1. 메시 전류법(Mesh Current Method)이란?
전자회로 해석 시, 복잡한 회로를 간단히 해석하는 방법 중 하나가 메시 전류법입니다. 메시 전류법은 회로의 메쉬(루프)마다 가상의 전류를 설정해, **키르히호프의 전압법칙(KVL)**을 적용하여 연립방정식을 세우고, 이를 풀어 회로 내 전류와 전압을 구하는 기법입니다.
1-1. 메시와 메시 전류 정의
- 메시(Mesh) : 회로 내 어떤 다른 회로선과 겹치지 않는 최소 폐회로(Loop)를 의미합니다.
- 메시 전류(Mesh Current) : 각 메시를 도는 가상의 전류로, 실제 회로 전류와 반드시 같을 필요는 없습니다. 하지만 메시 전류의 합으로 각 소자의 전류를 표현할 수 있어 해석에 편리합니다.
1-2. 메시 전류법의 장점
- 복잡한 회로를 간단한 메시 단위로 나누어 체계적으로 해석 가능
- 노드 전압법에 비해 연립방정식 개수가 적어 계산량 감소
- 특히 평면회로(planar circuit) 해석에 효과적
2. 메시 전류법 적용 절차
- 메시 선정 및 메시 전류 방향 설정
- 회로 내 모든 최소 폐회로(메시)를 찾고, 각 메시마다 전류를 가상의 방향(보통 시계 방향)으로 설정합니다.
- 키르히호프 전압법칙(KVL) 작성
- 각 메시를 따라 소자의 전압 강하를 합산해 KVL 식을 세웁니다.
- 메시 전류는 자신이 속한 메시 전류와 인접 메시 전류 간 차이를 통해 표현됩니다.
- 연립방정식 도출
- 각 메시별 KVL 식을 세워 미지수 메시 전류에 대한 연립방정식을 작성합니다.
- 연립방정식 해석 및 전류/전압 산출
- 연립방정식을 풀어 메시 전류 값을 구하고, 이를 통해 각 소자의 전류와 전압을 구합니다.
3. 수학적 표현
예를 들어, 2개의 메시가 있는 평면회로에서 메시 전류 를 설정하면, 다음과 같은 KVL 방정식을 작성할 수 있습니다.
여기서
,
는 각각 메시 내 고유 저항
는 메시 간 공통 저항
는 각 메시 내 외부 전압원의 합
4. 메시 전류법 예제문제
초급 문제 1
문제: 아래 회로에서 메시 전류 를 구하시오.
- 회로: 두 메시, 각각 저항
- 공통 저항
- 전압원:
(첫 메시),
풀이:
- 메시 전류 시계방향 가정
- KVL 작성:
- 식 정리:
- 두 번째 식에서
- 첫 번째 식에 대입:
답:
초급 문제 2
문제: 다음 회로에서 메시 전류를 구하시오.
- 전압원
,
(구성은 2 메시 회로, 공통 저항 R3 포함)
풀이:
KVL 식은 다음과 같습니다.
정리:
두 번째 식에서 →
첫 번째 식에 대입:
따라서
답:
중급 문제 1
문제: 3 메시 회로에서 각 메시 전류를 구하시오.
- 저항
전압원:
메시 1: 저항 R1, R3 포함
메시 2: 저항 R2, R3, R5 포함
메시 3: 저항 R4, R5 포함
풀이:
각 메시별 KVL 식 작성:
식 정리:
3번째 식에서:
2번째 식에 대입:
1번째 식:
2번째 식에 대입:
분배:
양변에 8 곱하기:
답:
중급 문제 2
문제: 아래 3 메시 회로에서 메시 전류를 구하시오.
- 저항:
- 전압원:
(상세 회로도는 생략, 메시별 KVL 식 작성 후 풀이)
풀이:
KVL 식 작성:
식 정리:
3번째 식에서
2번째 식에 대입:
양변에 11 곱하기:
1번째 식:
대입:
분배:
식은
양변에 3 곱하기:
답:
고급 문제 1
문제: 다음 4 메시 회로에서 메시 전류를 구하시오.
- 저항:
- 전압원:
- 메시: 4개, 각 메시마다 저항 및 전압원 포함(상세 회로 생략)
풀이:
4 메시 KVL 방정식 세우고 연립식 풀기
정리:
4번째 식에서:
3번째 식에 대입:
2번째 식:
1번째 식에서:
2번째 식에 대입:
양변에 6 곱하기:
따라서 2, 3번째 식은 다음 두 식으로 정리:
두 번째 식을 2배:
첫 번째 식과 곱하기 조합:
위 두 식:
빼기:
답:
고급 문제 2
문제: . 아래 회로에서 4개의 메시 전류 를 구하시오.
- 저항:
소자 | 저항값 |
---|---|
![]() | 3 ![]() |
![]() | 4 ![]() |
![]() | 5 ![]() |
![]() | 2 ![]() |
![]() | 3 ![]() |
![]() | 1 ![]() |
![]() | 6 ![]() |
![]() | 2 ![]() |
- 전압원:
전압원 | 전압값 |
---|---|
![]() | 15 V |
![]() | 12 V |
![]() | 5 V |
![]() | 0 V |
- 메시 구성 및 접속:
메시 1은, 메시 2는
, 메시 3은
, 메시 4는
를 포함하고 있습니다.
풀이
- 각 메시 전류를 시계방향으로 가정합니다:
.
- 각 메시에서 KVL 방정식을 작성합니다.
공통 저항에서는 전류가 두 메시 전류의 차로 표현됨에 주의합니다.
- 메시 1 (포함 저항:
):
- 메시 2 (
):
- 메시 3 (
):
- 메시 4 (
):
- 식 정리:
- 메시 1:
즉,
- 메시 2:
즉,
- 메시 3:
즉,
- 메시 4:
즉,
- 정리된 연립방정식은 다음과 같습니다.
- 연립방정식을 해석합니다.
계산 과정
(1) 1식에서 에 대한 식 정리:
(2) 4식에 대입:
(3) 2식과 3식을 그대로 두고, 새로운 식 추가:
(4) 3식에서 대입:
(5) 정리된 3개 식:
(6) 연립방정식 풀이
식 1과 식 2에서 를 제거하기 위해 식 1과 식 2에서
계수 같게 조정:
- 식 1 × 1:
- 식 2 × -1:
더하면:
→ (식 4)
식 1과 식 3에서 제거 시도:
- 식 1 × 2:
- 식 3 × 1:
두 식 뺄셈 (식3 – 식1×2):
→ (식 5)
식 4와 식 5 연립해 구하기
아직 가 있으므로 (식 4) 에서
에 대한 식을
와 관계없이 표현하지 못함.
따라서 (식 4) 대신 원래 식 1과 2 또는 3을 다시 고려합니다.
(식 4)는 포함, 다시 다른 방법으로 푸는 게 낫겠습니다.
정확한 풀이를 위해 행렬식으로 정리
연립방정식은 다음 행렬형태입니다.
이 행렬을 행렬 계산기로 풀면:
- 계산 결과:
마지막으로
최종 답
5. 결론 및 실전 팁
- 메시 전류법은 회로 해석 시 가장 기본이면서도 중요한 방법입니다.
- 평면회로에서 효율적이며, 복잡도가 높아질수록 자동화 도구(예: MATLAB, Python, 회로 시뮬레이터) 활용을 권장합니다.
- 풀이 시 메시 전류 방향 설정, KVL 정확히 적용, 저항 및 전압원 구성에 주의해야 합니다.
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