电路结点电压法
节点电压法
节点电压法1. 介绍节点电压法是电路分析中常用的一种方法，通过对电路中每个节点的电压进行分析，可以得到电路中各个元件的电流及节点之间的关系。
这种方法主要基于基尔霍夫电流定律，即电路中进入节点的电流等于出节点的电流之和，利用此定律可以建立节点电压方程组，通过求解方程组可以得到电路中各个节点的电压。
2. 节点电压法的步骤节点电压法的分析步骤如下：2.1 确定参考节点首先，在电路中选择一个节点作为参考节点，将其电压设为0V。
通常选择接地节点作为参考节点。
2.2 标记其他节点的电压对于除参考节点外的每一个节点，都用一个未知变量来表示其电压值，并用标号或符号标记。
2.3 列节点电流方程基于基尔霍夫电流定律，对于每个节点，列出关于该节点的电流方程。
电流方程是根据所连接的元件和电压源的电流关系得到的。
2.4 列电压方程对于每一个节点，利用电压源的正负端的电位差与该节点电压的关系，列出电压方程。
2.5 解方程组将所得到的所有电流方程和电压方程组成一个方程组，通过求解这个方程组可以得到各个节点的电压值。
3. 举例说明下面以一个简单的电路进行举例，说明节点电压法的应用：电路图电路图首先，我们选择节点A作为参考节点。
然后，我们标记节点B和节点C的电压分别为Vb和Vc。
根据基尔霍夫电流定律，我们可以得到以下电流方程：•I1 = I2 + I3•I2 = I4 + I5根据电压源的正负端的电位差与该节点电压的关系，我们可以得到以下电压方程：•Vb = 5 - 10I2•Vc = 15 - 10I4将得到的电流方程和电压方程组成方程组：•I1 = I2 + I3•I2 = I4 + I5•Vb = 5 - 10I2•Vc = 15 - 10I4通过求解这个方程组，我们可以得到节点B和节点C的电压值。
进而可以计算出电路中各个元件的电流值。
4. 节点电压法的优势节点电压法具有以下优势：4.1 适用于复杂电路节点电压法可以用于分析复杂电路，无论电路中是否存在电流源或电压源，都可以通过建立方程组来求解节点电压。
电路分析方法介绍及应用-节点电压法
指针式万用表的设计 电路分析方法介绍及应用
《电路分析与实践项目化教程》
目录
CONTENTS
1 什么是节点电压法 2 节点电压法的推倒 3 节点电压法的应用
一、什么是节点电压法
节点电压法的定义
在具有n个节点的电路中，任选其中一个节点作为参考点， 其余个各节点相对参考点的电压叫做该节点的节点电压，以电路 的（n-1)个节点电压为未知数，按KCL列（n-1）个节点电流方 程联立求出节点电压，再求出其它各支路电压或电流的方法称为 节点电压法。
………………………………
G u (n1)1 10 G u (n1)2 20 G u (n1)(n1) (n1)0 iS (n1)(n1)
三、节点电压法的应用
例： 用节点电压法求图中各电阻支路电流。
三、节点电压法的应用
1、列出节点方程，整理得
节点 (11)u1 1u2 5
2u1 u2 5
2021/8/18
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节点电压法
总结
一、 指定电路中任一节点为参考节点，用接 地符号表示，标出各独立节点的编号；
二点 i2 i5 i6 0
u6 u20 u30 V2 V3
对节点 i3 i4 i6 iS2
（6）PTC起动器
图3-22 用PTC起动的单相异步电动机
PTC起动器又称半导体起动器，具有正温度系数的热敏电阻器 件，具有在陶瓷原料中掺入微量稀土元素烧结后制成的半导体晶 体结构。它具有随温度的升高而电阻值增大的特点，有着无触点 开关的作用。
节点电压法
节点电压法以节点电压为求解对象的电路计算方法。
节点电压是在为电路任选一个节点作为参考点（此点通常编号为“0”），并令其电位为零后,其余节点对该参考点的电位。
一个支路数为b、节点数为n的电路,其节点电压数为n-1，所以用节点电压法计算时需要列出 (n-1)个以节点电压为未知量的独立方程。
电路的节点方程图1中已标明节点和支路的编号、各有关支路电压和电流的参考方向以及节点电压的参考方向。
参照各支路电流的方向，对节点“1”和“2”写出KCL方程;参照各支路电压和节点电压的方向,使用KVL写出支路电压通过节点电压表达的方程（又称KVL方程）;参照支路电压、电流、电源的方向以及支路的连接方式，使用KVL（或KCL）写出支路方程。
这样写出的3组方程见表。
将KVL方程代入支路方程，消去支路电压,再将所得新的支路方程,即支路电流与节点电压的关系式代入KCL方程，消去支路电流后可得方程组此方程组的2个方程就是用节点电压法计算图1所示电路时需要列出的方程。
这种方程通常称为电路的节点方程。
显然，由节点方程可得出电路的2个节点电压。
将节点电压代入KVL方程可求出电路的6个支路电压，再将支路电压代入支路方程（将节点电压代入新的支路方程亦可）,又能求出电路的6个支路电流。
对照图1可以发现,式(1)中Vn1的系数 (G1+G2+G3+G6)是与节点“1”相连接的支路具有的电导之和,Vn2的系数[-(G3+G6)]是连接在节点“1”和节点“2”之间的支路具有的电导之和取负号；式(2)中的两个系数类似。
这4个系数可分别简记为G11、G12、、。
其中G 11=G1+G2+G3+G6，称为节点“1”的自电导；G12==-(G3+G6)，称为节点“1”与节点“2”间的互电导；=G3+G4+G5+G6,称为节点“2”的自电导。
还可发现，两式右端项中的Is3是电流源的电流,因方向是指向节点“1”而取正号，背向节点“2”而取负号；另外几项与电压源有关的项是含电压源的串联支路变换成含电流源的并联支路后,支路中电流源的电流,而且这些电流取正号或负号亦视方向是指向还是背向节点而定。
节点电流法和节点电压法
节点电流法和节点电压法
节点电流法（Nodal Analysis）和节点电压法（Mesh Analysis）是电路分析中常用的两种方法，用于分析电路中的电流和电压分布。
这两种方法基于基尔霍夫定律和欧姆定律。
1. 节点电流法（Nodal Analysis）：
-原理：基于基尔霍夫电流定律，该定律表明一个节点的总电流等于从该节点流出的电流之和。
-步骤：
1. 选择一个参考节点（一般称为地节点）。
2. 对于每个非参考节点，编写基尔霍夫电流方程，该方程等于该节点的进入电流之和等于离开电流之和。
3. 解这些方程以找到每个节点的电流。
-优点：特别适用于有大量电流源的电路。
2. 节点电压法（Mesh Analysis）：
-原理：基于基尔霍夫电压定律，该定律表明沿着任何闭合回路的总电压降等于该回路内的总电压源之和。
-步骤：
1. 确定电路中的网（Mesh），每个网是一个简单的闭合回路。
2. 对每个网，编写基尔霍夫电压方程，该方程等于该回路内的电压源之和等于电阻和电流源引起的电压降之和。
3. 解这些方程以找到每个网格的电流。
-优点：特别适用于有大量电压源的电路。
这两种方法本质上是等效的，但在不同情况下选择使用其中一种方法可能更方便。
在实际应用中，根据电路的特点和要解决的问题，选择使用节点电流法或节点电压法。
节点电压法
G i j ( ij )称为节点 i 和 j 的互电导,是节点i 和j 间电导总和的负
值。此例中G12= G21=-G5, G13= G31=-G4 , G23= G32=- G6。 iS11、iS22、iS33是流入该节点全部电流源电流的代数和。此例
中iS11=iS1,iS22=0,iS33=-iS3。
补充方程
u2u3 8V
代入u1=14V，整理得到：
1.5u2 1.5u3 24V u2 u3 8V
解得：
u 2 1V 2u 34 Vi 1A
四、弥尔曼定理：
对只含有两个节点的电路，如图所示，用观察法可列出一个独立 节点的电压方程：
(
1 R1
1 R2
1 R3
1 R4
)U
n1
U S1 R1
U S2 R2
U S3 R3
整理得
U S1 U S 2 U S3
U n1 (
R1 1
R2 11
R3 1
)
R1 R 2 R3 R 4
对只含有两个节点的电
路, 其节点电压可表示为
U S
U n1
R或 1
R
U n1 ( G U S ) G
上式称为弥尔曼定理。分子表示电流源电流或等效电流 源电流代数和。分母表示独立节点连接的各支路的电 导之和。电流源电流或等效电流源电流参考方向指向 独立节点取+，反之取-。
解得各节点电压为：
u11V u2 3V
选定各电阻支路电流参考方向如图所示，可求得：
i1 (1S)u1 1A i2 (2S)u2 6A i3 (1S)(u1 u2) 4A
例2.用节点电压法求图示电路各支路电压。
解: 参考节点和节点电压如图所示。列出三个结点方程：
节点电压法
二节点电压法
以独立节点的节点电压作为独立变量，根据KCL列出关于节点电压的电路方程，进行求解的过程。
建立方程的过程（如图3-7）
图3-7
第一步，适当选取参考点。
第二步，根据KCL列出关于节点电压的电路方程。
节点1：
节点2：
节点3：
第三步，具有三个独立节点的电路的节点电压方程的一般形式
第二类情况：含理想电压源。
①仅含一条理想电压源支路，如图3-8。
图3-8
ａ.取电压源负极性端为参考点：则
ｂ.对不含有电压源支路的节点利用直接观察法列方程：
ｃ.求解
②含多条不具有公共端点的理想电压源支路，如图3-9。
图3- 9
ａ.适当选取参考点：令 ，则 。
ｂ.虚设电压源电流为I，利用直接观察法形成方程ห้องสมุดไป่ตู้
式中， 称为自由导，为连接到第 个节点各支路电导之和，值恒正。
称为互电导，为连接于节点 与 之间支路上的电导之和，值恒为负。
流入第 个节点的各支路电流源电流值代数和，流入取正，流出取负。
三仅含电流源时的节点法
第一步，适当选取参考点；
第二步，利用直接观察法形成方程；
第三步，求解。
四含电压源的节点法
第一类情况：含实际电压源：作一次等效变换。
如下图3-12，用网孔电流法和节点电压法列方程。
图3-3-6
网孔电流方程：
约束方程：
补充方程： ；
节点电压方程：
约束方程：
补充方程： ；
上述电路也可以列写回路电流方程，如下：
回路电流方程：
补充方程： ；
ｃ.添加约束方程：
ｄ.求解
节点电压法
写成一般形式为
其中G 称为节点自电导 节点自电导， 其中 11、 G22、G33称为节点自电导，它们分别是各节点全部 电导的总和。 此例中 11= G1+ G4+ G5, G22= G2 + G5+ G6, G33= 电导的总和。 此例中G G3+ G4+ G6。 G i j ( i≠j )称为节点 i 和 j 的互电导 是节点 和j 间电导总和的负 称为节点 的互电导,是节点 是节点i 称为 此例中G 值。此例中 12= G21=-G5, G13= G31=-G4 , G23= G32=- G6。 iS11、iS22、iS33是流入该节点全部电流源电流的代数和。此例 是流入该节点全部电流源电流的代数和。 中iS11=iS1,iS22=0,iS33=-iS3。
例3. 用节点电压法求图 (a)电路的电压u和支路电流i1，i2。
解：先将电压源与电阻串联等效变换为电流源与电阻并联， 如图(b)所示。对节点电压u来说 ，图(b)与图(a)等效。只需列 出一个节点方程。
(1S + 1S + 0.5S)u = 5A + 5A
解得
u=
10A = 4V 2.5S
按照图(a)电路可求得电流i1和i2
例5 用节点电压法求图电路的结点电压。
解：由于14V电压源连接到结点①和参考结点之间，结点 ①的结点电压 u1=14V成为已知量，可以不列出结点①的结点方程。考虑到8V电压源电流i 列出的两个结点方程为：
(1S)u1 + (1S + 0.5S)u2 + i = 3A (0.5S)u1 + (1S + 0.5S)u3 i = 0
整理得到:
5u1 2u2 u3 = 12V 2u1 + 11u2 6u3 = 6V u 6u + 10u = 19V 2 3 1
电路基础-§2-4节点电压法
第二章电阻电路§2-4 节点电压法一、节点电压法（一）节点电压的概念任意选择电路中某一节点为参考节点，其他节点称为独立节点，各独立节点与参考节点之间的电压称为节点电压。
节点电压的参考方向一般选择为独立节点指向参考节点，因此节点电压就是节点电位。
一旦选定节点电压，各支路电压均可用节点电压表示，连在独立节点与参考节点之间的支路电压等于相应节点的节点电压。
连在独立节点之间的支路电压等于两个相关节点的节点电压之差。
电路中所有支路电压都可以用节点电压表示。
（二）节点电压方程⎪⎭⎪⎬⎫=++=++=++333332321312232322212111313212111s n n n s n n n s n n n i u G u G u G i u G u G u G i u G u G u G ⎪⎪⎭⎪⎪⎬⎫=+++=+++=+++snn nn nn n n n n s nn n n n s nn n n n i u G u G u G i u G u G u G i u G u G u G 2211222222121111212111（三）节点电压法的解题步骤（1）指定参考节点，其余节点独立节点与参考节点之间的电压即为节点电压，其参考方向时由独立节点指向参考节点。
（2）求出各节点的自电导、各相邻节点间的互电导、各节点电源电流，按式（2-14）方法列写节点方程。
（3）求解节点电压方程，得出各节点电压值。
（4）指定支路电流的参考方向，根据支路电流与节点电压的关系，求出各支路电流。
（5）如果电路中含有电压源与电阻的串联组合时，先将其等效变换为电流源与电阻并联的组合，然后再列写节点电压方程，进行计算。
（6）如果电路中含有电压源并没有电阻与之串联，可用下列方法：①尽可能选用电压源支路的负极性端作为参考节点，这时该支路另一端的节点电压就已知（节点电压等于电压源电压），该节点方程也就不用列写了，其余节点方程仍按一般方法列写；②假设流过电压源的电流为，增加了一个变量，同时补充一个节点电压与电压源电压关系的方程，这样就能可以解出节点电压。
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选结点电压为变量 ，则KVL自动满足，无需列写 KVL方程；各支路电流、电压可为结点电压的线性组合； 求出结点电压后，便可方便地得到各支路电流。
第3页/共27页
iS3
举例说明：
i1
un1 1 i3 i2
R3 2 un2 i5
iS1
R1
iS2
R2 i4 R4
R5
uA-uB
0
uA
uB
KVL自动满足 (uA-uB)+uB-uA=0
R1
iS2
R2 i4 R4
R5
1111
11
(
R1
R2
R3
R4
)
un1
( R3
R4 )un2
iS1
iS2
iS3
11
111
( R3
R4
)un1
(
R3
R4
R5
)
un 2
iS3
令 Gk=1/Rk，k=1, 2, 3, 4, 5 上式简记为
G11un1+G12un2 = iSn1 G21un1+G22un2 = iSn2
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结点电压的概念：
任选电路中某一结点为零电位参考点(用 表示)，其他 各结点对参考点的电压，称为结点电压。
结点电压的参考方向从结点指向参考结点。
iS3
un1 1 i3
R3 2 un2
i1
i2
i5
iS1
R1
iS2
R2 i4 R4
R5
0
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方程的列写
(1) 选定参考结点，标明其余n-1个独立结点的电压。
3.6 结点电压法
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?
回路电流法自动满足 KCL 。 能否象回路电流法一样，假定一 组变量，使之自动满足KVL，从而只 列写KCL方程，减少联立方程个数？
结点电压法
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1.结点电压法
以结点电压为变量，对结点列写KCL方程，进而分析 电路的方法。适用于支路多结点少的电路。
第16页/共27页
3、应用
例1:
iS2
iS1
1 i2
i3 R3
3
i1
R2 2
R1
R4
R+5 i5
i4 u_S
(
1 R1
1 R2
)
un1
( 1 R2
)un2
iS1
iS2
1 R2
un1
(
1 R2
1 R3
1 R4
)
un 2
1 R3
un3
( 1 R3
)un2
(
1 R3
1 R5
)
un3
iS2
uS R5
等效电流源
iS1
R1
iS2
R2 i4 R4
R5
-i3-i4+i5=-iS3
0
代入支路特性：
un1 R1
un1 R2
un1 un2 R3
un1 un2 R4
iS1 iS2
iS3
un1 un2 R3
un1 un2 R4
un2 R5
iS3
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整理，得
i3
R3
i1
i2
i5
iS1
iS3
un1 1 i3
R3
un2
2
i1
i2
i5 (2) 列KCL方程：
iS1
R1
iS2
R2 i4 R4
R5 i1+i2+i3+i4=iS1-iS2+iS3
0
-i3-i4+i5=-iS3
iR出= iS入
第6页/共27页
iS3
un1 1 i3
R3 2 un2
i1
i2
i5 i1+i2+i3+i4=iS1-iS2+iS3
标准形式的结点电压方程第8页 Nhomakorabea共27页
其中 G11=G1+G2+G3+G4 G22=G3+G4+G5 自导等于接在结点上所有支路的电导之和。 G12= G21 =-(G3+G4)
互导等于两结点之间所有支路的电导之和，并冠以负号。
* 自导总为正，互导总为负。 iSn1=iS1-iS2+iS3—流入结点1的电流源电流的代数和。 iSn2=-iS3 —流入结点2的电流源电流的代数和。
R1 I1
2. 应用欧姆定律求各支路电流 ：
a
+ – E2
IS
I2
R2 b
+ R3
U
I3 –
I1
E1 U R1
I2
E2 R
U
2
I3
U R3
将各电流代入KCL方程则有：
E1 U R1
E2 U R2
IS
U R3
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a
+ E1–
+ – E2
IS
整理得：
U
E1 R1
E2 R2
IS
1 1 1
R1
I1
I2
R2 b
R1 R 2 R 3
即结点电压方程：
U
E R
IS
GE IS
1
G
R
R3 I3
第13页/共27页
注意
(1) 上式可作为公式使用，仅适用于两个结点的电路。 (2) 分母是各支路电导之和，恒为正值；分子中各项：
当电源的电流流入结点取正号，流出则取负号。
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例：电路如图所示。已知：E1=50 V、E2=30 V、IS1=7 A、
* 流入结点取正号，流出取负号。
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由结点电压方程求得各结点电压，各支路电流即可用 结点电压表示：
iS3
un1 1 i3
R3 2 un2
i1
i2
i5
iS1
R1
i4 R4
iS2 R2
R5
0
i1
un1 R1
i2
un2 R2
i3
un1 un2 R3
i4
un1 un2 R4
i5
un2 R5
0
i2
i1
un1 R1
un1 un2 R2
i5
un3 uS R5
i4
un2 R4
i3
un2 un3 R3
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总结
结点电压法的一般步骤： (1)选定参考结点，标定n-1个独立结点； (2)对n-1独立结点，以结点电压为变量，列写其KCL方程； (3)求解上述方程，得到n-1个结点电压； (4)通过结点电压求各支路电流； (5)其它分析。
IS2=2 A；R1=2 、R2=3 、R3=5 。试求：各电源元件
的功率。 解：(1) 求结点电压 Uab
+
E1–
IS1
_a
E2 +
IS2
U ab
E1 R1
E2 R2
IS1
IS2
11
R1 R2
R1 I1
R2 b
R3 I2
50 30 7 2
2
3 11
24V
23
第15页/共27页
(2) 应用欧姆定律求各电压源电流
I1
E1
U ab R1
50 24 13 2
A
+ E1 –
I2
E2
Uab R2
30 24 3
18
A
R1
(3) 求各电源元件的功率
IS1 I1
_a
+U– I1E2+
+ IS2 U– I2
R2
R3 I2
b
PE1= - E1 I1 = -50 13 = -650 W
PE2= - E2 I2 = - 30 18 = -540 W PI1= -UI1 IS1 = - 24 7 = - 168 W PI2= UI2 IS2 = (Uab– IS2 R3) IS2 = 14 2 = 28 W
第10页/共27页
注意
① 结点电压法列写的是结点上的KCL方程。 ②独立方程数为(n-1)个。 ③任意选择参考点。
其它结点电压(位)，方向为从独立结点指向 参考结点。
第11页/共27页
2、特例
设：Vb = 0 V，结点电压为 U。
+ 1. 用KCL对结点 a 列方程： E1–
I1 – I2 + IS –I3 = 0