如果选择电路中某一节点为电位参考点(此节点电位为零),则其他各节点的电位到参考节点的电压降称为该节点的节点电位。节点电位分析法(Nodal-Voltage Analysis)简称节点法,这是以节点电位为变量的,将各支路的电流用节点电位表示,利用KCL列出独立的电流方程求解。
图1.8.1所示电路有3个节点,共有3个KCL方程(但这3个KCL不是独立的,有了其中的2个,第3个就可被推导出来),选择下面节点c为参考节点,接地,则上面两个节点为独立节点,分别记为a和b。支路有5条: I 1 、 I 2 、 I 3 、 I 4 、 I S 。
图1.8.1 节点分析法电路
节点电位分析法第一步——列出独立的KCL方程。
独立节点a的KCL方程为
独立节点b的KCL方程为
节点电位分析法第二步——用节点电位表示支路电流。
支路1
支路2
支路3
支路4
将以上4式代入式(1.8.1)和式(1.8.2)中并整理,得到
由这两个方程解出节点电位 V a 和 V b 。式(1.8.3)是以节点电压为变量所列的方程,故称为节点电位方程。
用节点电位分析法计算电路的具体步骤如下。
(1)标出节点,并把其中一个节点选为参考节点。
(2)列写KCL方程。一般来说,对具有 n 个节点的电路运用基尔霍夫电流定律只能得到( n -1)个独立的KCL方程。
(3)列出节点电位方程。
(4)联立求解出上面所有的节点电位方程。
【例1.8.1】 试计算图1.8.2所示电路的节点a和节点b的电位。
图1.8.2 例1.8.1电路
解: (1)该电路共3个节点a、b、c,独立的KCL方程有两个,最下面节点c为参考节点。
(2)独立的KCL方程 。
(3)该电路有5条支路,其中电流源支路电流已知,其余各支路电流为
(4)将各支路电流代入独立的KCL方程,得
解得
【例1.8.2】 求图1.8.3(a)所示电路的节点a电位。
解: 图1.8.3(a)所示是电子线路的习惯画法,电压源形式的电路如图1.8.3(b)所示。
节点a处有3条支路,其KCL方程为
解得 V a =0.5(V)。
图1.8.3 例1.8.2电路
支路电流法(Branch-Current Analysis)是在计算复杂电路的各种方法中的一种最基本的方法。它以电路中的各支路电流为未知量,直接应用KCL和KVL来列出支路电流的方程,然后从所列方程中解出各支路电流,最后再分析各支路的响应。
用支路电流法计算电路的具体步骤如下。
(1)首先在电路图中标出 m 条未知支路电流的参考方向。
(2)列写KCL方程。一般来说,对具有 n 个节点的电路运用基尔霍夫电流定律只能得到( n -1)个独立的KCL方程。
(3)列写独立的KVL方程。独立的KVL方程数为 m -( n -1)。
(4)联立所有列写的方程,即可求解各支路电流,进而求解各支路的响应,如其他支路的电压、功率等。
在图1.8.4所示电路中,(1)其节点数 n =4,未知支路电流数 m =6,电流参考方向如图所示。
(2)独立的KCL方程(设流出为正)。
节点a I 1 + I 2 + I 3 =0
节点b -I 2 + I 4 + I 5 =0
节点c -I 1 -I 5 + I 6 =0
(3)补充 m -( n -1)=3个独立KVL方程。
回路 1 U 1 + R 1 I 1 -R 3 I 5 -R 2 I 2 =0
回路 2 R 2 I 2 + U 3 + R 5 I 4 -R 4 I 3 -U 2 =0
回路 3 R 3 I 5 + R 6 I 6 -R 5 I 4 -U 3 =0
(4)联立所有列写的方程,即可求解出各支路电流。
图1.8.4 支路电流分析法电路
【例1.8.3】 在图1.8.5所示电路中,求各支路电流及电流源发出的电功率。
图1.8.5 例1.8.3电路
解: (1)电路中有4条支路,电流源支路的电流是已知的,将其余3条支路电流作为变量,需要列出3个方程。
(2)注意本电路只有两个节点,如最上面一条横线与四条垂线的交点是一个节点 a,因为它们电位相同。选择下面节点b作为参考节点,则上面节点a作为独立节点,列出KCL方程(设流出为正)。
(3)按顺时针选取独立回路,补充KVL方程。
回路1 2 I 1 -3 6+1 0 8-2 I 2 =0
回路2 2 I 2 -108+4 I 4 =0
(4)代入参数并整理,得 I 1 =-18(A), I 2 =18(A), I 4 =18(A)。
电流源端电压与电阻 R 4 的端电压相等,即 U =4×18=72(V)。
故电流源发出的电功率 P 3 =-72×18=-1296(W) (发出)。
支路电流法列出的方程数量比较多,解起来比较麻烦,但是这个方法简单易学。节点电压法比支路电流法优越在于它需要直接求解的方程数少。现今的电子计算机辅助电路分析程序,大多是采用节点电压法来设计程序的。