background image

2009-11-27 

 

© Lesław ŁADNIAK 

1. M

ETODA POTENCJAŁÓW WĘZŁOWYCH

 

 
 

Istotą  metody  potencjałów  węzłowych  jest  fakt,  iż  wartość 

prądu  płynącego  w  rozpatrywanej  gałęzi  zależy  tylko  od  napięcia 
na  zaciskach  tej  gałęzi  oraz  od  wartości  elementów  tworzących 
gałąź. Metoda potencjałów węzłowych została opublikowana przez  
Carlo Coltri’ego w roku 1893.

 

 
 

1.1 Metoda potencjałów węzłowych 

 
 

Rozpatrzmy  fragment  obwodu  elektrycznego przedstawiony  na 

Rys. 1. Przyjmujmy,  że  znane są  wartości potencjałów  węzłów A
B  oraz  C.  Znane  są  także  parametry  gałęzi  łączących  węzeł  „k”  z 
węzłami  A,  B  oraz  C.  Należy  znaleźć  równanie  umożliwiające 
wyznaczenie wartości potencjału węzła „k”. 
 
Rozwiązanie: 
 
1. Przyjmijmy kierunki prądów w gałęziach. 
 
2. Korzystając  z  prądowego  prawa  Kirchhoffa  dla  węzła  „k” 
możemy napisać: 
 
 

i

A

 - i

B

 - i

C

 = 0 

 
3. Zaznaczmy  kierunki  napięć  na  elementach  pasywnych 
w poszczególnych  gałęziach  i  napiszmy  równania  na  potencjały 
wezłów sąsiadujących z węzłem „k”
 
 

V

A

 = V

k

 + E

A

 – u

A

 

 
 

V

B

 = V

k

 + u

B

 

 
Stąd prądy płynące w poszczególnych gałęziach wynoszą: 
 

 

 

i

A

 = 

u

A

R

A

 = 

(V

k

 + E

A

) - V

A

R

A

  

 

 

 

i

B

 = 

u

B

R

B

 = 

V

B

 - V

k

R

B

 

 
 

 

i

C

 = I

ź

 

 
 
 
 
 
 

k

I

ź

C

A

B

R

B

R

A

E

A

D

 

Rys. 1. Fragment obwodu elektrycznego 

 
 

V

k

I

ź

V

C

V

A

V

B

R

B

R

A

E

A

i

B

i

A

i

C

u

B

u

A

V

D

 

Rys. 2. Fragment obwodu elektrycznego 

zaznaczonymi kierunkami prądów 

 

background image

 

© Lesław ŁADNIAK 

 

 

Po  podstawieniu  wartości  prądów  gałęziowych  do  równania 

wynikającego  z  prądowego  prawa  Kirchhoffa  dla  węzła  „k”
otrzymujemy: 
 

 

 

V

k

 + E

A

 - V

A

R

A

 - 

V

B

 - V

k

R

B

 - I

ź

 = 0 

 

 

 

V

k

R

A

 + 

E

A

R

A

 - 

V

A

R

A

 - 

V

B

R

B

 + 

V

k

R

B

 - I

ź 

= 0 

 

 

 

(

1

R

A

 + 

1

R

B

 )V

k

 - 

1

R

A

 V

A

 - 

1

R

B

 V

B

 = I

ź

 - 

E

A

R

A

 

 
 

Jeżeli  w  powyższym  równaniu  zamiast  rezystancji  gałęzi 

wykorzystamy przewodność tych gałęzi, to możemy napisać: 
 

  (G

A

 + G

B

) V

k

 - G

A

 V

A

 - G

B

 V

B

 = I

ź

 - G

A

 E

A

 

 
lub 

    G

k

 V

k

 - G

A

 V

A

 - G

B

 V

B

 = I

źk

     (*) 

 
gdzie: 
  G

k

 - suma przewodności gałęzi przyłączonych do węzła „k”, 

  G

A

 - przewodność gałęzi łączącej węzeł „k” z węzłem A, 

  G

B

 - przewodność gałęzi łączącej węzeł „k” z węzłem B, 

  I

źk

 - algebraiczna  suma  źródeł  prądowych  dopływających  do 

węzła „k”. 
 
 

Jak wynika z równania (*) potencjał  węzła „k” zależy tylko  od 

potencjałów  węzłów  bezpośrednio  przyłączonych  do  tego  węzła, 
źródeł  prądowych  przyłączonych  do  węzła  „k”  oraz  parametrów 
gałęzi łączących węzeł „k” z sąsiednimi węzłami. 
 

 

W  celu  rozwiązania  obwodu  elektrycznego  złożonego  z  „g” 

gałęzi oraz „w” węzłów metodą potencjałów węzłowych, należy 
ułożyć  dla  każdego  węzła  niezależnego  równanie  zgodnie  z 
prądowym prawem Kirchhoffa: 
 

  G

1

 V

1

 – G

2

 V

2

 – G

3

 V

3

 ... – G

w-1

 V

w-1

 = I

ź1

 

 

  G

k

 V

k

 – G

1

 V

1

 – G

2

 V

2

 ... – G

w-1

 V

w-1

 = I

źk

 

  : 
  G

w-1

 V

w-1

 – G

1

 V

1

 – G

2

 V

2

 ... – G

w-2

 V

w-2

 = I

ź w-1

 

 
 

Otrzymamy  układ  „w-1”  równań  umożliwia  wyznaczenie 

wartości  potencjałów  wszystkich  węzłów  niezależnych  w 
odniesieniu do wartości potencjału węzła odniesienia.  

 

V

k

I

ź

V

C

V

A

V

B

R

B

R

A

E

A

i

B

i

A

i

C

u

B

u

A

V

D

 

 

background image

 

© Lesław ŁADNIAK 

 

 

1.2 Metoda potencjałów węzłowych –
 algorytm 

 
1.   Ponumerować  węzły  i  przyjąć  węzeł  odniesienia.  Za  węzeł 
odniesienia  najlepiej  jest  przyjąć  taki  węzeł  do  którego 
przyłączonych jest najwięcej gałęzi. 
 
2.   Przyjąć  orientację  prądów  płynących  w  poszczególnych 
gałęziach.
 Dla prądów  gałęzi przyłączonych  do  węzła odniesienia 
przyjąć orientację do tego węzła. 
 
3.  Wyznaczyć parametry zastępcze gałęzi dla gałęzi złożonych z 
szeregowo połączonych elementów. 
 
4.   Dla  każdego  węzła  niezależnego  napisać  równanie 
wynikające  z  prądowego  prawa  Kirchhoffa.
  Prądy  źródłowe 
wpływające  do  węzła  przyjmujemy  ze  znakiem  dodatnim,  gdy 
dopływają  do  węzła.  Dla  prądów  źródłowych  odpływających  od 
węzła przyjmujemy znak ujemny. 
 
 

W  celu  ujednolicenia  zapisu  można  zamienić  wszystkie  źródła 

napięciowe na źródła prądowe. 
 
5.   Wyznaczyć wartości potencjałów w poszczególnych węzłach 
niezależnych
 

równań 

wynikających  z  prądowego  prawa 

Kirchhoffa korzystając na przykład z metody wyznaczników. 
 
 
Uwagi: 

 

Jeżeli  obwód  zawiera  gałęzie,  w  których  występują  idealne 

źródła  napięcia,  to  w  metodzie  węzłowej,  korzystnie  jest  wybrać 
za  węzeł  odniesienia  ten  węzeł,  do  którego  dołączone  jest  idealne 
źródło  napięcia.  W  takim  przypadku  liczba  równań  maleje,  gdyż 
liczba  nieznanych  napięć  między  węzłowych  jest  pomniejszona 
o liczbę idealnych źródeł napięcia. 
 
 

 
 
 
 

V

K

I

ź

V

C

V

A

V

B

R

B

R

A

E

A

i

B

i

A

i

C

u

B

u

A

V

D