Освоение метода узловых напряжений для точного анализа цепей
Метод узловых напряжений решает неизвестные напряжения в узлах цепи через систему уравнений KCL. Этот анализ выглядит необычно, потому что он включает замену источников напряжения на эквивалентные источники тока. Также значения резисторов в Омах заменяются эквивалентными проводимостями в сименсах, G = 1/R. Сименс (S) — единица проводимости, заменившая мхо. В любом случае S = Ω⁻¹. И S = мхо (устаревшее).
Метод расчета узловых напряжений
Начинаем с цепи, имеющей обычные источники напряжения. Общий узел E0 выбирается как опорная точка. Узловые напряжения E1 и E2 вычисляются относительно этой точки.


Замена источников напряжения и связанных последовательных резисторов на эквивалентные источники тока и параллельные резисторы дает модифицированную схему. Подставляем проводимости резисторов в сименсах вместо сопротивлений в Омах.
I1 = E1/R1 = 10/2 = 5 A I2 = E2/R5 = 4/1 = 4 A G1 = 1/R1 = 1/2 Ω = 0.5 S G2 = 1/R2 = 1/4 Ω = 0.25 S G3 = 1/R3 = 1/2.5 Ω = 0.4 S G4 = 1/R4 = 1/5 Ω = 0.2 S G5 = 1/R5 = 1/1 Ω = 1.0 S

Параллельные проводимости (резисторы) могут быть объединены сложением проводимостей. Хотя мы не будем перерисовывать схему. Схема готова для применения метода узловых напряжений.
GA = G1 + G2 = 0.5 S + 0.25 S = 0.75 S GB = G4 + G5 = 0.2 S + 1 S = 1.2 S
Выводя общий метод узловых напряжений, пишем пару уравнений KCL в терминах неизвестных узловых напряжений V1 и V2 на этот раз. Мы делаем это, чтобы проиллюстрировать паттерн для записи уравнений по осмотру.
GA·E1 + G3(E1 - E2) = I1 (1) GB·E2 - G3(E1 - E2) = I2 (2) (GA + G3)E1 - G3·E2 = I1 (1) -G3·E1 + (GB + G3)E2 = I2 (2)
Коэффициенты последней пары уравнений выше перегруппированы для демонстрации паттерна. Сумма проводимостей, подключенных к первому узлу, является положительным коэффициентом первого напряжения в уравнении (1). Сумма проводимостей, подключенных ко второму узлу, — положительный коэффициент второго напряжения в уравнении (2). Остальные коэффициенты отрицательны, представляя проводимости между узлами. Для обоих уравнений правая часть равна соответствующему источнику тока, подключенному к узлу. Этот паттерн позволяет быстро писать уравнения по осмотру. Это ведет к набору правил для метода узловых напряжений.
Правила метода узловых напряжений:
- Преобразуйте источники напряжения в последовательности с резистором в эквивалентные источники тока с резистором в параллели.
- Замените значения резисторов на проводимости.
- Выберите опорный узел (E0).
- Назначьте неизвестные напряжения (E1)(E2) ... (EN) остальным узлам.
- Напишите уравнение KCL для каждого узла 1,2, ... N. Положительный коэффициент первого напряжения в первом уравнении — сумма проводимостей, подключенных к узлу. Коэффициент второго напряжения во втором уравнении — сумма проводимостей, подключенных к тому узлу. Повторите для коэффициента третьего напряжения, третьего уравнения и других уравнений. Эти коэффициенты лежат на диагонали.
- Все остальные коэффициенты для всех уравнений отрицательны, представляя проводимости между узлами. В первом уравнении второй коэффициент — проводимость от узла 1 к узлу 2, третий — от узла 1 к узлу 3. Заполните отрицательные коэффициенты для других уравнений.
- Правая часть уравнений — источник тока, подключенный к соответствующим узлам.
- Решите систему уравнений для неизвестных узловых напряжений.
Пример метода узловых напряжений
Пример: Составьте уравнения и решите для узловых напряжений, используя числовые значения на вышеприведенной фигуре.
Решение:
(0.5+0.25+0.4)E1 - (0.4)E2 = 5 -(0.4)E1 + (0.4+0.2+1.0)E2 = -4 (1.15)E1 - (0.4)E2 = 5 -(0.4)E1 + (1.6)E2 = -4 E1 = 3.8095 E2 = -1.5476
Решение двух уравнений можно выполнить калькулятором или с октавой (не показано). Решение верифицировано с SPICE на основе исходной схемы с источниками напряжения. Хотя схема с источниками тока также могла быть смоделирована.
V1 11 0 DC 10 V2 22 0 DC -4 r1 11 1 2 r2 1 0 4 r3 1 2 2.5 r4 2 0 5 r5 2 22 1 .DC V1 10 10 1 V2 -4 -4 1 .print DC V(1) V(2) .end v(1) v(2) 3.809524e+00 -1.547619e+00
Еще один пример. У этого три узла. Мы не перечисляем проводимости на схеме. Однако G1 = 1/R1, и т.д.

Есть три узла для записи уравнений по осмотру. Обратите внимание, что коэффициенты положительны для уравнения (1) E1, уравнения (2) E2 и уравнения (3) E3. Это суммы всех проводимостей, подключенных к узлам. Все остальные коэффициенты отрицательны, представляя проводимость между узлами. Правая часть уравнений — ассоциированный источник тока, 0.136092 А для единственного источника тока в узле 1. Другие уравнения имеют ноль в правой части из-за отсутствия источников тока. Мы слишком ленивы, чтобы рассчитать проводимости для резисторов на диаграмме. Таким образом, индексированные G' — это коэффициенты.
(G1 + G2)E1 - G1·E2 - G2·E3 = 0.136092 -G1·E1 + (G1 + G3 + G4)E2 - G3·E3 = 0 -G2·E1 - G3·E2 + (G2 + G3 + G5)E3 = 0
Мы настолько ленивы, что вводим обратные сопротивления и суммы обратных сопротивлений в октавианскую матрицу «A», позволяя октаве вычислить матрицу проводимостей после «A=». Начальная строка ввода была настолько длинной, что была разбита на три ряда. Это отличается от предыдущих примеров. Введенная матрица «A» ограничена начальными и конечными квадратными скобками. Элементы столбцов разделены пробелами. Ряды разделены «новой строкой». Запятые и точки с запятой не нужны как разделители. Хотя вектор токов в «b» разделен точкой с запятой для получения столбцового вектора токов.
octave:12> A = [1/150+1/50 -1/150 -1/50 > -1/150 1/150+1/100+1/300 -1/100 > -1/50 -1/100 1/50+1/100+1/250] A = 0.0266667 -0.0066667 -0.0200000 -0.0066667 0.0200000 -0.0100000 -0.0200000 -0.0100000 0.0340000 octave:13> b = [0.136092;0;0] b = 0.13609 0.00000 0.00000 octave:14> x=A\b x = 24.000 17.655 19.310
Обратите внимание, что диагональные коэффициенты матрицы «A» положительны, что все остальные коэффициенты отрицательны.
Решение как вектор напряжений в «x». E1 = 24,000 В, E2 = 17,655 В, E3 = 19,310 В. Эти три напряжения сравнимы с предыдущими решениями метода токов петель и SPICE для проблемы несбалансированного моста. Это не совпадение, так как источник тока 0,13609 А был намеренно выбран для получения 24 В, использованного как источник напряжения в той задаче.
Резюме- Данная сеть проводимостей и источников тока, метод узловых напряжений решает неизвестные узловые напряжения из уравнений KCL.
- См. правила выше для деталей записи уравнений по осмотру.
- Единица проводимости G — сименс S. Проводимость — обратная величина сопротивления: G = 1/R
- Рабочий лист: Точные диодные цепи
- Рабочий лист: Законы Кирхгофа
Промышленные технологии
- Исследовение сложения напряжений при последовательном соединении батарей
- Лаборатория делителя напряжения: дизайн, измерение и верификация закона Кирхгофа о напряжении
- Термоэлектричество: понимание термопар и эффекта Зеебека
- Потенциометрический вольтметр: Точное измерение напряжения с минимальной нагрузкой
- Сборка картофельной батареи: Пошаговое руководство по DIY электрохимическому питанию
- Низковольтный AC источник питания: Компоненты схемы сдвига фазы и лучшие практики
- Эксперимент со стабилизатором напряжения на зенерном диоде 12 В
- Усилитель-повторитель напряжения: Проектирование, сборка и измерения
- Проектирование высоковольтного многоступенчатого общеэмиттерного усилителя с отрицательной обратной связ…
- Специальные диоды: Шоттки, туннельные, светодиоды, лазерные, фотодиоды и солнечные элементы