JURNAL FOURIER | April 2013, Vol. 2, No. 1, 45-61
ISSN 2252-763X
Aplikasi Transformasi Laplace Pada Rangkaian Listrik Arifin, Muhammad Wakhid Musthofa, dan Sugiyanto Program Studi Matematika Fakultas Sains dan Teknologi, UIN Sunan Kalijaga, Jl. Marsda Adisucipto No. 1 Yogyakarta, Indonesia Korespondensi; Sugiyanto, Email:
[email protected]
Abstrak Menyelesaikan persamaan diferensial sering terkendala oleh masalah syarat awal atau syarat batas. Masalah syarat batas ini sering dijumpai pada penerapan persamaan diferensial, salah satunya adalah rangkaian listrik. Metode yang dapat digunakan untuk menyelesaikan masalah syarat batas pada persamaan diferensial salah satu diantaranya โ adalah metode transformasi Laplace. Transformasi Laplace yang didefinisikan dengan ๐{๐(๐)} = โซ๐ ๐โ๐๐ ๐(๐) ๐
๐ dapat digunakan untuk mencari solusi dari suatu sistem persamaan diferensial koefisien konstan. Metode penyelesaian suatu rangkaian Listrik dengan menggunakan transformasi Laplace adalah dengan mengubah persamaan diferensial dari domain waktu (๐) ke dalam domain frekuensi (๐), memetakan masalah nilai awal ke dalam persamaan pembantu, menyelesaikan dengan perhitungan aljabar, dan menggunakan invers transformasi Laplace untuk mendapatkan solusi khusus secara langsung dari sistem persamaan diferensial rangkaian listrik tersebut. Kata Kunci:
Abstract Resolving differential equations is often constrained by problems of initial requirements or boundary conditions. The problem of boundary conditions is often found in the application of differential equations, one of which is the electrical circuit. The method that can be used to solve the problem of boundary conditions on the differential โ equation is one of them is the Laplace transform method. Laplace transforms defined by ๐{๐(๐)} = โซ๐ ๐โ๐๐ ๐(๐) ๐
๐ can be used to find the solution of a system of constant coefficient differential equations. The method of completion of an electrical circuit by using Laplace transform is by changing the differential equation of the time domain (๐) into the frequency domain (๐), mapping the initial value problem into the helper equation, solving it by algebraic calculation, and using Laplace inverse transformation to obtain the solution Specifically directly from the system of differential equations of the electrical circuit. Keywords
Pendahuluan Metode Transformasi Laplace (Laplace Transformation) merupakan suatu metode yang dapat digunakan untuk menyelesaikan persamaan diferensial, yang memetakan masalah nilai awal ke dalam suatu persamaan aljabar atau suatu sistem persamaan yang dapat diselesaikan dengan metode aljabar dan tabel transformasi Laplace. Metode ini pertama kali diperkenalkan oleh Pierre Simon Marquas De Laplace (1749 โ 1827) seorang matematikawan Perancis dan seorang guru besar di Paris. Dengan metode transformasi Laplace akan dihasilkan solusi khusus secara langsung sesuai dengan kondisi masalah nilai awal yang diberikan. Rangkaian listrik adalah suatu kumpulan elemen atau komponen listrik yang saling dihubungkan dengan cara-cara tertentu dan paling sedikit mempunyai satu lintasan tertutup. Suatu rangkaian listrik dapat dimodelkan ke dalam suatu persamaan diferensial, yaitu persamaan diferensial orde dua koefisien konstan. Oleh sebab itu, solusi rangkaian listrik tersebut dapat ditentukan dengan menggunakan 2013 JURNAL FOURIER
Versi online via www.fourier.or.id
46
Arifin, et al.
transformasi Laplace. Namun, ada suatu rangkaian yang tidak menimbulkan masalah atau kesulitan untuk dianalisa dengan matematika biasa, yaitu rangkaian yang hanya memuat satu elemen rangkaian listrik. Elemen rangkaian listrik dapat dikelompokkan ke dalam elemen atau komponen aktif dan pasif. Elemen aktif adalah elemen yang menghasilkan energi, dalam hal ini adalah sumber tegangan dan sumber arus. Elemen lain adalah elemen pasif dimana elemen ini tidak dapat menghasilkan energi, yaitu elemen yang hanya dapat menyerap energi (resistor), elemen yang dapat menyimpan energi (induktor) dan elemen yang menyerap energi dalam bentuk medan magnet (kapasitor). Suatu rangkaian yang sulit dapat dianalisis/diselesaikan dengan menggunakan transformasi Laplace. Hal ini disebabkan oleh karakteristik dari tiap-tiap elemen rangkaian listrik yang berbeda meskipun secara definitive ๐ฃ๐
, ๐ฃ๐ฟ dan ๐ฃ๐ถ adalah besarnya arus yang mengalir pada elemen R, L, dan C.
Penyelesaian Persamaan Diferensial Dengan Transformasi Laplace Penerapan yang cukup penting dari transformasi Laplace salah satunya adalah untuk menentukan penyelesaian persamaan diferensial linear dengan koefisien kostan. Dalam skripsi ini hanya dibatasi pada persamaan diferensial orde dua koefisien konstan. Metode transformasi Laplace secara khusus digunakan untuk menyelesaikan persamaan diferensial dan memenuhi syarat awal. Untuk menyelesaikan persamaan diferensial ini adalah dengan mengambil transformasi Laplace dari persamaan diferensial yang diberikan, lalu menggunakan syarat-syarat awalnya. Ini memberikan suatu persamaan aljabar dalam transformasi Laplace dari penyelesaian yang diinginkan. Dengan mengambil invers dari transformasi Laplace yang telah dibentuk maka diperoleh penyelesaiannya. Berikut ini diberikan prosedur/ langkah-langkah mencari penyelesaian suatu persamaan diferensial linear orde dua berkoefisien konstan menggunakan transformasi Laplace (John Bird, 2007: 637). Diberikan suatu persamaan diferensial linear orde dua, yaitu: ๐๐ฆ โฒโฒ + ๐๐ฆ โฒ + ๐๐ฆ = ๐(๐ก)
(1)
Dengan syarat awal ๐ฆ(0) dan ๐ฆ โฒ (0). 1) Langkah pertama. Bentuk Persamaan ke dalam transformasi Laplace. โ{๐ฆ(๐ก)} = ๐(๐ ) dan โ{๐(๐ก)} = ๐
(๐ ). Dengan menerapkan transformasi Laplace pada kedua ruas persamaan (1), maka dihasilkan: โ{๐๐ฆ โฒโฒ + ๐๐ฆ โฒ + ๐๐ฆ} = โ{๐ฆ(๐ก)} ๐โ{๐ฆ โฒโฒ } + ๐โ{๐ฆ โฒ } + ๐โ{๐ฆ} = ๐
(๐ ) ๐[๐ 2 ๐(๐ ) โ ๐ ๐ฆ(0) โ ๐ฆ โฒ (0)] + ๐[๐ ๐(๐ ) โ ๐ฆ(0)] + ๐๐(๐ ) = ๐
(๐ )
(2)
2) Langkah kedua. Masukkan nilai awal ๐ฆ(0) dan ๐ฆโฒ(0) serta susun persamaan (2) ke dalam ๐(๐ ) (persamaan pembantu) [๐๐ 2 + ๐๐ + ๐] โ [๐๐ + ๐] โ ๐๐ฆ โฒ (0) = ๐
(๐ ) [๐๐ 2 + ๐๐ + ๐]๐(๐ ) = [๐๐ + ๐]๐ฆ(0) + ๐๐ฆ โฒ (0) = ๐
(๐ ) ๐(๐ ) =
JURNAL FOURIER (2013) 2 45-61
[๐๐ +๐]๐ฆ(0)+๐๐ฆ โฒ (0)+๐
(๐ ) [๐๐ 2 +๐๐ +๐]
(3)
www.fourier.or.id
Aplikasi Transformasi Laplace Pada Rangkaian Listrik
47
3) Langkah ketiga. Jika mengandung pecahan parsial, maka gunakan metode jumlahan pecahan parsial untuk menyelesaikan persamaan (3). ๐(๐ ) =
[๐๐ +๐]๐ฆ(0)+๐๐ฆ โฒ (0) ๐๐ 2 +๐๐ +๐
4) Langkah keempat. Ambil invers transformasi solusi/penyelesaian untuk persamaan (1). โ โ1 {๐(๐ )} = ๐ฆ(๐ก) = โ โ1 {
๐
(๐ )
+ ๐๐ 2 +๐๐ +๐ Laplace
(4)
persamaan
(4)
maka
diperoleh
[๐๐ + ๐]๐ฆ(0) + ๐๐ฆ โฒ (0) ๐
(๐ ) } + โ โ1 { 2 } 2 ๐๐ + ๐๐ + ๐ ๐๐ + ๐๐ + ๐
Contoh 1. Carilah penyelesaian dari 2๐ฆโฒโฒ + 4๐ฆโฒ โ 3๐ฆ = 0, dengan syarat awal ๐ฆ(0) = 4 & ๐ฆโฒ(0) = 9. Dengan menggunakan prosedur/ langkah-langkah di atas, maka diperoleh: โ{2๐ฆโฒโฒ + 4๐ฆโฒ โ 3๐ฆ} = โ{0} 2โ{๐ฆโฒโฒ} + 4โ{๐ฆโฒ} โ 4โ{๐ฆ} = 0 2๐ 2 ๐(๐ ) โ 2๐ ๐ฆ(0) โ 2๐ฆ โฒ (0) + 5๐ ๐(๐ ) โ 5๐ฆ(0) โ 3๐(๐ ) = 0 Untuk ๐ฆ(0) = 4 dan ๐ฆโฒ(0) = 9, maka: 2๐ 2 ๐(๐ ) โ 8๐ โ 18 + 5๐ ๐(๐ ) โ 20 โ 3๐(๐ ) = 0 [2๐ 2 + 5๐ โ 3]๐(๐ ) = 8๐ + 38 ๐(๐ ) =
8๐ + 38 8๐ + 38 = + 5๐ โ 3 (2๐ โ 1)(๐ + 3)
2๐ 2
Menggunakan metode jumlahan pecahan parsial, maka: 8๐ + 38 ๐ด ๐ต = + + 5๐ โ 3 (2๐ โ 1) (๐ + 3)
2๐ 2 Diperoleh,
8๐ + 38 = ๐ด(๐ + 3) + ๐ต(2๐ โ 1) Untuk ๐ = โ3 maka 14 = โ7๐ต atau ๐ต = โ2. 1 7 Untuk ๐ = 2 maka 42 = 2 ๐ด atau ๐ด = 12. Jadi, ๐(๐ ) =
8๐ + 38 12 2 = โ + 5๐ โ 3 (2๐ โ 1) (๐ + 3)
2๐ 2
Dengan invers transformasi Laplace didapat, โ โ1 {๐(๐ )} = ๐ฆ(๐ก) = โ โ1 {
www.fourier.or.id
12 2 } โ โ โ1 { } (2๐ โ 1) (๐ + 3)
JURNAL FOURIER (2013) 2 45-61
48
Arifin, et al.
12 2 2 1 ๐ฆ(๐ก) = โ โ1 { } โ โ โ1 { } = 6โ โ1 { } โ 2โ โ1 { } 1 1 (๐ + 3) (๐ + 3) 2 (๐ โ 2) 2 (๐ โ 2) 1
๐ฆ(๐ก) = 6๐ 2๐ก โ 2๐ โ3๐ก 1
Jadi, solusi dari persamaan diferensial tersebut yaitu, ๐ฆ(๐ก) = 6๐ 2๐ก โ 2๐ โ3๐ก . Contoh 2. Tentukan solusi dari ๐ฆ โฒโฒ โ 4๐ฆ โฒ โ 4๐ฆ = 8๐ก, dengan syarat awal ๐ฆ(0) = 0 & ๐ฆโฒ(0) = 12. Seperti penyelesaian pada contoh 1 maka diperoleh, โ{๐ฆ โฒโฒ โ 4๐ฆ โฒ โ 4๐ฆ} = โ{8๐ก} โ{๐ฆโฒโฒ} โ 4โ{๐ฆโฒ} โ 4โ{๐ฆ} = 8โ{๐ก} ๐ 2 ๐(๐ ) โ ๐ ๐ฆ(0) โ ๐ฆ โฒ (0) โ 4๐ ๐(๐ ) + 4๐ฆ(0) โ 4๐(๐ ) = ๐ 2 ๐(๐ ) โ 12 โ 4๐ ๐(๐ ) โ 4๐(๐ ) = (๐ 2 โ 4๐ โ 4)๐(๐ ) = ๐(๐ ) =
2(๐ 2
๐(๐ ) =
8 ๐ 2
8 ๐ 2
8 + 12 ๐ 2
8 12 + 2 โ 4๐ โ 4) (๐ โ 4๐ โ 4) 8 12 + ๐ 2 (๐ โ 2)2 (๐ โ 2)2
๐(๐ ) tidak mengandung pecahan parsial, maka langsung ditentukan ๐ฆ(๐ก) yang merupakan solusi yang di inginkan. ๐ฆ(๐ก) = 8โ โ1 {
๐ 2 (๐
1 1 } + 12โ โ1 { } 2 (๐ โ 2)2 โ 2)
1
1
Untuk โ โ1 {(๐ โ2)2 } = ๐ก๐ 2๐ก , sedangkan untuk โ โ1 {๐ 2 (๐ โ2)2 }, diselesaikan dengan integral transformasi Laplace. 1
Telah diketahui โ โ1 {(๐ โ2)2 } = ๐ก๐ 2๐ก , dan ๐ก
1 1 2๐ข 1 2๐ข ๐ก 1 2๐ก 1 2๐ก 1 โ1 2๐ข โ { 2 } = โซ ๐ข๐ ๐๐ข = ๐ข๐ โ ๐ | = ๐ก๐ โ ๐ + ๐ (๐ โ 2)2 2 4 2 4 4 0 0
Diperoleh, ๐ก
1 1 1 1 โ โ1 { 2 } = โซ ( ๐ข๐ 2๐ข โ ๐ 2๐ข + ) ๐๐ข 2 ๐ (๐ โ 2) 2 4 4 0
JURNAL FOURIER (2013) 2 45-61
www.fourier.or.id
Aplikasi Transformasi Laplace Pada Rangkaian Listrik
49
1 2๐ข 1 2๐ข 1 ๐ก 1 2๐ก 1 2๐ก 1 1 = ๐ข๐ โ ๐ + ๐ข| = ๐ก๐ โ ๐ + ๐ก + 4 4 4 0 4 4 4 4 Jadi, ๐ฆ(๐ก) = 8โ โ1 {
1 1 โ1 } + 12โ { } (๐ โ 2)2 ๐ 2 (๐ โ 2)2
1 1 1 1 ๐ฆ(๐ก) = 8 ( ๐ก๐ 2๐ก โ ๐ 2๐ก + ๐ก + ) + 12๐ก๐ 2๐ก 4 4 4 4 ๐ฆ(๐ก) = 14๐ก๐ 2๐ก โ 2๐ 2๐ก + 2๐ก + 2 Contoh 3. Diberikan persamaan diferensial, ๐ฆ โฒโฒ โ 4๐ฆ โฒ + 8๐ฆ = 8๐ 2๐ก cos 2๐ก + 6๐ 2๐ก sin 2๐ก, dengan syarat awal ๐ฆ(0) = 4 dan ๐ฆโฒ(0) = 10. Jika kedua ruas ditransformasi ke dalam transformasi Laplace, maka: โ{๐ฆ โฒโฒ โ 4๐ฆ โฒ + 8๐ฆ} = โ{8๐ 2๐ก cos 2๐ก + 6๐ 2๐ก sin 2๐ก} ๐ 2 ๐(๐ ) โ ๐ ๐ฆ(0) โ ๐ฆ โฒ (0) โ 4๐ ๐(๐ ) + 4๐ฆ(0) + 8๐(๐ ) =
8(๐ โ 2) 6(2) + 2 (๐ โ 2) + 4 (๐ โ 2)2 + 4
Untuk syarat awal ๐ฆ(0) = 4 dan ๐ฆโฒ(0) = 10, maka: (๐ 2 โ 4๐ + 8)๐(๐ ) โ 4๐ + 6 = ((๐ โ 2)2 + 4)๐(๐ ) =
๐(๐ ) =
8(๐ โ 2) 12 + 2 (๐ โ 2) + 4 (๐ โ 2)2 + 4
8(๐ โ 2) 12 4๐ โ 6 + + 2 2 2 (๐ โ 2) + 4 [(๐ โ 2) + 4] (๐ โ 2)2 + 4
๐(๐ ) =
8(๐ โ 2) 12 4๐ โ 6 + + (๐ โ 2)2 + 4 [(๐ โ 2)2 + 4]2 (๐ โ 2)2 + 4
๐(๐ ) =
8(๐ โ 2) 12 4๐ โ 8 + 2 + + 2 2 2 (๐ โ 2) + 4 [(๐ โ 2) + 4] (๐ โ 2)2 + 4
8(๐ โ 2) 12 4(๐ โ 2) 2 + + + 2 2 2 2 (๐ โ 2) + 4 [(๐ โ 2) + 4] (๐ โ 2) + 4 (๐ โ 2)2 + 4
Lalu menggunakan invers transformasi Laplace, maka diperoleh, ๐ฆ(๐ก) = 8โ โ1 {
(๐ โ 2) (๐ โ 2) 12 2 โ1 โ1 + 12โ + 4โ } { } { } + โ โ1 { } [(๐ โ 2)2 + 4]2 (๐ โ 2)2 + 4 (๐ โ 2)2 + 4 (๐ โ 2)2 + 4
8๐ 2๐ก 8๐ 2๐ก (sin 2๐ก โ 2๐ก cos 2๐ก) + 4๐ 2๐ก cos 2๐ก + ๐ 2๐ก sin 2๐ก = ๐ก sin 2๐ก โ 4 16 3 2
7 2
๐ฆ(๐ก) = 2๐ก๐2๐ก sin 2๐ก โ ๐ก๐2๐ก cos 2๐ก + 4๐2๐ก cos 2๐ก + ๐2๐ก sin 2๐ก
www.fourier.or.id
JURNAL FOURIER (2013) 2 45-61
50
Arifin, et al.
Elemen Rangkaian Listrik Dalam Domain-S Untuk dapat mentransformasi suatu rangkaian listrik ke dalam transformasi Laplace, maka perlu didefinisikan elemen-elemen di dalam rangkaian tersebut ke dalam domain-s. Adapun transformasi elemen-elemen rangkaian listrik ke dalam domain-s didefinisikan sebagai berikut (John Bird, 2007: 640). 1. Resistor (๐
) Dalam domain waktu (t), resistor didefinisikan oleh hukum Ohm, yaitu: ๐ฃ๐
(๐ก) = ๐
๐(๐ก) Transformasi Laplace dari persamaan ini yaitu, โ{๐ฃ๐
(๐ก)} = โ{๐
๐(๐ก)} = ๐
๐ผ(๐ ) Diperoleh ๐ฃ๐
di dalam domain-s, ๐ฃ๐
(๐ ) = ๐
๐(๐ )
(5)
2. Kapasitor (๐ถ) Sebuah kapasitor dalam domain waktu (๐ก) didefinisikan sebagai, ๐(๐ก) = ๐ถ
๐๐ฃ๐ (๐ก) ๐๐ก
1
atau ๐ฃ๐ถ (๐ก) = ๐ถ โซ ๐(๐ก) ๐๐ก
Transformasi Laplace dari persamaan ini yaitu, 1 1 ๐ผ(๐ ) โ{๐ฃ๐ถ (๐ก)} = โ { โซ ๐(๐ก) ๐๐ก} = ๐ถ ๐ถ ๐ Diperoleh impedansi kapasitor dalam domain-s, 1
๐ฃ๐ (๐ ) = ๐ ๐ถ ๐ผ(๐ก)
(6)
3. Induktor (๐ฟ) Sebuah induktor dalam domain waktu (๐ก) didefinisikaan sebagai, ๐ฃ๐ฟ (๐ก) = ๐ฟ
๐๐(๐ก) ๐๐ก
Transformasi Laplace dari persamaan ini yaitu, โ{๐ฃ๐ฟ (๐ก)} = โ {๐ฟ
๐๐ } = ๐ ๐ฟ๐ผ(๐ ) โ ๐ฟ๐(0) ๐๐ก
Impedansi Induktor dalam domain-s didefinisikan oleh, ๐ฃ๐ฟ (๐ ) = ๐ฟ[๐ ๐ผ(๐ ) โ ๐(0)]
JURNAL FOURIER (2013) 2 45-61
(7)
www.fourier.or.id
Aplikasi Transformasi Laplace Pada Rangkaian Listrik
51
Aplikasi Transformasi Laplace Pada Rangkaian Listrik Jika diberikan suatu rangkaian listrik, maka prosedur/langkah-langkah untuk mencari penyelesaiannya dengan menggunakan transformasi Laplace yaitu, (John Bird, 2007:642): 1. Gunakan hukum yang berlaku pada rangkaian tersebut untuk menentukan persamaan diferensialnya (Hukum Kirchoff dan hukum Ohm). 2. Ambil transformasi Laplace pada kedua ruas persamaan yang terbentuk. 3. Masukkan nilai awal yang diberikan dan susun persamaan pembantu. 4. Gunakan invers transformasi Laplace untuk menentukan penyelesaiannya. Contoh 4. Diberikan suatu rangkaian L-R-C seperti pada Gambar 1 tentukan besar arus yang mengalir dalam rangkaian tersebut jika pada saat ๐ก = 0 diberi tegangan sebesar ๐ฃ dan ๐(0) = 0.
Gambar 1 Rangkaian listrik satu.
Pada rangkaian listrik (Gambar 1) dapat dibentuk sebuah persamaan diferensial dengan menggunakan hukum II Kirchoff yaitu: โ๐ฃ = 0
๐ฃ๐ฟ + ๐ฃ๐
+ ๐ฃ๐ถ โ ๐ฃ(๐ก) = 0 atau ๐ฃ(๐ก) = ๐ฃ๐ฟ + ๐ฃ๐
+ ๐ฃ๐ถ ๐ฃ=๐ฟ
๐๐(๐ก) 1 + ๐
๐(๐ก) + โซ ๐(๐ก) ๐๐ก ๐๐ก ๐ถ
Ambil transformasi Laplace pada kedua ruas persamaan dan maka diperoleh, โ{๐ฃ} = โ {๐ฟ
๐๐(๐ก) 1 + ๐
๐(๐ก) + โซ ๐(๐ก) ๐๐ก} ๐๐ก ๐ถ
๐ฃ ๐ฃ โ ๐ ๐ฟ๐(0) ๐ฃ โ ๐ ๐ฟ๐(0) = ๐ ๐ฟ๐ผ(๐ ) + ๐ฟ๐(0) + ๐
๐ผ(๐ ) + = 1 1 ๐ ๐ [๐ ๐ฟ + ๐
+ ๐ ๐ถ ] ๐ 2 ๐ฟ + ๐ ๐
+ ๐ถ Dengan substitusi ๐(0) = 0, maka: ๐ผ(๐ ) =
www.fourier.or.id
๐ฃ 1 ๐ 2 ๐ฟ + ๐ ๐
+ ๐ถ
=
๐ฃ ๐
1 ๐ฟ [๐ 2 + ๐ ( ๐ฟ ) + ๐ฟ๐ถ ]
=
๐ฃโ๐ฟ ๐
1 ๐ 2 + ๐ ( ๐ฟ ) + ๐ฟ๐ถ JURNAL FOURIER (2013) 2 45-61
52
Arifin, et al.
Dengan penggunaan kuadrat sempurna, maka: ๐ฃโ๐ฟ
๐ผ(๐ ) = [๐ 2
๐
๐
2 1 ๐
2 + ( ๐ฟ ) ๐ + (2๐ฟ) ] + [๐ฟ๐ถ โ (2๐ฟ) ] ๐ฃโ๐ฟ
=
๐
2 1 ๐
2 (๐ + 2๐ฟ) + (โ๐ฟ๐ถ โ (2๐ฟ) )
2
๐ฃโ๐ฟ
= 2
2
2
โ
๐
1 ๐
(๐ + 2๐ฟ) + (โ๐ฟ๐ถ โ (2๐ฟ) )
๐ผ(๐ ) =
1
2 โ 1 โ(๐
) ๐ฟ๐ถ 2๐ฟ 2 โ 1 โ(๐
) ๐ฟ๐ถ 2๐ฟ
2 โ 1 โ(๐
) ๐ฟ๐ถ 2๐ฟ
๐ฃโ๐ฟ
โ 2 2 2 2 1 ๐
โ โ ( ) (๐ + ๐
) + (โ 1 โ ( ๐
) ) ๐ฟ๐ถ 2๐ฟ 2๐ฟ ๐ฟ๐ถ 2๐ฟ ๐
2
๐
Dengan memisalkan ๐ = โ๐ฟ๐ถ โ (2๐ฟ) , dan ๐ = (2๐ฟ), maka: ๐ผ(๐ ) =
๐ฃโ๐ฟ 2 โ 1 โ(๐
) ๐ฟ๐ถ 2๐ฟ
โ
๐ (๐ + ๐)2 + ๐ 2
Dengan menggunakan invers transformasi Laplace, maka diperoleh
โ โ1 {๐ผ(๐ )} = ๐(๐ก) = โ โ1
=
=
๐ฃโ๐ฟ 2 โ 1 โ(๐
) { ๐ฟ๐ถ 2๐ฟ
๐ฃโ๐ฟ 2 โ 1 โ(๐
) ๐ฟ๐ถ 2๐ฟ
๐ฃโ๐ฟ โ 1 โ(๐
) ๐ฟ๐ถ 2๐ฟ
2
โ
โ โ โ1 {
๐ (๐ + ๐)2 + ๐ 2 } ๐ } (๐ + ๐)2 + ๐ 2
โ ๐ โ๐๐ก sin ๐๐ก
Jadi, dengan mensubstitusi nilai ๐ dan ๐, maka diperoleh solusi untuk rangkaian pada Gambar 1 di atas yaitu:
JURNAL FOURIER (2013) 2 45-61
www.fourier.or.id
Aplikasi Transformasi Laplace Pada Rangkaian Listrik
๐ฃโ๐ฟ
๐(๐ก) =
๐
๐ก
2 โ 1 โ(๐
) ๐ฟ๐ถ 2๐ฟ
โ ๐ โ ๐ฟ sin (โ
53
1 ๐
2 โ ( ) ) ๐ก (๐ด) ๐ฟ๐ถ 2๐ฟ
Contoh 5. Tentukan besar arus yang mengalir dalam rangkaian berikut ini jika saklar ditutup pada saat ๐ก = 0.
Gambar 2 Rangkaian listrik dua.
Dengan menggunakan hukum II Kirchoff diperoleh โ๐ฃ = 0
๐ฃ๐ฟ + ๐ฃ๐
+ ๐ฃ๐ถ โ ๐ฃ(๐ก) = 0 0,1
๐๐(๐ก) 1 2 + 5๐(๐ก) + โซ ๐(๐ก) ๐๐ก โ =0 ๐๐ก 20๐ฅ10โ6 ๐
Jika ditransformasi ke domain-s maka, โ {0,1
๐๐(๐ก) 1 + 5๐(๐ก) + โซ ๐(๐ก) ๐๐ก โ 2} = โ{0} ๐๐ก 20๐ฅ10โ6
0,1๐ ๐ผ(๐ ) + 0,1๐(0) + 5๐ผ(๐ ) + ๐ผ(๐ ) [0,1๐ + 5 +
๐ผ(๐ ) 2 โ =0 20๐ฅ10โ6 ๐ ๐
1 2 ] = โ 0,1๐(0) โ6 20๐ฅ10 ๐ ๐
Saklar baru dinyalakan sehingga pada saat awal belum ada arus yang mengalir (๐(0) = 0). Jadi, 2
๐ผ(๐ ) =
๐ [0,1๐ + 5 + = ๐ผ(๐ ) = = www.fourier.or.id
5๐ฅ104 ๐ ]
2 [0,1๐ 2 + 5๐ + 5๐ฅ104 ] 0,1[๐ 2
2 + 50๐ + 5๐ฅ104 ]
20 (๐ 2 + 50๐ + 5๐ฅ104 ) JURNAL FOURIER (2013) 2 45-61
54
Arifin, et al.
= = = =
(๐ 2
+ 50๐ +
20 + (5๐ฅ105 โ (25)2 )
(25)2 )
(๐ +
25)2
20 + (499375)
(๐ +
25)2
20 + (499375) 20
(๐ + 25)2 + โ(499375)2 20
=
2
โ
(๐ + 25)2 + (โ(499375)) =
๐ผ(๐ ) =
20
โ499375 โ499375
โ499375
โ
2
โ499375 (๐ + 25)2 + (โ(499375)) 20 โ499375 โ 706,7 (๐ + 25)2 + (706,7)2
Diperoleh ๐(๐ก) = โ โ1 {๐ผ(๐ )}, yaitu: ๐(๐ก) = โ โ1 {๐ผ(๐ )} = โ โ1 {0,0283 โ
706,7 } (๐ + 25)2 + (706,7)2
= 0,0283 โ โ โ1 {
706,7 } (๐ + 25)2 + (706,7)2
= 0,0283 โ ๐ โ25๐ก sin 706,7๐ก (๐ด) Jadi, besar arus listrik yang mengalir pada rangkaian di atas, yaitu: 0,0283 โ ๐ โ25๐ก sin 706,7๐ก Ampere. Contoh 6. Tentukan besar arus yang mengalir jika saklar ditutup pada saat ๐ก = 0 dalam rangkaian berikut ini!
Gambar 3 Rangkaian listrik tiga.
JURNAL FOURIER (2013) 2 45-61
www.fourier.or.id
Aplikasi Transformasi Laplace Pada Rangkaian Listrik
55
Dari Gambar 3 diperoleh persamaan dengan menggunakan hukum II Kirchoff: Persamaan pada loop I: 10๐1 + 0,02
๐๐1 ๐๐2 โ 0,02 โ 100 = 0 ๐๐ก ๐๐ก
Dan persamaan loop II: 0,02
๐๐2 ๐๐1 + 5๐2 โ 0,02 =0 ๐๐ก ๐๐ก
Jika kedua persamaan ditransformasi ke domain-s, maka diperoleh: โ {10๐1 + 0,02
๐๐1 ๐๐2 โ 0,02 โ 100} = โ{0} ๐๐ก ๐๐ก
10๐ผ1 + 0,02๐ ๐ผ1 (๐ ) โ 0,02๐ ๐ผ2 (๐ ) โ
100 =0 ๐
(10 + 0,02๐ )๐ผ1 (๐ ) โ 0,02๐ ๐ผ2 (๐ ) =
100
(8)
๐
dan โ {0,02
๐๐2 ๐๐1 + 5๐2 โ 0,02 } = โ{0} ๐๐ก ๐๐ก
0,02๐ ๐ผ2 (๐ ) + 5๐ผ2 (๐ ) โ 0,02๐ ๐ผ1 (๐ ) = 0 (0,02๐ + 5) = 0,02๐ ๐ผ2 (๐ ) = 0
(9)
Dari persamaan (9), diperoleh 0,02๐ ๐ผ (๐ )
๐
2 ๐ผ2 (๐ ) = (0,02๐ +5) = ๐ +250 ๐ผ1 (๐ )
(10)
Jika persamaan (10) disubstitusikan ke dalam persamaan (8), maka ๐ 100 (10 + 0,02๐ )๐ผ1 (๐ ) โ 0,02๐ ( ๐ผ1 (๐ )) = ๐ + 250 ๐ ๐ผ1 (๐ ) (10 + 0,02๐ โ
0,02๐ 2 100 )= ๐ + 250 ๐
10๐ + 2500 + 0,02๐ 2 + 5๐ โ 0,02๐ 2 100 ๐ผ1 (๐ ) ( )= ๐ + 250 ๐ ๐ผ1 (๐ )(15๐ + 2500) = ๐ผ1 (๐ ) = =
www.fourier.or.id
100(๐ + 250) ๐ 100(๐ + 250) 100(๐ + 250) = ๐ (15๐ + 2500) 15๐ (๐ + 166,667) 6,667(๐ +250) ๐ (๐ +166,667)
(11)
JURNAL FOURIER (2013) 2 45-61
56
Arifin, et al.
Menggunakan metode jumlahan pecahan parsial, maka diperoleh 6,667(๐ +250)
๐ด
๐ต
๐ผ1 (๐ ) = ๐ (๐ +166,667) = ๐ + ๐ +166,667 atau 6,667(๐ + 250) = ๐ด(๐ + 166,667) + ๐ต๐ Untuk ๐ = 0, 6,667(250) = ๐ด(166,667) atau ๐ด = 10 Untuk ๐ = โ166,667, 6,667(83,334) = โ166,667๐ต atau ๐ต = โ3,334 Jadi, didapatkan nilai ๐ผ1 (๐ ), yaitu: ๐ผ1 (๐ ) =
๐ 6,667(๐ + 250) ( ) ๐ + 250 ๐ (๐ + 166,667)
๐ผ2 (๐ ) =
6,667 (๐ + 166,667)
Dengan menggunakan invers transformasi Laplace maka diperoleh penyelesaian untuk ๐ผ1 (๐ ) dan ๐ผ2 (๐ ) yaitu: โ โ1 {๐ผ1 (๐ )} = โ โ1 {
10 3,334 โ } ๐ ๐ + 166,667
๐1 (๐ก) = 10 โ 3,334๐ โ166,667๐ก (๐ด) dan 6,667
โ โ1 {๐ผ1 (๐ )} = โ โ1 {๐ +166,667} โบ ๐1 (๐ก) = 10 โ 3,334๐ โ166,667๐ก (๐ด). Contoh 7. Tentukan besar arus yang mengalir jika saklar ditutup pada saat ๐ก = 0 dalam rangkaian berikut ini!
Gambar 4 Rangkaian listrik empat.
Dari Gambar 4 di atas diperoleh persamaan dengan menggunakan hukum II Kirchoff. Persamaan pada loop I: 10๐1 +
1 โซ ๐ ๐๐ก + 10๐2 = 50 0,2 1
Dan persamaan loop II: 10๐2 + 10๐1 = 50 Jika kedua persamaan tersebut ditransformasi ke domain-s maka diperoleh persamaan: 10๐ผ1 (๐ ) + 5
JURNAL FOURIER (2013) 2 45-61
๐ผ1 (๐ ) ๐
+ 10๐ผ2 (๐ ) =
50 ๐
; dan
(12)
www.fourier.or.id
Aplikasi Transformasi Laplace Pada Rangkaian Listrik
50๐ผ2 (๐ ) + 10๐ผ1 (๐ ) =
50
57 (13)
๐
Dari persamaan (13), diperoleh ๐ผ2 (๐ ) =
50โ๐ โ10๐ผ1 50
1
= ๐ โ 0.210๐ผ1 (๐ )
(14)
Dengan mensubtitusi persamaan (14) ke dalam persamaan (12), maka: 10๐ผ1 (๐ ) + 5
๐ผ1 (๐ ) 1 50 + 10 [ โ 0.210๐ผ1 (๐ )] = ๐ ๐ ๐ 5 40 ๐ผ1 (๐ ) [8 + ] = ๐ ๐ ๐ผ1 (๐ ) [
8๐ + 5 40 ]= ๐ ๐ ๐ผ1 (๐ ) = 40โ8๐ + 5 = 5โ๐ + 0,625
(15)
Dengan mensubstitusi persamaan (15) ke dalam persamaan (12), maka 50 โ 10๐ผ1โ ๐ผ2 (๐ ) = ๐ 50 = 1โ50 โ 0.2 [5โ๐ + 0,625] = 1โ๐ โ 1โ๐ + 0,625
(16)
Dengan menggunakan invers transformasi Laplace maka diperoleh penyelesaian untuk ๐ผ1 (๐ ), dan ๐ผ2 (๐ ) yaitu: 5 โ โ1 {๐ผ1 (๐ )} = โ โ1 { } ๐ + 0,625 ๐1 (๐ก) = 5๐ โ0,625๐ก (๐ด) Dan 1 5 โ โ1 {๐ผ2 (๐ )} = โ โ1 { โ } ๐ ๐ + 0,625 ๐2 (๐ก) = 1 โ ๐ โ0,625๐ก (๐ด) Contoh 8. Diberikan suatu rangkaian di bawah ini. Saklar ๐1 ditutup pada saat ๐ก = 0, tetapi pada saat yang sama aklar ๐2 dibuka. Tentukan ๐ฃ๐๐ข๐ก (๐ก) pada saat ๐ก > 0.
www.fourier.or.id
JURNAL FOURIER (2013) 2 45-61
58
Arifin, et al.
Gambar 5 Rangkaian listrik lima.
Dari rangkaian, terdapat dua kondisi awal yang diberikan yaitu nilai tegangan awal, ๐ฃ๐ถ (0โ ) untuk kapasitor yaitu seberar 3 Volt, dan nilai arus awal sebesar 2 Ampere untuk Induktor ๐ฟ1 atau ๐๐ฟ1 (0โ ) = 2๐ด. Untuk ๐ก > 1, lalu ubah rangkaian gambar 5 ke dalam domain-s seperti berikut.
Gambar 6 Rangkaian listrik enam.
Dari gambar 6 arus dalam induktor ๐ฟ1 digantikan oleh sumber tegangan 1V. Ini diperoleh dari ๐ฟ1 โ ๐๐ฟ1 (0โ ) = 1๐. Lalu dengan menggunakan hokum II Kirchoff, diperoleh: ๐๐๐ข๐ก (๐ )โ1โ3โ๐ 1โ๐ โ2โ๐ โ2
+
๐๐๐ข๐ก (๐ ) 1
+
๐๐๐ข๐ก (๐ ) ๐ โ2
=0
(17)
Kemudian persamaan (17) disederhanakan menjadi ๐๐๐ข๐ก (๐ ) โ 1 โ 3โ๐ 1 + 3โ๐ 2๐๐๐ข๐ก (๐ ) โ + ๐๐๐ข๐ก (๐ ) + =0 1โ๐ โ 2 โ ๐ โ2 1โ๐ โ 2 โ ๐ โ2 ๐ ๐ +3 ๐๐๐ข๐ก (๐ ) 2๐๐๐ข๐ก (๐ ) ๐ (๐ ) โ + ๐ + =0 ๐๐ข๐ก 2 โ 4๐ โ ๐ 2 2 โ 4๐ โ ๐ 2 ๐ ( ) ( ) 2๐ 2๐ 2๐ โ ๐๐๐ข๐ก (๐ ) 2๐ (๐ + 3) 2๐๐๐ข๐ก (๐ ) (๐ ) โ + ๐ + =0 ๐๐ข๐ก 2 โ 4๐ โ ๐ 2 2 โ 4๐ โ ๐ 2 ๐ 2๐ 2 โ ๐๐๐ข๐ก (๐ ) 2๐ (๐ + 3) ๐๐๐ข๐ก (๐ )๐ (2 + 4๐ + ๐ 2 ) 2๐๐๐ข๐ก (๐ )(2 + 4๐ + ๐ 2 ) โ + + =0 ๐ (2 + 4๐ + ๐ 2 ) ๐ (2 + 4๐ + ๐ 2 ) ๐ (2 + 4๐ + ๐ 2 ) ๐ (2 + 4๐ + ๐ 2 ) 2๐ 2 โ ๐๐๐ข๐ก (๐ ) โ 2๐ (๐ + 3) + ๐๐๐ข๐ก (๐ )๐ (2 + 4๐ + ๐ 2 ) + ๐๐๐ข๐ก (๐ )(4 + 8๐ + 2๐ 2 ) =0 ๐ (2 + 4๐ + ๐ 2 )
JURNAL FOURIER (2013) 2 45-61
www.fourier.or.id
Aplikasi Transformasi Laplace Pada Rangkaian Listrik
59
2๐ 2 โ ๐๐๐ข๐ก (๐ ) + ๐๐๐ข๐ก (๐ )(2๐ + 4๐ 2 + ๐ 3 ) + ๐๐๐ข๐ก (๐ )(4 + 8๐ + 2๐ 2 ) = 2๐ (๐ + 3) ๐๐๐ข๐ก (๐ )(2๐ 2 + 2๐ + 4๐ 2 + ๐ 3 ) + ๐๐๐ข๐ก (๐ )(4 + 8๐ + 2๐ 2 ) = 2๐ (๐ + 3) ๐๐๐ข๐ก (๐ )(๐ 3 + 8๐ 2 + 10๐ + 4) = 2๐ (๐ + 3) 2๐ (๐ +3)
๐๐๐ข๐ก (๐ ) = ๐ 3 +8๐ 2 +10๐ +4
(18)
Lalu difaktorkan menjadi 2๐ (๐ +3)
2๐ (๐ +3)
๐๐๐ข๐ก (๐ ) = ๐ 3 +8๐ 2 +10๐ +4 = (๐ +6,57)(๐ 2 +1,43๐ +0,61)
(19)
Dengan metode jumalahan pecahan parsial didapat ๐๐๐ข๐ก (๐ ) =
2๐ (๐ + 3) ๐ด ๐ต๐ + ๐ถ = + 2 2 (๐ + 6,57)(๐ + 1,43๐ + 0,61) (๐ + 6,57) ๐ + 1,43๐ + 0,61
2๐ (๐ + 3) = ๐ด(๐ 2 + 1,43๐ + 0,61) + (๐ต๐ + ๐ถ)(๐ + 6,57) Untuk ๐ = โ6,57 maka 2(โ6,57)(โ6,57 + 3) = ๐ด((โ6,57)2 + 1,43(โ6,57) + 0,61) ๐ด=
46,9098 = 1,36 34,3798
0,83
Untuk ๐ = 0, dan A=1,36 maka ๐ถ = โ 6,57 = โ0,12. Untuk ๐ = 1, dan A=1,36 maka ๐ถ = โ0,12 diperoleh 2(4) = 1,36(1 + 1,43 + 0,61) + (๐ต โ 0,12)(1 + 1,36) 8 = 4,12 + 7,57๐ต โ 0,96 7,57๐ต = 4,84 atau ๐ต = 0,64. Diperoleh persamaan baru dari persamaan (19): ๐๐๐ข๐ก (๐ ) =
1,36 0,64 โ 0,12 + 2 ๐ + 1,36 ๐ + 1,43๐ + 0,61
=
1,36 0,64๐ + (0,46 โ 0,58) + 2 ๐ + 1,36 ๐ + 1,43๐ + (0,51 + 0,1)
=
1,36 ๐ + 0,715 โ 0,91 + 0,64 2 (๐ + 1,43๐ + 0,51) + (0,1) ๐ + 1,36
=
1,36 ๐ + 0,715 0,91 + 0,64 ( โ ) 2 2 (๐ + 0,715) + (๐ + 0,316) (๐ + 0,715)2 + (0,316)2 ๐ + 6,57
www.fourier.or.id
JURNAL FOURIER (2013) 2 45-61
60
Arifin, et al.
Dengan menggunakan invers transformasi Laplace, maka diperoleh penyelesaian dari persamaan rangkaian listrik di atas, yaitu: (๐ + 0,715) 1,36 0,91 โ โ1 {๐๐๐ข๐ก (๐ )} = โ โ1 { } + โ โ1 {0,64 } โ โ โ1 {1,64 ( )} 2 2 (๐ + 0,715) + (๐ + 0,316) (๐ + 0,715)2 + (0,316)2 ๐ + 6,57 (๐ + 0,715) 1,36 0,316 = โ โ1 { } + โ โ1 {0,64 } โ โ โ1 {1,84 ( )} (๐ + 0,715)2 + (๐ + 0,316)2 (๐ + 0,715)2 + (0,316)2 ๐ + 6,57 ๐๐๐ข๐ก (๐ก) = 1,36๐โ6,57๐ก + 0,64๐โ0,715๐ก cos 0,316๐ก โ 1,84๐โ0,715๐ก sin 0,316๐ก (๐)
Dari hasil yang diperoleh tersebut, untuk ๐ก โ โ maka ๐๐๐ข๐ก (๐ก) โ 0.
Kesimpulan Berdasarkan hasil studi literatur yang dilakukan tentang aplikasi transformasi Laplace pada rangkaian listrik, dapat ditarik kesimpulan sebagai berikut: 1. Transformasi Laplace memiliki manfaat dalam menyelesaikan suatu persamaan diferensial terutama persamaan diferensial linear orde dua dengan koefisien konstan: ๐ฆ โฒโฒ + ๐๐ฆ โฒ + ๐๐ฆ = ๐(๐ก) , yaitu secara langsung didapatkan penyelesaian khusus dari nilai awal atau syarat batas yang diberikan. 2. Langkah-langkah untuk mengaplikasikan transformasi Laplace dalam menyelesaikan suatu rangkaian listrik, yaitu: menentukan persamaan diferensial dalam domain-t dari suatu rangkaian listrik dengan menggunakan hukum pada rangkaian tersebut (hukum Ohm atau hukum Kirchoff); membentuk persamaan pembantu dengan menggunakan transformasi Laplace; mensubstitusikan nilai awal atau syarat batas yang diberikan ke dalam persamaan pembantu; menyelesaikan persamaan pembantu dengan perhitungan aljabar, termasuk dengan metode jumlahan pecahan parsial; dan menggunakan invers transformasi Laplace untuk menentukan solusi yang merupakan penyelesaian khusus dari rangkaian listrik tersebut.
Referensi [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] [19]
Ayres, Frank. 1972. Theory and Problem Of Differential and Integral Calculus, 2nd Edition. New York: McGraw-Hill Companies. Attenborough, Mary. 2003. Mathematics for Electrical Engineering and Computing. Oxford: Newnes. Bird, John. 1997. Electrical Circuit Theory and Technology, Third edition. USA: Elsevier Inc. Budi, Mismail. 1995. Rangkaian Listrik. Bandung: ITB. Chen, Wai-Kai.2004.The Electrical Engineering Handbook.USA: Elsevier Inc. Darmawijaya, Soeparna, Dkk.__.MATEMATIKA DASAR I. Yogyakarta: Universitas Gadjah Mada. Dedy, Endang, dkk. 2003. KALKULUS I. Bandung: JICA. Fidiyah, Suci. 2006. Aplikasi Transformasi Laplace pada Penyelesaian Persamaan Aliran Panas dan Persamaan Gelombang. Malang: UMM. Farlow, Stanley J. 1994. Partial Differential Equations for Scientists and Engineers. New York: John Wiley Inc. Gazali, Wikaria dan Soedadyatmodjo. 2007. KALKULUS Edisi kedua. Yogyakarta: Graha Ilmu. Harini, Meyriska Aulia. 2005. Transformasi Laplace dari masalah Nilai Batas pada Persamaan Diferensial Parsial. Semarang: FMIPA UNNES. Havil, Julian. 2003. Gamma: Exploring Eulerโs Constant.New Jersey: Princeton University. Holbrook, James G. 1959. Laplace Transforms for Electronic Engineers. NewYork: Pregamon Press. Karris, Steven T. 2006. Circuit Analysis II with MATLABยฎ Computing and Simulinkยฎ / SimPowerSystemยฎ Modeling. California: Orchard publications. Logan, J. David. 2006. A First Course in Differential Equations. USA: Spinger. Maxfield, Clive, dkk. 2008. Electrical Engineering, Know It All. USA: Elsevier Inc. Nahvi, Mahmood and Joseph A. Edminister. 1986. Theory and Problem Of Electric Circuits, fourth Edition. New York: McGraw-Hill Companies. Prayudi. 2006. Matemamatika Teknik Edisi Pertama. Yogyakarta: Graha Ilmu. Powell, Ray. 1995. Introduction to Electric Circuits. London: Arnold.
JURNAL FOURIER (2013) 2 45-61
www.fourier.or.id
Aplikasi Transformasi Laplace Pada Rangkaian Listrik [20] [21] [22] [23] [24] [25] [26] [27]
61
Power, David L. 2006. Boundary Value Problem and Partial Differential Equations, Fifth Edition. USA: Elsevier Inc. Purcell, Edwind J. 1984. Calculus with Analytic Geometry, 4th Edition. Arizona: Prentice-Hall. Ramdhani, Mohammad. 2005. Rangkaian Listrik. (Diktat Kuliah). Bandung: STT Telkom. Rahardi, Rustanto, Herman Hudojo dan Imam Supemo. 2003. Persamaan Diferensial Biasa. Malang: UNM. Spiegel, Murray, R. 1965. Laplace Transformation, Schaumโs Series. New York: Mc Graw-Hill Companies. Stourd, K.A. dan Dexter J. Both. 2003. Engineering Mathematics, Fifth Edition. New York: Mc Graw-Hill. Udiansari, Risqi. 2009. Menyelesaikan Getaran Pegas dengan Transformasi Laplace. Malang: FMIPA-UMM. Varberg, Dale dan Steven E. Rigdon. 2001. Calculus. New York: Hamline University.
www.fourier.or.id
JURNAL FOURIER (2013) 2 45-61