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Umformen von Gleichungen bei Kirchhoffscher Berechnung
 
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Elektronik91



Anmeldungsdatum: 22.05.2015
Beiträge: 51

Beitrag Elektronik91 Verfasst am: 22. Mai 2015 16:16    Titel: Umformen von Gleichungen bei Kirchhoffscher Berechnung Antworten mit Zitat

Hallo zusammen,

ich bin neu hier im Forum.

Ich habe ein großes Problem mit dem umstellen von Gleichungen bei einer Kirchhoffschen -Schaltungsberechnung.
Die Kirchhoffschen Regeln sind mir klar und ich habe auch kein Problem damit die Knoten und Maschengleichungen aufzustellen.
Mein Problem ist das Eliminieren der unbekannten durch umformen der Gleichungen.

Hier das Beispiel:

Gegeben: Uq1 = 10V, Uq2 = 5V, R1 = 100Ohm, R2 = 220Ohm, R3 = 1k Ohm, R4 = 1kOhm

Gesucht wird: I, I3, I4

Nun zu den 3 Gleichungen:

Knoten:

Masche 1:

Masche 2:

Als erstes habe ich die Masche 1 nach I3 umgeformt.







Als nächstes kann ich die umgeformte Gleichung in die 1 & 2 Gleichung einsetzen (Knoten & Masche 2).

Neue Knotengleichung:


Neue Maschengleichung 2:

Ab hier komme ich nicht mehr weiter.
In der Knotengleichung habe ich I auf der rechten und linken Seite, weiters habe ich I4 auch noch als unbekannte.
Bei der neuen Maschengleichung 2 habe ich ebenfalls zwei unbekannte (I & I4).

Ich verstehe einfach nicht wie ich da weiter machen sollte.

Ich bitte euch um Hilfe!!


MfG
erkü



Anmeldungsdatum: 23.03.2008
Beiträge: 1414

Beitrag erkü Verfasst am: 22. Mai 2015 19:06    Titel: Antworten mit Zitat

Hey !

Zur Wahrung der Übersicht bringt man die gesuchten Größen auf eine Seite (z.B. links) der Gleichung, wie


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Das Drehmoment ist der Moment, wo es zu drehen anfängt. :punk:


Zuletzt bearbeitet von erkü am 24. Mai 2015 00:18, insgesamt einmal bearbeitet
jh8979
Moderator


Anmeldungsdatum: 10.07.2012
Beiträge: 8576

Beitrag jh8979 Verfasst am: 22. Mai 2015 19:53    Titel: Antworten mit Zitat

Bei drei Unbekannten und Gleichungen lohnt es sich auch schon fast größeres Geschütz aufzufahren....
http://de.wikipedia.org/wiki/Gaußsches_Eliminationsverfahren
Elektronik91



Anmeldungsdatum: 22.05.2015
Beiträge: 51

Beitrag Elektronik91 Verfasst am: 23. Mai 2015 20:54    Titel: Antworten mit Zitat

Und wie würde man es mit einer normalen Umformung machen?
jh8979
Moderator


Anmeldungsdatum: 10.07.2012
Beiträge: 8576

Beitrag jh8979 Verfasst am: 23. Mai 2015 21:43    Titel: Antworten mit Zitat

Genauso... aber es systematisch zu machen ist einfach praktischer...
isi1



Anmeldungsdatum: 03.09.2006
Beiträge: 2902
Wohnort: München

Beitrag isi1 Verfasst am: 23. Mai 2015 21:50    Titel: Antworten mit Zitat

Elektronik91 hat Folgendes geschrieben:
Und wie würde man es mit einer normalen Umformung machen?
Natürlich geht es immer auch mit den unterschiedlichsten Methoden - es muss ja immer das Gleiche rauskommen. Ich schau mal Deine Ergebnisse durch.

Aber das Problem ist meistens nur die fehlende Kontrollmöglichkeit bei den umfangreichen Gleichungssystemen. Außerdem sollte man möglichst wenig schreiben, da man leicht Zahlendreher und dgl. bekommt.

Dies ist der Grund, warum man mehr mechanische Verfahren nutzt, die sich leicht überprüfen lassen.

Hier kannst gut nachverfolgen, wie man die Kirchhoffgleichungen effizient löst.

_________________
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isi1



Anmeldungsdatum: 03.09.2006
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Beitrag isi1 Verfasst am: 23. Mai 2015 22:21    Titel: Re: Umformen von Gleichungen bei Kirchhoffscher berechnung Antworten mit Zitat

ja ....
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Zuletzt bearbeitet von isi1 am 23. Jan 2016 19:22, insgesamt 2-mal bearbeitet
erkü



Anmeldungsdatum: 23.03.2008
Beiträge: 1414

Beitrag erkü Verfasst am: 24. Mai 2015 00:32    Titel: Re: Umformen von Gleichungen bei Kirchhoffscher berechnung Antworten mit Zitat

isi1 hat Folgendes geschrieben:

...
Per Matrix gehts leichter:
Code:
[code]Ordnen
I        I3        I4        =
1        -1        -1        0
R1+R2    R3         0        Uq1+Uq2
0       -R3        R4        Uq2
...[/code][
1        -1        -1        0
R1+R2    R3         0        Uq1+Uq2
0       -R3        R4        Uq2
...

unglücklich
Code:

1        -1        -1        0
R1+R2    R3         0        Uq1+Uq2
0       -R3        R4        - Uq2
...
Augenzwinkern
(s. Themenstart)

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isi1



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Beitrag isi1 Verfasst am: 24. Mai 2015 07:33    Titel: Antworten mit Zitat

so ....
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Zuletzt bearbeitet von isi1 am 23. Jan 2016 19:23, insgesamt 2-mal bearbeitet
erkü



Anmeldungsdatum: 23.03.2008
Beiträge: 1414

Beitrag erkü Verfasst am: 24. Mai 2015 13:23    Titel: Antworten mit Zitat

isi1 hat Folgendes geschrieben:

...
Außerdem: Wie ich das Schaltbild auch zeichne, ich komme nicht auf die Maschengleichungen.

Auf welche Maschengleichungen ? grübelnd

Für mich sind die Maschengleichungen aus dem Themenstart richtig. smile



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isi1



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Beitrag isi1 Verfasst am: 24. Mai 2015 16:38    Titel: Antworten mit Zitat

Sehr gut, Erkü
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Zuletzt bearbeitet von isi1 am 23. Jan 2016 19:24, insgesamt einmal bearbeitet
Elektronik91



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Beitrag Elektronik91 Verfasst am: 27. Mai 2015 11:23    Titel: Antworten mit Zitat

Danke erstmals für die Hilfe.

Ich habe es jetzt mal selbst versucht die Matrix nach dem Gauß-Verfahren zu lösen. Doch leider weicht mein Ergebnis vom Richtigen ab.

Hier meine Lösung:



Hier mache ich nichts anderes als die 0,32 aus der zweiten Zeile mit der ersten Zeile zu multiplizieren und anschließen die erste Zeile mit der zweiten Zeile zu addieren. Die 0,32 mache ich zuerst negativ.
Dasselbe mache ich auch mit der dritten Zeile.

Nun sieht die Matrix so aus:



Jetzt multipliziere ich -1 aus der 3. Zeile mit der 2. Zeile:



Nun nehme ich die 1,32 aus der dritten Zeile und setze ein minus davor
-1,32 und multipliziere es anschließend wieder mit der 2. Zeile:



Jetzt bin ich mit der Matrix berechnung fertig.

Im nächsten Schritt muss ich jetzt meine drei Zeilen nur mehr umformen:

Zeile 3:



Was mache ich Falsch?

Das Ergebnis sollte lauten 5,12mA, mein Ergebnis ist dazu noch negativ??


MfG
isi1



Anmeldungsdatum: 03.09.2006
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Beitrag isi1 Verfasst am: 27. Mai 2015 14:57    Titel: Antworten mit Zitat

Prima ...
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Zuletzt bearbeitet von isi1 am 23. Jan 2016 19:24, insgesamt einmal bearbeitet
erkü



Anmeldungsdatum: 23.03.2008
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Beitrag erkü Verfasst am: 27. Mai 2015 17:05    Titel: Antworten mit Zitat

Und das Ganze nochmal als Screenshot ! Big Laugh


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Beitrag Elektronik91 Verfasst am: 03. Jun 2015 18:42    Titel: Antworten mit Zitat

Als erstes möchte ich euch für eure Hilfe danken!!
Ich habe jetzt ein paar Beispiele erfolgreich durchgerechnet!

Nur bei einem Beispiel stimmt meine Lösung nicht.

Bei diesem Beispiel wird der Widerstandswert für den Widerstand R4 gesucht, wenn durch Ihn ein Strom von 10mA fließt.

Geg: Uq1 = 20V, Uq2 = 25V, R1 = 1k, R2 = 4,7k, R3 = 2,2k, I4 = 10mA

In diesem Beispiel gibt es zwei Knoten die zu einem zusammengefasst wurden.

Knoten: I1 + I3 = I2 + I4
M1: I1*R1+I2*R2 = Uq1
M2: -I2*R2-I3*R3 = -Uq2
M3: I3*R3+I4*R4 = Uq2

Ich habe anschließend eine Umformung für die Matrix durchgeführt.

So sieht meine Matrix aus:



für R4 sollte 1,28kOhm herauskommen, tut es aber leider nicht.
Ich habe meine Matrix zur Sicherheit mal in den online Rechner eingetippt und dieser hat auch nicht das richtige Ergebnis errechnet.

Was mache ich falsch?

MfG
isi1



Anmeldungsdatum: 03.09.2006
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Beitrag isi1 Verfasst am: 03. Jun 2015 18:58    Titel: Antworten mit Zitat

Die Methoden Maschenstrom- und Knotenpotentialverfahren sind ausgeprochen sicher für solche Aufgaben
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Zuletzt bearbeitet von isi1 am 23. Jan 2016 19:25, insgesamt 3-mal bearbeitet
GvC



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Beitrag GvC Verfasst am: 03. Jun 2015 18:59    Titel: Antworten mit Zitat

Um welche Schaltung geht es denn?
Elektronik91



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Beitrag Elektronik91 Verfasst am: 04. Jun 2015 09:14    Titel: Antworten mit Zitat

Hier die Schaltung:

V1 = Uq1
V2 = Uq2



Schaltung.jpg
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isi1



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Beitrag isi1 Verfasst am: 04. Jun 2015 10:39    Titel: Antworten mit Zitat

Die Lösung erfordert wirklich nicht mehr Schreiberei, als unter dem Bild.


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Anmeldungsdatum: 22.05.2015
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Beitrag Elektronik91 Verfasst am: 07. Jun 2015 12:50    Titel: Antworten mit Zitat

Wie kommt Ihr auf so eine Matrix:

i1 ik2 i4
5,7 -4,7 0 20
-4,7 6,9 -2,2 -25
0 0 1 10

wenn ich Sie aufstelle, sieht Sie so aus (Siehe Bild: Matrix)

MfG



Matrix.jpg
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isi1



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Beitrag isi1 Verfasst am: 07. Jun 2015 14:45    Titel: Antworten mit Zitat

Elektronik91 hat Folgendes geschrieben:
Wie kommt Ihr auf so eine Matrix:
i1 ik2 i4
5,7 -4,7 0 20
-4,7 6,9 -2,2 -25
0 0 1 10

Ganz simpel - siehe: forum.physik-lab.de/ftopic37.html
Links Kreisstrom i1, in der Mitte oben nach rechts ik2 und rechts eingeprägt i4=10mA.
1. Zeile: 5,7k=4,7k+1k ... die Widerstände im linken Kreis
Kopplung zum 2. Kreis: -4,7 und mit rechts keine Kopplung, deshalb die Null.
Als Spannung kommt rechts 20 hinzu, die V1

2. Zeile: gleiches Verfahren: Kopplung zum 1. Kreis die schon erwähnten -4,7
Summe der Widerstände im Kreis 4,7 + 2,2 = 6,9 und Kopplung nach rechts -2,2k. Bleibt noch die Spannung mit -25V, da Kreisstrom und Spannungspfeil in gleiche Richtung weisen.

3. Zeile sagt nur, dass der rechte Kreisstrom 10 mA ist

Alles klar?

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Elektronik91



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Beitrag Elektronik91 Verfasst am: 07. Jun 2015 19:10    Titel: Antworten mit Zitat

Du verwendest also das Maschenstromverfahren.

Wie löse ich dies mit der Knoten & Maschenregel?

Danke!
isi1



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Beitrag isi1 Verfasst am: 07. Jun 2015 19:44    Titel: Antworten mit Zitat

Genau so, Du darfst nur keine falschen Gleichungen eingeben. Die Matrix sieht dann zwar etwas anders aus, aber R4 sollte bei jedem beliebigen Verfahren gleich groß werden.
Dieses Kreisstromverfahren und auch das Knotenpotentialverfahren verwenden die gleichen Regeln, nur hat man sich dabei Gedanken gemacht, wie man das möglichst fehlerfrei, möglichst einfach und möglichst ohne langes Nachdenken durchführen kann.

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isi1



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Beitrag isi1 Verfasst am: 07. Jun 2015 19:55    Titel: Antworten mit Zitat

gelösct
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Zuletzt bearbeitet von isi1 am 23. Jan 2016 19:27, insgesamt einmal bearbeitet
Elektronik91



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Beitrag Elektronik91 Verfasst am: 07. Jun 2015 21:23    Titel: Antworten mit Zitat

Da ist mir beim Formeleditor ein Fehler passiert. Sorry.

Es handel sich hierbei um eine ganz normale Koeffizientenmatrix.
isi1



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Beitrag isi1 Verfasst am: 07. Jun 2015 21:48    Titel: Antworten mit Zitat

Elektronik91 hat Folgendes geschrieben:
Da ist mir beim Formeleditor ein Fehler passiert. Sorry.
Es handel sich hierbei um eine ganz normale Koeffizientenmatrix.
Aber ist das so
Matrix * (I1|I2|I3|I4)' = (0|20|-25|25)'
gemeint?

Jedenfalls verstehe ich schon die 1. Zeile der Matrix nicht. Erklär mal, bitte.

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Elektronik91



Anmeldungsdatum: 22.05.2015
Beiträge: 51

Beitrag Elektronik91 Verfasst am: 08. Jun 2015 15:08    Titel: Antworten mit Zitat

In der ersten Zeile habe ich einfach das selbe gemacht wie bei meinem ersten Beispiel in diesem Beitrag.

Ich habe in der ersten Zeile der Matrix meine Knotengleichung eingesetzt.
Vorher habe ich die Knotengleichung so umgeformt, das die Summe der Ströme gleich Null ergibt.

Deshalb sieht meine Knotengleichung in der Matrix so aus:

I1 + I3 - I2 - I4 = 0

Ich dachte mir ich muss das so machen, da wir es im anderen Beispiel auch so gemacht haben?
GvC



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Beiträge: 14861

Beitrag GvC Verfasst am: 08. Jun 2015 15:42    Titel: Antworten mit Zitat

Elektronik91 hat Folgendes geschrieben:
Deshalb sieht meine Knotengleichung in der Matrix so aus:

I1 + I3 - I2 - I4 = 0


Nein, was Du hingeschrieben hast, ist



Hattest Du nicht selber gesagt, dass es sich um eine Koeffizientenmatrix handelt? Dann stehen in der ersten Zeile die Koeffizienten der Ströme. Wie kommst Du auf den seltsamen Koeffizienten von I4?

Im Übrigen würde ich hier das Knotenspannungsverfahren anwenden. Dann besteht die zu lösende Matrizengleichung aus einer einzigen Zeile, und Du hast das richtige Ergebnis (R4=1,2 kOhm) in zwei Zeilen.
isi1



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Beitrag isi1 Verfasst am: 08. Jun 2015 15:58    Titel: Antworten mit Zitat

gelöscht
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Zuletzt bearbeitet von isi1 am 23. Jan 2016 19:27, insgesamt einmal bearbeitet
Elektronik91



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Beitrag Elektronik91 Verfasst am: 08. Jun 2015 18:09    Titel: Antworten mit Zitat

Nochmals zur Wiederholung:

Die Knotengleichung kommt schon so wie ich es mir gedacht habe immer in die erste Zeile. Da aber I4 bereits bekannt ist, wandert es in die Spalte in der auch die Spannungen stehen.

An der ursprünglichen stelle von I4 schreibe ich nun eine 0 hin, da I4 ja nach rechts gewandert ist.
Wenn ich an die ursprüngliche stelle von I4, R4 hinschreiben würde, dann müsste ich ja eine 1 hinschreiben und keine 0 oder?

0 bedeutet ja das hier keine Variable vorhanden ist.
1 bedeutet, das hier eine Variable vorhanden ist deren Wert aber nicht bekannt ist.

Nochmals vielen dank für Deine bemühungen!!
isi1



Anmeldungsdatum: 03.09.2006
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Beitrag isi1 Verfasst am: 09. Jun 2015 08:47    Titel: Antworten mit Zitat

Ganz falsch ist das nicht, aber besser, Du vergegenwärtigst Dir immer die normal geschriebene Gleichung, für die die Matrixzeile steht. Die Matrix ist ja nur eine Abkürzungsschreibweise des (geordneten) Gleichungssystems.
Schau Dir im Mathebuch oder Internet die Multiplikation von Matrizen an.
Kurz:
Jede Spalte enthält die Multiplikatoren für die zur Spalte gehörenden Unbekannten.
Für den Gauß-Jordan-Algorithmus fügt man rechts noch den Ergebnisvektor an.

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Beitrag Elektronik91 Verfasst am: 09. Jun 2015 19:30    Titel: Antworten mit Zitat

Es hat ja grundsätzlich alles gepasst, bis auf den kleinen Fehler.

Wenn ich immer gleich vorgehe und die Gleichungen so schreibe:

1. Knotengleichung
2. Maschengleichungen

Hinweis:
(Natürlich muss jetzt eine passende Umformung durchgeführt werden.)

dann sollte es keine Probleme geben.

Vielen dank nochmals für eure Hilfe!!
Elektronik91



Anmeldungsdatum: 22.05.2015
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Beitrag Elektronik91 Verfasst am: 10. Jun 2015 17:24    Titel: Antworten mit Zitat

Wenn bei diesem Beispiel (nur zum Verständnis) I3 & I4 bekannt wären (z.B. I3 = 5mA & I4 = 10mA), dann müsste die erste Zeile der Matrix so aussehen:



einsetzen der Werte:



MfG
isi1



Anmeldungsdatum: 03.09.2006
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Beitrag isi1 Verfasst am: 10. Jun 2015 19:40    Titel: Antworten mit Zitat

Elektronik91 hat Folgendes geschrieben:
Wenn bei diesem Beispiel (nur zum Verständnis) I3 & I4 bekannt wären (z.B. I3 = 5mA & I4 = 10mA), dann müsste die erste Zeile der Matrix so aussehen:

einsetzen der Werte:
Schwer zu sagen, Elektronik91, wenn Du den Vektor der Unbekannten nicht verrätst.
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Beitrag Elektronik91 Verfasst am: 11. Jun 2015 19:54    Titel: Antworten mit Zitat

Meine Frage bezieht sich auf das zuletzt angesprochene Beispiel:

Knoten: I1 + I3 = I2 + I4
M1: I1*R1+I2*R2 = Uq1
M2: -I2*R2-I3*R3 = -Uq2
M3: I3*R3+I4*R4 = Uq2

Nur jetzt ist auch I3 bekannt, sonst ist alles gleich.

MfG
Elektronik91



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Beitrag Elektronik91 Verfasst am: 13. Jun 2015 19:13    Titel: Antworten mit Zitat

Ist das so korrekt wie ich mir das gedacht habe??
isi1



Anmeldungsdatum: 03.09.2006
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Beitrag isi1 Verfasst am: 13. Jun 2015 19:17    Titel: Antworten mit Zitat

Elektronik91 hat Folgendes geschrieben:
Ist das so korrekt wie ich mir das gedacht habe??
Welches sind denn dann die Unbekannten?
isi1 hat Folgendes geschrieben:
Schwer zu sagen, Elektronik91, wenn Du den Vektor der Unbekannten nicht verrätst.

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Beitrag Elektronik91 Verfasst am: 07. Jul 2015 18:07    Titel: Antworten mit Zitat

Sorry, das ich mich länger nicht mehr gemeldet habe. Hatte eine wichtige Prüfung in Mathe.

Zu meinen letzten Post:

Dieses Beispiel dient nur zum Verständnis.

Ich habe hier einfach das letzte Beispiel herangenommen und zusätzlich eine bekannte hinzugefügt:

Knoten: I1 + I3 = I2 + I4
M1: I1*R1+I2*R2 = Uq1
M2: -I2*R2-I3*R3 = -Uq2
M3: I3*R3+I4*R4 = Uq2

Es ist alles gleich wie beim letzten Beispiel, bis auf I3. I3 ist jetzt keine unbekannte mehr. I3 = 5mA. I4 war im letzten Beispiel auch schon bekannt. I4 = 10mA

Dann müsste die erste Zeile der Matrix so aussehen:



einsetzen der Werte:



Ich muss ja die bekannten Größen auf die rechte Seite bringen und die unbekannten Größen auf die linke Seite.

Ich bitte euch mir das zu Bestätigen, wenn es stimmt. Damit ich mir sicher sein kann, das ich das Verstanden habe.

MfG und Danke!!
Elektronik91



Anmeldungsdatum: 22.05.2015
Beiträge: 51

Beitrag Elektronik91 Verfasst am: 09. Jul 2015 11:31    Titel: Antworten mit Zitat

Ich bitte euch um eine Antwort.

Danke!!
Elektronik91



Anmeldungsdatum: 22.05.2015
Beiträge: 51

Beitrag Elektronik91 Verfasst am: 16. Jul 2015 22:54    Titel: Antworten mit Zitat

Ich bitte euch nochmals um eine Antwort.
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