background image

METODY OBLICZANIA OBWODÓW ELEKTRYCZNYCH PRĄDU STAŁEGO 

OBLICZANIE OBWODÓW METODĄ PRZEKSZTAŁCANIA DO 
UKŁADU RÓWNOWAŻNEGO 

Metoda  ta  znajduje  zastosowanie  przy  obliczaniu  obwodów 

szeregowych,  równoległych,  o  mieszanym  połączeniu  elementów  oraz 
układów  o  większym  stopniu  złożoności  –  zawierających  układy  typu 
gwiazda - trójkąt.  

Postępowanie  we  wszystkich  przypadkach  jest  podobne:  układ 

złożony zastępujemy układem równoważnym, przy czym podobnie jak w 
przypadku  przekształcania  układów  gwiazda  -  trójkąt  nie  może  ulec 
zmianie rozpływ prądów i rozkład napięć w niezmienionej części układu. 
Dzięki niej możliwe jest obliczenie rozpływu prądów w obwodzie, a także 
wartości spadków napięć na poszczególnych elementach. 

Przy zastępowaniu układu jego wersją równoważną wykorzystuje się 

wzory na rezystancję zastępcze układu rezystorów oraz zależności służące 
do zastępowania źródeł napięcia i prądu. Przy obliczaniu prądów i napięć 
stosuje się wzory wynikające z prawa Ohma i Kirchhoffa. 
Przykład: 

Obliczyć wartości prądów przepływających przez rezystancje R

5

 i R

8

 

korzystając z metody przekształcania.  

Dane  układu:  U

AB

 = 24  V;  R

1

 = 3 

;  R

2

 = R

5

 = R

7

 = R

8

 = 4 

R

3

 = 12 

; R

4

 = 6 

; R

6

 = 12 

background image

METODY OBLICZANIA OBWODÓW ELEKTRYCZNYCH PRĄDU STAŁEGO

 

 

 

Układ przykładowy do metody przekształcania 

W pierwszej kolejności wyznaczamy rezystancję zastępczą układu od 

strony napięcia zasilającego: 

 

Układ po zastąpieniu części rezystancji elementami zastępczymi 

 

3

4

12

4

12

R

R

R

R

R

8

3

8

3

38

 

 

2

6

3

6

3

R

R

R

R

R

4

1

4

1

14

 

 

2

4

4

4

4

R

R

R

R

R

5

2

5

2

25

 

 

4

R

R

R

25

14

1245

 

background image

METODY OBLICZANIA OBWODÓW ELEKTRYCZNYCH PRĄDU STAŁEGO

 

 

 

3

12

4

12

4

R

R

R

R

R

6

1245

6

1245

I

 

 

6

3

3

R

R

R

38

I

II

 

 

4

,

2

4

6

4

6

R

R

R

R

R

7

II

7

II

C

 

Dla tak obliczonej wartości rezystancji całkowitej prąd całkowity: 

 

A

10

4

,

2

24

R

U

I

C

AB

 

Pozostałe wartości: 

 

A

6

4

24

R

U

I

7

AE

7

 

Rozpływ prądów dla węzła B: 

 

I

– I + I

II

 = 0 skąd: I

II

 = I – I

7

 = 10 – 6 = 4 A 

Spadek napięcia na rezystancji zastępczej R

38

 

U

II

 = I

II

R

38

 = 4

3 = 12 V 

Prąd w gałęzi z rezystancją R

8

 

I

8

 = 

4

12

R

U

8

II

 3 A 

Równanie  bilansu  napięć  dla  oczka  z  rezystorami  R

6

,  R

7

  oraz  R

38

 

wygląda następująco: 

 

U

AB

 – U

6

 – U

II

 = 0  

skąd napięcie na rezystancji R

6

 

U

6

 = U

AB

 – U

II

 = 24 –12 = 12 V 

Prąd przepływający rezystancję R

6

 

I

6

  = 

12

12

R

U

6

6

1 A 

Dla  węzła  A  pierwsze  prawo  Kirchhoffa  będzie  wyglądać 

następująco: 

 

I – I

– I

14

 – I

6

 = 0, 

 natomiast prąd przepływający przez rezystancję zastępczą R

1245

 

I

14

 = I – I

– I

= 10 – 6 – 1 = 3 A 

Napięcie na rezystancji R

25

background image

METODY OBLICZANIA OBWODÓW ELEKTRYCZNYCH PRĄDU STAŁEGO

 

 

 

U

25

 = I

14

R

25 

= 3

2 = 6 V 

Prąd przepływający rezystancję R

5

 

I

5

 = 

4

6

R

U

5

25

1,5 A 

background image

METODY OBLICZANIA OBWODÓW ELEKTRYCZNYCH PRĄDU STAŁEGO

 

 

OBLICZANIE OBWODÓW METODĄ PRAW KIRCHHOFFA 

Metoda  ta  zyskała  nazwę  metody  klasycznej  –  oparta  jest  na  dwóch 

prawach  Kirchhoffa  i  jest  stosowana  zwykle  w  przypadku  obwodów 
zawierających  stosunkowo  niewielką  liczbę  węzłów  i  gałęzi,  w 
przeciwnym  przypadku  obliczenia  są  kłopotliwe  ze  względu  na  dużą 
liczbę  równań.  Możliwe  jest  rozwiązanie  ich  w  postaci  macierzowej  za 
pomocą  programów  matematycznych.  Zastosowanie  metody  sprowadza 
się do utworzenia określonej liczby równań prądowych i napięciowych. 

Dla  obwodu  zawierającego 

  węzłów  oraz  b  gałęzi  możliwe  jest 

utworzenie:  

 

 1  

równań prądowych (I prawo Kirchhoffa) 

 (

 

 1) = b 

 

 + 1  

równań 

napięciowych 

(II 

prawo 

Kirchhoffa) 

Z ułożonych w ten sposób równań wyznaczamy poszukiwane wartości 

prądów, a następnie spadki napięć na poszczególnych elementach obwodu. 

Przykład: 
Obliczyć rozpływ prądów w układzie przedstawionym na rysunku.  

background image

METODY OBLICZANIA OBWODÓW ELEKTRYCZNYCH PRĄDU STAŁEGO

 

 

 

Układ przykładowy do metody praw Kirchhoffa 

Dane obwodu: E

1

 = 12 V; E

2

 = 8 V; E

3

 = 16 V; E

4

 = 6 V; R

w1

 = 0,5 

R

w2

 = R

w3

 = 0; 

R

w4

 = 1 

R

1

 = 3,5 

R

2

 = R

3

 = 2 

R

4

 = 15 

R

5

 = 3 

.  

Układ posiada: 

 = 3 węzłów; b = 5 gałęzi. Do rozwiązania konieczne 

jest  ułożenie  b – 

 + 1 = 3  równań  napięciowych, 

 – 1 = 2  równań 

prądowych. 
Węzeł b:  

I

2

 + I

5

 – I

= 0    skąd:    I

= I

– I

5

 

Węzeł a:  

– I

5

 + I

3

 – I

= 0    skąd:    I

3

 = I

5

 + I

4

 

Oczko 1:  

E

1

 – R

w1

I

1

– R

1

I

+ E

– R

2

I

= 0 

Oczko 2:  

E

3

 – R

3

I

3

 – R

5

I

5

 + R

2

I

2

 – E

2

 = 0  

Oczko 3:  

R

4

I

4

 + R

w4

I

4

 – E

4

 + R

3

I

3

 – E

3

 = 0 

Po uporządkowaniu: 

 

R

w1

I

1

+ R

1

I

1

+ R

2

I

2

 = E

1

 + E

2

 

 

R

2

I

2

 – R

3

I

3

 – R

5

I

5

 = E

2

 – E

3

 

 

R

4

I

4

 + R

w4

I

4

 + R

3

I

3

 = E

+ E

3

 

Podstawiając wartości wyznaczone z równań prądowych: 

 

R

w1

I

1

+ R

1

I

1

+ R

2

I

1

 – R

2

I

5

 = E

1

 + E

2

 

 

R

2

I

– R

2

I

– R

3

I

5

 – R

3

I

4

 – R

5

I

5

 = E

2

 – E

3

 

background image

METODY OBLICZANIA OBWODÓW ELEKTRYCZNYCH PRĄDU STAŁEGO

 

 

 

R

4

I

4

 + R

w4

I

4

 + R

3

I

5

 + R

3

I

4

 = E

+ E

3

 

 

(R

w1 

+ R

+ R

2

)I

1

 – R

2

I

5

 = E

1

 + E

2

 

 

R

2

I

– R

3

I

4

 – (R

+ R

+ R

)I

5

 = E

2

 – E

3

 

 

(R

+ R

w4

 +  R

3

)I

4

 + R

3

I

5

 = E

+ E

3

 

Po podstawieniu wartości liczbowych i uproszczeniu: 

 

3I

1

 – I

5

 = 10 

 

2I

– 2I

4

 – 7I

5

 = – 8 

 

9I

4

 + I

5

 = 11 

Rozwiązując  powyższy  układ  równań  uzyskuje  się  następujące 

wartości prądów: 

 

I

= 4 A 

 

I

4

 = 1 A 

 

I

5

 = 2 A 

Pozostałe wartości wyznacza się z równań prądowych: 

 

I

2

 = 2 A 

 

I

3

 = 3 A 

background image

METODY OBLICZANIA OBWODÓW ELEKTRYCZNYCH PRĄDU STAŁEGO

 

 

OBLICZANIE OBWODÓW METODĄ SUPERPOZYCJI 

Oparta  jest  ona  na  omawianej  w  rozdziale  piątym  zasadzie 

superpozycji.  Metoda  ta  znalazła  zastosowanie  w  przypadku  obwodów 
liniowych  o  kilku  źródłach  energii.  Ponadto  może  być  ona  stosowana  w 
przypadku  układów  dla  których  rozpływ  prądów  został  wcześniej 
wyznaczony,  a  których  konfiguracja  zmieniła  się  na  skutek  dołączenia 
dodatkowych źródeł zasilania. Metoda ta spotykana jest także pod nazwą 
metody nakładania. 

W  przypadku  obwodu  o  n  źródeł  napięcia  lub  prądu  obliczenia 

przebiegają następująco: 

1.  Dany  układ  zastępowany  jest  przez  n  obwodów  zasilanych  jednym 

źródłem,  przy  czym  rezystancje  elementów  nie  ulegają  zmianie  (w 
każdym przypadku w układzie działa inne źródło napięcia, pozostałe są 
zwarte, a źródła prądu rozwarte).  

2.  Każdy  z  otrzymanych  w  sposób  podany  w  punkcie  1  obwodów 

rozwiązujemy za pomocą praw Kirchhoffa lub przekształcania. 

3.  Na  podstawie  obliczonych  dla  układów  składowych  wartości  prądów 

pochodzących  od poszczególnych  źródeł  oblicza  się prądy  rzeczywiste 
w  gałęziach  obwodu  (suma  algebraiczna  wszystkich  prądów 
występujących w danej gałęzi w obwodach składowych). 

Przykład: 
Wyznaczyć wartości prądów w układzie przedstawionym na rysunku, 

korzystając z metody superpozycji.  

Dane: R

1

 = 8 

; R

2

 = 2 

; R

w1

 = 2 

; R

w2

 = 0,5 

; R

3

 = 5 

; E

1

 

 

= 15 

V; E

2

 = 12 V. 

background image

METODY OBLICZANIA OBWODÓW ELEKTRYCZNYCH PRĄDU STAŁEGO

 

 

 

Układ wyjściowy do metody superpozycji 

1. Siła E

1

 

Układ przy zasilaniu siłą E

Rezystancja zastępcza układu: 

 

R

I

 = R

2

 + R

w2

 = 2 + 0,5 = 2,5 

 

 

R

II

 = 

3

5

5

5

,

2

5

5

,

2

R

R

R

R

3

I

3

I

 

 

 

R

C

 = R

w1 

+ R

+ R

II 

= 2 + 8 + 

3

5

 = 

3

35

 

 

Prąd płynący przez rezystancję zastępczą układu: 

 

7

9

35

45

35

3

1

15

R

E

I

C

1

1

 A 

 

0

U

U

U

E

3

1

1

w

1

 

skąd:  

background image

METODY OBLICZANIA OBWODÓW ELEKTRYCZNYCH PRĄDU STAŁEGO

 

 

 

1

1

w

1

3

U

U

E

U

15 

 

8

7

9

2

7

9

=

7

15

 V 

Pozostałe prądy: 

 

7

3

5

1

7

15

R

U

I

3

3

3

 A 

 

2

3

1

I

I

I

skąd: 

 

7

6

7

3

7

9

I

I

I

3

1

2

 A 

2. Siła E

2

 

Układ przy zasilaniu siłą E

2

 

Rezystancja zastępcza układu: 

 

R

= R

+ R

w1 

= 8 + 2 = 10 

 

 

R

II 

3

10

15

50

5

10

5

10

R

R

R

R

3

I

3

I

 

 

 

R

= R

II

 + R

2

 + R

w2

 = 

6

35

2

1

2

3

10

 

 

Obliczenia prądów w poszczególnych gałęziach układu: 

 

35

72

35

6

12

R

E

I

C

2

2



 A 

 

70

72

10

5

35

72

R

I

U

2

w

2

2

w





 V 

 

35

144

2

35

72

R

I

U

2

2

2





 V 

background image

METODY OBLICZANIA OBWODÓW ELEKTRYCZNYCH PRĄDU STAŁEGO

 

 

 







3

2

2

w

2

U

U

U

E

stąd 

 

 







2

2

w

2

3

U

U

E

U

12 

 

35

144

35

36

=

35

240

 V 

 

35

48

5

35

240

R

U

I

3

3

3





 A 

 







3

1

2

I

I

I

 stąd: 

 

35

24

35

48

35

72

I

I

I

3

2

1





 A 

Ostatecznie  wartości  prądów  gałęziowych  obliczamy  jako  nałożenie 

wyników obliczeń dla obu sił oddzielnie: 

 

I



35

21

35

72

7

9

I

I

1

1

0,6 A 

 

I

2

 = 



35

42

35

30

35

72

I

I

2

2

1,2 A 

 

I

3

 = 



5

9

35

48

7

3

I

I

3

3

1,8 A 

background image

METODY OBLICZANIA OBWODÓW ELEKTRYCZNYCH PRĄDU STAŁEGO

 

 

OBLICZANIE OBWODÓW METODĄ PRĄDÓW OCZKOWYCH 

Metoda  służy  do  wyznaczania  prądów  gałęziowych  w  danym 

obwodzie. W bezpośredni sposób wywodzi się  z praw Kirchhoffa, będąc 
modyfikacją  opartej  na  nich  metody  obliczeniowej.  Związek  pomiędzy 
obiema metodami przedstawiony zostanie w oparciu o następujący układ: 

 

Schemat układu ilustrującego związki pomiędzy metodą praw 

Kirchhoffa, a metodą prądów oczkowych 

Przedstawiony powyżej układ jest układem rozgałęzionym o czterech 

węzłach i sześciu gałęziach. Aby było możliwe rozwiązanie go korzystając 
z  praw  Kirchhoffa  konieczne  jest  ułożenie  trzech  równań  prądowych  (I 
prawo  Kirchhoffa)  oraz  trzech  równań  napięciowych  (II  prawo 
Kirchhoffa). Równania prądowe dla węzłów a, b, c: 

a:   

I

3

 – I

4

 + I

1

 = 0 

b:   

I

2

 + I

5

 – I

3

 = 0 

 

c:   

I

6

 

 I

1

 

 I

2

 = 0 

Równania napięciowe dla poszczególnych oczek: 

I: 

E

1

 – R

1

I

1

 

 R

4

I

4

 – R

6

I

6

 = 0 

II: 

E

2

 – R

2

I

2

 + R

5

I

5

 – R

6

I

6

 = 0 

 

III: 

E

3

 – R

3

I

3

 – R

4

I

4

 – R

5

I

5

 = 0 

Po uporządkowaniu równania przyjmują postać: 

 

E

1

 = R

1

I

1

 + R

4

I

4

 + R

6

I

6

 

 

E

2

 = R

2

I

2

 

 R

5

I

5

 + R

6

I

6

 

 

 

E

3

 = R

3

I

3

 + R

4

I

4

 + R

5

I

5

 

background image

METODY OBLICZANIA OBWODÓW ELEKTRYCZNYCH PRĄDU STAŁEGO

 

 

W  dalszej  kolejności  równania  przekształcone  zostaną  do  postaci  w 

której  prądy  I

4

,  I

5

  oraz  I

6

  wyrażone  są  za  pomocą  trzech  pozostałych 

prądów występujących w obwodzie: 

 

 I

4

 = I

3

 + I

1

  

 

I

5

 = I

3

 – I

2

 

 

 

I

6

 = I

1

 + I

2

 

Wyznaczone w ten sposób prądy podstawiane są do równań 6.3: 

 

E

1

 = R

1

I

1

 + R

4

(I

3

 + I

1

) + R

6

(I

1

 + I

2

 

E

2

 = R

2

I

2

 

 R

5

(I

3

 – I

2

) + R

6

(I

1

 + I

2

 

 

E

3

 = R

3

I

3

 + R

4

(I

3

 + I

1

) + R

5

(I

3

 – I

2

Po wykonaniu obliczeń i uporządkowaniu równań względem prądów: 

 

E

1

 = (R

1

 + R

4

 + R

6

)I

1

 + R

6

I

2

 + R

4

I

3

 

 

E

2

 = R

6

I

1

 + (R

2

 + R

5

 + R

6

)I

2

 – R

5

I

3

 

 

 

E

3

 = R

4

I

1

 – R

5

I

2

 + (R

3

 + R

4

 + R

5

)I

3

 

Równania  powyższe  można  w  oparciu  o  występujące  w  nich 

prawidłowości zapisać w prostszej postaci: 

 

E

11

 = R

11

I

I

 + R

12

I

II

 + R

13

I

III

 

 

E

22

 = R

21

I

I

 + R

22

I

II

 + R

23

I

III

 

 

 

E

33

 = R

31

I

I

 + R

32

I

II

 + R

33

I

III

 

Porównując  powyższe  zależności  można  zapisać  następujące 

równania: 

 

E

11

 = E

1

; E

22

 = E

2

; E

33

 = E

3

 

 

W  równaniach  występują  napięcia  źródłowe  oznaczane  symbolami 

E

kk

. Są to tzw. napięcia źródłowe oczkowe. Napięcie źródłowe oczkowe 

równe  jest  sumie  napięć  źródłowych  wszystkich  gałęzi  tworzących 
oczko.
 

 

R

11

 = R

1

 + R

4

 + R

6

 

 

R

22

 = R

2

 + R

5

 + R

6

 

 

 

R

33

 = R

3

 + R

4

 + R

Równania  zawierają  tzw.  rezystancje  własne  oczek  oznaczane 

symbolami  R  z  dwoma  jednakowymi  indeksami  np.  R

11

.  Rezystancja 

background image

METODY OBLICZANIA OBWODÓW ELEKTRYCZNYCH PRĄDU STAŁEGO

 

 

własna  oczka  jest  to  suma  rezystancji  wszystkich  gałęzi  tworzących 
oczko. 

 

R

1

 = R

21

 = R

6

 

 

R

13

 = R

31

 = R

4

 

 

 

R

23

 = R

32

 = 

R

W  równaniach  występują  rezystancje  wzajemne  oczek,  oznaczane 

jako  R  z  dwoma  różnymi  indeksami  np.  R

23

.  Rezystancja  wzajemna 

oczek to rezystancja gałęzi wspólnej dwóch oczek. 

 

 

 

I

I

 = I

1

 

 

I

II

 = I

2

 

 

 

I

III

 = I

3

 

Ostatnią  z  wielkości,  których  definicję  należy  przybliżyć  są 

występujące  we  wzorach  prądy  oczkowe  np.  I

II

.  Prąd  oczkowy  –  prąd 

umowny płynący w danym oczku, przez jego wszystkie gałęzie

W gałęziach należących wyłącznie do jednego oczka prąd gałęziowy 

równy  jest  prądowi  oczkowemu,  natomiast  w  gałęziach  wspólnych 
należących do dwóch oczek prąd gałęziowy równy jest sumie lub różnicy 
prądów oczkowych zależnie od ich zwrotów. 

Podczas  rozwiązywania  obwodu  składającego  się  z  b  gałęzi  i 

 

węzłów tok postępowania jest następujący: 

1.  W  pierwszej  kolejności  wybieramy  oczka  dla  których  będą  układane 

równania  -  zgodnie  ze  wzorem  b 

 

 + 1.  Dla  wybranych  oczek 

przyjmujemy zwroty obiegowe. 

2.  Zgodnie  z  obranymi  zwrotami  przyjmujemy  prądy  oczkowe.  Ponadto 

znakujemy zwroty prądów gałęziowych. 

3.  Zgodnie  z  podanymi  powyżej  definicjami  wyznaczamy  rezystancje 

własne oraz wzajemne oczek. 

4.  Analogicznie wyznaczamy oczkowe napięcia źródłowe. 

5.  Przystępujemy  do  ułożenia  równań  z  uwzględnieniem  wyznaczonych 

powyżej:  rezystancji  własnych  i  wzajemnych  oczek  oraz  napięć 
źródłowych oczkowych. 

background image

METODY OBLICZANIA OBWODÓW ELEKTRYCZNYCH PRĄDU STAŁEGO

 

 

6.  Otrzymany 

układ  równań  rozwiązujemy  dowolną  z  metod 

rozwiązywania układów równań liniowych (np.: wyznacznikową). 

7.  Na podstawie wyznaczonych w punkcie 6 wartości prądów oczkowych 

obliczamy prądy gałęziowe.  

 

background image

METODY OBLICZANIA OBWODÓW ELEKTRYCZNYCH PRĄDU STAŁEGO

 

 

OBLICZANIE OBWODÓW METODĄ POTENCJAŁÓW 
WĘZŁOWYCH 

Metoda  ta  opiera  się  na  prawach  Kirchhoffa  oraz  prawie  Ohma,  jest 

szczególnie korzystna w przypadku obwodów o małej liczbie węzłów np.: 
o  równoległym  połączeniu  elementów.  Pozwala  ona  obliczyć  wartości 
prądów gałęziowych. 
Przykład

 

Układ ilustrujący związki pomiędzy prawami Kirchhoffa a metodą 

potencjałów węzłowych 

W  układzie  występują  trzy  węzły,  w  każdym  obwodzie  można 

uziemić  jeden  węzeł  bez  wpływu  na  rozpływ  prądów  w  obwodzie.  W 
przypadku  obwodu  przykładowego  uziemiony  będzie  węzeł  3:  potencjał 
tego punktu obwodu wyniesie więc zero 

3

 = 0.  

Po  oznaczeniu  zwrotów  prądów  gałęziowych  w  obwodzie,  dla 

pozostałych  węzłów  zapisać  można  równania  wynikające  z  pierwszego 
prawa Kirchhoffa: 

 

I

1

 = I

3

 + I

4

 

 

I

4

 = I

2

 + I

5

 

 

Uwzględniając prawo Ohma można przedstawić prądy przepływające 

w gałęziach obwodu w następujący sposób:  

 

I

1

 = G

1

(E

1

 + U

31

) = G

1

(E

1

 + 

3

 – 

1

) = G

1

(E

1

 – 

1

 

I

2

 = G

2

(E

2

 + U

23

) = G

2

(E

2

 + 

2

 – 

3

) = G

2

(E

2

 + 

2

 

I

3

 = G

3

U

13

 = G

3

(

1

 – 

3

) = G

3

1

 

 

background image

METODY OBLICZANIA OBWODÓW ELEKTRYCZNYCH PRĄDU STAŁEGO

 

 

 

I

4

 = G

4

U

12

 = G

4

(

1

 – 

2

 

I

5

 = G

5

U

23

 = G

5

(

2

 – 

3

) = G

5

2

 

background image

METODY OBLICZANIA OBWODÓW ELEKTRYCZNYCH PRĄDU STAŁEGO

 

 

Przedstawione  w  powyższej  postaci  prądy  podstawiane  są  do  dwóch 

równań prądowych: 

 

G

1

(E

1

 – 

1

) = G

3

1

 + G

4

(

1

 – 

2

 

G

4

(

1

 – 

2

) = G

1

(E

2

 + 

2

) + G

5

2

 

 

Po  wymnożeniu  wielkości  występujących  w  obu  równaniach  i 

uporządkowaniu  ich  względem  poszczególnych  potencjałów  przyjmują 
one nieco inną postać: 

 

G

1

E

1

 = (G

1

 + G

3

 + G

4

)

1

 – G

4

2

 

 

–G

1

E

2

 = –G

4

1

 + (G

1

 + G

4

 + G

5

)

2

 

 

Występujące  w  równaniach  prawidłowości  pozwalają  przedstawić  je 

w postaci: 

 

1

GE

 = G

11

1

 + G

12

2

 

 

2

GE

 = G

21

1

 + G

22

2

 

 

Porównując równania otrzymujemy następujące wzory: 

 

1

GE

 = G

1

E

1

 

 

2

GE

 = 

G

1

E

2

 

 

Suma  iloczynów  napięć  źródłowych  oraz  konduktancji  gałęzi 

określają wypadkowy prąd źródłowy zasilający dany węzeł. Iloczyny GE 
mogą  być  dodatnie  (przy  zwrocie  napięcia  źródłowego  do  węzła)  lub 
ujemne (przy zwrocie przeciwnym). 

 

G

11

 = G

1

 + G

3

 + G

4

 

 

G

22

 = G

1

 + G

4

 + G

5

 

 

Wielkość  oznaczana  za  pomocą  litery  G  z  dwoma  jednakowymi 

indeksami np. G

11

. Wielkość ta nosi nazwę konduktancji własnej węzła. 

Konduktancja  własna  węzła  jest  równa  sumie  konduktancji  gałęzi 
zbiegających w danym węźle. 

 

G

12

 = G

21

 = 

G

4

 

 

Wielkość  oznaczaną  za  pomocą  litery  G,  z  tą  różnicą,  że  z  dwoma 

różnymi  indeksami.  Wielkość  ta  to  konduktancja  wzajemna  węzłów
Konduktancja  wzajemna  węzłów  to  wielkość  równa  sumie 
konduktancji wszystkich gałęzi łączących bezpośrednio oba węzły

background image

METODY OBLICZANIA OBWODÓW ELEKTRYCZNYCH PRĄDU STAŁEGO

 

 

Bez  względu  na  sposób  przyjęcia  zwrotów  prądów  gałęziowych 

konduktancje wzajemne mają zawsze znaki ujemne.  

background image

METODY OBLICZANIA OBWODÓW ELEKTRYCZNYCH PRĄDU STAŁEGO

 

 

Tok  postępowania  przy  rozwiązywaniu  obwodów  metodą 

potencjałów węzłowych jest następujący: 

1.  Oznaczamy rozpływ prądów gałęziowych. 

2.  Numerujemy węzły obwodu, jeden dowolny z nich uziemiamy nadając 

mu umownie w ten sposób potencjał równy zeru 

3.  Dla  pozostałych  węzłów  obwodu  wyznaczamy  iloczyny  napięć 

źródłowych i konduktancji oraz obliczamy ich sumę. 

4.  Obliczamy konduktancje własne oraz wzajemne węzłów. 

5.  Układamy równania uwzględniając w nich wyznaczone w punktach 3 i 

4 wielkości. 

6.  Z 

utworzonych 

równań 

obliczamy 

wartości 

potencjałów 

poszczególnych węzłów. 

7.  Z równań prądowych  wyznaczamy wartości prądów gałęziowych. 

8.  Dokonujemy  sprawdzenia  poprawności  obliczeń  poprzez  obliczenie 

bilansu prądów dla poszczególnych węzłów obwodu. 

background image

METODY OBLICZANIA OBWODÓW ELEKTRYCZNYCH PRĄDU STAŁEGO

 

 

Przykład: 
Korzystając  z  metody  potencjałów  węzłowych  wyznaczyć  rozpływ 

prądów w przedstawionym poniżej układzie.  

Dane:  R

1

 = 3 

;  R

2

 = 5 

;  R

3

 = 8 

;  R

4

 = R

5

 = R

6

 = R

8

 = 12 

R

7

 = 6 

; E

3

 = 48 V; E

7

 = 60 V. 

 

Układ przykładowy dla metody potencjałów węzłowych 

W  układzie  jako  zerowy  przyjęto  potencjał  węzła  c  (

c

 = 0).  Dla 

dwóch pozostałych węzłów ułożono równania: 

 

7

7

3

3

b

8

7

a

8

7

3

2

1

E

R

1

E

R

1

R

1

R

1

R

1

R

1

R

1

R

R

1









 

 

7

7

b

8

7

6

5

4

a

8

7

E

R

1

R

1

R

1

R

1

R

R

1

R

1

R

1









 

Po podstawieniu wartości liczbowych: 

 

60

6

1

48

8

1

12

1

6

1

12

1

6

1

8

1

8

1

b

a

 

 

 

60

6

1

12

1

6

1

12

1

24

1

12

1

6

1

b

a

 

 

Po koniecznych uproszczeniach układ przyjmuje następującą postać: 

 

4

4

1

2

1

b

a

 

background image

METODY OBLICZANIA OBWODÓW ELEKTRYCZNYCH PRĄDU STAŁEGO

 

 

 

10

8

3

4

1

b

a

 

Jego rozwiązaniem są następujące wartości potencjałów: 

= 8 V 

= 32 V 

Kolejnym etapem jest obliczenie wartości prądów gałęziowych: 

 

I

8

8

1

)

(

R

R

1

c

a

2

1

1 A 

 

I

8

8

1

48

8

1

)

(

R

1

E

R

1

a

c

3

3

3

5 A 

 

I

5

 = 

3

4

32

24

1

)

(

R

R

1

c

b

4

5

 A 

 

I

3

8

32

12

1

)

(

R

1

c

b

6

 A 

 

I

7

 =  

)

32

8

(

6

1

60

6

1

)

(

R

1

E

R

1

b

a

7

7

7

6 A 

 

I

8

 = 

)

32

8

(

12

1

)

(

R

1

b

a

8

2 A 

Sprawdzenie dla poszczególnych węzłów: 

Węzeł a: 

 I

3

 – I

1

 – I

8

 – I

7

 = 5 – 1 – (–2) – 6 = 0  

Węzeł b: 

 I

+ I

8

 – I

5

 – I

6

 = 6 – 2 – 

3

8

3

4

Węzeł c: 

 I

1

 – I

3

 + I

6

 + I

5

 = 1 –5 + 

3

4

3

8

0. 

background image

METODY OBLICZANIA OBWODÓW ELEKTRYCZNYCH PRĄDU STAŁEGO

 

 

OBLICZANIE OBWODÓW METODĄ THEVENINA 

Metoda ta nazywana jest także metodą o zastępczym źródle napięcia, 

jest  stosowana  w  sytuacji,  gdy  nie  jest  konieczne  poznanie  rozpływu 
prądów w całym badanym układzie, lecz w konkretnej jego gałęzi. Oparta 
jest  ona  na  twierdzeniu  Thevenina  (twierdzenie  o  zastępczym  źródle 
napięcia), które można sformułować następująco: 

Prąd  płynący  przez  odbiornik  rezystancyjny  R,  przyłączony  do 

zacisków  a-b  dowolnego  liniowego  układu  zasilającego  prądu  stałego 
jest  równy  ilorazowi  napięcia  U

ab

  mierzonego  na  zaciskach  a-b  w 

stanie  jałowym  przez  rezystancję  R  powiększoną  o  rezystancję 
zastępczą R

w

 układu zasilającego mierzoną na tych zaciskach.  

Można przedstawić to za pomocą wzoru: 

 

I = 

w

ab

R

R

U

 

 

Inaczej mówiąc: 

Obwód elektryczny liniowy o dowolnym ukształtowaniu, traktowany 

jako  złożony  dwójnik  liniowy  aktywny  o  zaciskach  a-b,  można  zastąpić 
jednym  źródłem  o  napięciu  źródłowym  E,  równym  napięciu  stanu 
jałowego  U

ab

  na  zaciskach  a-b  i  o  rezystancji  wewnętrznej  R

w

,  równej 

rezystancji zastępczej widzianej z zacisków a-b obwodu. 

Aby  było  możliwe  wyznaczenie  prądu  przepływającego  przez 

dowolną  gałąź  obwodu  konieczne  jest  więc  wyznaczenie  rezystancji 
obwodu  widzianej  ze  strony  rozpatrywanych  zacisków,  oraz 
występującego na nich napięcia stanu jałowego. Napięcie wyznaczane jest 
dowolną z omawianych wcześniej metod.  

background image

METODY OBLICZANIA OBWODÓW ELEKTRYCZNYCH PRĄDU STAŁEGO

 

 

Przykład: 

Wykorzystując  metodę  Thevenina  wyznaczyć  wartość  prądu 

przepływającego przez rezystor R

1

 w przedstawionym układzie.  

Dane:  R

1

 = 30 

;  R

2

 = 120 

;  R

3

 = 40 

;  R

4

 = 60 

;  E

1

 = 20 V; 

E

2

 = 15 V. 

 

Układ przykładowy do metody Thevenina 

W  pierwszej  kolejności  obliczamy  wartość  rezystancji  zastępczej 

układu widzianej z zacisków rezystancji R

1

 (zacisków a-b): 

 

20

1

60

1

40

1

120

1

R

1

R

1

R

1

R

1

4

3

2

Z



-1

 

 

R

z

 = 20 

 

Do  obliczenia  wartości  napięcia  U

ab

  wykorzystamy  metodę  prądów 

oczkowych. 

 

Układ początkowy po odłączeniu rezystancji R

 

(R

2

 + R

3

)I

– R

3

I

II

 = 0 

 

–R

3

I

+ (R

3

+R

4

)I

II

 = –E

2

 

Po podstawieniu wartości liczbowych: 

background image

METODY OBLICZANIA OBWODÓW ELEKTRYCZNYCH PRĄDU STAŁEGO

 

 

 

160I

– 40I

II

 = 0 

 

–40I

+ 100I

II

 = –15 

Z równania otrzymujemy dwie wartości prądów oczkowych: 

 

I

1

 = 

24

1

 

I

II

 = 

6

1

Prąd  I

2

  przepływający  przez  rezystor  R

2

  równy  jest  prądowi 

oczkowemu I

I

 z przeciwnym znakiem: 

 

I

2

 = –I

II

 = 

6

1

Następnie  przyjmujemy  zwrot  napięcia  U

ab

  i  dla  oczka  w  którym 

znajdują się zaciski a-b formułujemy bilans napięć wynikający z drugiego 
prawa Kirchhoffa: 

 

U

ab

 + E

1

 – R

2

I

2

 = 0 

skąd: 

 

 U

ab 

= R

2

I

2

 – E

1

 = 120

24

1

20 = 

15 V 

Ze  znaku  napięcia  można  wywnioskować,  iż  zostało  ono  przyjęte 

przeciwnie  do  zwrotu  rzeczywistego.  Uwzględniając  zwrot  poprawny 
układ można przedstawić w postaci zastępczej: 

 

Układ równoważny 

Dla  układu  tego  równanie  wynikające  z  drugiego  prawa  Kirchhoffa 

posiada następującą postać: 

 

U

ab

 – R

Z

I

1

 – R

1

I

1

 = 0 

Poszukiwana  wartość  prądu  przepływającego  przez  rezystancję  R

1

 

wynosi: 

background image

METODY OBLICZANIA OBWODÓW ELEKTRYCZNYCH PRĄDU STAŁEGO

 

 

 

I

1

 = 

10

3

50

15

R

R

U

1

Z

ab

 0,3 A