredam kritis, v  15  30000 t  e  2000 t V

Dua akar kompleks konjugat : kurang teredam,



v  15 cos( 500 15 t ) 



15 sin( 500 15 t ) e

15
10
5
0
0
-5
-10
-15

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

0.006

 500 t

V

Tanggapan Rangkaian Terhadap Sinyal Sinus
Contoh Tanggapan Rangkaian Dengan Masukan Sinyal Sinus

vs =
26cos3t u(t) V

+


i
vs

5

1H
1

F

6

+
v



Rangkaian mendapat masukan
sinyal sinus yang muncul pada t = 0.
Tentukan perubahan tegangan dan
arus kapasitor, apabila kondisi awal
adalahi(0) = 2 A dan v(0) = 6 V

Pada t = 0+ : i(0+) = 2 A dan v(0+) = 6 V

Persamaan rangkaian untuk t > 0 :

 v s  Ri  L
dv

RC



di
dt

2

 LC

d i
2

dt

dt

5 dv

1 d v



2

d v
2

 v  vs

2

6 dt

dt

v0

5

6 dt

dv
dt

2

 v  26 cos 3 t

 6 v  156 cos 3 t

Tanggapan Rangkaian Terhadap Sinyal Sinus
Persamaan

2

karakteris tik : s  5 s  6  0  ( s  2 )( s  3 );
akar - akar : s1 , s 2   2 ,  3

Dugaan ta nggapan

paksa : v p  A c cos 3 t  A s sin 3 t
2

Persamaan rangkaian

d v
dt

2

5

dv

 6 v  156 cos 3 t

dt

   9 A c  15 A s  6 A c  cos 3 t    9 A s  15 A c  6 A s  sin 3 t  156 cos 3 t
  3 A c  15 A s  156
 Ac 

Tanggapan

156  0
 3  75

dan  15 A c  3 A s  0
  2 ; As 

5  156  0
75  3

 10

paksa : v p   2 cos 3 t  10 sin 3 t

Dugaan tan ggapan lengkap

: v   2 cos 3t  10 sin 3t  K 1 e

2t

 K 2e

 3t

masih harus ditentukan melalui
penerapan kondisi awal

Tanggapan Rangkaian Terhadap Sinyal Sinus


1 dv



awal : v ( 0 )  6 dan i ( 0 )  2 

Kondisi



(0 ) 

dv

6 dt
Aplikasi

kondisi

awal pertama

Aplikasi

kondisi

awal kedua :
 K1  6

Tanggapan

 i

1 dv

dt

: 6  2  K1  K 2  K 2  8  K1
12  30  2 K 1  3 K 2
 K2  2

: v   2 cos 3 t  10 sin 3 t  6 e

lengkap



( 0 )  12

 sin 3 t  5 cos 3 t  2 e

2t

e

 3t

2t

 2e

 3t

V

A

6 dt
30

v [V] 20
i [A]
10

Amplitudo tegangan
menurun

vs

Amplitudo arus
meningkat

v

0
-10 0
-20
-30

t [s]
i

2

4

6

8

10

Courseware
Analisis Transien Rangkaian Orde Ke-Dua

Sudaryatno Sudirham


Slide 17

Open Course

Selamat Belajar

oleh: Sudaryatno Sudirham

Tujuan
 mampu menurunkan persamaan rangkaian yang merupakan
rangkaian orde kedua.

 memahami bahwa tanggapan rangkaian terdiri dari tanggapan
paksa dan tanggapan alami yang mungkin berosilasi.
 mampu melakukan analisis transien pada rangkaian orde

kedua.

Bentuk Umum
Persamaan Rangkaian
Orde Ke-dua

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
2

a

d y
dt

2

b

dy

 cy  x ( t )

dt

y = tanggapan rangkaian yang dapat
berupa tegangan ataupun arus

fungsi pemaksa atau
fungsi penggerak.

tetapan a dan b ditentukan oleh nilainilai elemen yang membentuk rangkaian
Persamaan diferensial orde ke-dua muncul karena
rangkaian mengandung kapasitor dan induktor

dengan tegangan sebagai
peubah status

dengan arus
sebagai peubah status

sedangkan peubah dalam persamaan rangkaian
harus salah satu di ataranya, tegangan atau arus

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Tanggapan Alami
Tanggapan alami adalah solusi persamaan rangkaian di
mana x(t) bernilai nol:
2

a

d y
dt

2

b

dy

 cy  0

dt

Dugaan solusi y berbentuk fungsi eksponensial ya = Kest dengan nilai
K dan s yang masih harus ditentukan.
Kalau solusi ini dimasukkan ke persamaan, akan diperoleh
aKs
Ke

st

2

e

st

as

2

 bKse

st



 cKe

st

0

atau

 bs  c  0

Bagian ini yang harus bernilai nol yang
memberikan persamaan karakteristik
as

2

 bs  c  0

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
2

as  bs  c  0

Persamaan karakteristik yang berbentuk persamaan kwadrat itu
mempunyai dua akar yaitu
s1 , s 2 

2

b

b  4 ac
2a

Dengan adanya dua akar tersebut maka kita mempunyai
dua solusi homogen, yaitu
y a1  K 1e

s1 t

dan

ya 2  K 2e

s2t

dan tanggapan alami yang kita cari akan berbentuk
y a  K 1e

s1 t

 K 2e

s2t

Seperti halnya pada rangkaian orde pertama, tetapan-tetapan ini
diperoleh melalui penerapan kondisi awal pada tanggapan lengkap

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Tanggapan Paksa
Tanggapan paksa adalah solusi persamaan rangkaian di
mana x(t) 0:
2

a

d y
dt

2

b

dy

 cy  x ( t )

dt

Bentuk tanggapan paksa ditentukan oleh bentuk x(t)
sebagaimana telah diulas pada rangkaian orde pertama, yaitu
Jika x ( t )  0 , maka

yp  0

Jika x ( t )  A  konstan,
t

maka

Jika

x ( t )  Ae

Jika

x ( t )  A sin  t , maka

Jika

x ( t )  A cos  t , maka

y p  konstan  K

 eksponensi al, maka

y p  eksponensi al  Ke

y p  K c cos  t  K s sin  t
y p  K c cos  t  K s sin  t

Perhatikan : y  K c cos  t  K s sin  t adalah bentuk umum
fungsi sinus maupun

cosinus .

t

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Tanggapan Lengkap
Tanggapan lengkap adalah jumlah tanggapan alami
dan tanggapan paksa
y  y p  y a  y p  K 1e

s1t

 K 2e

s2t

Tetapan ini diperoleh melalui penerapan kondisi awal
Jika rangkaian mengandung C dan L, dua elemen
ini akan cenderung mempertahankan statusnya.
Jadi ada dua kondisi awal yang harus dipenuhi
yaitu




vC (0 )  vC (0 )

dan




iL (0 )  iL (0 )

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Kondisi Awal
Secara umum, kondisi awal adalah:




y (0 )  y (0 )

dan

dy





(0 )  y ' (0 )

dt

Nilai sesaat sebelum dan sesudah
penutupan/pembukaan saklar harus sama, dan
laju perubahan nilainya harus kontinyu
y

y

0

t

Pada rangkaian orde
pertama dy/dt(0+) tidak
perlu kontinyu

0

t

Pada rangkaian orde kedua dy/dt(0+)
harus kontinyu sebab ada d2y/dt2
dalam persamaan rangkaian yang
hanya terdefinisi jika dy/dt(0+) kontinyu

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Tiga Kemungkinan Bentuk Tanggapan
Persamaan karakteristik
as

2

 bs  c  0

dapat mempunyai tiga kemungkinan nilai akar, yaitu:
a). Dua akar riil berbeda, s1  s2, jika {b2 4ac } > 0;
b). Dua akar sama, s1 = s2 = s , jika {b24ac } = 0;

c). Dua akar kompleks konjugat s1,s2 =   j jika {b24ac } < 0.
Tiga kemungkinan akar ini akan memberikan tiga
kemungkinan bentuk tanggapan

Persamaan karakteristik dengan
dua akar riil berbeda,
s1  s2, {b2 4ac } > 0

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
Contoh-1
1H

S 1 2
+


15 V

+
v



iC
0,25 F

i
8,5 k

Saklar S telah lama berada pada posisi 1.
Pada t = 0 saklar dipindahkan ke posisi 2.
Carilah perubahan tegangan kapasitor.



Pada t = 0- : i ( 0 )  0 dan v ( 0 )  12 V

Persamaan Rangkaian pada t > 0 :  v  L

di

 Ri  0

dt

Karena i = -iC = -C dv/dt, maka:  v  LC

2

d v
dt

2

d v



dt

2



2

R dv

 RC

dt

2

0

dt


L dt

 8 ,5  10

v

0

LC

2

d v

dv

3

dv
dt

6

 4  10 v  0

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami

Persamaan karakteristik:

s

2

3

 8 , 5  10 s  4  10

 akar - akar : s1 , s 2   4250  10

3

6

0

2

( 4 , 25 )  4   500 ,  8000

 500 t
 8000 t
 K 2e
Dugaan tanggapan lengkap: v  0  K 1 e

Tak ada fungsi pemaksa

Kondisi awal: v C ( 0  )  15 V dan i L ( 0  )  0
Karena persamaan rangkaian menggunakan v
sebagai peubah maka kondisi awal arus iL(0+)
harus diubah menjadi dalam tegangan v






i L ( 0 )  iC ( 0 )  C

dv C ( 0 )



dv C ( 0 )
dt

0

dt

0

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
Kondisi awal:





v ( 0 )  15 V

dv ( 0 )

0

dt

 500 t
 8000 t
 K 2e
Dugaan tanggapan lengkap: v  0  K 1 e

0   500 K 1  8000 K 2

15  K1  K 2

0   500 K 1  8000 (15  K 1 )

K1 

8000  15

 16

K 2  1

7500

Tanggapan lengkap menjadi: v  16 e  500 t  e  8000 t V
(hanya ada tanggapan alami).

Ini adalah pelepasan muatan kapasitor pada
rangkaian R-L-C seri

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami

Tanggapan

lengkap : v  16 e

 500 t

e

 8000 t

V

16

v
[V] 12

v
8
4
0
0

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

-4

Perhatikan bahwa pada t = 0+ tegangan kapasitor adalah 15 V

Pada waktu kapasitor mulai melepaskan muatannya,
ada perlawanan dari induktor yang menyebabkan
penurunan tegangan pada saat-saat awal agak landai

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
Contoh-2

1H

S
+


19 V

+
v

iC



0,25 F

Saklar S telah lama tertutup.
Pada t = 0 saklar dibuka.
Tentukan perubahan tegangan
kapasitor dan arus induktor.

i
8,5 k

Sebelum saklar dibuka arus hanya melalui induktor. Dioda tidak konduksi.


i L (0 ) 

19
8500

Persamaan Rangkaian pada t > 0 :

i   iC   C



vC (0 )  0 V

 2 mA

dv C
dt

did 2 v
dv
L
 Ri 
0
vvLC
RC
0
dtdt 2
dt
2



d v
dt

2



R dv
L dt

dt

2

 8 ,5  10

0

LC

2

d v

v



3

dv
dt

6

 4  10 v  0

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
Persamaan

karkterist ik : s  8 ,5  10 s  4  10  0
2

3

 akar - akar : s1 , s 2   4250  10

Dugaan ta

nggapan

lengkap

3

6

( 4 , 25 )  4   500 ,  8000
2

: v  0  K 1e

 500 t

 K 2e

 8000 t

Tak ada fungsi pemaksa
Kondisi awal:



i L ( 0 )  2 mA



vC (0 )  0 V

dan

Karena persamaan rangkaian menggunakan v sebagai
peubah maka kondisi awal iL(0+) harus diubah menjadi
dalam v






 i L ( 0 )  iC ( 0 )  C


dv C ( 0 )
dt

 

dv C ( 0 )
dt
2  10
C

3

 2  10

3

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami


dv ( 0 )



Kondisi awal: v ( 0 )  0



dt

Dugaan ta

nggapan

2  10

6

0 , 25  10

: v  0  K 1e

lengkap

3

0  K1  K 2

 500 t

  8  10

 K 2e

3

 8000 t

 8000   500 K 1  8000 K 2

 8000   500 K 1  8000 K 1
K1 

Tegangan kapasitor menjadi

 8000

K 2   K1  1

  1, 06

7500

: v  1, 06 e

 500 t

 1e

 8000 t

V

Ini adalah pengisian kapasitor oleh arus
induktor pada rangkaian R-L-C seri
Arus induktor

: i L   iC   C
  133  10

dv

  0 , 25  10

dt
 3  500 t

e

 2e

6

 530 e

 8000 t

mA

 500 t

 8000 e

 8000 t



Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
Tanggapan lengkap : v  1, 06 e

 500 t

 1e

 8000 t

V

1

v
[V]

0. 5

0
0

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

-0. 5

-1

Perhatikan bahwa pada awalnya tegangan kapasitor naik
karena menerima pelepasan energi dari induktor

Kenaikan tegangan kapasitor mencapai puncak kemudian
menurun karena ia melepaskan muatan yang pada awalnya
diterima.

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
v  16 e

 500 t

e

 8000 t

v  1, 06 e

V

16

 500 t

 1e

 8000 t

V

1

v [V]

Pelepasan energi induktor

v

12

[V]

v

8

0. 5
0
0

4

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

-0. 5

0
0

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

-1

-4

Untuk kedua peristiwa ini yang di-plot terhadap waktu adalah tegangan kapasitor
Seandainya tidak ada induktor, penurunan tegangan kapasitor akan terjadi
dengan konstanta waktu

  RC  8500  0 . 25  10

6

 2125  10

-6

atau 1/ = 470,6. Tetapi karena ada induktor, konstanta waktu menjadi lebih kecil
sehingga 1/ = 500. Inilah yang terlihat pada suku pertama v.
Suku ke-dua v adalah pengaruh induktor, yang jika tidak ada kapasitor nilai 1/
= R/L = 8500. Karena ada kapasitor nilai ini menjadi 8000 pada suku ke-dua v.

Persamaan Karakteristik Memiliki Dua Akar
Riil Sama Besar
s1 = s2, {b2 4ac } = 0

Dua Akar Riil Sama Besar
Dua akar yang sama besar dapat kita tuliskan sebagai
s1  s

dan

s 2  s   ; dengan   0

Tanggapan lengkap akan berbentuk
y  y p  K 1e

s1t

 K 2e

s2t

st

 y p  K 1e

Tanggapan paksa

Kondisi awal pertama

 K 2e

( s   )t

Tanggapan alami

Kondisi awal kedua







y ( 0 )  y p ( 0 )  K 1 s  K 2 ( s   )







y ( 0 )  y p ( 0 )  ( K 1  K 2 ) s  K 2   B 0

y (0 )  y p (0 )  K 1  K 2
y ( 0 )  y p ( 0 )  K 1  K 2  A0

A0 s  K 2   B 0



K2 

B 0  A0 s


dan

K 1  A0 

B 0  A0 s


Dua Akar Riil Sama Besar
Tanggapan lengkap menjadi

 1 e  t   st
 e
y  y p   A0  ( B 0  A0 s )   
 
  


t
 1
 e t  1 
e 

t
lim  
 lim 







 0
 0





y  y p   A0  ( B 0  A0 s ) t  e

y  y p  K a  K b t  e

ditentukan oleh kondisi awal

st

st

ditentukan oleh kondisi awal dan s
s sendiri ditentukan oleh nilai elemenelemen yang membentuk rangkaian dan
tidak ada kaitannya dengan kondisi awal

Dua Akar Riil Sama Besar, Tanggapan Alami
Contoh-3.
1H

S 1 2
+


15 V

+
v



iC
0,25 F

i
4 k

Sakalar telah lama di posisi 1. Pada t
= 0 di pindah ke posisi 2. Tentukan
perubahan tegangan kapasitor.

(Diganti dengan 4 k dari contoh sebelumnya)


Sebelum saklar dipindahkan: v ( 0 )  15 V ; i ( 0 )  0

di

Persamaan rangkaian untuk t > 0:  v  L

 iR  0

dt
2

Karena i =  iC = C dv/dt

LC

d v
dt

2

 RC

dt

Persamaan karakteristik:

2

3

2

 4  10

s  4  10 s  4  10

v0

dt

2

d v

dv

3

dv
dt

6

0

 4  10 v  0
6

Dua Akar Riil Sama Besar, Tanggapan Alami
Persamaan

2

karakteris tik : s  4000 s  4  10
akar - akar : s1 , s 2   2000 

Karena persamaan
maka tanggapan

karakteris tik memiliki

6

0

4  10

6

 4  10

6

  2000  s

akar sama besar

lengkap akan berbentuk :
v  v p  K a  K b t  e

st

 0  K a  K b t  e

st

Tak ada fungsi pemaksa

Kondisi
Kondisi

awal pertama
awal kedua



dv
dt



dv
dt





v ( 0 )  v ( 0 )  v ( 0 )  15  K a .


(0 )  0 

dv
dt

 K be



(0 )  0  K b  K a s 

 Jadi : v  15  30000 t  e

st

 K a  K bt  s e

st

K b   K a s  30000
 2000 t

V

Dua Akar Riil Sama Besar, Tanggapan Alami

v  15  30000 t  e

 2000 t

V

15
10

v  30000 t e

 2000 t

5
0
0
-5
-10
-15

0.001

v  15 e

0.002

 2000 t

0.003

0.004

0.005

0.006

Dua akar kompleks konjugat
{b2 4ac } < 0
s1    j 

dan

s 2    j

Dua Akar Kompleks Konjugat
Akar-Akar Kompleks Konjugat
s1    j 

dan

s 2    j

Tanggapan lengkap akan berbentuk
y  y p  K 1e

(   j ) t

 K 2e

(   j ) t



 y p  K 1e

 j t

K 1 (cos  t  j sin  t )

 K 2e

 j t

e

t

K 2 (cos  t  j sin  t )

( K 1  K 2 ) cos  t  j ( K 1  K 2 ) sin  t

K a cos  t  K b sin  t

y  y p   K a cos  t  K b sin  t  e

t



Kondisi awal pertama: y ( 0 )  y p ( 0 )  K a

Kondisi awal kedua:





K a  y (0 )  y p (0 )



t
y ( 0 )  y p ( 0 )  {(  K b  K a  ) sin  t  ( K b    K a ) cos  t }e

 y p ( 0 )   K a   K b


 K a   K b  y  ( 0 )  y p ( 0 )

Dua Akar Kompleks Konjugat, Tanggapan Alami
Contoh-4.
1H

S 1 2
+


15 V

+
v


iC

0,25 F

i
1 k

Saklar S sudah lama pada posisi 1.
Pada t = 0 dipindah ke poisisi 2.
Carilah perubahan tegangan kapasitor.

(Diganti dengan 1 k dari contoh sebelumnya)

Pada t = 0+ : v ( 0  )  15 V ; i ( 0  )  0

vL

di

 iR  0

dt

Persamaan rangkaian untuk t > 0:
2

Karena i = iC = C dv/dt

d v

LC

dt

2

dt

Persamaan karakteristik:

2

2

3

 1  10

v0

dt

2

d v

dv

 RC

3

s  1  10 s  4  10

dv

 4  10 v  0

dt
6

0

6

Dua Akar Kompleks Konjugat, Tanggapan Alami
Persamaan

karakteris tik : s

2

 1000

dv

6

0

2

 4  10

 4  10

dt
akar - akar : s1 , s 2   500 

500

6

  500  j 500

15

dua akar kompleks konjugat
  j  dengan    500 ;   500

15

Tanggapan lengkap akan berbentuk:
v  0   K a cos  t  K b sin  t  e
Kondisi

awal pertama

Kondisi

awal kedua 



 v ( 0 )  15  K a
dv
dt



(0 )  0   K a   K b
 Kb 

Tanggapan

t



 K a




lengkap : v  15 cos( 500 15 t ) 

500  15
500



15

15



15 sin( 500 15 t ) e

 500 t

V

Dua Akar Kompleks Konjugat, Tanggapan Alami



v  15 cos( 500 15 t ) 



15 sin( 500 15 t ) e

 500 t

V

15

15 cos( 500 15 t

v 10
[V]
5

15 sin( 500 15 t )

t

0
0
-5
-10
-15

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

0.006

Dua Akar Kompleks Konjugat, Tanggapan Alami
Perbandingan tanggapan rangkaian:
Dua akar riil berbeda: sangat teredam, v  16 e  500 t  e  8000 t V
Dua akar riil sama besar : teredam kritis, v  15  30000 t  e  2000 t V

Dua akar kompleks konjugat : kurang teredam,



v  15 cos( 500 15 t ) 



15 sin( 500 15 t ) e

15
10
5
0
0
-5
-10
-15

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

0.006

 500 t

V

Tanggapan Rangkaian Terhadap Sinyal Sinus
Contoh Tanggapan Rangkaian Dengan Masukan Sinyal Sinus

vs =
26cos3t u(t) V

+


i
vs

5

1H
1

F

6

+
v



Rangkaian mendapat masukan
sinyal sinus yang muncul pada t = 0.
Tentukan perubahan tegangan dan
arus kapasitor, apabila kondisi awal
adalahi(0) = 2 A dan v(0) = 6 V

Pada t = 0+ : i(0+) = 2 A dan v(0+) = 6 V

Persamaan rangkaian untuk t > 0 :

 v s  Ri  L
dv

RC



di
dt

2

 LC

d i
2

dt

dt

5 dv

1 d v



2

d v
2

 v  vs

2

6 dt

dt

v0

5

6 dt

dv
dt

2

 v  26 cos 3 t

 6 v  156 cos 3 t

Tanggapan Rangkaian Terhadap Sinyal Sinus
Persamaan

2

karakteris tik : s  5 s  6  0  ( s  2 )( s  3 );
akar - akar : s1 , s 2   2 ,  3

Dugaan ta nggapan

paksa : v p  A c cos 3 t  A s sin 3 t
2

Persamaan rangkaian

d v
dt

2

5

dv

 6 v  156 cos 3 t

dt

   9 A c  15 A s  6 A c  cos 3 t    9 A s  15 A c  6 A s  sin 3 t  156 cos 3 t
  3 A c  15 A s  156
 Ac 

Tanggapan

156  0
 3  75

dan  15 A c  3 A s  0
  2 ; As 

5  156  0
75  3

 10

paksa : v p   2 cos 3 t  10 sin 3 t

Dugaan tan ggapan lengkap

: v   2 cos 3t  10 sin 3t  K 1 e

2t

 K 2e

 3t

masih harus ditentukan melalui
penerapan kondisi awal

Tanggapan Rangkaian Terhadap Sinyal Sinus


1 dv



awal : v ( 0 )  6 dan i ( 0 )  2 

Kondisi



(0 ) 

dv

6 dt
Aplikasi

kondisi

awal pertama

Aplikasi

kondisi

awal kedua :
 K1  6

Tanggapan

 i

1 dv

dt

: 6  2  K1  K 2  K 2  8  K1
12  30  2 K 1  3 K 2
 K2  2

: v   2 cos 3 t  10 sin 3 t  6 e

lengkap



( 0 )  12

 sin 3 t  5 cos 3 t  2 e

2t

e

 3t

2t

 2e

 3t

V

A

6 dt
30

v [V] 20
i [A]
10

Amplitudo tegangan
menurun

vs

Amplitudo arus
meningkat

v

0
-10 0
-20
-30

t [s]
i

2

4

6

8

10

Courseware
Analisis Transien Rangkaian Orde Ke-Dua

Sudaryatno Sudirham


Slide 18

Open Course

Selamat Belajar

oleh: Sudaryatno Sudirham

Tujuan
 mampu menurunkan persamaan rangkaian yang merupakan
rangkaian orde kedua.

 memahami bahwa tanggapan rangkaian terdiri dari tanggapan
paksa dan tanggapan alami yang mungkin berosilasi.
 mampu melakukan analisis transien pada rangkaian orde

kedua.

Bentuk Umum
Persamaan Rangkaian
Orde Ke-dua

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
2

a

d y
dt

2

b

dy

 cy  x ( t )

dt

y = tanggapan rangkaian yang dapat
berupa tegangan ataupun arus

fungsi pemaksa atau
fungsi penggerak.

tetapan a dan b ditentukan oleh nilainilai elemen yang membentuk rangkaian
Persamaan diferensial orde ke-dua muncul karena
rangkaian mengandung kapasitor dan induktor

dengan tegangan sebagai
peubah status

dengan arus
sebagai peubah status

sedangkan peubah dalam persamaan rangkaian
harus salah satu di ataranya, tegangan atau arus

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Tanggapan Alami
Tanggapan alami adalah solusi persamaan rangkaian di
mana x(t) bernilai nol:
2

a

d y
dt

2

b

dy

 cy  0

dt

Dugaan solusi y berbentuk fungsi eksponensial ya = Kest dengan nilai
K dan s yang masih harus ditentukan.
Kalau solusi ini dimasukkan ke persamaan, akan diperoleh
aKs
Ke

st

2

e

st

as

2

 bKse

st



 cKe

st

0

atau

 bs  c  0

Bagian ini yang harus bernilai nol yang
memberikan persamaan karakteristik
as

2

 bs  c  0

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
2

as  bs  c  0

Persamaan karakteristik yang berbentuk persamaan kwadrat itu
mempunyai dua akar yaitu
s1 , s 2 

2

b

b  4 ac
2a

Dengan adanya dua akar tersebut maka kita mempunyai
dua solusi homogen, yaitu
y a1  K 1e

s1 t

dan

ya 2  K 2e

s2t

dan tanggapan alami yang kita cari akan berbentuk
y a  K 1e

s1 t

 K 2e

s2t

Seperti halnya pada rangkaian orde pertama, tetapan-tetapan ini
diperoleh melalui penerapan kondisi awal pada tanggapan lengkap

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Tanggapan Paksa
Tanggapan paksa adalah solusi persamaan rangkaian di
mana x(t) 0:
2

a

d y
dt

2

b

dy

 cy  x ( t )

dt

Bentuk tanggapan paksa ditentukan oleh bentuk x(t)
sebagaimana telah diulas pada rangkaian orde pertama, yaitu
Jika x ( t )  0 , maka

yp  0

Jika x ( t )  A  konstan,
t

maka

Jika

x ( t )  Ae

Jika

x ( t )  A sin  t , maka

Jika

x ( t )  A cos  t , maka

y p  konstan  K

 eksponensi al, maka

y p  eksponensi al  Ke

y p  K c cos  t  K s sin  t
y p  K c cos  t  K s sin  t

Perhatikan : y  K c cos  t  K s sin  t adalah bentuk umum
fungsi sinus maupun

cosinus .

t

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Tanggapan Lengkap
Tanggapan lengkap adalah jumlah tanggapan alami
dan tanggapan paksa
y  y p  y a  y p  K 1e

s1t

 K 2e

s2t

Tetapan ini diperoleh melalui penerapan kondisi awal
Jika rangkaian mengandung C dan L, dua elemen
ini akan cenderung mempertahankan statusnya.
Jadi ada dua kondisi awal yang harus dipenuhi
yaitu




vC (0 )  vC (0 )

dan




iL (0 )  iL (0 )

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Kondisi Awal
Secara umum, kondisi awal adalah:




y (0 )  y (0 )

dan

dy





(0 )  y ' (0 )

dt

Nilai sesaat sebelum dan sesudah
penutupan/pembukaan saklar harus sama, dan
laju perubahan nilainya harus kontinyu
y

y

0

t

Pada rangkaian orde
pertama dy/dt(0+) tidak
perlu kontinyu

0

t

Pada rangkaian orde kedua dy/dt(0+)
harus kontinyu sebab ada d2y/dt2
dalam persamaan rangkaian yang
hanya terdefinisi jika dy/dt(0+) kontinyu

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Tiga Kemungkinan Bentuk Tanggapan
Persamaan karakteristik
as

2

 bs  c  0

dapat mempunyai tiga kemungkinan nilai akar, yaitu:
a). Dua akar riil berbeda, s1  s2, jika {b2 4ac } > 0;
b). Dua akar sama, s1 = s2 = s , jika {b24ac } = 0;

c). Dua akar kompleks konjugat s1,s2 =   j jika {b24ac } < 0.
Tiga kemungkinan akar ini akan memberikan tiga
kemungkinan bentuk tanggapan

Persamaan karakteristik dengan
dua akar riil berbeda,
s1  s2, {b2 4ac } > 0

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
Contoh-1
1H

S 1 2
+


15 V

+
v



iC
0,25 F

i
8,5 k

Saklar S telah lama berada pada posisi 1.
Pada t = 0 saklar dipindahkan ke posisi 2.
Carilah perubahan tegangan kapasitor.



Pada t = 0- : i ( 0 )  0 dan v ( 0 )  12 V

Persamaan Rangkaian pada t > 0 :  v  L

di

 Ri  0

dt

Karena i = -iC = -C dv/dt, maka:  v  LC

2

d v
dt

2

d v



dt

2



2

R dv

 RC

dt

2

0

dt


L dt

 8 ,5  10

v

0

LC

2

d v

dv

3

dv
dt

6

 4  10 v  0

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami

Persamaan karakteristik:

s

2

3

 8 , 5  10 s  4  10

 akar - akar : s1 , s 2   4250  10

3

6

0

2

( 4 , 25 )  4   500 ,  8000

 500 t
 8000 t
 K 2e
Dugaan tanggapan lengkap: v  0  K 1 e

Tak ada fungsi pemaksa

Kondisi awal: v C ( 0  )  15 V dan i L ( 0  )  0
Karena persamaan rangkaian menggunakan v
sebagai peubah maka kondisi awal arus iL(0+)
harus diubah menjadi dalam tegangan v






i L ( 0 )  iC ( 0 )  C

dv C ( 0 )



dv C ( 0 )
dt

0

dt

0

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
Kondisi awal:





v ( 0 )  15 V

dv ( 0 )

0

dt

 500 t
 8000 t
 K 2e
Dugaan tanggapan lengkap: v  0  K 1 e

0   500 K 1  8000 K 2

15  K1  K 2

0   500 K 1  8000 (15  K 1 )

K1 

8000  15

 16

K 2  1

7500

Tanggapan lengkap menjadi: v  16 e  500 t  e  8000 t V
(hanya ada tanggapan alami).

Ini adalah pelepasan muatan kapasitor pada
rangkaian R-L-C seri

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami

Tanggapan

lengkap : v  16 e

 500 t

e

 8000 t

V

16

v
[V] 12

v
8
4
0
0

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

-4

Perhatikan bahwa pada t = 0+ tegangan kapasitor adalah 15 V

Pada waktu kapasitor mulai melepaskan muatannya,
ada perlawanan dari induktor yang menyebabkan
penurunan tegangan pada saat-saat awal agak landai

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
Contoh-2

1H

S
+


19 V

+
v

iC



0,25 F

Saklar S telah lama tertutup.
Pada t = 0 saklar dibuka.
Tentukan perubahan tegangan
kapasitor dan arus induktor.

i
8,5 k

Sebelum saklar dibuka arus hanya melalui induktor. Dioda tidak konduksi.


i L (0 ) 

19
8500

Persamaan Rangkaian pada t > 0 :

i   iC   C



vC (0 )  0 V

 2 mA

dv C
dt

did 2 v
dv
L
 Ri 
0
vvLC
RC
0
dtdt 2
dt
2



d v
dt

2



R dv
L dt

dt

2

 8 ,5  10

0

LC

2

d v

v



3

dv
dt

6

 4  10 v  0

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
Persamaan

karkterist ik : s  8 ,5  10 s  4  10  0
2

3

 akar - akar : s1 , s 2   4250  10

Dugaan ta

nggapan

lengkap

3

6

( 4 , 25 )  4   500 ,  8000
2

: v  0  K 1e

 500 t

 K 2e

 8000 t

Tak ada fungsi pemaksa
Kondisi awal:



i L ( 0 )  2 mA



vC (0 )  0 V

dan

Karena persamaan rangkaian menggunakan v sebagai
peubah maka kondisi awal iL(0+) harus diubah menjadi
dalam v






 i L ( 0 )  iC ( 0 )  C


dv C ( 0 )
dt

 

dv C ( 0 )
dt
2  10
C

3

 2  10

3

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami


dv ( 0 )



Kondisi awal: v ( 0 )  0



dt

Dugaan ta

nggapan

2  10

6

0 , 25  10

: v  0  K 1e

lengkap

3

0  K1  K 2

 500 t

  8  10

 K 2e

3

 8000 t

 8000   500 K 1  8000 K 2

 8000   500 K 1  8000 K 1
K1 

Tegangan kapasitor menjadi

 8000

K 2   K1  1

  1, 06

7500

: v  1, 06 e

 500 t

 1e

 8000 t

V

Ini adalah pengisian kapasitor oleh arus
induktor pada rangkaian R-L-C seri
Arus induktor

: i L   iC   C
  133  10

dv

  0 , 25  10

dt
 3  500 t

e

 2e

6

 530 e

 8000 t

mA

 500 t

 8000 e

 8000 t



Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
Tanggapan lengkap : v  1, 06 e

 500 t

 1e

 8000 t

V

1

v
[V]

0. 5

0
0

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

-0. 5

-1

Perhatikan bahwa pada awalnya tegangan kapasitor naik
karena menerima pelepasan energi dari induktor

Kenaikan tegangan kapasitor mencapai puncak kemudian
menurun karena ia melepaskan muatan yang pada awalnya
diterima.

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
v  16 e

 500 t

e

 8000 t

v  1, 06 e

V

16

 500 t

 1e

 8000 t

V

1

v [V]

Pelepasan energi induktor

v

12

[V]

v

8

0. 5
0
0

4

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

-0. 5

0
0

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

-1

-4

Untuk kedua peristiwa ini yang di-plot terhadap waktu adalah tegangan kapasitor
Seandainya tidak ada induktor, penurunan tegangan kapasitor akan terjadi
dengan konstanta waktu

  RC  8500  0 . 25  10

6

 2125  10

-6

atau 1/ = 470,6. Tetapi karena ada induktor, konstanta waktu menjadi lebih kecil
sehingga 1/ = 500. Inilah yang terlihat pada suku pertama v.
Suku ke-dua v adalah pengaruh induktor, yang jika tidak ada kapasitor nilai 1/
= R/L = 8500. Karena ada kapasitor nilai ini menjadi 8000 pada suku ke-dua v.

Persamaan Karakteristik Memiliki Dua Akar
Riil Sama Besar
s1 = s2, {b2 4ac } = 0

Dua Akar Riil Sama Besar
Dua akar yang sama besar dapat kita tuliskan sebagai
s1  s

dan

s 2  s   ; dengan   0

Tanggapan lengkap akan berbentuk
y  y p  K 1e

s1t

 K 2e

s2t

st

 y p  K 1e

Tanggapan paksa

Kondisi awal pertama

 K 2e

( s   )t

Tanggapan alami

Kondisi awal kedua







y ( 0 )  y p ( 0 )  K 1 s  K 2 ( s   )







y ( 0 )  y p ( 0 )  ( K 1  K 2 ) s  K 2   B 0

y (0 )  y p (0 )  K 1  K 2
y ( 0 )  y p ( 0 )  K 1  K 2  A0

A0 s  K 2   B 0



K2 

B 0  A0 s


dan

K 1  A0 

B 0  A0 s


Dua Akar Riil Sama Besar
Tanggapan lengkap menjadi

 1 e  t   st
 e
y  y p   A0  ( B 0  A0 s )   
 
  


t
 1
 e t  1 
e 

t
lim  
 lim 







 0
 0





y  y p   A0  ( B 0  A0 s ) t  e

y  y p  K a  K b t  e

ditentukan oleh kondisi awal

st

st

ditentukan oleh kondisi awal dan s
s sendiri ditentukan oleh nilai elemenelemen yang membentuk rangkaian dan
tidak ada kaitannya dengan kondisi awal

Dua Akar Riil Sama Besar, Tanggapan Alami
Contoh-3.
1H

S 1 2
+


15 V

+
v



iC
0,25 F

i
4 k

Sakalar telah lama di posisi 1. Pada t
= 0 di pindah ke posisi 2. Tentukan
perubahan tegangan kapasitor.

(Diganti dengan 4 k dari contoh sebelumnya)


Sebelum saklar dipindahkan: v ( 0 )  15 V ; i ( 0 )  0

di

Persamaan rangkaian untuk t > 0:  v  L

 iR  0

dt
2

Karena i =  iC = C dv/dt

LC

d v
dt

2

 RC

dt

Persamaan karakteristik:

2

3

2

 4  10

s  4  10 s  4  10

v0

dt

2

d v

dv

3

dv
dt

6

0

 4  10 v  0
6

Dua Akar Riil Sama Besar, Tanggapan Alami
Persamaan

2

karakteris tik : s  4000 s  4  10
akar - akar : s1 , s 2   2000 

Karena persamaan
maka tanggapan

karakteris tik memiliki

6

0

4  10

6

 4  10

6

  2000  s

akar sama besar

lengkap akan berbentuk :
v  v p  K a  K b t  e

st

 0  K a  K b t  e

st

Tak ada fungsi pemaksa

Kondisi
Kondisi

awal pertama
awal kedua



dv
dt



dv
dt





v ( 0 )  v ( 0 )  v ( 0 )  15  K a .


(0 )  0 

dv
dt

 K be



(0 )  0  K b  K a s 

 Jadi : v  15  30000 t  e

st

 K a  K bt  s e

st

K b   K a s  30000
 2000 t

V

Dua Akar Riil Sama Besar, Tanggapan Alami

v  15  30000 t  e

 2000 t

V

15
10

v  30000 t e

 2000 t

5
0
0
-5
-10
-15

0.001

v  15 e

0.002

 2000 t

0.003

0.004

0.005

0.006

Dua akar kompleks konjugat
{b2 4ac } < 0
s1    j 

dan

s 2    j

Dua Akar Kompleks Konjugat
Akar-Akar Kompleks Konjugat
s1    j 

dan

s 2    j

Tanggapan lengkap akan berbentuk
y  y p  K 1e

(   j ) t

 K 2e

(   j ) t



 y p  K 1e

 j t

K 1 (cos  t  j sin  t )

 K 2e

 j t

e

t

K 2 (cos  t  j sin  t )

( K 1  K 2 ) cos  t  j ( K 1  K 2 ) sin  t

K a cos  t  K b sin  t

y  y p   K a cos  t  K b sin  t  e

t



Kondisi awal pertama: y ( 0 )  y p ( 0 )  K a

Kondisi awal kedua:





K a  y (0 )  y p (0 )



t
y ( 0 )  y p ( 0 )  {(  K b  K a  ) sin  t  ( K b    K a ) cos  t }e

 y p ( 0 )   K a   K b


 K a   K b  y  ( 0 )  y p ( 0 )

Dua Akar Kompleks Konjugat, Tanggapan Alami
Contoh-4.
1H

S 1 2
+


15 V

+
v


iC

0,25 F

i
1 k

Saklar S sudah lama pada posisi 1.
Pada t = 0 dipindah ke poisisi 2.
Carilah perubahan tegangan kapasitor.

(Diganti dengan 1 k dari contoh sebelumnya)

Pada t = 0+ : v ( 0  )  15 V ; i ( 0  )  0

vL

di

 iR  0

dt

Persamaan rangkaian untuk t > 0:
2

Karena i = iC = C dv/dt

d v

LC

dt

2

dt

Persamaan karakteristik:

2

2

3

 1  10

v0

dt

2

d v

dv

 RC

3

s  1  10 s  4  10

dv

 4  10 v  0

dt
6

0

6

Dua Akar Kompleks Konjugat, Tanggapan Alami
Persamaan

karakteris tik : s

2

 1000

dv

6

0

2

 4  10

 4  10

dt
akar - akar : s1 , s 2   500 

500

6

  500  j 500

15

dua akar kompleks konjugat
  j  dengan    500 ;   500

15

Tanggapan lengkap akan berbentuk:
v  0   K a cos  t  K b sin  t  e
Kondisi

awal pertama

Kondisi

awal kedua 



 v ( 0 )  15  K a
dv
dt



(0 )  0   K a   K b
 Kb 

Tanggapan

t



 K a




lengkap : v  15 cos( 500 15 t ) 

500  15
500



15

15



15 sin( 500 15 t ) e

 500 t

V

Dua Akar Kompleks Konjugat, Tanggapan Alami



v  15 cos( 500 15 t ) 



15 sin( 500 15 t ) e

 500 t

V

15

15 cos( 500 15 t

v 10
[V]
5

15 sin( 500 15 t )

t

0
0
-5
-10
-15

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

0.006

Dua Akar Kompleks Konjugat, Tanggapan Alami
Perbandingan tanggapan rangkaian:
Dua akar riil berbeda: sangat teredam, v  16 e  500 t  e  8000 t V
Dua akar riil sama besar : teredam kritis, v  15  30000 t  e  2000 t V

Dua akar kompleks konjugat : kurang teredam,



v  15 cos( 500 15 t ) 



15 sin( 500 15 t ) e

15
10
5
0
0
-5
-10
-15

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

0.006

 500 t

V

Tanggapan Rangkaian Terhadap Sinyal Sinus
Contoh Tanggapan Rangkaian Dengan Masukan Sinyal Sinus

vs =
26cos3t u(t) V

+


i
vs

5

1H
1

F

6

+
v



Rangkaian mendapat masukan
sinyal sinus yang muncul pada t = 0.
Tentukan perubahan tegangan dan
arus kapasitor, apabila kondisi awal
adalahi(0) = 2 A dan v(0) = 6 V

Pada t = 0+ : i(0+) = 2 A dan v(0+) = 6 V

Persamaan rangkaian untuk t > 0 :

 v s  Ri  L
dv

RC



di
dt

2

 LC

d i
2

dt

dt

5 dv

1 d v



2

d v
2

 v  vs

2

6 dt

dt

v0

5

6 dt

dv
dt

2

 v  26 cos 3 t

 6 v  156 cos 3 t

Tanggapan Rangkaian Terhadap Sinyal Sinus
Persamaan

2

karakteris tik : s  5 s  6  0  ( s  2 )( s  3 );
akar - akar : s1 , s 2   2 ,  3

Dugaan ta nggapan

paksa : v p  A c cos 3 t  A s sin 3 t
2

Persamaan rangkaian

d v
dt

2

5

dv

 6 v  156 cos 3 t

dt

   9 A c  15 A s  6 A c  cos 3 t    9 A s  15 A c  6 A s  sin 3 t  156 cos 3 t
  3 A c  15 A s  156
 Ac 

Tanggapan

156  0
 3  75

dan  15 A c  3 A s  0
  2 ; As 

5  156  0
75  3

 10

paksa : v p   2 cos 3 t  10 sin 3 t

Dugaan tan ggapan lengkap

: v   2 cos 3t  10 sin 3t  K 1 e

2t

 K 2e

 3t

masih harus ditentukan melalui
penerapan kondisi awal

Tanggapan Rangkaian Terhadap Sinyal Sinus


1 dv



awal : v ( 0 )  6 dan i ( 0 )  2 

Kondisi



(0 ) 

dv

6 dt
Aplikasi

kondisi

awal pertama

Aplikasi

kondisi

awal kedua :
 K1  6

Tanggapan

 i

1 dv

dt

: 6  2  K1  K 2  K 2  8  K1
12  30  2 K 1  3 K 2
 K2  2

: v   2 cos 3 t  10 sin 3 t  6 e

lengkap



( 0 )  12

 sin 3 t  5 cos 3 t  2 e

2t

e

 3t

2t

 2e

 3t

V

A

6 dt
30

v [V] 20
i [A]
10

Amplitudo tegangan
menurun

vs

Amplitudo arus
meningkat

v

0
-10 0
-20
-30

t [s]
i

2

4

6

8

10

Courseware
Analisis Transien Rangkaian Orde Ke-Dua

Sudaryatno Sudirham


Slide 19

Open Course

Selamat Belajar

oleh: Sudaryatno Sudirham

Tujuan
 mampu menurunkan persamaan rangkaian yang merupakan
rangkaian orde kedua.

 memahami bahwa tanggapan rangkaian terdiri dari tanggapan
paksa dan tanggapan alami yang mungkin berosilasi.
 mampu melakukan analisis transien pada rangkaian orde

kedua.

Bentuk Umum
Persamaan Rangkaian
Orde Ke-dua

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
2

a

d y
dt

2

b

dy

 cy  x ( t )

dt

y = tanggapan rangkaian yang dapat
berupa tegangan ataupun arus

fungsi pemaksa atau
fungsi penggerak.

tetapan a dan b ditentukan oleh nilainilai elemen yang membentuk rangkaian
Persamaan diferensial orde ke-dua muncul karena
rangkaian mengandung kapasitor dan induktor

dengan tegangan sebagai
peubah status

dengan arus
sebagai peubah status

sedangkan peubah dalam persamaan rangkaian
harus salah satu di ataranya, tegangan atau arus

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Tanggapan Alami
Tanggapan alami adalah solusi persamaan rangkaian di
mana x(t) bernilai nol:
2

a

d y
dt

2

b

dy

 cy  0

dt

Dugaan solusi y berbentuk fungsi eksponensial ya = Kest dengan nilai
K dan s yang masih harus ditentukan.
Kalau solusi ini dimasukkan ke persamaan, akan diperoleh
aKs
Ke

st

2

e

st

as

2

 bKse

st



 cKe

st

0

atau

 bs  c  0

Bagian ini yang harus bernilai nol yang
memberikan persamaan karakteristik
as

2

 bs  c  0

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
2

as  bs  c  0

Persamaan karakteristik yang berbentuk persamaan kwadrat itu
mempunyai dua akar yaitu
s1 , s 2 

2

b

b  4 ac
2a

Dengan adanya dua akar tersebut maka kita mempunyai
dua solusi homogen, yaitu
y a1  K 1e

s1 t

dan

ya 2  K 2e

s2t

dan tanggapan alami yang kita cari akan berbentuk
y a  K 1e

s1 t

 K 2e

s2t

Seperti halnya pada rangkaian orde pertama, tetapan-tetapan ini
diperoleh melalui penerapan kondisi awal pada tanggapan lengkap

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Tanggapan Paksa
Tanggapan paksa adalah solusi persamaan rangkaian di
mana x(t) 0:
2

a

d y
dt

2

b

dy

 cy  x ( t )

dt

Bentuk tanggapan paksa ditentukan oleh bentuk x(t)
sebagaimana telah diulas pada rangkaian orde pertama, yaitu
Jika x ( t )  0 , maka

yp  0

Jika x ( t )  A  konstan,
t

maka

Jika

x ( t )  Ae

Jika

x ( t )  A sin  t , maka

Jika

x ( t )  A cos  t , maka

y p  konstan  K

 eksponensi al, maka

y p  eksponensi al  Ke

y p  K c cos  t  K s sin  t
y p  K c cos  t  K s sin  t

Perhatikan : y  K c cos  t  K s sin  t adalah bentuk umum
fungsi sinus maupun

cosinus .

t

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Tanggapan Lengkap
Tanggapan lengkap adalah jumlah tanggapan alami
dan tanggapan paksa
y  y p  y a  y p  K 1e

s1t

 K 2e

s2t

Tetapan ini diperoleh melalui penerapan kondisi awal
Jika rangkaian mengandung C dan L, dua elemen
ini akan cenderung mempertahankan statusnya.
Jadi ada dua kondisi awal yang harus dipenuhi
yaitu




vC (0 )  vC (0 )

dan




iL (0 )  iL (0 )

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Kondisi Awal
Secara umum, kondisi awal adalah:




y (0 )  y (0 )

dan

dy





(0 )  y ' (0 )

dt

Nilai sesaat sebelum dan sesudah
penutupan/pembukaan saklar harus sama, dan
laju perubahan nilainya harus kontinyu
y

y

0

t

Pada rangkaian orde
pertama dy/dt(0+) tidak
perlu kontinyu

0

t

Pada rangkaian orde kedua dy/dt(0+)
harus kontinyu sebab ada d2y/dt2
dalam persamaan rangkaian yang
hanya terdefinisi jika dy/dt(0+) kontinyu

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Tiga Kemungkinan Bentuk Tanggapan
Persamaan karakteristik
as

2

 bs  c  0

dapat mempunyai tiga kemungkinan nilai akar, yaitu:
a). Dua akar riil berbeda, s1  s2, jika {b2 4ac } > 0;
b). Dua akar sama, s1 = s2 = s , jika {b24ac } = 0;

c). Dua akar kompleks konjugat s1,s2 =   j jika {b24ac } < 0.
Tiga kemungkinan akar ini akan memberikan tiga
kemungkinan bentuk tanggapan

Persamaan karakteristik dengan
dua akar riil berbeda,
s1  s2, {b2 4ac } > 0

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
Contoh-1
1H

S 1 2
+


15 V

+
v



iC
0,25 F

i
8,5 k

Saklar S telah lama berada pada posisi 1.
Pada t = 0 saklar dipindahkan ke posisi 2.
Carilah perubahan tegangan kapasitor.



Pada t = 0- : i ( 0 )  0 dan v ( 0 )  12 V

Persamaan Rangkaian pada t > 0 :  v  L

di

 Ri  0

dt

Karena i = -iC = -C dv/dt, maka:  v  LC

2

d v
dt

2

d v



dt

2



2

R dv

 RC

dt

2

0

dt


L dt

 8 ,5  10

v

0

LC

2

d v

dv

3

dv
dt

6

 4  10 v  0

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami

Persamaan karakteristik:

s

2

3

 8 , 5  10 s  4  10

 akar - akar : s1 , s 2   4250  10

3

6

0

2

( 4 , 25 )  4   500 ,  8000

 500 t
 8000 t
 K 2e
Dugaan tanggapan lengkap: v  0  K 1 e

Tak ada fungsi pemaksa

Kondisi awal: v C ( 0  )  15 V dan i L ( 0  )  0
Karena persamaan rangkaian menggunakan v
sebagai peubah maka kondisi awal arus iL(0+)
harus diubah menjadi dalam tegangan v






i L ( 0 )  iC ( 0 )  C

dv C ( 0 )



dv C ( 0 )
dt

0

dt

0

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
Kondisi awal:





v ( 0 )  15 V

dv ( 0 )

0

dt

 500 t
 8000 t
 K 2e
Dugaan tanggapan lengkap: v  0  K 1 e

0   500 K 1  8000 K 2

15  K1  K 2

0   500 K 1  8000 (15  K 1 )

K1 

8000  15

 16

K 2  1

7500

Tanggapan lengkap menjadi: v  16 e  500 t  e  8000 t V
(hanya ada tanggapan alami).

Ini adalah pelepasan muatan kapasitor pada
rangkaian R-L-C seri

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami

Tanggapan

lengkap : v  16 e

 500 t

e

 8000 t

V

16

v
[V] 12

v
8
4
0
0

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

-4

Perhatikan bahwa pada t = 0+ tegangan kapasitor adalah 15 V

Pada waktu kapasitor mulai melepaskan muatannya,
ada perlawanan dari induktor yang menyebabkan
penurunan tegangan pada saat-saat awal agak landai

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
Contoh-2

1H

S
+


19 V

+
v

iC



0,25 F

Saklar S telah lama tertutup.
Pada t = 0 saklar dibuka.
Tentukan perubahan tegangan
kapasitor dan arus induktor.

i
8,5 k

Sebelum saklar dibuka arus hanya melalui induktor. Dioda tidak konduksi.


i L (0 ) 

19
8500

Persamaan Rangkaian pada t > 0 :

i   iC   C



vC (0 )  0 V

 2 mA

dv C
dt

did 2 v
dv
L
 Ri 
0
vvLC
RC
0
dtdt 2
dt
2



d v
dt

2



R dv
L dt

dt

2

 8 ,5  10

0

LC

2

d v

v



3

dv
dt

6

 4  10 v  0

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
Persamaan

karkterist ik : s  8 ,5  10 s  4  10  0
2

3

 akar - akar : s1 , s 2   4250  10

Dugaan ta

nggapan

lengkap

3

6

( 4 , 25 )  4   500 ,  8000
2

: v  0  K 1e

 500 t

 K 2e

 8000 t

Tak ada fungsi pemaksa
Kondisi awal:



i L ( 0 )  2 mA



vC (0 )  0 V

dan

Karena persamaan rangkaian menggunakan v sebagai
peubah maka kondisi awal iL(0+) harus diubah menjadi
dalam v






 i L ( 0 )  iC ( 0 )  C


dv C ( 0 )
dt

 

dv C ( 0 )
dt
2  10
C

3

 2  10

3

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami


dv ( 0 )



Kondisi awal: v ( 0 )  0



dt

Dugaan ta

nggapan

2  10

6

0 , 25  10

: v  0  K 1e

lengkap

3

0  K1  K 2

 500 t

  8  10

 K 2e

3

 8000 t

 8000   500 K 1  8000 K 2

 8000   500 K 1  8000 K 1
K1 

Tegangan kapasitor menjadi

 8000

K 2   K1  1

  1, 06

7500

: v  1, 06 e

 500 t

 1e

 8000 t

V

Ini adalah pengisian kapasitor oleh arus
induktor pada rangkaian R-L-C seri
Arus induktor

: i L   iC   C
  133  10

dv

  0 , 25  10

dt
 3  500 t

e

 2e

6

 530 e

 8000 t

mA

 500 t

 8000 e

 8000 t



Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
Tanggapan lengkap : v  1, 06 e

 500 t

 1e

 8000 t

V

1

v
[V]

0. 5

0
0

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

-0. 5

-1

Perhatikan bahwa pada awalnya tegangan kapasitor naik
karena menerima pelepasan energi dari induktor

Kenaikan tegangan kapasitor mencapai puncak kemudian
menurun karena ia melepaskan muatan yang pada awalnya
diterima.

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
v  16 e

 500 t

e

 8000 t

v  1, 06 e

V

16

 500 t

 1e

 8000 t

V

1

v [V]

Pelepasan energi induktor

v

12

[V]

v

8

0. 5
0
0

4

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

-0. 5

0
0

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

-1

-4

Untuk kedua peristiwa ini yang di-plot terhadap waktu adalah tegangan kapasitor
Seandainya tidak ada induktor, penurunan tegangan kapasitor akan terjadi
dengan konstanta waktu

  RC  8500  0 . 25  10

6

 2125  10

-6

atau 1/ = 470,6. Tetapi karena ada induktor, konstanta waktu menjadi lebih kecil
sehingga 1/ = 500. Inilah yang terlihat pada suku pertama v.
Suku ke-dua v adalah pengaruh induktor, yang jika tidak ada kapasitor nilai 1/
= R/L = 8500. Karena ada kapasitor nilai ini menjadi 8000 pada suku ke-dua v.

Persamaan Karakteristik Memiliki Dua Akar
Riil Sama Besar
s1 = s2, {b2 4ac } = 0

Dua Akar Riil Sama Besar
Dua akar yang sama besar dapat kita tuliskan sebagai
s1  s

dan

s 2  s   ; dengan   0

Tanggapan lengkap akan berbentuk
y  y p  K 1e

s1t

 K 2e

s2t

st

 y p  K 1e

Tanggapan paksa

Kondisi awal pertama

 K 2e

( s   )t

Tanggapan alami

Kondisi awal kedua







y ( 0 )  y p ( 0 )  K 1 s  K 2 ( s   )







y ( 0 )  y p ( 0 )  ( K 1  K 2 ) s  K 2   B 0

y (0 )  y p (0 )  K 1  K 2
y ( 0 )  y p ( 0 )  K 1  K 2  A0

A0 s  K 2   B 0



K2 

B 0  A0 s


dan

K 1  A0 

B 0  A0 s


Dua Akar Riil Sama Besar
Tanggapan lengkap menjadi

 1 e  t   st
 e
y  y p   A0  ( B 0  A0 s )   
 
  


t
 1
 e t  1 
e 

t
lim  
 lim 







 0
 0





y  y p   A0  ( B 0  A0 s ) t  e

y  y p  K a  K b t  e

ditentukan oleh kondisi awal

st

st

ditentukan oleh kondisi awal dan s
s sendiri ditentukan oleh nilai elemenelemen yang membentuk rangkaian dan
tidak ada kaitannya dengan kondisi awal

Dua Akar Riil Sama Besar, Tanggapan Alami
Contoh-3.
1H

S 1 2
+


15 V

+
v



iC
0,25 F

i
4 k

Sakalar telah lama di posisi 1. Pada t
= 0 di pindah ke posisi 2. Tentukan
perubahan tegangan kapasitor.

(Diganti dengan 4 k dari contoh sebelumnya)


Sebelum saklar dipindahkan: v ( 0 )  15 V ; i ( 0 )  0

di

Persamaan rangkaian untuk t > 0:  v  L

 iR  0

dt
2

Karena i =  iC = C dv/dt

LC

d v
dt

2

 RC

dt

Persamaan karakteristik:

2

3

2

 4  10

s  4  10 s  4  10

v0

dt

2

d v

dv

3

dv
dt

6

0

 4  10 v  0
6

Dua Akar Riil Sama Besar, Tanggapan Alami
Persamaan

2

karakteris tik : s  4000 s  4  10
akar - akar : s1 , s 2   2000 

Karena persamaan
maka tanggapan

karakteris tik memiliki

6

0

4  10

6

 4  10

6

  2000  s

akar sama besar

lengkap akan berbentuk :
v  v p  K a  K b t  e

st

 0  K a  K b t  e

st

Tak ada fungsi pemaksa

Kondisi
Kondisi

awal pertama
awal kedua



dv
dt



dv
dt





v ( 0 )  v ( 0 )  v ( 0 )  15  K a .


(0 )  0 

dv
dt

 K be



(0 )  0  K b  K a s 

 Jadi : v  15  30000 t  e

st

 K a  K bt  s e

st

K b   K a s  30000
 2000 t

V

Dua Akar Riil Sama Besar, Tanggapan Alami

v  15  30000 t  e

 2000 t

V

15
10

v  30000 t e

 2000 t

5
0
0
-5
-10
-15

0.001

v  15 e

0.002

 2000 t

0.003

0.004

0.005

0.006

Dua akar kompleks konjugat
{b2 4ac } < 0
s1    j 

dan

s 2    j

Dua Akar Kompleks Konjugat
Akar-Akar Kompleks Konjugat
s1    j 

dan

s 2    j

Tanggapan lengkap akan berbentuk
y  y p  K 1e

(   j ) t

 K 2e

(   j ) t



 y p  K 1e

 j t

K 1 (cos  t  j sin  t )

 K 2e

 j t

e

t

K 2 (cos  t  j sin  t )

( K 1  K 2 ) cos  t  j ( K 1  K 2 ) sin  t

K a cos  t  K b sin  t

y  y p   K a cos  t  K b sin  t  e

t



Kondisi awal pertama: y ( 0 )  y p ( 0 )  K a

Kondisi awal kedua:





K a  y (0 )  y p (0 )



t
y ( 0 )  y p ( 0 )  {(  K b  K a  ) sin  t  ( K b    K a ) cos  t }e

 y p ( 0 )   K a   K b


 K a   K b  y  ( 0 )  y p ( 0 )

Dua Akar Kompleks Konjugat, Tanggapan Alami
Contoh-4.
1H

S 1 2
+


15 V

+
v


iC

0,25 F

i
1 k

Saklar S sudah lama pada posisi 1.
Pada t = 0 dipindah ke poisisi 2.
Carilah perubahan tegangan kapasitor.

(Diganti dengan 1 k dari contoh sebelumnya)

Pada t = 0+ : v ( 0  )  15 V ; i ( 0  )  0

vL

di

 iR  0

dt

Persamaan rangkaian untuk t > 0:
2

Karena i = iC = C dv/dt

d v

LC

dt

2

dt

Persamaan karakteristik:

2

2

3

 1  10

v0

dt

2

d v

dv

 RC

3

s  1  10 s  4  10

dv

 4  10 v  0

dt
6

0

6

Dua Akar Kompleks Konjugat, Tanggapan Alami
Persamaan

karakteris tik : s

2

 1000

dv

6

0

2

 4  10

 4  10

dt
akar - akar : s1 , s 2   500 

500

6

  500  j 500

15

dua akar kompleks konjugat
  j  dengan    500 ;   500

15

Tanggapan lengkap akan berbentuk:
v  0   K a cos  t  K b sin  t  e
Kondisi

awal pertama

Kondisi

awal kedua 



 v ( 0 )  15  K a
dv
dt



(0 )  0   K a   K b
 Kb 

Tanggapan

t



 K a




lengkap : v  15 cos( 500 15 t ) 

500  15
500



15

15



15 sin( 500 15 t ) e

 500 t

V

Dua Akar Kompleks Konjugat, Tanggapan Alami



v  15 cos( 500 15 t ) 



15 sin( 500 15 t ) e

 500 t

V

15

15 cos( 500 15 t

v 10
[V]
5

15 sin( 500 15 t )

t

0
0
-5
-10
-15

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

0.006

Dua Akar Kompleks Konjugat, Tanggapan Alami
Perbandingan tanggapan rangkaian:
Dua akar riil berbeda: sangat teredam, v  16 e  500 t  e  8000 t V
Dua akar riil sama besar : teredam kritis, v  15  30000 t  e  2000 t V

Dua akar kompleks konjugat : kurang teredam,



v  15 cos( 500 15 t ) 



15 sin( 500 15 t ) e

15
10
5
0
0
-5
-10
-15

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

0.006

 500 t

V

Tanggapan Rangkaian Terhadap Sinyal Sinus
Contoh Tanggapan Rangkaian Dengan Masukan Sinyal Sinus

vs =
26cos3t u(t) V

+


i
vs

5

1H
1

F

6

+
v



Rangkaian mendapat masukan
sinyal sinus yang muncul pada t = 0.
Tentukan perubahan tegangan dan
arus kapasitor, apabila kondisi awal
adalahi(0) = 2 A dan v(0) = 6 V

Pada t = 0+ : i(0+) = 2 A dan v(0+) = 6 V

Persamaan rangkaian untuk t > 0 :

 v s  Ri  L
dv

RC



di
dt

2

 LC

d i
2

dt

dt

5 dv

1 d v



2

d v
2

 v  vs

2

6 dt

dt

v0

5

6 dt

dv
dt

2

 v  26 cos 3 t

 6 v  156 cos 3 t

Tanggapan Rangkaian Terhadap Sinyal Sinus
Persamaan

2

karakteris tik : s  5 s  6  0  ( s  2 )( s  3 );
akar - akar : s1 , s 2   2 ,  3

Dugaan ta nggapan

paksa : v p  A c cos 3 t  A s sin 3 t
2

Persamaan rangkaian

d v
dt

2

5

dv

 6 v  156 cos 3 t

dt

   9 A c  15 A s  6 A c  cos 3 t    9 A s  15 A c  6 A s  sin 3 t  156 cos 3 t
  3 A c  15 A s  156
 Ac 

Tanggapan

156  0
 3  75

dan  15 A c  3 A s  0
  2 ; As 

5  156  0
75  3

 10

paksa : v p   2 cos 3 t  10 sin 3 t

Dugaan tan ggapan lengkap

: v   2 cos 3t  10 sin 3t  K 1 e

2t

 K 2e

 3t

masih harus ditentukan melalui
penerapan kondisi awal

Tanggapan Rangkaian Terhadap Sinyal Sinus


1 dv



awal : v ( 0 )  6 dan i ( 0 )  2 

Kondisi



(0 ) 

dv

6 dt
Aplikasi

kondisi

awal pertama

Aplikasi

kondisi

awal kedua :
 K1  6

Tanggapan

 i

1 dv

dt

: 6  2  K1  K 2  K 2  8  K1
12  30  2 K 1  3 K 2
 K2  2

: v   2 cos 3 t  10 sin 3 t  6 e

lengkap



( 0 )  12

 sin 3 t  5 cos 3 t  2 e

2t

e

 3t

2t

 2e

 3t

V

A

6 dt
30

v [V] 20
i [A]
10

Amplitudo tegangan
menurun

vs

Amplitudo arus
meningkat

v

0
-10 0
-20
-30

t [s]
i

2

4

6

8

10

Courseware
Analisis Transien Rangkaian Orde Ke-Dua

Sudaryatno Sudirham


Slide 20

Open Course

Selamat Belajar

oleh: Sudaryatno Sudirham

Tujuan
 mampu menurunkan persamaan rangkaian yang merupakan
rangkaian orde kedua.

 memahami bahwa tanggapan rangkaian terdiri dari tanggapan
paksa dan tanggapan alami yang mungkin berosilasi.
 mampu melakukan analisis transien pada rangkaian orde

kedua.

Bentuk Umum
Persamaan Rangkaian
Orde Ke-dua

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
2

a

d y
dt

2

b

dy

 cy  x ( t )

dt

y = tanggapan rangkaian yang dapat
berupa tegangan ataupun arus

fungsi pemaksa atau
fungsi penggerak.

tetapan a dan b ditentukan oleh nilainilai elemen yang membentuk rangkaian
Persamaan diferensial orde ke-dua muncul karena
rangkaian mengandung kapasitor dan induktor

dengan tegangan sebagai
peubah status

dengan arus
sebagai peubah status

sedangkan peubah dalam persamaan rangkaian
harus salah satu di ataranya, tegangan atau arus

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Tanggapan Alami
Tanggapan alami adalah solusi persamaan rangkaian di
mana x(t) bernilai nol:
2

a

d y
dt

2

b

dy

 cy  0

dt

Dugaan solusi y berbentuk fungsi eksponensial ya = Kest dengan nilai
K dan s yang masih harus ditentukan.
Kalau solusi ini dimasukkan ke persamaan, akan diperoleh
aKs
Ke

st

2

e

st

as

2

 bKse

st



 cKe

st

0

atau

 bs  c  0

Bagian ini yang harus bernilai nol yang
memberikan persamaan karakteristik
as

2

 bs  c  0

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
2

as  bs  c  0

Persamaan karakteristik yang berbentuk persamaan kwadrat itu
mempunyai dua akar yaitu
s1 , s 2 

2

b

b  4 ac
2a

Dengan adanya dua akar tersebut maka kita mempunyai
dua solusi homogen, yaitu
y a1  K 1e

s1 t

dan

ya 2  K 2e

s2t

dan tanggapan alami yang kita cari akan berbentuk
y a  K 1e

s1 t

 K 2e

s2t

Seperti halnya pada rangkaian orde pertama, tetapan-tetapan ini
diperoleh melalui penerapan kondisi awal pada tanggapan lengkap

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Tanggapan Paksa
Tanggapan paksa adalah solusi persamaan rangkaian di
mana x(t) 0:
2

a

d y
dt

2

b

dy

 cy  x ( t )

dt

Bentuk tanggapan paksa ditentukan oleh bentuk x(t)
sebagaimana telah diulas pada rangkaian orde pertama, yaitu
Jika x ( t )  0 , maka

yp  0

Jika x ( t )  A  konstan,
t

maka

Jika

x ( t )  Ae

Jika

x ( t )  A sin  t , maka

Jika

x ( t )  A cos  t , maka

y p  konstan  K

 eksponensi al, maka

y p  eksponensi al  Ke

y p  K c cos  t  K s sin  t
y p  K c cos  t  K s sin  t

Perhatikan : y  K c cos  t  K s sin  t adalah bentuk umum
fungsi sinus maupun

cosinus .

t

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Tanggapan Lengkap
Tanggapan lengkap adalah jumlah tanggapan alami
dan tanggapan paksa
y  y p  y a  y p  K 1e

s1t

 K 2e

s2t

Tetapan ini diperoleh melalui penerapan kondisi awal
Jika rangkaian mengandung C dan L, dua elemen
ini akan cenderung mempertahankan statusnya.
Jadi ada dua kondisi awal yang harus dipenuhi
yaitu




vC (0 )  vC (0 )

dan




iL (0 )  iL (0 )

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Kondisi Awal
Secara umum, kondisi awal adalah:




y (0 )  y (0 )

dan

dy





(0 )  y ' (0 )

dt

Nilai sesaat sebelum dan sesudah
penutupan/pembukaan saklar harus sama, dan
laju perubahan nilainya harus kontinyu
y

y

0

t

Pada rangkaian orde
pertama dy/dt(0+) tidak
perlu kontinyu

0

t

Pada rangkaian orde kedua dy/dt(0+)
harus kontinyu sebab ada d2y/dt2
dalam persamaan rangkaian yang
hanya terdefinisi jika dy/dt(0+) kontinyu

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Tiga Kemungkinan Bentuk Tanggapan
Persamaan karakteristik
as

2

 bs  c  0

dapat mempunyai tiga kemungkinan nilai akar, yaitu:
a). Dua akar riil berbeda, s1  s2, jika {b2 4ac } > 0;
b). Dua akar sama, s1 = s2 = s , jika {b24ac } = 0;

c). Dua akar kompleks konjugat s1,s2 =   j jika {b24ac } < 0.
Tiga kemungkinan akar ini akan memberikan tiga
kemungkinan bentuk tanggapan

Persamaan karakteristik dengan
dua akar riil berbeda,
s1  s2, {b2 4ac } > 0

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
Contoh-1
1H

S 1 2
+


15 V

+
v



iC
0,25 F

i
8,5 k

Saklar S telah lama berada pada posisi 1.
Pada t = 0 saklar dipindahkan ke posisi 2.
Carilah perubahan tegangan kapasitor.



Pada t = 0- : i ( 0 )  0 dan v ( 0 )  12 V

Persamaan Rangkaian pada t > 0 :  v  L

di

 Ri  0

dt

Karena i = -iC = -C dv/dt, maka:  v  LC

2

d v
dt

2

d v



dt

2



2

R dv

 RC

dt

2

0

dt


L dt

 8 ,5  10

v

0

LC

2

d v

dv

3

dv
dt

6

 4  10 v  0

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami

Persamaan karakteristik:

s

2

3

 8 , 5  10 s  4  10

 akar - akar : s1 , s 2   4250  10

3

6

0

2

( 4 , 25 )  4   500 ,  8000

 500 t
 8000 t
 K 2e
Dugaan tanggapan lengkap: v  0  K 1 e

Tak ada fungsi pemaksa

Kondisi awal: v C ( 0  )  15 V dan i L ( 0  )  0
Karena persamaan rangkaian menggunakan v
sebagai peubah maka kondisi awal arus iL(0+)
harus diubah menjadi dalam tegangan v






i L ( 0 )  iC ( 0 )  C

dv C ( 0 )



dv C ( 0 )
dt

0

dt

0

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
Kondisi awal:





v ( 0 )  15 V

dv ( 0 )

0

dt

 500 t
 8000 t
 K 2e
Dugaan tanggapan lengkap: v  0  K 1 e

0   500 K 1  8000 K 2

15  K1  K 2

0   500 K 1  8000 (15  K 1 )

K1 

8000  15

 16

K 2  1

7500

Tanggapan lengkap menjadi: v  16 e  500 t  e  8000 t V
(hanya ada tanggapan alami).

Ini adalah pelepasan muatan kapasitor pada
rangkaian R-L-C seri

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami

Tanggapan

lengkap : v  16 e

 500 t

e

 8000 t

V

16

v
[V] 12

v
8
4
0
0

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

-4

Perhatikan bahwa pada t = 0+ tegangan kapasitor adalah 15 V

Pada waktu kapasitor mulai melepaskan muatannya,
ada perlawanan dari induktor yang menyebabkan
penurunan tegangan pada saat-saat awal agak landai

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
Contoh-2

1H

S
+


19 V

+
v

iC



0,25 F

Saklar S telah lama tertutup.
Pada t = 0 saklar dibuka.
Tentukan perubahan tegangan
kapasitor dan arus induktor.

i
8,5 k

Sebelum saklar dibuka arus hanya melalui induktor. Dioda tidak konduksi.


i L (0 ) 

19
8500

Persamaan Rangkaian pada t > 0 :

i   iC   C



vC (0 )  0 V

 2 mA

dv C
dt

did 2 v
dv
L
 Ri 
0
vvLC
RC
0
dtdt 2
dt
2



d v
dt

2



R dv
L dt

dt

2

 8 ,5  10

0

LC

2

d v

v



3

dv
dt

6

 4  10 v  0

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
Persamaan

karkterist ik : s  8 ,5  10 s  4  10  0
2

3

 akar - akar : s1 , s 2   4250  10

Dugaan ta

nggapan

lengkap

3

6

( 4 , 25 )  4   500 ,  8000
2

: v  0  K 1e

 500 t

 K 2e

 8000 t

Tak ada fungsi pemaksa
Kondisi awal:



i L ( 0 )  2 mA



vC (0 )  0 V

dan

Karena persamaan rangkaian menggunakan v sebagai
peubah maka kondisi awal iL(0+) harus diubah menjadi
dalam v






 i L ( 0 )  iC ( 0 )  C


dv C ( 0 )
dt

 

dv C ( 0 )
dt
2  10
C

3

 2  10

3

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami


dv ( 0 )



Kondisi awal: v ( 0 )  0



dt

Dugaan ta

nggapan

2  10

6

0 , 25  10

: v  0  K 1e

lengkap

3

0  K1  K 2

 500 t

  8  10

 K 2e

3

 8000 t

 8000   500 K 1  8000 K 2

 8000   500 K 1  8000 K 1
K1 

Tegangan kapasitor menjadi

 8000

K 2   K1  1

  1, 06

7500

: v  1, 06 e

 500 t

 1e

 8000 t

V

Ini adalah pengisian kapasitor oleh arus
induktor pada rangkaian R-L-C seri
Arus induktor

: i L   iC   C
  133  10

dv

  0 , 25  10

dt
 3  500 t

e

 2e

6

 530 e

 8000 t

mA

 500 t

 8000 e

 8000 t



Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
Tanggapan lengkap : v  1, 06 e

 500 t

 1e

 8000 t

V

1

v
[V]

0. 5

0
0

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

-0. 5

-1

Perhatikan bahwa pada awalnya tegangan kapasitor naik
karena menerima pelepasan energi dari induktor

Kenaikan tegangan kapasitor mencapai puncak kemudian
menurun karena ia melepaskan muatan yang pada awalnya
diterima.

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
v  16 e

 500 t

e

 8000 t

v  1, 06 e

V

16

 500 t

 1e

 8000 t

V

1

v [V]

Pelepasan energi induktor

v

12

[V]

v

8

0. 5
0
0

4

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

-0. 5

0
0

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

-1

-4

Untuk kedua peristiwa ini yang di-plot terhadap waktu adalah tegangan kapasitor
Seandainya tidak ada induktor, penurunan tegangan kapasitor akan terjadi
dengan konstanta waktu

  RC  8500  0 . 25  10

6

 2125  10

-6

atau 1/ = 470,6. Tetapi karena ada induktor, konstanta waktu menjadi lebih kecil
sehingga 1/ = 500. Inilah yang terlihat pada suku pertama v.
Suku ke-dua v adalah pengaruh induktor, yang jika tidak ada kapasitor nilai 1/
= R/L = 8500. Karena ada kapasitor nilai ini menjadi 8000 pada suku ke-dua v.

Persamaan Karakteristik Memiliki Dua Akar
Riil Sama Besar
s1 = s2, {b2 4ac } = 0

Dua Akar Riil Sama Besar
Dua akar yang sama besar dapat kita tuliskan sebagai
s1  s

dan

s 2  s   ; dengan   0

Tanggapan lengkap akan berbentuk
y  y p  K 1e

s1t

 K 2e

s2t

st

 y p  K 1e

Tanggapan paksa

Kondisi awal pertama

 K 2e

( s   )t

Tanggapan alami

Kondisi awal kedua







y ( 0 )  y p ( 0 )  K 1 s  K 2 ( s   )







y ( 0 )  y p ( 0 )  ( K 1  K 2 ) s  K 2   B 0

y (0 )  y p (0 )  K 1  K 2
y ( 0 )  y p ( 0 )  K 1  K 2  A0

A0 s  K 2   B 0



K2 

B 0  A0 s


dan

K 1  A0 

B 0  A0 s


Dua Akar Riil Sama Besar
Tanggapan lengkap menjadi

 1 e  t   st
 e
y  y p   A0  ( B 0  A0 s )   
 
  


t
 1
 e t  1 
e 

t
lim  
 lim 







 0
 0





y  y p   A0  ( B 0  A0 s ) t  e

y  y p  K a  K b t  e

ditentukan oleh kondisi awal

st

st

ditentukan oleh kondisi awal dan s
s sendiri ditentukan oleh nilai elemenelemen yang membentuk rangkaian dan
tidak ada kaitannya dengan kondisi awal

Dua Akar Riil Sama Besar, Tanggapan Alami
Contoh-3.
1H

S 1 2
+


15 V

+
v



iC
0,25 F

i
4 k

Sakalar telah lama di posisi 1. Pada t
= 0 di pindah ke posisi 2. Tentukan
perubahan tegangan kapasitor.

(Diganti dengan 4 k dari contoh sebelumnya)


Sebelum saklar dipindahkan: v ( 0 )  15 V ; i ( 0 )  0

di

Persamaan rangkaian untuk t > 0:  v  L

 iR  0

dt
2

Karena i =  iC = C dv/dt

LC

d v
dt

2

 RC

dt

Persamaan karakteristik:

2

3

2

 4  10

s  4  10 s  4  10

v0

dt

2

d v

dv

3

dv
dt

6

0

 4  10 v  0
6

Dua Akar Riil Sama Besar, Tanggapan Alami
Persamaan

2

karakteris tik : s  4000 s  4  10
akar - akar : s1 , s 2   2000 

Karena persamaan
maka tanggapan

karakteris tik memiliki

6

0

4  10

6

 4  10

6

  2000  s

akar sama besar

lengkap akan berbentuk :
v  v p  K a  K b t  e

st

 0  K a  K b t  e

st

Tak ada fungsi pemaksa

Kondisi
Kondisi

awal pertama
awal kedua



dv
dt



dv
dt





v ( 0 )  v ( 0 )  v ( 0 )  15  K a .


(0 )  0 

dv
dt

 K be



(0 )  0  K b  K a s 

 Jadi : v  15  30000 t  e

st

 K a  K bt  s e

st

K b   K a s  30000
 2000 t

V

Dua Akar Riil Sama Besar, Tanggapan Alami

v  15  30000 t  e

 2000 t

V

15
10

v  30000 t e

 2000 t

5
0
0
-5
-10
-15

0.001

v  15 e

0.002

 2000 t

0.003

0.004

0.005

0.006

Dua akar kompleks konjugat
{b2 4ac } < 0
s1    j 

dan

s 2    j

Dua Akar Kompleks Konjugat
Akar-Akar Kompleks Konjugat
s1    j 

dan

s 2    j

Tanggapan lengkap akan berbentuk
y  y p  K 1e

(   j ) t

 K 2e

(   j ) t



 y p  K 1e

 j t

K 1 (cos  t  j sin  t )

 K 2e

 j t

e

t

K 2 (cos  t  j sin  t )

( K 1  K 2 ) cos  t  j ( K 1  K 2 ) sin  t

K a cos  t  K b sin  t

y  y p   K a cos  t  K b sin  t  e

t



Kondisi awal pertama: y ( 0 )  y p ( 0 )  K a

Kondisi awal kedua:





K a  y (0 )  y p (0 )



t
y ( 0 )  y p ( 0 )  {(  K b  K a  ) sin  t  ( K b    K a ) cos  t }e

 y p ( 0 )   K a   K b


 K a   K b  y  ( 0 )  y p ( 0 )

Dua Akar Kompleks Konjugat, Tanggapan Alami
Contoh-4.
1H

S 1 2
+


15 V

+
v


iC

0,25 F

i
1 k

Saklar S sudah lama pada posisi 1.
Pada t = 0 dipindah ke poisisi 2.
Carilah perubahan tegangan kapasitor.

(Diganti dengan 1 k dari contoh sebelumnya)

Pada t = 0+ : v ( 0  )  15 V ; i ( 0  )  0

vL

di

 iR  0

dt

Persamaan rangkaian untuk t > 0:
2

Karena i = iC = C dv/dt

d v

LC

dt

2

dt

Persamaan karakteristik:

2

2

3

 1  10

v0

dt

2

d v

dv

 RC

3

s  1  10 s  4  10

dv

 4  10 v  0

dt
6

0

6

Dua Akar Kompleks Konjugat, Tanggapan Alami
Persamaan

karakteris tik : s

2

 1000

dv

6

0

2

 4  10

 4  10

dt
akar - akar : s1 , s 2   500 

500

6

  500  j 500

15

dua akar kompleks konjugat
  j  dengan    500 ;   500

15

Tanggapan lengkap akan berbentuk:
v  0   K a cos  t  K b sin  t  e
Kondisi

awal pertama

Kondisi

awal kedua 



 v ( 0 )  15  K a
dv
dt



(0 )  0   K a   K b
 Kb 

Tanggapan

t



 K a




lengkap : v  15 cos( 500 15 t ) 

500  15
500



15

15



15 sin( 500 15 t ) e

 500 t

V

Dua Akar Kompleks Konjugat, Tanggapan Alami



v  15 cos( 500 15 t ) 



15 sin( 500 15 t ) e

 500 t

V

15

15 cos( 500 15 t

v 10
[V]
5

15 sin( 500 15 t )

t

0
0
-5
-10
-15

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

0.006

Dua Akar Kompleks Konjugat, Tanggapan Alami
Perbandingan tanggapan rangkaian:
Dua akar riil berbeda: sangat teredam, v  16 e  500 t  e  8000 t V
Dua akar riil sama besar : teredam kritis, v  15  30000 t  e  2000 t V

Dua akar kompleks konjugat : kurang teredam,



v  15 cos( 500 15 t ) 



15 sin( 500 15 t ) e

15
10
5
0
0
-5
-10
-15

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

0.006

 500 t

V

Tanggapan Rangkaian Terhadap Sinyal Sinus
Contoh Tanggapan Rangkaian Dengan Masukan Sinyal Sinus

vs =
26cos3t u(t) V

+


i
vs

5

1H
1

F

6

+
v



Rangkaian mendapat masukan
sinyal sinus yang muncul pada t = 0.
Tentukan perubahan tegangan dan
arus kapasitor, apabila kondisi awal
adalahi(0) = 2 A dan v(0) = 6 V

Pada t = 0+ : i(0+) = 2 A dan v(0+) = 6 V

Persamaan rangkaian untuk t > 0 :

 v s  Ri  L
dv

RC



di
dt

2

 LC

d i
2

dt

dt

5 dv

1 d v



2

d v
2

 v  vs

2

6 dt

dt

v0

5

6 dt

dv
dt

2

 v  26 cos 3 t

 6 v  156 cos 3 t

Tanggapan Rangkaian Terhadap Sinyal Sinus
Persamaan

2

karakteris tik : s  5 s  6  0  ( s  2 )( s  3 );
akar - akar : s1 , s 2   2 ,  3

Dugaan ta nggapan

paksa : v p  A c cos 3 t  A s sin 3 t
2

Persamaan rangkaian

d v
dt

2

5

dv

 6 v  156 cos 3 t

dt

   9 A c  15 A s  6 A c  cos 3 t    9 A s  15 A c  6 A s  sin 3 t  156 cos 3 t
  3 A c  15 A s  156
 Ac 

Tanggapan

156  0
 3  75

dan  15 A c  3 A s  0
  2 ; As 

5  156  0
75  3

 10

paksa : v p   2 cos 3 t  10 sin 3 t

Dugaan tan ggapan lengkap

: v   2 cos 3t  10 sin 3t  K 1 e

2t

 K 2e

 3t

masih harus ditentukan melalui
penerapan kondisi awal

Tanggapan Rangkaian Terhadap Sinyal Sinus


1 dv



awal : v ( 0 )  6 dan i ( 0 )  2 

Kondisi



(0 ) 

dv

6 dt
Aplikasi

kondisi

awal pertama

Aplikasi

kondisi

awal kedua :
 K1  6

Tanggapan

 i

1 dv

dt

: 6  2  K1  K 2  K 2  8  K1
12  30  2 K 1  3 K 2
 K2  2

: v   2 cos 3 t  10 sin 3 t  6 e

lengkap



( 0 )  12

 sin 3 t  5 cos 3 t  2 e

2t

e

 3t

2t

 2e

 3t

V

A

6 dt
30

v [V] 20
i [A]
10

Amplitudo tegangan
menurun

vs

Amplitudo arus
meningkat

v

0
-10 0
-20
-30

t [s]
i

2

4

6

8

10

Courseware
Analisis Transien Rangkaian Orde Ke-Dua

Sudaryatno Sudirham


Slide 21

Open Course

Selamat Belajar

oleh: Sudaryatno Sudirham

Tujuan
 mampu menurunkan persamaan rangkaian yang merupakan
rangkaian orde kedua.

 memahami bahwa tanggapan rangkaian terdiri dari tanggapan
paksa dan tanggapan alami yang mungkin berosilasi.
 mampu melakukan analisis transien pada rangkaian orde

kedua.

Bentuk Umum
Persamaan Rangkaian
Orde Ke-dua

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
2

a

d y
dt

2

b

dy

 cy  x ( t )

dt

y = tanggapan rangkaian yang dapat
berupa tegangan ataupun arus

fungsi pemaksa atau
fungsi penggerak.

tetapan a dan b ditentukan oleh nilainilai elemen yang membentuk rangkaian
Persamaan diferensial orde ke-dua muncul karena
rangkaian mengandung kapasitor dan induktor

dengan tegangan sebagai
peubah status

dengan arus
sebagai peubah status

sedangkan peubah dalam persamaan rangkaian
harus salah satu di ataranya, tegangan atau arus

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Tanggapan Alami
Tanggapan alami adalah solusi persamaan rangkaian di
mana x(t) bernilai nol:
2

a

d y
dt

2

b

dy

 cy  0

dt

Dugaan solusi y berbentuk fungsi eksponensial ya = Kest dengan nilai
K dan s yang masih harus ditentukan.
Kalau solusi ini dimasukkan ke persamaan, akan diperoleh
aKs
Ke

st

2

e

st

as

2

 bKse

st



 cKe

st

0

atau

 bs  c  0

Bagian ini yang harus bernilai nol yang
memberikan persamaan karakteristik
as

2

 bs  c  0

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
2

as  bs  c  0

Persamaan karakteristik yang berbentuk persamaan kwadrat itu
mempunyai dua akar yaitu
s1 , s 2 

2

b

b  4 ac
2a

Dengan adanya dua akar tersebut maka kita mempunyai
dua solusi homogen, yaitu
y a1  K 1e

s1 t

dan

ya 2  K 2e

s2t

dan tanggapan alami yang kita cari akan berbentuk
y a  K 1e

s1 t

 K 2e

s2t

Seperti halnya pada rangkaian orde pertama, tetapan-tetapan ini
diperoleh melalui penerapan kondisi awal pada tanggapan lengkap

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Tanggapan Paksa
Tanggapan paksa adalah solusi persamaan rangkaian di
mana x(t) 0:
2

a

d y
dt

2

b

dy

 cy  x ( t )

dt

Bentuk tanggapan paksa ditentukan oleh bentuk x(t)
sebagaimana telah diulas pada rangkaian orde pertama, yaitu
Jika x ( t )  0 , maka

yp  0

Jika x ( t )  A  konstan,
t

maka

Jika

x ( t )  Ae

Jika

x ( t )  A sin  t , maka

Jika

x ( t )  A cos  t , maka

y p  konstan  K

 eksponensi al, maka

y p  eksponensi al  Ke

y p  K c cos  t  K s sin  t
y p  K c cos  t  K s sin  t

Perhatikan : y  K c cos  t  K s sin  t adalah bentuk umum
fungsi sinus maupun

cosinus .

t

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Tanggapan Lengkap
Tanggapan lengkap adalah jumlah tanggapan alami
dan tanggapan paksa
y  y p  y a  y p  K 1e

s1t

 K 2e

s2t

Tetapan ini diperoleh melalui penerapan kondisi awal
Jika rangkaian mengandung C dan L, dua elemen
ini akan cenderung mempertahankan statusnya.
Jadi ada dua kondisi awal yang harus dipenuhi
yaitu




vC (0 )  vC (0 )

dan




iL (0 )  iL (0 )

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Kondisi Awal
Secara umum, kondisi awal adalah:




y (0 )  y (0 )

dan

dy





(0 )  y ' (0 )

dt

Nilai sesaat sebelum dan sesudah
penutupan/pembukaan saklar harus sama, dan
laju perubahan nilainya harus kontinyu
y

y

0

t

Pada rangkaian orde
pertama dy/dt(0+) tidak
perlu kontinyu

0

t

Pada rangkaian orde kedua dy/dt(0+)
harus kontinyu sebab ada d2y/dt2
dalam persamaan rangkaian yang
hanya terdefinisi jika dy/dt(0+) kontinyu

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Tiga Kemungkinan Bentuk Tanggapan
Persamaan karakteristik
as

2

 bs  c  0

dapat mempunyai tiga kemungkinan nilai akar, yaitu:
a). Dua akar riil berbeda, s1  s2, jika {b2 4ac } > 0;
b). Dua akar sama, s1 = s2 = s , jika {b24ac } = 0;

c). Dua akar kompleks konjugat s1,s2 =   j jika {b24ac } < 0.
Tiga kemungkinan akar ini akan memberikan tiga
kemungkinan bentuk tanggapan

Persamaan karakteristik dengan
dua akar riil berbeda,
s1  s2, {b2 4ac } > 0

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
Contoh-1
1H

S 1 2
+


15 V

+
v



iC
0,25 F

i
8,5 k

Saklar S telah lama berada pada posisi 1.
Pada t = 0 saklar dipindahkan ke posisi 2.
Carilah perubahan tegangan kapasitor.



Pada t = 0- : i ( 0 )  0 dan v ( 0 )  12 V

Persamaan Rangkaian pada t > 0 :  v  L

di

 Ri  0

dt

Karena i = -iC = -C dv/dt, maka:  v  LC

2

d v
dt

2

d v



dt

2



2

R dv

 RC

dt

2

0

dt


L dt

 8 ,5  10

v

0

LC

2

d v

dv

3

dv
dt

6

 4  10 v  0

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami

Persamaan karakteristik:

s

2

3

 8 , 5  10 s  4  10

 akar - akar : s1 , s 2   4250  10

3

6

0

2

( 4 , 25 )  4   500 ,  8000

 500 t
 8000 t
 K 2e
Dugaan tanggapan lengkap: v  0  K 1 e

Tak ada fungsi pemaksa

Kondisi awal: v C ( 0  )  15 V dan i L ( 0  )  0
Karena persamaan rangkaian menggunakan v
sebagai peubah maka kondisi awal arus iL(0+)
harus diubah menjadi dalam tegangan v






i L ( 0 )  iC ( 0 )  C

dv C ( 0 )



dv C ( 0 )
dt

0

dt

0

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
Kondisi awal:





v ( 0 )  15 V

dv ( 0 )

0

dt

 500 t
 8000 t
 K 2e
Dugaan tanggapan lengkap: v  0  K 1 e

0   500 K 1  8000 K 2

15  K1  K 2

0   500 K 1  8000 (15  K 1 )

K1 

8000  15

 16

K 2  1

7500

Tanggapan lengkap menjadi: v  16 e  500 t  e  8000 t V
(hanya ada tanggapan alami).

Ini adalah pelepasan muatan kapasitor pada
rangkaian R-L-C seri

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami

Tanggapan

lengkap : v  16 e

 500 t

e

 8000 t

V

16

v
[V] 12

v
8
4
0
0

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

-4

Perhatikan bahwa pada t = 0+ tegangan kapasitor adalah 15 V

Pada waktu kapasitor mulai melepaskan muatannya,
ada perlawanan dari induktor yang menyebabkan
penurunan tegangan pada saat-saat awal agak landai

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
Contoh-2

1H

S
+


19 V

+
v

iC



0,25 F

Saklar S telah lama tertutup.
Pada t = 0 saklar dibuka.
Tentukan perubahan tegangan
kapasitor dan arus induktor.

i
8,5 k

Sebelum saklar dibuka arus hanya melalui induktor. Dioda tidak konduksi.


i L (0 ) 

19
8500

Persamaan Rangkaian pada t > 0 :

i   iC   C



vC (0 )  0 V

 2 mA

dv C
dt

did 2 v
dv
L
 Ri 
0
vvLC
RC
0
dtdt 2
dt
2



d v
dt

2



R dv
L dt

dt

2

 8 ,5  10

0

LC

2

d v

v



3

dv
dt

6

 4  10 v  0

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
Persamaan

karkterist ik : s  8 ,5  10 s  4  10  0
2

3

 akar - akar : s1 , s 2   4250  10

Dugaan ta

nggapan

lengkap

3

6

( 4 , 25 )  4   500 ,  8000
2

: v  0  K 1e

 500 t

 K 2e

 8000 t

Tak ada fungsi pemaksa
Kondisi awal:



i L ( 0 )  2 mA



vC (0 )  0 V

dan

Karena persamaan rangkaian menggunakan v sebagai
peubah maka kondisi awal iL(0+) harus diubah menjadi
dalam v






 i L ( 0 )  iC ( 0 )  C


dv C ( 0 )
dt

 

dv C ( 0 )
dt
2  10
C

3

 2  10

3

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami


dv ( 0 )



Kondisi awal: v ( 0 )  0



dt

Dugaan ta

nggapan

2  10

6

0 , 25  10

: v  0  K 1e

lengkap

3

0  K1  K 2

 500 t

  8  10

 K 2e

3

 8000 t

 8000   500 K 1  8000 K 2

 8000   500 K 1  8000 K 1
K1 

Tegangan kapasitor menjadi

 8000

K 2   K1  1

  1, 06

7500

: v  1, 06 e

 500 t

 1e

 8000 t

V

Ini adalah pengisian kapasitor oleh arus
induktor pada rangkaian R-L-C seri
Arus induktor

: i L   iC   C
  133  10

dv

  0 , 25  10

dt
 3  500 t

e

 2e

6

 530 e

 8000 t

mA

 500 t

 8000 e

 8000 t



Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
Tanggapan lengkap : v  1, 06 e

 500 t

 1e

 8000 t

V

1

v
[V]

0. 5

0
0

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

-0. 5

-1

Perhatikan bahwa pada awalnya tegangan kapasitor naik
karena menerima pelepasan energi dari induktor

Kenaikan tegangan kapasitor mencapai puncak kemudian
menurun karena ia melepaskan muatan yang pada awalnya
diterima.

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
v  16 e

 500 t

e

 8000 t

v  1, 06 e

V

16

 500 t

 1e

 8000 t

V

1

v [V]

Pelepasan energi induktor

v

12

[V]

v

8

0. 5
0
0

4

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

-0. 5

0
0

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

-1

-4

Untuk kedua peristiwa ini yang di-plot terhadap waktu adalah tegangan kapasitor
Seandainya tidak ada induktor, penurunan tegangan kapasitor akan terjadi
dengan konstanta waktu

  RC  8500  0 . 25  10

6

 2125  10

-6

atau 1/ = 470,6. Tetapi karena ada induktor, konstanta waktu menjadi lebih kecil
sehingga 1/ = 500. Inilah yang terlihat pada suku pertama v.
Suku ke-dua v adalah pengaruh induktor, yang jika tidak ada kapasitor nilai 1/
= R/L = 8500. Karena ada kapasitor nilai ini menjadi 8000 pada suku ke-dua v.

Persamaan Karakteristik Memiliki Dua Akar
Riil Sama Besar
s1 = s2, {b2 4ac } = 0

Dua Akar Riil Sama Besar
Dua akar yang sama besar dapat kita tuliskan sebagai
s1  s

dan

s 2  s   ; dengan   0

Tanggapan lengkap akan berbentuk
y  y p  K 1e

s1t

 K 2e

s2t

st

 y p  K 1e

Tanggapan paksa

Kondisi awal pertama

 K 2e

( s   )t

Tanggapan alami

Kondisi awal kedua







y ( 0 )  y p ( 0 )  K 1 s  K 2 ( s   )







y ( 0 )  y p ( 0 )  ( K 1  K 2 ) s  K 2   B 0

y (0 )  y p (0 )  K 1  K 2
y ( 0 )  y p ( 0 )  K 1  K 2  A0

A0 s  K 2   B 0



K2 

B 0  A0 s


dan

K 1  A0 

B 0  A0 s


Dua Akar Riil Sama Besar
Tanggapan lengkap menjadi

 1 e  t   st
 e
y  y p   A0  ( B 0  A0 s )   
 
  


t
 1
 e t  1 
e 

t
lim  
 lim 







 0
 0





y  y p   A0  ( B 0  A0 s ) t  e

y  y p  K a  K b t  e

ditentukan oleh kondisi awal

st

st

ditentukan oleh kondisi awal dan s
s sendiri ditentukan oleh nilai elemenelemen yang membentuk rangkaian dan
tidak ada kaitannya dengan kondisi awal

Dua Akar Riil Sama Besar, Tanggapan Alami
Contoh-3.
1H

S 1 2
+


15 V

+
v



iC
0,25 F

i
4 k

Sakalar telah lama di posisi 1. Pada t
= 0 di pindah ke posisi 2. Tentukan
perubahan tegangan kapasitor.

(Diganti dengan 4 k dari contoh sebelumnya)


Sebelum saklar dipindahkan: v ( 0 )  15 V ; i ( 0 )  0

di

Persamaan rangkaian untuk t > 0:  v  L

 iR  0

dt
2

Karena i =  iC = C dv/dt

LC

d v
dt

2

 RC

dt

Persamaan karakteristik:

2

3

2

 4  10

s  4  10 s  4  10

v0

dt

2

d v

dv

3

dv
dt

6

0

 4  10 v  0
6

Dua Akar Riil Sama Besar, Tanggapan Alami
Persamaan

2

karakteris tik : s  4000 s  4  10
akar - akar : s1 , s 2   2000 

Karena persamaan
maka tanggapan

karakteris tik memiliki

6

0

4  10

6

 4  10

6

  2000  s

akar sama besar

lengkap akan berbentuk :
v  v p  K a  K b t  e

st

 0  K a  K b t  e

st

Tak ada fungsi pemaksa

Kondisi
Kondisi

awal pertama
awal kedua



dv
dt



dv
dt





v ( 0 )  v ( 0 )  v ( 0 )  15  K a .


(0 )  0 

dv
dt

 K be



(0 )  0  K b  K a s 

 Jadi : v  15  30000 t  e

st

 K a  K bt  s e

st

K b   K a s  30000
 2000 t

V

Dua Akar Riil Sama Besar, Tanggapan Alami

v  15  30000 t  e

 2000 t

V

15
10

v  30000 t e

 2000 t

5
0
0
-5
-10
-15

0.001

v  15 e

0.002

 2000 t

0.003

0.004

0.005

0.006

Dua akar kompleks konjugat
{b2 4ac } < 0
s1    j 

dan

s 2    j

Dua Akar Kompleks Konjugat
Akar-Akar Kompleks Konjugat
s1    j 

dan

s 2    j

Tanggapan lengkap akan berbentuk
y  y p  K 1e

(   j ) t

 K 2e

(   j ) t



 y p  K 1e

 j t

K 1 (cos  t  j sin  t )

 K 2e

 j t

e

t

K 2 (cos  t  j sin  t )

( K 1  K 2 ) cos  t  j ( K 1  K 2 ) sin  t

K a cos  t  K b sin  t

y  y p   K a cos  t  K b sin  t  e

t



Kondisi awal pertama: y ( 0 )  y p ( 0 )  K a

Kondisi awal kedua:





K a  y (0 )  y p (0 )



t
y ( 0 )  y p ( 0 )  {(  K b  K a  ) sin  t  ( K b    K a ) cos  t }e

 y p ( 0 )   K a   K b


 K a   K b  y  ( 0 )  y p ( 0 )

Dua Akar Kompleks Konjugat, Tanggapan Alami
Contoh-4.
1H

S 1 2
+


15 V

+
v


iC

0,25 F

i
1 k

Saklar S sudah lama pada posisi 1.
Pada t = 0 dipindah ke poisisi 2.
Carilah perubahan tegangan kapasitor.

(Diganti dengan 1 k dari contoh sebelumnya)

Pada t = 0+ : v ( 0  )  15 V ; i ( 0  )  0

vL

di

 iR  0

dt

Persamaan rangkaian untuk t > 0:
2

Karena i = iC = C dv/dt

d v

LC

dt

2

dt

Persamaan karakteristik:

2

2

3

 1  10

v0

dt

2

d v

dv

 RC

3

s  1  10 s  4  10

dv

 4  10 v  0

dt
6

0

6

Dua Akar Kompleks Konjugat, Tanggapan Alami
Persamaan

karakteris tik : s

2

 1000

dv

6

0

2

 4  10

 4  10

dt
akar - akar : s1 , s 2   500 

500

6

  500  j 500

15

dua akar kompleks konjugat
  j  dengan    500 ;   500

15

Tanggapan lengkap akan berbentuk:
v  0   K a cos  t  K b sin  t  e
Kondisi

awal pertama

Kondisi

awal kedua 



 v ( 0 )  15  K a
dv
dt



(0 )  0   K a   K b
 Kb 

Tanggapan

t



 K a




lengkap : v  15 cos( 500 15 t ) 

500  15
500



15

15



15 sin( 500 15 t ) e

 500 t

V

Dua Akar Kompleks Konjugat, Tanggapan Alami



v  15 cos( 500 15 t ) 



15 sin( 500 15 t ) e

 500 t

V

15

15 cos( 500 15 t

v 10
[V]
5

15 sin( 500 15 t )

t

0
0
-5
-10
-15

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

0.006

Dua Akar Kompleks Konjugat, Tanggapan Alami
Perbandingan tanggapan rangkaian:
Dua akar riil berbeda: sangat teredam, v  16 e  500 t  e  8000 t V
Dua akar riil sama besar : teredam kritis, v  15  30000 t  e  2000 t V

Dua akar kompleks konjugat : kurang teredam,



v  15 cos( 500 15 t ) 



15 sin( 500 15 t ) e

15
10
5
0
0
-5
-10
-15

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

0.006

 500 t

V

Tanggapan Rangkaian Terhadap Sinyal Sinus
Contoh Tanggapan Rangkaian Dengan Masukan Sinyal Sinus

vs =
26cos3t u(t) V

+


i
vs

5

1H
1

F

6

+
v



Rangkaian mendapat masukan
sinyal sinus yang muncul pada t = 0.
Tentukan perubahan tegangan dan
arus kapasitor, apabila kondisi awal
adalahi(0) = 2 A dan v(0) = 6 V

Pada t = 0+ : i(0+) = 2 A dan v(0+) = 6 V

Persamaan rangkaian untuk t > 0 :

 v s  Ri  L
dv

RC



di
dt

2

 LC

d i
2

dt

dt

5 dv

1 d v



2

d v
2

 v  vs

2

6 dt

dt

v0

5

6 dt

dv
dt

2

 v  26 cos 3 t

 6 v  156 cos 3 t

Tanggapan Rangkaian Terhadap Sinyal Sinus
Persamaan

2

karakteris tik : s  5 s  6  0  ( s  2 )( s  3 );
akar - akar : s1 , s 2   2 ,  3

Dugaan ta nggapan

paksa : v p  A c cos 3 t  A s sin 3 t
2

Persamaan rangkaian

d v
dt

2

5

dv

 6 v  156 cos 3 t

dt

   9 A c  15 A s  6 A c  cos 3 t    9 A s  15 A c  6 A s  sin 3 t  156 cos 3 t
  3 A c  15 A s  156
 Ac 

Tanggapan

156  0
 3  75

dan  15 A c  3 A s  0
  2 ; As 

5  156  0
75  3

 10

paksa : v p   2 cos 3 t  10 sin 3 t

Dugaan tan ggapan lengkap

: v   2 cos 3t  10 sin 3t  K 1 e

2t

 K 2e

 3t

masih harus ditentukan melalui
penerapan kondisi awal

Tanggapan Rangkaian Terhadap Sinyal Sinus


1 dv



awal : v ( 0 )  6 dan i ( 0 )  2 

Kondisi



(0 ) 

dv

6 dt
Aplikasi

kondisi

awal pertama

Aplikasi

kondisi

awal kedua :
 K1  6

Tanggapan

 i

1 dv

dt

: 6  2  K1  K 2  K 2  8  K1
12  30  2 K 1  3 K 2
 K2  2

: v   2 cos 3 t  10 sin 3 t  6 e

lengkap



( 0 )  12

 sin 3 t  5 cos 3 t  2 e

2t

e

 3t

2t

 2e

 3t

V

A

6 dt
30

v [V] 20
i [A]
10

Amplitudo tegangan
menurun

vs

Amplitudo arus
meningkat

v

0
-10 0
-20
-30

t [s]
i

2

4

6

8

10

Courseware
Analisis Transien Rangkaian Orde Ke-Dua

Sudaryatno Sudirham


Slide 22

Open Course

Selamat Belajar

oleh: Sudaryatno Sudirham

Tujuan
 mampu menurunkan persamaan rangkaian yang merupakan
rangkaian orde kedua.

 memahami bahwa tanggapan rangkaian terdiri dari tanggapan
paksa dan tanggapan alami yang mungkin berosilasi.
 mampu melakukan analisis transien pada rangkaian orde

kedua.

Bentuk Umum
Persamaan Rangkaian
Orde Ke-dua

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
2

a

d y
dt

2

b

dy

 cy  x ( t )

dt

y = tanggapan rangkaian yang dapat
berupa tegangan ataupun arus

fungsi pemaksa atau
fungsi penggerak.

tetapan a dan b ditentukan oleh nilainilai elemen yang membentuk rangkaian
Persamaan diferensial orde ke-dua muncul karena
rangkaian mengandung kapasitor dan induktor

dengan tegangan sebagai
peubah status

dengan arus
sebagai peubah status

sedangkan peubah dalam persamaan rangkaian
harus salah satu di ataranya, tegangan atau arus

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Tanggapan Alami
Tanggapan alami adalah solusi persamaan rangkaian di
mana x(t) bernilai nol:
2

a

d y
dt

2

b

dy

 cy  0

dt

Dugaan solusi y berbentuk fungsi eksponensial ya = Kest dengan nilai
K dan s yang masih harus ditentukan.
Kalau solusi ini dimasukkan ke persamaan, akan diperoleh
aKs
Ke

st

2

e

st

as

2

 bKse

st



 cKe

st

0

atau

 bs  c  0

Bagian ini yang harus bernilai nol yang
memberikan persamaan karakteristik
as

2

 bs  c  0

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
2

as  bs  c  0

Persamaan karakteristik yang berbentuk persamaan kwadrat itu
mempunyai dua akar yaitu
s1 , s 2 

2

b

b  4 ac
2a

Dengan adanya dua akar tersebut maka kita mempunyai
dua solusi homogen, yaitu
y a1  K 1e

s1 t

dan

ya 2  K 2e

s2t

dan tanggapan alami yang kita cari akan berbentuk
y a  K 1e

s1 t

 K 2e

s2t

Seperti halnya pada rangkaian orde pertama, tetapan-tetapan ini
diperoleh melalui penerapan kondisi awal pada tanggapan lengkap

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Tanggapan Paksa
Tanggapan paksa adalah solusi persamaan rangkaian di
mana x(t) 0:
2

a

d y
dt

2

b

dy

 cy  x ( t )

dt

Bentuk tanggapan paksa ditentukan oleh bentuk x(t)
sebagaimana telah diulas pada rangkaian orde pertama, yaitu
Jika x ( t )  0 , maka

yp  0

Jika x ( t )  A  konstan,
t

maka

Jika

x ( t )  Ae

Jika

x ( t )  A sin  t , maka

Jika

x ( t )  A cos  t , maka

y p  konstan  K

 eksponensi al, maka

y p  eksponensi al  Ke

y p  K c cos  t  K s sin  t
y p  K c cos  t  K s sin  t

Perhatikan : y  K c cos  t  K s sin  t adalah bentuk umum
fungsi sinus maupun

cosinus .

t

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Tanggapan Lengkap
Tanggapan lengkap adalah jumlah tanggapan alami
dan tanggapan paksa
y  y p  y a  y p  K 1e

s1t

 K 2e

s2t

Tetapan ini diperoleh melalui penerapan kondisi awal
Jika rangkaian mengandung C dan L, dua elemen
ini akan cenderung mempertahankan statusnya.
Jadi ada dua kondisi awal yang harus dipenuhi
yaitu




vC (0 )  vC (0 )

dan




iL (0 )  iL (0 )

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Kondisi Awal
Secara umum, kondisi awal adalah:




y (0 )  y (0 )

dan

dy





(0 )  y ' (0 )

dt

Nilai sesaat sebelum dan sesudah
penutupan/pembukaan saklar harus sama, dan
laju perubahan nilainya harus kontinyu
y

y

0

t

Pada rangkaian orde
pertama dy/dt(0+) tidak
perlu kontinyu

0

t

Pada rangkaian orde kedua dy/dt(0+)
harus kontinyu sebab ada d2y/dt2
dalam persamaan rangkaian yang
hanya terdefinisi jika dy/dt(0+) kontinyu

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Tiga Kemungkinan Bentuk Tanggapan
Persamaan karakteristik
as

2

 bs  c  0

dapat mempunyai tiga kemungkinan nilai akar, yaitu:
a). Dua akar riil berbeda, s1  s2, jika {b2 4ac } > 0;
b). Dua akar sama, s1 = s2 = s , jika {b24ac } = 0;

c). Dua akar kompleks konjugat s1,s2 =   j jika {b24ac } < 0.
Tiga kemungkinan akar ini akan memberikan tiga
kemungkinan bentuk tanggapan

Persamaan karakteristik dengan
dua akar riil berbeda,
s1  s2, {b2 4ac } > 0

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
Contoh-1
1H

S 1 2
+


15 V

+
v



iC
0,25 F

i
8,5 k

Saklar S telah lama berada pada posisi 1.
Pada t = 0 saklar dipindahkan ke posisi 2.
Carilah perubahan tegangan kapasitor.



Pada t = 0- : i ( 0 )  0 dan v ( 0 )  12 V

Persamaan Rangkaian pada t > 0 :  v  L

di

 Ri  0

dt

Karena i = -iC = -C dv/dt, maka:  v  LC

2

d v
dt

2

d v



dt

2



2

R dv

 RC

dt

2

0

dt


L dt

 8 ,5  10

v

0

LC

2

d v

dv

3

dv
dt

6

 4  10 v  0

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami

Persamaan karakteristik:

s

2

3

 8 , 5  10 s  4  10

 akar - akar : s1 , s 2   4250  10

3

6

0

2

( 4 , 25 )  4   500 ,  8000

 500 t
 8000 t
 K 2e
Dugaan tanggapan lengkap: v  0  K 1 e

Tak ada fungsi pemaksa

Kondisi awal: v C ( 0  )  15 V dan i L ( 0  )  0
Karena persamaan rangkaian menggunakan v
sebagai peubah maka kondisi awal arus iL(0+)
harus diubah menjadi dalam tegangan v






i L ( 0 )  iC ( 0 )  C

dv C ( 0 )



dv C ( 0 )
dt

0

dt

0

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
Kondisi awal:





v ( 0 )  15 V

dv ( 0 )

0

dt

 500 t
 8000 t
 K 2e
Dugaan tanggapan lengkap: v  0  K 1 e

0   500 K 1  8000 K 2

15  K1  K 2

0   500 K 1  8000 (15  K 1 )

K1 

8000  15

 16

K 2  1

7500

Tanggapan lengkap menjadi: v  16 e  500 t  e  8000 t V
(hanya ada tanggapan alami).

Ini adalah pelepasan muatan kapasitor pada
rangkaian R-L-C seri

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami

Tanggapan

lengkap : v  16 e

 500 t

e

 8000 t

V

16

v
[V] 12

v
8
4
0
0

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

-4

Perhatikan bahwa pada t = 0+ tegangan kapasitor adalah 15 V

Pada waktu kapasitor mulai melepaskan muatannya,
ada perlawanan dari induktor yang menyebabkan
penurunan tegangan pada saat-saat awal agak landai

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
Contoh-2

1H

S
+


19 V

+
v

iC



0,25 F

Saklar S telah lama tertutup.
Pada t = 0 saklar dibuka.
Tentukan perubahan tegangan
kapasitor dan arus induktor.

i
8,5 k

Sebelum saklar dibuka arus hanya melalui induktor. Dioda tidak konduksi.


i L (0 ) 

19
8500

Persamaan Rangkaian pada t > 0 :

i   iC   C



vC (0 )  0 V

 2 mA

dv C
dt

did 2 v
dv
L
 Ri 
0
vvLC
RC
0
dtdt 2
dt
2



d v
dt

2



R dv
L dt

dt

2

 8 ,5  10

0

LC

2

d v

v



3

dv
dt

6

 4  10 v  0

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
Persamaan

karkterist ik : s  8 ,5  10 s  4  10  0
2

3

 akar - akar : s1 , s 2   4250  10

Dugaan ta

nggapan

lengkap

3

6

( 4 , 25 )  4   500 ,  8000
2

: v  0  K 1e

 500 t

 K 2e

 8000 t

Tak ada fungsi pemaksa
Kondisi awal:



i L ( 0 )  2 mA



vC (0 )  0 V

dan

Karena persamaan rangkaian menggunakan v sebagai
peubah maka kondisi awal iL(0+) harus diubah menjadi
dalam v






 i L ( 0 )  iC ( 0 )  C


dv C ( 0 )
dt

 

dv C ( 0 )
dt
2  10
C

3

 2  10

3

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami


dv ( 0 )



Kondisi awal: v ( 0 )  0



dt

Dugaan ta

nggapan

2  10

6

0 , 25  10

: v  0  K 1e

lengkap

3

0  K1  K 2

 500 t

  8  10

 K 2e

3

 8000 t

 8000   500 K 1  8000 K 2

 8000   500 K 1  8000 K 1
K1 

Tegangan kapasitor menjadi

 8000

K 2   K1  1

  1, 06

7500

: v  1, 06 e

 500 t

 1e

 8000 t

V

Ini adalah pengisian kapasitor oleh arus
induktor pada rangkaian R-L-C seri
Arus induktor

: i L   iC   C
  133  10

dv

  0 , 25  10

dt
 3  500 t

e

 2e

6

 530 e

 8000 t

mA

 500 t

 8000 e

 8000 t



Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
Tanggapan lengkap : v  1, 06 e

 500 t

 1e

 8000 t

V

1

v
[V]

0. 5

0
0

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

-0. 5

-1

Perhatikan bahwa pada awalnya tegangan kapasitor naik
karena menerima pelepasan energi dari induktor

Kenaikan tegangan kapasitor mencapai puncak kemudian
menurun karena ia melepaskan muatan yang pada awalnya
diterima.

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
v  16 e

 500 t

e

 8000 t

v  1, 06 e

V

16

 500 t

 1e

 8000 t

V

1

v [V]

Pelepasan energi induktor

v

12

[V]

v

8

0. 5
0
0

4

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

-0. 5

0
0

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

-1

-4

Untuk kedua peristiwa ini yang di-plot terhadap waktu adalah tegangan kapasitor
Seandainya tidak ada induktor, penurunan tegangan kapasitor akan terjadi
dengan konstanta waktu

  RC  8500  0 . 25  10

6

 2125  10

-6

atau 1/ = 470,6. Tetapi karena ada induktor, konstanta waktu menjadi lebih kecil
sehingga 1/ = 500. Inilah yang terlihat pada suku pertama v.
Suku ke-dua v adalah pengaruh induktor, yang jika tidak ada kapasitor nilai 1/
= R/L = 8500. Karena ada kapasitor nilai ini menjadi 8000 pada suku ke-dua v.

Persamaan Karakteristik Memiliki Dua Akar
Riil Sama Besar
s1 = s2, {b2 4ac } = 0

Dua Akar Riil Sama Besar
Dua akar yang sama besar dapat kita tuliskan sebagai
s1  s

dan

s 2  s   ; dengan   0

Tanggapan lengkap akan berbentuk
y  y p  K 1e

s1t

 K 2e

s2t

st

 y p  K 1e

Tanggapan paksa

Kondisi awal pertama

 K 2e

( s   )t

Tanggapan alami

Kondisi awal kedua







y ( 0 )  y p ( 0 )  K 1 s  K 2 ( s   )







y ( 0 )  y p ( 0 )  ( K 1  K 2 ) s  K 2   B 0

y (0 )  y p (0 )  K 1  K 2
y ( 0 )  y p ( 0 )  K 1  K 2  A0

A0 s  K 2   B 0



K2 

B 0  A0 s


dan

K 1  A0 

B 0  A0 s


Dua Akar Riil Sama Besar
Tanggapan lengkap menjadi

 1 e  t   st
 e
y  y p   A0  ( B 0  A0 s )   
 
  


t
 1
 e t  1 
e 

t
lim  
 lim 







 0
 0





y  y p   A0  ( B 0  A0 s ) t  e

y  y p  K a  K b t  e

ditentukan oleh kondisi awal

st

st

ditentukan oleh kondisi awal dan s
s sendiri ditentukan oleh nilai elemenelemen yang membentuk rangkaian dan
tidak ada kaitannya dengan kondisi awal

Dua Akar Riil Sama Besar, Tanggapan Alami
Contoh-3.
1H

S 1 2
+


15 V

+
v



iC
0,25 F

i
4 k

Sakalar telah lama di posisi 1. Pada t
= 0 di pindah ke posisi 2. Tentukan
perubahan tegangan kapasitor.

(Diganti dengan 4 k dari contoh sebelumnya)


Sebelum saklar dipindahkan: v ( 0 )  15 V ; i ( 0 )  0

di

Persamaan rangkaian untuk t > 0:  v  L

 iR  0

dt
2

Karena i =  iC = C dv/dt

LC

d v
dt

2

 RC

dt

Persamaan karakteristik:

2

3

2

 4  10

s  4  10 s  4  10

v0

dt

2

d v

dv

3

dv
dt

6

0

 4  10 v  0
6

Dua Akar Riil Sama Besar, Tanggapan Alami
Persamaan

2

karakteris tik : s  4000 s  4  10
akar - akar : s1 , s 2   2000 

Karena persamaan
maka tanggapan

karakteris tik memiliki

6

0

4  10

6

 4  10

6

  2000  s

akar sama besar

lengkap akan berbentuk :
v  v p  K a  K b t  e

st

 0  K a  K b t  e

st

Tak ada fungsi pemaksa

Kondisi
Kondisi

awal pertama
awal kedua



dv
dt



dv
dt





v ( 0 )  v ( 0 )  v ( 0 )  15  K a .


(0 )  0 

dv
dt

 K be



(0 )  0  K b  K a s 

 Jadi : v  15  30000 t  e

st

 K a  K bt  s e

st

K b   K a s  30000
 2000 t

V

Dua Akar Riil Sama Besar, Tanggapan Alami

v  15  30000 t  e

 2000 t

V

15
10

v  30000 t e

 2000 t

5
0
0
-5
-10
-15

0.001

v  15 e

0.002

 2000 t

0.003

0.004

0.005

0.006

Dua akar kompleks konjugat
{b2 4ac } < 0
s1    j 

dan

s 2    j

Dua Akar Kompleks Konjugat
Akar-Akar Kompleks Konjugat
s1    j 

dan

s 2    j

Tanggapan lengkap akan berbentuk
y  y p  K 1e

(   j ) t

 K 2e

(   j ) t



 y p  K 1e

 j t

K 1 (cos  t  j sin  t )

 K 2e

 j t

e

t

K 2 (cos  t  j sin  t )

( K 1  K 2 ) cos  t  j ( K 1  K 2 ) sin  t

K a cos  t  K b sin  t

y  y p   K a cos  t  K b sin  t  e

t



Kondisi awal pertama: y ( 0 )  y p ( 0 )  K a

Kondisi awal kedua:





K a  y (0 )  y p (0 )



t
y ( 0 )  y p ( 0 )  {(  K b  K a  ) sin  t  ( K b    K a ) cos  t }e

 y p ( 0 )   K a   K b


 K a   K b  y  ( 0 )  y p ( 0 )

Dua Akar Kompleks Konjugat, Tanggapan Alami
Contoh-4.
1H

S 1 2
+


15 V

+
v


iC

0,25 F

i
1 k

Saklar S sudah lama pada posisi 1.
Pada t = 0 dipindah ke poisisi 2.
Carilah perubahan tegangan kapasitor.

(Diganti dengan 1 k dari contoh sebelumnya)

Pada t = 0+ : v ( 0  )  15 V ; i ( 0  )  0

vL

di

 iR  0

dt

Persamaan rangkaian untuk t > 0:
2

Karena i = iC = C dv/dt

d v

LC

dt

2

dt

Persamaan karakteristik:

2

2

3

 1  10

v0

dt

2

d v

dv

 RC

3

s  1  10 s  4  10

dv

 4  10 v  0

dt
6

0

6

Dua Akar Kompleks Konjugat, Tanggapan Alami
Persamaan

karakteris tik : s

2

 1000

dv

6

0

2

 4  10

 4  10

dt
akar - akar : s1 , s 2   500 

500

6

  500  j 500

15

dua akar kompleks konjugat
  j  dengan    500 ;   500

15

Tanggapan lengkap akan berbentuk:
v  0   K a cos  t  K b sin  t  e
Kondisi

awal pertama

Kondisi

awal kedua 



 v ( 0 )  15  K a
dv
dt



(0 )  0   K a   K b
 Kb 

Tanggapan

t



 K a




lengkap : v  15 cos( 500 15 t ) 

500  15
500



15

15



15 sin( 500 15 t ) e

 500 t

V

Dua Akar Kompleks Konjugat, Tanggapan Alami



v  15 cos( 500 15 t ) 



15 sin( 500 15 t ) e

 500 t

V

15

15 cos( 500 15 t

v 10
[V]
5

15 sin( 500 15 t )

t

0
0
-5
-10
-15

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

0.006

Dua Akar Kompleks Konjugat, Tanggapan Alami
Perbandingan tanggapan rangkaian:
Dua akar riil berbeda: sangat teredam, v  16 e  500 t  e  8000 t V
Dua akar riil sama besar : teredam kritis, v  15  30000 t  e  2000 t V

Dua akar kompleks konjugat : kurang teredam,



v  15 cos( 500 15 t ) 



15 sin( 500 15 t ) e

15
10
5
0
0
-5
-10
-15

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

0.006

 500 t

V

Tanggapan Rangkaian Terhadap Sinyal Sinus
Contoh Tanggapan Rangkaian Dengan Masukan Sinyal Sinus

vs =
26cos3t u(t) V

+


i
vs

5

1H
1

F

6

+
v



Rangkaian mendapat masukan
sinyal sinus yang muncul pada t = 0.
Tentukan perubahan tegangan dan
arus kapasitor, apabila kondisi awal
adalahi(0) = 2 A dan v(0) = 6 V

Pada t = 0+ : i(0+) = 2 A dan v(0+) = 6 V

Persamaan rangkaian untuk t > 0 :

 v s  Ri  L
dv

RC



di
dt

2

 LC

d i
2

dt

dt

5 dv

1 d v



2

d v
2

 v  vs

2

6 dt

dt

v0

5

6 dt

dv
dt

2

 v  26 cos 3 t

 6 v  156 cos 3 t

Tanggapan Rangkaian Terhadap Sinyal Sinus
Persamaan

2

karakteris tik : s  5 s  6  0  ( s  2 )( s  3 );
akar - akar : s1 , s 2   2 ,  3

Dugaan ta nggapan

paksa : v p  A c cos 3 t  A s sin 3 t
2

Persamaan rangkaian

d v
dt

2

5

dv

 6 v  156 cos 3 t

dt

   9 A c  15 A s  6 A c  cos 3 t    9 A s  15 A c  6 A s  sin 3 t  156 cos 3 t
  3 A c  15 A s  156
 Ac 

Tanggapan

156  0
 3  75

dan  15 A c  3 A s  0
  2 ; As 

5  156  0
75  3

 10

paksa : v p   2 cos 3 t  10 sin 3 t

Dugaan tan ggapan lengkap

: v   2 cos 3t  10 sin 3t  K 1 e

2t

 K 2e

 3t

masih harus ditentukan melalui
penerapan kondisi awal

Tanggapan Rangkaian Terhadap Sinyal Sinus


1 dv



awal : v ( 0 )  6 dan i ( 0 )  2 

Kondisi



(0 ) 

dv

6 dt
Aplikasi

kondisi

awal pertama

Aplikasi

kondisi

awal kedua :
 K1  6

Tanggapan

 i

1 dv

dt

: 6  2  K1  K 2  K 2  8  K1
12  30  2 K 1  3 K 2
 K2  2

: v   2 cos 3 t  10 sin 3 t  6 e

lengkap



( 0 )  12

 sin 3 t  5 cos 3 t  2 e

2t

e

 3t

2t

 2e

 3t

V

A

6 dt
30

v [V] 20
i [A]
10

Amplitudo tegangan
menurun

vs

Amplitudo arus
meningkat

v

0
-10 0
-20
-30

t [s]
i

2

4

6

8

10

Courseware
Analisis Transien Rangkaian Orde Ke-Dua

Sudaryatno Sudirham


Slide 23

Open Course

Selamat Belajar

oleh: Sudaryatno Sudirham

Tujuan
 mampu menurunkan persamaan rangkaian yang merupakan
rangkaian orde kedua.

 memahami bahwa tanggapan rangkaian terdiri dari tanggapan
paksa dan tanggapan alami yang mungkin berosilasi.
 mampu melakukan analisis transien pada rangkaian orde

kedua.

Bentuk Umum
Persamaan Rangkaian
Orde Ke-dua

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
2

a

d y
dt

2

b

dy

 cy  x ( t )

dt

y = tanggapan rangkaian yang dapat
berupa tegangan ataupun arus

fungsi pemaksa atau
fungsi penggerak.

tetapan a dan b ditentukan oleh nilainilai elemen yang membentuk rangkaian
Persamaan diferensial orde ke-dua muncul karena
rangkaian mengandung kapasitor dan induktor

dengan tegangan sebagai
peubah status

dengan arus
sebagai peubah status

sedangkan peubah dalam persamaan rangkaian
harus salah satu di ataranya, tegangan atau arus

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Tanggapan Alami
Tanggapan alami adalah solusi persamaan rangkaian di
mana x(t) bernilai nol:
2

a

d y
dt

2

b

dy

 cy  0

dt

Dugaan solusi y berbentuk fungsi eksponensial ya = Kest dengan nilai
K dan s yang masih harus ditentukan.
Kalau solusi ini dimasukkan ke persamaan, akan diperoleh
aKs
Ke

st

2

e

st

as

2

 bKse

st



 cKe

st

0

atau

 bs  c  0

Bagian ini yang harus bernilai nol yang
memberikan persamaan karakteristik
as

2

 bs  c  0

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
2

as  bs  c  0

Persamaan karakteristik yang berbentuk persamaan kwadrat itu
mempunyai dua akar yaitu
s1 , s 2 

2

b

b  4 ac
2a

Dengan adanya dua akar tersebut maka kita mempunyai
dua solusi homogen, yaitu
y a1  K 1e

s1 t

dan

ya 2  K 2e

s2t

dan tanggapan alami yang kita cari akan berbentuk
y a  K 1e

s1 t

 K 2e

s2t

Seperti halnya pada rangkaian orde pertama, tetapan-tetapan ini
diperoleh melalui penerapan kondisi awal pada tanggapan lengkap

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Tanggapan Paksa
Tanggapan paksa adalah solusi persamaan rangkaian di
mana x(t) 0:
2

a

d y
dt

2

b

dy

 cy  x ( t )

dt

Bentuk tanggapan paksa ditentukan oleh bentuk x(t)
sebagaimana telah diulas pada rangkaian orde pertama, yaitu
Jika x ( t )  0 , maka

yp  0

Jika x ( t )  A  konstan,
t

maka

Jika

x ( t )  Ae

Jika

x ( t )  A sin  t , maka

Jika

x ( t )  A cos  t , maka

y p  konstan  K

 eksponensi al, maka

y p  eksponensi al  Ke

y p  K c cos  t  K s sin  t
y p  K c cos  t  K s sin  t

Perhatikan : y  K c cos  t  K s sin  t adalah bentuk umum
fungsi sinus maupun

cosinus .

t

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Tanggapan Lengkap
Tanggapan lengkap adalah jumlah tanggapan alami
dan tanggapan paksa
y  y p  y a  y p  K 1e

s1t

 K 2e

s2t

Tetapan ini diperoleh melalui penerapan kondisi awal
Jika rangkaian mengandung C dan L, dua elemen
ini akan cenderung mempertahankan statusnya.
Jadi ada dua kondisi awal yang harus dipenuhi
yaitu




vC (0 )  vC (0 )

dan




iL (0 )  iL (0 )

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Kondisi Awal
Secara umum, kondisi awal adalah:




y (0 )  y (0 )

dan

dy





(0 )  y ' (0 )

dt

Nilai sesaat sebelum dan sesudah
penutupan/pembukaan saklar harus sama, dan
laju perubahan nilainya harus kontinyu
y

y

0

t

Pada rangkaian orde
pertama dy/dt(0+) tidak
perlu kontinyu

0

t

Pada rangkaian orde kedua dy/dt(0+)
harus kontinyu sebab ada d2y/dt2
dalam persamaan rangkaian yang
hanya terdefinisi jika dy/dt(0+) kontinyu

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Tiga Kemungkinan Bentuk Tanggapan
Persamaan karakteristik
as

2

 bs  c  0

dapat mempunyai tiga kemungkinan nilai akar, yaitu:
a). Dua akar riil berbeda, s1  s2, jika {b2 4ac } > 0;
b). Dua akar sama, s1 = s2 = s , jika {b24ac } = 0;

c). Dua akar kompleks konjugat s1,s2 =   j jika {b24ac } < 0.
Tiga kemungkinan akar ini akan memberikan tiga
kemungkinan bentuk tanggapan

Persamaan karakteristik dengan
dua akar riil berbeda,
s1  s2, {b2 4ac } > 0

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
Contoh-1
1H

S 1 2
+


15 V

+
v



iC
0,25 F

i
8,5 k

Saklar S telah lama berada pada posisi 1.
Pada t = 0 saklar dipindahkan ke posisi 2.
Carilah perubahan tegangan kapasitor.



Pada t = 0- : i ( 0 )  0 dan v ( 0 )  12 V

Persamaan Rangkaian pada t > 0 :  v  L

di

 Ri  0

dt

Karena i = -iC = -C dv/dt, maka:  v  LC

2

d v
dt

2

d v



dt

2



2

R dv

 RC

dt

2

0

dt


L dt

 8 ,5  10

v

0

LC

2

d v

dv

3

dv
dt

6

 4  10 v  0

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami

Persamaan karakteristik:

s

2

3

 8 , 5  10 s  4  10

 akar - akar : s1 , s 2   4250  10

3

6

0

2

( 4 , 25 )  4   500 ,  8000

 500 t
 8000 t
 K 2e
Dugaan tanggapan lengkap: v  0  K 1 e

Tak ada fungsi pemaksa

Kondisi awal: v C ( 0  )  15 V dan i L ( 0  )  0
Karena persamaan rangkaian menggunakan v
sebagai peubah maka kondisi awal arus iL(0+)
harus diubah menjadi dalam tegangan v






i L ( 0 )  iC ( 0 )  C

dv C ( 0 )



dv C ( 0 )
dt

0

dt

0

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
Kondisi awal:





v ( 0 )  15 V

dv ( 0 )

0

dt

 500 t
 8000 t
 K 2e
Dugaan tanggapan lengkap: v  0  K 1 e

0   500 K 1  8000 K 2

15  K1  K 2

0   500 K 1  8000 (15  K 1 )

K1 

8000  15

 16

K 2  1

7500

Tanggapan lengkap menjadi: v  16 e  500 t  e  8000 t V
(hanya ada tanggapan alami).

Ini adalah pelepasan muatan kapasitor pada
rangkaian R-L-C seri

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami

Tanggapan

lengkap : v  16 e

 500 t

e

 8000 t

V

16

v
[V] 12

v
8
4
0
0

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

-4

Perhatikan bahwa pada t = 0+ tegangan kapasitor adalah 15 V

Pada waktu kapasitor mulai melepaskan muatannya,
ada perlawanan dari induktor yang menyebabkan
penurunan tegangan pada saat-saat awal agak landai

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
Contoh-2

1H

S
+


19 V

+
v

iC



0,25 F

Saklar S telah lama tertutup.
Pada t = 0 saklar dibuka.
Tentukan perubahan tegangan
kapasitor dan arus induktor.

i
8,5 k

Sebelum saklar dibuka arus hanya melalui induktor. Dioda tidak konduksi.


i L (0 ) 

19
8500

Persamaan Rangkaian pada t > 0 :

i   iC   C



vC (0 )  0 V

 2 mA

dv C
dt

did 2 v
dv
L
 Ri 
0
vvLC
RC
0
dtdt 2
dt
2



d v
dt

2



R dv
L dt

dt

2

 8 ,5  10

0

LC

2

d v

v



3

dv
dt

6

 4  10 v  0

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
Persamaan

karkterist ik : s  8 ,5  10 s  4  10  0
2

3

 akar - akar : s1 , s 2   4250  10

Dugaan ta

nggapan

lengkap

3

6

( 4 , 25 )  4   500 ,  8000
2

: v  0  K 1e

 500 t

 K 2e

 8000 t

Tak ada fungsi pemaksa
Kondisi awal:



i L ( 0 )  2 mA



vC (0 )  0 V

dan

Karena persamaan rangkaian menggunakan v sebagai
peubah maka kondisi awal iL(0+) harus diubah menjadi
dalam v






 i L ( 0 )  iC ( 0 )  C


dv C ( 0 )
dt

 

dv C ( 0 )
dt
2  10
C

3

 2  10

3

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami


dv ( 0 )



Kondisi awal: v ( 0 )  0



dt

Dugaan ta

nggapan

2  10

6

0 , 25  10

: v  0  K 1e

lengkap

3

0  K1  K 2

 500 t

  8  10

 K 2e

3

 8000 t

 8000   500 K 1  8000 K 2

 8000   500 K 1  8000 K 1
K1 

Tegangan kapasitor menjadi

 8000

K 2   K1  1

  1, 06

7500

: v  1, 06 e

 500 t

 1e

 8000 t

V

Ini adalah pengisian kapasitor oleh arus
induktor pada rangkaian R-L-C seri
Arus induktor

: i L   iC   C
  133  10

dv

  0 , 25  10

dt
 3  500 t

e

 2e

6

 530 e

 8000 t

mA

 500 t

 8000 e

 8000 t



Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
Tanggapan lengkap : v  1, 06 e

 500 t

 1e

 8000 t

V

1

v
[V]

0. 5

0
0

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

-0. 5

-1

Perhatikan bahwa pada awalnya tegangan kapasitor naik
karena menerima pelepasan energi dari induktor

Kenaikan tegangan kapasitor mencapai puncak kemudian
menurun karena ia melepaskan muatan yang pada awalnya
diterima.

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
v  16 e

 500 t

e

 8000 t

v  1, 06 e

V

16

 500 t

 1e

 8000 t

V

1

v [V]

Pelepasan energi induktor

v

12

[V]

v

8

0. 5
0
0

4

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

-0. 5

0
0

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

-1

-4

Untuk kedua peristiwa ini yang di-plot terhadap waktu adalah tegangan kapasitor
Seandainya tidak ada induktor, penurunan tegangan kapasitor akan terjadi
dengan konstanta waktu

  RC  8500  0 . 25  10

6

 2125  10

-6

atau 1/ = 470,6. Tetapi karena ada induktor, konstanta waktu menjadi lebih kecil
sehingga 1/ = 500. Inilah yang terlihat pada suku pertama v.
Suku ke-dua v adalah pengaruh induktor, yang jika tidak ada kapasitor nilai 1/
= R/L = 8500. Karena ada kapasitor nilai ini menjadi 8000 pada suku ke-dua v.

Persamaan Karakteristik Memiliki Dua Akar
Riil Sama Besar
s1 = s2, {b2 4ac } = 0

Dua Akar Riil Sama Besar
Dua akar yang sama besar dapat kita tuliskan sebagai
s1  s

dan

s 2  s   ; dengan   0

Tanggapan lengkap akan berbentuk
y  y p  K 1e

s1t

 K 2e

s2t

st

 y p  K 1e

Tanggapan paksa

Kondisi awal pertama

 K 2e

( s   )t

Tanggapan alami

Kondisi awal kedua







y ( 0 )  y p ( 0 )  K 1 s  K 2 ( s   )







y ( 0 )  y p ( 0 )  ( K 1  K 2 ) s  K 2   B 0

y (0 )  y p (0 )  K 1  K 2
y ( 0 )  y p ( 0 )  K 1  K 2  A0

A0 s  K 2   B 0



K2 

B 0  A0 s


dan

K 1  A0 

B 0  A0 s


Dua Akar Riil Sama Besar
Tanggapan lengkap menjadi

 1 e  t   st
 e
y  y p   A0  ( B 0  A0 s )   
 
  


t
 1
 e t  1 
e 

t
lim  
 lim 







 0
 0





y  y p   A0  ( B 0  A0 s ) t  e

y  y p  K a  K b t  e

ditentukan oleh kondisi awal

st

st

ditentukan oleh kondisi awal dan s
s sendiri ditentukan oleh nilai elemenelemen yang membentuk rangkaian dan
tidak ada kaitannya dengan kondisi awal

Dua Akar Riil Sama Besar, Tanggapan Alami
Contoh-3.
1H

S 1 2
+


15 V

+
v



iC
0,25 F

i
4 k

Sakalar telah lama di posisi 1. Pada t
= 0 di pindah ke posisi 2. Tentukan
perubahan tegangan kapasitor.

(Diganti dengan 4 k dari contoh sebelumnya)


Sebelum saklar dipindahkan: v ( 0 )  15 V ; i ( 0 )  0

di

Persamaan rangkaian untuk t > 0:  v  L

 iR  0

dt
2

Karena i =  iC = C dv/dt

LC

d v
dt

2

 RC

dt

Persamaan karakteristik:

2

3

2

 4  10

s  4  10 s  4  10

v0

dt

2

d v

dv

3

dv
dt

6

0

 4  10 v  0
6

Dua Akar Riil Sama Besar, Tanggapan Alami
Persamaan

2

karakteris tik : s  4000 s  4  10
akar - akar : s1 , s 2   2000 

Karena persamaan
maka tanggapan

karakteris tik memiliki

6

0

4  10

6

 4  10

6

  2000  s

akar sama besar

lengkap akan berbentuk :
v  v p  K a  K b t  e

st

 0  K a  K b t  e

st

Tak ada fungsi pemaksa

Kondisi
Kondisi

awal pertama
awal kedua



dv
dt



dv
dt





v ( 0 )  v ( 0 )  v ( 0 )  15  K a .


(0 )  0 

dv
dt

 K be



(0 )  0  K b  K a s 

 Jadi : v  15  30000 t  e

st

 K a  K bt  s e

st

K b   K a s  30000
 2000 t

V

Dua Akar Riil Sama Besar, Tanggapan Alami

v  15  30000 t  e

 2000 t

V

15
10

v  30000 t e

 2000 t

5
0
0
-5
-10
-15

0.001

v  15 e

0.002

 2000 t

0.003

0.004

0.005

0.006

Dua akar kompleks konjugat
{b2 4ac } < 0
s1    j 

dan

s 2    j

Dua Akar Kompleks Konjugat
Akar-Akar Kompleks Konjugat
s1    j 

dan

s 2    j

Tanggapan lengkap akan berbentuk
y  y p  K 1e

(   j ) t

 K 2e

(   j ) t



 y p  K 1e

 j t

K 1 (cos  t  j sin  t )

 K 2e

 j t

e

t

K 2 (cos  t  j sin  t )

( K 1  K 2 ) cos  t  j ( K 1  K 2 ) sin  t

K a cos  t  K b sin  t

y  y p   K a cos  t  K b sin  t  e

t



Kondisi awal pertama: y ( 0 )  y p ( 0 )  K a

Kondisi awal kedua:





K a  y (0 )  y p (0 )



t
y ( 0 )  y p ( 0 )  {(  K b  K a  ) sin  t  ( K b    K a ) cos  t }e

 y p ( 0 )   K a   K b


 K a   K b  y  ( 0 )  y p ( 0 )

Dua Akar Kompleks Konjugat, Tanggapan Alami
Contoh-4.
1H

S 1 2
+


15 V

+
v


iC

0,25 F

i
1 k

Saklar S sudah lama pada posisi 1.
Pada t = 0 dipindah ke poisisi 2.
Carilah perubahan tegangan kapasitor.

(Diganti dengan 1 k dari contoh sebelumnya)

Pada t = 0+ : v ( 0  )  15 V ; i ( 0  )  0

vL

di

 iR  0

dt

Persamaan rangkaian untuk t > 0:
2

Karena i = iC = C dv/dt

d v

LC

dt

2

dt

Persamaan karakteristik:

2

2

3

 1  10

v0

dt

2

d v

dv

 RC

3

s  1  10 s  4  10

dv

 4  10 v  0

dt
6

0

6

Dua Akar Kompleks Konjugat, Tanggapan Alami
Persamaan

karakteris tik : s

2

 1000

dv

6

0

2

 4  10

 4  10

dt
akar - akar : s1 , s 2   500 

500

6

  500  j 500

15

dua akar kompleks konjugat
  j  dengan    500 ;   500

15

Tanggapan lengkap akan berbentuk:
v  0   K a cos  t  K b sin  t  e
Kondisi

awal pertama

Kondisi

awal kedua 



 v ( 0 )  15  K a
dv
dt



(0 )  0   K a   K b
 Kb 

Tanggapan

t



 K a




lengkap : v  15 cos( 500 15 t ) 

500  15
500



15

15



15 sin( 500 15 t ) e

 500 t

V

Dua Akar Kompleks Konjugat, Tanggapan Alami



v  15 cos( 500 15 t ) 



15 sin( 500 15 t ) e

 500 t

V

15

15 cos( 500 15 t

v 10
[V]
5

15 sin( 500 15 t )

t

0
0
-5
-10
-15

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

0.006

Dua Akar Kompleks Konjugat, Tanggapan Alami
Perbandingan tanggapan rangkaian:
Dua akar riil berbeda: sangat teredam, v  16 e  500 t  e  8000 t V
Dua akar riil sama besar : teredam kritis, v  15  30000 t  e  2000 t V

Dua akar kompleks konjugat : kurang teredam,



v  15 cos( 500 15 t ) 



15 sin( 500 15 t ) e

15
10
5
0
0
-5
-10
-15

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

0.006

 500 t

V

Tanggapan Rangkaian Terhadap Sinyal Sinus
Contoh Tanggapan Rangkaian Dengan Masukan Sinyal Sinus

vs =
26cos3t u(t) V

+


i
vs

5

1H
1

F

6

+
v



Rangkaian mendapat masukan
sinyal sinus yang muncul pada t = 0.
Tentukan perubahan tegangan dan
arus kapasitor, apabila kondisi awal
adalahi(0) = 2 A dan v(0) = 6 V

Pada t = 0+ : i(0+) = 2 A dan v(0+) = 6 V

Persamaan rangkaian untuk t > 0 :

 v s  Ri  L
dv

RC



di
dt

2

 LC

d i
2

dt

dt

5 dv

1 d v



2

d v
2

 v  vs

2

6 dt

dt

v0

5

6 dt

dv
dt

2

 v  26 cos 3 t

 6 v  156 cos 3 t

Tanggapan Rangkaian Terhadap Sinyal Sinus
Persamaan

2

karakteris tik : s  5 s  6  0  ( s  2 )( s  3 );
akar - akar : s1 , s 2   2 ,  3

Dugaan ta nggapan

paksa : v p  A c cos 3 t  A s sin 3 t
2

Persamaan rangkaian

d v
dt

2

5

dv

 6 v  156 cos 3 t

dt

   9 A c  15 A s  6 A c  cos 3 t    9 A s  15 A c  6 A s  sin 3 t  156 cos 3 t
  3 A c  15 A s  156
 Ac 

Tanggapan

156  0
 3  75

dan  15 A c  3 A s  0
  2 ; As 

5  156  0
75  3

 10

paksa : v p   2 cos 3 t  10 sin 3 t

Dugaan tan ggapan lengkap

: v   2 cos 3t  10 sin 3t  K 1 e

2t

 K 2e

 3t

masih harus ditentukan melalui
penerapan kondisi awal

Tanggapan Rangkaian Terhadap Sinyal Sinus


1 dv



awal : v ( 0 )  6 dan i ( 0 )  2 

Kondisi



(0 ) 

dv

6 dt
Aplikasi

kondisi

awal pertama

Aplikasi

kondisi

awal kedua :
 K1  6

Tanggapan

 i

1 dv

dt

: 6  2  K1  K 2  K 2  8  K1
12  30  2 K 1  3 K 2
 K2  2

: v   2 cos 3 t  10 sin 3 t  6 e

lengkap



( 0 )  12

 sin 3 t  5 cos 3 t  2 e

2t

e

 3t

2t

 2e

 3t

V

A

6 dt
30

v [V] 20
i [A]
10

Amplitudo tegangan
menurun

vs

Amplitudo arus
meningkat

v

0
-10 0
-20
-30

t [s]
i

2

4

6

8

10

Courseware
Analisis Transien Rangkaian Orde Ke-Dua

Sudaryatno Sudirham


Slide 24

Open Course

Selamat Belajar

oleh: Sudaryatno Sudirham

Tujuan
 mampu menurunkan persamaan rangkaian yang merupakan
rangkaian orde kedua.

 memahami bahwa tanggapan rangkaian terdiri dari tanggapan
paksa dan tanggapan alami yang mungkin berosilasi.
 mampu melakukan analisis transien pada rangkaian orde

kedua.

Bentuk Umum
Persamaan Rangkaian
Orde Ke-dua

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
2

a

d y
dt

2

b

dy

 cy  x ( t )

dt

y = tanggapan rangkaian yang dapat
berupa tegangan ataupun arus

fungsi pemaksa atau
fungsi penggerak.

tetapan a dan b ditentukan oleh nilainilai elemen yang membentuk rangkaian
Persamaan diferensial orde ke-dua muncul karena
rangkaian mengandung kapasitor dan induktor

dengan tegangan sebagai
peubah status

dengan arus
sebagai peubah status

sedangkan peubah dalam persamaan rangkaian
harus salah satu di ataranya, tegangan atau arus

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Tanggapan Alami
Tanggapan alami adalah solusi persamaan rangkaian di
mana x(t) bernilai nol:
2

a

d y
dt

2

b

dy

 cy  0

dt

Dugaan solusi y berbentuk fungsi eksponensial ya = Kest dengan nilai
K dan s yang masih harus ditentukan.
Kalau solusi ini dimasukkan ke persamaan, akan diperoleh
aKs
Ke

st

2

e

st

as

2

 bKse

st



 cKe

st

0

atau

 bs  c  0

Bagian ini yang harus bernilai nol yang
memberikan persamaan karakteristik
as

2

 bs  c  0

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
2

as  bs  c  0

Persamaan karakteristik yang berbentuk persamaan kwadrat itu
mempunyai dua akar yaitu
s1 , s 2 

2

b

b  4 ac
2a

Dengan adanya dua akar tersebut maka kita mempunyai
dua solusi homogen, yaitu
y a1  K 1e

s1 t

dan

ya 2  K 2e

s2t

dan tanggapan alami yang kita cari akan berbentuk
y a  K 1e

s1 t

 K 2e

s2t

Seperti halnya pada rangkaian orde pertama, tetapan-tetapan ini
diperoleh melalui penerapan kondisi awal pada tanggapan lengkap

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Tanggapan Paksa
Tanggapan paksa adalah solusi persamaan rangkaian di
mana x(t) 0:
2

a

d y
dt

2

b

dy

 cy  x ( t )

dt

Bentuk tanggapan paksa ditentukan oleh bentuk x(t)
sebagaimana telah diulas pada rangkaian orde pertama, yaitu
Jika x ( t )  0 , maka

yp  0

Jika x ( t )  A  konstan,
t

maka

Jika

x ( t )  Ae

Jika

x ( t )  A sin  t , maka

Jika

x ( t )  A cos  t , maka

y p  konstan  K

 eksponensi al, maka

y p  eksponensi al  Ke

y p  K c cos  t  K s sin  t
y p  K c cos  t  K s sin  t

Perhatikan : y  K c cos  t  K s sin  t adalah bentuk umum
fungsi sinus maupun

cosinus .

t

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Tanggapan Lengkap
Tanggapan lengkap adalah jumlah tanggapan alami
dan tanggapan paksa
y  y p  y a  y p  K 1e

s1t

 K 2e

s2t

Tetapan ini diperoleh melalui penerapan kondisi awal
Jika rangkaian mengandung C dan L, dua elemen
ini akan cenderung mempertahankan statusnya.
Jadi ada dua kondisi awal yang harus dipenuhi
yaitu




vC (0 )  vC (0 )

dan




iL (0 )  iL (0 )

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Kondisi Awal
Secara umum, kondisi awal adalah:




y (0 )  y (0 )

dan

dy





(0 )  y ' (0 )

dt

Nilai sesaat sebelum dan sesudah
penutupan/pembukaan saklar harus sama, dan
laju perubahan nilainya harus kontinyu
y

y

0

t

Pada rangkaian orde
pertama dy/dt(0+) tidak
perlu kontinyu

0

t

Pada rangkaian orde kedua dy/dt(0+)
harus kontinyu sebab ada d2y/dt2
dalam persamaan rangkaian yang
hanya terdefinisi jika dy/dt(0+) kontinyu

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Tiga Kemungkinan Bentuk Tanggapan
Persamaan karakteristik
as

2

 bs  c  0

dapat mempunyai tiga kemungkinan nilai akar, yaitu:
a). Dua akar riil berbeda, s1  s2, jika {b2 4ac } > 0;
b). Dua akar sama, s1 = s2 = s , jika {b24ac } = 0;

c). Dua akar kompleks konjugat s1,s2 =   j jika {b24ac } < 0.
Tiga kemungkinan akar ini akan memberikan tiga
kemungkinan bentuk tanggapan

Persamaan karakteristik dengan
dua akar riil berbeda,
s1  s2, {b2 4ac } > 0

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
Contoh-1
1H

S 1 2
+


15 V

+
v



iC
0,25 F

i
8,5 k

Saklar S telah lama berada pada posisi 1.
Pada t = 0 saklar dipindahkan ke posisi 2.
Carilah perubahan tegangan kapasitor.



Pada t = 0- : i ( 0 )  0 dan v ( 0 )  12 V

Persamaan Rangkaian pada t > 0 :  v  L

di

 Ri  0

dt

Karena i = -iC = -C dv/dt, maka:  v  LC

2

d v
dt

2

d v



dt

2



2

R dv

 RC

dt

2

0

dt


L dt

 8 ,5  10

v

0

LC

2

d v

dv

3

dv
dt

6

 4  10 v  0

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami

Persamaan karakteristik:

s

2

3

 8 , 5  10 s  4  10

 akar - akar : s1 , s 2   4250  10

3

6

0

2

( 4 , 25 )  4   500 ,  8000

 500 t
 8000 t
 K 2e
Dugaan tanggapan lengkap: v  0  K 1 e

Tak ada fungsi pemaksa

Kondisi awal: v C ( 0  )  15 V dan i L ( 0  )  0
Karena persamaan rangkaian menggunakan v
sebagai peubah maka kondisi awal arus iL(0+)
harus diubah menjadi dalam tegangan v






i L ( 0 )  iC ( 0 )  C

dv C ( 0 )



dv C ( 0 )
dt

0

dt

0

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
Kondisi awal:





v ( 0 )  15 V

dv ( 0 )

0

dt

 500 t
 8000 t
 K 2e
Dugaan tanggapan lengkap: v  0  K 1 e

0   500 K 1  8000 K 2

15  K1  K 2

0   500 K 1  8000 (15  K 1 )

K1 

8000  15

 16

K 2  1

7500

Tanggapan lengkap menjadi: v  16 e  500 t  e  8000 t V
(hanya ada tanggapan alami).

Ini adalah pelepasan muatan kapasitor pada
rangkaian R-L-C seri

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami

Tanggapan

lengkap : v  16 e

 500 t

e

 8000 t

V

16

v
[V] 12

v
8
4
0
0

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

-4

Perhatikan bahwa pada t = 0+ tegangan kapasitor adalah 15 V

Pada waktu kapasitor mulai melepaskan muatannya,
ada perlawanan dari induktor yang menyebabkan
penurunan tegangan pada saat-saat awal agak landai

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
Contoh-2

1H

S
+


19 V

+
v

iC



0,25 F

Saklar S telah lama tertutup.
Pada t = 0 saklar dibuka.
Tentukan perubahan tegangan
kapasitor dan arus induktor.

i
8,5 k

Sebelum saklar dibuka arus hanya melalui induktor. Dioda tidak konduksi.


i L (0 ) 

19
8500

Persamaan Rangkaian pada t > 0 :

i   iC   C



vC (0 )  0 V

 2 mA

dv C
dt

did 2 v
dv
L
 Ri 
0
vvLC
RC
0
dtdt 2
dt
2



d v
dt

2



R dv
L dt

dt

2

 8 ,5  10

0

LC

2

d v

v



3

dv
dt

6

 4  10 v  0

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
Persamaan

karkterist ik : s  8 ,5  10 s  4  10  0
2

3

 akar - akar : s1 , s 2   4250  10

Dugaan ta

nggapan

lengkap

3

6

( 4 , 25 )  4   500 ,  8000
2

: v  0  K 1e

 500 t

 K 2e

 8000 t

Tak ada fungsi pemaksa
Kondisi awal:



i L ( 0 )  2 mA



vC (0 )  0 V

dan

Karena persamaan rangkaian menggunakan v sebagai
peubah maka kondisi awal iL(0+) harus diubah menjadi
dalam v






 i L ( 0 )  iC ( 0 )  C


dv C ( 0 )
dt

 

dv C ( 0 )
dt
2  10
C

3

 2  10

3

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami


dv ( 0 )



Kondisi awal: v ( 0 )  0



dt

Dugaan ta

nggapan

2  10

6

0 , 25  10

: v  0  K 1e

lengkap

3

0  K1  K 2

 500 t

  8  10

 K 2e

3

 8000 t

 8000   500 K 1  8000 K 2

 8000   500 K 1  8000 K 1
K1 

Tegangan kapasitor menjadi

 8000

K 2   K1  1

  1, 06

7500

: v  1, 06 e

 500 t

 1e

 8000 t

V

Ini adalah pengisian kapasitor oleh arus
induktor pada rangkaian R-L-C seri
Arus induktor

: i L   iC   C
  133  10

dv

  0 , 25  10

dt
 3  500 t

e

 2e

6

 530 e

 8000 t

mA

 500 t

 8000 e

 8000 t



Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
Tanggapan lengkap : v  1, 06 e

 500 t

 1e

 8000 t

V

1

v
[V]

0. 5

0
0

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

-0. 5

-1

Perhatikan bahwa pada awalnya tegangan kapasitor naik
karena menerima pelepasan energi dari induktor

Kenaikan tegangan kapasitor mencapai puncak kemudian
menurun karena ia melepaskan muatan yang pada awalnya
diterima.

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
v  16 e

 500 t

e

 8000 t

v  1, 06 e

V

16

 500 t

 1e

 8000 t

V

1

v [V]

Pelepasan energi induktor

v

12

[V]

v

8

0. 5
0
0

4

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

-0. 5

0
0

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

-1

-4

Untuk kedua peristiwa ini yang di-plot terhadap waktu adalah tegangan kapasitor
Seandainya tidak ada induktor, penurunan tegangan kapasitor akan terjadi
dengan konstanta waktu

  RC  8500  0 . 25  10

6

 2125  10

-6

atau 1/ = 470,6. Tetapi karena ada induktor, konstanta waktu menjadi lebih kecil
sehingga 1/ = 500. Inilah yang terlihat pada suku pertama v.
Suku ke-dua v adalah pengaruh induktor, yang jika tidak ada kapasitor nilai 1/
= R/L = 8500. Karena ada kapasitor nilai ini menjadi 8000 pada suku ke-dua v.

Persamaan Karakteristik Memiliki Dua Akar
Riil Sama Besar
s1 = s2, {b2 4ac } = 0

Dua Akar Riil Sama Besar
Dua akar yang sama besar dapat kita tuliskan sebagai
s1  s

dan

s 2  s   ; dengan   0

Tanggapan lengkap akan berbentuk
y  y p  K 1e

s1t

 K 2e

s2t

st

 y p  K 1e

Tanggapan paksa

Kondisi awal pertama

 K 2e

( s   )t

Tanggapan alami

Kondisi awal kedua







y ( 0 )  y p ( 0 )  K 1 s  K 2 ( s   )







y ( 0 )  y p ( 0 )  ( K 1  K 2 ) s  K 2   B 0

y (0 )  y p (0 )  K 1  K 2
y ( 0 )  y p ( 0 )  K 1  K 2  A0

A0 s  K 2   B 0



K2 

B 0  A0 s


dan

K 1  A0 

B 0  A0 s


Dua Akar Riil Sama Besar
Tanggapan lengkap menjadi

 1 e  t   st
 e
y  y p   A0  ( B 0  A0 s )   
 
  


t
 1
 e t  1 
e 

t
lim  
 lim 







 0
 0





y  y p   A0  ( B 0  A0 s ) t  e

y  y p  K a  K b t  e

ditentukan oleh kondisi awal

st

st

ditentukan oleh kondisi awal dan s
s sendiri ditentukan oleh nilai elemenelemen yang membentuk rangkaian dan
tidak ada kaitannya dengan kondisi awal

Dua Akar Riil Sama Besar, Tanggapan Alami
Contoh-3.
1H

S 1 2
+


15 V

+
v



iC
0,25 F

i
4 k

Sakalar telah lama di posisi 1. Pada t
= 0 di pindah ke posisi 2. Tentukan
perubahan tegangan kapasitor.

(Diganti dengan 4 k dari contoh sebelumnya)


Sebelum saklar dipindahkan: v ( 0 )  15 V ; i ( 0 )  0

di

Persamaan rangkaian untuk t > 0:  v  L

 iR  0

dt
2

Karena i =  iC = C dv/dt

LC

d v
dt

2

 RC

dt

Persamaan karakteristik:

2

3

2

 4  10

s  4  10 s  4  10

v0

dt

2

d v

dv

3

dv
dt

6

0

 4  10 v  0
6

Dua Akar Riil Sama Besar, Tanggapan Alami
Persamaan

2

karakteris tik : s  4000 s  4  10
akar - akar : s1 , s 2   2000 

Karena persamaan
maka tanggapan

karakteris tik memiliki

6

0

4  10

6

 4  10

6

  2000  s

akar sama besar

lengkap akan berbentuk :
v  v p  K a  K b t  e

st

 0  K a  K b t  e

st

Tak ada fungsi pemaksa

Kondisi
Kondisi

awal pertama
awal kedua



dv
dt



dv
dt





v ( 0 )  v ( 0 )  v ( 0 )  15  K a .


(0 )  0 

dv
dt

 K be



(0 )  0  K b  K a s 

 Jadi : v  15  30000 t  e

st

 K a  K bt  s e

st

K b   K a s  30000
 2000 t

V

Dua Akar Riil Sama Besar, Tanggapan Alami

v  15  30000 t  e

 2000 t

V

15
10

v  30000 t e

 2000 t

5
0
0
-5
-10
-15

0.001

v  15 e

0.002

 2000 t

0.003

0.004

0.005

0.006

Dua akar kompleks konjugat
{b2 4ac } < 0
s1    j 

dan

s 2    j

Dua Akar Kompleks Konjugat
Akar-Akar Kompleks Konjugat
s1    j 

dan

s 2    j

Tanggapan lengkap akan berbentuk
y  y p  K 1e

(   j ) t

 K 2e

(   j ) t



 y p  K 1e

 j t

K 1 (cos  t  j sin  t )

 K 2e

 j t

e

t

K 2 (cos  t  j sin  t )

( K 1  K 2 ) cos  t  j ( K 1  K 2 ) sin  t

K a cos  t  K b sin  t

y  y p   K a cos  t  K b sin  t  e

t



Kondisi awal pertama: y ( 0 )  y p ( 0 )  K a

Kondisi awal kedua:





K a  y (0 )  y p (0 )



t
y ( 0 )  y p ( 0 )  {(  K b  K a  ) sin  t  ( K b    K a ) cos  t }e

 y p ( 0 )   K a   K b


 K a   K b  y  ( 0 )  y p ( 0 )

Dua Akar Kompleks Konjugat, Tanggapan Alami
Contoh-4.
1H

S 1 2
+


15 V

+
v


iC

0,25 F

i
1 k

Saklar S sudah lama pada posisi 1.
Pada t = 0 dipindah ke poisisi 2.
Carilah perubahan tegangan kapasitor.

(Diganti dengan 1 k dari contoh sebelumnya)

Pada t = 0+ : v ( 0  )  15 V ; i ( 0  )  0

vL

di

 iR  0

dt

Persamaan rangkaian untuk t > 0:
2

Karena i = iC = C dv/dt

d v

LC

dt

2

dt

Persamaan karakteristik:

2

2

3

 1  10

v0

dt

2

d v

dv

 RC

3

s  1  10 s  4  10

dv

 4  10 v  0

dt
6

0

6

Dua Akar Kompleks Konjugat, Tanggapan Alami
Persamaan

karakteris tik : s

2

 1000

dv

6

0

2

 4  10

 4  10

dt
akar - akar : s1 , s 2   500 

500

6

  500  j 500

15

dua akar kompleks konjugat
  j  dengan    500 ;   500

15

Tanggapan lengkap akan berbentuk:
v  0   K a cos  t  K b sin  t  e
Kondisi

awal pertama

Kondisi

awal kedua 



 v ( 0 )  15  K a
dv
dt



(0 )  0   K a   K b
 Kb 

Tanggapan

t



 K a




lengkap : v  15 cos( 500 15 t ) 

500  15
500



15

15



15 sin( 500 15 t ) e

 500 t

V

Dua Akar Kompleks Konjugat, Tanggapan Alami



v  15 cos( 500 15 t ) 



15 sin( 500 15 t ) e

 500 t

V

15

15 cos( 500 15 t

v 10
[V]
5

15 sin( 500 15 t )

t

0
0
-5
-10
-15

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

0.006

Dua Akar Kompleks Konjugat, Tanggapan Alami
Perbandingan tanggapan rangkaian:
Dua akar riil berbeda: sangat teredam, v  16 e  500 t  e  8000 t V
Dua akar riil sama besar : teredam kritis, v  15  30000 t  e  2000 t V

Dua akar kompleks konjugat : kurang teredam,



v  15 cos( 500 15 t ) 



15 sin( 500 15 t ) e

15
10
5
0
0
-5
-10
-15

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

0.006

 500 t

V

Tanggapan Rangkaian Terhadap Sinyal Sinus
Contoh Tanggapan Rangkaian Dengan Masukan Sinyal Sinus

vs =
26cos3t u(t) V

+


i
vs

5

1H
1

F

6

+
v



Rangkaian mendapat masukan
sinyal sinus yang muncul pada t = 0.
Tentukan perubahan tegangan dan
arus kapasitor, apabila kondisi awal
adalahi(0) = 2 A dan v(0) = 6 V

Pada t = 0+ : i(0+) = 2 A dan v(0+) = 6 V

Persamaan rangkaian untuk t > 0 :

 v s  Ri  L
dv

RC



di
dt

2

 LC

d i
2

dt

dt

5 dv

1 d v



2

d v
2

 v  vs

2

6 dt

dt

v0

5

6 dt

dv
dt

2

 v  26 cos 3 t

 6 v  156 cos 3 t

Tanggapan Rangkaian Terhadap Sinyal Sinus
Persamaan

2

karakteris tik : s  5 s  6  0  ( s  2 )( s  3 );
akar - akar : s1 , s 2   2 ,  3

Dugaan ta nggapan

paksa : v p  A c cos 3 t  A s sin 3 t
2

Persamaan rangkaian

d v
dt

2

5

dv

 6 v  156 cos 3 t

dt

   9 A c  15 A s  6 A c  cos 3 t    9 A s  15 A c  6 A s  sin 3 t  156 cos 3 t
  3 A c  15 A s  156
 Ac 

Tanggapan

156  0
 3  75

dan  15 A c  3 A s  0
  2 ; As 

5  156  0
75  3

 10

paksa : v p   2 cos 3 t  10 sin 3 t

Dugaan tan ggapan lengkap

: v   2 cos 3t  10 sin 3t  K 1 e

2t

 K 2e

 3t

masih harus ditentukan melalui
penerapan kondisi awal

Tanggapan Rangkaian Terhadap Sinyal Sinus


1 dv



awal : v ( 0 )  6 dan i ( 0 )  2 

Kondisi



(0 ) 

dv

6 dt
Aplikasi

kondisi

awal pertama

Aplikasi

kondisi

awal kedua :
 K1  6

Tanggapan

 i

1 dv

dt

: 6  2  K1  K 2  K 2  8  K1
12  30  2 K 1  3 K 2
 K2  2

: v   2 cos 3 t  10 sin 3 t  6 e

lengkap



( 0 )  12

 sin 3 t  5 cos 3 t  2 e

2t

e

 3t

2t

 2e

 3t

V

A

6 dt
30

v [V] 20
i [A]
10

Amplitudo tegangan
menurun

vs

Amplitudo arus
meningkat

v

0
-10 0
-20
-30

t [s]
i

2

4

6

8

10

Courseware
Analisis Transien Rangkaian Orde Ke-Dua

Sudaryatno Sudirham


Slide 25

Open Course

Selamat Belajar

oleh: Sudaryatno Sudirham

Tujuan
 mampu menurunkan persamaan rangkaian yang merupakan
rangkaian orde kedua.

 memahami bahwa tanggapan rangkaian terdiri dari tanggapan
paksa dan tanggapan alami yang mungkin berosilasi.
 mampu melakukan analisis transien pada rangkaian orde

kedua.

Bentuk Umum
Persamaan Rangkaian
Orde Ke-dua

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
2

a

d y
dt

2

b

dy

 cy  x ( t )

dt

y = tanggapan rangkaian yang dapat
berupa tegangan ataupun arus

fungsi pemaksa atau
fungsi penggerak.

tetapan a dan b ditentukan oleh nilainilai elemen yang membentuk rangkaian
Persamaan diferensial orde ke-dua muncul karena
rangkaian mengandung kapasitor dan induktor

dengan tegangan sebagai
peubah status

dengan arus
sebagai peubah status

sedangkan peubah dalam persamaan rangkaian
harus salah satu di ataranya, tegangan atau arus

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Tanggapan Alami
Tanggapan alami adalah solusi persamaan rangkaian di
mana x(t) bernilai nol:
2

a

d y
dt

2

b

dy

 cy  0

dt

Dugaan solusi y berbentuk fungsi eksponensial ya = Kest dengan nilai
K dan s yang masih harus ditentukan.
Kalau solusi ini dimasukkan ke persamaan, akan diperoleh
aKs
Ke

st

2

e

st

as

2

 bKse

st



 cKe

st

0

atau

 bs  c  0

Bagian ini yang harus bernilai nol yang
memberikan persamaan karakteristik
as

2

 bs  c  0

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
2

as  bs  c  0

Persamaan karakteristik yang berbentuk persamaan kwadrat itu
mempunyai dua akar yaitu
s1 , s 2 

2

b

b  4 ac
2a

Dengan adanya dua akar tersebut maka kita mempunyai
dua solusi homogen, yaitu
y a1  K 1e

s1 t

dan

ya 2  K 2e

s2t

dan tanggapan alami yang kita cari akan berbentuk
y a  K 1e

s1 t

 K 2e

s2t

Seperti halnya pada rangkaian orde pertama, tetapan-tetapan ini
diperoleh melalui penerapan kondisi awal pada tanggapan lengkap

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Tanggapan Paksa
Tanggapan paksa adalah solusi persamaan rangkaian di
mana x(t) 0:
2

a

d y
dt

2

b

dy

 cy  x ( t )

dt

Bentuk tanggapan paksa ditentukan oleh bentuk x(t)
sebagaimana telah diulas pada rangkaian orde pertama, yaitu
Jika x ( t )  0 , maka

yp  0

Jika x ( t )  A  konstan,
t

maka

Jika

x ( t )  Ae

Jika

x ( t )  A sin  t , maka

Jika

x ( t )  A cos  t , maka

y p  konstan  K

 eksponensi al, maka

y p  eksponensi al  Ke

y p  K c cos  t  K s sin  t
y p  K c cos  t  K s sin  t

Perhatikan : y  K c cos  t  K s sin  t adalah bentuk umum
fungsi sinus maupun

cosinus .

t

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Tanggapan Lengkap
Tanggapan lengkap adalah jumlah tanggapan alami
dan tanggapan paksa
y  y p  y a  y p  K 1e

s1t

 K 2e

s2t

Tetapan ini diperoleh melalui penerapan kondisi awal
Jika rangkaian mengandung C dan L, dua elemen
ini akan cenderung mempertahankan statusnya.
Jadi ada dua kondisi awal yang harus dipenuhi
yaitu




vC (0 )  vC (0 )

dan




iL (0 )  iL (0 )

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Kondisi Awal
Secara umum, kondisi awal adalah:




y (0 )  y (0 )

dan

dy





(0 )  y ' (0 )

dt

Nilai sesaat sebelum dan sesudah
penutupan/pembukaan saklar harus sama, dan
laju perubahan nilainya harus kontinyu
y

y

0

t

Pada rangkaian orde
pertama dy/dt(0+) tidak
perlu kontinyu

0

t

Pada rangkaian orde kedua dy/dt(0+)
harus kontinyu sebab ada d2y/dt2
dalam persamaan rangkaian yang
hanya terdefinisi jika dy/dt(0+) kontinyu

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Tiga Kemungkinan Bentuk Tanggapan
Persamaan karakteristik
as

2

 bs  c  0

dapat mempunyai tiga kemungkinan nilai akar, yaitu:
a). Dua akar riil berbeda, s1  s2, jika {b2 4ac } > 0;
b). Dua akar sama, s1 = s2 = s , jika {b24ac } = 0;

c). Dua akar kompleks konjugat s1,s2 =   j jika {b24ac } < 0.
Tiga kemungkinan akar ini akan memberikan tiga
kemungkinan bentuk tanggapan

Persamaan karakteristik dengan
dua akar riil berbeda,
s1  s2, {b2 4ac } > 0

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
Contoh-1
1H

S 1 2
+


15 V

+
v



iC
0,25 F

i
8,5 k

Saklar S telah lama berada pada posisi 1.
Pada t = 0 saklar dipindahkan ke posisi 2.
Carilah perubahan tegangan kapasitor.



Pada t = 0- : i ( 0 )  0 dan v ( 0 )  12 V

Persamaan Rangkaian pada t > 0 :  v  L

di

 Ri  0

dt

Karena i = -iC = -C dv/dt, maka:  v  LC

2

d v
dt

2

d v



dt

2



2

R dv

 RC

dt

2

0

dt


L dt

 8 ,5  10

v

0

LC

2

d v

dv

3

dv
dt

6

 4  10 v  0

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami

Persamaan karakteristik:

s

2

3

 8 , 5  10 s  4  10

 akar - akar : s1 , s 2   4250  10

3

6

0

2

( 4 , 25 )  4   500 ,  8000

 500 t
 8000 t
 K 2e
Dugaan tanggapan lengkap: v  0  K 1 e

Tak ada fungsi pemaksa

Kondisi awal: v C ( 0  )  15 V dan i L ( 0  )  0
Karena persamaan rangkaian menggunakan v
sebagai peubah maka kondisi awal arus iL(0+)
harus diubah menjadi dalam tegangan v






i L ( 0 )  iC ( 0 )  C

dv C ( 0 )



dv C ( 0 )
dt

0

dt

0

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
Kondisi awal:





v ( 0 )  15 V

dv ( 0 )

0

dt

 500 t
 8000 t
 K 2e
Dugaan tanggapan lengkap: v  0  K 1 e

0   500 K 1  8000 K 2

15  K1  K 2

0   500 K 1  8000 (15  K 1 )

K1 

8000  15

 16

K 2  1

7500

Tanggapan lengkap menjadi: v  16 e  500 t  e  8000 t V
(hanya ada tanggapan alami).

Ini adalah pelepasan muatan kapasitor pada
rangkaian R-L-C seri

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami

Tanggapan

lengkap : v  16 e

 500 t

e

 8000 t

V

16

v
[V] 12

v
8
4
0
0

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

-4

Perhatikan bahwa pada t = 0+ tegangan kapasitor adalah 15 V

Pada waktu kapasitor mulai melepaskan muatannya,
ada perlawanan dari induktor yang menyebabkan
penurunan tegangan pada saat-saat awal agak landai

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
Contoh-2

1H

S
+


19 V

+
v

iC



0,25 F

Saklar S telah lama tertutup.
Pada t = 0 saklar dibuka.
Tentukan perubahan tegangan
kapasitor dan arus induktor.

i
8,5 k

Sebelum saklar dibuka arus hanya melalui induktor. Dioda tidak konduksi.


i L (0 ) 

19
8500

Persamaan Rangkaian pada t > 0 :

i   iC   C



vC (0 )  0 V

 2 mA

dv C
dt

did 2 v
dv
L
 Ri 
0
vvLC
RC
0
dtdt 2
dt
2



d v
dt

2



R dv
L dt

dt

2

 8 ,5  10

0

LC

2

d v

v



3

dv
dt

6

 4  10 v  0

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
Persamaan

karkterist ik : s  8 ,5  10 s  4  10  0
2

3

 akar - akar : s1 , s 2   4250  10

Dugaan ta

nggapan

lengkap

3

6

( 4 , 25 )  4   500 ,  8000
2

: v  0  K 1e

 500 t

 K 2e

 8000 t

Tak ada fungsi pemaksa
Kondisi awal:



i L ( 0 )  2 mA



vC (0 )  0 V

dan

Karena persamaan rangkaian menggunakan v sebagai
peubah maka kondisi awal iL(0+) harus diubah menjadi
dalam v






 i L ( 0 )  iC ( 0 )  C


dv C ( 0 )
dt

 

dv C ( 0 )
dt
2  10
C

3

 2  10

3

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami


dv ( 0 )



Kondisi awal: v ( 0 )  0



dt

Dugaan ta

nggapan

2  10

6

0 , 25  10

: v  0  K 1e

lengkap

3

0  K1  K 2

 500 t

  8  10

 K 2e

3

 8000 t

 8000   500 K 1  8000 K 2

 8000   500 K 1  8000 K 1
K1 

Tegangan kapasitor menjadi

 8000

K 2   K1  1

  1, 06

7500

: v  1, 06 e

 500 t

 1e

 8000 t

V

Ini adalah pengisian kapasitor oleh arus
induktor pada rangkaian R-L-C seri
Arus induktor

: i L   iC   C
  133  10

dv

  0 , 25  10

dt
 3  500 t

e

 2e

6

 530 e

 8000 t

mA

 500 t

 8000 e

 8000 t



Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
Tanggapan lengkap : v  1, 06 e

 500 t

 1e

 8000 t

V

1

v
[V]

0. 5

0
0

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

-0. 5

-1

Perhatikan bahwa pada awalnya tegangan kapasitor naik
karena menerima pelepasan energi dari induktor

Kenaikan tegangan kapasitor mencapai puncak kemudian
menurun karena ia melepaskan muatan yang pada awalnya
diterima.

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
v  16 e

 500 t

e

 8000 t

v  1, 06 e

V

16

 500 t

 1e

 8000 t

V

1

v [V]

Pelepasan energi induktor

v

12

[V]

v

8

0. 5
0
0

4

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

-0. 5

0
0

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

-1

-4

Untuk kedua peristiwa ini yang di-plot terhadap waktu adalah tegangan kapasitor
Seandainya tidak ada induktor, penurunan tegangan kapasitor akan terjadi
dengan konstanta waktu

  RC  8500  0 . 25  10

6

 2125  10

-6

atau 1/ = 470,6. Tetapi karena ada induktor, konstanta waktu menjadi lebih kecil
sehingga 1/ = 500. Inilah yang terlihat pada suku pertama v.
Suku ke-dua v adalah pengaruh induktor, yang jika tidak ada kapasitor nilai 1/
= R/L = 8500. Karena ada kapasitor nilai ini menjadi 8000 pada suku ke-dua v.

Persamaan Karakteristik Memiliki Dua Akar
Riil Sama Besar
s1 = s2, {b2 4ac } = 0

Dua Akar Riil Sama Besar
Dua akar yang sama besar dapat kita tuliskan sebagai
s1  s

dan

s 2  s   ; dengan   0

Tanggapan lengkap akan berbentuk
y  y p  K 1e

s1t

 K 2e

s2t

st

 y p  K 1e

Tanggapan paksa

Kondisi awal pertama

 K 2e

( s   )t

Tanggapan alami

Kondisi awal kedua







y ( 0 )  y p ( 0 )  K 1 s  K 2 ( s   )







y ( 0 )  y p ( 0 )  ( K 1  K 2 ) s  K 2   B 0

y (0 )  y p (0 )  K 1  K 2
y ( 0 )  y p ( 0 )  K 1  K 2  A0

A0 s  K 2   B 0



K2 

B 0  A0 s


dan

K 1  A0 

B 0  A0 s


Dua Akar Riil Sama Besar
Tanggapan lengkap menjadi

 1 e  t   st
 e
y  y p   A0  ( B 0  A0 s )   
 
  


t
 1
 e t  1 
e 

t
lim  
 lim 







 0
 0





y  y p   A0  ( B 0  A0 s ) t  e

y  y p  K a  K b t  e

ditentukan oleh kondisi awal

st

st

ditentukan oleh kondisi awal dan s
s sendiri ditentukan oleh nilai elemenelemen yang membentuk rangkaian dan
tidak ada kaitannya dengan kondisi awal

Dua Akar Riil Sama Besar, Tanggapan Alami
Contoh-3.
1H

S 1 2
+


15 V

+
v



iC
0,25 F

i
4 k

Sakalar telah lama di posisi 1. Pada t
= 0 di pindah ke posisi 2. Tentukan
perubahan tegangan kapasitor.

(Diganti dengan 4 k dari contoh sebelumnya)


Sebelum saklar dipindahkan: v ( 0 )  15 V ; i ( 0 )  0

di

Persamaan rangkaian untuk t > 0:  v  L

 iR  0

dt
2

Karena i =  iC = C dv/dt

LC

d v
dt

2

 RC

dt

Persamaan karakteristik:

2

3

2

 4  10

s  4  10 s  4  10

v0

dt

2

d v

dv

3

dv
dt

6

0

 4  10 v  0
6

Dua Akar Riil Sama Besar, Tanggapan Alami
Persamaan

2

karakteris tik : s  4000 s  4  10
akar - akar : s1 , s 2   2000 

Karena persamaan
maka tanggapan

karakteris tik memiliki

6

0

4  10

6

 4  10

6

  2000  s

akar sama besar

lengkap akan berbentuk :
v  v p  K a  K b t  e

st

 0  K a  K b t  e

st

Tak ada fungsi pemaksa

Kondisi
Kondisi

awal pertama
awal kedua



dv
dt



dv
dt





v ( 0 )  v ( 0 )  v ( 0 )  15  K a .


(0 )  0 

dv
dt

 K be



(0 )  0  K b  K a s 

 Jadi : v  15  30000 t  e

st

 K a  K bt  s e

st

K b   K a s  30000
 2000 t

V

Dua Akar Riil Sama Besar, Tanggapan Alami

v  15  30000 t  e

 2000 t

V

15
10

v  30000 t e

 2000 t

5
0
0
-5
-10
-15

0.001

v  15 e

0.002

 2000 t

0.003

0.004

0.005

0.006

Dua akar kompleks konjugat
{b2 4ac } < 0
s1    j 

dan

s 2    j

Dua Akar Kompleks Konjugat
Akar-Akar Kompleks Konjugat
s1    j 

dan

s 2    j

Tanggapan lengkap akan berbentuk
y  y p  K 1e

(   j ) t

 K 2e

(   j ) t



 y p  K 1e

 j t

K 1 (cos  t  j sin  t )

 K 2e

 j t

e

t

K 2 (cos  t  j sin  t )

( K 1  K 2 ) cos  t  j ( K 1  K 2 ) sin  t

K a cos  t  K b sin  t

y  y p   K a cos  t  K b sin  t  e

t



Kondisi awal pertama: y ( 0 )  y p ( 0 )  K a

Kondisi awal kedua:





K a  y (0 )  y p (0 )



t
y ( 0 )  y p ( 0 )  {(  K b  K a  ) sin  t  ( K b    K a ) cos  t }e

 y p ( 0 )   K a   K b


 K a   K b  y  ( 0 )  y p ( 0 )

Dua Akar Kompleks Konjugat, Tanggapan Alami
Contoh-4.
1H

S 1 2
+


15 V

+
v


iC

0,25 F

i
1 k

Saklar S sudah lama pada posisi 1.
Pada t = 0 dipindah ke poisisi 2.
Carilah perubahan tegangan kapasitor.

(Diganti dengan 1 k dari contoh sebelumnya)

Pada t = 0+ : v ( 0  )  15 V ; i ( 0  )  0

vL

di

 iR  0

dt

Persamaan rangkaian untuk t > 0:
2

Karena i = iC = C dv/dt

d v

LC

dt

2

dt

Persamaan karakteristik:

2

2

3

 1  10

v0

dt

2

d v

dv

 RC

3

s  1  10 s  4  10

dv

 4  10 v  0

dt
6

0

6

Dua Akar Kompleks Konjugat, Tanggapan Alami
Persamaan

karakteris tik : s

2

 1000

dv

6

0

2

 4  10

 4  10

dt
akar - akar : s1 , s 2   500 

500

6

  500  j 500

15

dua akar kompleks konjugat
  j  dengan    500 ;   500

15

Tanggapan lengkap akan berbentuk:
v  0   K a cos  t  K b sin  t  e
Kondisi

awal pertama

Kondisi

awal kedua 



 v ( 0 )  15  K a
dv
dt



(0 )  0   K a   K b
 Kb 

Tanggapan

t



 K a




lengkap : v  15 cos( 500 15 t ) 

500  15
500



15

15



15 sin( 500 15 t ) e

 500 t

V

Dua Akar Kompleks Konjugat, Tanggapan Alami



v  15 cos( 500 15 t ) 



15 sin( 500 15 t ) e

 500 t

V

15

15 cos( 500 15 t

v 10
[V]
5

15 sin( 500 15 t )

t

0
0
-5
-10
-15

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

0.006

Dua Akar Kompleks Konjugat, Tanggapan Alami
Perbandingan tanggapan rangkaian:
Dua akar riil berbeda: sangat teredam, v  16 e  500 t  e  8000 t V
Dua akar riil sama besar : teredam kritis, v  15  30000 t  e  2000 t V

Dua akar kompleks konjugat : kurang teredam,



v  15 cos( 500 15 t ) 



15 sin( 500 15 t ) e

15
10
5
0
0
-5
-10
-15

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

0.006

 500 t

V

Tanggapan Rangkaian Terhadap Sinyal Sinus
Contoh Tanggapan Rangkaian Dengan Masukan Sinyal Sinus

vs =
26cos3t u(t) V

+


i
vs

5

1H
1

F

6

+
v



Rangkaian mendapat masukan
sinyal sinus yang muncul pada t = 0.
Tentukan perubahan tegangan dan
arus kapasitor, apabila kondisi awal
adalahi(0) = 2 A dan v(0) = 6 V

Pada t = 0+ : i(0+) = 2 A dan v(0+) = 6 V

Persamaan rangkaian untuk t > 0 :

 v s  Ri  L
dv

RC



di
dt

2

 LC

d i
2

dt

dt

5 dv

1 d v



2

d v
2

 v  vs

2

6 dt

dt

v0

5

6 dt

dv
dt

2

 v  26 cos 3 t

 6 v  156 cos 3 t

Tanggapan Rangkaian Terhadap Sinyal Sinus
Persamaan

2

karakteris tik : s  5 s  6  0  ( s  2 )( s  3 );
akar - akar : s1 , s 2   2 ,  3

Dugaan ta nggapan

paksa : v p  A c cos 3 t  A s sin 3 t
2

Persamaan rangkaian

d v
dt

2

5

dv

 6 v  156 cos 3 t

dt

   9 A c  15 A s  6 A c  cos 3 t    9 A s  15 A c  6 A s  sin 3 t  156 cos 3 t
  3 A c  15 A s  156
 Ac 

Tanggapan

156  0
 3  75

dan  15 A c  3 A s  0
  2 ; As 

5  156  0
75  3

 10

paksa : v p   2 cos 3 t  10 sin 3 t

Dugaan tan ggapan lengkap

: v   2 cos 3t  10 sin 3t  K 1 e

2t

 K 2e

 3t

masih harus ditentukan melalui
penerapan kondisi awal

Tanggapan Rangkaian Terhadap Sinyal Sinus


1 dv



awal : v ( 0 )  6 dan i ( 0 )  2 

Kondisi



(0 ) 

dv

6 dt
Aplikasi

kondisi

awal pertama

Aplikasi

kondisi

awal kedua :
 K1  6

Tanggapan

 i

1 dv

dt

: 6  2  K1  K 2  K 2  8  K1
12  30  2 K 1  3 K 2
 K2  2

: v   2 cos 3 t  10 sin 3 t  6 e

lengkap



( 0 )  12

 sin 3 t  5 cos 3 t  2 e

2t

e

 3t

2t

 2e

 3t

V

A

6 dt
30

v [V] 20
i [A]
10

Amplitudo tegangan
menurun

vs

Amplitudo arus
meningkat

v

0
-10 0
-20
-30

t [s]
i

2

4

6

8

10

Courseware
Analisis Transien Rangkaian Orde Ke-Dua

Sudaryatno Sudirham


Slide 26

Open Course

Selamat Belajar

oleh: Sudaryatno Sudirham

Tujuan
 mampu menurunkan persamaan rangkaian yang merupakan
rangkaian orde kedua.

 memahami bahwa tanggapan rangkaian terdiri dari tanggapan
paksa dan tanggapan alami yang mungkin berosilasi.
 mampu melakukan analisis transien pada rangkaian orde

kedua.

Bentuk Umum
Persamaan Rangkaian
Orde Ke-dua

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
2

a

d y
dt

2

b

dy

 cy  x ( t )

dt

y = tanggapan rangkaian yang dapat
berupa tegangan ataupun arus

fungsi pemaksa atau
fungsi penggerak.

tetapan a dan b ditentukan oleh nilainilai elemen yang membentuk rangkaian
Persamaan diferensial orde ke-dua muncul karena
rangkaian mengandung kapasitor dan induktor

dengan tegangan sebagai
peubah status

dengan arus
sebagai peubah status

sedangkan peubah dalam persamaan rangkaian
harus salah satu di ataranya, tegangan atau arus

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Tanggapan Alami
Tanggapan alami adalah solusi persamaan rangkaian di
mana x(t) bernilai nol:
2

a

d y
dt

2

b

dy

 cy  0

dt

Dugaan solusi y berbentuk fungsi eksponensial ya = Kest dengan nilai
K dan s yang masih harus ditentukan.
Kalau solusi ini dimasukkan ke persamaan, akan diperoleh
aKs
Ke

st

2

e

st

as

2

 bKse

st



 cKe

st

0

atau

 bs  c  0

Bagian ini yang harus bernilai nol yang
memberikan persamaan karakteristik
as

2

 bs  c  0

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
2

as  bs  c  0

Persamaan karakteristik yang berbentuk persamaan kwadrat itu
mempunyai dua akar yaitu
s1 , s 2 

2

b

b  4 ac
2a

Dengan adanya dua akar tersebut maka kita mempunyai
dua solusi homogen, yaitu
y a1  K 1e

s1 t

dan

ya 2  K 2e

s2t

dan tanggapan alami yang kita cari akan berbentuk
y a  K 1e

s1 t

 K 2e

s2t

Seperti halnya pada rangkaian orde pertama, tetapan-tetapan ini
diperoleh melalui penerapan kondisi awal pada tanggapan lengkap

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Tanggapan Paksa
Tanggapan paksa adalah solusi persamaan rangkaian di
mana x(t) 0:
2

a

d y
dt

2

b

dy

 cy  x ( t )

dt

Bentuk tanggapan paksa ditentukan oleh bentuk x(t)
sebagaimana telah diulas pada rangkaian orde pertama, yaitu
Jika x ( t )  0 , maka

yp  0

Jika x ( t )  A  konstan,
t

maka

Jika

x ( t )  Ae

Jika

x ( t )  A sin  t , maka

Jika

x ( t )  A cos  t , maka

y p  konstan  K

 eksponensi al, maka

y p  eksponensi al  Ke

y p  K c cos  t  K s sin  t
y p  K c cos  t  K s sin  t

Perhatikan : y  K c cos  t  K s sin  t adalah bentuk umum
fungsi sinus maupun

cosinus .

t

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Tanggapan Lengkap
Tanggapan lengkap adalah jumlah tanggapan alami
dan tanggapan paksa
y  y p  y a  y p  K 1e

s1t

 K 2e

s2t

Tetapan ini diperoleh melalui penerapan kondisi awal
Jika rangkaian mengandung C dan L, dua elemen
ini akan cenderung mempertahankan statusnya.
Jadi ada dua kondisi awal yang harus dipenuhi
yaitu




vC (0 )  vC (0 )

dan




iL (0 )  iL (0 )

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Kondisi Awal
Secara umum, kondisi awal adalah:




y (0 )  y (0 )

dan

dy





(0 )  y ' (0 )

dt

Nilai sesaat sebelum dan sesudah
penutupan/pembukaan saklar harus sama, dan
laju perubahan nilainya harus kontinyu
y

y

0

t

Pada rangkaian orde
pertama dy/dt(0+) tidak
perlu kontinyu

0

t

Pada rangkaian orde kedua dy/dt(0+)
harus kontinyu sebab ada d2y/dt2
dalam persamaan rangkaian yang
hanya terdefinisi jika dy/dt(0+) kontinyu

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Tiga Kemungkinan Bentuk Tanggapan
Persamaan karakteristik
as

2

 bs  c  0

dapat mempunyai tiga kemungkinan nilai akar, yaitu:
a). Dua akar riil berbeda, s1  s2, jika {b2 4ac } > 0;
b). Dua akar sama, s1 = s2 = s , jika {b24ac } = 0;

c). Dua akar kompleks konjugat s1,s2 =   j jika {b24ac } < 0.
Tiga kemungkinan akar ini akan memberikan tiga
kemungkinan bentuk tanggapan

Persamaan karakteristik dengan
dua akar riil berbeda,
s1  s2, {b2 4ac } > 0

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
Contoh-1
1H

S 1 2
+


15 V

+
v



iC
0,25 F

i
8,5 k

Saklar S telah lama berada pada posisi 1.
Pada t = 0 saklar dipindahkan ke posisi 2.
Carilah perubahan tegangan kapasitor.



Pada t = 0- : i ( 0 )  0 dan v ( 0 )  12 V

Persamaan Rangkaian pada t > 0 :  v  L

di

 Ri  0

dt

Karena i = -iC = -C dv/dt, maka:  v  LC

2

d v
dt

2

d v



dt

2



2

R dv

 RC

dt

2

0

dt


L dt

 8 ,5  10

v

0

LC

2

d v

dv

3

dv
dt

6

 4  10 v  0

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami

Persamaan karakteristik:

s

2

3

 8 , 5  10 s  4  10

 akar - akar : s1 , s 2   4250  10

3

6

0

2

( 4 , 25 )  4   500 ,  8000

 500 t
 8000 t
 K 2e
Dugaan tanggapan lengkap: v  0  K 1 e

Tak ada fungsi pemaksa

Kondisi awal: v C ( 0  )  15 V dan i L ( 0  )  0
Karena persamaan rangkaian menggunakan v
sebagai peubah maka kondisi awal arus iL(0+)
harus diubah menjadi dalam tegangan v






i L ( 0 )  iC ( 0 )  C

dv C ( 0 )



dv C ( 0 )
dt

0

dt

0

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
Kondisi awal:





v ( 0 )  15 V

dv ( 0 )

0

dt

 500 t
 8000 t
 K 2e
Dugaan tanggapan lengkap: v  0  K 1 e

0   500 K 1  8000 K 2

15  K1  K 2

0   500 K 1  8000 (15  K 1 )

K1 

8000  15

 16

K 2  1

7500

Tanggapan lengkap menjadi: v  16 e  500 t  e  8000 t V
(hanya ada tanggapan alami).

Ini adalah pelepasan muatan kapasitor pada
rangkaian R-L-C seri

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami

Tanggapan

lengkap : v  16 e

 500 t

e

 8000 t

V

16

v
[V] 12

v
8
4
0
0

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

-4

Perhatikan bahwa pada t = 0+ tegangan kapasitor adalah 15 V

Pada waktu kapasitor mulai melepaskan muatannya,
ada perlawanan dari induktor yang menyebabkan
penurunan tegangan pada saat-saat awal agak landai

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
Contoh-2

1H

S
+


19 V

+
v

iC



0,25 F

Saklar S telah lama tertutup.
Pada t = 0 saklar dibuka.
Tentukan perubahan tegangan
kapasitor dan arus induktor.

i
8,5 k

Sebelum saklar dibuka arus hanya melalui induktor. Dioda tidak konduksi.


i L (0 ) 

19
8500

Persamaan Rangkaian pada t > 0 :

i   iC   C



vC (0 )  0 V

 2 mA

dv C
dt

did 2 v
dv
L
 Ri 
0
vvLC
RC
0
dtdt 2
dt
2



d v
dt

2



R dv
L dt

dt

2

 8 ,5  10

0

LC

2

d v

v



3

dv
dt

6

 4  10 v  0

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
Persamaan

karkterist ik : s  8 ,5  10 s  4  10  0
2

3

 akar - akar : s1 , s 2   4250  10

Dugaan ta

nggapan

lengkap

3

6

( 4 , 25 )  4   500 ,  8000
2

: v  0  K 1e

 500 t

 K 2e

 8000 t

Tak ada fungsi pemaksa
Kondisi awal:



i L ( 0 )  2 mA



vC (0 )  0 V

dan

Karena persamaan rangkaian menggunakan v sebagai
peubah maka kondisi awal iL(0+) harus diubah menjadi
dalam v






 i L ( 0 )  iC ( 0 )  C


dv C ( 0 )
dt

 

dv C ( 0 )
dt
2  10
C

3

 2  10

3

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami


dv ( 0 )



Kondisi awal: v ( 0 )  0



dt

Dugaan ta

nggapan

2  10

6

0 , 25  10

: v  0  K 1e

lengkap

3

0  K1  K 2

 500 t

  8  10

 K 2e

3

 8000 t

 8000   500 K 1  8000 K 2

 8000   500 K 1  8000 K 1
K1 

Tegangan kapasitor menjadi

 8000

K 2   K1  1

  1, 06

7500

: v  1, 06 e

 500 t

 1e

 8000 t

V

Ini adalah pengisian kapasitor oleh arus
induktor pada rangkaian R-L-C seri
Arus induktor

: i L   iC   C
  133  10

dv

  0 , 25  10

dt
 3  500 t

e

 2e

6

 530 e

 8000 t

mA

 500 t

 8000 e

 8000 t



Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
Tanggapan lengkap : v  1, 06 e

 500 t

 1e

 8000 t

V

1

v
[V]

0. 5

0
0

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

-0. 5

-1

Perhatikan bahwa pada awalnya tegangan kapasitor naik
karena menerima pelepasan energi dari induktor

Kenaikan tegangan kapasitor mencapai puncak kemudian
menurun karena ia melepaskan muatan yang pada awalnya
diterima.

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
v  16 e

 500 t

e

 8000 t

v  1, 06 e

V

16

 500 t

 1e

 8000 t

V

1

v [V]

Pelepasan energi induktor

v

12

[V]

v

8

0. 5
0
0

4

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

-0. 5

0
0

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

-1

-4

Untuk kedua peristiwa ini yang di-plot terhadap waktu adalah tegangan kapasitor
Seandainya tidak ada induktor, penurunan tegangan kapasitor akan terjadi
dengan konstanta waktu

  RC  8500  0 . 25  10

6

 2125  10

-6

atau 1/ = 470,6. Tetapi karena ada induktor, konstanta waktu menjadi lebih kecil
sehingga 1/ = 500. Inilah yang terlihat pada suku pertama v.
Suku ke-dua v adalah pengaruh induktor, yang jika tidak ada kapasitor nilai 1/
= R/L = 8500. Karena ada kapasitor nilai ini menjadi 8000 pada suku ke-dua v.

Persamaan Karakteristik Memiliki Dua Akar
Riil Sama Besar
s1 = s2, {b2 4ac } = 0

Dua Akar Riil Sama Besar
Dua akar yang sama besar dapat kita tuliskan sebagai
s1  s

dan

s 2  s   ; dengan   0

Tanggapan lengkap akan berbentuk
y  y p  K 1e

s1t

 K 2e

s2t

st

 y p  K 1e

Tanggapan paksa

Kondisi awal pertama

 K 2e

( s   )t

Tanggapan alami

Kondisi awal kedua







y ( 0 )  y p ( 0 )  K 1 s  K 2 ( s   )







y ( 0 )  y p ( 0 )  ( K 1  K 2 ) s  K 2   B 0

y (0 )  y p (0 )  K 1  K 2
y ( 0 )  y p ( 0 )  K 1  K 2  A0

A0 s  K 2   B 0



K2 

B 0  A0 s


dan

K 1  A0 

B 0  A0 s


Dua Akar Riil Sama Besar
Tanggapan lengkap menjadi

 1 e  t   st
 e
y  y p   A0  ( B 0  A0 s )   
 
  


t
 1
 e t  1 
e 

t
lim  
 lim 







 0
 0





y  y p   A0  ( B 0  A0 s ) t  e

y  y p  K a  K b t  e

ditentukan oleh kondisi awal

st

st

ditentukan oleh kondisi awal dan s
s sendiri ditentukan oleh nilai elemenelemen yang membentuk rangkaian dan
tidak ada kaitannya dengan kondisi awal

Dua Akar Riil Sama Besar, Tanggapan Alami
Contoh-3.
1H

S 1 2
+


15 V

+
v



iC
0,25 F

i
4 k

Sakalar telah lama di posisi 1. Pada t
= 0 di pindah ke posisi 2. Tentukan
perubahan tegangan kapasitor.

(Diganti dengan 4 k dari contoh sebelumnya)


Sebelum saklar dipindahkan: v ( 0 )  15 V ; i ( 0 )  0

di

Persamaan rangkaian untuk t > 0:  v  L

 iR  0

dt
2

Karena i =  iC = C dv/dt

LC

d v
dt

2

 RC

dt

Persamaan karakteristik:

2

3

2

 4  10

s  4  10 s  4  10

v0

dt

2

d v

dv

3

dv
dt

6

0

 4  10 v  0
6

Dua Akar Riil Sama Besar, Tanggapan Alami
Persamaan

2

karakteris tik : s  4000 s  4  10
akar - akar : s1 , s 2   2000 

Karena persamaan
maka tanggapan

karakteris tik memiliki

6

0

4  10

6

 4  10

6

  2000  s

akar sama besar

lengkap akan berbentuk :
v  v p  K a  K b t  e

st

 0  K a  K b t  e

st

Tak ada fungsi pemaksa

Kondisi
Kondisi

awal pertama
awal kedua



dv
dt



dv
dt





v ( 0 )  v ( 0 )  v ( 0 )  15  K a .


(0 )  0 

dv
dt

 K be



(0 )  0  K b  K a s 

 Jadi : v  15  30000 t  e

st

 K a  K bt  s e

st

K b   K a s  30000
 2000 t

V

Dua Akar Riil Sama Besar, Tanggapan Alami

v  15  30000 t  e

 2000 t

V

15
10

v  30000 t e

 2000 t

5
0
0
-5
-10
-15

0.001

v  15 e

0.002

 2000 t

0.003

0.004

0.005

0.006

Dua akar kompleks konjugat
{b2 4ac } < 0
s1    j 

dan

s 2    j

Dua Akar Kompleks Konjugat
Akar-Akar Kompleks Konjugat
s1    j 

dan

s 2    j

Tanggapan lengkap akan berbentuk
y  y p  K 1e

(   j ) t

 K 2e

(   j ) t



 y p  K 1e

 j t

K 1 (cos  t  j sin  t )

 K 2e

 j t

e

t

K 2 (cos  t  j sin  t )

( K 1  K 2 ) cos  t  j ( K 1  K 2 ) sin  t

K a cos  t  K b sin  t

y  y p   K a cos  t  K b sin  t  e

t



Kondisi awal pertama: y ( 0 )  y p ( 0 )  K a

Kondisi awal kedua:





K a  y (0 )  y p (0 )



t
y ( 0 )  y p ( 0 )  {(  K b  K a  ) sin  t  ( K b    K a ) cos  t }e

 y p ( 0 )   K a   K b


 K a   K b  y  ( 0 )  y p ( 0 )

Dua Akar Kompleks Konjugat, Tanggapan Alami
Contoh-4.
1H

S 1 2
+


15 V

+
v


iC

0,25 F

i
1 k

Saklar S sudah lama pada posisi 1.
Pada t = 0 dipindah ke poisisi 2.
Carilah perubahan tegangan kapasitor.

(Diganti dengan 1 k dari contoh sebelumnya)

Pada t = 0+ : v ( 0  )  15 V ; i ( 0  )  0

vL

di

 iR  0

dt

Persamaan rangkaian untuk t > 0:
2

Karena i = iC = C dv/dt

d v

LC

dt

2

dt

Persamaan karakteristik:

2

2

3

 1  10

v0

dt

2

d v

dv

 RC

3

s  1  10 s  4  10

dv

 4  10 v  0

dt
6

0

6

Dua Akar Kompleks Konjugat, Tanggapan Alami
Persamaan

karakteris tik : s

2

 1000

dv

6

0

2

 4  10

 4  10

dt
akar - akar : s1 , s 2   500 

500

6

  500  j 500

15

dua akar kompleks konjugat
  j  dengan    500 ;   500

15

Tanggapan lengkap akan berbentuk:
v  0   K a cos  t  K b sin  t  e
Kondisi

awal pertama

Kondisi

awal kedua 



 v ( 0 )  15  K a
dv
dt



(0 )  0   K a   K b
 Kb 

Tanggapan

t



 K a




lengkap : v  15 cos( 500 15 t ) 

500  15
500



15

15



15 sin( 500 15 t ) e

 500 t

V

Dua Akar Kompleks Konjugat, Tanggapan Alami



v  15 cos( 500 15 t ) 



15 sin( 500 15 t ) e

 500 t

V

15

15 cos( 500 15 t

v 10
[V]
5

15 sin( 500 15 t )

t

0
0
-5
-10
-15

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

0.006

Dua Akar Kompleks Konjugat, Tanggapan Alami
Perbandingan tanggapan rangkaian:
Dua akar riil berbeda: sangat teredam, v  16 e  500 t  e  8000 t V
Dua akar riil sama besar : teredam kritis, v  15  30000 t  e  2000 t V

Dua akar kompleks konjugat : kurang teredam,



v  15 cos( 500 15 t ) 



15 sin( 500 15 t ) e

15
10
5
0
0
-5
-10
-15

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

0.006

 500 t

V

Tanggapan Rangkaian Terhadap Sinyal Sinus
Contoh Tanggapan Rangkaian Dengan Masukan Sinyal Sinus

vs =
26cos3t u(t) V

+


i
vs

5

1H
1

F

6

+
v



Rangkaian mendapat masukan
sinyal sinus yang muncul pada t = 0.
Tentukan perubahan tegangan dan
arus kapasitor, apabila kondisi awal
adalahi(0) = 2 A dan v(0) = 6 V

Pada t = 0+ : i(0+) = 2 A dan v(0+) = 6 V

Persamaan rangkaian untuk t > 0 :

 v s  Ri  L
dv

RC



di
dt

2

 LC

d i
2

dt

dt

5 dv

1 d v



2

d v
2

 v  vs

2

6 dt

dt

v0

5

6 dt

dv
dt

2

 v  26 cos 3 t

 6 v  156 cos 3 t

Tanggapan Rangkaian Terhadap Sinyal Sinus
Persamaan

2

karakteris tik : s  5 s  6  0  ( s  2 )( s  3 );
akar - akar : s1 , s 2   2 ,  3

Dugaan ta nggapan

paksa : v p  A c cos 3 t  A s sin 3 t
2

Persamaan rangkaian

d v
dt

2

5

dv

 6 v  156 cos 3 t

dt

   9 A c  15 A s  6 A c  cos 3 t    9 A s  15 A c  6 A s  sin 3 t  156 cos 3 t
  3 A c  15 A s  156
 Ac 

Tanggapan

156  0
 3  75

dan  15 A c  3 A s  0
  2 ; As 

5  156  0
75  3

 10

paksa : v p   2 cos 3 t  10 sin 3 t

Dugaan tan ggapan lengkap

: v   2 cos 3t  10 sin 3t  K 1 e

2t

 K 2e

 3t

masih harus ditentukan melalui
penerapan kondisi awal

Tanggapan Rangkaian Terhadap Sinyal Sinus


1 dv



awal : v ( 0 )  6 dan i ( 0 )  2 

Kondisi



(0 ) 

dv

6 dt
Aplikasi

kondisi

awal pertama

Aplikasi

kondisi

awal kedua :
 K1  6

Tanggapan

 i

1 dv

dt

: 6  2  K1  K 2  K 2  8  K1
12  30  2 K 1  3 K 2
 K2  2

: v   2 cos 3 t  10 sin 3 t  6 e

lengkap



( 0 )  12

 sin 3 t  5 cos 3 t  2 e

2t

e

 3t

2t

 2e

 3t

V

A

6 dt
30

v [V] 20
i [A]
10

Amplitudo tegangan
menurun

vs

Amplitudo arus
meningkat

v

0
-10 0
-20
-30

t [s]
i

2

4

6

8

10

Courseware
Analisis Transien Rangkaian Orde Ke-Dua

Sudaryatno Sudirham


Slide 27

Open Course

Selamat Belajar

oleh: Sudaryatno Sudirham

Tujuan
 mampu menurunkan persamaan rangkaian yang merupakan
rangkaian orde kedua.

 memahami bahwa tanggapan rangkaian terdiri dari tanggapan
paksa dan tanggapan alami yang mungkin berosilasi.
 mampu melakukan analisis transien pada rangkaian orde

kedua.

Bentuk Umum
Persamaan Rangkaian
Orde Ke-dua

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
2

a

d y
dt

2

b

dy

 cy  x ( t )

dt

y = tanggapan rangkaian yang dapat
berupa tegangan ataupun arus

fungsi pemaksa atau
fungsi penggerak.

tetapan a dan b ditentukan oleh nilainilai elemen yang membentuk rangkaian
Persamaan diferensial orde ke-dua muncul karena
rangkaian mengandung kapasitor dan induktor

dengan tegangan sebagai
peubah status

dengan arus
sebagai peubah status

sedangkan peubah dalam persamaan rangkaian
harus salah satu di ataranya, tegangan atau arus

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Tanggapan Alami
Tanggapan alami adalah solusi persamaan rangkaian di
mana x(t) bernilai nol:
2

a

d y
dt

2

b

dy

 cy  0

dt

Dugaan solusi y berbentuk fungsi eksponensial ya = Kest dengan nilai
K dan s yang masih harus ditentukan.
Kalau solusi ini dimasukkan ke persamaan, akan diperoleh
aKs
Ke

st

2

e

st

as

2

 bKse

st



 cKe

st

0

atau

 bs  c  0

Bagian ini yang harus bernilai nol yang
memberikan persamaan karakteristik
as

2

 bs  c  0

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
2

as  bs  c  0

Persamaan karakteristik yang berbentuk persamaan kwadrat itu
mempunyai dua akar yaitu
s1 , s 2 

2

b

b  4 ac
2a

Dengan adanya dua akar tersebut maka kita mempunyai
dua solusi homogen, yaitu
y a1  K 1e

s1 t

dan

ya 2  K 2e

s2t

dan tanggapan alami yang kita cari akan berbentuk
y a  K 1e

s1 t

 K 2e

s2t

Seperti halnya pada rangkaian orde pertama, tetapan-tetapan ini
diperoleh melalui penerapan kondisi awal pada tanggapan lengkap

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Tanggapan Paksa
Tanggapan paksa adalah solusi persamaan rangkaian di
mana x(t) 0:
2

a

d y
dt

2

b

dy

 cy  x ( t )

dt

Bentuk tanggapan paksa ditentukan oleh bentuk x(t)
sebagaimana telah diulas pada rangkaian orde pertama, yaitu
Jika x ( t )  0 , maka

yp  0

Jika x ( t )  A  konstan,
t

maka

Jika

x ( t )  Ae

Jika

x ( t )  A sin  t , maka

Jika

x ( t )  A cos  t , maka

y p  konstan  K

 eksponensi al, maka

y p  eksponensi al  Ke

y p  K c cos  t  K s sin  t
y p  K c cos  t  K s sin  t

Perhatikan : y  K c cos  t  K s sin  t adalah bentuk umum
fungsi sinus maupun

cosinus .

t

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Tanggapan Lengkap
Tanggapan lengkap adalah jumlah tanggapan alami
dan tanggapan paksa
y  y p  y a  y p  K 1e

s1t

 K 2e

s2t

Tetapan ini diperoleh melalui penerapan kondisi awal
Jika rangkaian mengandung C dan L, dua elemen
ini akan cenderung mempertahankan statusnya.
Jadi ada dua kondisi awal yang harus dipenuhi
yaitu




vC (0 )  vC (0 )

dan




iL (0 )  iL (0 )

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Kondisi Awal
Secara umum, kondisi awal adalah:




y (0 )  y (0 )

dan

dy





(0 )  y ' (0 )

dt

Nilai sesaat sebelum dan sesudah
penutupan/pembukaan saklar harus sama, dan
laju perubahan nilainya harus kontinyu
y

y

0

t

Pada rangkaian orde
pertama dy/dt(0+) tidak
perlu kontinyu

0

t

Pada rangkaian orde kedua dy/dt(0+)
harus kontinyu sebab ada d2y/dt2
dalam persamaan rangkaian yang
hanya terdefinisi jika dy/dt(0+) kontinyu

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Tiga Kemungkinan Bentuk Tanggapan
Persamaan karakteristik
as

2

 bs  c  0

dapat mempunyai tiga kemungkinan nilai akar, yaitu:
a). Dua akar riil berbeda, s1  s2, jika {b2 4ac } > 0;
b). Dua akar sama, s1 = s2 = s , jika {b24ac } = 0;

c). Dua akar kompleks konjugat s1,s2 =   j jika {b24ac } < 0.
Tiga kemungkinan akar ini akan memberikan tiga
kemungkinan bentuk tanggapan

Persamaan karakteristik dengan
dua akar riil berbeda,
s1  s2, {b2 4ac } > 0

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
Contoh-1
1H

S 1 2
+


15 V

+
v



iC
0,25 F

i
8,5 k

Saklar S telah lama berada pada posisi 1.
Pada t = 0 saklar dipindahkan ke posisi 2.
Carilah perubahan tegangan kapasitor.



Pada t = 0- : i ( 0 )  0 dan v ( 0 )  12 V

Persamaan Rangkaian pada t > 0 :  v  L

di

 Ri  0

dt

Karena i = -iC = -C dv/dt, maka:  v  LC

2

d v
dt

2

d v



dt

2



2

R dv

 RC

dt

2

0

dt


L dt

 8 ,5  10

v

0

LC

2

d v

dv

3

dv
dt

6

 4  10 v  0

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami

Persamaan karakteristik:

s

2

3

 8 , 5  10 s  4  10

 akar - akar : s1 , s 2   4250  10

3

6

0

2

( 4 , 25 )  4   500 ,  8000

 500 t
 8000 t
 K 2e
Dugaan tanggapan lengkap: v  0  K 1 e

Tak ada fungsi pemaksa

Kondisi awal: v C ( 0  )  15 V dan i L ( 0  )  0
Karena persamaan rangkaian menggunakan v
sebagai peubah maka kondisi awal arus iL(0+)
harus diubah menjadi dalam tegangan v






i L ( 0 )  iC ( 0 )  C

dv C ( 0 )



dv C ( 0 )
dt

0

dt

0

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
Kondisi awal:





v ( 0 )  15 V

dv ( 0 )

0

dt

 500 t
 8000 t
 K 2e
Dugaan tanggapan lengkap: v  0  K 1 e

0   500 K 1  8000 K 2

15  K1  K 2

0   500 K 1  8000 (15  K 1 )

K1 

8000  15

 16

K 2  1

7500

Tanggapan lengkap menjadi: v  16 e  500 t  e  8000 t V
(hanya ada tanggapan alami).

Ini adalah pelepasan muatan kapasitor pada
rangkaian R-L-C seri

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami

Tanggapan

lengkap : v  16 e

 500 t

e

 8000 t

V

16

v
[V] 12

v
8
4
0
0

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

-4

Perhatikan bahwa pada t = 0+ tegangan kapasitor adalah 15 V

Pada waktu kapasitor mulai melepaskan muatannya,
ada perlawanan dari induktor yang menyebabkan
penurunan tegangan pada saat-saat awal agak landai

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
Contoh-2

1H

S
+


19 V

+
v

iC



0,25 F

Saklar S telah lama tertutup.
Pada t = 0 saklar dibuka.
Tentukan perubahan tegangan
kapasitor dan arus induktor.

i
8,5 k

Sebelum saklar dibuka arus hanya melalui induktor. Dioda tidak konduksi.


i L (0 ) 

19
8500

Persamaan Rangkaian pada t > 0 :

i   iC   C



vC (0 )  0 V

 2 mA

dv C
dt

did 2 v
dv
L
 Ri 
0
vvLC
RC
0
dtdt 2
dt
2



d v
dt

2



R dv
L dt

dt

2

 8 ,5  10

0

LC

2

d v

v



3

dv
dt

6

 4  10 v  0

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
Persamaan

karkterist ik : s  8 ,5  10 s  4  10  0
2

3

 akar - akar : s1 , s 2   4250  10

Dugaan ta

nggapan

lengkap

3

6

( 4 , 25 )  4   500 ,  8000
2

: v  0  K 1e

 500 t

 K 2e

 8000 t

Tak ada fungsi pemaksa
Kondisi awal:



i L ( 0 )  2 mA



vC (0 )  0 V

dan

Karena persamaan rangkaian menggunakan v sebagai
peubah maka kondisi awal iL(0+) harus diubah menjadi
dalam v






 i L ( 0 )  iC ( 0 )  C


dv C ( 0 )
dt

 

dv C ( 0 )
dt
2  10
C

3

 2  10

3

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami


dv ( 0 )



Kondisi awal: v ( 0 )  0



dt

Dugaan ta

nggapan

2  10

6

0 , 25  10

: v  0  K 1e

lengkap

3

0  K1  K 2

 500 t

  8  10

 K 2e

3

 8000 t

 8000   500 K 1  8000 K 2

 8000   500 K 1  8000 K 1
K1 

Tegangan kapasitor menjadi

 8000

K 2   K1  1

  1, 06

7500

: v  1, 06 e

 500 t

 1e

 8000 t

V

Ini adalah pengisian kapasitor oleh arus
induktor pada rangkaian R-L-C seri
Arus induktor

: i L   iC   C
  133  10

dv

  0 , 25  10

dt
 3  500 t

e

 2e

6

 530 e

 8000 t

mA

 500 t

 8000 e

 8000 t



Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
Tanggapan lengkap : v  1, 06 e

 500 t

 1e

 8000 t

V

1

v
[V]

0. 5

0
0

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

-0. 5

-1

Perhatikan bahwa pada awalnya tegangan kapasitor naik
karena menerima pelepasan energi dari induktor

Kenaikan tegangan kapasitor mencapai puncak kemudian
menurun karena ia melepaskan muatan yang pada awalnya
diterima.

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
v  16 e

 500 t

e

 8000 t

v  1, 06 e

V

16

 500 t

 1e

 8000 t

V

1

v [V]

Pelepasan energi induktor

v

12

[V]

v

8

0. 5
0
0

4

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

-0. 5

0
0

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

-1

-4

Untuk kedua peristiwa ini yang di-plot terhadap waktu adalah tegangan kapasitor
Seandainya tidak ada induktor, penurunan tegangan kapasitor akan terjadi
dengan konstanta waktu

  RC  8500  0 . 25  10

6

 2125  10

-6

atau 1/ = 470,6. Tetapi karena ada induktor, konstanta waktu menjadi lebih kecil
sehingga 1/ = 500. Inilah yang terlihat pada suku pertama v.
Suku ke-dua v adalah pengaruh induktor, yang jika tidak ada kapasitor nilai 1/
= R/L = 8500. Karena ada kapasitor nilai ini menjadi 8000 pada suku ke-dua v.

Persamaan Karakteristik Memiliki Dua Akar
Riil Sama Besar
s1 = s2, {b2 4ac } = 0

Dua Akar Riil Sama Besar
Dua akar yang sama besar dapat kita tuliskan sebagai
s1  s

dan

s 2  s   ; dengan   0

Tanggapan lengkap akan berbentuk
y  y p  K 1e

s1t

 K 2e

s2t

st

 y p  K 1e

Tanggapan paksa

Kondisi awal pertama

 K 2e

( s   )t

Tanggapan alami

Kondisi awal kedua







y ( 0 )  y p ( 0 )  K 1 s  K 2 ( s   )







y ( 0 )  y p ( 0 )  ( K 1  K 2 ) s  K 2   B 0

y (0 )  y p (0 )  K 1  K 2
y ( 0 )  y p ( 0 )  K 1  K 2  A0

A0 s  K 2   B 0



K2 

B 0  A0 s


dan

K 1  A0 

B 0  A0 s


Dua Akar Riil Sama Besar
Tanggapan lengkap menjadi

 1 e  t   st
 e
y  y p   A0  ( B 0  A0 s )   
 
  


t
 1
 e t  1 
e 

t
lim  
 lim 







 0
 0





y  y p   A0  ( B 0  A0 s ) t  e

y  y p  K a  K b t  e

ditentukan oleh kondisi awal

st

st

ditentukan oleh kondisi awal dan s
s sendiri ditentukan oleh nilai elemenelemen yang membentuk rangkaian dan
tidak ada kaitannya dengan kondisi awal

Dua Akar Riil Sama Besar, Tanggapan Alami
Contoh-3.
1H

S 1 2
+


15 V

+
v



iC
0,25 F

i
4 k

Sakalar telah lama di posisi 1. Pada t
= 0 di pindah ke posisi 2. Tentukan
perubahan tegangan kapasitor.

(Diganti dengan 4 k dari contoh sebelumnya)


Sebelum saklar dipindahkan: v ( 0 )  15 V ; i ( 0 )  0

di

Persamaan rangkaian untuk t > 0:  v  L

 iR  0

dt
2

Karena i =  iC = C dv/dt

LC

d v
dt

2

 RC

dt

Persamaan karakteristik:

2

3

2

 4  10

s  4  10 s  4  10

v0

dt

2

d v

dv

3

dv
dt

6

0

 4  10 v  0
6

Dua Akar Riil Sama Besar, Tanggapan Alami
Persamaan

2

karakteris tik : s  4000 s  4  10
akar - akar : s1 , s 2   2000 

Karena persamaan
maka tanggapan

karakteris tik memiliki

6

0

4  10

6

 4  10

6

  2000  s

akar sama besar

lengkap akan berbentuk :
v  v p  K a  K b t  e

st

 0  K a  K b t  e

st

Tak ada fungsi pemaksa

Kondisi
Kondisi

awal pertama
awal kedua



dv
dt



dv
dt





v ( 0 )  v ( 0 )  v ( 0 )  15  K a .


(0 )  0 

dv
dt

 K be



(0 )  0  K b  K a s 

 Jadi : v  15  30000 t  e

st

 K a  K bt  s e

st

K b   K a s  30000
 2000 t

V

Dua Akar Riil Sama Besar, Tanggapan Alami

v  15  30000 t  e

 2000 t

V

15
10

v  30000 t e

 2000 t

5
0
0
-5
-10
-15

0.001

v  15 e

0.002

 2000 t

0.003

0.004

0.005

0.006

Dua akar kompleks konjugat
{b2 4ac } < 0
s1    j 

dan

s 2    j

Dua Akar Kompleks Konjugat
Akar-Akar Kompleks Konjugat
s1    j 

dan

s 2    j

Tanggapan lengkap akan berbentuk
y  y p  K 1e

(   j ) t

 K 2e

(   j ) t



 y p  K 1e

 j t

K 1 (cos  t  j sin  t )

 K 2e

 j t

e

t

K 2 (cos  t  j sin  t )

( K 1  K 2 ) cos  t  j ( K 1  K 2 ) sin  t

K a cos  t  K b sin  t

y  y p   K a cos  t  K b sin  t  e

t



Kondisi awal pertama: y ( 0 )  y p ( 0 )  K a

Kondisi awal kedua:





K a  y (0 )  y p (0 )



t
y ( 0 )  y p ( 0 )  {(  K b  K a  ) sin  t  ( K b    K a ) cos  t }e

 y p ( 0 )   K a   K b


 K a   K b  y  ( 0 )  y p ( 0 )

Dua Akar Kompleks Konjugat, Tanggapan Alami
Contoh-4.
1H

S 1 2
+


15 V

+
v


iC

0,25 F

i
1 k

Saklar S sudah lama pada posisi 1.
Pada t = 0 dipindah ke poisisi 2.
Carilah perubahan tegangan kapasitor.

(Diganti dengan 1 k dari contoh sebelumnya)

Pada t = 0+ : v ( 0  )  15 V ; i ( 0  )  0

vL

di

 iR  0

dt

Persamaan rangkaian untuk t > 0:
2

Karena i = iC = C dv/dt

d v

LC

dt

2

dt

Persamaan karakteristik:

2

2

3

 1  10

v0

dt

2

d v

dv

 RC

3

s  1  10 s  4  10

dv

 4  10 v  0

dt
6

0

6

Dua Akar Kompleks Konjugat, Tanggapan Alami
Persamaan

karakteris tik : s

2

 1000

dv

6

0

2

 4  10

 4  10

dt
akar - akar : s1 , s 2   500 

500

6

  500  j 500

15

dua akar kompleks konjugat
  j  dengan    500 ;   500

15

Tanggapan lengkap akan berbentuk:
v  0   K a cos  t  K b sin  t  e
Kondisi

awal pertama

Kondisi

awal kedua 



 v ( 0 )  15  K a
dv
dt



(0 )  0   K a   K b
 Kb 

Tanggapan

t



 K a




lengkap : v  15 cos( 500 15 t ) 

500  15
500



15

15



15 sin( 500 15 t ) e

 500 t

V

Dua Akar Kompleks Konjugat, Tanggapan Alami



v  15 cos( 500 15 t ) 



15 sin( 500 15 t ) e

 500 t

V

15

15 cos( 500 15 t

v 10
[V]
5

15 sin( 500 15 t )

t

0
0
-5
-10
-15

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

0.006

Dua Akar Kompleks Konjugat, Tanggapan Alami
Perbandingan tanggapan rangkaian:
Dua akar riil berbeda: sangat teredam, v  16 e  500 t  e  8000 t V
Dua akar riil sama besar : teredam kritis, v  15  30000 t  e  2000 t V

Dua akar kompleks konjugat : kurang teredam,



v  15 cos( 500 15 t ) 



15 sin( 500 15 t ) e

15
10
5
0
0
-5
-10
-15

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

0.006

 500 t

V

Tanggapan Rangkaian Terhadap Sinyal Sinus
Contoh Tanggapan Rangkaian Dengan Masukan Sinyal Sinus

vs =
26cos3t u(t) V

+


i
vs

5

1H
1

F

6

+
v



Rangkaian mendapat masukan
sinyal sinus yang muncul pada t = 0.
Tentukan perubahan tegangan dan
arus kapasitor, apabila kondisi awal
adalahi(0) = 2 A dan v(0) = 6 V

Pada t = 0+ : i(0+) = 2 A dan v(0+) = 6 V

Persamaan rangkaian untuk t > 0 :

 v s  Ri  L
dv

RC



di
dt

2

 LC

d i
2

dt

dt

5 dv

1 d v



2

d v
2

 v  vs

2

6 dt

dt

v0

5

6 dt

dv
dt

2

 v  26 cos 3 t

 6 v  156 cos 3 t

Tanggapan Rangkaian Terhadap Sinyal Sinus
Persamaan

2

karakteris tik : s  5 s  6  0  ( s  2 )( s  3 );
akar - akar : s1 , s 2   2 ,  3

Dugaan ta nggapan

paksa : v p  A c cos 3 t  A s sin 3 t
2

Persamaan rangkaian

d v
dt

2

5

dv

 6 v  156 cos 3 t

dt

   9 A c  15 A s  6 A c  cos 3 t    9 A s  15 A c  6 A s  sin 3 t  156 cos 3 t
  3 A c  15 A s  156
 Ac 

Tanggapan

156  0
 3  75

dan  15 A c  3 A s  0
  2 ; As 

5  156  0
75  3

 10

paksa : v p   2 cos 3 t  10 sin 3 t

Dugaan tan ggapan lengkap

: v   2 cos 3t  10 sin 3t  K 1 e

2t

 K 2e

 3t

masih harus ditentukan melalui
penerapan kondisi awal

Tanggapan Rangkaian Terhadap Sinyal Sinus


1 dv



awal : v ( 0 )  6 dan i ( 0 )  2 

Kondisi



(0 ) 

dv

6 dt
Aplikasi

kondisi

awal pertama

Aplikasi

kondisi

awal kedua :
 K1  6

Tanggapan

 i

1 dv

dt

: 6  2  K1  K 2  K 2  8  K1
12  30  2 K 1  3 K 2
 K2  2

: v   2 cos 3 t  10 sin 3 t  6 e

lengkap



( 0 )  12

 sin 3 t  5 cos 3 t  2 e

2t

e

 3t

2t

 2e

 3t

V

A

6 dt
30

v [V] 20
i [A]
10

Amplitudo tegangan
menurun

vs

Amplitudo arus
meningkat

v

0
-10 0
-20
-30

t [s]
i

2

4

6

8

10

Courseware
Analisis Transien Rangkaian Orde Ke-Dua

Sudaryatno Sudirham


Slide 28

Open Course

Selamat Belajar

oleh: Sudaryatno Sudirham

Tujuan
 mampu menurunkan persamaan rangkaian yang merupakan
rangkaian orde kedua.

 memahami bahwa tanggapan rangkaian terdiri dari tanggapan
paksa dan tanggapan alami yang mungkin berosilasi.
 mampu melakukan analisis transien pada rangkaian orde

kedua.

Bentuk Umum
Persamaan Rangkaian
Orde Ke-dua

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
2

a

d y
dt

2

b

dy

 cy  x ( t )

dt

y = tanggapan rangkaian yang dapat
berupa tegangan ataupun arus

fungsi pemaksa atau
fungsi penggerak.

tetapan a dan b ditentukan oleh nilainilai elemen yang membentuk rangkaian
Persamaan diferensial orde ke-dua muncul karena
rangkaian mengandung kapasitor dan induktor

dengan tegangan sebagai
peubah status

dengan arus
sebagai peubah status

sedangkan peubah dalam persamaan rangkaian
harus salah satu di ataranya, tegangan atau arus

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Tanggapan Alami
Tanggapan alami adalah solusi persamaan rangkaian di
mana x(t) bernilai nol:
2

a

d y
dt

2

b

dy

 cy  0

dt

Dugaan solusi y berbentuk fungsi eksponensial ya = Kest dengan nilai
K dan s yang masih harus ditentukan.
Kalau solusi ini dimasukkan ke persamaan, akan diperoleh
aKs
Ke

st

2

e

st

as

2

 bKse

st



 cKe

st

0

atau

 bs  c  0

Bagian ini yang harus bernilai nol yang
memberikan persamaan karakteristik
as

2

 bs  c  0

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
2

as  bs  c  0

Persamaan karakteristik yang berbentuk persamaan kwadrat itu
mempunyai dua akar yaitu
s1 , s 2 

2

b

b  4 ac
2a

Dengan adanya dua akar tersebut maka kita mempunyai
dua solusi homogen, yaitu
y a1  K 1e

s1 t

dan

ya 2  K 2e

s2t

dan tanggapan alami yang kita cari akan berbentuk
y a  K 1e

s1 t

 K 2e

s2t

Seperti halnya pada rangkaian orde pertama, tetapan-tetapan ini
diperoleh melalui penerapan kondisi awal pada tanggapan lengkap

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Tanggapan Paksa
Tanggapan paksa adalah solusi persamaan rangkaian di
mana x(t) 0:
2

a

d y
dt

2

b

dy

 cy  x ( t )

dt

Bentuk tanggapan paksa ditentukan oleh bentuk x(t)
sebagaimana telah diulas pada rangkaian orde pertama, yaitu
Jika x ( t )  0 , maka

yp  0

Jika x ( t )  A  konstan,
t

maka

Jika

x ( t )  Ae

Jika

x ( t )  A sin  t , maka

Jika

x ( t )  A cos  t , maka

y p  konstan  K

 eksponensi al, maka

y p  eksponensi al  Ke

y p  K c cos  t  K s sin  t
y p  K c cos  t  K s sin  t

Perhatikan : y  K c cos  t  K s sin  t adalah bentuk umum
fungsi sinus maupun

cosinus .

t

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Tanggapan Lengkap
Tanggapan lengkap adalah jumlah tanggapan alami
dan tanggapan paksa
y  y p  y a  y p  K 1e

s1t

 K 2e

s2t

Tetapan ini diperoleh melalui penerapan kondisi awal
Jika rangkaian mengandung C dan L, dua elemen
ini akan cenderung mempertahankan statusnya.
Jadi ada dua kondisi awal yang harus dipenuhi
yaitu




vC (0 )  vC (0 )

dan




iL (0 )  iL (0 )

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Kondisi Awal
Secara umum, kondisi awal adalah:




y (0 )  y (0 )

dan

dy





(0 )  y ' (0 )

dt

Nilai sesaat sebelum dan sesudah
penutupan/pembukaan saklar harus sama, dan
laju perubahan nilainya harus kontinyu
y

y

0

t

Pada rangkaian orde
pertama dy/dt(0+) tidak
perlu kontinyu

0

t

Pada rangkaian orde kedua dy/dt(0+)
harus kontinyu sebab ada d2y/dt2
dalam persamaan rangkaian yang
hanya terdefinisi jika dy/dt(0+) kontinyu

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Tiga Kemungkinan Bentuk Tanggapan
Persamaan karakteristik
as

2

 bs  c  0

dapat mempunyai tiga kemungkinan nilai akar, yaitu:
a). Dua akar riil berbeda, s1  s2, jika {b2 4ac } > 0;
b). Dua akar sama, s1 = s2 = s , jika {b24ac } = 0;

c). Dua akar kompleks konjugat s1,s2 =   j jika {b24ac } < 0.
Tiga kemungkinan akar ini akan memberikan tiga
kemungkinan bentuk tanggapan

Persamaan karakteristik dengan
dua akar riil berbeda,
s1  s2, {b2 4ac } > 0

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
Contoh-1
1H

S 1 2
+


15 V

+
v



iC
0,25 F

i
8,5 k

Saklar S telah lama berada pada posisi 1.
Pada t = 0 saklar dipindahkan ke posisi 2.
Carilah perubahan tegangan kapasitor.



Pada t = 0- : i ( 0 )  0 dan v ( 0 )  12 V

Persamaan Rangkaian pada t > 0 :  v  L

di

 Ri  0

dt

Karena i = -iC = -C dv/dt, maka:  v  LC

2

d v
dt

2

d v



dt

2



2

R dv

 RC

dt

2

0

dt


L dt

 8 ,5  10

v

0

LC

2

d v

dv

3

dv
dt

6

 4  10 v  0

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami

Persamaan karakteristik:

s

2

3

 8 , 5  10 s  4  10

 akar - akar : s1 , s 2   4250  10

3

6

0

2

( 4 , 25 )  4   500 ,  8000

 500 t
 8000 t
 K 2e
Dugaan tanggapan lengkap: v  0  K 1 e

Tak ada fungsi pemaksa

Kondisi awal: v C ( 0  )  15 V dan i L ( 0  )  0
Karena persamaan rangkaian menggunakan v
sebagai peubah maka kondisi awal arus iL(0+)
harus diubah menjadi dalam tegangan v






i L ( 0 )  iC ( 0 )  C

dv C ( 0 )



dv C ( 0 )
dt

0

dt

0

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
Kondisi awal:





v ( 0 )  15 V

dv ( 0 )

0

dt

 500 t
 8000 t
 K 2e
Dugaan tanggapan lengkap: v  0  K 1 e

0   500 K 1  8000 K 2

15  K1  K 2

0   500 K 1  8000 (15  K 1 )

K1 

8000  15

 16

K 2  1

7500

Tanggapan lengkap menjadi: v  16 e  500 t  e  8000 t V
(hanya ada tanggapan alami).

Ini adalah pelepasan muatan kapasitor pada
rangkaian R-L-C seri

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami

Tanggapan

lengkap : v  16 e

 500 t

e

 8000 t

V

16

v
[V] 12

v
8
4
0
0

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

-4

Perhatikan bahwa pada t = 0+ tegangan kapasitor adalah 15 V

Pada waktu kapasitor mulai melepaskan muatannya,
ada perlawanan dari induktor yang menyebabkan
penurunan tegangan pada saat-saat awal agak landai

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
Contoh-2

1H

S
+


19 V

+
v

iC



0,25 F

Saklar S telah lama tertutup.
Pada t = 0 saklar dibuka.
Tentukan perubahan tegangan
kapasitor dan arus induktor.

i
8,5 k

Sebelum saklar dibuka arus hanya melalui induktor. Dioda tidak konduksi.


i L (0 ) 

19
8500

Persamaan Rangkaian pada t > 0 :

i   iC   C



vC (0 )  0 V

 2 mA

dv C
dt

did 2 v
dv
L
 Ri 
0
vvLC
RC
0
dtdt 2
dt
2



d v
dt

2



R dv
L dt

dt

2

 8 ,5  10

0

LC

2

d v

v



3

dv
dt

6

 4  10 v  0

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
Persamaan

karkterist ik : s  8 ,5  10 s  4  10  0
2

3

 akar - akar : s1 , s 2   4250  10

Dugaan ta

nggapan

lengkap

3

6

( 4 , 25 )  4   500 ,  8000
2

: v  0  K 1e

 500 t

 K 2e

 8000 t

Tak ada fungsi pemaksa
Kondisi awal:



i L ( 0 )  2 mA



vC (0 )  0 V

dan

Karena persamaan rangkaian menggunakan v sebagai
peubah maka kondisi awal iL(0+) harus diubah menjadi
dalam v






 i L ( 0 )  iC ( 0 )  C


dv C ( 0 )
dt

 

dv C ( 0 )
dt
2  10
C

3

 2  10

3

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami


dv ( 0 )



Kondisi awal: v ( 0 )  0



dt

Dugaan ta

nggapan

2  10

6

0 , 25  10

: v  0  K 1e

lengkap

3

0  K1  K 2

 500 t

  8  10

 K 2e

3

 8000 t

 8000   500 K 1  8000 K 2

 8000   500 K 1  8000 K 1
K1 

Tegangan kapasitor menjadi

 8000

K 2   K1  1

  1, 06

7500

: v  1, 06 e

 500 t

 1e

 8000 t

V

Ini adalah pengisian kapasitor oleh arus
induktor pada rangkaian R-L-C seri
Arus induktor

: i L   iC   C
  133  10

dv

  0 , 25  10

dt
 3  500 t

e

 2e

6

 530 e

 8000 t

mA

 500 t

 8000 e

 8000 t



Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
Tanggapan lengkap : v  1, 06 e

 500 t

 1e

 8000 t

V

1

v
[V]

0. 5

0
0

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

-0. 5

-1

Perhatikan bahwa pada awalnya tegangan kapasitor naik
karena menerima pelepasan energi dari induktor

Kenaikan tegangan kapasitor mencapai puncak kemudian
menurun karena ia melepaskan muatan yang pada awalnya
diterima.

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
v  16 e

 500 t

e

 8000 t

v  1, 06 e

V

16

 500 t

 1e

 8000 t

V

1

v [V]

Pelepasan energi induktor

v

12

[V]

v

8

0. 5
0
0

4

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

-0. 5

0
0

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

-1

-4

Untuk kedua peristiwa ini yang di-plot terhadap waktu adalah tegangan kapasitor
Seandainya tidak ada induktor, penurunan tegangan kapasitor akan terjadi
dengan konstanta waktu

  RC  8500  0 . 25  10

6

 2125  10

-6

atau 1/ = 470,6. Tetapi karena ada induktor, konstanta waktu menjadi lebih kecil
sehingga 1/ = 500. Inilah yang terlihat pada suku pertama v.
Suku ke-dua v adalah pengaruh induktor, yang jika tidak ada kapasitor nilai 1/
= R/L = 8500. Karena ada kapasitor nilai ini menjadi 8000 pada suku ke-dua v.

Persamaan Karakteristik Memiliki Dua Akar
Riil Sama Besar
s1 = s2, {b2 4ac } = 0

Dua Akar Riil Sama Besar
Dua akar yang sama besar dapat kita tuliskan sebagai
s1  s

dan

s 2  s   ; dengan   0

Tanggapan lengkap akan berbentuk
y  y p  K 1e

s1t

 K 2e

s2t

st

 y p  K 1e

Tanggapan paksa

Kondisi awal pertama

 K 2e

( s   )t

Tanggapan alami

Kondisi awal kedua







y ( 0 )  y p ( 0 )  K 1 s  K 2 ( s   )







y ( 0 )  y p ( 0 )  ( K 1  K 2 ) s  K 2   B 0

y (0 )  y p (0 )  K 1  K 2
y ( 0 )  y p ( 0 )  K 1  K 2  A0

A0 s  K 2   B 0



K2 

B 0  A0 s


dan

K 1  A0 

B 0  A0 s


Dua Akar Riil Sama Besar
Tanggapan lengkap menjadi

 1 e  t   st
 e
y  y p   A0  ( B 0  A0 s )   
 
  


t
 1
 e t  1 
e 

t
lim  
 lim 







 0
 0





y  y p   A0  ( B 0  A0 s ) t  e

y  y p  K a  K b t  e

ditentukan oleh kondisi awal

st

st

ditentukan oleh kondisi awal dan s
s sendiri ditentukan oleh nilai elemenelemen yang membentuk rangkaian dan
tidak ada kaitannya dengan kondisi awal

Dua Akar Riil Sama Besar, Tanggapan Alami
Contoh-3.
1H

S 1 2
+


15 V

+
v



iC
0,25 F

i
4 k

Sakalar telah lama di posisi 1. Pada t
= 0 di pindah ke posisi 2. Tentukan
perubahan tegangan kapasitor.

(Diganti dengan 4 k dari contoh sebelumnya)


Sebelum saklar dipindahkan: v ( 0 )  15 V ; i ( 0 )  0

di

Persamaan rangkaian untuk t > 0:  v  L

 iR  0

dt
2

Karena i =  iC = C dv/dt

LC

d v
dt

2

 RC

dt

Persamaan karakteristik:

2

3

2

 4  10

s  4  10 s  4  10

v0

dt

2

d v

dv

3

dv
dt

6

0

 4  10 v  0
6

Dua Akar Riil Sama Besar, Tanggapan Alami
Persamaan

2

karakteris tik : s  4000 s  4  10
akar - akar : s1 , s 2   2000 

Karena persamaan
maka tanggapan

karakteris tik memiliki

6

0

4  10

6

 4  10

6

  2000  s

akar sama besar

lengkap akan berbentuk :
v  v p  K a  K b t  e

st

 0  K a  K b t  e

st

Tak ada fungsi pemaksa

Kondisi
Kondisi

awal pertama
awal kedua



dv
dt



dv
dt





v ( 0 )  v ( 0 )  v ( 0 )  15  K a .


(0 )  0 

dv
dt

 K be



(0 )  0  K b  K a s 

 Jadi : v  15  30000 t  e

st

 K a  K bt  s e

st

K b   K a s  30000
 2000 t

V

Dua Akar Riil Sama Besar, Tanggapan Alami

v  15  30000 t  e

 2000 t

V

15
10

v  30000 t e

 2000 t

5
0
0
-5
-10
-15

0.001

v  15 e

0.002

 2000 t

0.003

0.004

0.005

0.006

Dua akar kompleks konjugat
{b2 4ac } < 0
s1    j 

dan

s 2    j

Dua Akar Kompleks Konjugat
Akar-Akar Kompleks Konjugat
s1    j 

dan

s 2    j

Tanggapan lengkap akan berbentuk
y  y p  K 1e

(   j ) t

 K 2e

(   j ) t



 y p  K 1e

 j t

K 1 (cos  t  j sin  t )

 K 2e

 j t

e

t

K 2 (cos  t  j sin  t )

( K 1  K 2 ) cos  t  j ( K 1  K 2 ) sin  t

K a cos  t  K b sin  t

y  y p   K a cos  t  K b sin  t  e

t



Kondisi awal pertama: y ( 0 )  y p ( 0 )  K a

Kondisi awal kedua:





K a  y (0 )  y p (0 )



t
y ( 0 )  y p ( 0 )  {(  K b  K a  ) sin  t  ( K b    K a ) cos  t }e

 y p ( 0 )   K a   K b


 K a   K b  y  ( 0 )  y p ( 0 )

Dua Akar Kompleks Konjugat, Tanggapan Alami
Contoh-4.
1H

S 1 2
+


15 V

+
v


iC

0,25 F

i
1 k

Saklar S sudah lama pada posisi 1.
Pada t = 0 dipindah ke poisisi 2.
Carilah perubahan tegangan kapasitor.

(Diganti dengan 1 k dari contoh sebelumnya)

Pada t = 0+ : v ( 0  )  15 V ; i ( 0  )  0

vL

di

 iR  0

dt

Persamaan rangkaian untuk t > 0:
2

Karena i = iC = C dv/dt

d v

LC

dt

2

dt

Persamaan karakteristik:

2

2

3

 1  10

v0

dt

2

d v

dv

 RC

3

s  1  10 s  4  10

dv

 4  10 v  0

dt
6

0

6

Dua Akar Kompleks Konjugat, Tanggapan Alami
Persamaan

karakteris tik : s

2

 1000

dv

6

0

2

 4  10

 4  10

dt
akar - akar : s1 , s 2   500 

500

6

  500  j 500

15

dua akar kompleks konjugat
  j  dengan    500 ;   500

15

Tanggapan lengkap akan berbentuk:
v  0   K a cos  t  K b sin  t  e
Kondisi

awal pertama

Kondisi

awal kedua 



 v ( 0 )  15  K a
dv
dt



(0 )  0   K a   K b
 Kb 

Tanggapan

t



 K a




lengkap : v  15 cos( 500 15 t ) 

500  15
500



15

15



15 sin( 500 15 t ) e

 500 t

V

Dua Akar Kompleks Konjugat, Tanggapan Alami



v  15 cos( 500 15 t ) 



15 sin( 500 15 t ) e

 500 t

V

15

15 cos( 500 15 t

v 10
[V]
5

15 sin( 500 15 t )

t

0
0
-5
-10
-15

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

0.006

Dua Akar Kompleks Konjugat, Tanggapan Alami
Perbandingan tanggapan rangkaian:
Dua akar riil berbeda: sangat teredam, v  16 e  500 t  e  8000 t V
Dua akar riil sama besar : teredam kritis, v  15  30000 t  e  2000 t V

Dua akar kompleks konjugat : kurang teredam,



v  15 cos( 500 15 t ) 



15 sin( 500 15 t ) e

15
10
5
0
0
-5
-10
-15

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

0.006

 500 t

V

Tanggapan Rangkaian Terhadap Sinyal Sinus
Contoh Tanggapan Rangkaian Dengan Masukan Sinyal Sinus

vs =
26cos3t u(t) V

+


i
vs

5

1H
1

F

6

+
v



Rangkaian mendapat masukan
sinyal sinus yang muncul pada t = 0.
Tentukan perubahan tegangan dan
arus kapasitor, apabila kondisi awal
adalahi(0) = 2 A dan v(0) = 6 V

Pada t = 0+ : i(0+) = 2 A dan v(0+) = 6 V

Persamaan rangkaian untuk t > 0 :

 v s  Ri  L
dv

RC



di
dt

2

 LC

d i
2

dt

dt

5 dv

1 d v



2

d v
2

 v  vs

2

6 dt

dt

v0

5

6 dt

dv
dt

2

 v  26 cos 3 t

 6 v  156 cos 3 t

Tanggapan Rangkaian Terhadap Sinyal Sinus
Persamaan

2

karakteris tik : s  5 s  6  0  ( s  2 )( s  3 );
akar - akar : s1 , s 2   2 ,  3

Dugaan ta nggapan

paksa : v p  A c cos 3 t  A s sin 3 t
2

Persamaan rangkaian

d v
dt

2

5

dv

 6 v  156 cos 3 t

dt

   9 A c  15 A s  6 A c  cos 3 t    9 A s  15 A c  6 A s  sin 3 t  156 cos 3 t
  3 A c  15 A s  156
 Ac 

Tanggapan

156  0
 3  75

dan  15 A c  3 A s  0
  2 ; As 

5  156  0
75  3

 10

paksa : v p   2 cos 3 t  10 sin 3 t

Dugaan tan ggapan lengkap

: v   2 cos 3t  10 sin 3t  K 1 e

2t

 K 2e

 3t

masih harus ditentukan melalui
penerapan kondisi awal

Tanggapan Rangkaian Terhadap Sinyal Sinus


1 dv



awal : v ( 0 )  6 dan i ( 0 )  2 

Kondisi



(0 ) 

dv

6 dt
Aplikasi

kondisi

awal pertama

Aplikasi

kondisi

awal kedua :
 K1  6

Tanggapan

 i

1 dv

dt

: 6  2  K1  K 2  K 2  8  K1
12  30  2 K 1  3 K 2
 K2  2

: v   2 cos 3 t  10 sin 3 t  6 e

lengkap



( 0 )  12

 sin 3 t  5 cos 3 t  2 e

2t

e

 3t

2t

 2e

 3t

V

A

6 dt
30

v [V] 20
i [A]
10

Amplitudo tegangan
menurun

vs

Amplitudo arus
meningkat

v

0
-10 0
-20
-30

t [s]
i

2

4

6

8

10

Courseware
Analisis Transien Rangkaian Orde Ke-Dua

Sudaryatno Sudirham


Slide 29

Open Course

Selamat Belajar

oleh: Sudaryatno Sudirham

Tujuan
 mampu menurunkan persamaan rangkaian yang merupakan
rangkaian orde kedua.

 memahami bahwa tanggapan rangkaian terdiri dari tanggapan
paksa dan tanggapan alami yang mungkin berosilasi.
 mampu melakukan analisis transien pada rangkaian orde

kedua.

Bentuk Umum
Persamaan Rangkaian
Orde Ke-dua

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
2

a

d y
dt

2

b

dy

 cy  x ( t )

dt

y = tanggapan rangkaian yang dapat
berupa tegangan ataupun arus

fungsi pemaksa atau
fungsi penggerak.

tetapan a dan b ditentukan oleh nilainilai elemen yang membentuk rangkaian
Persamaan diferensial orde ke-dua muncul karena
rangkaian mengandung kapasitor dan induktor

dengan tegangan sebagai
peubah status

dengan arus
sebagai peubah status

sedangkan peubah dalam persamaan rangkaian
harus salah satu di ataranya, tegangan atau arus

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Tanggapan Alami
Tanggapan alami adalah solusi persamaan rangkaian di
mana x(t) bernilai nol:
2

a

d y
dt

2

b

dy

 cy  0

dt

Dugaan solusi y berbentuk fungsi eksponensial ya = Kest dengan nilai
K dan s yang masih harus ditentukan.
Kalau solusi ini dimasukkan ke persamaan, akan diperoleh
aKs
Ke

st

2

e

st

as

2

 bKse

st



 cKe

st

0

atau

 bs  c  0

Bagian ini yang harus bernilai nol yang
memberikan persamaan karakteristik
as

2

 bs  c  0

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
2

as  bs  c  0

Persamaan karakteristik yang berbentuk persamaan kwadrat itu
mempunyai dua akar yaitu
s1 , s 2 

2

b

b  4 ac
2a

Dengan adanya dua akar tersebut maka kita mempunyai
dua solusi homogen, yaitu
y a1  K 1e

s1 t

dan

ya 2  K 2e

s2t

dan tanggapan alami yang kita cari akan berbentuk
y a  K 1e

s1 t

 K 2e

s2t

Seperti halnya pada rangkaian orde pertama, tetapan-tetapan ini
diperoleh melalui penerapan kondisi awal pada tanggapan lengkap

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Tanggapan Paksa
Tanggapan paksa adalah solusi persamaan rangkaian di
mana x(t) 0:
2

a

d y
dt

2

b

dy

 cy  x ( t )

dt

Bentuk tanggapan paksa ditentukan oleh bentuk x(t)
sebagaimana telah diulas pada rangkaian orde pertama, yaitu
Jika x ( t )  0 , maka

yp  0

Jika x ( t )  A  konstan,
t

maka

Jika

x ( t )  Ae

Jika

x ( t )  A sin  t , maka

Jika

x ( t )  A cos  t , maka

y p  konstan  K

 eksponensi al, maka

y p  eksponensi al  Ke

y p  K c cos  t  K s sin  t
y p  K c cos  t  K s sin  t

Perhatikan : y  K c cos  t  K s sin  t adalah bentuk umum
fungsi sinus maupun

cosinus .

t

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Tanggapan Lengkap
Tanggapan lengkap adalah jumlah tanggapan alami
dan tanggapan paksa
y  y p  y a  y p  K 1e

s1t

 K 2e

s2t

Tetapan ini diperoleh melalui penerapan kondisi awal
Jika rangkaian mengandung C dan L, dua elemen
ini akan cenderung mempertahankan statusnya.
Jadi ada dua kondisi awal yang harus dipenuhi
yaitu




vC (0 )  vC (0 )

dan




iL (0 )  iL (0 )

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Kondisi Awal
Secara umum, kondisi awal adalah:




y (0 )  y (0 )

dan

dy





(0 )  y ' (0 )

dt

Nilai sesaat sebelum dan sesudah
penutupan/pembukaan saklar harus sama, dan
laju perubahan nilainya harus kontinyu
y

y

0

t

Pada rangkaian orde
pertama dy/dt(0+) tidak
perlu kontinyu

0

t

Pada rangkaian orde kedua dy/dt(0+)
harus kontinyu sebab ada d2y/dt2
dalam persamaan rangkaian yang
hanya terdefinisi jika dy/dt(0+) kontinyu

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Tiga Kemungkinan Bentuk Tanggapan
Persamaan karakteristik
as

2

 bs  c  0

dapat mempunyai tiga kemungkinan nilai akar, yaitu:
a). Dua akar riil berbeda, s1  s2, jika {b2 4ac } > 0;
b). Dua akar sama, s1 = s2 = s , jika {b24ac } = 0;

c). Dua akar kompleks konjugat s1,s2 =   j jika {b24ac } < 0.
Tiga kemungkinan akar ini akan memberikan tiga
kemungkinan bentuk tanggapan

Persamaan karakteristik dengan
dua akar riil berbeda,
s1  s2, {b2 4ac } > 0

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
Contoh-1
1H

S 1 2
+


15 V

+
v



iC
0,25 F

i
8,5 k

Saklar S telah lama berada pada posisi 1.
Pada t = 0 saklar dipindahkan ke posisi 2.
Carilah perubahan tegangan kapasitor.



Pada t = 0- : i ( 0 )  0 dan v ( 0 )  12 V

Persamaan Rangkaian pada t > 0 :  v  L

di

 Ri  0

dt

Karena i = -iC = -C dv/dt, maka:  v  LC

2

d v
dt

2

d v



dt

2



2

R dv

 RC

dt

2

0

dt


L dt

 8 ,5  10

v

0

LC

2

d v

dv

3

dv
dt

6

 4  10 v  0

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami

Persamaan karakteristik:

s

2

3

 8 , 5  10 s  4  10

 akar - akar : s1 , s 2   4250  10

3

6

0

2

( 4 , 25 )  4   500 ,  8000

 500 t
 8000 t
 K 2e
Dugaan tanggapan lengkap: v  0  K 1 e

Tak ada fungsi pemaksa

Kondisi awal: v C ( 0  )  15 V dan i L ( 0  )  0
Karena persamaan rangkaian menggunakan v
sebagai peubah maka kondisi awal arus iL(0+)
harus diubah menjadi dalam tegangan v






i L ( 0 )  iC ( 0 )  C

dv C ( 0 )



dv C ( 0 )
dt

0

dt

0

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
Kondisi awal:





v ( 0 )  15 V

dv ( 0 )

0

dt

 500 t
 8000 t
 K 2e
Dugaan tanggapan lengkap: v  0  K 1 e

0   500 K 1  8000 K 2

15  K1  K 2

0   500 K 1  8000 (15  K 1 )

K1 

8000  15

 16

K 2  1

7500

Tanggapan lengkap menjadi: v  16 e  500 t  e  8000 t V
(hanya ada tanggapan alami).

Ini adalah pelepasan muatan kapasitor pada
rangkaian R-L-C seri

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami

Tanggapan

lengkap : v  16 e

 500 t

e

 8000 t

V

16

v
[V] 12

v
8
4
0
0

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

-4

Perhatikan bahwa pada t = 0+ tegangan kapasitor adalah 15 V

Pada waktu kapasitor mulai melepaskan muatannya,
ada perlawanan dari induktor yang menyebabkan
penurunan tegangan pada saat-saat awal agak landai

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
Contoh-2

1H

S
+


19 V

+
v

iC



0,25 F

Saklar S telah lama tertutup.
Pada t = 0 saklar dibuka.
Tentukan perubahan tegangan
kapasitor dan arus induktor.

i
8,5 k

Sebelum saklar dibuka arus hanya melalui induktor. Dioda tidak konduksi.


i L (0 ) 

19
8500

Persamaan Rangkaian pada t > 0 :

i   iC   C



vC (0 )  0 V

 2 mA

dv C
dt

did 2 v
dv
L
 Ri 
0
vvLC
RC
0
dtdt 2
dt
2



d v
dt

2



R dv
L dt

dt

2

 8 ,5  10

0

LC

2

d v

v



3

dv
dt

6

 4  10 v  0

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
Persamaan

karkterist ik : s  8 ,5  10 s  4  10  0
2

3

 akar - akar : s1 , s 2   4250  10

Dugaan ta

nggapan

lengkap

3

6

( 4 , 25 )  4   500 ,  8000
2

: v  0  K 1e

 500 t

 K 2e

 8000 t

Tak ada fungsi pemaksa
Kondisi awal:



i L ( 0 )  2 mA



vC (0 )  0 V

dan

Karena persamaan rangkaian menggunakan v sebagai
peubah maka kondisi awal iL(0+) harus diubah menjadi
dalam v






 i L ( 0 )  iC ( 0 )  C


dv C ( 0 )
dt

 

dv C ( 0 )
dt
2  10
C

3

 2  10

3

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami


dv ( 0 )



Kondisi awal: v ( 0 )  0



dt

Dugaan ta

nggapan

2  10

6

0 , 25  10

: v  0  K 1e

lengkap

3

0  K1  K 2

 500 t

  8  10

 K 2e

3

 8000 t

 8000   500 K 1  8000 K 2

 8000   500 K 1  8000 K 1
K1 

Tegangan kapasitor menjadi

 8000

K 2   K1  1

  1, 06

7500

: v  1, 06 e

 500 t

 1e

 8000 t

V

Ini adalah pengisian kapasitor oleh arus
induktor pada rangkaian R-L-C seri
Arus induktor

: i L   iC   C
  133  10

dv

  0 , 25  10

dt
 3  500 t

e

 2e

6

 530 e

 8000 t

mA

 500 t

 8000 e

 8000 t



Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
Tanggapan lengkap : v  1, 06 e

 500 t

 1e

 8000 t

V

1

v
[V]

0. 5

0
0

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

-0. 5

-1

Perhatikan bahwa pada awalnya tegangan kapasitor naik
karena menerima pelepasan energi dari induktor

Kenaikan tegangan kapasitor mencapai puncak kemudian
menurun karena ia melepaskan muatan yang pada awalnya
diterima.

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
v  16 e

 500 t

e

 8000 t

v  1, 06 e

V

16

 500 t

 1e

 8000 t

V

1

v [V]

Pelepasan energi induktor

v

12

[V]

v

8

0. 5
0
0

4

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

-0. 5

0
0

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

-1

-4

Untuk kedua peristiwa ini yang di-plot terhadap waktu adalah tegangan kapasitor
Seandainya tidak ada induktor, penurunan tegangan kapasitor akan terjadi
dengan konstanta waktu

  RC  8500  0 . 25  10

6

 2125  10

-6

atau 1/ = 470,6. Tetapi karena ada induktor, konstanta waktu menjadi lebih kecil
sehingga 1/ = 500. Inilah yang terlihat pada suku pertama v.
Suku ke-dua v adalah pengaruh induktor, yang jika tidak ada kapasitor nilai 1/
= R/L = 8500. Karena ada kapasitor nilai ini menjadi 8000 pada suku ke-dua v.

Persamaan Karakteristik Memiliki Dua Akar
Riil Sama Besar
s1 = s2, {b2 4ac } = 0

Dua Akar Riil Sama Besar
Dua akar yang sama besar dapat kita tuliskan sebagai
s1  s

dan

s 2  s   ; dengan   0

Tanggapan lengkap akan berbentuk
y  y p  K 1e

s1t

 K 2e

s2t

st

 y p  K 1e

Tanggapan paksa

Kondisi awal pertama

 K 2e

( s   )t

Tanggapan alami

Kondisi awal kedua







y ( 0 )  y p ( 0 )  K 1 s  K 2 ( s   )







y ( 0 )  y p ( 0 )  ( K 1  K 2 ) s  K 2   B 0

y (0 )  y p (0 )  K 1  K 2
y ( 0 )  y p ( 0 )  K 1  K 2  A0

A0 s  K 2   B 0



K2 

B 0  A0 s


dan

K 1  A0 

B 0  A0 s


Dua Akar Riil Sama Besar
Tanggapan lengkap menjadi

 1 e  t   st
 e
y  y p   A0  ( B 0  A0 s )   
 
  


t
 1
 e t  1 
e 

t
lim  
 lim 







 0
 0





y  y p   A0  ( B 0  A0 s ) t  e

y  y p  K a  K b t  e

ditentukan oleh kondisi awal

st

st

ditentukan oleh kondisi awal dan s
s sendiri ditentukan oleh nilai elemenelemen yang membentuk rangkaian dan
tidak ada kaitannya dengan kondisi awal

Dua Akar Riil Sama Besar, Tanggapan Alami
Contoh-3.
1H

S 1 2
+


15 V

+
v



iC
0,25 F

i
4 k

Sakalar telah lama di posisi 1. Pada t
= 0 di pindah ke posisi 2. Tentukan
perubahan tegangan kapasitor.

(Diganti dengan 4 k dari contoh sebelumnya)


Sebelum saklar dipindahkan: v ( 0 )  15 V ; i ( 0 )  0

di

Persamaan rangkaian untuk t > 0:  v  L

 iR  0

dt
2

Karena i =  iC = C dv/dt

LC

d v
dt

2

 RC

dt

Persamaan karakteristik:

2

3

2

 4  10

s  4  10 s  4  10

v0

dt

2

d v

dv

3

dv
dt

6

0

 4  10 v  0
6

Dua Akar Riil Sama Besar, Tanggapan Alami
Persamaan

2

karakteris tik : s  4000 s  4  10
akar - akar : s1 , s 2   2000 

Karena persamaan
maka tanggapan

karakteris tik memiliki

6

0

4  10

6

 4  10

6

  2000  s

akar sama besar

lengkap akan berbentuk :
v  v p  K a  K b t  e

st

 0  K a  K b t  e

st

Tak ada fungsi pemaksa

Kondisi
Kondisi

awal pertama
awal kedua



dv
dt



dv
dt





v ( 0 )  v ( 0 )  v ( 0 )  15  K a .


(0 )  0 

dv
dt

 K be



(0 )  0  K b  K a s 

 Jadi : v  15  30000 t  e

st

 K a  K bt  s e

st

K b   K a s  30000
 2000 t

V

Dua Akar Riil Sama Besar, Tanggapan Alami

v  15  30000 t  e

 2000 t

V

15
10

v  30000 t e

 2000 t

5
0
0
-5
-10
-15

0.001

v  15 e

0.002

 2000 t

0.003

0.004

0.005

0.006

Dua akar kompleks konjugat
{b2 4ac } < 0
s1    j 

dan

s 2    j

Dua Akar Kompleks Konjugat
Akar-Akar Kompleks Konjugat
s1    j 

dan

s 2    j

Tanggapan lengkap akan berbentuk
y  y p  K 1e

(   j ) t

 K 2e

(   j ) t



 y p  K 1e

 j t

K 1 (cos  t  j sin  t )

 K 2e

 j t

e

t

K 2 (cos  t  j sin  t )

( K 1  K 2 ) cos  t  j ( K 1  K 2 ) sin  t

K a cos  t  K b sin  t

y  y p   K a cos  t  K b sin  t  e

t



Kondisi awal pertama: y ( 0 )  y p ( 0 )  K a

Kondisi awal kedua:





K a  y (0 )  y p (0 )



t
y ( 0 )  y p ( 0 )  {(  K b  K a  ) sin  t  ( K b    K a ) cos  t }e

 y p ( 0 )   K a   K b


 K a   K b  y  ( 0 )  y p ( 0 )

Dua Akar Kompleks Konjugat, Tanggapan Alami
Contoh-4.
1H

S 1 2
+


15 V

+
v


iC

0,25 F

i
1 k

Saklar S sudah lama pada posisi 1.
Pada t = 0 dipindah ke poisisi 2.
Carilah perubahan tegangan kapasitor.

(Diganti dengan 1 k dari contoh sebelumnya)

Pada t = 0+ : v ( 0  )  15 V ; i ( 0  )  0

vL

di

 iR  0

dt

Persamaan rangkaian untuk t > 0:
2

Karena i = iC = C dv/dt

d v

LC

dt

2

dt

Persamaan karakteristik:

2

2

3

 1  10

v0

dt

2

d v

dv

 RC

3

s  1  10 s  4  10

dv

 4  10 v  0

dt
6

0

6

Dua Akar Kompleks Konjugat, Tanggapan Alami
Persamaan

karakteris tik : s

2

 1000

dv

6

0

2

 4  10

 4  10

dt
akar - akar : s1 , s 2   500 

500

6

  500  j 500

15

dua akar kompleks konjugat
  j  dengan    500 ;   500

15

Tanggapan lengkap akan berbentuk:
v  0   K a cos  t  K b sin  t  e
Kondisi

awal pertama

Kondisi

awal kedua 



 v ( 0 )  15  K a
dv
dt



(0 )  0   K a   K b
 Kb 

Tanggapan

t



 K a




lengkap : v  15 cos( 500 15 t ) 

500  15
500



15

15



15 sin( 500 15 t ) e

 500 t

V

Dua Akar Kompleks Konjugat, Tanggapan Alami



v  15 cos( 500 15 t ) 



15 sin( 500 15 t ) e

 500 t

V

15

15 cos( 500 15 t

v 10
[V]
5

15 sin( 500 15 t )

t

0
0
-5
-10
-15

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

0.006

Dua Akar Kompleks Konjugat, Tanggapan Alami
Perbandingan tanggapan rangkaian:
Dua akar riil berbeda: sangat teredam, v  16 e  500 t  e  8000 t V
Dua akar riil sama besar : teredam kritis, v  15  30000 t  e  2000 t V

Dua akar kompleks konjugat : kurang teredam,



v  15 cos( 500 15 t ) 



15 sin( 500 15 t ) e

15
10
5
0
0
-5
-10
-15

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

0.006

 500 t

V

Tanggapan Rangkaian Terhadap Sinyal Sinus
Contoh Tanggapan Rangkaian Dengan Masukan Sinyal Sinus

vs =
26cos3t u(t) V

+


i
vs

5

1H
1

F

6

+
v



Rangkaian mendapat masukan
sinyal sinus yang muncul pada t = 0.
Tentukan perubahan tegangan dan
arus kapasitor, apabila kondisi awal
adalahi(0) = 2 A dan v(0) = 6 V

Pada t = 0+ : i(0+) = 2 A dan v(0+) = 6 V

Persamaan rangkaian untuk t > 0 :

 v s  Ri  L
dv

RC



di
dt

2

 LC

d i
2

dt

dt

5 dv

1 d v



2

d v
2

 v  vs

2

6 dt

dt

v0

5

6 dt

dv
dt

2

 v  26 cos 3 t

 6 v  156 cos 3 t

Tanggapan Rangkaian Terhadap Sinyal Sinus
Persamaan

2

karakteris tik : s  5 s  6  0  ( s  2 )( s  3 );
akar - akar : s1 , s 2   2 ,  3

Dugaan ta nggapan

paksa : v p  A c cos 3 t  A s sin 3 t
2

Persamaan rangkaian

d v
dt

2

5

dv

 6 v  156 cos 3 t

dt

   9 A c  15 A s  6 A c  cos 3 t    9 A s  15 A c  6 A s  sin 3 t  156 cos 3 t
  3 A c  15 A s  156
 Ac 

Tanggapan

156  0
 3  75

dan  15 A c  3 A s  0
  2 ; As 

5  156  0
75  3

 10

paksa : v p   2 cos 3 t  10 sin 3 t

Dugaan tan ggapan lengkap

: v   2 cos 3t  10 sin 3t  K 1 e

2t

 K 2e

 3t

masih harus ditentukan melalui
penerapan kondisi awal

Tanggapan Rangkaian Terhadap Sinyal Sinus


1 dv



awal : v ( 0 )  6 dan i ( 0 )  2 

Kondisi



(0 ) 

dv

6 dt
Aplikasi

kondisi

awal pertama

Aplikasi

kondisi

awal kedua :
 K1  6

Tanggapan

 i

1 dv

dt

: 6  2  K1  K 2  K 2  8  K1
12  30  2 K 1  3 K 2
 K2  2

: v   2 cos 3 t  10 sin 3 t  6 e

lengkap



( 0 )  12

 sin 3 t  5 cos 3 t  2 e

2t

e

 3t

2t

 2e

 3t

V

A

6 dt
30

v [V] 20
i [A]
10

Amplitudo tegangan
menurun

vs

Amplitudo arus
meningkat

v

0
-10 0
-20
-30

t [s]
i

2

4

6

8

10

Courseware
Analisis Transien Rangkaian Orde Ke-Dua

Sudaryatno Sudirham


Slide 30

Open Course

Selamat Belajar

oleh: Sudaryatno Sudirham

Tujuan
 mampu menurunkan persamaan rangkaian yang merupakan
rangkaian orde kedua.

 memahami bahwa tanggapan rangkaian terdiri dari tanggapan
paksa dan tanggapan alami yang mungkin berosilasi.
 mampu melakukan analisis transien pada rangkaian orde

kedua.

Bentuk Umum
Persamaan Rangkaian
Orde Ke-dua

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
2

a

d y
dt

2

b

dy

 cy  x ( t )

dt

y = tanggapan rangkaian yang dapat
berupa tegangan ataupun arus

fungsi pemaksa atau
fungsi penggerak.

tetapan a dan b ditentukan oleh nilainilai elemen yang membentuk rangkaian
Persamaan diferensial orde ke-dua muncul karena
rangkaian mengandung kapasitor dan induktor

dengan tegangan sebagai
peubah status

dengan arus
sebagai peubah status

sedangkan peubah dalam persamaan rangkaian
harus salah satu di ataranya, tegangan atau arus

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Tanggapan Alami
Tanggapan alami adalah solusi persamaan rangkaian di
mana x(t) bernilai nol:
2

a

d y
dt

2

b

dy

 cy  0

dt

Dugaan solusi y berbentuk fungsi eksponensial ya = Kest dengan nilai
K dan s yang masih harus ditentukan.
Kalau solusi ini dimasukkan ke persamaan, akan diperoleh
aKs
Ke

st

2

e

st

as

2

 bKse

st



 cKe

st

0

atau

 bs  c  0

Bagian ini yang harus bernilai nol yang
memberikan persamaan karakteristik
as

2

 bs  c  0

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
2

as  bs  c  0

Persamaan karakteristik yang berbentuk persamaan kwadrat itu
mempunyai dua akar yaitu
s1 , s 2 

2

b

b  4 ac
2a

Dengan adanya dua akar tersebut maka kita mempunyai
dua solusi homogen, yaitu
y a1  K 1e

s1 t

dan

ya 2  K 2e

s2t

dan tanggapan alami yang kita cari akan berbentuk
y a  K 1e

s1 t

 K 2e

s2t

Seperti halnya pada rangkaian orde pertama, tetapan-tetapan ini
diperoleh melalui penerapan kondisi awal pada tanggapan lengkap

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Tanggapan Paksa
Tanggapan paksa adalah solusi persamaan rangkaian di
mana x(t) 0:
2

a

d y
dt

2

b

dy

 cy  x ( t )

dt

Bentuk tanggapan paksa ditentukan oleh bentuk x(t)
sebagaimana telah diulas pada rangkaian orde pertama, yaitu
Jika x ( t )  0 , maka

yp  0

Jika x ( t )  A  konstan,
t

maka

Jika

x ( t )  Ae

Jika

x ( t )  A sin  t , maka

Jika

x ( t )  A cos  t , maka

y p  konstan  K

 eksponensi al, maka

y p  eksponensi al  Ke

y p  K c cos  t  K s sin  t
y p  K c cos  t  K s sin  t

Perhatikan : y  K c cos  t  K s sin  t adalah bentuk umum
fungsi sinus maupun

cosinus .

t

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Tanggapan Lengkap
Tanggapan lengkap adalah jumlah tanggapan alami
dan tanggapan paksa
y  y p  y a  y p  K 1e

s1t

 K 2e

s2t

Tetapan ini diperoleh melalui penerapan kondisi awal
Jika rangkaian mengandung C dan L, dua elemen
ini akan cenderung mempertahankan statusnya.
Jadi ada dua kondisi awal yang harus dipenuhi
yaitu




vC (0 )  vC (0 )

dan




iL (0 )  iL (0 )

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Kondisi Awal
Secara umum, kondisi awal adalah:




y (0 )  y (0 )

dan

dy





(0 )  y ' (0 )

dt

Nilai sesaat sebelum dan sesudah
penutupan/pembukaan saklar harus sama, dan
laju perubahan nilainya harus kontinyu
y

y

0

t

Pada rangkaian orde
pertama dy/dt(0+) tidak
perlu kontinyu

0

t

Pada rangkaian orde kedua dy/dt(0+)
harus kontinyu sebab ada d2y/dt2
dalam persamaan rangkaian yang
hanya terdefinisi jika dy/dt(0+) kontinyu

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Tiga Kemungkinan Bentuk Tanggapan
Persamaan karakteristik
as

2

 bs  c  0

dapat mempunyai tiga kemungkinan nilai akar, yaitu:
a). Dua akar riil berbeda, s1  s2, jika {b2 4ac } > 0;
b). Dua akar sama, s1 = s2 = s , jika {b24ac } = 0;

c). Dua akar kompleks konjugat s1,s2 =   j jika {b24ac } < 0.
Tiga kemungkinan akar ini akan memberikan tiga
kemungkinan bentuk tanggapan

Persamaan karakteristik dengan
dua akar riil berbeda,
s1  s2, {b2 4ac } > 0

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
Contoh-1
1H

S 1 2
+


15 V

+
v



iC
0,25 F

i
8,5 k

Saklar S telah lama berada pada posisi 1.
Pada t = 0 saklar dipindahkan ke posisi 2.
Carilah perubahan tegangan kapasitor.



Pada t = 0- : i ( 0 )  0 dan v ( 0 )  12 V

Persamaan Rangkaian pada t > 0 :  v  L

di

 Ri  0

dt

Karena i = -iC = -C dv/dt, maka:  v  LC

2

d v
dt

2

d v



dt

2



2

R dv

 RC

dt

2

0

dt


L dt

 8 ,5  10

v

0

LC

2

d v

dv

3

dv
dt

6

 4  10 v  0

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami

Persamaan karakteristik:

s

2

3

 8 , 5  10 s  4  10

 akar - akar : s1 , s 2   4250  10

3

6

0

2

( 4 , 25 )  4   500 ,  8000

 500 t
 8000 t
 K 2e
Dugaan tanggapan lengkap: v  0  K 1 e

Tak ada fungsi pemaksa

Kondisi awal: v C ( 0  )  15 V dan i L ( 0  )  0
Karena persamaan rangkaian menggunakan v
sebagai peubah maka kondisi awal arus iL(0+)
harus diubah menjadi dalam tegangan v






i L ( 0 )  iC ( 0 )  C

dv C ( 0 )



dv C ( 0 )
dt

0

dt

0

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
Kondisi awal:





v ( 0 )  15 V

dv ( 0 )

0

dt

 500 t
 8000 t
 K 2e
Dugaan tanggapan lengkap: v  0  K 1 e

0   500 K 1  8000 K 2

15  K1  K 2

0   500 K 1  8000 (15  K 1 )

K1 

8000  15

 16

K 2  1

7500

Tanggapan lengkap menjadi: v  16 e  500 t  e  8000 t V
(hanya ada tanggapan alami).

Ini adalah pelepasan muatan kapasitor pada
rangkaian R-L-C seri

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami

Tanggapan

lengkap : v  16 e

 500 t

e

 8000 t

V

16

v
[V] 12

v
8
4
0
0

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

-4

Perhatikan bahwa pada t = 0+ tegangan kapasitor adalah 15 V

Pada waktu kapasitor mulai melepaskan muatannya,
ada perlawanan dari induktor yang menyebabkan
penurunan tegangan pada saat-saat awal agak landai

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
Contoh-2

1H

S
+


19 V

+
v

iC



0,25 F

Saklar S telah lama tertutup.
Pada t = 0 saklar dibuka.
Tentukan perubahan tegangan
kapasitor dan arus induktor.

i
8,5 k

Sebelum saklar dibuka arus hanya melalui induktor. Dioda tidak konduksi.


i L (0 ) 

19
8500

Persamaan Rangkaian pada t > 0 :

i   iC   C



vC (0 )  0 V

 2 mA

dv C
dt

did 2 v
dv
L
 Ri 
0
vvLC
RC
0
dtdt 2
dt
2



d v
dt

2



R dv
L dt

dt

2

 8 ,5  10

0

LC

2

d v

v



3

dv
dt

6

 4  10 v  0

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
Persamaan

karkterist ik : s  8 ,5  10 s  4  10  0
2

3

 akar - akar : s1 , s 2   4250  10

Dugaan ta

nggapan

lengkap

3

6

( 4 , 25 )  4   500 ,  8000
2

: v  0  K 1e

 500 t

 K 2e

 8000 t

Tak ada fungsi pemaksa
Kondisi awal:



i L ( 0 )  2 mA



vC (0 )  0 V

dan

Karena persamaan rangkaian menggunakan v sebagai
peubah maka kondisi awal iL(0+) harus diubah menjadi
dalam v






 i L ( 0 )  iC ( 0 )  C


dv C ( 0 )
dt

 

dv C ( 0 )
dt
2  10
C

3

 2  10

3

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami


dv ( 0 )



Kondisi awal: v ( 0 )  0



dt

Dugaan ta

nggapan

2  10

6

0 , 25  10

: v  0  K 1e

lengkap

3

0  K1  K 2

 500 t

  8  10

 K 2e

3

 8000 t

 8000   500 K 1  8000 K 2

 8000   500 K 1  8000 K 1
K1 

Tegangan kapasitor menjadi

 8000

K 2   K1  1

  1, 06

7500

: v  1, 06 e

 500 t

 1e

 8000 t

V

Ini adalah pengisian kapasitor oleh arus
induktor pada rangkaian R-L-C seri
Arus induktor

: i L   iC   C
  133  10

dv

  0 , 25  10

dt
 3  500 t

e

 2e

6

 530 e

 8000 t

mA

 500 t

 8000 e

 8000 t



Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
Tanggapan lengkap : v  1, 06 e

 500 t

 1e

 8000 t

V

1

v
[V]

0. 5

0
0

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

-0. 5

-1

Perhatikan bahwa pada awalnya tegangan kapasitor naik
karena menerima pelepasan energi dari induktor

Kenaikan tegangan kapasitor mencapai puncak kemudian
menurun karena ia melepaskan muatan yang pada awalnya
diterima.

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
v  16 e

 500 t

e

 8000 t

v  1, 06 e

V

16

 500 t

 1e

 8000 t

V

1

v [V]

Pelepasan energi induktor

v

12

[V]

v

8

0. 5
0
0

4

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

-0. 5

0
0

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

-1

-4

Untuk kedua peristiwa ini yang di-plot terhadap waktu adalah tegangan kapasitor
Seandainya tidak ada induktor, penurunan tegangan kapasitor akan terjadi
dengan konstanta waktu

  RC  8500  0 . 25  10

6

 2125  10

-6

atau 1/ = 470,6. Tetapi karena ada induktor, konstanta waktu menjadi lebih kecil
sehingga 1/ = 500. Inilah yang terlihat pada suku pertama v.
Suku ke-dua v adalah pengaruh induktor, yang jika tidak ada kapasitor nilai 1/
= R/L = 8500. Karena ada kapasitor nilai ini menjadi 8000 pada suku ke-dua v.

Persamaan Karakteristik Memiliki Dua Akar
Riil Sama Besar
s1 = s2, {b2 4ac } = 0

Dua Akar Riil Sama Besar
Dua akar yang sama besar dapat kita tuliskan sebagai
s1  s

dan

s 2  s   ; dengan   0

Tanggapan lengkap akan berbentuk
y  y p  K 1e

s1t

 K 2e

s2t

st

 y p  K 1e

Tanggapan paksa

Kondisi awal pertama

 K 2e

( s   )t

Tanggapan alami

Kondisi awal kedua







y ( 0 )  y p ( 0 )  K 1 s  K 2 ( s   )







y ( 0 )  y p ( 0 )  ( K 1  K 2 ) s  K 2   B 0

y (0 )  y p (0 )  K 1  K 2
y ( 0 )  y p ( 0 )  K 1  K 2  A0

A0 s  K 2   B 0



K2 

B 0  A0 s


dan

K 1  A0 

B 0  A0 s


Dua Akar Riil Sama Besar
Tanggapan lengkap menjadi

 1 e  t   st
 e
y  y p   A0  ( B 0  A0 s )   
 
  


t
 1
 e t  1 
e 

t
lim  
 lim 







 0
 0





y  y p   A0  ( B 0  A0 s ) t  e

y  y p  K a  K b t  e

ditentukan oleh kondisi awal

st

st

ditentukan oleh kondisi awal dan s
s sendiri ditentukan oleh nilai elemenelemen yang membentuk rangkaian dan
tidak ada kaitannya dengan kondisi awal

Dua Akar Riil Sama Besar, Tanggapan Alami
Contoh-3.
1H

S 1 2
+


15 V

+
v



iC
0,25 F

i
4 k

Sakalar telah lama di posisi 1. Pada t
= 0 di pindah ke posisi 2. Tentukan
perubahan tegangan kapasitor.

(Diganti dengan 4 k dari contoh sebelumnya)


Sebelum saklar dipindahkan: v ( 0 )  15 V ; i ( 0 )  0

di

Persamaan rangkaian untuk t > 0:  v  L

 iR  0

dt
2

Karena i =  iC = C dv/dt

LC

d v
dt

2

 RC

dt

Persamaan karakteristik:

2

3

2

 4  10

s  4  10 s  4  10

v0

dt

2

d v

dv

3

dv
dt

6

0

 4  10 v  0
6

Dua Akar Riil Sama Besar, Tanggapan Alami
Persamaan

2

karakteris tik : s  4000 s  4  10
akar - akar : s1 , s 2   2000 

Karena persamaan
maka tanggapan

karakteris tik memiliki

6

0

4  10

6

 4  10

6

  2000  s

akar sama besar

lengkap akan berbentuk :
v  v p  K a  K b t  e

st

 0  K a  K b t  e

st

Tak ada fungsi pemaksa

Kondisi
Kondisi

awal pertama
awal kedua



dv
dt



dv
dt





v ( 0 )  v ( 0 )  v ( 0 )  15  K a .


(0 )  0 

dv
dt

 K be



(0 )  0  K b  K a s 

 Jadi : v  15  30000 t  e

st

 K a  K bt  s e

st

K b   K a s  30000
 2000 t

V

Dua Akar Riil Sama Besar, Tanggapan Alami

v  15  30000 t  e

 2000 t

V

15
10

v  30000 t e

 2000 t

5
0
0
-5
-10
-15

0.001

v  15 e

0.002

 2000 t

0.003

0.004

0.005

0.006

Dua akar kompleks konjugat
{b2 4ac } < 0
s1    j 

dan

s 2    j

Dua Akar Kompleks Konjugat
Akar-Akar Kompleks Konjugat
s1    j 

dan

s 2    j

Tanggapan lengkap akan berbentuk
y  y p  K 1e

(   j ) t

 K 2e

(   j ) t



 y p  K 1e

 j t

K 1 (cos  t  j sin  t )

 K 2e

 j t

e

t

K 2 (cos  t  j sin  t )

( K 1  K 2 ) cos  t  j ( K 1  K 2 ) sin  t

K a cos  t  K b sin  t

y  y p   K a cos  t  K b sin  t  e

t



Kondisi awal pertama: y ( 0 )  y p ( 0 )  K a

Kondisi awal kedua:





K a  y (0 )  y p (0 )



t
y ( 0 )  y p ( 0 )  {(  K b  K a  ) sin  t  ( K b    K a ) cos  t }e

 y p ( 0 )   K a   K b


 K a   K b  y  ( 0 )  y p ( 0 )

Dua Akar Kompleks Konjugat, Tanggapan Alami
Contoh-4.
1H

S 1 2
+


15 V

+
v


iC

0,25 F

i
1 k

Saklar S sudah lama pada posisi 1.
Pada t = 0 dipindah ke poisisi 2.
Carilah perubahan tegangan kapasitor.

(Diganti dengan 1 k dari contoh sebelumnya)

Pada t = 0+ : v ( 0  )  15 V ; i ( 0  )  0

vL

di

 iR  0

dt

Persamaan rangkaian untuk t > 0:
2

Karena i = iC = C dv/dt

d v

LC

dt

2

dt

Persamaan karakteristik:

2

2

3

 1  10

v0

dt

2

d v

dv

 RC

3

s  1  10 s  4  10

dv

 4  10 v  0

dt
6

0

6

Dua Akar Kompleks Konjugat, Tanggapan Alami
Persamaan

karakteris tik : s

2

 1000

dv

6

0

2

 4  10

 4  10

dt
akar - akar : s1 , s 2   500 

500

6

  500  j 500

15

dua akar kompleks konjugat
  j  dengan    500 ;   500

15

Tanggapan lengkap akan berbentuk:
v  0   K a cos  t  K b sin  t  e
Kondisi

awal pertama

Kondisi

awal kedua 



 v ( 0 )  15  K a
dv
dt



(0 )  0   K a   K b
 Kb 

Tanggapan

t



 K a




lengkap : v  15 cos( 500 15 t ) 

500  15
500



15

15



15 sin( 500 15 t ) e

 500 t

V

Dua Akar Kompleks Konjugat, Tanggapan Alami



v  15 cos( 500 15 t ) 



15 sin( 500 15 t ) e

 500 t

V

15

15 cos( 500 15 t

v 10
[V]
5

15 sin( 500 15 t )

t

0
0
-5
-10
-15

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

0.006

Dua Akar Kompleks Konjugat, Tanggapan Alami
Perbandingan tanggapan rangkaian:
Dua akar riil berbeda: sangat teredam, v  16 e  500 t  e  8000 t V
Dua akar riil sama besar : teredam kritis, v  15  30000 t  e  2000 t V

Dua akar kompleks konjugat : kurang teredam,



v  15 cos( 500 15 t ) 



15 sin( 500 15 t ) e

15
10
5
0
0
-5
-10
-15

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

0.006

 500 t

V

Tanggapan Rangkaian Terhadap Sinyal Sinus
Contoh Tanggapan Rangkaian Dengan Masukan Sinyal Sinus

vs =
26cos3t u(t) V

+


i
vs

5

1H
1

F

6

+
v



Rangkaian mendapat masukan
sinyal sinus yang muncul pada t = 0.
Tentukan perubahan tegangan dan
arus kapasitor, apabila kondisi awal
adalahi(0) = 2 A dan v(0) = 6 V

Pada t = 0+ : i(0+) = 2 A dan v(0+) = 6 V

Persamaan rangkaian untuk t > 0 :

 v s  Ri  L
dv

RC



di
dt

2

 LC

d i
2

dt

dt

5 dv

1 d v



2

d v
2

 v  vs

2

6 dt

dt

v0

5

6 dt

dv
dt

2

 v  26 cos 3 t

 6 v  156 cos 3 t

Tanggapan Rangkaian Terhadap Sinyal Sinus
Persamaan

2

karakteris tik : s  5 s  6  0  ( s  2 )( s  3 );
akar - akar : s1 , s 2   2 ,  3

Dugaan ta nggapan

paksa : v p  A c cos 3 t  A s sin 3 t
2

Persamaan rangkaian

d v
dt

2

5

dv

 6 v  156 cos 3 t

dt

   9 A c  15 A s  6 A c  cos 3 t    9 A s  15 A c  6 A s  sin 3 t  156 cos 3 t
  3 A c  15 A s  156
 Ac 

Tanggapan

156  0
 3  75

dan  15 A c  3 A s  0
  2 ; As 

5  156  0
75  3

 10

paksa : v p   2 cos 3 t  10 sin 3 t

Dugaan tan ggapan lengkap

: v   2 cos 3t  10 sin 3t  K 1 e

2t

 K 2e

 3t

masih harus ditentukan melalui
penerapan kondisi awal

Tanggapan Rangkaian Terhadap Sinyal Sinus


1 dv



awal : v ( 0 )  6 dan i ( 0 )  2 

Kondisi



(0 ) 

dv

6 dt
Aplikasi

kondisi

awal pertama

Aplikasi

kondisi

awal kedua :
 K1  6

Tanggapan

 i

1 dv

dt

: 6  2  K1  K 2  K 2  8  K1
12  30  2 K 1  3 K 2
 K2  2

: v   2 cos 3 t  10 sin 3 t  6 e

lengkap



( 0 )  12

 sin 3 t  5 cos 3 t  2 e

2t

e

 3t

2t

 2e

 3t

V

A

6 dt
30

v [V] 20
i [A]
10

Amplitudo tegangan
menurun

vs

Amplitudo arus
meningkat

v

0
-10 0
-20
-30

t [s]
i

2

4

6

8

10

Courseware
Analisis Transien Rangkaian Orde Ke-Dua

Sudaryatno Sudirham


Slide 31

Open Course

Selamat Belajar

oleh: Sudaryatno Sudirham

Tujuan
 mampu menurunkan persamaan rangkaian yang merupakan
rangkaian orde kedua.

 memahami bahwa tanggapan rangkaian terdiri dari tanggapan
paksa dan tanggapan alami yang mungkin berosilasi.
 mampu melakukan analisis transien pada rangkaian orde

kedua.

Bentuk Umum
Persamaan Rangkaian
Orde Ke-dua

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
2

a

d y
dt

2

b

dy

 cy  x ( t )

dt

y = tanggapan rangkaian yang dapat
berupa tegangan ataupun arus

fungsi pemaksa atau
fungsi penggerak.

tetapan a dan b ditentukan oleh nilainilai elemen yang membentuk rangkaian
Persamaan diferensial orde ke-dua muncul karena
rangkaian mengandung kapasitor dan induktor

dengan tegangan sebagai
peubah status

dengan arus
sebagai peubah status

sedangkan peubah dalam persamaan rangkaian
harus salah satu di ataranya, tegangan atau arus

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Tanggapan Alami
Tanggapan alami adalah solusi persamaan rangkaian di
mana x(t) bernilai nol:
2

a

d y
dt

2

b

dy

 cy  0

dt

Dugaan solusi y berbentuk fungsi eksponensial ya = Kest dengan nilai
K dan s yang masih harus ditentukan.
Kalau solusi ini dimasukkan ke persamaan, akan diperoleh
aKs
Ke

st

2

e

st

as

2

 bKse

st



 cKe

st

0

atau

 bs  c  0

Bagian ini yang harus bernilai nol yang
memberikan persamaan karakteristik
as

2

 bs  c  0

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
2

as  bs  c  0

Persamaan karakteristik yang berbentuk persamaan kwadrat itu
mempunyai dua akar yaitu
s1 , s 2 

2

b

b  4 ac
2a

Dengan adanya dua akar tersebut maka kita mempunyai
dua solusi homogen, yaitu
y a1  K 1e

s1 t

dan

ya 2  K 2e

s2t

dan tanggapan alami yang kita cari akan berbentuk
y a  K 1e

s1 t

 K 2e

s2t

Seperti halnya pada rangkaian orde pertama, tetapan-tetapan ini
diperoleh melalui penerapan kondisi awal pada tanggapan lengkap

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Tanggapan Paksa
Tanggapan paksa adalah solusi persamaan rangkaian di
mana x(t) 0:
2

a

d y
dt

2

b

dy

 cy  x ( t )

dt

Bentuk tanggapan paksa ditentukan oleh bentuk x(t)
sebagaimana telah diulas pada rangkaian orde pertama, yaitu
Jika x ( t )  0 , maka

yp  0

Jika x ( t )  A  konstan,
t

maka

Jika

x ( t )  Ae

Jika

x ( t )  A sin  t , maka

Jika

x ( t )  A cos  t , maka

y p  konstan  K

 eksponensi al, maka

y p  eksponensi al  Ke

y p  K c cos  t  K s sin  t
y p  K c cos  t  K s sin  t

Perhatikan : y  K c cos  t  K s sin  t adalah bentuk umum
fungsi sinus maupun

cosinus .

t

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Tanggapan Lengkap
Tanggapan lengkap adalah jumlah tanggapan alami
dan tanggapan paksa
y  y p  y a  y p  K 1e

s1t

 K 2e

s2t

Tetapan ini diperoleh melalui penerapan kondisi awal
Jika rangkaian mengandung C dan L, dua elemen
ini akan cenderung mempertahankan statusnya.
Jadi ada dua kondisi awal yang harus dipenuhi
yaitu




vC (0 )  vC (0 )

dan




iL (0 )  iL (0 )

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Kondisi Awal
Secara umum, kondisi awal adalah:




y (0 )  y (0 )

dan

dy





(0 )  y ' (0 )

dt

Nilai sesaat sebelum dan sesudah
penutupan/pembukaan saklar harus sama, dan
laju perubahan nilainya harus kontinyu
y

y

0

t

Pada rangkaian orde
pertama dy/dt(0+) tidak
perlu kontinyu

0

t

Pada rangkaian orde kedua dy/dt(0+)
harus kontinyu sebab ada d2y/dt2
dalam persamaan rangkaian yang
hanya terdefinisi jika dy/dt(0+) kontinyu

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Tiga Kemungkinan Bentuk Tanggapan
Persamaan karakteristik
as

2

 bs  c  0

dapat mempunyai tiga kemungkinan nilai akar, yaitu:
a). Dua akar riil berbeda, s1  s2, jika {b2 4ac } > 0;
b). Dua akar sama, s1 = s2 = s , jika {b24ac } = 0;

c). Dua akar kompleks konjugat s1,s2 =   j jika {b24ac } < 0.
Tiga kemungkinan akar ini akan memberikan tiga
kemungkinan bentuk tanggapan

Persamaan karakteristik dengan
dua akar riil berbeda,
s1  s2, {b2 4ac } > 0

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
Contoh-1
1H

S 1 2
+


15 V

+
v



iC
0,25 F

i
8,5 k

Saklar S telah lama berada pada posisi 1.
Pada t = 0 saklar dipindahkan ke posisi 2.
Carilah perubahan tegangan kapasitor.



Pada t = 0- : i ( 0 )  0 dan v ( 0 )  12 V

Persamaan Rangkaian pada t > 0 :  v  L

di

 Ri  0

dt

Karena i = -iC = -C dv/dt, maka:  v  LC

2

d v
dt

2

d v



dt

2



2

R dv

 RC

dt

2

0

dt


L dt

 8 ,5  10

v

0

LC

2

d v

dv

3

dv
dt

6

 4  10 v  0

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami

Persamaan karakteristik:

s

2

3

 8 , 5  10 s  4  10

 akar - akar : s1 , s 2   4250  10

3

6

0

2

( 4 , 25 )  4   500 ,  8000

 500 t
 8000 t
 K 2e
Dugaan tanggapan lengkap: v  0  K 1 e

Tak ada fungsi pemaksa

Kondisi awal: v C ( 0  )  15 V dan i L ( 0  )  0
Karena persamaan rangkaian menggunakan v
sebagai peubah maka kondisi awal arus iL(0+)
harus diubah menjadi dalam tegangan v






i L ( 0 )  iC ( 0 )  C

dv C ( 0 )



dv C ( 0 )
dt

0

dt

0

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
Kondisi awal:





v ( 0 )  15 V

dv ( 0 )

0

dt

 500 t
 8000 t
 K 2e
Dugaan tanggapan lengkap: v  0  K 1 e

0   500 K 1  8000 K 2

15  K1  K 2

0   500 K 1  8000 (15  K 1 )

K1 

8000  15

 16

K 2  1

7500

Tanggapan lengkap menjadi: v  16 e  500 t  e  8000 t V
(hanya ada tanggapan alami).

Ini adalah pelepasan muatan kapasitor pada
rangkaian R-L-C seri

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami

Tanggapan

lengkap : v  16 e

 500 t

e

 8000 t

V

16

v
[V] 12

v
8
4
0
0

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

-4

Perhatikan bahwa pada t = 0+ tegangan kapasitor adalah 15 V

Pada waktu kapasitor mulai melepaskan muatannya,
ada perlawanan dari induktor yang menyebabkan
penurunan tegangan pada saat-saat awal agak landai

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
Contoh-2

1H

S
+


19 V

+
v

iC



0,25 F

Saklar S telah lama tertutup.
Pada t = 0 saklar dibuka.
Tentukan perubahan tegangan
kapasitor dan arus induktor.

i
8,5 k

Sebelum saklar dibuka arus hanya melalui induktor. Dioda tidak konduksi.


i L (0 ) 

19
8500

Persamaan Rangkaian pada t > 0 :

i   iC   C



vC (0 )  0 V

 2 mA

dv C
dt

did 2 v
dv
L
 Ri 
0
vvLC
RC
0
dtdt 2
dt
2



d v
dt

2



R dv
L dt

dt

2

 8 ,5  10

0

LC

2

d v

v



3

dv
dt

6

 4  10 v  0

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
Persamaan

karkterist ik : s  8 ,5  10 s  4  10  0
2

3

 akar - akar : s1 , s 2   4250  10

Dugaan ta

nggapan

lengkap

3

6

( 4 , 25 )  4   500 ,  8000
2

: v  0  K 1e

 500 t

 K 2e

 8000 t

Tak ada fungsi pemaksa
Kondisi awal:



i L ( 0 )  2 mA



vC (0 )  0 V

dan

Karena persamaan rangkaian menggunakan v sebagai
peubah maka kondisi awal iL(0+) harus diubah menjadi
dalam v






 i L ( 0 )  iC ( 0 )  C


dv C ( 0 )
dt

 

dv C ( 0 )
dt
2  10
C

3

 2  10

3

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami


dv ( 0 )



Kondisi awal: v ( 0 )  0



dt

Dugaan ta

nggapan

2  10

6

0 , 25  10

: v  0  K 1e

lengkap

3

0  K1  K 2

 500 t

  8  10

 K 2e

3

 8000 t

 8000   500 K 1  8000 K 2

 8000   500 K 1  8000 K 1
K1 

Tegangan kapasitor menjadi

 8000

K 2   K1  1

  1, 06

7500

: v  1, 06 e

 500 t

 1e

 8000 t

V

Ini adalah pengisian kapasitor oleh arus
induktor pada rangkaian R-L-C seri
Arus induktor

: i L   iC   C
  133  10

dv

  0 , 25  10

dt
 3  500 t

e

 2e

6

 530 e

 8000 t

mA

 500 t

 8000 e

 8000 t



Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
Tanggapan lengkap : v  1, 06 e

 500 t

 1e

 8000 t

V

1

v
[V]

0. 5

0
0

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

-0. 5

-1

Perhatikan bahwa pada awalnya tegangan kapasitor naik
karena menerima pelepasan energi dari induktor

Kenaikan tegangan kapasitor mencapai puncak kemudian
menurun karena ia melepaskan muatan yang pada awalnya
diterima.

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
v  16 e

 500 t

e

 8000 t

v  1, 06 e

V

16

 500 t

 1e

 8000 t

V

1

v [V]

Pelepasan energi induktor

v

12

[V]

v

8

0. 5
0
0

4

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

-0. 5

0
0

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

-1

-4

Untuk kedua peristiwa ini yang di-plot terhadap waktu adalah tegangan kapasitor
Seandainya tidak ada induktor, penurunan tegangan kapasitor akan terjadi
dengan konstanta waktu

  RC  8500  0 . 25  10

6

 2125  10

-6

atau 1/ = 470,6. Tetapi karena ada induktor, konstanta waktu menjadi lebih kecil
sehingga 1/ = 500. Inilah yang terlihat pada suku pertama v.
Suku ke-dua v adalah pengaruh induktor, yang jika tidak ada kapasitor nilai 1/
= R/L = 8500. Karena ada kapasitor nilai ini menjadi 8000 pada suku ke-dua v.

Persamaan Karakteristik Memiliki Dua Akar
Riil Sama Besar
s1 = s2, {b2 4ac } = 0

Dua Akar Riil Sama Besar
Dua akar yang sama besar dapat kita tuliskan sebagai
s1  s

dan

s 2  s   ; dengan   0

Tanggapan lengkap akan berbentuk
y  y p  K 1e

s1t

 K 2e

s2t

st

 y p  K 1e

Tanggapan paksa

Kondisi awal pertama

 K 2e

( s   )t

Tanggapan alami

Kondisi awal kedua







y ( 0 )  y p ( 0 )  K 1 s  K 2 ( s   )







y ( 0 )  y p ( 0 )  ( K 1  K 2 ) s  K 2   B 0

y (0 )  y p (0 )  K 1  K 2
y ( 0 )  y p ( 0 )  K 1  K 2  A0

A0 s  K 2   B 0



K2 

B 0  A0 s


dan

K 1  A0 

B 0  A0 s


Dua Akar Riil Sama Besar
Tanggapan lengkap menjadi

 1 e  t   st
 e
y  y p   A0  ( B 0  A0 s )   
 
  


t
 1
 e t  1 
e 

t
lim  
 lim 







 0
 0





y  y p   A0  ( B 0  A0 s ) t  e

y  y p  K a  K b t  e

ditentukan oleh kondisi awal

st

st

ditentukan oleh kondisi awal dan s
s sendiri ditentukan oleh nilai elemenelemen yang membentuk rangkaian dan
tidak ada kaitannya dengan kondisi awal

Dua Akar Riil Sama Besar, Tanggapan Alami
Contoh-3.
1H

S 1 2
+


15 V

+
v



iC
0,25 F

i
4 k

Sakalar telah lama di posisi 1. Pada t
= 0 di pindah ke posisi 2. Tentukan
perubahan tegangan kapasitor.

(Diganti dengan 4 k dari contoh sebelumnya)


Sebelum saklar dipindahkan: v ( 0 )  15 V ; i ( 0 )  0

di

Persamaan rangkaian untuk t > 0:  v  L

 iR  0

dt
2

Karena i =  iC = C dv/dt

LC

d v
dt

2

 RC

dt

Persamaan karakteristik:

2

3

2

 4  10

s  4  10 s  4  10

v0

dt

2

d v

dv

3

dv
dt

6

0

 4  10 v  0
6

Dua Akar Riil Sama Besar, Tanggapan Alami
Persamaan

2

karakteris tik : s  4000 s  4  10
akar - akar : s1 , s 2   2000 

Karena persamaan
maka tanggapan

karakteris tik memiliki

6

0

4  10

6

 4  10

6

  2000  s

akar sama besar

lengkap akan berbentuk :
v  v p  K a  K b t  e

st

 0  K a  K b t  e

st

Tak ada fungsi pemaksa

Kondisi
Kondisi

awal pertama
awal kedua



dv
dt



dv
dt





v ( 0 )  v ( 0 )  v ( 0 )  15  K a .


(0 )  0 

dv
dt

 K be



(0 )  0  K b  K a s 

 Jadi : v  15  30000 t  e

st

 K a  K bt  s e

st

K b   K a s  30000
 2000 t

V

Dua Akar Riil Sama Besar, Tanggapan Alami

v  15  30000 t  e

 2000 t

V

15
10

v  30000 t e

 2000 t

5
0
0
-5
-10
-15

0.001

v  15 e

0.002

 2000 t

0.003

0.004

0.005

0.006

Dua akar kompleks konjugat
{b2 4ac } < 0
s1    j 

dan

s 2    j

Dua Akar Kompleks Konjugat
Akar-Akar Kompleks Konjugat
s1    j 

dan

s 2    j

Tanggapan lengkap akan berbentuk
y  y p  K 1e

(   j ) t

 K 2e

(   j ) t



 y p  K 1e

 j t

K 1 (cos  t  j sin  t )

 K 2e

 j t

e

t

K 2 (cos  t  j sin  t )

( K 1  K 2 ) cos  t  j ( K 1  K 2 ) sin  t

K a cos  t  K b sin  t

y  y p   K a cos  t  K b sin  t  e

t



Kondisi awal pertama: y ( 0 )  y p ( 0 )  K a

Kondisi awal kedua:





K a  y (0 )  y p (0 )



t
y ( 0 )  y p ( 0 )  {(  K b  K a  ) sin  t  ( K b    K a ) cos  t }e

 y p ( 0 )   K a   K b


 K a   K b  y  ( 0 )  y p ( 0 )

Dua Akar Kompleks Konjugat, Tanggapan Alami
Contoh-4.
1H

S 1 2
+


15 V

+
v


iC

0,25 F

i
1 k

Saklar S sudah lama pada posisi 1.
Pada t = 0 dipindah ke poisisi 2.
Carilah perubahan tegangan kapasitor.

(Diganti dengan 1 k dari contoh sebelumnya)

Pada t = 0+ : v ( 0  )  15 V ; i ( 0  )  0

vL

di

 iR  0

dt

Persamaan rangkaian untuk t > 0:
2

Karena i = iC = C dv/dt

d v

LC

dt

2

dt

Persamaan karakteristik:

2

2

3

 1  10

v0

dt

2

d v

dv

 RC

3

s  1  10 s  4  10

dv

 4  10 v  0

dt
6

0

6

Dua Akar Kompleks Konjugat, Tanggapan Alami
Persamaan

karakteris tik : s

2

 1000

dv

6

0

2

 4  10

 4  10

dt
akar - akar : s1 , s 2   500 

500

6

  500  j 500

15

dua akar kompleks konjugat
  j  dengan    500 ;   500

15

Tanggapan lengkap akan berbentuk:
v  0   K a cos  t  K b sin  t  e
Kondisi

awal pertama

Kondisi

awal kedua 



 v ( 0 )  15  K a
dv
dt



(0 )  0   K a   K b
 Kb 

Tanggapan

t



 K a




lengkap : v  15 cos( 500 15 t ) 

500  15
500



15

15



15 sin( 500 15 t ) e

 500 t

V

Dua Akar Kompleks Konjugat, Tanggapan Alami



v  15 cos( 500 15 t ) 



15 sin( 500 15 t ) e

 500 t

V

15

15 cos( 500 15 t

v 10
[V]
5

15 sin( 500 15 t )

t

0
0
-5
-10
-15

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

0.006

Dua Akar Kompleks Konjugat, Tanggapan Alami
Perbandingan tanggapan rangkaian:
Dua akar riil berbeda: sangat teredam, v  16 e  500 t  e  8000 t V
Dua akar riil sama besar : teredam kritis, v  15  30000 t  e  2000 t V

Dua akar kompleks konjugat : kurang teredam,



v  15 cos( 500 15 t ) 



15 sin( 500 15 t ) e

15
10
5
0
0
-5
-10
-15

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

0.006

 500 t

V

Tanggapan Rangkaian Terhadap Sinyal Sinus
Contoh Tanggapan Rangkaian Dengan Masukan Sinyal Sinus

vs =
26cos3t u(t) V

+


i
vs

5

1H
1

F

6

+
v



Rangkaian mendapat masukan
sinyal sinus yang muncul pada t = 0.
Tentukan perubahan tegangan dan
arus kapasitor, apabila kondisi awal
adalahi(0) = 2 A dan v(0) = 6 V

Pada t = 0+ : i(0+) = 2 A dan v(0+) = 6 V

Persamaan rangkaian untuk t > 0 :

 v s  Ri  L
dv

RC



di
dt

2

 LC

d i
2

dt

dt

5 dv

1 d v



2

d v
2

 v  vs

2

6 dt

dt

v0

5

6 dt

dv
dt

2

 v  26 cos 3 t

 6 v  156 cos 3 t

Tanggapan Rangkaian Terhadap Sinyal Sinus
Persamaan

2

karakteris tik : s  5 s  6  0  ( s  2 )( s  3 );
akar - akar : s1 , s 2   2 ,  3

Dugaan ta nggapan

paksa : v p  A c cos 3 t  A s sin 3 t
2

Persamaan rangkaian

d v
dt

2

5

dv

 6 v  156 cos 3 t

dt

   9 A c  15 A s  6 A c  cos 3 t    9 A s  15 A c  6 A s  sin 3 t  156 cos 3 t
  3 A c  15 A s  156
 Ac 

Tanggapan

156  0
 3  75

dan  15 A c  3 A s  0
  2 ; As 

5  156  0
75  3

 10

paksa : v p   2 cos 3 t  10 sin 3 t

Dugaan tan ggapan lengkap

: v   2 cos 3t  10 sin 3t  K 1 e

2t

 K 2e

 3t

masih harus ditentukan melalui
penerapan kondisi awal

Tanggapan Rangkaian Terhadap Sinyal Sinus


1 dv



awal : v ( 0 )  6 dan i ( 0 )  2 

Kondisi



(0 ) 

dv

6 dt
Aplikasi

kondisi

awal pertama

Aplikasi

kondisi

awal kedua :
 K1  6

Tanggapan

 i

1 dv

dt

: 6  2  K1  K 2  K 2  8  K1
12  30  2 K 1  3 K 2
 K2  2

: v   2 cos 3 t  10 sin 3 t  6 e

lengkap



( 0 )  12

 sin 3 t  5 cos 3 t  2 e

2t

e

 3t

2t

 2e

 3t

V

A

6 dt
30

v [V] 20
i [A]
10

Amplitudo tegangan
menurun

vs

Amplitudo arus
meningkat

v

0
-10 0
-20
-30

t [s]
i

2

4

6

8

10

Courseware
Analisis Transien Rangkaian Orde Ke-Dua

Sudaryatno Sudirham


Slide 32

Open Course

Selamat Belajar

oleh: Sudaryatno Sudirham

Tujuan
 mampu menurunkan persamaan rangkaian yang merupakan
rangkaian orde kedua.

 memahami bahwa tanggapan rangkaian terdiri dari tanggapan
paksa dan tanggapan alami yang mungkin berosilasi.
 mampu melakukan analisis transien pada rangkaian orde

kedua.

Bentuk Umum
Persamaan Rangkaian
Orde Ke-dua

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
2

a

d y
dt

2

b

dy

 cy  x ( t )

dt

y = tanggapan rangkaian yang dapat
berupa tegangan ataupun arus

fungsi pemaksa atau
fungsi penggerak.

tetapan a dan b ditentukan oleh nilainilai elemen yang membentuk rangkaian
Persamaan diferensial orde ke-dua muncul karena
rangkaian mengandung kapasitor dan induktor

dengan tegangan sebagai
peubah status

dengan arus
sebagai peubah status

sedangkan peubah dalam persamaan rangkaian
harus salah satu di ataranya, tegangan atau arus

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Tanggapan Alami
Tanggapan alami adalah solusi persamaan rangkaian di
mana x(t) bernilai nol:
2

a

d y
dt

2

b

dy

 cy  0

dt

Dugaan solusi y berbentuk fungsi eksponensial ya = Kest dengan nilai
K dan s yang masih harus ditentukan.
Kalau solusi ini dimasukkan ke persamaan, akan diperoleh
aKs
Ke

st

2

e

st

as

2

 bKse

st



 cKe

st

0

atau

 bs  c  0

Bagian ini yang harus bernilai nol yang
memberikan persamaan karakteristik
as

2

 bs  c  0

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
2

as  bs  c  0

Persamaan karakteristik yang berbentuk persamaan kwadrat itu
mempunyai dua akar yaitu
s1 , s 2 

2

b

b  4 ac
2a

Dengan adanya dua akar tersebut maka kita mempunyai
dua solusi homogen, yaitu
y a1  K 1e

s1 t

dan

ya 2  K 2e

s2t

dan tanggapan alami yang kita cari akan berbentuk
y a  K 1e

s1 t

 K 2e

s2t

Seperti halnya pada rangkaian orde pertama, tetapan-tetapan ini
diperoleh melalui penerapan kondisi awal pada tanggapan lengkap

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Tanggapan Paksa
Tanggapan paksa adalah solusi persamaan rangkaian di
mana x(t) 0:
2

a

d y
dt

2

b

dy

 cy  x ( t )

dt

Bentuk tanggapan paksa ditentukan oleh bentuk x(t)
sebagaimana telah diulas pada rangkaian orde pertama, yaitu
Jika x ( t )  0 , maka

yp  0

Jika x ( t )  A  konstan,
t

maka

Jika

x ( t )  Ae

Jika

x ( t )  A sin  t , maka

Jika

x ( t )  A cos  t , maka

y p  konstan  K

 eksponensi al, maka

y p  eksponensi al  Ke

y p  K c cos  t  K s sin  t
y p  K c cos  t  K s sin  t

Perhatikan : y  K c cos  t  K s sin  t adalah bentuk umum
fungsi sinus maupun

cosinus .

t

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Tanggapan Lengkap
Tanggapan lengkap adalah jumlah tanggapan alami
dan tanggapan paksa
y  y p  y a  y p  K 1e

s1t

 K 2e

s2t

Tetapan ini diperoleh melalui penerapan kondisi awal
Jika rangkaian mengandung C dan L, dua elemen
ini akan cenderung mempertahankan statusnya.
Jadi ada dua kondisi awal yang harus dipenuhi
yaitu




vC (0 )  vC (0 )

dan




iL (0 )  iL (0 )

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Kondisi Awal
Secara umum, kondisi awal adalah:




y (0 )  y (0 )

dan

dy





(0 )  y ' (0 )

dt

Nilai sesaat sebelum dan sesudah
penutupan/pembukaan saklar harus sama, dan
laju perubahan nilainya harus kontinyu
y

y

0

t

Pada rangkaian orde
pertama dy/dt(0+) tidak
perlu kontinyu

0

t

Pada rangkaian orde kedua dy/dt(0+)
harus kontinyu sebab ada d2y/dt2
dalam persamaan rangkaian yang
hanya terdefinisi jika dy/dt(0+) kontinyu

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Tiga Kemungkinan Bentuk Tanggapan
Persamaan karakteristik
as

2

 bs  c  0

dapat mempunyai tiga kemungkinan nilai akar, yaitu:
a). Dua akar riil berbeda, s1  s2, jika {b2 4ac } > 0;
b). Dua akar sama, s1 = s2 = s , jika {b24ac } = 0;

c). Dua akar kompleks konjugat s1,s2 =   j jika {b24ac } < 0.
Tiga kemungkinan akar ini akan memberikan tiga
kemungkinan bentuk tanggapan

Persamaan karakteristik dengan
dua akar riil berbeda,
s1  s2, {b2 4ac } > 0

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
Contoh-1
1H

S 1 2
+


15 V

+
v



iC
0,25 F

i
8,5 k

Saklar S telah lama berada pada posisi 1.
Pada t = 0 saklar dipindahkan ke posisi 2.
Carilah perubahan tegangan kapasitor.



Pada t = 0- : i ( 0 )  0 dan v ( 0 )  12 V

Persamaan Rangkaian pada t > 0 :  v  L

di

 Ri  0

dt

Karena i = -iC = -C dv/dt, maka:  v  LC

2

d v
dt

2

d v



dt

2



2

R dv

 RC

dt

2

0

dt


L dt

 8 ,5  10

v

0

LC

2

d v

dv

3

dv
dt

6

 4  10 v  0

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami

Persamaan karakteristik:

s

2

3

 8 , 5  10 s  4  10

 akar - akar : s1 , s 2   4250  10

3

6

0

2

( 4 , 25 )  4   500 ,  8000

 500 t
 8000 t
 K 2e
Dugaan tanggapan lengkap: v  0  K 1 e

Tak ada fungsi pemaksa

Kondisi awal: v C ( 0  )  15 V dan i L ( 0  )  0
Karena persamaan rangkaian menggunakan v
sebagai peubah maka kondisi awal arus iL(0+)
harus diubah menjadi dalam tegangan v






i L ( 0 )  iC ( 0 )  C

dv C ( 0 )



dv C ( 0 )
dt

0

dt

0

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
Kondisi awal:





v ( 0 )  15 V

dv ( 0 )

0

dt

 500 t
 8000 t
 K 2e
Dugaan tanggapan lengkap: v  0  K 1 e

0   500 K 1  8000 K 2

15  K1  K 2

0   500 K 1  8000 (15  K 1 )

K1 

8000  15

 16

K 2  1

7500

Tanggapan lengkap menjadi: v  16 e  500 t  e  8000 t V
(hanya ada tanggapan alami).

Ini adalah pelepasan muatan kapasitor pada
rangkaian R-L-C seri

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami

Tanggapan

lengkap : v  16 e

 500 t

e

 8000 t

V

16

v
[V] 12

v
8
4
0
0

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

-4

Perhatikan bahwa pada t = 0+ tegangan kapasitor adalah 15 V

Pada waktu kapasitor mulai melepaskan muatannya,
ada perlawanan dari induktor yang menyebabkan
penurunan tegangan pada saat-saat awal agak landai

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
Contoh-2

1H

S
+


19 V

+
v

iC



0,25 F

Saklar S telah lama tertutup.
Pada t = 0 saklar dibuka.
Tentukan perubahan tegangan
kapasitor dan arus induktor.

i
8,5 k

Sebelum saklar dibuka arus hanya melalui induktor. Dioda tidak konduksi.


i L (0 ) 

19
8500

Persamaan Rangkaian pada t > 0 :

i   iC   C



vC (0 )  0 V

 2 mA

dv C
dt

did 2 v
dv
L
 Ri 
0
vvLC
RC
0
dtdt 2
dt
2



d v
dt

2



R dv
L dt

dt

2

 8 ,5  10

0

LC

2

d v

v



3

dv
dt

6

 4  10 v  0

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
Persamaan

karkterist ik : s  8 ,5  10 s  4  10  0
2

3

 akar - akar : s1 , s 2   4250  10

Dugaan ta

nggapan

lengkap

3

6

( 4 , 25 )  4   500 ,  8000
2

: v  0  K 1e

 500 t

 K 2e

 8000 t

Tak ada fungsi pemaksa
Kondisi awal:



i L ( 0 )  2 mA



vC (0 )  0 V

dan

Karena persamaan rangkaian menggunakan v sebagai
peubah maka kondisi awal iL(0+) harus diubah menjadi
dalam v






 i L ( 0 )  iC ( 0 )  C


dv C ( 0 )
dt

 

dv C ( 0 )
dt
2  10
C

3

 2  10

3

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami


dv ( 0 )



Kondisi awal: v ( 0 )  0



dt

Dugaan ta

nggapan

2  10

6

0 , 25  10

: v  0  K 1e

lengkap

3

0  K1  K 2

 500 t

  8  10

 K 2e

3

 8000 t

 8000   500 K 1  8000 K 2

 8000   500 K 1  8000 K 1
K1 

Tegangan kapasitor menjadi

 8000

K 2   K1  1

  1, 06

7500

: v  1, 06 e

 500 t

 1e

 8000 t

V

Ini adalah pengisian kapasitor oleh arus
induktor pada rangkaian R-L-C seri
Arus induktor

: i L   iC   C
  133  10

dv

  0 , 25  10

dt
 3  500 t

e

 2e

6

 530 e

 8000 t

mA

 500 t

 8000 e

 8000 t



Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
Tanggapan lengkap : v  1, 06 e

 500 t

 1e

 8000 t

V

1

v
[V]

0. 5

0
0

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

-0. 5

-1

Perhatikan bahwa pada awalnya tegangan kapasitor naik
karena menerima pelepasan energi dari induktor

Kenaikan tegangan kapasitor mencapai puncak kemudian
menurun karena ia melepaskan muatan yang pada awalnya
diterima.

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
v  16 e

 500 t

e

 8000 t

v  1, 06 e

V

16

 500 t

 1e

 8000 t

V

1

v [V]

Pelepasan energi induktor

v

12

[V]

v

8

0. 5
0
0

4

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

-0. 5

0
0

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

-1

-4

Untuk kedua peristiwa ini yang di-plot terhadap waktu adalah tegangan kapasitor
Seandainya tidak ada induktor, penurunan tegangan kapasitor akan terjadi
dengan konstanta waktu

  RC  8500  0 . 25  10

6

 2125  10

-6

atau 1/ = 470,6. Tetapi karena ada induktor, konstanta waktu menjadi lebih kecil
sehingga 1/ = 500. Inilah yang terlihat pada suku pertama v.
Suku ke-dua v adalah pengaruh induktor, yang jika tidak ada kapasitor nilai 1/
= R/L = 8500. Karena ada kapasitor nilai ini menjadi 8000 pada suku ke-dua v.

Persamaan Karakteristik Memiliki Dua Akar
Riil Sama Besar
s1 = s2, {b2 4ac } = 0

Dua Akar Riil Sama Besar
Dua akar yang sama besar dapat kita tuliskan sebagai
s1  s

dan

s 2  s   ; dengan   0

Tanggapan lengkap akan berbentuk
y  y p  K 1e

s1t

 K 2e

s2t

st

 y p  K 1e

Tanggapan paksa

Kondisi awal pertama

 K 2e

( s   )t

Tanggapan alami

Kondisi awal kedua







y ( 0 )  y p ( 0 )  K 1 s  K 2 ( s   )







y ( 0 )  y p ( 0 )  ( K 1  K 2 ) s  K 2   B 0

y (0 )  y p (0 )  K 1  K 2
y ( 0 )  y p ( 0 )  K 1  K 2  A0

A0 s  K 2   B 0



K2 

B 0  A0 s


dan

K 1  A0 

B 0  A0 s


Dua Akar Riil Sama Besar
Tanggapan lengkap menjadi

 1 e  t   st
 e
y  y p   A0  ( B 0  A0 s )   
 
  


t
 1
 e t  1 
e 

t
lim  
 lim 







 0
 0





y  y p   A0  ( B 0  A0 s ) t  e

y  y p  K a  K b t  e

ditentukan oleh kondisi awal

st

st

ditentukan oleh kondisi awal dan s
s sendiri ditentukan oleh nilai elemenelemen yang membentuk rangkaian dan
tidak ada kaitannya dengan kondisi awal

Dua Akar Riil Sama Besar, Tanggapan Alami
Contoh-3.
1H

S 1 2
+


15 V

+
v



iC
0,25 F

i
4 k

Sakalar telah lama di posisi 1. Pada t
= 0 di pindah ke posisi 2. Tentukan
perubahan tegangan kapasitor.

(Diganti dengan 4 k dari contoh sebelumnya)


Sebelum saklar dipindahkan: v ( 0 )  15 V ; i ( 0 )  0

di

Persamaan rangkaian untuk t > 0:  v  L

 iR  0

dt
2

Karena i =  iC = C dv/dt

LC

d v
dt

2

 RC

dt

Persamaan karakteristik:

2

3

2

 4  10

s  4  10 s  4  10

v0

dt

2

d v

dv

3

dv
dt

6

0

 4  10 v  0
6

Dua Akar Riil Sama Besar, Tanggapan Alami
Persamaan

2

karakteris tik : s  4000 s  4  10
akar - akar : s1 , s 2   2000 

Karena persamaan
maka tanggapan

karakteris tik memiliki

6

0

4  10

6

 4  10

6

  2000  s

akar sama besar

lengkap akan berbentuk :
v  v p  K a  K b t  e

st

 0  K a  K b t  e

st

Tak ada fungsi pemaksa

Kondisi
Kondisi

awal pertama
awal kedua



dv
dt



dv
dt





v ( 0 )  v ( 0 )  v ( 0 )  15  K a .


(0 )  0 

dv
dt

 K be



(0 )  0  K b  K a s 

 Jadi : v  15  30000 t  e

st

 K a  K bt  s e

st

K b   K a s  30000
 2000 t

V

Dua Akar Riil Sama Besar, Tanggapan Alami

v  15  30000 t  e

 2000 t

V

15
10

v  30000 t e

 2000 t

5
0
0
-5
-10
-15

0.001

v  15 e

0.002

 2000 t

0.003

0.004

0.005

0.006

Dua akar kompleks konjugat
{b2 4ac } < 0
s1    j 

dan

s 2    j

Dua Akar Kompleks Konjugat
Akar-Akar Kompleks Konjugat
s1    j 

dan

s 2    j

Tanggapan lengkap akan berbentuk
y  y p  K 1e

(   j ) t

 K 2e

(   j ) t



 y p  K 1e

 j t

K 1 (cos  t  j sin  t )

 K 2e

 j t

e

t

K 2 (cos  t  j sin  t )

( K 1  K 2 ) cos  t  j ( K 1  K 2 ) sin  t

K a cos  t  K b sin  t

y  y p   K a cos  t  K b sin  t  e

t



Kondisi awal pertama: y ( 0 )  y p ( 0 )  K a

Kondisi awal kedua:





K a  y (0 )  y p (0 )



t
y ( 0 )  y p ( 0 )  {(  K b  K a  ) sin  t  ( K b    K a ) cos  t }e

 y p ( 0 )   K a   K b


 K a   K b  y  ( 0 )  y p ( 0 )

Dua Akar Kompleks Konjugat, Tanggapan Alami
Contoh-4.
1H

S 1 2
+


15 V

+
v


iC

0,25 F

i
1 k

Saklar S sudah lama pada posisi 1.
Pada t = 0 dipindah ke poisisi 2.
Carilah perubahan tegangan kapasitor.

(Diganti dengan 1 k dari contoh sebelumnya)

Pada t = 0+ : v ( 0  )  15 V ; i ( 0  )  0

vL

di

 iR  0

dt

Persamaan rangkaian untuk t > 0:
2

Karena i = iC = C dv/dt

d v

LC

dt

2

dt

Persamaan karakteristik:

2

2

3

 1  10

v0

dt

2

d v

dv

 RC

3

s  1  10 s  4  10

dv

 4  10 v  0

dt
6

0

6

Dua Akar Kompleks Konjugat, Tanggapan Alami
Persamaan

karakteris tik : s

2

 1000

dv

6

0

2

 4  10

 4  10

dt
akar - akar : s1 , s 2   500 

500

6

  500  j 500

15

dua akar kompleks konjugat
  j  dengan    500 ;   500

15

Tanggapan lengkap akan berbentuk:
v  0   K a cos  t  K b sin  t  e
Kondisi

awal pertama

Kondisi

awal kedua 



 v ( 0 )  15  K a
dv
dt



(0 )  0   K a   K b
 Kb 

Tanggapan

t



 K a




lengkap : v  15 cos( 500 15 t ) 

500  15
500



15

15



15 sin( 500 15 t ) e

 500 t

V

Dua Akar Kompleks Konjugat, Tanggapan Alami



v  15 cos( 500 15 t ) 



15 sin( 500 15 t ) e

 500 t

V

15

15 cos( 500 15 t

v 10
[V]
5

15 sin( 500 15 t )

t

0
0
-5
-10
-15

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

0.006

Dua Akar Kompleks Konjugat, Tanggapan Alami
Perbandingan tanggapan rangkaian:
Dua akar riil berbeda: sangat teredam, v  16 e  500 t  e  8000 t V
Dua akar riil sama besar : teredam kritis, v  15  30000 t  e  2000 t V

Dua akar kompleks konjugat : kurang teredam,



v  15 cos( 500 15 t ) 



15 sin( 500 15 t ) e

15
10
5
0
0
-5
-10
-15

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

0.006

 500 t

V

Tanggapan Rangkaian Terhadap Sinyal Sinus
Contoh Tanggapan Rangkaian Dengan Masukan Sinyal Sinus

vs =
26cos3t u(t) V

+


i
vs

5

1H
1

F

6

+
v



Rangkaian mendapat masukan
sinyal sinus yang muncul pada t = 0.
Tentukan perubahan tegangan dan
arus kapasitor, apabila kondisi awal
adalahi(0) = 2 A dan v(0) = 6 V

Pada t = 0+ : i(0+) = 2 A dan v(0+) = 6 V

Persamaan rangkaian untuk t > 0 :

 v s  Ri  L
dv

RC



di
dt

2

 LC

d i
2

dt

dt

5 dv

1 d v



2

d v
2

 v  vs

2

6 dt

dt

v0

5

6 dt

dv
dt

2

 v  26 cos 3 t

 6 v  156 cos 3 t

Tanggapan Rangkaian Terhadap Sinyal Sinus
Persamaan

2

karakteris tik : s  5 s  6  0  ( s  2 )( s  3 );
akar - akar : s1 , s 2   2 ,  3

Dugaan ta nggapan

paksa : v p  A c cos 3 t  A s sin 3 t
2

Persamaan rangkaian

d v
dt

2

5

dv

 6 v  156 cos 3 t

dt

   9 A c  15 A s  6 A c  cos 3 t    9 A s  15 A c  6 A s  sin 3 t  156 cos 3 t
  3 A c  15 A s  156
 Ac 

Tanggapan

156  0
 3  75

dan  15 A c  3 A s  0
  2 ; As 

5  156  0
75  3

 10

paksa : v p   2 cos 3 t  10 sin 3 t

Dugaan tan ggapan lengkap

: v   2 cos 3t  10 sin 3t  K 1 e

2t

 K 2e

 3t

masih harus ditentukan melalui
penerapan kondisi awal

Tanggapan Rangkaian Terhadap Sinyal Sinus


1 dv



awal : v ( 0 )  6 dan i ( 0 )  2 

Kondisi



(0 ) 

dv

6 dt
Aplikasi

kondisi

awal pertama

Aplikasi

kondisi

awal kedua :
 K1  6

Tanggapan

 i

1 dv

dt

: 6  2  K1  K 2  K 2  8  K1
12  30  2 K 1  3 K 2
 K2  2

: v   2 cos 3 t  10 sin 3 t  6 e

lengkap



( 0 )  12

 sin 3 t  5 cos 3 t  2 e

2t

e

 3t

2t

 2e

 3t

V

A

6 dt
30

v [V] 20
i [A]
10

Amplitudo tegangan
menurun

vs

Amplitudo arus
meningkat

v

0
-10 0
-20
-30

t [s]
i

2

4

6

8

10

Courseware
Analisis Transien Rangkaian Orde Ke-Dua

Sudaryatno Sudirham


Slide 33

Open Course

Selamat Belajar

oleh: Sudaryatno Sudirham

Tujuan
 mampu menurunkan persamaan rangkaian yang merupakan
rangkaian orde kedua.

 memahami bahwa tanggapan rangkaian terdiri dari tanggapan
paksa dan tanggapan alami yang mungkin berosilasi.
 mampu melakukan analisis transien pada rangkaian orde

kedua.

Bentuk Umum
Persamaan Rangkaian
Orde Ke-dua

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
2

a

d y
dt

2

b

dy

 cy  x ( t )

dt

y = tanggapan rangkaian yang dapat
berupa tegangan ataupun arus

fungsi pemaksa atau
fungsi penggerak.

tetapan a dan b ditentukan oleh nilainilai elemen yang membentuk rangkaian
Persamaan diferensial orde ke-dua muncul karena
rangkaian mengandung kapasitor dan induktor

dengan tegangan sebagai
peubah status

dengan arus
sebagai peubah status

sedangkan peubah dalam persamaan rangkaian
harus salah satu di ataranya, tegangan atau arus

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Tanggapan Alami
Tanggapan alami adalah solusi persamaan rangkaian di
mana x(t) bernilai nol:
2

a

d y
dt

2

b

dy

 cy  0

dt

Dugaan solusi y berbentuk fungsi eksponensial ya = Kest dengan nilai
K dan s yang masih harus ditentukan.
Kalau solusi ini dimasukkan ke persamaan, akan diperoleh
aKs
Ke

st

2

e

st

as

2

 bKse

st



 cKe

st

0

atau

 bs  c  0

Bagian ini yang harus bernilai nol yang
memberikan persamaan karakteristik
as

2

 bs  c  0

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
2

as  bs  c  0

Persamaan karakteristik yang berbentuk persamaan kwadrat itu
mempunyai dua akar yaitu
s1 , s 2 

2

b

b  4 ac
2a

Dengan adanya dua akar tersebut maka kita mempunyai
dua solusi homogen, yaitu
y a1  K 1e

s1 t

dan

ya 2  K 2e

s2t

dan tanggapan alami yang kita cari akan berbentuk
y a  K 1e

s1 t

 K 2e

s2t

Seperti halnya pada rangkaian orde pertama, tetapan-tetapan ini
diperoleh melalui penerapan kondisi awal pada tanggapan lengkap

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Tanggapan Paksa
Tanggapan paksa adalah solusi persamaan rangkaian di
mana x(t) 0:
2

a

d y
dt

2

b

dy

 cy  x ( t )

dt

Bentuk tanggapan paksa ditentukan oleh bentuk x(t)
sebagaimana telah diulas pada rangkaian orde pertama, yaitu
Jika x ( t )  0 , maka

yp  0

Jika x ( t )  A  konstan,
t

maka

Jika

x ( t )  Ae

Jika

x ( t )  A sin  t , maka

Jika

x ( t )  A cos  t , maka

y p  konstan  K

 eksponensi al, maka

y p  eksponensi al  Ke

y p  K c cos  t  K s sin  t
y p  K c cos  t  K s sin  t

Perhatikan : y  K c cos  t  K s sin  t adalah bentuk umum
fungsi sinus maupun

cosinus .

t

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Tanggapan Lengkap
Tanggapan lengkap adalah jumlah tanggapan alami
dan tanggapan paksa
y  y p  y a  y p  K 1e

s1t

 K 2e

s2t

Tetapan ini diperoleh melalui penerapan kondisi awal
Jika rangkaian mengandung C dan L, dua elemen
ini akan cenderung mempertahankan statusnya.
Jadi ada dua kondisi awal yang harus dipenuhi
yaitu




vC (0 )  vC (0 )

dan




iL (0 )  iL (0 )

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Kondisi Awal
Secara umum, kondisi awal adalah:




y (0 )  y (0 )

dan

dy





(0 )  y ' (0 )

dt

Nilai sesaat sebelum dan sesudah
penutupan/pembukaan saklar harus sama, dan
laju perubahan nilainya harus kontinyu
y

y

0

t

Pada rangkaian orde
pertama dy/dt(0+) tidak
perlu kontinyu

0

t

Pada rangkaian orde kedua dy/dt(0+)
harus kontinyu sebab ada d2y/dt2
dalam persamaan rangkaian yang
hanya terdefinisi jika dy/dt(0+) kontinyu

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Tiga Kemungkinan Bentuk Tanggapan
Persamaan karakteristik
as

2

 bs  c  0

dapat mempunyai tiga kemungkinan nilai akar, yaitu:
a). Dua akar riil berbeda, s1  s2, jika {b2 4ac } > 0;
b). Dua akar sama, s1 = s2 = s , jika {b24ac } = 0;

c). Dua akar kompleks konjugat s1,s2 =   j jika {b24ac } < 0.
Tiga kemungkinan akar ini akan memberikan tiga
kemungkinan bentuk tanggapan

Persamaan karakteristik dengan
dua akar riil berbeda,
s1  s2, {b2 4ac } > 0

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
Contoh-1
1H

S 1 2
+


15 V

+
v



iC
0,25 F

i
8,5 k

Saklar S telah lama berada pada posisi 1.
Pada t = 0 saklar dipindahkan ke posisi 2.
Carilah perubahan tegangan kapasitor.



Pada t = 0- : i ( 0 )  0 dan v ( 0 )  12 V

Persamaan Rangkaian pada t > 0 :  v  L

di

 Ri  0

dt

Karena i = -iC = -C dv/dt, maka:  v  LC

2

d v
dt

2

d v



dt

2



2

R dv

 RC

dt

2

0

dt


L dt

 8 ,5  10

v

0

LC

2

d v

dv

3

dv
dt

6

 4  10 v  0

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami

Persamaan karakteristik:

s

2

3

 8 , 5  10 s  4  10

 akar - akar : s1 , s 2   4250  10

3

6

0

2

( 4 , 25 )  4   500 ,  8000

 500 t
 8000 t
 K 2e
Dugaan tanggapan lengkap: v  0  K 1 e

Tak ada fungsi pemaksa

Kondisi awal: v C ( 0  )  15 V dan i L ( 0  )  0
Karena persamaan rangkaian menggunakan v
sebagai peubah maka kondisi awal arus iL(0+)
harus diubah menjadi dalam tegangan v






i L ( 0 )  iC ( 0 )  C

dv C ( 0 )



dv C ( 0 )
dt

0

dt

0

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
Kondisi awal:





v ( 0 )  15 V

dv ( 0 )

0

dt

 500 t
 8000 t
 K 2e
Dugaan tanggapan lengkap: v  0  K 1 e

0   500 K 1  8000 K 2

15  K1  K 2

0   500 K 1  8000 (15  K 1 )

K1 

8000  15

 16

K 2  1

7500

Tanggapan lengkap menjadi: v  16 e  500 t  e  8000 t V
(hanya ada tanggapan alami).

Ini adalah pelepasan muatan kapasitor pada
rangkaian R-L-C seri

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami

Tanggapan

lengkap : v  16 e

 500 t

e

 8000 t

V

16

v
[V] 12

v
8
4
0
0

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

-4

Perhatikan bahwa pada t = 0+ tegangan kapasitor adalah 15 V

Pada waktu kapasitor mulai melepaskan muatannya,
ada perlawanan dari induktor yang menyebabkan
penurunan tegangan pada saat-saat awal agak landai

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
Contoh-2

1H

S
+


19 V

+
v

iC



0,25 F

Saklar S telah lama tertutup.
Pada t = 0 saklar dibuka.
Tentukan perubahan tegangan
kapasitor dan arus induktor.

i
8,5 k

Sebelum saklar dibuka arus hanya melalui induktor. Dioda tidak konduksi.


i L (0 ) 

19
8500

Persamaan Rangkaian pada t > 0 :

i   iC   C



vC (0 )  0 V

 2 mA

dv C
dt

did 2 v
dv
L
 Ri 
0
vvLC
RC
0
dtdt 2
dt
2



d v
dt

2



R dv
L dt

dt

2

 8 ,5  10

0

LC

2

d v

v



3

dv
dt

6

 4  10 v  0

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
Persamaan

karkterist ik : s  8 ,5  10 s  4  10  0
2

3

 akar - akar : s1 , s 2   4250  10

Dugaan ta

nggapan

lengkap

3

6

( 4 , 25 )  4   500 ,  8000
2

: v  0  K 1e

 500 t

 K 2e

 8000 t

Tak ada fungsi pemaksa
Kondisi awal:



i L ( 0 )  2 mA



vC (0 )  0 V

dan

Karena persamaan rangkaian menggunakan v sebagai
peubah maka kondisi awal iL(0+) harus diubah menjadi
dalam v






 i L ( 0 )  iC ( 0 )  C


dv C ( 0 )
dt

 

dv C ( 0 )
dt
2  10
C

3

 2  10

3

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami


dv ( 0 )



Kondisi awal: v ( 0 )  0



dt

Dugaan ta

nggapan

2  10

6

0 , 25  10

: v  0  K 1e

lengkap

3

0  K1  K 2

 500 t

  8  10

 K 2e

3

 8000 t

 8000   500 K 1  8000 K 2

 8000   500 K 1  8000 K 1
K1 

Tegangan kapasitor menjadi

 8000

K 2   K1  1

  1, 06

7500

: v  1, 06 e

 500 t

 1e

 8000 t

V

Ini adalah pengisian kapasitor oleh arus
induktor pada rangkaian R-L-C seri
Arus induktor

: i L   iC   C
  133  10

dv

  0 , 25  10

dt
 3  500 t

e

 2e

6

 530 e

 8000 t

mA

 500 t

 8000 e

 8000 t



Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
Tanggapan lengkap : v  1, 06 e

 500 t

 1e

 8000 t

V

1

v
[V]

0. 5

0
0

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

-0. 5

-1

Perhatikan bahwa pada awalnya tegangan kapasitor naik
karena menerima pelepasan energi dari induktor

Kenaikan tegangan kapasitor mencapai puncak kemudian
menurun karena ia melepaskan muatan yang pada awalnya
diterima.

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
v  16 e

 500 t

e

 8000 t

v  1, 06 e

V

16

 500 t

 1e

 8000 t

V

1

v [V]

Pelepasan energi induktor

v

12

[V]

v

8

0. 5
0
0

4

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

-0. 5

0
0

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

-1

-4

Untuk kedua peristiwa ini yang di-plot terhadap waktu adalah tegangan kapasitor
Seandainya tidak ada induktor, penurunan tegangan kapasitor akan terjadi
dengan konstanta waktu

  RC  8500  0 . 25  10

6

 2125  10

-6

atau 1/ = 470,6. Tetapi karena ada induktor, konstanta waktu menjadi lebih kecil
sehingga 1/ = 500. Inilah yang terlihat pada suku pertama v.
Suku ke-dua v adalah pengaruh induktor, yang jika tidak ada kapasitor nilai 1/
= R/L = 8500. Karena ada kapasitor nilai ini menjadi 8000 pada suku ke-dua v.

Persamaan Karakteristik Memiliki Dua Akar
Riil Sama Besar
s1 = s2, {b2 4ac } = 0

Dua Akar Riil Sama Besar
Dua akar yang sama besar dapat kita tuliskan sebagai
s1  s

dan

s 2  s   ; dengan   0

Tanggapan lengkap akan berbentuk
y  y p  K 1e

s1t

 K 2e

s2t

st

 y p  K 1e

Tanggapan paksa

Kondisi awal pertama

 K 2e

( s   )t

Tanggapan alami

Kondisi awal kedua







y ( 0 )  y p ( 0 )  K 1 s  K 2 ( s   )







y ( 0 )  y p ( 0 )  ( K 1  K 2 ) s  K 2   B 0

y (0 )  y p (0 )  K 1  K 2
y ( 0 )  y p ( 0 )  K 1  K 2  A0

A0 s  K 2   B 0



K2 

B 0  A0 s


dan

K 1  A0 

B 0  A0 s


Dua Akar Riil Sama Besar
Tanggapan lengkap menjadi

 1 e  t   st
 e
y  y p   A0  ( B 0  A0 s )   
 
  


t
 1
 e t  1 
e 

t
lim  
 lim 







 0
 0





y  y p   A0  ( B 0  A0 s ) t  e

y  y p  K a  K b t  e

ditentukan oleh kondisi awal

st

st

ditentukan oleh kondisi awal dan s
s sendiri ditentukan oleh nilai elemenelemen yang membentuk rangkaian dan
tidak ada kaitannya dengan kondisi awal

Dua Akar Riil Sama Besar, Tanggapan Alami
Contoh-3.
1H

S 1 2
+


15 V

+
v



iC
0,25 F

i
4 k

Sakalar telah lama di posisi 1. Pada t
= 0 di pindah ke posisi 2. Tentukan
perubahan tegangan kapasitor.

(Diganti dengan 4 k dari contoh sebelumnya)


Sebelum saklar dipindahkan: v ( 0 )  15 V ; i ( 0 )  0

di

Persamaan rangkaian untuk t > 0:  v  L

 iR  0

dt
2

Karena i =  iC = C dv/dt

LC

d v
dt

2

 RC

dt

Persamaan karakteristik:

2

3

2

 4  10

s  4  10 s  4  10

v0

dt

2

d v

dv

3

dv
dt

6

0

 4  10 v  0
6

Dua Akar Riil Sama Besar, Tanggapan Alami
Persamaan

2

karakteris tik : s  4000 s  4  10
akar - akar : s1 , s 2   2000 

Karena persamaan
maka tanggapan

karakteris tik memiliki

6

0

4  10

6

 4  10

6

  2000  s

akar sama besar

lengkap akan berbentuk :
v  v p  K a  K b t  e

st

 0  K a  K b t  e

st

Tak ada fungsi pemaksa

Kondisi
Kondisi

awal pertama
awal kedua



dv
dt



dv
dt





v ( 0 )  v ( 0 )  v ( 0 )  15  K a .


(0 )  0 

dv
dt

 K be



(0 )  0  K b  K a s 

 Jadi : v  15  30000 t  e

st

 K a  K bt  s e

st

K b   K a s  30000
 2000 t

V

Dua Akar Riil Sama Besar, Tanggapan Alami

v  15  30000 t  e

 2000 t

V

15
10

v  30000 t e

 2000 t

5
0
0
-5
-10
-15

0.001

v  15 e

0.002

 2000 t

0.003

0.004

0.005

0.006

Dua akar kompleks konjugat
{b2 4ac } < 0
s1    j 

dan

s 2    j

Dua Akar Kompleks Konjugat
Akar-Akar Kompleks Konjugat
s1    j 

dan

s 2    j

Tanggapan lengkap akan berbentuk
y  y p  K 1e

(   j ) t

 K 2e

(   j ) t



 y p  K 1e

 j t

K 1 (cos  t  j sin  t )

 K 2e

 j t

e

t

K 2 (cos  t  j sin  t )

( K 1  K 2 ) cos  t  j ( K 1  K 2 ) sin  t

K a cos  t  K b sin  t

y  y p   K a cos  t  K b sin  t  e

t



Kondisi awal pertama: y ( 0 )  y p ( 0 )  K a

Kondisi awal kedua:





K a  y (0 )  y p (0 )



t
y ( 0 )  y p ( 0 )  {(  K b  K a  ) sin  t  ( K b    K a ) cos  t }e

 y p ( 0 )   K a   K b


 K a   K b  y  ( 0 )  y p ( 0 )

Dua Akar Kompleks Konjugat, Tanggapan Alami
Contoh-4.
1H

S 1 2
+


15 V

+
v


iC

0,25 F

i
1 k

Saklar S sudah lama pada posisi 1.
Pada t = 0 dipindah ke poisisi 2.
Carilah perubahan tegangan kapasitor.

(Diganti dengan 1 k dari contoh sebelumnya)

Pada t = 0+ : v ( 0  )  15 V ; i ( 0  )  0

vL

di

 iR  0

dt

Persamaan rangkaian untuk t > 0:
2

Karena i = iC = C dv/dt

d v

LC

dt

2

dt

Persamaan karakteristik:

2

2

3

 1  10

v0

dt

2

d v

dv

 RC

3

s  1  10 s  4  10

dv

 4  10 v  0

dt
6

0

6

Dua Akar Kompleks Konjugat, Tanggapan Alami
Persamaan

karakteris tik : s

2

 1000

dv

6

0

2

 4  10

 4  10

dt
akar - akar : s1 , s 2   500 

500

6

  500  j 500

15

dua akar kompleks konjugat
  j  dengan    500 ;   500

15

Tanggapan lengkap akan berbentuk:
v  0   K a cos  t  K b sin  t  e
Kondisi

awal pertama

Kondisi

awal kedua 



 v ( 0 )  15  K a
dv
dt



(0 )  0   K a   K b
 Kb 

Tanggapan

t



 K a




lengkap : v  15 cos( 500 15 t ) 

500  15
500



15

15



15 sin( 500 15 t ) e

 500 t

V

Dua Akar Kompleks Konjugat, Tanggapan Alami



v  15 cos( 500 15 t ) 



15 sin( 500 15 t ) e

 500 t

V

15

15 cos( 500 15 t

v 10
[V]
5

15 sin( 500 15 t )

t

0
0
-5
-10
-15

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

0.006

Dua Akar Kompleks Konjugat, Tanggapan Alami
Perbandingan tanggapan rangkaian:
Dua akar riil berbeda: sangat teredam, v  16 e  500 t  e  8000 t V
Dua akar riil sama besar : teredam kritis, v  15  30000 t  e  2000 t V

Dua akar kompleks konjugat : kurang teredam,



v  15 cos( 500 15 t ) 



15 sin( 500 15 t ) e

15
10
5
0
0
-5
-10
-15

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

0.006

 500 t

V

Tanggapan Rangkaian Terhadap Sinyal Sinus
Contoh Tanggapan Rangkaian Dengan Masukan Sinyal Sinus

vs =
26cos3t u(t) V

+


i
vs

5

1H
1

F

6

+
v



Rangkaian mendapat masukan
sinyal sinus yang muncul pada t = 0.
Tentukan perubahan tegangan dan
arus kapasitor, apabila kondisi awal
adalahi(0) = 2 A dan v(0) = 6 V

Pada t = 0+ : i(0+) = 2 A dan v(0+) = 6 V

Persamaan rangkaian untuk t > 0 :

 v s  Ri  L
dv

RC



di
dt

2

 LC

d i
2

dt

dt

5 dv

1 d v



2

d v
2

 v  vs

2

6 dt

dt

v0

5

6 dt

dv
dt

2

 v  26 cos 3 t

 6 v  156 cos 3 t

Tanggapan Rangkaian Terhadap Sinyal Sinus
Persamaan

2

karakteris tik : s  5 s  6  0  ( s  2 )( s  3 );
akar - akar : s1 , s 2   2 ,  3

Dugaan ta nggapan

paksa : v p  A c cos 3 t  A s sin 3 t
2

Persamaan rangkaian

d v
dt

2

5

dv

 6 v  156 cos 3 t

dt

   9 A c  15 A s  6 A c  cos 3 t    9 A s  15 A c  6 A s  sin 3 t  156 cos 3 t
  3 A c  15 A s  156
 Ac 

Tanggapan

156  0
 3  75

dan  15 A c  3 A s  0
  2 ; As 

5  156  0
75  3

 10

paksa : v p   2 cos 3 t  10 sin 3 t

Dugaan tan ggapan lengkap

: v   2 cos 3t  10 sin 3t  K 1 e

2t

 K 2e

 3t

masih harus ditentukan melalui
penerapan kondisi awal

Tanggapan Rangkaian Terhadap Sinyal Sinus


1 dv



awal : v ( 0 )  6 dan i ( 0 )  2 

Kondisi



(0 ) 

dv

6 dt
Aplikasi

kondisi

awal pertama

Aplikasi

kondisi

awal kedua :
 K1  6

Tanggapan

 i

1 dv

dt

: 6  2  K1  K 2  K 2  8  K1
12  30  2 K 1  3 K 2
 K2  2

: v   2 cos 3 t  10 sin 3 t  6 e

lengkap



( 0 )  12

 sin 3 t  5 cos 3 t  2 e

2t

e

 3t

2t

 2e

 3t

V

A

6 dt
30

v [V] 20
i [A]
10

Amplitudo tegangan
menurun

vs

Amplitudo arus
meningkat

v

0
-10 0
-20
-30

t [s]
i

2

4

6

8

10

Courseware
Analisis Transien Rangkaian Orde Ke-Dua

Sudaryatno Sudirham


Slide 34

Open Course

Selamat Belajar

oleh: Sudaryatno Sudirham

Tujuan
 mampu menurunkan persamaan rangkaian yang merupakan
rangkaian orde kedua.

 memahami bahwa tanggapan rangkaian terdiri dari tanggapan
paksa dan tanggapan alami yang mungkin berosilasi.
 mampu melakukan analisis transien pada rangkaian orde

kedua.

Bentuk Umum
Persamaan Rangkaian
Orde Ke-dua

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
2

a

d y
dt

2

b

dy

 cy  x ( t )

dt

y = tanggapan rangkaian yang dapat
berupa tegangan ataupun arus

fungsi pemaksa atau
fungsi penggerak.

tetapan a dan b ditentukan oleh nilainilai elemen yang membentuk rangkaian
Persamaan diferensial orde ke-dua muncul karena
rangkaian mengandung kapasitor dan induktor

dengan tegangan sebagai
peubah status

dengan arus
sebagai peubah status

sedangkan peubah dalam persamaan rangkaian
harus salah satu di ataranya, tegangan atau arus

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Tanggapan Alami
Tanggapan alami adalah solusi persamaan rangkaian di
mana x(t) bernilai nol:
2

a

d y
dt

2

b

dy

 cy  0

dt

Dugaan solusi y berbentuk fungsi eksponensial ya = Kest dengan nilai
K dan s yang masih harus ditentukan.
Kalau solusi ini dimasukkan ke persamaan, akan diperoleh
aKs
Ke

st

2

e

st

as

2

 bKse

st



 cKe

st

0

atau

 bs  c  0

Bagian ini yang harus bernilai nol yang
memberikan persamaan karakteristik
as

2

 bs  c  0

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
2

as  bs  c  0

Persamaan karakteristik yang berbentuk persamaan kwadrat itu
mempunyai dua akar yaitu
s1 , s 2 

2

b

b  4 ac
2a

Dengan adanya dua akar tersebut maka kita mempunyai
dua solusi homogen, yaitu
y a1  K 1e

s1 t

dan

ya 2  K 2e

s2t

dan tanggapan alami yang kita cari akan berbentuk
y a  K 1e

s1 t

 K 2e

s2t

Seperti halnya pada rangkaian orde pertama, tetapan-tetapan ini
diperoleh melalui penerapan kondisi awal pada tanggapan lengkap

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Tanggapan Paksa
Tanggapan paksa adalah solusi persamaan rangkaian di
mana x(t) 0:
2

a

d y
dt

2

b

dy

 cy  x ( t )

dt

Bentuk tanggapan paksa ditentukan oleh bentuk x(t)
sebagaimana telah diulas pada rangkaian orde pertama, yaitu
Jika x ( t )  0 , maka

yp  0

Jika x ( t )  A  konstan,
t

maka

Jika

x ( t )  Ae

Jika

x ( t )  A sin  t , maka

Jika

x ( t )  A cos  t , maka

y p  konstan  K

 eksponensi al, maka

y p  eksponensi al  Ke

y p  K c cos  t  K s sin  t
y p  K c cos  t  K s sin  t

Perhatikan : y  K c cos  t  K s sin  t adalah bentuk umum
fungsi sinus maupun

cosinus .

t

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Tanggapan Lengkap
Tanggapan lengkap adalah jumlah tanggapan alami
dan tanggapan paksa
y  y p  y a  y p  K 1e

s1t

 K 2e

s2t

Tetapan ini diperoleh melalui penerapan kondisi awal
Jika rangkaian mengandung C dan L, dua elemen
ini akan cenderung mempertahankan statusnya.
Jadi ada dua kondisi awal yang harus dipenuhi
yaitu




vC (0 )  vC (0 )

dan




iL (0 )  iL (0 )

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Kondisi Awal
Secara umum, kondisi awal adalah:




y (0 )  y (0 )

dan

dy





(0 )  y ' (0 )

dt

Nilai sesaat sebelum dan sesudah
penutupan/pembukaan saklar harus sama, dan
laju perubahan nilainya harus kontinyu
y

y

0

t

Pada rangkaian orde
pertama dy/dt(0+) tidak
perlu kontinyu

0

t

Pada rangkaian orde kedua dy/dt(0+)
harus kontinyu sebab ada d2y/dt2
dalam persamaan rangkaian yang
hanya terdefinisi jika dy/dt(0+) kontinyu

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Tiga Kemungkinan Bentuk Tanggapan
Persamaan karakteristik
as

2

 bs  c  0

dapat mempunyai tiga kemungkinan nilai akar, yaitu:
a). Dua akar riil berbeda, s1  s2, jika {b2 4ac } > 0;
b). Dua akar sama, s1 = s2 = s , jika {b24ac } = 0;

c). Dua akar kompleks konjugat s1,s2 =   j jika {b24ac } < 0.
Tiga kemungkinan akar ini akan memberikan tiga
kemungkinan bentuk tanggapan

Persamaan karakteristik dengan
dua akar riil berbeda,
s1  s2, {b2 4ac } > 0

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
Contoh-1
1H

S 1 2
+


15 V

+
v



iC
0,25 F

i
8,5 k

Saklar S telah lama berada pada posisi 1.
Pada t = 0 saklar dipindahkan ke posisi 2.
Carilah perubahan tegangan kapasitor.



Pada t = 0- : i ( 0 )  0 dan v ( 0 )  12 V

Persamaan Rangkaian pada t > 0 :  v  L

di

 Ri  0

dt

Karena i = -iC = -C dv/dt, maka:  v  LC

2

d v
dt

2

d v



dt

2



2

R dv

 RC

dt

2

0

dt


L dt

 8 ,5  10

v

0

LC

2

d v

dv

3

dv
dt

6

 4  10 v  0

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami

Persamaan karakteristik:

s

2

3

 8 , 5  10 s  4  10

 akar - akar : s1 , s 2   4250  10

3

6

0

2

( 4 , 25 )  4   500 ,  8000

 500 t
 8000 t
 K 2e
Dugaan tanggapan lengkap: v  0  K 1 e

Tak ada fungsi pemaksa

Kondisi awal: v C ( 0  )  15 V dan i L ( 0  )  0
Karena persamaan rangkaian menggunakan v
sebagai peubah maka kondisi awal arus iL(0+)
harus diubah menjadi dalam tegangan v






i L ( 0 )  iC ( 0 )  C

dv C ( 0 )



dv C ( 0 )
dt

0

dt

0

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
Kondisi awal:





v ( 0 )  15 V

dv ( 0 )

0

dt

 500 t
 8000 t
 K 2e
Dugaan tanggapan lengkap: v  0  K 1 e

0   500 K 1  8000 K 2

15  K1  K 2

0   500 K 1  8000 (15  K 1 )

K1 

8000  15

 16

K 2  1

7500

Tanggapan lengkap menjadi: v  16 e  500 t  e  8000 t V
(hanya ada tanggapan alami).

Ini adalah pelepasan muatan kapasitor pada
rangkaian R-L-C seri

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami

Tanggapan

lengkap : v  16 e

 500 t

e

 8000 t

V

16

v
[V] 12

v
8
4
0
0

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

-4

Perhatikan bahwa pada t = 0+ tegangan kapasitor adalah 15 V

Pada waktu kapasitor mulai melepaskan muatannya,
ada perlawanan dari induktor yang menyebabkan
penurunan tegangan pada saat-saat awal agak landai

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
Contoh-2

1H

S
+


19 V

+
v

iC



0,25 F

Saklar S telah lama tertutup.
Pada t = 0 saklar dibuka.
Tentukan perubahan tegangan
kapasitor dan arus induktor.

i
8,5 k

Sebelum saklar dibuka arus hanya melalui induktor. Dioda tidak konduksi.


i L (0 ) 

19
8500

Persamaan Rangkaian pada t > 0 :

i   iC   C



vC (0 )  0 V

 2 mA

dv C
dt

did 2 v
dv
L
 Ri 
0
vvLC
RC
0
dtdt 2
dt
2



d v
dt

2



R dv
L dt

dt

2

 8 ,5  10

0

LC

2

d v

v



3

dv
dt

6

 4  10 v  0

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
Persamaan

karkterist ik : s  8 ,5  10 s  4  10  0
2

3

 akar - akar : s1 , s 2   4250  10

Dugaan ta

nggapan

lengkap

3

6

( 4 , 25 )  4   500 ,  8000
2

: v  0  K 1e

 500 t

 K 2e

 8000 t

Tak ada fungsi pemaksa
Kondisi awal:



i L ( 0 )  2 mA



vC (0 )  0 V

dan

Karena persamaan rangkaian menggunakan v sebagai
peubah maka kondisi awal iL(0+) harus diubah menjadi
dalam v






 i L ( 0 )  iC ( 0 )  C


dv C ( 0 )
dt

 

dv C ( 0 )
dt
2  10
C

3

 2  10

3

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami


dv ( 0 )



Kondisi awal: v ( 0 )  0



dt

Dugaan ta

nggapan

2  10

6

0 , 25  10

: v  0  K 1e

lengkap

3

0  K1  K 2

 500 t

  8  10

 K 2e

3

 8000 t

 8000   500 K 1  8000 K 2

 8000   500 K 1  8000 K 1
K1 

Tegangan kapasitor menjadi

 8000

K 2   K1  1

  1, 06

7500

: v  1, 06 e

 500 t

 1e

 8000 t

V

Ini adalah pengisian kapasitor oleh arus
induktor pada rangkaian R-L-C seri
Arus induktor

: i L   iC   C
  133  10

dv

  0 , 25  10

dt
 3  500 t

e

 2e

6

 530 e

 8000 t

mA

 500 t

 8000 e

 8000 t



Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
Tanggapan lengkap : v  1, 06 e

 500 t

 1e

 8000 t

V

1

v
[V]

0. 5

0
0

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

-0. 5

-1

Perhatikan bahwa pada awalnya tegangan kapasitor naik
karena menerima pelepasan energi dari induktor

Kenaikan tegangan kapasitor mencapai puncak kemudian
menurun karena ia melepaskan muatan yang pada awalnya
diterima.

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
v  16 e

 500 t

e

 8000 t

v  1, 06 e

V

16

 500 t

 1e

 8000 t

V

1

v [V]

Pelepasan energi induktor

v

12

[V]

v

8

0. 5
0
0

4

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

-0. 5

0
0

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

-1

-4

Untuk kedua peristiwa ini yang di-plot terhadap waktu adalah tegangan kapasitor
Seandainya tidak ada induktor, penurunan tegangan kapasitor akan terjadi
dengan konstanta waktu

  RC  8500  0 . 25  10

6

 2125  10

-6

atau 1/ = 470,6. Tetapi karena ada induktor, konstanta waktu menjadi lebih kecil
sehingga 1/ = 500. Inilah yang terlihat pada suku pertama v.
Suku ke-dua v adalah pengaruh induktor, yang jika tidak ada kapasitor nilai 1/
= R/L = 8500. Karena ada kapasitor nilai ini menjadi 8000 pada suku ke-dua v.

Persamaan Karakteristik Memiliki Dua Akar
Riil Sama Besar
s1 = s2, {b2 4ac } = 0

Dua Akar Riil Sama Besar
Dua akar yang sama besar dapat kita tuliskan sebagai
s1  s

dan

s 2  s   ; dengan   0

Tanggapan lengkap akan berbentuk
y  y p  K 1e

s1t

 K 2e

s2t

st

 y p  K 1e

Tanggapan paksa

Kondisi awal pertama

 K 2e

( s   )t

Tanggapan alami

Kondisi awal kedua







y ( 0 )  y p ( 0 )  K 1 s  K 2 ( s   )







y ( 0 )  y p ( 0 )  ( K 1  K 2 ) s  K 2   B 0

y (0 )  y p (0 )  K 1  K 2
y ( 0 )  y p ( 0 )  K 1  K 2  A0

A0 s  K 2   B 0



K2 

B 0  A0 s


dan

K 1  A0 

B 0  A0 s


Dua Akar Riil Sama Besar
Tanggapan lengkap menjadi

 1 e  t   st
 e
y  y p   A0  ( B 0  A0 s )   
 
  


t
 1
 e t  1 
e 

t
lim  
 lim 







 0
 0





y  y p   A0  ( B 0  A0 s ) t  e

y  y p  K a  K b t  e

ditentukan oleh kondisi awal

st

st

ditentukan oleh kondisi awal dan s
s sendiri ditentukan oleh nilai elemenelemen yang membentuk rangkaian dan
tidak ada kaitannya dengan kondisi awal

Dua Akar Riil Sama Besar, Tanggapan Alami
Contoh-3.
1H

S 1 2
+


15 V

+
v



iC
0,25 F

i
4 k

Sakalar telah lama di posisi 1. Pada t
= 0 di pindah ke posisi 2. Tentukan
perubahan tegangan kapasitor.

(Diganti dengan 4 k dari contoh sebelumnya)


Sebelum saklar dipindahkan: v ( 0 )  15 V ; i ( 0 )  0

di

Persamaan rangkaian untuk t > 0:  v  L

 iR  0

dt
2

Karena i =  iC = C dv/dt

LC

d v
dt

2

 RC

dt

Persamaan karakteristik:

2

3

2

 4  10

s  4  10 s  4  10

v0

dt

2

d v

dv

3

dv
dt

6

0

 4  10 v  0
6

Dua Akar Riil Sama Besar, Tanggapan Alami
Persamaan

2

karakteris tik : s  4000 s  4  10
akar - akar : s1 , s 2   2000 

Karena persamaan
maka tanggapan

karakteris tik memiliki

6

0

4  10

6

 4  10

6

  2000  s

akar sama besar

lengkap akan berbentuk :
v  v p  K a  K b t  e

st

 0  K a  K b t  e

st

Tak ada fungsi pemaksa

Kondisi
Kondisi

awal pertama
awal kedua



dv
dt



dv
dt





v ( 0 )  v ( 0 )  v ( 0 )  15  K a .


(0 )  0 

dv
dt

 K be



(0 )  0  K b  K a s 

 Jadi : v  15  30000 t  e

st

 K a  K bt  s e

st

K b   K a s  30000
 2000 t

V

Dua Akar Riil Sama Besar, Tanggapan Alami

v  15  30000 t  e

 2000 t

V

15
10

v  30000 t e

 2000 t

5
0
0
-5
-10
-15

0.001

v  15 e

0.002

 2000 t

0.003

0.004

0.005

0.006

Dua akar kompleks konjugat
{b2 4ac } < 0
s1    j 

dan

s 2    j

Dua Akar Kompleks Konjugat
Akar-Akar Kompleks Konjugat
s1    j 

dan

s 2    j

Tanggapan lengkap akan berbentuk
y  y p  K 1e

(   j ) t

 K 2e

(   j ) t



 y p  K 1e

 j t

K 1 (cos  t  j sin  t )

 K 2e

 j t

e

t

K 2 (cos  t  j sin  t )

( K 1  K 2 ) cos  t  j ( K 1  K 2 ) sin  t

K a cos  t  K b sin  t

y  y p   K a cos  t  K b sin  t  e

t



Kondisi awal pertama: y ( 0 )  y p ( 0 )  K a

Kondisi awal kedua:





K a  y (0 )  y p (0 )



t
y ( 0 )  y p ( 0 )  {(  K b  K a  ) sin  t  ( K b    K a ) cos  t }e

 y p ( 0 )   K a   K b


 K a   K b  y  ( 0 )  y p ( 0 )

Dua Akar Kompleks Konjugat, Tanggapan Alami
Contoh-4.
1H

S 1 2
+


15 V

+
v


iC

0,25 F

i
1 k

Saklar S sudah lama pada posisi 1.
Pada t = 0 dipindah ke poisisi 2.
Carilah perubahan tegangan kapasitor.

(Diganti dengan 1 k dari contoh sebelumnya)

Pada t = 0+ : v ( 0  )  15 V ; i ( 0  )  0

vL

di

 iR  0

dt

Persamaan rangkaian untuk t > 0:
2

Karena i = iC = C dv/dt

d v

LC

dt

2

dt

Persamaan karakteristik:

2

2

3

 1  10

v0

dt

2

d v

dv

 RC

3

s  1  10 s  4  10

dv

 4  10 v  0

dt
6

0

6

Dua Akar Kompleks Konjugat, Tanggapan Alami
Persamaan

karakteris tik : s

2

 1000

dv

6

0

2

 4  10

 4  10

dt
akar - akar : s1 , s 2   500 

500

6

  500  j 500

15

dua akar kompleks konjugat
  j  dengan    500 ;   500

15

Tanggapan lengkap akan berbentuk:
v  0   K a cos  t  K b sin  t  e
Kondisi

awal pertama

Kondisi

awal kedua 



 v ( 0 )  15  K a
dv
dt



(0 )  0   K a   K b
 Kb 

Tanggapan

t



 K a




lengkap : v  15 cos( 500 15 t ) 

500  15
500



15

15



15 sin( 500 15 t ) e

 500 t

V

Dua Akar Kompleks Konjugat, Tanggapan Alami



v  15 cos( 500 15 t ) 



15 sin( 500 15 t ) e

 500 t

V

15

15 cos( 500 15 t

v 10
[V]
5

15 sin( 500 15 t )

t

0
0
-5
-10
-15

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

0.006

Dua Akar Kompleks Konjugat, Tanggapan Alami
Perbandingan tanggapan rangkaian:
Dua akar riil berbeda: sangat teredam, v  16 e  500 t  e  8000 t V
Dua akar riil sama besar : teredam kritis, v  15  30000 t  e  2000 t V

Dua akar kompleks konjugat : kurang teredam,



v  15 cos( 500 15 t ) 



15 sin( 500 15 t ) e

15
10
5
0
0
-5
-10
-15

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

0.006

 500 t

V

Tanggapan Rangkaian Terhadap Sinyal Sinus
Contoh Tanggapan Rangkaian Dengan Masukan Sinyal Sinus

vs =
26cos3t u(t) V

+


i
vs

5

1H
1

F

6

+
v



Rangkaian mendapat masukan
sinyal sinus yang muncul pada t = 0.
Tentukan perubahan tegangan dan
arus kapasitor, apabila kondisi awal
adalahi(0) = 2 A dan v(0) = 6 V

Pada t = 0+ : i(0+) = 2 A dan v(0+) = 6 V

Persamaan rangkaian untuk t > 0 :

 v s  Ri  L
dv

RC



di
dt

2

 LC

d i
2

dt

dt

5 dv

1 d v



2

d v
2

 v  vs

2

6 dt

dt

v0

5

6 dt

dv
dt

2

 v  26 cos 3 t

 6 v  156 cos 3 t

Tanggapan Rangkaian Terhadap Sinyal Sinus
Persamaan

2

karakteris tik : s  5 s  6  0  ( s  2 )( s  3 );
akar - akar : s1 , s 2   2 ,  3

Dugaan ta nggapan

paksa : v p  A c cos 3 t  A s sin 3 t
2

Persamaan rangkaian

d v
dt

2

5

dv

 6 v  156 cos 3 t

dt

   9 A c  15 A s  6 A c  cos 3 t    9 A s  15 A c  6 A s  sin 3 t  156 cos 3 t
  3 A c  15 A s  156
 Ac 

Tanggapan

156  0
 3  75

dan  15 A c  3 A s  0
  2 ; As 

5  156  0
75  3

 10

paksa : v p   2 cos 3 t  10 sin 3 t

Dugaan tan ggapan lengkap

: v   2 cos 3t  10 sin 3t  K 1 e

2t

 K 2e

 3t

masih harus ditentukan melalui
penerapan kondisi awal

Tanggapan Rangkaian Terhadap Sinyal Sinus


1 dv



awal : v ( 0 )  6 dan i ( 0 )  2 

Kondisi



(0 ) 

dv

6 dt
Aplikasi

kondisi

awal pertama

Aplikasi

kondisi

awal kedua :
 K1  6

Tanggapan

 i

1 dv

dt

: 6  2  K1  K 2  K 2  8  K1
12  30  2 K 1  3 K 2
 K2  2

: v   2 cos 3 t  10 sin 3 t  6 e

lengkap



( 0 )  12

 sin 3 t  5 cos 3 t  2 e

2t

e

 3t

2t

 2e

 3t

V

A

6 dt
30

v [V] 20
i [A]
10

Amplitudo tegangan
menurun

vs

Amplitudo arus
meningkat

v

0
-10 0
-20
-30

t [s]
i

2

4

6

8

10

Courseware
Analisis Transien Rangkaian Orde Ke-Dua

Sudaryatno Sudirham


Slide 35

Open Course

Selamat Belajar

oleh: Sudaryatno Sudirham

Tujuan
 mampu menurunkan persamaan rangkaian yang merupakan
rangkaian orde kedua.

 memahami bahwa tanggapan rangkaian terdiri dari tanggapan
paksa dan tanggapan alami yang mungkin berosilasi.
 mampu melakukan analisis transien pada rangkaian orde

kedua.

Bentuk Umum
Persamaan Rangkaian
Orde Ke-dua

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
2

a

d y
dt

2

b

dy

 cy  x ( t )

dt

y = tanggapan rangkaian yang dapat
berupa tegangan ataupun arus

fungsi pemaksa atau
fungsi penggerak.

tetapan a dan b ditentukan oleh nilainilai elemen yang membentuk rangkaian
Persamaan diferensial orde ke-dua muncul karena
rangkaian mengandung kapasitor dan induktor

dengan tegangan sebagai
peubah status

dengan arus
sebagai peubah status

sedangkan peubah dalam persamaan rangkaian
harus salah satu di ataranya, tegangan atau arus

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Tanggapan Alami
Tanggapan alami adalah solusi persamaan rangkaian di
mana x(t) bernilai nol:
2

a

d y
dt

2

b

dy

 cy  0

dt

Dugaan solusi y berbentuk fungsi eksponensial ya = Kest dengan nilai
K dan s yang masih harus ditentukan.
Kalau solusi ini dimasukkan ke persamaan, akan diperoleh
aKs
Ke

st

2

e

st

as

2

 bKse

st



 cKe

st

0

atau

 bs  c  0

Bagian ini yang harus bernilai nol yang
memberikan persamaan karakteristik
as

2

 bs  c  0

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
2

as  bs  c  0

Persamaan karakteristik yang berbentuk persamaan kwadrat itu
mempunyai dua akar yaitu
s1 , s 2 

2

b

b  4 ac
2a

Dengan adanya dua akar tersebut maka kita mempunyai
dua solusi homogen, yaitu
y a1  K 1e

s1 t

dan

ya 2  K 2e

s2t

dan tanggapan alami yang kita cari akan berbentuk
y a  K 1e

s1 t

 K 2e

s2t

Seperti halnya pada rangkaian orde pertama, tetapan-tetapan ini
diperoleh melalui penerapan kondisi awal pada tanggapan lengkap

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Tanggapan Paksa
Tanggapan paksa adalah solusi persamaan rangkaian di
mana x(t) 0:
2

a

d y
dt

2

b

dy

 cy  x ( t )

dt

Bentuk tanggapan paksa ditentukan oleh bentuk x(t)
sebagaimana telah diulas pada rangkaian orde pertama, yaitu
Jika x ( t )  0 , maka

yp  0

Jika x ( t )  A  konstan,
t

maka

Jika

x ( t )  Ae

Jika

x ( t )  A sin  t , maka

Jika

x ( t )  A cos  t , maka

y p  konstan  K

 eksponensi al, maka

y p  eksponensi al  Ke

y p  K c cos  t  K s sin  t
y p  K c cos  t  K s sin  t

Perhatikan : y  K c cos  t  K s sin  t adalah bentuk umum
fungsi sinus maupun

cosinus .

t

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Tanggapan Lengkap
Tanggapan lengkap adalah jumlah tanggapan alami
dan tanggapan paksa
y  y p  y a  y p  K 1e

s1t

 K 2e

s2t

Tetapan ini diperoleh melalui penerapan kondisi awal
Jika rangkaian mengandung C dan L, dua elemen
ini akan cenderung mempertahankan statusnya.
Jadi ada dua kondisi awal yang harus dipenuhi
yaitu




vC (0 )  vC (0 )

dan




iL (0 )  iL (0 )

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Kondisi Awal
Secara umum, kondisi awal adalah:




y (0 )  y (0 )

dan

dy





(0 )  y ' (0 )

dt

Nilai sesaat sebelum dan sesudah
penutupan/pembukaan saklar harus sama, dan
laju perubahan nilainya harus kontinyu
y

y

0

t

Pada rangkaian orde
pertama dy/dt(0+) tidak
perlu kontinyu

0

t

Pada rangkaian orde kedua dy/dt(0+)
harus kontinyu sebab ada d2y/dt2
dalam persamaan rangkaian yang
hanya terdefinisi jika dy/dt(0+) kontinyu

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Tiga Kemungkinan Bentuk Tanggapan
Persamaan karakteristik
as

2

 bs  c  0

dapat mempunyai tiga kemungkinan nilai akar, yaitu:
a). Dua akar riil berbeda, s1  s2, jika {b2 4ac } > 0;
b). Dua akar sama, s1 = s2 = s , jika {b24ac } = 0;

c). Dua akar kompleks konjugat s1,s2 =   j jika {b24ac } < 0.
Tiga kemungkinan akar ini akan memberikan tiga
kemungkinan bentuk tanggapan

Persamaan karakteristik dengan
dua akar riil berbeda,
s1  s2, {b2 4ac } > 0

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
Contoh-1
1H

S 1 2
+


15 V

+
v



iC
0,25 F

i
8,5 k

Saklar S telah lama berada pada posisi 1.
Pada t = 0 saklar dipindahkan ke posisi 2.
Carilah perubahan tegangan kapasitor.



Pada t = 0- : i ( 0 )  0 dan v ( 0 )  12 V

Persamaan Rangkaian pada t > 0 :  v  L

di

 Ri  0

dt

Karena i = -iC = -C dv/dt, maka:  v  LC

2

d v
dt

2

d v



dt

2



2

R dv

 RC

dt

2

0

dt


L dt

 8 ,5  10

v

0

LC

2

d v

dv

3

dv
dt

6

 4  10 v  0

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami

Persamaan karakteristik:

s

2

3

 8 , 5  10 s  4  10

 akar - akar : s1 , s 2   4250  10

3

6

0

2

( 4 , 25 )  4   500 ,  8000

 500 t
 8000 t
 K 2e
Dugaan tanggapan lengkap: v  0  K 1 e

Tak ada fungsi pemaksa

Kondisi awal: v C ( 0  )  15 V dan i L ( 0  )  0
Karena persamaan rangkaian menggunakan v
sebagai peubah maka kondisi awal arus iL(0+)
harus diubah menjadi dalam tegangan v






i L ( 0 )  iC ( 0 )  C

dv C ( 0 )



dv C ( 0 )
dt

0

dt

0

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
Kondisi awal:





v ( 0 )  15 V

dv ( 0 )

0

dt

 500 t
 8000 t
 K 2e
Dugaan tanggapan lengkap: v  0  K 1 e

0   500 K 1  8000 K 2

15  K1  K 2

0   500 K 1  8000 (15  K 1 )

K1 

8000  15

 16

K 2  1

7500

Tanggapan lengkap menjadi: v  16 e  500 t  e  8000 t V
(hanya ada tanggapan alami).

Ini adalah pelepasan muatan kapasitor pada
rangkaian R-L-C seri

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami

Tanggapan

lengkap : v  16 e

 500 t

e

 8000 t

V

16

v
[V] 12

v
8
4
0
0

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

-4

Perhatikan bahwa pada t = 0+ tegangan kapasitor adalah 15 V

Pada waktu kapasitor mulai melepaskan muatannya,
ada perlawanan dari induktor yang menyebabkan
penurunan tegangan pada saat-saat awal agak landai

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
Contoh-2

1H

S
+


19 V

+
v

iC



0,25 F

Saklar S telah lama tertutup.
Pada t = 0 saklar dibuka.
Tentukan perubahan tegangan
kapasitor dan arus induktor.

i
8,5 k

Sebelum saklar dibuka arus hanya melalui induktor. Dioda tidak konduksi.


i L (0 ) 

19
8500

Persamaan Rangkaian pada t > 0 :

i   iC   C



vC (0 )  0 V

 2 mA

dv C
dt

did 2 v
dv
L
 Ri 
0
vvLC
RC
0
dtdt 2
dt
2



d v
dt

2



R dv
L dt

dt

2

 8 ,5  10

0

LC

2

d v

v



3

dv
dt

6

 4  10 v  0

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
Persamaan

karkterist ik : s  8 ,5  10 s  4  10  0
2

3

 akar - akar : s1 , s 2   4250  10

Dugaan ta

nggapan

lengkap

3

6

( 4 , 25 )  4   500 ,  8000
2

: v  0  K 1e

 500 t

 K 2e

 8000 t

Tak ada fungsi pemaksa
Kondisi awal:



i L ( 0 )  2 mA



vC (0 )  0 V

dan

Karena persamaan rangkaian menggunakan v sebagai
peubah maka kondisi awal iL(0+) harus diubah menjadi
dalam v






 i L ( 0 )  iC ( 0 )  C


dv C ( 0 )
dt

 

dv C ( 0 )
dt
2  10
C

3

 2  10

3

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami


dv ( 0 )



Kondisi awal: v ( 0 )  0



dt

Dugaan ta

nggapan

2  10

6

0 , 25  10

: v  0  K 1e

lengkap

3

0  K1  K 2

 500 t

  8  10

 K 2e

3

 8000 t

 8000   500 K 1  8000 K 2

 8000   500 K 1  8000 K 1
K1 

Tegangan kapasitor menjadi

 8000

K 2   K1  1

  1, 06

7500

: v  1, 06 e

 500 t

 1e

 8000 t

V

Ini adalah pengisian kapasitor oleh arus
induktor pada rangkaian R-L-C seri
Arus induktor

: i L   iC   C
  133  10

dv

  0 , 25  10

dt
 3  500 t

e

 2e

6

 530 e

 8000 t

mA

 500 t

 8000 e

 8000 t



Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
Tanggapan lengkap : v  1, 06 e

 500 t

 1e

 8000 t

V

1

v
[V]

0. 5

0
0

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

-0. 5

-1

Perhatikan bahwa pada awalnya tegangan kapasitor naik
karena menerima pelepasan energi dari induktor

Kenaikan tegangan kapasitor mencapai puncak kemudian
menurun karena ia melepaskan muatan yang pada awalnya
diterima.

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
v  16 e

 500 t

e

 8000 t

v  1, 06 e

V

16

 500 t

 1e

 8000 t

V

1

v [V]

Pelepasan energi induktor

v

12

[V]

v

8

0. 5
0
0

4

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

-0. 5

0
0

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

-1

-4

Untuk kedua peristiwa ini yang di-plot terhadap waktu adalah tegangan kapasitor
Seandainya tidak ada induktor, penurunan tegangan kapasitor akan terjadi
dengan konstanta waktu

  RC  8500  0 . 25  10

6

 2125  10

-6

atau 1/ = 470,6. Tetapi karena ada induktor, konstanta waktu menjadi lebih kecil
sehingga 1/ = 500. Inilah yang terlihat pada suku pertama v.
Suku ke-dua v adalah pengaruh induktor, yang jika tidak ada kapasitor nilai 1/
= R/L = 8500. Karena ada kapasitor nilai ini menjadi 8000 pada suku ke-dua v.

Persamaan Karakteristik Memiliki Dua Akar
Riil Sama Besar
s1 = s2, {b2 4ac } = 0

Dua Akar Riil Sama Besar
Dua akar yang sama besar dapat kita tuliskan sebagai
s1  s

dan

s 2  s   ; dengan   0

Tanggapan lengkap akan berbentuk
y  y p  K 1e

s1t

 K 2e

s2t

st

 y p  K 1e

Tanggapan paksa

Kondisi awal pertama

 K 2e

( s   )t

Tanggapan alami

Kondisi awal kedua







y ( 0 )  y p ( 0 )  K 1 s  K 2 ( s   )







y ( 0 )  y p ( 0 )  ( K 1  K 2 ) s  K 2   B 0

y (0 )  y p (0 )  K 1  K 2
y ( 0 )  y p ( 0 )  K 1  K 2  A0

A0 s  K 2   B 0



K2 

B 0  A0 s


dan

K 1  A0 

B 0  A0 s


Dua Akar Riil Sama Besar
Tanggapan lengkap menjadi

 1 e  t   st
 e
y  y p   A0  ( B 0  A0 s )   
 
  


t
 1
 e t  1 
e 

t
lim  
 lim 







 0
 0





y  y p   A0  ( B 0  A0 s ) t  e

y  y p  K a  K b t  e

ditentukan oleh kondisi awal

st

st

ditentukan oleh kondisi awal dan s
s sendiri ditentukan oleh nilai elemenelemen yang membentuk rangkaian dan
tidak ada kaitannya dengan kondisi awal

Dua Akar Riil Sama Besar, Tanggapan Alami
Contoh-3.
1H

S 1 2
+


15 V

+
v



iC
0,25 F

i
4 k

Sakalar telah lama di posisi 1. Pada t
= 0 di pindah ke posisi 2. Tentukan
perubahan tegangan kapasitor.

(Diganti dengan 4 k dari contoh sebelumnya)


Sebelum saklar dipindahkan: v ( 0 )  15 V ; i ( 0 )  0

di

Persamaan rangkaian untuk t > 0:  v  L

 iR  0

dt
2

Karena i =  iC = C dv/dt

LC

d v
dt

2

 RC

dt

Persamaan karakteristik:

2

3

2

 4  10

s  4  10 s  4  10

v0

dt

2

d v

dv

3

dv
dt

6

0

 4  10 v  0
6

Dua Akar Riil Sama Besar, Tanggapan Alami
Persamaan

2

karakteris tik : s  4000 s  4  10
akar - akar : s1 , s 2   2000 

Karena persamaan
maka tanggapan

karakteris tik memiliki

6

0

4  10

6

 4  10

6

  2000  s

akar sama besar

lengkap akan berbentuk :
v  v p  K a  K b t  e

st

 0  K a  K b t  e

st

Tak ada fungsi pemaksa

Kondisi
Kondisi

awal pertama
awal kedua



dv
dt



dv
dt





v ( 0 )  v ( 0 )  v ( 0 )  15  K a .


(0 )  0 

dv
dt

 K be



(0 )  0  K b  K a s 

 Jadi : v  15  30000 t  e

st

 K a  K bt  s e

st

K b   K a s  30000
 2000 t

V

Dua Akar Riil Sama Besar, Tanggapan Alami

v  15  30000 t  e

 2000 t

V

15
10

v  30000 t e

 2000 t

5
0
0
-5
-10
-15

0.001

v  15 e

0.002

 2000 t

0.003

0.004

0.005

0.006

Dua akar kompleks konjugat
{b2 4ac } < 0
s1    j 

dan

s 2    j

Dua Akar Kompleks Konjugat
Akar-Akar Kompleks Konjugat
s1    j 

dan

s 2    j

Tanggapan lengkap akan berbentuk
y  y p  K 1e

(   j ) t

 K 2e

(   j ) t



 y p  K 1e

 j t

K 1 (cos  t  j sin  t )

 K 2e

 j t

e

t

K 2 (cos  t  j sin  t )

( K 1  K 2 ) cos  t  j ( K 1  K 2 ) sin  t

K a cos  t  K b sin  t

y  y p   K a cos  t  K b sin  t  e

t



Kondisi awal pertama: y ( 0 )  y p ( 0 )  K a

Kondisi awal kedua:





K a  y (0 )  y p (0 )



t
y ( 0 )  y p ( 0 )  {(  K b  K a  ) sin  t  ( K b    K a ) cos  t }e

 y p ( 0 )   K a   K b


 K a   K b  y  ( 0 )  y p ( 0 )

Dua Akar Kompleks Konjugat, Tanggapan Alami
Contoh-4.
1H

S 1 2
+


15 V

+
v


iC

0,25 F

i
1 k

Saklar S sudah lama pada posisi 1.
Pada t = 0 dipindah ke poisisi 2.
Carilah perubahan tegangan kapasitor.

(Diganti dengan 1 k dari contoh sebelumnya)

Pada t = 0+ : v ( 0  )  15 V ; i ( 0  )  0

vL

di

 iR  0

dt

Persamaan rangkaian untuk t > 0:
2

Karena i = iC = C dv/dt

d v

LC

dt

2

dt

Persamaan karakteristik:

2

2

3

 1  10

v0

dt

2

d v

dv

 RC

3

s  1  10 s  4  10

dv

 4  10 v  0

dt
6

0

6

Dua Akar Kompleks Konjugat, Tanggapan Alami
Persamaan

karakteris tik : s

2

 1000

dv

6

0

2

 4  10

 4  10

dt
akar - akar : s1 , s 2   500 

500

6

  500  j 500

15

dua akar kompleks konjugat
  j  dengan    500 ;   500

15

Tanggapan lengkap akan berbentuk:
v  0   K a cos  t  K b sin  t  e
Kondisi

awal pertama

Kondisi

awal kedua 



 v ( 0 )  15  K a
dv
dt



(0 )  0   K a   K b
 Kb 

Tanggapan

t



 K a




lengkap : v  15 cos( 500 15 t ) 

500  15
500



15

15



15 sin( 500 15 t ) e

 500 t

V

Dua Akar Kompleks Konjugat, Tanggapan Alami



v  15 cos( 500 15 t ) 



15 sin( 500 15 t ) e

 500 t

V

15

15 cos( 500 15 t

v 10
[V]
5

15 sin( 500 15 t )

t

0
0
-5
-10
-15

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

0.006

Dua Akar Kompleks Konjugat, Tanggapan Alami
Perbandingan tanggapan rangkaian:
Dua akar riil berbeda: sangat teredam, v  16 e  500 t  e  8000 t V
Dua akar riil sama besar : teredam kritis, v  15  30000 t  e  2000 t V

Dua akar kompleks konjugat : kurang teredam,



v  15 cos( 500 15 t ) 



15 sin( 500 15 t ) e

15
10
5
0
0
-5
-10
-15

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

0.006

 500 t

V

Tanggapan Rangkaian Terhadap Sinyal Sinus
Contoh Tanggapan Rangkaian Dengan Masukan Sinyal Sinus

vs =
26cos3t u(t) V

+


i
vs

5

1H
1

F

6

+
v



Rangkaian mendapat masukan
sinyal sinus yang muncul pada t = 0.
Tentukan perubahan tegangan dan
arus kapasitor, apabila kondisi awal
adalahi(0) = 2 A dan v(0) = 6 V

Pada t = 0+ : i(0+) = 2 A dan v(0+) = 6 V

Persamaan rangkaian untuk t > 0 :

 v s  Ri  L
dv

RC



di
dt

2

 LC

d i
2

dt

dt

5 dv

1 d v



2

d v
2

 v  vs

2

6 dt

dt

v0

5

6 dt

dv
dt

2

 v  26 cos 3 t

 6 v  156 cos 3 t

Tanggapan Rangkaian Terhadap Sinyal Sinus
Persamaan

2

karakteris tik : s  5 s  6  0  ( s  2 )( s  3 );
akar - akar : s1 , s 2   2 ,  3

Dugaan ta nggapan

paksa : v p  A c cos 3 t  A s sin 3 t
2

Persamaan rangkaian

d v
dt

2

5

dv

 6 v  156 cos 3 t

dt

   9 A c  15 A s  6 A c  cos 3 t    9 A s  15 A c  6 A s  sin 3 t  156 cos 3 t
  3 A c  15 A s  156
 Ac 

Tanggapan

156  0
 3  75

dan  15 A c  3 A s  0
  2 ; As 

5  156  0
75  3

 10

paksa : v p   2 cos 3 t  10 sin 3 t

Dugaan tan ggapan lengkap

: v   2 cos 3t  10 sin 3t  K 1 e

2t

 K 2e

 3t

masih harus ditentukan melalui
penerapan kondisi awal

Tanggapan Rangkaian Terhadap Sinyal Sinus


1 dv



awal : v ( 0 )  6 dan i ( 0 )  2 

Kondisi



(0 ) 

dv

6 dt
Aplikasi

kondisi

awal pertama

Aplikasi

kondisi

awal kedua :
 K1  6

Tanggapan

 i

1 dv

dt

: 6  2  K1  K 2  K 2  8  K1
12  30  2 K 1  3 K 2
 K2  2

: v   2 cos 3 t  10 sin 3 t  6 e

lengkap



( 0 )  12

 sin 3 t  5 cos 3 t  2 e

2t

e

 3t

2t

 2e

 3t

V

A

6 dt
30

v [V] 20
i [A]
10

Amplitudo tegangan
menurun

vs

Amplitudo arus
meningkat

v

0
-10 0
-20
-30

t [s]
i

2

4

6

8

10

Courseware
Analisis Transien Rangkaian Orde Ke-Dua

Sudaryatno Sudirham


Slide 36

Open Course

Selamat Belajar

oleh: Sudaryatno Sudirham

Tujuan
 mampu menurunkan persamaan rangkaian yang merupakan
rangkaian orde kedua.

 memahami bahwa tanggapan rangkaian terdiri dari tanggapan
paksa dan tanggapan alami yang mungkin berosilasi.
 mampu melakukan analisis transien pada rangkaian orde

kedua.

Bentuk Umum
Persamaan Rangkaian
Orde Ke-dua

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
2

a

d y
dt

2

b

dy

 cy  x ( t )

dt

y = tanggapan rangkaian yang dapat
berupa tegangan ataupun arus

fungsi pemaksa atau
fungsi penggerak.

tetapan a dan b ditentukan oleh nilainilai elemen yang membentuk rangkaian
Persamaan diferensial orde ke-dua muncul karena
rangkaian mengandung kapasitor dan induktor

dengan tegangan sebagai
peubah status

dengan arus
sebagai peubah status

sedangkan peubah dalam persamaan rangkaian
harus salah satu di ataranya, tegangan atau arus

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Tanggapan Alami
Tanggapan alami adalah solusi persamaan rangkaian di
mana x(t) bernilai nol:
2

a

d y
dt

2

b

dy

 cy  0

dt

Dugaan solusi y berbentuk fungsi eksponensial ya = Kest dengan nilai
K dan s yang masih harus ditentukan.
Kalau solusi ini dimasukkan ke persamaan, akan diperoleh
aKs
Ke

st

2

e

st

as

2

 bKse

st



 cKe

st

0

atau

 bs  c  0

Bagian ini yang harus bernilai nol yang
memberikan persamaan karakteristik
as

2

 bs  c  0

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
2

as  bs  c  0

Persamaan karakteristik yang berbentuk persamaan kwadrat itu
mempunyai dua akar yaitu
s1 , s 2 

2

b

b  4 ac
2a

Dengan adanya dua akar tersebut maka kita mempunyai
dua solusi homogen, yaitu
y a1  K 1e

s1 t

dan

ya 2  K 2e

s2t

dan tanggapan alami yang kita cari akan berbentuk
y a  K 1e

s1 t

 K 2e

s2t

Seperti halnya pada rangkaian orde pertama, tetapan-tetapan ini
diperoleh melalui penerapan kondisi awal pada tanggapan lengkap

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Tanggapan Paksa
Tanggapan paksa adalah solusi persamaan rangkaian di
mana x(t) 0:
2

a

d y
dt

2

b

dy

 cy  x ( t )

dt

Bentuk tanggapan paksa ditentukan oleh bentuk x(t)
sebagaimana telah diulas pada rangkaian orde pertama, yaitu
Jika x ( t )  0 , maka

yp  0

Jika x ( t )  A  konstan,
t

maka

Jika

x ( t )  Ae

Jika

x ( t )  A sin  t , maka

Jika

x ( t )  A cos  t , maka

y p  konstan  K

 eksponensi al, maka

y p  eksponensi al  Ke

y p  K c cos  t  K s sin  t
y p  K c cos  t  K s sin  t

Perhatikan : y  K c cos  t  K s sin  t adalah bentuk umum
fungsi sinus maupun

cosinus .

t

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Tanggapan Lengkap
Tanggapan lengkap adalah jumlah tanggapan alami
dan tanggapan paksa
y  y p  y a  y p  K 1e

s1t

 K 2e

s2t

Tetapan ini diperoleh melalui penerapan kondisi awal
Jika rangkaian mengandung C dan L, dua elemen
ini akan cenderung mempertahankan statusnya.
Jadi ada dua kondisi awal yang harus dipenuhi
yaitu




vC (0 )  vC (0 )

dan




iL (0 )  iL (0 )

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Kondisi Awal
Secara umum, kondisi awal adalah:




y (0 )  y (0 )

dan

dy





(0 )  y ' (0 )

dt

Nilai sesaat sebelum dan sesudah
penutupan/pembukaan saklar harus sama, dan
laju perubahan nilainya harus kontinyu
y

y

0

t

Pada rangkaian orde
pertama dy/dt(0+) tidak
perlu kontinyu

0

t

Pada rangkaian orde kedua dy/dt(0+)
harus kontinyu sebab ada d2y/dt2
dalam persamaan rangkaian yang
hanya terdefinisi jika dy/dt(0+) kontinyu

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Tiga Kemungkinan Bentuk Tanggapan
Persamaan karakteristik
as

2

 bs  c  0

dapat mempunyai tiga kemungkinan nilai akar, yaitu:
a). Dua akar riil berbeda, s1  s2, jika {b2 4ac } > 0;
b). Dua akar sama, s1 = s2 = s , jika {b24ac } = 0;

c). Dua akar kompleks konjugat s1,s2 =   j jika {b24ac } < 0.
Tiga kemungkinan akar ini akan memberikan tiga
kemungkinan bentuk tanggapan

Persamaan karakteristik dengan
dua akar riil berbeda,
s1  s2, {b2 4ac } > 0

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
Contoh-1
1H

S 1 2
+


15 V

+
v



iC
0,25 F

i
8,5 k

Saklar S telah lama berada pada posisi 1.
Pada t = 0 saklar dipindahkan ke posisi 2.
Carilah perubahan tegangan kapasitor.



Pada t = 0- : i ( 0 )  0 dan v ( 0 )  12 V

Persamaan Rangkaian pada t > 0 :  v  L

di

 Ri  0

dt

Karena i = -iC = -C dv/dt, maka:  v  LC

2

d v
dt

2

d v



dt

2



2

R dv

 RC

dt

2

0

dt


L dt

 8 ,5  10

v

0

LC

2

d v

dv

3

dv
dt

6

 4  10 v  0

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami

Persamaan karakteristik:

s

2

3

 8 , 5  10 s  4  10

 akar - akar : s1 , s 2   4250  10

3

6

0

2

( 4 , 25 )  4   500 ,  8000

 500 t
 8000 t
 K 2e
Dugaan tanggapan lengkap: v  0  K 1 e

Tak ada fungsi pemaksa

Kondisi awal: v C ( 0  )  15 V dan i L ( 0  )  0
Karena persamaan rangkaian menggunakan v
sebagai peubah maka kondisi awal arus iL(0+)
harus diubah menjadi dalam tegangan v






i L ( 0 )  iC ( 0 )  C

dv C ( 0 )



dv C ( 0 )
dt

0

dt

0

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
Kondisi awal:





v ( 0 )  15 V

dv ( 0 )

0

dt

 500 t
 8000 t
 K 2e
Dugaan tanggapan lengkap: v  0  K 1 e

0   500 K 1  8000 K 2

15  K1  K 2

0   500 K 1  8000 (15  K 1 )

K1 

8000  15

 16

K 2  1

7500

Tanggapan lengkap menjadi: v  16 e  500 t  e  8000 t V
(hanya ada tanggapan alami).

Ini adalah pelepasan muatan kapasitor pada
rangkaian R-L-C seri

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami

Tanggapan

lengkap : v  16 e

 500 t

e

 8000 t

V

16

v
[V] 12

v
8
4
0
0

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

-4

Perhatikan bahwa pada t = 0+ tegangan kapasitor adalah 15 V

Pada waktu kapasitor mulai melepaskan muatannya,
ada perlawanan dari induktor yang menyebabkan
penurunan tegangan pada saat-saat awal agak landai

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
Contoh-2

1H

S
+


19 V

+
v

iC



0,25 F

Saklar S telah lama tertutup.
Pada t = 0 saklar dibuka.
Tentukan perubahan tegangan
kapasitor dan arus induktor.

i
8,5 k

Sebelum saklar dibuka arus hanya melalui induktor. Dioda tidak konduksi.


i L (0 ) 

19
8500

Persamaan Rangkaian pada t > 0 :

i   iC   C



vC (0 )  0 V

 2 mA

dv C
dt

did 2 v
dv
L
 Ri 
0
vvLC
RC
0
dtdt 2
dt
2



d v
dt

2



R dv
L dt

dt

2

 8 ,5  10

0

LC

2

d v

v



3

dv
dt

6

 4  10 v  0

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
Persamaan

karkterist ik : s  8 ,5  10 s  4  10  0
2

3

 akar - akar : s1 , s 2   4250  10

Dugaan ta

nggapan

lengkap

3

6

( 4 , 25 )  4   500 ,  8000
2

: v  0  K 1e

 500 t

 K 2e

 8000 t

Tak ada fungsi pemaksa
Kondisi awal:



i L ( 0 )  2 mA



vC (0 )  0 V

dan

Karena persamaan rangkaian menggunakan v sebagai
peubah maka kondisi awal iL(0+) harus diubah menjadi
dalam v






 i L ( 0 )  iC ( 0 )  C


dv C ( 0 )
dt

 

dv C ( 0 )
dt
2  10
C

3

 2  10

3

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami


dv ( 0 )



Kondisi awal: v ( 0 )  0



dt

Dugaan ta

nggapan

2  10

6

0 , 25  10

: v  0  K 1e

lengkap

3

0  K1  K 2

 500 t

  8  10

 K 2e

3

 8000 t

 8000   500 K 1  8000 K 2

 8000   500 K 1  8000 K 1
K1 

Tegangan kapasitor menjadi

 8000

K 2   K1  1

  1, 06

7500

: v  1, 06 e

 500 t

 1e

 8000 t

V

Ini adalah pengisian kapasitor oleh arus
induktor pada rangkaian R-L-C seri
Arus induktor

: i L   iC   C
  133  10

dv

  0 , 25  10

dt
 3  500 t

e

 2e

6

 530 e

 8000 t

mA

 500 t

 8000 e

 8000 t



Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
Tanggapan lengkap : v  1, 06 e

 500 t

 1e

 8000 t

V

1

v
[V]

0. 5

0
0

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

-0. 5

-1

Perhatikan bahwa pada awalnya tegangan kapasitor naik
karena menerima pelepasan energi dari induktor

Kenaikan tegangan kapasitor mencapai puncak kemudian
menurun karena ia melepaskan muatan yang pada awalnya
diterima.

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
v  16 e

 500 t

e

 8000 t

v  1, 06 e

V

16

 500 t

 1e

 8000 t

V

1

v [V]

Pelepasan energi induktor

v

12

[V]

v

8

0. 5
0
0

4

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

-0. 5

0
0

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

-1

-4

Untuk kedua peristiwa ini yang di-plot terhadap waktu adalah tegangan kapasitor
Seandainya tidak ada induktor, penurunan tegangan kapasitor akan terjadi
dengan konstanta waktu

  RC  8500  0 . 25  10

6

 2125  10

-6

atau 1/ = 470,6. Tetapi karena ada induktor, konstanta waktu menjadi lebih kecil
sehingga 1/ = 500. Inilah yang terlihat pada suku pertama v.
Suku ke-dua v adalah pengaruh induktor, yang jika tidak ada kapasitor nilai 1/
= R/L = 8500. Karena ada kapasitor nilai ini menjadi 8000 pada suku ke-dua v.

Persamaan Karakteristik Memiliki Dua Akar
Riil Sama Besar
s1 = s2, {b2 4ac } = 0

Dua Akar Riil Sama Besar
Dua akar yang sama besar dapat kita tuliskan sebagai
s1  s

dan

s 2  s   ; dengan   0

Tanggapan lengkap akan berbentuk
y  y p  K 1e

s1t

 K 2e

s2t

st

 y p  K 1e

Tanggapan paksa

Kondisi awal pertama

 K 2e

( s   )t

Tanggapan alami

Kondisi awal kedua







y ( 0 )  y p ( 0 )  K 1 s  K 2 ( s   )







y ( 0 )  y p ( 0 )  ( K 1  K 2 ) s  K 2   B 0

y (0 )  y p (0 )  K 1  K 2
y ( 0 )  y p ( 0 )  K 1  K 2  A0

A0 s  K 2   B 0



K2 

B 0  A0 s


dan

K 1  A0 

B 0  A0 s


Dua Akar Riil Sama Besar
Tanggapan lengkap menjadi

 1 e  t   st
 e
y  y p   A0  ( B 0  A0 s )   
 
  


t
 1
 e t  1 
e 

t
lim  
 lim 







 0
 0





y  y p   A0  ( B 0  A0 s ) t  e

y  y p  K a  K b t  e

ditentukan oleh kondisi awal

st

st

ditentukan oleh kondisi awal dan s
s sendiri ditentukan oleh nilai elemenelemen yang membentuk rangkaian dan
tidak ada kaitannya dengan kondisi awal

Dua Akar Riil Sama Besar, Tanggapan Alami
Contoh-3.
1H

S 1 2
+


15 V

+
v



iC
0,25 F

i
4 k

Sakalar telah lama di posisi 1. Pada t
= 0 di pindah ke posisi 2. Tentukan
perubahan tegangan kapasitor.

(Diganti dengan 4 k dari contoh sebelumnya)


Sebelum saklar dipindahkan: v ( 0 )  15 V ; i ( 0 )  0

di

Persamaan rangkaian untuk t > 0:  v  L

 iR  0

dt
2

Karena i =  iC = C dv/dt

LC

d v
dt

2

 RC

dt

Persamaan karakteristik:

2

3

2

 4  10

s  4  10 s  4  10

v0

dt

2

d v

dv

3

dv
dt

6

0

 4  10 v  0
6

Dua Akar Riil Sama Besar, Tanggapan Alami
Persamaan

2

karakteris tik : s  4000 s  4  10
akar - akar : s1 , s 2   2000 

Karena persamaan
maka tanggapan

karakteris tik memiliki

6

0

4  10

6

 4  10

6

  2000  s

akar sama besar

lengkap akan berbentuk :
v  v p  K a  K b t  e

st

 0  K a  K b t  e

st

Tak ada fungsi pemaksa

Kondisi
Kondisi

awal pertama
awal kedua



dv
dt



dv
dt





v ( 0 )  v ( 0 )  v ( 0 )  15  K a .


(0 )  0 

dv
dt

 K be



(0 )  0  K b  K a s 

 Jadi : v  15  30000 t  e

st

 K a  K bt  s e

st

K b   K a s  30000
 2000 t

V

Dua Akar Riil Sama Besar, Tanggapan Alami

v  15  30000 t  e

 2000 t

V

15
10

v  30000 t e

 2000 t

5
0
0
-5
-10
-15

0.001

v  15 e

0.002

 2000 t

0.003

0.004

0.005

0.006

Dua akar kompleks konjugat
{b2 4ac } < 0
s1    j 

dan

s 2    j

Dua Akar Kompleks Konjugat
Akar-Akar Kompleks Konjugat
s1    j 

dan

s 2    j

Tanggapan lengkap akan berbentuk
y  y p  K 1e

(   j ) t

 K 2e

(   j ) t



 y p  K 1e

 j t

K 1 (cos  t  j sin  t )

 K 2e

 j t

e

t

K 2 (cos  t  j sin  t )

( K 1  K 2 ) cos  t  j ( K 1  K 2 ) sin  t

K a cos  t  K b sin  t

y  y p   K a cos  t  K b sin  t  e

t



Kondisi awal pertama: y ( 0 )  y p ( 0 )  K a

Kondisi awal kedua:





K a  y (0 )  y p (0 )



t
y ( 0 )  y p ( 0 )  {(  K b  K a  ) sin  t  ( K b    K a ) cos  t }e

 y p ( 0 )   K a   K b


 K a   K b  y  ( 0 )  y p ( 0 )

Dua Akar Kompleks Konjugat, Tanggapan Alami
Contoh-4.
1H

S 1 2
+


15 V

+
v


iC

0,25 F

i
1 k

Saklar S sudah lama pada posisi 1.
Pada t = 0 dipindah ke poisisi 2.
Carilah perubahan tegangan kapasitor.

(Diganti dengan 1 k dari contoh sebelumnya)

Pada t = 0+ : v ( 0  )  15 V ; i ( 0  )  0

vL

di

 iR  0

dt

Persamaan rangkaian untuk t > 0:
2

Karena i = iC = C dv/dt

d v

LC

dt

2

dt

Persamaan karakteristik:

2

2

3

 1  10

v0

dt

2

d v

dv

 RC

3

s  1  10 s  4  10

dv

 4  10 v  0

dt
6

0

6

Dua Akar Kompleks Konjugat, Tanggapan Alami
Persamaan

karakteris tik : s

2

 1000

dv

6

0

2

 4  10

 4  10

dt
akar - akar : s1 , s 2   500 

500

6

  500  j 500

15

dua akar kompleks konjugat
  j  dengan    500 ;   500

15

Tanggapan lengkap akan berbentuk:
v  0   K a cos  t  K b sin  t  e
Kondisi

awal pertama

Kondisi

awal kedua 



 v ( 0 )  15  K a
dv
dt



(0 )  0   K a   K b
 Kb 

Tanggapan

t



 K a




lengkap : v  15 cos( 500 15 t ) 

500  15
500



15

15



15 sin( 500 15 t ) e

 500 t

V

Dua Akar Kompleks Konjugat, Tanggapan Alami



v  15 cos( 500 15 t ) 



15 sin( 500 15 t ) e

 500 t

V

15

15 cos( 500 15 t

v 10
[V]
5

15 sin( 500 15 t )

t

0
0
-5
-10
-15

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

0.006

Dua Akar Kompleks Konjugat, Tanggapan Alami
Perbandingan tanggapan rangkaian:
Dua akar riil berbeda: sangat teredam, v  16 e  500 t  e  8000 t V
Dua akar riil sama besar : teredam kritis, v  15  30000 t  e  2000 t V

Dua akar kompleks konjugat : kurang teredam,



v  15 cos( 500 15 t ) 



15 sin( 500 15 t ) e

15
10
5
0
0
-5
-10
-15

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

0.006

 500 t

V

Tanggapan Rangkaian Terhadap Sinyal Sinus
Contoh Tanggapan Rangkaian Dengan Masukan Sinyal Sinus

vs =
26cos3t u(t) V

+


i
vs

5

1H
1

F

6

+
v



Rangkaian mendapat masukan
sinyal sinus yang muncul pada t = 0.
Tentukan perubahan tegangan dan
arus kapasitor, apabila kondisi awal
adalahi(0) = 2 A dan v(0) = 6 V

Pada t = 0+ : i(0+) = 2 A dan v(0+) = 6 V

Persamaan rangkaian untuk t > 0 :

 v s  Ri  L
dv

RC



di
dt

2

 LC

d i
2

dt

dt

5 dv

1 d v



2

d v
2

 v  vs

2

6 dt

dt

v0

5

6 dt

dv
dt

2

 v  26 cos 3 t

 6 v  156 cos 3 t

Tanggapan Rangkaian Terhadap Sinyal Sinus
Persamaan

2

karakteris tik : s  5 s  6  0  ( s  2 )( s  3 );
akar - akar : s1 , s 2   2 ,  3

Dugaan ta nggapan

paksa : v p  A c cos 3 t  A s sin 3 t
2

Persamaan rangkaian

d v
dt

2

5

dv

 6 v  156 cos 3 t

dt

   9 A c  15 A s  6 A c  cos 3 t    9 A s  15 A c  6 A s  sin 3 t  156 cos 3 t
  3 A c  15 A s  156
 Ac 

Tanggapan

156  0
 3  75

dan  15 A c  3 A s  0
  2 ; As 

5  156  0
75  3

 10

paksa : v p   2 cos 3 t  10 sin 3 t

Dugaan tan ggapan lengkap

: v   2 cos 3t  10 sin 3t  K 1 e

2t

 K 2e

 3t

masih harus ditentukan melalui
penerapan kondisi awal

Tanggapan Rangkaian Terhadap Sinyal Sinus


1 dv



awal : v ( 0 )  6 dan i ( 0 )  2 

Kondisi



(0 ) 

dv

6 dt
Aplikasi

kondisi

awal pertama

Aplikasi

kondisi

awal kedua :
 K1  6

Tanggapan

 i

1 dv

dt

: 6  2  K1  K 2  K 2  8  K1
12  30  2 K 1  3 K 2
 K2  2

: v   2 cos 3 t  10 sin 3 t  6 e

lengkap



( 0 )  12

 sin 3 t  5 cos 3 t  2 e

2t

e

 3t

2t

 2e

 3t

V

A

6 dt
30

v [V] 20
i [A]
10

Amplitudo tegangan
menurun

vs

Amplitudo arus
meningkat

v

0
-10 0
-20
-30

t [s]
i

2

4

6

8

10

Courseware
Analisis Transien Rangkaian Orde Ke-Dua

Sudaryatno Sudirham


Slide 37

Open Course

Selamat Belajar

oleh: Sudaryatno Sudirham

Tujuan
 mampu menurunkan persamaan rangkaian yang merupakan
rangkaian orde kedua.

 memahami bahwa tanggapan rangkaian terdiri dari tanggapan
paksa dan tanggapan alami yang mungkin berosilasi.
 mampu melakukan analisis transien pada rangkaian orde

kedua.

Bentuk Umum
Persamaan Rangkaian
Orde Ke-dua

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
2

a

d y
dt

2

b

dy

 cy  x ( t )

dt

y = tanggapan rangkaian yang dapat
berupa tegangan ataupun arus

fungsi pemaksa atau
fungsi penggerak.

tetapan a dan b ditentukan oleh nilainilai elemen yang membentuk rangkaian
Persamaan diferensial orde ke-dua muncul karena
rangkaian mengandung kapasitor dan induktor

dengan tegangan sebagai
peubah status

dengan arus
sebagai peubah status

sedangkan peubah dalam persamaan rangkaian
harus salah satu di ataranya, tegangan atau arus

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Tanggapan Alami
Tanggapan alami adalah solusi persamaan rangkaian di
mana x(t) bernilai nol:
2

a

d y
dt

2

b

dy

 cy  0

dt

Dugaan solusi y berbentuk fungsi eksponensial ya = Kest dengan nilai
K dan s yang masih harus ditentukan.
Kalau solusi ini dimasukkan ke persamaan, akan diperoleh
aKs
Ke

st

2

e

st

as

2

 bKse

st



 cKe

st

0

atau

 bs  c  0

Bagian ini yang harus bernilai nol yang
memberikan persamaan karakteristik
as

2

 bs  c  0

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
2

as  bs  c  0

Persamaan karakteristik yang berbentuk persamaan kwadrat itu
mempunyai dua akar yaitu
s1 , s 2 

2

b

b  4 ac
2a

Dengan adanya dua akar tersebut maka kita mempunyai
dua solusi homogen, yaitu
y a1  K 1e

s1 t

dan

ya 2  K 2e

s2t

dan tanggapan alami yang kita cari akan berbentuk
y a  K 1e

s1 t

 K 2e

s2t

Seperti halnya pada rangkaian orde pertama, tetapan-tetapan ini
diperoleh melalui penerapan kondisi awal pada tanggapan lengkap

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Tanggapan Paksa
Tanggapan paksa adalah solusi persamaan rangkaian di
mana x(t) 0:
2

a

d y
dt

2

b

dy

 cy  x ( t )

dt

Bentuk tanggapan paksa ditentukan oleh bentuk x(t)
sebagaimana telah diulas pada rangkaian orde pertama, yaitu
Jika x ( t )  0 , maka

yp  0

Jika x ( t )  A  konstan,
t

maka

Jika

x ( t )  Ae

Jika

x ( t )  A sin  t , maka

Jika

x ( t )  A cos  t , maka

y p  konstan  K

 eksponensi al, maka

y p  eksponensi al  Ke

y p  K c cos  t  K s sin  t
y p  K c cos  t  K s sin  t

Perhatikan : y  K c cos  t  K s sin  t adalah bentuk umum
fungsi sinus maupun

cosinus .

t

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Tanggapan Lengkap
Tanggapan lengkap adalah jumlah tanggapan alami
dan tanggapan paksa
y  y p  y a  y p  K 1e

s1t

 K 2e

s2t

Tetapan ini diperoleh melalui penerapan kondisi awal
Jika rangkaian mengandung C dan L, dua elemen
ini akan cenderung mempertahankan statusnya.
Jadi ada dua kondisi awal yang harus dipenuhi
yaitu




vC (0 )  vC (0 )

dan




iL (0 )  iL (0 )

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Kondisi Awal
Secara umum, kondisi awal adalah:




y (0 )  y (0 )

dan

dy





(0 )  y ' (0 )

dt

Nilai sesaat sebelum dan sesudah
penutupan/pembukaan saklar harus sama, dan
laju perubahan nilainya harus kontinyu
y

y

0

t

Pada rangkaian orde
pertama dy/dt(0+) tidak
perlu kontinyu

0

t

Pada rangkaian orde kedua dy/dt(0+)
harus kontinyu sebab ada d2y/dt2
dalam persamaan rangkaian yang
hanya terdefinisi jika dy/dt(0+) kontinyu

Bentuk Umum Persamaan Rangkaian Orde Ke-dua
Tiga Kemungkinan Bentuk Tanggapan
Persamaan karakteristik
as

2

 bs  c  0

dapat mempunyai tiga kemungkinan nilai akar, yaitu:
a). Dua akar riil berbeda, s1  s2, jika {b2 4ac } > 0;
b). Dua akar sama, s1 = s2 = s , jika {b24ac } = 0;

c). Dua akar kompleks konjugat s1,s2 =   j jika {b24ac } < 0.
Tiga kemungkinan akar ini akan memberikan tiga
kemungkinan bentuk tanggapan

Persamaan karakteristik dengan
dua akar riil berbeda,
s1  s2, {b2 4ac } > 0

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
Contoh-1
1H

S 1 2
+


15 V

+
v



iC
0,25 F

i
8,5 k

Saklar S telah lama berada pada posisi 1.
Pada t = 0 saklar dipindahkan ke posisi 2.
Carilah perubahan tegangan kapasitor.



Pada t = 0- : i ( 0 )  0 dan v ( 0 )  12 V

Persamaan Rangkaian pada t > 0 :  v  L

di

 Ri  0

dt

Karena i = -iC = -C dv/dt, maka:  v  LC

2

d v
dt

2

d v



dt

2



2

R dv

 RC

dt

2

0

dt


L dt

 8 ,5  10

v

0

LC

2

d v

dv

3

dv
dt

6

 4  10 v  0

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami

Persamaan karakteristik:

s

2

3

 8 , 5  10 s  4  10

 akar - akar : s1 , s 2   4250  10

3

6

0

2

( 4 , 25 )  4   500 ,  8000

 500 t
 8000 t
 K 2e
Dugaan tanggapan lengkap: v  0  K 1 e

Tak ada fungsi pemaksa

Kondisi awal: v C ( 0  )  15 V dan i L ( 0  )  0
Karena persamaan rangkaian menggunakan v
sebagai peubah maka kondisi awal arus iL(0+)
harus diubah menjadi dalam tegangan v






i L ( 0 )  iC ( 0 )  C

dv C ( 0 )



dv C ( 0 )
dt

0

dt

0

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
Kondisi awal:





v ( 0 )  15 V

dv ( 0 )

0

dt

 500 t
 8000 t
 K 2e
Dugaan tanggapan lengkap: v  0  K 1 e

0   500 K 1  8000 K 2

15  K1  K 2

0   500 K 1  8000 (15  K 1 )

K1 

8000  15

 16

K 2  1

7500

Tanggapan lengkap menjadi: v  16 e  500 t  e  8000 t V
(hanya ada tanggapan alami).

Ini adalah pelepasan muatan kapasitor pada
rangkaian R-L-C seri

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami

Tanggapan

lengkap : v  16 e

 500 t

e

 8000 t

V

16

v
[V] 12

v
8
4
0
0

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

-4

Perhatikan bahwa pada t = 0+ tegangan kapasitor adalah 15 V

Pada waktu kapasitor mulai melepaskan muatannya,
ada perlawanan dari induktor yang menyebabkan
penurunan tegangan pada saat-saat awal agak landai

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
Contoh-2

1H

S
+


19 V

+
v

iC



0,25 F

Saklar S telah lama tertutup.
Pada t = 0 saklar dibuka.
Tentukan perubahan tegangan
kapasitor dan arus induktor.

i
8,5 k

Sebelum saklar dibuka arus hanya melalui induktor. Dioda tidak konduksi.


i L (0 ) 

19
8500

Persamaan Rangkaian pada t > 0 :

i   iC   C



vC (0 )  0 V

 2 mA

dv C
dt

did 2 v
dv
L
 Ri 
0
vvLC
RC
0
dtdt 2
dt
2



d v
dt

2



R dv
L dt

dt

2

 8 ,5  10

0

LC

2

d v

v



3

dv
dt

6

 4  10 v  0

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
Persamaan

karkterist ik : s  8 ,5  10 s  4  10  0
2

3

 akar - akar : s1 , s 2   4250  10

Dugaan ta

nggapan

lengkap

3

6

( 4 , 25 )  4   500 ,  8000
2

: v  0  K 1e

 500 t

 K 2e

 8000 t

Tak ada fungsi pemaksa
Kondisi awal:



i L ( 0 )  2 mA



vC (0 )  0 V

dan

Karena persamaan rangkaian menggunakan v sebagai
peubah maka kondisi awal iL(0+) harus diubah menjadi
dalam v






 i L ( 0 )  iC ( 0 )  C


dv C ( 0 )
dt

 

dv C ( 0 )
dt
2  10
C

3

 2  10

3

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami


dv ( 0 )



Kondisi awal: v ( 0 )  0



dt

Dugaan ta

nggapan

2  10

6

0 , 25  10

: v  0  K 1e

lengkap

3

0  K1  K 2

 500 t

  8  10

 K 2e

3

 8000 t

 8000   500 K 1  8000 K 2

 8000   500 K 1  8000 K 1
K1 

Tegangan kapasitor menjadi

 8000

K 2   K1  1

  1, 06

7500

: v  1, 06 e

 500 t

 1e

 8000 t

V

Ini adalah pengisian kapasitor oleh arus
induktor pada rangkaian R-L-C seri
Arus induktor

: i L   iC   C
  133  10

dv

  0 , 25  10

dt
 3  500 t

e

 2e

6

 530 e

 8000 t

mA

 500 t

 8000 e

 8000 t



Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
Tanggapan lengkap : v  1, 06 e

 500 t

 1e

 8000 t

V

1

v
[V]

0. 5

0
0

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

-0. 5

-1

Perhatikan bahwa pada awalnya tegangan kapasitor naik
karena menerima pelepasan energi dari induktor

Kenaikan tegangan kapasitor mencapai puncak kemudian
menurun karena ia melepaskan muatan yang pada awalnya
diterima.

Dua Akar Riil Berbeda, Tanggapan Alami
v  16 e

 500 t

e

 8000 t

v  1, 06 e

V

16

 500 t

 1e

 8000 t

V

1

v [V]

Pelepasan energi induktor

v

12

[V]

v

8

0. 5
0
0

4

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

-0. 5

0
0

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

-1

-4

Untuk kedua peristiwa ini yang di-plot terhadap waktu adalah tegangan kapasitor
Seandainya tidak ada induktor, penurunan tegangan kapasitor akan terjadi
dengan konstanta waktu

  RC  8500  0 . 25  10

6

 2125  10

-6

atau 1/ = 470,6. Tetapi karena ada induktor, konstanta waktu menjadi lebih kecil
sehingga 1/ = 500. Inilah yang terlihat pada suku pertama v.
Suku ke-dua v adalah pengaruh induktor, yang jika tidak ada kapasitor nilai 1/
= R/L = 8500. Karena ada kapasitor nilai ini menjadi 8000 pada suku ke-dua v.

Persamaan Karakteristik Memiliki Dua Akar
Riil Sama Besar
s1 = s2, {b2 4ac } = 0

Dua Akar Riil Sama Besar
Dua akar yang sama besar dapat kita tuliskan sebagai
s1  s

dan

s 2  s   ; dengan   0

Tanggapan lengkap akan berbentuk
y  y p  K 1e

s1t

 K 2e

s2t

st

 y p  K 1e

Tanggapan paksa

Kondisi awal pertama

 K 2e

( s   )t

Tanggapan alami

Kondisi awal kedua







y ( 0 )  y p ( 0 )  K 1 s  K 2 ( s   )







y ( 0 )  y p ( 0 )  ( K 1  K 2 ) s  K 2   B 0

y (0 )  y p (0 )  K 1  K 2
y ( 0 )  y p ( 0 )  K 1  K 2  A0

A0 s  K 2   B 0



K2 

B 0  A0 s


dan

K 1  A0 

B 0  A0 s


Dua Akar Riil Sama Besar
Tanggapan lengkap menjadi

 1 e  t   st
 e
y  y p   A0  ( B 0  A0 s )   
 
  


t
 1
 e t  1 
e 

t
lim  
 lim 







 0
 0





y  y p   A0  ( B 0  A0 s ) t  e

y  y p  K a  K b t  e

ditentukan oleh kondisi awal

st

st

ditentukan oleh kondisi awal dan s
s sendiri ditentukan oleh nilai elemenelemen yang membentuk rangkaian dan
tidak ada kaitannya dengan kondisi awal

Dua Akar Riil Sama Besar, Tanggapan Alami
Contoh-3.
1H

S 1 2
+


15 V

+
v



iC
0,25 F

i
4 k

Sakalar telah lama di posisi 1. Pada t
= 0 di pindah ke posisi 2. Tentukan
perubahan tegangan kapasitor.

(Diganti dengan 4 k dari contoh sebelumnya)


Sebelum saklar dipindahkan: v ( 0 )  15 V ; i ( 0 )  0

di

Persamaan rangkaian untuk t > 0:  v  L

 iR  0

dt
2

Karena i =  iC = C dv/dt

LC

d v
dt

2

 RC

dt

Persamaan karakteristik:

2

3

2

 4  10

s  4  10 s  4  10

v0

dt

2

d v

dv

3

dv
dt

6

0

 4  10 v  0
6

Dua Akar Riil Sama Besar, Tanggapan Alami
Persamaan

2

karakteris tik : s  4000 s  4  10
akar - akar : s1 , s 2   2000 

Karena persamaan
maka tanggapan

karakteris tik memiliki

6

0

4  10

6

 4  10

6

  2000  s

akar sama besar

lengkap akan berbentuk :
v  v p  K a  K b t  e

st

 0  K a  K b t  e

st

Tak ada fungsi pemaksa

Kondisi
Kondisi

awal pertama
awal kedua



dv
dt



dv
dt





v ( 0 )  v ( 0 )  v ( 0 )  15  K a .


(0 )  0 

dv
dt

 K be



(0 )  0  K b  K a s 

 Jadi : v  15  30000 t  e

st

 K a  K bt  s e

st

K b   K a s  30000
 2000 t

V

Dua Akar Riil Sama Besar, Tanggapan Alami

v  15  30000 t  e

 2000 t

V

15
10

v  30000 t e

 2000 t

5
0
0
-5
-10
-15

0.001

v  15 e

0.002

 2000 t

0.003

0.004

0.005

0.006

Dua akar kompleks konjugat
{b2 4ac } < 0
s1    j 

dan

s 2    j

Dua Akar Kompleks Konjugat
Akar-Akar Kompleks Konjugat
s1    j 

dan

s 2    j

Tanggapan lengkap akan berbentuk
y  y p  K 1e

(   j ) t

 K 2e

(   j ) t



 y p  K 1e

 j t

K 1 (cos  t  j sin  t )

 K 2e

 j t

e

t

K 2 (cos  t  j sin  t )

( K 1  K 2 ) cos  t  j ( K 1  K 2 ) sin  t

K a cos  t  K b sin  t

y  y p   K a cos  t  K b sin  t  e

t



Kondisi awal pertama: y ( 0 )  y p ( 0 )  K a

Kondisi awal kedua:





K a  y (0 )  y p (0 )



t
y ( 0 )  y p ( 0 )  {(  K b  K a  ) sin  t  ( K b    K a ) cos  t }e

 y p ( 0 )   K a   K b


 K a   K b  y  ( 0 )  y p ( 0 )

Dua Akar Kompleks Konjugat, Tanggapan Alami
Contoh-4.
1H

S 1 2
+


15 V

+
v


iC

0,25 F

i
1 k

Saklar S sudah lama pada posisi 1.
Pada t = 0 dipindah ke poisisi 2.
Carilah perubahan tegangan kapasitor.

(Diganti dengan 1 k dari contoh sebelumnya)

Pada t = 0+ : v ( 0  )  15 V ; i ( 0  )  0

vL

di

 iR  0

dt

Persamaan rangkaian untuk t > 0:
2

Karena i = iC = C dv/dt

d v

LC

dt

2

dt

Persamaan karakteristik:

2

2

3

 1  10

v0

dt

2

d v

dv

 RC

3

s  1  10 s  4  10

dv

 4  10 v  0

dt
6

0

6

Dua Akar Kompleks Konjugat, Tanggapan Alami
Persamaan

karakteris tik : s

2

 1000

dv

6

0

2

 4  10

 4  10

dt
akar - akar : s1 , s 2   500 

500

6

  500  j 500

15

dua akar kompleks konjugat
  j  dengan    500 ;   500

15

Tanggapan lengkap akan berbentuk:
v  0   K a cos  t  K b sin  t  e
Kondisi

awal pertama

Kondisi

awal kedua 



 v ( 0 )  15  K a
dv
dt



(0 )  0   K a   K b
 Kb 

Tanggapan

t



 K a




lengkap : v  15 cos( 500 15 t ) 

500  15
500



15

15



15 sin( 500 15 t ) e

 500 t

V

Dua Akar Kompleks Konjugat, Tanggapan Alami



v  15 cos( 500 15 t ) 



15 sin( 500 15 t ) e

 500 t

V

15

15 cos( 500 15 t

v 10
[V]
5

15 sin( 500 15 t )

t

0
0
-5
-10
-15

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

0.006

Dua Akar Kompleks Konjugat, Tanggapan Alami
Perbandingan tanggapan rangkaian:
Dua akar riil berbeda: sangat teredam, v  16 e  500 t  e  8000 t V
Dua akar riil sama besar : teredam kritis, v  15  30000 t  e  2000 t V

Dua akar kompleks konjugat : kurang teredam,



v  15 cos( 500 15 t ) 



15 sin( 500 15 t ) e

15
10
5
0
0
-5
-10
-15

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

0.006

 500 t

V

Tanggapan Rangkaian Terhadap Sinyal Sinus
Contoh Tanggapan Rangkaian Dengan Masukan Sinyal Sinus

vs =
26cos3t u(t) V

+


i
vs

5

1H
1

F

6

+
v



Rangkaian mendapat masukan
sinyal sinus yang muncul pada t = 0.
Tentukan perubahan tegangan dan
arus kapasitor, apabila kondisi awal
adalahi(0) = 2 A dan v(0) = 6 V

Pada t = 0+ : i(0+) = 2 A dan v(0+) = 6 V

Persamaan rangkaian untuk t > 0 :

 v s  Ri  L
dv

RC



di
dt

2

 LC

d i
2

dt

dt

5 dv

1 d v



2

d v
2

 v  vs

2

6 dt

dt

v0

5

6 dt

dv
dt

2

 v  26 cos 3 t

 6 v  156 cos 3 t

Tanggapan Rangkaian Terhadap Sinyal Sinus
Persamaan

2

karakteris tik : s  5 s  6  0  ( s  2 )( s  3 );
akar - akar : s1 , s 2   2 ,  3

Dugaan ta nggapan

paksa : v p  A c cos 3 t  A s sin 3 t
2

Persamaan rangkaian

d v
dt

2

5

dv

 6 v  156 cos 3 t

dt

   9 A c  15 A s  6 A c  cos 3 t    9 A s  15 A c  6 A s  sin 3 t  156 cos 3 t
  3 A c  15 A s  156
 Ac 

Tanggapan

156  0
 3  75

dan  15 A c  3 A s  0
  2 ; As 

5  156  0
75  3

 10

paksa : v p   2 cos 3 t  10 sin 3 t

Dugaan tan ggapan lengkap

: v   2 cos 3t  10 sin 3t  K 1 e

2t

 K 2e

 3t

masih harus ditentukan melalui
penerapan kondisi awal

Tanggapan Rangkaian Terhadap Sinyal Sinus


1 dv



awal : v ( 0 )  6 dan i ( 0 )  2 

Kondisi



(0 ) 

dv

6 dt
Aplikasi

kondisi

awal pertama

Aplikasi

kondisi

awal kedua :
 K1  6

Tanggapan

 i

1 dv

dt

: 6  2  K1  K 2  K 2  8  K1
12  30  2 K 1  3 K 2
 K2  2

: v   2 cos 3 t  10 sin 3 t  6 e

lengkap



( 0 )  12

 sin 3 t  5 cos 3 t  2 e

2t

e

 3t

2t

 2e

 3t

V

A

6 dt
30

v [V] 20
i [A]
10

Amplitudo tegangan
menurun

vs

Amplitudo arus
meningkat

v

0
-10 0
-20
-30

t [s]
i

2

4

6

8

10

Courseware
Analisis Transien Rangkaian Orde Ke-Dua

Sudaryatno Sudirham