Mesh and nodal analysis, solved step by stepการวิเคราะห์เมชและโนด แก้ทีละขั้นตอน

Two sources and three resistors: too many for series–parallel rules. Solve the same circuit with loop currents (KVL) and with a node voltage (KCL), and see why one method is shorter.แหล่งจ่ายสองตัว ตัวต้านทานสามตัว: ใช้กฎอนุกรม–ขนานอย่างเดียวไม่ได้ แก้วงจรเดียวกันด้วยกระแสลูป (KVL) และด้วยแรงดันโนด (KCL) แล้วดูว่าทำไมวิธีหนึ่งจึงสั้นกว่า

Loading module…กำลังโหลดโมดูล…

The circuit

V1 feeds node A through R1; R2 runs from A to ground; R3 connects A to a second source V2. Neither source alone explains the currents, so the circuit needs a systematic method.

Mesh analysis (KVL)

Give each window of the circuit a loop current, both clockwise. Walk round each loop adding voltage drops (Kirchhoff’s voltage law). R2 is shared, so it carries the difference of the two loop currents. Two loops give two equations in I1 and I2:

A negative answer just means that loop current flows anticlockwise.

(R1 + R2)·I1 − R2·I2 = V1
−R2·I1 + (R2 + R3)·I2 = −V2
I_R2 = I1 − I2

Nodal analysis (KCL)

Pick ground as 0 V. Only node A is unknown. Write every current leaving A in terms of VA (Kirchhoff’s current law says they sum to zero), and solve one equation:

(VA − V1)/R1 + VA/R2 + (VA − V2)/R3 = 0
VA = (V1/R1 + V2/R3) / (1/R1 + 1/R2 + 1/R3)

Which method to choose

Both give the same currents. Count the unknowns: mesh needs one equation per window, nodal one per node apart from ground. Here that is two against one, so nodal is shorter. Circuits with many parallel branches favour nodal; long ladders with few nodes but many current sources can favour mesh.

Worked example (the simulator’s default values)

  1. V1 = 9 V, V2 = 5 V, R1 = 220 Ω, R2 = 470 Ω, R3 = 330 Ω.
  2. Mesh: 690·I1 − 470·I2 = 9 and −470·I1 + 800·I2 = −5; Δ = 690·800 − 470² = 331 100 Ω².
  3. I1 = 14.65 mA, I2 = 2.36 mA, so I_R2 = I1 − I2 = 12.29 mA.
  4. Node: VA·(4.545 + 2.128 + 3.030) mS = 40.909 + 15.152 mA, so VA = 56.06/9.703 = 5.78 V.
  5. Check: I_R1 = (9 − 5.78)/220 = 14.65 mA = I1, and I_R3 = (5.78 − 5)/330 = 2.36 mA = I2. The 5 V source absorbs power: it is being charged.

Common mistakes

  • Forgetting that a shared resistor carries both loop currents: its drop is R2·(I1 − I2), not R2·I1.
  • Mixing current directions in KCL. Write every current as leaving the node, and let the signs come out of the algebra.
  • Reading a negative mesh current as an error. It only means the current flows opposite to the assumed direction.

Common questions

What is the difference between mesh and nodal analysis?

Mesh analysis uses loop currents and Kirchhoff’s voltage law, one equation per window. Nodal analysis uses node voltages and Kirchhoff’s current law, one equation per non-ground node. Both give the same answer.

When should I use nodal analysis instead of mesh analysis?

When the circuit has fewer non-ground nodes than windows, as with many parallel branches. Pick whichever gives fewer unknowns.

What does a negative mesh current mean?

That the loop current actually flows opposite to the direction you assumed, usually anticlockwise if you assumed clockwise. The working is still correct.

วงจร

V1 จ่ายไปยังโนด A ผ่าน R1, R2 ต่อจาก A ลงกราวด์ และ R3 ต่อ A ไปยังแหล่งจ่ายตัวที่สอง V2 แหล่งจ่ายตัวใดตัวหนึ่งอธิบายกระแสทั้งหมดไม่ได้ วงจรนี้จึงต้องใช้วิธีที่เป็นระบบ

การวิเคราะห์เมช (KVL)

กำหนดกระแสลูปให้แต่ละช่องของวงจร ทั้งสองไหลตามเข็มนาฬิกา เดินรอบแต่ละลูปและรวมแรงดันตก (กฎแรงดันของเคอร์ชอฟฟ์) R2 อยู่ร่วมกันสองลูป จึงมีกระแสเป็นผลต่างของกระแสลูปทั้งสอง สองลูปให้สองสมการใน I1 และ I2:

ถ้าได้คำตอบเป็นลบ แปลว่ากระแสลูปนั้นไหลทวนเข็มนาฬิกา

(R1 + R2)·I1 − R2·I2 = V1
−R2·I1 + (R2 + R3)·I2 = −V2
I_R2 = I1 − I2

การวิเคราะห์โนด (KCL)

ให้กราวด์เป็น 0 V มีเพียงโนด A ที่ไม่รู้ค่า เขียนกระแสทุกเส้นที่ไหลออกจาก A ในรูปของ VA (กฎกระแสของเคอร์ชอฟฟ์บอกว่ารวมกันเป็นศูนย์) แล้วแก้สมการเดียว:

(VA − V1)/R1 + VA/R2 + (VA − V2)/R3 = 0
VA = (V1/R1 + V2/R3) / (1/R1 + 1/R2 + 1/R3)

เลือกวิธีใด

ทั้งสองวิธีให้กระแสเท่ากัน ให้นับตัวไม่ทราบค่า: วิธีเมชใช้หนึ่งสมการต่อหนึ่งช่อง วิธีโนดใช้หนึ่งสมการต่อหนึ่งโนดที่ไม่ใช่กราวด์ ในวงจรนี้คือสองต่อหนึ่ง วิธีโนดจึงสั้นกว่า วงจรที่มีกิ่งขนานมากเหมาะกับวิธีโนด ส่วนวงจรแบบบันไดยาวที่มีโนดน้อยแต่มีแหล่งจ่ายกระแสมากอาจเหมาะกับวิธีเมช

ตัวอย่างการคำนวณ (ค่าเริ่มต้นของโปรแกรมจำลอง)

  1. V1 = 9 V, V2 = 5 V, R1 = 220 Ω, R2 = 470 Ω, R3 = 330 Ω
  2. เมช: 690·I1 − 470·I2 = 9 และ −470·I1 + 800·I2 = −5; Δ = 690·800 − 470² = 331 100 Ω²
  3. I1 = 14.65 mA, I2 = 2.36 mA ดังนั้น I_R2 = I1 − I2 = 12.29 mA
  4. โนด: VA·(4.545 + 2.128 + 3.030) mS = 40.909 + 15.152 mA ดังนั้น VA = 56.06/9.703 = 5.78 V
  5. ตรวจสอบ: I_R1 = (9 − 5.78)/220 = 14.65 mA = I1 และ I_R3 = (5.78 − 5)/330 = 2.36 mA = I2 แหล่งจ่าย 5 V รับกำลัง: กำลังถูกชาร์จ

ข้อผิดพลาดที่พบบ่อย

  • ลืมว่าตัวต้านทานที่อยู่ร่วมกันมีกระแสลูปทั้งสองไหลผ่าน: แรงดันตกคือ R2·(I1 − I2) ไม่ใช่ R2·I1
  • กำหนดทิศกระแสปนกันใน KCL ให้เขียนกระแสทุกเส้นเป็นกระแสที่ไหลออกจากโนด แล้วให้พีชคณิตบอกเครื่องหมาย
  • คิดว่ากระแสเมชที่เป็นลบคือความผิดพลาด ที่จริงแปลว่ากระแสไหลสวนทางกับทิศที่สมมติไว้เท่านั้น

คำถามที่พบบ่อย

การวิเคราะห์เมชกับการวิเคราะห์โนดต่างกันอย่างไร?

การวิเคราะห์เมชใช้กระแสลูปและกฎแรงดันของเคอร์ชอฟฟ์ หนึ่งสมการต่อหนึ่งช่อง การวิเคราะห์โนดใช้แรงดันโนดและกฎกระแสของเคอร์ชอฟฟ์ หนึ่งสมการต่อหนึ่งโนดที่ไม่ใช่กราวด์ ทั้งสองวิธีได้คำตอบเดียวกัน

ควรใช้การวิเคราะห์โนดแทนการวิเคราะห์เมชเมื่อใด?

เมื่อวงจรมีโนดที่ไม่ใช่กราวด์น้อยกว่าจำนวนช่อง เช่น วงจรที่มีกิ่งขนานหลายกิ่ง ให้เลือกวิธีที่มีตัวไม่ทราบค่าน้อยกว่า

กระแสเมชที่เป็นลบหมายความว่าอะไร?

หมายความว่ากระแสลูปไหลจริงในทิศตรงข้ามกับที่สมมติไว้ โดยทั่วไปคือทวนเข็มนาฬิกาถ้าสมมติไว้ตามเข็มนาฬิกา การคำนวณยังถูกต้อง