Analisis tegangan simpul

Menganalisis jaringan sirkuit adalah bagian penting dalam merancang atau bekerja dengan sirkuit yang telah dirancang sebelumnya, yang berhubungan dengan arus dan tegangan di setiap node atau cabang jaringan sirkuit. Namun proses analisa untuk mengetahui arus, voltase atau watt dari suatu node atau cabang ini agak rumit karena banyak komponen yang saling terhubung. Analisis yang tepat juga tergantung pada teknik yang kita pilih untuk mengetahui arus atau tegangan. Teknik analisis dasar adalah Analisis Arus Jala dan Analisis Tegangan Nodal.

Kedua teknik ini mengikuti aturan yang berbeda dan memiliki batasan yang berbeda. Sebelum menganalisis rangkaian dengan cara yang tepat, penting untuk mengidentifikasi teknik analisis mana yang paling cocok dalam hal kompleksitas dan waktu yang diperlukan untuk analisis.

Apa yang harus digunakan - Analisis Mesh atau Analisis Nodal?

Jawabannya tersembunyi pada kenyataan bahwa berapa banyak sumber tegangan atau arus yang tersedia di rangkaian atau jaringan tertentu. Jika jaringan sirkuit yang ditargetkan terdiri dari sumber arus, maka analisis nodal akan menjadi lebih mudah dan tidak rumit. Namun, jika suatu rangkaian memiliki sumber tegangan maka teknik analisis mesh sudah sempurna dan waktu kalkulasi lebih sedikit.

Di banyak sirkuit, sumber arus dan tegangan tersedia. Dalam situasi tersebut, jika jumlah sumber arus lebih besar dari sumber tegangan, maka analisis nodal masih merupakan pilihan terbaik dan perlu mengubah sumber tegangan menjadi sumber arus ekivalen.

Kami sebelumnya menjelaskan Analisis Arus Jala, jadi di sini, dalam tutorial ini, kami membahas Analisis Tegangan Nodal dan cara menggunakannya dalam jaringan rangkaian.

Analisis Nodal

Seperti namanya, Nodal berasal dari istilah node. Sekarang apa itu node ?

Sebuah rangkaian mungkin memiliki jenis elemen rangkaian yang berbeda, terminal komponen, dll. Dalam rangkaian di mana setidaknya dua atau lebih elemen rangkaian atau terminal yang digabungkan disebut node. Analisis node dilakukan pada node.

Dalam kasus Analisis Mesh, ada batasan bahwa analisis mesh hanya dapat dilakukan pada rangkaian perencana. Rangkaian Planner merupakan rangkaian yang dapat ditarik ke dalam bidang permukaan tanpa adanya persilangan. Namun untuk analisis nodal tidak ada batasan seperti itu, karena setiap node dapat diberi tegangan yang merupakan parameter penting untuk menganalisis suatu node menggunakan Metode Analisis Node.

Dalam analisis node, langkah pertama yang dilakukan adalah mengidentifikasi sejumlah node yang ada pada suatu jaringan rangkaian, baik itu rangkaian planer maupun rangkaian non planer.

Setelah menemukan node, karena berhubungan dengan tegangan, kita memerlukan titik referensi untuk menetapkan level tegangan ke setiap node. Mengapa? Karena tegangan merupakan beda potensial antara dua node. Oleh karena itu untuk membedakan diperlukan referensi. Diferensiasi ini dilakukan dengan simpul umum atau bersama yang bertindak sebagai referensi. Node referensi ini harus nol untuk mendapatkan level tegangan yang sempurna selain referensi ground dari suatu rangkaian.

Jadi, jika jaringan rangkaian lima node memiliki satu node referensi. Kemudian untuk menyelesaikan empat node yang tersisa, dibutuhkan total empat persamaan nodal. Secara umum untuk menyelesaikan suatu jaringan rangkaian dengan menggunakan teknik analisis nodal yang memiliki jumlah N node total, diperlukan persamaan N-1 jumlah nodal. Jika semua ini tersedia, sangat mudah untuk menyelesaikan jaringan sirkuit.

Langkah-langkah berikut diperlukan untuk menyelesaikan jaringan sirkuit menggunakan Teknik Analisis Nodal.

1. Menemukan node di sirkuit
2. Mencari persamaan N-1
3. Mencari tahu tegangan N-1
4. Menerapkan hukum Kirchhoff atau KCL saat ini

Menemukan Tegangan di Sirkuit menggunakan Analisis Nodal - Contoh

Untuk memahami analisis nodal mari kita pertimbangkan jaringan rangkaian di bawah ini,

Rangkaian di atas adalah salah satu contoh terbaik untuk memahami Analisis Nodal. Sirkuit ini cukup sederhana. Ada enam elemen sirkuit. I1 adalah sumber arus dan R1, R2, R3, R4, R5 adalah lima resistor. Mari kita pertimbangkan lima resistor ini sebagai lima beban resistif.

Enam elemen komponen ini telah menciptakan tiga node. Jadi, seperti yang dibahas sebelumnya, jumlah node telah ditemukan.

Sekarang ada N-1 jumlah node yang berarti 3-1 = 2 node tersedia di sirkuit.

Dalam jaringan sirkuit di atas, Node-3 dianggap sebagai node referensi. Artinya tegangan node 3 memiliki tegangan referensi 0V. Jadi, dua node yang tersisa, Node-1 dan Node-2 perlu diberi tegangan. Jadi level tegangan Node-1 dan Node-2 akan mengacu pada Node-3.

Sekarang, mari pertimbangkan gambar berikutnya di mana aliran arus dari setiap node ditampilkan.

Pada gambar di atas, hukum Kirchhoff saat ini diterapkan. Jumlah arus yang masuk ke node sama dengan arus yang keluar dari node. Tanda panah menunjukkan aliran arus Inode di Node-1 dan Node-2. Sumber arus rangkaian adalah I1.

Untuk Node-1, jumlah arus yang masuk adalah I1, dan jumlah arus yang keluar adalah jumlah arus yang melintasi R1 dan R2.

Dengan menggunakan hukum Ohm, arus R1 adalah (V1 / R1) dan arus R2 adalah ((V1 - V2) / R2).

Jadi, menerapkan hukum Kirchoff, Persamaan Node-1 adalah

I1 = V1 / R1 + (V1 - V2) / R2 ……

Untuk Node-2 arus yang melalui R2 adalah (V1 - V2) / R2, arus yang melalui R3 adalah V ₂ / R ₃ dan resistor R4 dan R5 dapat digabungkan untuk mencapai resistansi tunggal yaitu R4 + R5, arus yang melalui kedua resistor ini akan menjadi V2 / (R4 + R5).

Oleh karena itu, dengan menerapkan hukum arus Kirchoff, persamaan Node-2 dapat dibentuk sebagai

(V2-V1) / R2 + V2 / R3 + V2 / (R4 + R5) = 0 ………………

Dengan menyelesaikan dua persamaan ini, tegangan pada setiap node dapat ditemukan tanpa kerumitan lebih lanjut.

Contoh Analisis Tegangan Nodal

Mari kita lihat contoh praktis-

Pada rangkaian di atas, 4 beban resistif membuat 3 Node. The Node-3 adalah simpul referensi yang memiliki tegangan potensi 0V. Ada satu sumber arus, I1, yang menyediakan arus 10A dan satu sumber tegangan yang menyediakan tegangan 5V.

Untuk mengatasi rangkaian ini dan mengetahui arus di setiap cabang, metode analisis node akan digunakan. Selama analisis, karena ada dua node yang tersisa, diperlukan 2 persamaan node terpisah.

Untuk Node-1, sesuai hukum Kirchhoff saat ini dan Hukum Ohm, I1 = VR1 + (V1- V2) / R2

Oleh karena itu, dengan memberikan nilai pastinya, 10 = V1 / 2 + (V1 - V2) / 1 atau, 20 = 3V1 - 2V2 …….

Sama untuk Node-2

(V2 - V1) / R2 + V2 / R3 + V2 / (R4) = 0 atau, (V2 - V1) / 1+ V2 / 5+ (V2 - 5) / 3 = 0 atau, 15V2 - 15V1 + 3V2 + 5V2 - 25 = 0 -15V1 + 23V2 = 25 ……………….

Dengan menyelesaikan dua persamaan didapatkan nilai V1 adalah 13.08V dan nilai V2 adalah 9.61V.

Sirkuit selanjutnya dibangun dan disimulasikan di PSpice untuk memverifikasi hasil yang dihitung dengan hasil simulasi. Dan kita mendapatkan hasil yang sama seperti hasil perhitungan diatas, cek hasil simulasi pada gambar dibawah ini:

Jadi ini adalah bagaimana tegangan pada node yang berbeda dari rangkaian dapat dihitung menggunakan Analisis Tegangan Nodal.