Analisis Rangkaian Listrik Di Kawasan s

Sudaryatno Sudirham

Analisis Rangkaian Rangkaian Listrik Di Kawasan s

2

Sudaryatno Sudirham, Analisis Rangkaian Listrik (2)

BAB 5 Tanggapan Frekuensi Rangkaian Orde Ke-Dua 5.1. Rangkaian Orde Kedua Dengan Pole Riil Pole dari fungsi tansfer rangkaian orde kedua bisa riil ataupun kompleks konjugat. Pembahasan dalam sub-bab ini akan dikhususkan untuk fungsi alih dengan pole riil 5.1.1. Band-Pass Gain Fungsi alih rangkaian orde kedua dengan satu zero dan dua pole riil dapat ditulis sebagai Ks T ( s) = sehingga ( s + α)( s + β) (5.1) ( K × jω K / αβ) × jω T ( jω) = = ( jω + α)( jω + β) (1 + jω / α)(1 + jω / β) Fungsi gain adalah T ( jω) =

( K / αβ)ω

(5.2)

1 + ( ω / α ) 2 × 1 + ( ω / β) 2 yang dalam satuan dB menjadi

T ( jω) dB = 20 log( K / αβ) + 20 log ω − 20 log 1 + (ω / α) 2

(5.3)

− 20 log 1 + (ω / β) 2 Fungsi gain ini terdiri dari komponen-komponen dengan bentuk yang telah kita kenal pada pembahasan rangkaian orde pertama. Komponen pertama (suku pertama ruas kanan (5.3)) bernilai konstan. Komponen kedua berbanding lurus dengan logω dengan perubahan gain +20 dB per dekade; komponen ketiga pengurangan gain −20 dB per dekade; komponen ke-empat juga pengurangan gain −20 dB / dekade. Frekuensi cutoff ωC1 = α diberikan oleh komponen ke-tiga sedangkan komponen ke-empat memberikan frekuensi cutoff ωC2 = β.

5-1

Nilai fungsi gain dengan pendekatan garis lurus untuk β > α adalah seperti dalam tabel di bawah ini. Mengenai fungsi fasa-nya akan kita lihat pada contoh-contoh. Gain

Frekuensi ωC1 = α rad/s ω=1

1<ω<α

ωC2 = β rad/s α<ω<β

Komp.1 20log(|K|/αβ) 20log(|K|/αβ) 20log(|K|/αβ) Komp.2

0

+20 dB/dek

ω>β 20log(|K|/αβ)

+20log(α/1)

+20log(β/1)

+20 dB/dek

+20 dB/dek

Komp.3

0

0

−20 dB/dek

−20log(β/α)−20 dB/dek

Komp.4

0

0

0

−20 dB/dek

Total

20log(|K|/αβ) 20log(|K|/αβ) 20log(|K|/αβ)

20log(|K|/αβ)

+20 dB/dek

+20log(α)

+20log(α/1)

−20 dB/dek

CO$TOH-5.1: Gambarkan Bode plots pendekatan garis lurus (tanggapan gain dan tanggapan fasa) rangkaian yang diketahui fungsi alihnya adalah : 50000s T ( s) = ( s + 10)(s + 10000) Penyelesaian : T ( jω) =

50000 × jω 0,5ω = ( jω + 10)( jω + 10000) (1 + jω / 10)(1 + jω / 10000) 0,5ω → T ( jω) = 2 1 + (ω / 10) × 1 + (ω / 10000) 2

⇒ T ( jω) dB = 20 log 0,5 + 20 log ω − 20 log 1 + (ω / 10) 2 − 20 log 1 + (ω / 10000) 2 ⇒ ϕ(ω) = 0 + 90o − tan −1 (ω / 10) − tan −1 (ω / 10000) Nilai frekuensi dan kurva fungsi gain adalah sebagai berikut. 5-2 Sudaryatno Sudirham, Analisis Rangkaian Listrik (3)

Gain

Frekuensi ωC1 = 10 rad/s

ωC2 = 10000 rad/s

ω=1

1<ω<10

10<ω<104

Komponen 1

−6 dB

−6 dB

−6 dB

−6 dB

Komponen 2

0

+20 dB/dek

20+20 dB/dek

80+20 dB/dek

Komponen 3

0

0

−20 dB/dek

−60−20 dB/dek

Komponen 4

0

0

0

−20 dB/dek

−6 dB

−6 dB

14 dB

14 dB

Total

ω>104

−20 dB/dek

+20 dB/dek 40

Gain [dB] 20 14 −6

Gain

0

-20

ωC1

-40 1

10

ωC2 100

1000

ω [rad/s]

10000 100000

Untuk menggambarkan tanggapan fasa, kita perhatikan fungsi fasa

ϕ( ω) = 0 + 90 o − tan −1 ( ω / 10) − tan −1 (ω / 10000) Untuk ω = 1 maka ϕ(ω)≈(0+90o−0−0)=90o . Mulai dari 0,1ωC1 sampai 10ωC1 (atau dari 1sampai 100) terjadi perubahan fasa −45o per dekade. Mulai dari 0,1ωC2 sampai 10ωC2 (atau 1000 sampai 100000) terjadi perubahan fasa −45o per dekade. Perhatikan bahwa dalam contoh ini 10ωC1 < 0,1ωC2 , sehingga ada selang frekuensi di mana tanggapan fasa konstan yaitu antara 100 sampai 1000 rad/s. Tabel berikut ini memuat nilai-nilai ϕ(ω) dan dari tabel ini kita gambarkan kurva pendekatan garis lurus tanggapan fasa.

5-3

ϕ(ω)

Frekuensi ωC1 = 10 rad/s

ωC2 = 104 rad/s

ω=1

1<ω<100

103<ω<105

ω>105

Komponen 1

0o

0o

0o

0o

Komponen 2

90o

90o

90o

90o

Komponen 3

0o

−45o/dek

−90o

−90o

Komponen 4

0o

0o

0o−45o/dek

−90o

Total

90o

90o−45o/dek

0o−45o/dek

−90o

ϕ [o]

90 45 0 -45

ωC1

-90 1

10

ωC2 100

ω [rad/s]

1000 10000 1E+05

Pemahaman : Karena frekuensi cutoff pertama ωC1 =10, maka perubahan fasa −45o/dekade terjadi pada selang frekuensi 1<ω<100. Karena frekuensi cutoff kedua ωC2 = 10000, maka perubahan fasa −45o/dekade yang kedua terjadi pada selang frekuensi 1000<ω<100000. Di luar ke-dua selang frekuensi ini fasa tidak berubah, sehingga terlihat adanya kurva mendatar pada selang frekuensi 100<ω<1000. 5.1.2. High-Pass Gain Karakteristik high-pass gain dapat diperoleh dari rangkaian orde kedua yang fungsi alihnya mengandung dua zero di s = 0. CO$TOH-5.2: Gambarkan tanggapan gain dan tanggapan fasa jika diketahui fungsi alihnya adalah 5-4 Sudaryatno Sudirham, Analisis Rangkaian Listrik (3)

T (s) =

10s 2 ( s + 40)(s + 200)

Penyelesaian : Gain dari sistem ini adalah T ( jω) =

10( jω) 2 1 − ω2 = × ( jω + 40)( jω + 200) 800 (1 + jω / 40)(1 + jω / 200)

T ( jω) =

1 ω2 × 800 1 + (ω / 40) 2 × 1 + (ω / 200) 2

T ( jω) dB = 20 log(1 / 800) + 2 × 20 log ω − 20 log (ω / 40) 2 + 1 − 20 log (ω / 200) 2 + 1 Komponen pertama tanggapan gain adalah konstan 20log(1/800) = −58 dB. Komponen kedua berbanding lurus dengan log(ω) dengan kenaikan 2×20 dB per dekade. Pengurangan gain oleh komponen ketiga mulai pada ωC1 = 40 dengan −20 dB per dekade. Pengurangan gain oleh komponen ke-empat mulai pada ωC2 = 200 dengan −20 dB per dekade. Kurva tanggapan gain adalah sebagai berikut.

20

+20dB/dek

Gain 0 [dB]

+40dB/dek

-20 -40

−58 -60 1

10

100

1000

10000 100000

ω [rad/s] Fungsi fasa adalah :

ϕ(ω) = 0 + 2 × 90o − tan −1(ω / 40) − tan −1 (ω / 200)

5-5

Pada ω = 1, ϕ(ω) ≈ 0o + 2× 90o =180o. Pada ω=(ωC1/10)=4, komponen ke-tiga mulai memberikan perubahan fasa −45o per dekade dan akan berlangsung sampai ω=10ωC1=400. Pada ω = 0.1ωC2=20, komponen ke-empat mulai memberikan perubahan fasa −45o per dekade dan akan berlangsung sampai ω=10ωC2=2000. 225

ϕ [o] 180 135 90 45 0 1

10

0,1ωC1

100

0,1ωC2

1000

10ωC1

10000 100000

10ωC2

ω [rad/s]

Pemahaman : Penggambaran tanggapan gain dan tanggapan fasa di sini tidak lagi melalui langkah antara yang berupa pembuatan tabel peran tiap komponen dalam berbagai daerah frekuensi. Kita dapat melakukan hal ini setelah kita memahami peran tiap-tiap komponen tersebut dalam membentuk tanggapan gain dan tanggapan fasa. Melalui latihan yang cukup, penggambaran tanggapan gain dan tanggapan fasa dapat dilakukan langsung dari pengamatan formulasi kedua macam tanggapan tersebut. Kita perhatikan penggambaran tanggapan fasa. Dalam contoh ini 0,1ωC2 < 10ωC1 dan bahkan 0,1ωC2 < ωC1. Oleh karena itu, penurunan fasa −45o per dekade oleh pole pertama, yang akan berlangsung sampai ω=10ωC1, telah ditambah penurunan oleh pole kedua pada ω=0,1ωC2 sebesar −45o per dekade. Hal ini menyebabkan terjadinya penurunan fasa −2×45o mulai dari ω=0,1ωC2 sampai dengan ω=10ωC1 karena dalam selang frekuensi tersebut dua pole berperan menurunkan fasa secara bersamaan. Pada ω=10ωC1 peran pole pertama berakhir dan mulai dari sini penurunan fasa hanya disebabkan oleh pole kedua, yaitu −45o per dekade. 5-6 Sudaryatno Sudirham, Analisis Rangkaian Listrik (3)

5.1.3. Low-pass Gain Karakteristik low-pass gain dapat diperoleh dari rangkaian orde kedua yang fungsi alihnya tidak mengandung zero. CO$TOH-5.3: Gambarkan Bode plots pendekatan garis lurus rangkaian yang fungsi alihnya adalah :

T ( s) =

5 × 104 ( s + 100)( s + 1000)

Penyelesaian : 5 × 104 0,5 = ( jω + 100)( jω + 1000) (1 + jω / 100)(1 + jω / 1000) 0,5 T ( jω) = 2 1 + (ω / 100) × 1 + (ω / 1000) 2

T ( jω) =

T ( jω) dB = 20 log 0,5 − 20 log 1 + (ω / 100) 2 − 20 log 1 + (ω / 1000) 2 ϕ(ω) = 0 − tan −1 (ω / 100) − tan −1 (ω / 1000)

Komponen pertama tanggapan gain adalah 20log(0,8) ≈ −6 dB. Komponen kedua memberikan perubahan gain −20 dB per dekade mulai pada ω = ωC1 = 100. Komponen ke-tiga memberikan per-ubahan gain −20 dB per dekade mulai pada ω = ωC2 = 1000, sehingga mulai ω = 1000 perubahan gain adalah −40 dB per dekade. 0

Gain [dB] -20

-40

-60 1

10

100

1000

10000 100000

ω [rad/s]

5-7

Fungsi fasa adalah

ϕ(ω) = 0 − tan −1(ω / 100) − tan −1(ω / 1000) Pada ω = 1, ϕ(ω) ≈ 0. Mulai pada ω = 10 , komponen kedua memberikan perubahan fasa −45o per dekade sampai ω = 1000. Mulai pada ω = 100 , komponen ke-tiga memberikan perubahan fasa −45o per dekade sampai ω = 10000. Jadi pada selang 100<ω<1000 perubahan fasa adalah −90o per dekade. 45

ϕ [o]

0

-45 -90 -135 -180 1

10

100

1000

10000 100000

ω [rad/s] 5.2. Fungsi Alih Dengan Zero Riil $egatif Dalam contoh-contoh sebelumnya, fungsi alih mempunyai zero di s = 0. Fungsi alih dalam contoh berikut ini mempunyai zero di s ≠ 0. CO$TOH-5.4: Gambarkan tanggapan gain dan tanggapan fasa jika diketahui fungsi alihnya adalah T ( s) =

4 × 10 4 ( s + 20) ( s + 100)( s + 1000)

Penyelesaian : T ( jω) =

4 × 104 ( jω + 20) 8(1 + jω / 20) = ( jω + 100)( jω + 1000) (1 + jω / 100)(1 + jω / 1000)

T ( jω) =

8 (ω / 20) 2 + 1 1 + (ω / 100) 2 × 1 + (ω / 1000) 2

5-8 Sudaryatno Sudirham, Analisis Rangkaian Listrik (3)

T ( jω) dB = 20 log 8 + 20 log 1 + (ω / 20) 2 − 20 log 1 + (ω / 100) 2 − 20 log 1 + (ω / 1000) 2 ϕ(ω) = 0 + tan −1 (ω / 20) − tan −1 (ω / 100) − tan −1 (ω / 1000)

Komponen pertama dari tanggapan gain adalah 20log8 = 18 dB. Komponen kedua memberikan perubahan gain +20 dB per dekade, mulai pada ω = 20. Komponen ke-tiga memberikan perubahan −20 dB per dekade mulai pada ω = 100. Komponen ke-empat memberikan perubahan −20 dB per dekade mulai pada ω = 1000. 40 Gain [dB] 30

−20dB/dek

+20dB/dek

20 18 10 0 1

10

100

1000

10000 100000 ω [rad/s]

Fungsi fasa adalah:

ϕ(ω) = 0 + tan −1(ω / 20) − tan −1 (ω / 100) − tan −1(ω / 1000) Pada ω = 1, ϕ(ω) ≈ 0. Komponen kedua memberikan perubahan fasa +45o per dekade mulai dari ω = 2 sampai ω = 200. Komponen ketiga memberikan perubahan fasa −45o per dekade mulai dari ω = 10 sampai ω = 1000. Komponen keempat memberi-kan perubahan fasa −45o per dekade mulai dari ω = 100 sampai ω = 10000. Kurva tanggapan fasa adalah seperti di bawah ini.

5-9

45

ϕ [o] 0

-45

-90

-135 1

10

100

1000

10000

100000

ω [rad/s]

Pemahaman : Zero tetap berperan sebagai peningkat gain dan fasa. Zero riil negatif meningkatkan gain dan fasa mulai pada frekuensi yang sama dengan nilai zero. 5.3. Tinjauan Umum Bode Plot dari Rangkaian Yang Memiliki Pole dan Zero Riil Bode plots terutama bermanfaat jika pole dan zero bernilai riil, yaitu pole dan zero yang dalam diagram pole-zero di bidang s terletak di sumbu riil negatif. Dari contoh-contoh fungsi alih yang mengandung zero dan pole riil yang telah kita bahas di atas, kita dapat membuat suatu ringkasan mengenai kaitan antara pole dan zero yang dimiliki oleh suatu fungsi alih dengan bentuk kurva gain dan kurva fasa pada Bode plots dengan pendekatan garis lurus. Untuk itu kita lihat fungsi alih yang berbentuk Ks (s + α1 ) T ( s) = (5.4) (s + α 2 )(s + α3 ) yang akan memberikan T ( jω) =

Kα1 jω(1 + jω / α1 ) α 2 α 3 (1 + jω / α 2 )(1 + jω / α 3 ) (5.5)


Dari (5.5) terlihat ada tiga macam faktor yang akan menentukan bentuk kurva gain maupun kurva fasa. Ke-tiga faktor tersebut adalah: 1.

Kα1 yang disebut faktor skala. Kontribusi faktor α 2α3 skala ini pada gain dan fasa berupa suatu nilai konstan, tidak tergantung pada frekuensi. Kontribusinya pada gain sebesar 20log |K0| akan bernilai positif jika |K0| > 1 dan bernilai negatif jika |K0| < 1. Kontribusinya pada sudut fasa adalah 0o jika K0 > 0 dan 180o jika K0 < 0. Faktor K 0 =

2.

Faktor jω. Faktor ini berasal dari pole atau zero yang terletak di titik (0,0) dalam diagram pole-zero di bidang s. Kontribusinya pada gain adalah sebesar ± 20log(ω) dan kontribusinya untuk sudut fasa adalah ± 90o; tanda plus untuk zero dan tanda minus untuk pole. Jika fungsi alih mengandung pole ataupun zero ganda (lebih dari satu) maka kontribusinya pada gain adalah sebesar ± 20nlog(ω) dan pada sudut fasa adalah ±n90o dengan n adalah jumlah pole atau zero. Dalam pendekatan garis lurus, faktor ini memberikan perubahan gain sebesar ±20n dB per dekade mulai pada ω = 1; tanda plus untuk zero dan tanda minus untuk pole.

3.

Faktor 1 + jω/α. Faktor ini berasal dari pole ataupun zero yang terletak di sumbu riil negatif dalam diagram pole-zero di bidang s. Faktor ini berkontribusi pada gain sebesar

± 20 log 1 + ( ω / α) 2  dan berkontribusi pada sudut fasa   sebesar ± tan −1 (ω / α) ; tanda plus untuk zero dan tanda minus untuk pole. Dalam pendekatan garis lurus, faktor ini memberikan perubahan gain sebesar ±20dB per dekade mulai pada ω = α; untuk frekuensi di bawahnya kontribusinya nol. Perubahan fasa yang dikontribusikan adalah sebesar ±45o per dekade dalam selang frekuensi 0,1α < ω < 10α; di luar selang itu kontribusinya nol. Koreksi-koreksi untuk memperoleh nilai yang lebih tepat, terutama di sekitar titik belok, dapat kita lakukan dengan kembali pada formulasi kontribusi pole ataupun zero pada gain yaitu sebesar 5-11

± 20 log 1 + (ω / α) 2  . Nilai perubahan gain yang lebih tepat   diperoleh dengan memasukkan nilai ω yang kita maksudkan pada formulasi tersebut sehingga kita akan memperoleh: • perubahan gain di ω = α adalahsebesar ± 20 log 1 + (α / α) 2  ≈ 3 dB .   • perubahan gain di ω = 2α adalah sebesar ± 20 log 1 + (2α / α) 2  ≈ 7 dB .   • perubahan gain di ω = 0.5α adalah sebesar ± 20 log 1 + (0.5α / α) 2  ≈ 1 dB .  

5.4. Tinjauan Kualitatif Tanggapan Frekuensi di Bidang s Pembahasan kuantitatif mengenai tanggapan frekuensi dari rangkaian dengan fungsi alih yang mengandung pole riil di atas, telah cukup lanjut. Berikut ini kita akan sedikit mundur dengan melakukan tinjauan secara kualitatif mengenai tanggapan frekuensi ini, untuk kemudian melanjutkan pembahasan tanggapan frekuensi rangkaian dari rangkaian dengan fungsi alih yang mengandung pole kompleks konjugat. Tinjaulah sistem orde pertama dengan fungsi alih yang mengandung pole riil

T ( s) =

K s+α

Diagram pole-zero dari fungsi alih ini adalah seperti terlihat pada Gb.5.5.a. Dari gambar ini kita dapatkan bahwa fungsi gain :

T ( jω) =

K |K| |K| = = 2 2 jω + α A (ω) α +ω

(5.6)

dengan A(ω) adalah jarak antara pole dengan suatu nilai ω di sumbu tegak. Makin besar ω akan makin besar nilai A(ω) sehingga |T(jω)| akan semakin kecil.


Jika kita gambarkan kurva |T(jω)| terhadap ω dengan skala linier, kita akan mendapatkan kurva seperti terlihat pada Gb.5.5.b. Akan tetapi jika dalam penggambaran itu kita menggunakan skala logaritmis, baik untuk absis maupun ordinatnya, kita akan mendapatkan kurva seperti terlihat pada Gb.5.5.c. Inilah bentuk karakteristik low-pass gain dari rangkaian orde satu yang telah kita kenal. jω ω

A(ω) × α

(a)

0

σ

low-pass gain| |T(jω)| 12

|T(jω)| 10

(b) 0 00

500 500

ω

103

1000

(c) 1 11

10 10

2 ω 1000 100 10 103

Gb.5.5. Diagram pole-zero sistem orde pertama dan kurva |T(jω)| terhadap ω Kita lihat rangkaian orde pertama dengan fungsi alih yang mengandung zero di (0,0) Ks T ( s) = s+α Fungsi gain adalah

T ( jω) =

|K |ω |K |ω Kjω = = jω + α A(ω) α 2 + ω2

(5.7)

Jika kita plot |T(jω)| terhadap ω dengan skala linier, kita akan mendapatkan kurva seperti terlihat pada Gb.5.6.a. Akan tetapi jika kita plot |T(jω)| terhadap ω dengan skala logaritmis, baik untuk absis maupun ordinatnya, kita akan mendapatkan kurva seperti terlihat

5-13

pada Gb.5.6.b. Inilah bentuk karakteristik high-pass gain dari rangkaian orde satu yang telah kita kenal. high-pass gain| |T(jω)| 1000

|T(jω)| 1056 1044 1032 1020 1008 996 984 972 960 948 936 924 912 900 888 876 864 852 840 828 816 804 792 780 768 756 744 732 720 708 696 684 672 660 648 636 624 612 600 588 576 564 552 540 528 516 504 492 480 468 456 444 432 420 408 396 384 372 360 348 336 324 312 300 288 276 264 252 240 228 216 204 192 180 168 156 144 132 120 108 96 84 72 60 48 360 24 12

100

10

ω (b)1 3 1 10 100 2 10003 100004 1000 ω 0 1 500 10 10 10 10 10 Gb.5.6. Diagram pole-zero sistem orde pertama dan kurva |T(jω)| terhadap ω. (a)

0

500

Fungsi alih rangkaian orde kedua dengan fungsi transfer yang mengandung dua pole riil, berbentuk

T ( s) =

K ( s + α1 ) ( s + α 2 )

Diagram pole-zero dari fungsi alih ini adalah seperti terlihat pada Gb.5.6.a. Dari diagram ini terlihat bahwa fungsi gain dapat dituliskan sebagai

T ( jω) =

|K| = ( jω + α 1 ) ( jω + α 2 )

|K| ω 2 + α12 ω 2 + α 2

(5.8)

|K| = A1 (ω) × A2 (ω) dengan A1(ω)dan A2(ω) adalah jarak masing-masing pole ke suatu nilai ω. Dengan bertambahnya ω, A1(ω)dan A2(ω) bertambah secara bersamaan. Situasi ini mirip dengan apa yang dibahas di atas, yaitu bahwa |T(jω)| akan menurun dengan naiknya frekuensi; perbedaannya adalah bahwa penurunan pada rangkaian orde kedua ini ditentukan oleh dua faktor yang berasal dari dua pole. Dalam skala linier bentuk kurva |T(jω)| adalah seperti Gb.5.7.b. Dalam skala logaritmik kita memperoleh karakteristik low-pass gain seperti terlihat pada Gb.5.7.c. yang sudah kita kenal.


jω ω A2(ω) A1(ω) (a) × × α2 α1 low-pass gain| |T(jω)|

10

12

0

σ

|T(jω)|

10 8 6 4 2

(b)0 00

2000

4000 4000

8000 ω 8000

6000

(c)1 11

10 10

1002 10

4 10003 10000 10 10

Gb.5.7. Diagram pole-zero sistem orde kedua dan kurva |T(jω)| terhadap ω Jika fungsi alih mengandung satu zero di (0,0) kurva |T(jω)| dengan skala linier akan terlihat seperti Gb.5.8.a. dan jika dibuat dengan skala logaritmik akan seperti Gb.5.8.b. yang telah kita kenal sebagai karakteristik band-pass gain. Jika fungsi alih mengandung dua zero di (0,0) kita memperoleh kurva |T(jω)| dalam skala linier seperti pada Gb.5.9.a. dan jika digunakan skala logaritmik akan kita peroleh karakteristik high-pass gain seperti Gb.5.9.b. band-pass gain| |T(jω)| 100

|T(jω)| 96 84 72 60 48 36 24 12 0

10

(a) 00

2000

4000 4000

8000 ω 8000

6000

(b)1 11

10 10

100 2 10003 ω 10000 10 10 10

4

Gb.5.8. Diagram pole-zero sistem orde kedua dan kurva |T(jω)| terhadap ω

5-15

high-pass gain| |T(jω)| 1000000

|T(jω)| 1200000 1000000 800000 600000 400000 200000

(a)0 00

2000

4000 4000

8000 ω 8000

6000

(b)1

11

100 2 10003 10000 4 10 ω 10 10

10 10

Gb.5.9. Diagram pole-zero sistem orde kedua dan kurva |T(jω)| terhadap ω Keadaan yang sangat berbeda terjadi pada rangkaian orde dua dengan fungsi alih yang mengandung pole kompleks konjugat yang akan kita lihat berikut ini.

5.5. Rangkaian Orde Kedua Yang Memiliki Pole Kompleks Konjugat Rangkaian orde ke-dua yang memiliki pole kompleks konjugat dinyatakan oleh fungsi alih yang berbentuk

T ( s) =

K ( s + α + jβ) ( s + α − jβ)

(5.9)

yang memberikan fungsi gain

T ( jω) = =

K ( jω + α + jβ) ( jω + α − jβ) K (ω + β) 2 + α 2 × (ω − β) 2 + α 2

=

K A1(ω) × A2 (ω)

Gb.5.10. memperlihatkan diagram pole-zero rangkaian orde kedua dengan fungsi alih yang mengandung pole kompleks konjugat dalam tiga keadaan yaitu frekuensi ω1 < ω2 < ω3.


jω

jω ×

× A2(ω) β

ω1

α

0 σ

(a) ×

A1(ω)

A2(ω)

A1(ω)

(b)

jω A2(ω) ×

ω2 0 σ

×

ω3

A1(ω)

(c)

0 σ

×

Gb.5.10. Diagram pole-zero sistem orde kedua dengan pole kompleks konjugat. Dari Gb.5.10. terlihat bahwa peningkatan ω akan selalu diikuti oleh bertambahnya nilai A1(ω). Akan tetapi tidak demikian halnya dengan A2(ω). Pada awalnya peningkatan ω diikuti oleh turunnya nilai A2(ω) sampai mencapai nilai minimum yaitu pada saat ω = ω2 = β seperti pada Gb.5.10.b. Setelah itu A2(ω) meningkat dengan meningkatnya ω. Hasilnya adalah fungsi gain |T(jω)| meningkat pada awal peningkatan ω sampai mencapai nilai maksimum dan kemudian menurun lagi. Puncak tanggapan gain disebut resonansi. Untuk mempelajari tanggapan frekuensi di sekitar frekuensi resonansi, kita tuliskan fungsi alih rangkaian orde kedua dalam bentuk Ks (5.10) T ( s) = 2 s + bs + c yang dapat kita tuliskan Ks T ( s) = 2 s + 2ζω0 s + ω0 2

dengan

(5.11)

b 2c Bentuk penulisan penyebut seperti pada (5.11) ini disebut bentuk normal. ζ disebut rasio redaman dan ω0 adalah frekuensi alami tanpa redaman atau dengan singkat disebut frekuensi alami. Frekuensi alami adalah frekuensi di mana rasio redaman ζ = 0. Fungsi alih (5.11) dapat kita tuliskan ω0 2 = c

dan

ζ=

5-17

T ( s) =

Ks s + 2ζω0 s + ω0 2 2

K

=

(5.12)

s

× ω0 2 (s / ω0 )2 + (2ζ / ω0 )s + 1 dan dari sini kita peroleh K jω T ( jω) = × 2 2 ω0 − (ω / ω0 ) + j (2ζω / ω0 ) + 1 ⇒ T ( jω) =

K ω0

2

ω

×

(5.13)

(1 − (ω / ω ) ) + (2ζω / ω ) 0

⇒ ϕ(ω) = θ K + 90o − tan −1

2 2

(2ζω / ω0 ) 1 − (ω / ω0 )2

0

2

Fungsi gain dalam dB adalah K T ( jω) dB = 20 log + 20 log ω ω0 2

(

(5.14)

)

2 2

− 20 log 1 − (ω / ω 0 ) + (2ζω / ω 0 )2 Rasio redaman akan mempengaruhi perubahan nilai gain oleh pole seperti ditunjukkan oleh komponen ketiga dari fungsi gain ini. Untuk frekuensi rendah komponen ketiga ini mendekati nilai

(

− 20 log 1 − (ω / ω0 )2

) + (2ζω / ω ) 2

0

2

≈ −20 log 1 + 0 = 0 (5.15)

Untuk frekuensi tinggi komponen ketiga mendekati

(

− 20 log 1 − (ω / ω0 )2

) + (2ζω / ω ) 2

0

2

≈ −20 log(ω / ω0 ) (ω / ω0 ) + (2ζ ) ≈ −20 log(ω / ω0 ) 2

2

(5.16) 2

Pendekatan garis lurus untuk menggambarkan tanggapan gain mengambil garis horizontal 0 dB untuk frekuensi rendah dan garis lurus −20log(ω/ω0)2 untuk frekuensi tinggi yang memberikan kemiringan −40 dB per dekade. Kedua garis ini berpotongan di ω = ω0 yang merupakan titik beloknya. Gb.5.11. memperlihatkan pengaruh nilai rasio redaman pada tanggapan gain ini di sekitar titik belok.


20

ζ=0,1 ζ=0,5

dB

ζ=0,05

0

ζ=1

-20

pendekatan linier

ω0

-40 100

ω[rad/s]

1000

10000

Gb.5.11. Pengaruh rasio redamaan pada perubahan gain oleh pole. Fungsi fasa adalah ϕ(ω) = θ K + 90o − tan −1

(2ζω / ω0 ) 1 − (ω / ω0 )2

(5.17)

Untuk frekuensi rendah pengurangan fasa oleh pole mendekati nilai (2ζω / ω0 ) ≈ − tan −1 (2ζω / ω0 ) ≈ 0 − tan −1 (5.18) 1 1 − (ω / ω0 )2 dan untuk frekuensi tinggi mendekati − tan−1

(2ζω/ ω0 ) ≈ − tan−1 (2ζω/ ω0 ) ≈ −180o − (ω / ω0 )2 1 − (ω / ω0 )2

Gb.5.12. memperlihatkan pengaruh rasio perubahan fasa yang disebabkan oleh pole.

(5.19)

redaman

terhadap

ϕ(ω) [o] 0

ζ=0,05

ζ=0,1 ζ=0,5 ζ=1

-45 -90

pendekatan linier

-135

ω0

-180 10

100

1000

10000

100000

ω[rad/s] Gb.5.12. Pengaruh rasio redaman pada perubahan fasa oleh pole. 5-19

CO$TOH-5.5: Gambarkan tanggapan gain dan tanggapan fasa untuk fungsi alih berikut ini dan selidiki pengaruh rasio redaman terhadap tanggapan gain. 80000s T ( s) = 2 s + 100s + 4 × 104 Penyelesaian : Kita tuliskan fungsi alih dengan penyebutnya dalam bentuk 80000s . Dari sini normal menjadi T ( s) = 2 s + 2 × 0,25 × 200s + 200 2 kita peroleh ω0 = 200, dan ζ = 0,25. 2s T ( s) = 2 (s / 200) + (2ζ / 200) s + 1 j 2ω ⇒ T ( jω) = 2 − (ω / 200) + j 2ζω / 200 + 1 2ω ⇒ T ( jω) =

(1 − (ω / 200) ) + (2ζω / 200) = 20 log 2 + 20 log ω − 20 log (1 − (ω / 200) ) + ( 2ζω / 200) 2 2

T ( jω) dB

2

2 2

2

Komponen pertama konstan 20log2 = −6 dB. Komponen kedua memberikan penambahan gain 20 dB per dekade, mulai frekuensi rendah. Pengurangan gain oleh komponen ketiga −40 dB per dekade mulai pada ω = ω0. Fungsi fasa adalah : ϕ(ω) = 0o + 90o − 90o / dek | 20<ω< 2000 ϕ [o]

dB

135 90 45

40 20


1 E+05

1 00 00

rad/s

10 00

1 E+05

1 00 00

rad/s

10 00

1 00

10

1

-40

1 00

-20

10

0 -45 -90 -135

0

1

60

Soal-Soal 1. Tentukanlah tanggapan frekuensi dan tentukan gain tertinggi dan frekuensi cutoff dari rangkaian di bawah ini. +

+

0,5H

9kΩ

vin

1kΩ

vo −

−

2. Tentukanlah tanggapan frekuensi dan tentukan gain tertinggi dan frekuensi cutoff dari rangkaian di bawah ini. + vin

+

10kΩ

vo

1µF 10kΩ

−

−

3. Tentukanlah tanggapan frekuensi dan tentukan gain tertinggi dan frekuensi cutoff dari rangkaian-rangkaian di bawah ini.

+ vin −

+

1H 1kΩ 1kΩ

0,5µF

vo

+ vin − 10kΩ

−

10kΩ

1µF

+ vo −

1µF

100kΩ 10kΩ + vin −

+ −

− +

+ vo −

4. Tentukanlah tanggapan frekuensi dan tentukan gain tertinggi dan frekuensi cutoff dari hubungan bertingkat dengan tahap pertama rangkaian ke-dua dan tahap kedua rangkaian pertama.

5-21

5. Tentukanlah tanggapan frekuensi dan tentukan gain tertinggi dan frekuensi cutoff dari hubungan bertingkat dengan tahap pertama rangkaian ke-tiga dan tahap ke-dua rangkaian pertama. 6. Tentukanlah tanggapan frekuensi dari suatu rangkaian jika diketahui tanggapannya terhadap sinyal anak tangga adalah sebagai seperti di bawah ini. Tentukan gain tertinggi dan frekuensi cutoff.

a). g (t ) = −e −5000 t u (t );

(

)

b). g (t ) = 1 − 5e −5000 t u (t ) 7. Ulangi soal 6 jika diketahui :

( b). g (t ) = ( e

) sin 2000t )u(t )

a). g (t ) = e−1000 t − e −2000t u(t ) −1000 t

8. Tentukanlah tanggapan frekuensi dari suatu rangkaian jika diketahui tanggapannya terhadap sinyal impuls adalah seperti di bawah ini. Tentukan gain tertinggi dan frekuensi cutoff.

a). h(t ) = −1000 e −1000 t u (t ) b). h(t ) = δ(t ) − 2000 e −1000 t u (t ) 9. Gambarkan Bode plot (pendekatan garis lurus) jika diketahui fungsi alihnya T ( s) = 10

(5s + 1)(0.005s + 1) (0.05s + 1)(0.5s + 1)

10. Gambarkan Bode plots (pendekatan garis lurus) jika diketahui fungsi alihnya

T ( s) = 50

s(0.02 s + 1) (0.001s + 1)(0.4 s + 1)


5-23

Analisis Rangkaian Listrik Di Kawasan s

Recommend Documents