Knotenpotenzialverfahren: Übungsaufgaben mit Schritt-für-Schritt-Lösungen

Auch genannt: Knotenpotentialverfahren · Knotenspannungsanalyse · Knotenanalyse

Kostenlose Übungsaufgaben zu Knotenpotenzialverfahren mit Skizzen, Tipps und vollständigen Musterlösungen. Jedes Mal neue Werte, in drei Stufen: 1 unbekannter Knoten, 2 unbekannte Knoten, 2 Knoten, 3 Quellen.

Kostenlose ÜbungsaufgabeLeicht
R1​ = 12 ΩIR1​R2​ = 10 Ω+−V1​8 VR3​4 ΩA+−V2​6 V

Bestimme mit dem Knotenpotenzialverfahren den Strom IR1 durch R1 in Pfeilrichtung.

V1 = 8 VV2 = 6 VR1 = 12 ΩR2 = 10 ΩR3 = 4 Ω
A
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Was du übst

  1. Leicht1 unbekannter Knoten
  2. Mittel2 unbekannte Knoten
  3. Schwer2 Knoten, 3 Quellen

So löst du Aufgaben zu Knotenpotenzialverfahren

  1. Wähle einen Bezugsknoten (Masse) und benenne die übrigen Knotenspannungen.
  2. Stelle an jedem unbekannten Knoten die Knotenregel auf: Die über alle Zweige abfließenden Ströme sind gleich den zufließenden.
  3. Drücke jeden Zweigstrom als (Va − Vb)/R aus.
  4. Löse das Gleichungssystem und bestimme dann jeden benötigten Strom.

Häufige Fehler

  • Das Vorzeichen eines Zweigstroms in den beiden Knotengleichungen vertauschen.
  • Eine Gleichung für den Bezugsknoten aufstellen.
  • Eine Stromquelle vergessen, die in einen Knoten hinein- oder aus ihm herausfließt.

Wichtige Formeln

Kirchhoffsche Knotenregel
ΣIin = ΣIout
Zweigstrom
I = (Va − Vb)/R
Bezugsknoten
Vground = 0

Knotenpotenzialverfahren von Grund auf lernen

Davor: Reihen- und Parallelschaltung

1Was die Knotenpotentialanalyse ist

Die Knotenpotentialanalyse ist ein Standardverfahren, um jede Spannung in einer Schaltung zu bestimmen. Sie funktioniert auch dann, wenn die Regeln für Reihen- und Parallelschaltung nicht ausreichen.

Ein Knoten ist ein Punkt, an dem zwei oder mehr Teile einer Schaltung zusammentreffen. Ein ganzes Stück einfacher Leitung zählt als ein Knoten, weil an einer Leitung keine Spannung abfällt.

Du wählst einen Knoten als Bezugsknoten, auch Masse genannt, und gibst ihm 0 V. Jede andere Knotenspannung wird von diesem Knoten aus gemessen.

Denk an Höhen auf einer Karte, vom Meeresspiegel aus gemessen. Wasser fließt von hoch nach tief, und der Fluss in einem Rohr hängt vom Höhenunterschied zwischen seinen Enden ab.

Kennst du die Knotenspannungen, liefert das ohmsche Gesetz jeden Strom. Die Knotenspannungen sind also die einzigen Unbekannten, die du brauchst.

Selbsttest Welcher Knoten hat per Definition eine Spannung von 0 V?
  1. Der Bezugsknoten (Masse), den du gewählt hast
  2. Der Knoten mit den meisten Widerständen
  3. Der Knoten neben der größten Quelle
  4. Jeder Knoten ohne Quelle

Antwort: Der Bezugsknoten (Masse), den du gewählt hast. Du wählst den Bezugsknoten selbst und nennst ihn 0 V. Alle anderen Knotenspannungen werden von ihm aus gemessen.

2Kirchhoffsche Knotenregel

Ladung kann sich in einem Knoten nicht ansammeln. Der gesamte Strom, der in einen Knoten hineinfließt, muss ihn also wieder verlassen. Das ist das Kirchhoffsche Knotengesetz (KCL).

ΣIin = ΣIout

Fließen zum Beispiel 3 A und 2 A in einen Knoten, müssen insgesamt 5 A ihn über die anderen Zweige verlassen.

Du schreibst den Strom in jedem Widerstand mit dem ohmschen Gesetz auf, mit den Spannungen an seinen beiden Enden:

Va​Vb​RI
I = (Va − Vb) / R

Das ist der Strom von a nach b. Ist das Ergebnis negativ, fließt der Strom in Wahrheit von b nach a. Das ist in Ordnung: Behalte das Vorzeichen.

Selbsttest Knoten a liegt auf 9 V und Knoten b auf 4 V. Ein 5-Ω-Widerstand verbindet sie. Welcher Strom fließt von a nach b?
  1. 1 A
  2. 1,8 A
  3. 2,6 A
  4. −1 A

Antwort: 1 A. I = (9 − 4)/5 = 1 A. Addiert man die Spannungen, erhält man 2,6 A, vertauscht man sie, −1 A, und 1,8 A ignoriert die Spannung bei b.

3Das Verfahren Schritt für Schritt

  1. Wähle den Bezugsknoten. Die untere Leitung ist die übliche Wahl. Markiere ihn mit dem Massesymbol.
  2. Finde die Knoten, deren Spannung du schon kennst. Ein Knoten, der über eine Spannungsquelle mit Masse verbunden ist, liegt auf der Spannung dieser Quelle.
  3. Benenne jeden anderen Knoten (A, B, …). Ihre Spannungen VA, VB, … sind die Unbekannten.
  4. Schreibe an jedem unbekannten Knoten KCL auf: Die Ströme, die über die Widerstände abfließen, summieren sich zum Strom, den Stromquellen hineindrücken.
  5. Schreibe jeden Widerstandsstrom als (VKnoten − Vanderes Ende)/R und löse dann die Gleichungen.
  6. Verwende das ohmsche Gesetz, um jeden Zweigstrom zu bestimmen, nach dem gefragt ist.

Wenn du jeden Widerstandsstrom als vom Knoten abfließend schreibst, ergeben sich die Vorzeichen von selbst. Du musst die wahren Richtungen nicht zuerst raten.

Du brauchst eine Gleichung pro unbekanntem Knoten. Schreibe nie eine Gleichung für den Bezugsknoten: Seine Spannung ist schon bekannt.

4Ein durchgerechnetes Beispiel

Folge jedem Schritt. Versuche, den nächsten vorherzusagen, bevor du ihn öffnest.

Durchgerechnetes Beispiel

Bestimme die Knotenspannung VA und den Strom IR1 durch R1, von der Quelle in Richtung A.

1

Betrachte die Schaltung

+−V1​15 VR1​ = 3 ΩR2​6 ΩIs​1 AA15 VVA​ ?

Die untere Leitung ist Masse. Das obere Ende von V1 liegt 15 V über Masse, dieser Knoten ist also bekannt: 15 V.

Nur Knoten A ist unbekannt, du brauchst also eine Gleichung.

2

KCL an A aufschreiben

Zwei Widerstände verlassen A: R1 führt zum 15-V-Knoten und R2 zur Masse. Die Stromquelle drückt 1 A in A hinein.

(VA − 15)/3 + VA/6 = 1
3

Nach VA auflösen

Multipliziere beide Seiten mit 6, um die Brüche zu beseitigen.

2·(VA − 15) + VA = 6
3·VA − 30 = 6 ⇒ VA = 12 V
4

Den Strom in R₁ bestimmen

IR1 = (15 − 12)/3 = 1 A

Das Ergebnis ist positiv, es fließt also wirklich 1 A von der Quelle in Richtung A.

5

Antwort prüfen

+−V1​15 VR1​ = 3 ΩR2​6 ΩIs​1 AA15 V1 A2 A

R2 führt 12/6 = 2 A nach unten zur Masse. In A fließen 1 A durch R1 und 1 A aus der Stromquelle hinein.

Das sind 2 A hinein und 2 A heraus, KCL gilt also an A.

Antwort

VA = 12 V und IR1 = 1 A.

5Zwei unbekannte Knoten

Bei zwei unbekannten Knoten schreibst du an jedem Knoten eine KCL-Gleichung auf und löst die beiden Gleichungen gemeinsam.

+−V1​6 VR1​ = 2 ΩR3​ = 3 ΩR2​3 ΩR4​3 ΩIs​2 AAB

An Knoten A fließen drei Widerstände ab: R1, R2 und R3. An Knoten B fließen zwei Widerstände ab, und die Stromquelle drückt 2 A hinein.

A: (VA − 6)/2 + VA/3 + (VA − VB)/3 = 0
B: (VB − VA)/3 + VB/3 = 2

Multipliziere die erste Gleichung mit 6 und die zweite mit 3:

7·VA − 2·VB = 18
−VA + 2·VB = 6

Addiere die beiden Gleichungen. Die VB-Terme heben sich auf, also 6·VA = 24.

VA = 4 V, VB = 5 V

Beachte, dass R3 in beiden Gleichungen vorkommt, als (VA − VB) bei A und als (VB − VA) bei B. Das ist eine schnelle Probe, ob deine Gleichungen stimmen.

6Häufige Fehler

  • Das Vorzeichen eines gemeinsamen Widerstands verwechseln: Es ist (VA − VB) bei A, aber (VB − VA) bei B.
  • Eine Stromquelle vergessen, die in den Knoten hinein- oder aus ihm herausfließt.
  • Eine KCL-Gleichung für den Bezugsknoten aufstellen oder einen bekannten Knoten als unbekannt behandeln.
  • Das Minuszeichen eines negativen Stroms weglassen. Ein negatives Ergebnis bedeutet, dass der Strom gegen den Pfeil fließt.
Selbsttest An Knoten A führt ein 4-Ω-Widerstand zur Masse und ein weiterer 4-Ω-Widerstand zu einem 12-V-Knoten. Eine 2-A-Quelle drückt Strom in A hinein. Wie groß ist VA?
  1. 10 V
  2. 12 V
  3. 2 V
  4. 6 V

Antwort: 10 V. (VA − 12)/4 + VA/4 = 2 ergibt 2·VA − 12 = 8, also VA = 10 V. Wer die Quelle vergisst, erhält 6 V; wer sie als von A abfließend behandelt, erhält 2 V.

7So sehen Prüfungsaufgaben aus

  • Leicht: ein unbekannter Knoten A, mit einer Spannungsquelle und entweder einer Stromquelle oder einer zweiten Spannungsquelle. Eine KCL-Gleichung genügt.
  • Mittel: zwei unbekannte Knoten A und B, mit einer Stromquelle an B. Schreibe zwei Gleichungen auf und löse sie gemeinsam.
  • Schwer: zwei unbekannte Knoten und drei Quellen: zwei Spannungsquellen und eine Stromquelle. Das Verfahren ist dasselbe, mit mehr Termen.

Die Aufgabe fragt nach einer Knotenspannung oder nach dem Strom durch einen Widerstand in Pfeilrichtung.

Bestimme für einen Zweigstrom zuerst die Knotenspannungen. Verwende dann I = (VAnfang − VEnde)/R entlang des Pfeils.

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Beispielaufgaben

Beispiel 1Leicht
R1​8 Ω+−V1​20 VR2​3 Ω+−V2​18 VR3​2 Ω+−V3​8 VA

Zwischen Knoten A und Masse liegen drei Zweige, wie dargestellt. Bestimme mit dem Knotenpotenzialverfahren das Knotenpotenzial VA.

V1 = 20 VR1 = 8 ΩV2 = 18 VR2 = 3 ΩV3 = 8 VR3 = 2 Ω

Gesucht: VA (V)

Tipps anzeigen
  1. Nur Knoten A ist unbekannt. Stelle eine Knotengleichung auf: Die Summe der von A abfließenden Zweigströme ist null.
  2. Jeder Zweigstrom ist (VA − Vk)/Rk. Bringe die Terme mit VA auf eine Seite.
  3. Σ1/R = 0,9583 S.
Antwort und Schritt-für-Schritt-Lösung anzeigen

Knotenpotenzialverfahren: Wähle einen Bezugsknoten, benenne die unbekannten Knotenpotenziale, stelle an jedem unbekannten Knoten die Kirchhoffsche Knotenregel mit dem ohmschen Gesetz (I = ΔV/R) auf und löse das entstehende Gleichungssystem.

Knotenregel am Knoten A

Nimm die untere Leitung als Masse. Jeder Zweig führt (VA − Vk)/Rk von A weg, wobei Vk die Spannung seiner Quelle ist (null bei einem reinen Widerstand). Die von A abfließenden Ströme ergeben zusammen null.

(VA − 20)/8 + (VA − 18)/3 + (VA − 8)/2 = 0

Nach VA auflösen

VA = (20/8 + 18/3 + 8/2) / (1/8 + 1/3 + 1/2) = 12,5/0,9583 = 13,04 V

Antwort

VA = 13,04 V
Beispiel 2Mittel
−+Vs​ = 3 VIx​Is​1,5 AAR1​6 ΩR2​3 ΩB

Die Spannungsquelle Vₛ zwischen A und B hat ihren Pluspol bei B, sie bewirkt also VB − VA = Vₛ. Bestimme mit dem Knotenpotenzialverfahren und einem Superknoten den Strom Ix durch die Spannungsquelle, von A nach B wie durch den Pfeil angegeben.

Is = 1,5 AVs = 3 VR1 = 6 ΩR2 = 3 Ω

Gesucht: Ix (A)

Tipps anzeigen
  1. Eine Spannungsquelle zwischen zwei Knoten ohne Masse legt deren Differenz fest: VB − VA = Vs.
  2. Stelle eine Knotengleichung für den Superknoten um A, B und die Quelle auf: VA/R₁ + VB/R₂ = Is.
  3. VA = 1 V.
Antwort und Schritt-für-Schritt-Lösung anzeigen

Knotenpotenzialverfahren: Wähle einen Bezugsknoten, benenne die unbekannten Knotenpotenziale, stelle an jedem unbekannten Knoten die Kirchhoffsche Knotenregel mit dem ohmschen Gesetz (I = ΔV/R) auf und löse das entstehende Gleichungssystem.

Einen Superknoten bilden

Die Spannungsquelle zwischen A und B führt einen unbekannten Strom, daher kann die Knotenregel nicht getrennt an A oder B aufgestellt werden. Fasse A, B und die Quelle zu einem Superknoten zusammen: Der hineinfließende Strom ist gleich dem herausfließenden.

VB = VA + Vs = VA + 3
VA/R1 + VB/R2 = Is

Lösen

VA/6 + (VA + 3)/3 = 1,5
VA = (1,5 − 3/3)/(1/6 + 1/3) = 1 V
VB = 1 + 3 = 4 V

Strom durch die Spannungsquelle

Alles, was von A nach B durch die Quelle fließt, verlässt den Knoten B über R₂.

Ix = VB/R2 = 4/3 = 1,333 A

Antwort

Ix = 1,333 A

Ein negatives Ergebnis bedeutet, dass der tatsächliche Strom entgegen dem Pfeil fließt.

Beispiel 3Schwer
R1​ = 20 ΩR2​ = 20 ΩR4​ = 20 ΩIR4​+−V1​6 VR3​30 ΩAR5​30 ΩBIs​0,5 A+−V2​9 V

Bestimme mit dem Knotenpotenzialverfahren den Strom IR4 durch R4 in Pfeilrichtung.

V1 = 6 VIs = 0,5 AV2 = 9 VR1 = 20 ΩR2 = 20 ΩR3 = 30 ΩR4 = 20 ΩR5 = 30 Ω

Gesucht: IR4 (A)

Tipps anzeigen
  1. Nimm den unteren Leiter als Masse (0 V). Knoten, die direkt an einer Spannungsquelle hängen, sind schon bekannt, also sind die Unbekannten VA und VB.
  2. Stelle die Knotenregel an A auf: für jeden Widerstand (VA − Vanderes Ende)/R, und setze ihre Summe gleich dem Quellenstrom, der in A hineinfließt.
  3. Durch Lösen ergibt sich VA = 2,455 V. Dann ist IR4 = (Potenzial am Pfeilende − Potenzial an der Pfeilspitze)/R4.
Antwort und Schritt-für-Schritt-Lösung anzeigen

Knotenpotenzialverfahren: Wähle einen Bezugsknoten, benenne die unbekannten Knotenpotenziale, stelle an jedem unbekannten Knoten die Kirchhoffsche Knotenregel mit dem ohmschen Gesetz (I = ΔV/R) auf und löse das entstehende Gleichungssystem.

R1​ = 20 ΩR2​ = 20 ΩR4​ = 20 Ω+−V1​6 VR3​30 ΩAR5​30 ΩBIs​0,5 A+−V2​9 V

Knoten festlegen

Masse ist der untere Leiter. Bekannte Knotenpotenziale ergeben sich direkt aus den Quellen (V1 = 6 V, V2 = 9 V). Unbekannt: VA, VB.

KCL am Knoten A

Die Ströme, die A über die Widerstände verlassen, sind gleich dem Strom, den die Quellen in A einspeisen.

VA/R3 + (VA − V1)/R1 + (VA − VB)/R2 = 0
VA/30 + (VA − 6)/20 + (VA − VB)/20 = 0
0,1333·VA − 0,05·VB = 0,3

KCL am Knoten B

Die Ströme, die B über die Widerstände verlassen, sind gleich dem Strom, den die Quellen in B einspeisen.

VB/R5 + (VB − VA)/R2 + (VB − V2)/R4 = Is
VB/30 + (VB − VA)/20 + (VB − 9)/20 = (−0,5)
−0,05·VA + 0,1333·VB = −0,05

Lösen

Δ = (0,1333)(0,1333) − (−0,05)(−0,05) = 0,01528
VA = Δ1/Δ = 0,0375/0,01528 = 2,455 V
VB = Δ2/Δ = 0,008333/0,01528 = 0,5455 V

Antwort

IR4 = (VB − V2)/R4 = (0,5455 − 9)/20 = −0,4227 A

Fragen und Antworten

Knotenpotenzialverfahren: Worum geht es?

Die Knotenpotentialanalyse ist ein Standardverfahren, um jede Spannung in einer Schaltung zu bestimmen. Sie funktioniert auch dann, wenn die Regeln für Reihen- und Parallelschaltung nicht ausreichen.

Ein Knoten ist ein Punkt, an dem zwei oder mehr Teile einer Schaltung zusammentreffen. Ein ganzes Stück einfacher Leitung zählt als ein Knoten, weil an einer Leitung keine Spannung abfällt.

Knotenpotenzialverfahren: Wie löst man die Aufgaben Schritt für Schritt?
  1. Wähle einen Bezugsknoten (Masse) und benenne die übrigen Knotenspannungen.
  2. Stelle an jedem unbekannten Knoten die Knotenregel auf: Die über alle Zweige abfließenden Ströme sind gleich den zufließenden.
  3. Drücke jeden Zweigstrom als (Va − Vb)/R aus.
  4. Löse das Gleichungssystem und bestimme dann jeden benötigten Strom.
Knotenpotenzialverfahren: Welche Fehler passieren am häufigsten?
  • Das Vorzeichen eines Zweigstroms in den beiden Knotengleichungen vertauschen.
  • Eine Gleichung für den Bezugsknoten aufstellen.
  • Eine Stromquelle vergessen, die in einen Knoten hinein- oder aus ihm herausfließt.
Knotenpotenzialverfahren: Was wird geübt?
  • Leicht: 1 unbekannter Knoten
  • Mittel: 2 unbekannte Knoten
  • Schwer: 2 Knoten, 3 Quellen

Jede Aufgabe hat neue Werte, so lernst du den Lösungsweg statt einer Antwort. Du hängst fest? Öffne zuerst einen kleinen Tipp und die vollständige Erklärung erst, wenn du sie brauchst.

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  • Jede Aufgabe hat neue Werte, so lernst du den Lösungsweg statt einer Antwort.
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