305221, 226231 computer electrical circuit analysis...

60
305221, 226231 Computer Electrical Circuit Analysis กกกกกกกกกกกกกกกกกกกกกกกกกกกกกกกกกกก 3(2-3-6) ณณณณณณณณ ณณณณณณณ ณณณณ ณณณณณณ ณณณณณณณณ ณณณณณณณณณณ 3 Nodal and Mesh Analysis

Upload: dayna-tucker

Post on 01-Jan-2016

226 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: 305221, 226231 Computer Electrical Circuit Analysis การวิเคราะห์วงจรไฟฟ้าทาง คอมพิวเตอร์ 3(2-3-6) ณรงค์ชัย

305221, 226231Computer Electrical Circuit Analysis

การวิ�เคราะห์วิงจรไฟฟ�าทางคอมพิ�วิเตอร3(2-3-6)

ณรงค์�ชั�ย มุ่��งแฝงกลางค์มุ่กร�ชั มุ่าเที่��ยง

สั�ปดาห์�ที่�� 3Nodal and Mesh Analysis

Page 2: 305221, 226231 Computer Electrical Circuit Analysis การวิเคราะห์วงจรไฟฟ้าทาง คอมพิวเตอร์ 3(2-3-6) ณรงค์ชัย

Outline

Objectives1

ReviewsReviews2

Nodal Analysis3

Mesh Analysis Mesh Analysis4

Source Transform5

Page 3: 305221, 226231 Computer Electrical Circuit Analysis การวิเคราะห์วงจรไฟฟ้าทาง คอมพิวเตอร์ 3(2-3-6) ณรงค์ชัย

Objectives

เพิ��อให์�นิ�สิ�ตม�ควิามร��ควิามเข้�าใจเก��ยวิก�บ Nodal Analysis

เพิ��อให์�นิ�สิ�ตม�ควิามร��ควิามเข้�าใจเก��ยวิก�บ Mesh Analysis

เพิ��อให์�นิ�สิ�ตม�ควิามร��ควิามเข้�าใจเก��ยวิก�บSupernodal Analysis

เพิ��อให์�นิ�สิ�ตม�ควิามร��ควิามเข้�าใจเก��ยวิก�บSupermesh Analysis

เพิ��อให์�นิ�สิ�ตม�ควิามร��ควิามเข้�าใจเก��ยวิก�บ Source Transform

Page 4: 305221, 226231 Computer Electrical Circuit Analysis การวิเคราะห์วงจรไฟฟ้าทาง คอมพิวเตอร์ 3(2-3-6) ณรงค์ชัย

Outline

Objectives1

ReviewsReviews2

Nodal Analysis3

Mesh Analysis Mesh Analysis4

Source Transform5

Page 5: 305221, 226231 Computer Electrical Circuit Analysis การวิเคราะห์วงจรไฟฟ้าทาง คอมพิวเตอร์ 3(2-3-6) ณรงค์ชัย

Ohm’s law states that “the voltage v across a resistor is directly proportional to the current i flowing through the resistor”.

v i

Ohm’s Law (cont.)

v iRv

Ri

Note : 1 = 1 V/A

Page 6: 305221, 226231 Computer Electrical Circuit Analysis การวิเคราะห์วงจรไฟฟ้าทาง คอมพิวเตอร์ 3(2-3-6) ณรงค์ชัย

Power

P vi

2

;v v

P iR R

2 ;P i R v iR

Page 7: 305221, 226231 Computer Electrical Circuit Analysis การวิเคราะห์วงจรไฟฟ้าทาง คอมพิวเตอร์ 3(2-3-6) ณรงค์ชัย

Example of Power Consumption

From the figure, determine the current i and the power.

Page 8: 305221, 226231 Computer Electrical Circuit Analysis การวิเคราะห์วงจรไฟฟ้าทาง คอมพิวเตอร์ 3(2-3-6) ณรงค์ชัย

Branch

Matthew Sadiku, define A branch represents a single element such as a voltage source or a resistor.

William Hayt, define a branch as a single path in a network, composed of one simple element and the node at each end of that element.

Branch

Page 9: 305221, 226231 Computer Electrical Circuit Analysis การวิเคราะห์วงจรไฟฟ้าทาง คอมพิวเตอร์ 3(2-3-6) ณรงค์ชัย

Node

Matthew Sadiku, a node is the point of connection between two or more branches.

William Hayt, a point at which two or more elements have a common connection is called “a node”.

Node

Page 10: 305221, 226231 Computer Electrical Circuit Analysis การวิเคราะห์วงจรไฟฟ้าทาง คอมพิวเตอร์ 3(2-3-6) ณรงค์ชัย

Loop

Matthew Sadiku, A loop is any closed path in a circuit.

William Hayt, If the node at which we started is the same as the node on which we ended, then the path is, by definition, a closed path or “a loop”.

Page 11: 305221, 226231 Computer Electrical Circuit Analysis การวิเคราะห์วงจรไฟฟ้าทาง คอมพิวเตอร์ 3(2-3-6) ณรงค์ชัย

Kirchhoff’s Current Law

Kirchhoff’s current law (KCL) states that “the algebraic sum of currents entering a node (or leaving the node) is zero”.

Page 12: 305221, 226231 Computer Electrical Circuit Analysis การวิเคราะห์วงจรไฟฟ้าทาง คอมพิวเตอร์ 3(2-3-6) ณรงค์ชัย

Kirchhoff’s Voltage Law

Kirchhoff’s voltage law (KVL) states “that the algebraic sum of all volt-ages around a closed path (or loop) is zero”.

Page 13: 305221, 226231 Computer Electrical Circuit Analysis การวิเคราะห์วงจรไฟฟ้าทาง คอมพิวเตอร์ 3(2-3-6) ณรงค์ชัย

Equivalent of Series Resistors

The equivalent resistance of any number of resistors connected in series is the sum of the individual resistances.

1 2eqR R R

1 21

N

eq N nn

R R R R R

Page 14: 305221, 226231 Computer Electrical Circuit Analysis การวิเคราะห์วงจรไฟฟ้าทาง คอมพิวเตอร์ 3(2-3-6) ณรงค์ชัย

Voltage Division

1 21 2

1 2 1 2

;R R

v v v vR R R R

Page 15: 305221, 226231 Computer Electrical Circuit Analysis การวิเคราะห์วงจรไฟฟ้าทาง คอมพิวเตอร์ 3(2-3-6) ณรงค์ชัย

Voltage Division Example

Page 16: 305221, 226231 Computer Electrical Circuit Analysis การวิเคราะห์วงจรไฟฟ้าทาง คอมพิวเตอร์ 3(2-3-6) ณรงค์ชัย

Parallel Resistors

The equivalent resistance of two parallel resistors is equal to the product of their resistances divided by their sum.

1 2

1 1 1

eqR R R

1 2

1 2

1

*eq

R R

R R R

1 2

1 2

*eq

R RR

R R

Page 17: 305221, 226231 Computer Electrical Circuit Analysis การวิเคราะห์วงจรไฟฟ้าทาง คอมพิวเตอร์ 3(2-3-6) ณรงค์ชัย

Equivalent Conductances

The equivalent conductance of resistors connected in parallel is the sum of their individual conductances.

Page 18: 305221, 226231 Computer Electrical Circuit Analysis การวิเคราะห์วงจรไฟฟ้าทาง คอมพิวเตอร์ 3(2-3-6) ณรงค์ชัย

Current Division

2 11 2

1 2 1 2

;R R

i i i iR R R R

Page 19: 305221, 226231 Computer Electrical Circuit Analysis การวิเคราะห์วงจรไฟฟ้าทาง คอมพิวเตอร์ 3(2-3-6) ณรงค์ชัย

Current Division Example

Page 20: 305221, 226231 Computer Electrical Circuit Analysis การวิเคราะห์วงจรไฟฟ้าทาง คอมพิวเตอร์ 3(2-3-6) ณรงค์ชัย

Outline

Objectives1

ReviewsReviews2

Nodal Analysis3

Mesh Analysis Mesh Analysis4

Source Transform5

Page 21: 305221, 226231 Computer Electrical Circuit Analysis การวิเคราะห์วงจรไฟฟ้าทาง คอมพิวเตอร์ 3(2-3-6) ณรงค์ชัย

Nodal Analysis

Step to determine voltages:

1. Select a node as the reference node. Assign voltages v1,v2,…vn-1 to the remaining n-1 nodes. The voltages are referenced with respect to the reference node.

2. Apply KCL to each of the n-1 non-reference nodes. Use Ohm’s law to express the branch current in terms of node voltage.

3. Solve the resulting simultaneous equations to obtain the unknown node voltages.

Page 22: 305221, 226231 Computer Electrical Circuit Analysis การวิเคราะห์วงจรไฟฟ้าทาง คอมพิวเตอร์ 3(2-3-6) ณรงค์ชัย

Nodal Analysis : Step 1

Assign voltages

Reference Node

Node

Symbol for reference node

Page 23: 305221, 226231 Computer Electrical Circuit Analysis การวิเคราะห์วงจรไฟฟ้าทาง คอมพิวเตอร์ 3(2-3-6) ณรงค์ชัย

Nodal Analysis : Step 2 and 3

Apply KCL:

Apply ohm’s law

Then solve equation

Page 24: 305221, 226231 Computer Electrical Circuit Analysis การวิเคราะห์วงจรไฟฟ้าทาง คอมพิวเตอร์ 3(2-3-6) ณรงค์ชัย

Nodal Analysis Example

2. Assign Voltages

1. Reference Node

Page 25: 305221, 226231 Computer Electrical Circuit Analysis การวิเคราะห์วงจรไฟฟ้าทาง คอมพิวเตอร์ 3(2-3-6) ณรงค์ชัย

At node 1 :

1

At node 2 :

2

At node 3 :

3

Nodal Analysis Example (cont.)

Page 26: 305221, 226231 Computer Electrical Circuit Analysis การวิเคราะห์วงจรไฟฟ้าทาง คอมพิวเตอร์ 3(2-3-6) ณรงค์ชัย

Adding Eq.1 and 3 obtain :

4

Adding Eq.2 and 3 obtain :

5

Nodal Analysis Example (cont.)

Page 27: 305221, 226231 Computer Electrical Circuit Analysis การวิเคราะห์วงจรไฟฟ้าทาง คอมพิวเตอร์ 3(2-3-6) ณรงค์ชัย

Substituting Eq. 5 into Eq. 4 :

From Eq. 3:

Answer :

Nodal Analysis Example (cont.)

Page 28: 305221, 226231 Computer Electrical Circuit Analysis การวิเคราะห์วงจรไฟฟ้าทาง คอมพิวเตอร์ 3(2-3-6) ณรงค์ชัย

Nodal Analysis with Voltage Source

A supernode is formed by enclosing a (dependent or independent) voltage source connected between two non-reference nodes and any elements connected in parallel with it.

Page 29: 305221, 226231 Computer Electrical Circuit Analysis การวิเคราะห์วงจรไฟฟ้าทาง คอมพิวเตอร์ 3(2-3-6) ณรงค์ชัย

Apply KCL:

Or :

Nodal Analysis with Voltage Source (cont.)

Page 30: 305221, 226231 Computer Electrical Circuit Analysis การวิเคราะห์วงจรไฟฟ้าทาง คอมพิวเตอร์ 3(2-3-6) ณรงค์ชัย

Nodal Analysis with Voltage Source (cont.)

Redraw :

Apply KVL :

Page 31: 305221, 226231 Computer Electrical Circuit Analysis การวิเคราะห์วงจรไฟฟ้าทาง คอมพิวเตอร์ 3(2-3-6) ณรงค์ชัย

Nodal Analysis with Voltage Source Example

Supernode

Page 32: 305221, 226231 Computer Electrical Circuit Analysis การวิเคราะห์วงจรไฟฟ้าทาง คอมพิวเตอร์ 3(2-3-6) ณรงค์ชัย

Nodal Analysis with Voltage Source Example

Apply KCL :

i

1

Apply KVL :

2

Substituting Eq. 2 into Eq. 1 :

Page 33: 305221, 226231 Computer Electrical Circuit Analysis การวิเคราะห์วงจรไฟฟ้าทาง คอมพิวเตอร์ 3(2-3-6) ณรงค์ชัย

Summary of Supernode Analysis Procedure

1. Count the number of nodes (N).

2. Designate a reference node. The number of terms in your nodal equations can be minimized by selecting the node with the greatest number of branches connected to it.

3. Label the nodal voltages(there are N − 1 of them).

4. If the circuit contains voltage sources, form a supernode about each one. This is done by enclosing the source, its two terminals, and any other elements connected between the two terminals within a broken-line enclosure.

5. Write a KCL equation for each nonreference node and for each supernode that does not contain the reference node. Sum the currents flowing into a node/supernode from current sources on one side of the equation. On the other side, sum the currents flowing out of the node/supernode through resistors. Pay close attention to “−” signs.

Page 34: 305221, 226231 Computer Electrical Circuit Analysis การวิเคราะห์วงจรไฟฟ้าทาง คอมพิวเตอร์ 3(2-3-6) ณรงค์ชัย

6. Relate the voltage across each voltage source to nodal voltages. This is accomplished by simple application of KVL; one such equation is needed for each supernode defined.

7. Express any additional unknowns (i.e., currents or voltages other than nodal voltages) in terms of appropriate nodal voltages. This situation can occur if dependent sources appear in our circuit.

8. Organize the equations. Group terms according to nodal voltages.

9. Solve the system of equations for the nodal voltages (there will be N − 1 of them).

Summary of Supernode Analysis Procedure

Page 35: 305221, 226231 Computer Electrical Circuit Analysis การวิเคราะห์วงจรไฟฟ้าทาง คอมพิวเตอร์ 3(2-3-6) ณรงค์ชัย

Outline

Objectives1

ReviewsReviews2

Nodal Analysis3

Mesh Analysis Mesh Analysis4

Source Transform5

Page 36: 305221, 226231 Computer Electrical Circuit Analysis การวิเคราะห์วงจรไฟฟ้าทาง คอมพิวเตอร์ 3(2-3-6) ณรงค์ชัย

Mesh Definition

A Mesh is a loop which does not contain any other loop within it.

Page 37: 305221, 226231 Computer Electrical Circuit Analysis การวิเคราะห์วงจรไฟฟ้าทาง คอมพิวเตอร์ 3(2-3-6) ณรงค์ชัย

Steps to determine Mesh current:

1. Assign mesh currents i1, i2, …, in to the n meshes.

2. Apply KVL to each of the n meshes. Use Ohm’s law to express the voltages in terms of the mesh current.

3. Solve the resulting n simultaneous equations to get the mesh currents.

Mesh Analysis

Page 38: 305221, 226231 Computer Electrical Circuit Analysis การวิเคราะห์วงจรไฟฟ้าทาง คอมพิวเตอร์ 3(2-3-6) ณรงค์ชัย

Mesh Analysis : Step 1

Assign mesh current

Page 39: 305221, 226231 Computer Electrical Circuit Analysis การวิเคราะห์วงจรไฟฟ้าทาง คอมพิวเตอร์ 3(2-3-6) ณรงค์ชัย

Apply KVL to each mesh

Mesh i1 :

Mesh i2 :

Mesh Analysis : Step 2

Page 40: 305221, 226231 Computer Electrical Circuit Analysis การวิเคราะห์วงจรไฟฟ้าทาง คอมพิวเตอร์ 3(2-3-6) ณรงค์ชัย

Solve the resulting :

Mesh Analysis : Step 3

Page 41: 305221, 226231 Computer Electrical Circuit Analysis การวิเคราะห์วงจรไฟฟ้าทาง คอมพิวเตอร์ 3(2-3-6) ณรงค์ชัย

Mesh Analysis Example

Assign mesh current

Page 42: 305221, 226231 Computer Electrical Circuit Analysis การวิเคราะห์วงจรไฟฟ้าทาง คอมพิวเตอร์ 3(2-3-6) ณรงค์ชัย

Apply KVL for mesh 1 :

Or

1

Apply KVL for mesh 2 :

Or

2

Mesh Analysis Example (cont.)

Page 43: 305221, 226231 Computer Electrical Circuit Analysis การวิเคราะห์วงจรไฟฟ้าทาง คอมพิวเตอร์ 3(2-3-6) ณรงค์ชัย

Substituting Eq.2 into Eq.1 :

From Eq.2 :

Answers:

Mesh Analysis Example (cont.)

Page 44: 305221, 226231 Computer Electrical Circuit Analysis การวิเคราะห์วงจรไฟฟ้าทาง คอมพิวเตอร์ 3(2-3-6) ณรงค์ชัย

Mesh Analysis with Current Source

CASE 1 : When set i2=-5A and write a mesh equation for other mesh:

Page 45: 305221, 226231 Computer Electrical Circuit Analysis การวิเคราะห์วงจรไฟฟ้าทาง คอมพิวเตอร์ 3(2-3-6) ณรงค์ชัย

Apply KVL :

Or

CASE 2:

Mesh Analysis with Current Source

Page 46: 305221, 226231 Computer Electrical Circuit Analysis การวิเคราะห์วงจรไฟฟ้าทาง คอมพิวเตอร์ 3(2-3-6) ณรงค์ชัย

At node 0, Apply KCL :

Solving equation, obtain :

Mesh Analysis with Current Source

Page 47: 305221, 226231 Computer Electrical Circuit Analysis การวิเคราะห์วงจรไฟฟ้าทาง คอมพิวเตอร์ 3(2-3-6) ณรงค์ชัย

Supermesh

Mesh Analysis with Current Source Example

Page 48: 305221, 226231 Computer Electrical Circuit Analysis การวิเคราะห์วงจรไฟฟ้าทาง คอมพิวเตอร์ 3(2-3-6) ณรงค์ชัย

Apply KVL to supermesh :

Or

Apply KCL to node P :

1

2

Mesh Analysis with Current Source Example

Page 49: 305221, 226231 Computer Electrical Circuit Analysis การวิเคราะห์วงจรไฟฟ้าทาง คอมพิวเตอร์ 3(2-3-6) ณรงค์ชัย

Apply KCL to node Q :

But :

Apply KVL to mesh 4 :

4

3

Or

Mesh Analysis with Current Source Example

Page 50: 305221, 226231 Computer Electrical Circuit Analysis การวิเคราะห์วงจรไฟฟ้าทาง คอมพิวเตอร์ 3(2-3-6) ณรงค์ชัย

From Eq.1 to Eq.4 :

Mesh Analysis with Current Source Example

Page 51: 305221, 226231 Computer Electrical Circuit Analysis การวิเคราะห์วงจรไฟฟ้าทาง คอมพิวเตอร์ 3(2-3-6) ณรงค์ชัย

Summary of Supermesh Analysis Procedure

1. Determine if the circuit is a planar circuit. If not, perform nodal

analysis instead.

2. Count the number of meshes(M). Redraw the circuit if necessary.

3. Label each of the M mesh currents. Generally, defining all mesh

currents to flow clockwise results in a simpler analysis.

4. If the circuit contains current sources shared by two meshes, form a supermesh to enclose both meshes. A highlighted enclo-sure helps when writing KVL equations.

5. Write a KVL equation around each mesh/supermesh. Begin with a convenient node and proceed in the direction of the mesh current. Pay close attention to “ −” signs. If a current source lies on the periphery of a mesh, no KVL equation is needed and the mesh current is determined by inspection.

Page 52: 305221, 226231 Computer Electrical Circuit Analysis การวิเคราะห์วงจรไฟฟ้าทาง คอมพิวเตอร์ 3(2-3-6) ณรงค์ชัย

6. Relate the current flowing from each current source to mesh currents. This is accomplished by simple application of KCL; one such equation is needed for each supermesh defined.

7. Express any additional unknowns such as voltages or currents other than mesh currents in terms of appropriate mesh currents. This situation can occur if dependent sources appear in our circuit.

8. Organize the equations. Group terms according to nodal voltages.

9. Solve the system of equations for the mesh currents (there will be M of them).

Summary of Supermesh Analysis Procedure

Page 53: 305221, 226231 Computer Electrical Circuit Analysis การวิเคราะห์วงจรไฟฟ้าทาง คอมพิวเตอร์ 3(2-3-6) ณรงค์ชัย

Outline

Objectives1

ReviewsReviews2

Nodal Analysis3

Mesh Analysis Mesh Analysis4

Source Transform5

Page 54: 305221, 226231 Computer Electrical Circuit Analysis การวิเคราะห์วงจรไฟฟ้าทาง คอมพิวเตอร์ 3(2-3-6) ณรงค์ชัย

Source Transform

Source Transform is the process of replacing a voltage source Vs in series with a resistor R by a current source is in parallel with a resistor R, or vice versa.

Page 55: 305221, 226231 Computer Electrical Circuit Analysis การวิเคราะห์วงจรไฟฟ้าทาง คอมพิวเตอร์ 3(2-3-6) ณรงค์ชัย

Source Transform Example

Page 56: 305221, 226231 Computer Electrical Circuit Analysis การวิเคราะห์วงจรไฟฟ้าทาง คอมพิวเตอร์ 3(2-3-6) ณรงค์ชัย

Source Transform Example

Page 57: 305221, 226231 Computer Electrical Circuit Analysis การวิเคราะห์วงจรไฟฟ้าทาง คอมพิวเตอร์ 3(2-3-6) ณรงค์ชัย

Source Transform Example (cont.)

Page 58: 305221, 226231 Computer Electrical Circuit Analysis การวิเคราะห์วงจรไฟฟ้าทาง คอมพิวเตอร์ 3(2-3-6) ณรงค์ชัย

Source Transform Example (cont.)

Page 59: 305221, 226231 Computer Electrical Circuit Analysis การวิเคราะห์วงจรไฟฟ้าทาง คอมพิวเตอร์ 3(2-3-6) ณรงค์ชัย
Page 60: 305221, 226231 Computer Electrical Circuit Analysis การวิเคราะห์วงจรไฟฟ้าทาง คอมพิวเตอร์ 3(2-3-6) ณรงค์ชัย

Assignment s

Matthew Sadiku : 3.4, 3.15, 3.18, 3.19 and 3.46

William Hayt : 10, 12, 13, 15, 22, 23, 40, 45 and 46