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克希荷夫定律與節點/迴路分析

串並聯的捷徑在真實電路上會走到盡頭。來認識兩條永不失效的定律——以及把任何電阻網路化成幾條可手算方程式的節點與迴路方法。

串並聯走到盡頭之處

前兩篇你學會把一團糾纏的電阻折成單一數字,並用分壓/分流器去分配已知的電壓或電流。那很快,但它悄悄假設了每一團都是純粹串聯或純粹並聯。有些電路打破這個假設——最經典的搗蛋鬼就是惠斯登電橋,中間橫跨的那顆電阻不屬於任何乾淨的串聯或並聯群組。要解開任何電阻電路,連同電源在內,你需要兩條永不失效的定律。

第一條,克希荷夫電流定律KCL),說在任何接點上,流入的電流恰好等於流出的電流——水不會在管路接點堆積起來。第二條,克希荷夫電壓定律(KVL),說若你繞著任一封閉迴路走一圈,把每一段的電壓上升與下降加總,你必然回到起點、回到同樣的高度,所以總和為零——就像健行者回到登山口時淨爬升為零。串聯與並聯,不過是這兩條定律最樸素的裝扮罷了。

克希荷夫電流定律:流入等於流出

想像一個有好幾根導線交會的點——一個節點。KCL 不過是在那裡仔細記帳:把每一股流進來的電流和每一股流出去的電流加總,兩邊必須精確到最後一微安都相等。為什麼?因為電流只是在移動的電荷,而電荷無法在一個光禿禿的接點上被產生、被消滅,或被儲存。常見的寫法是把流節點的電流記為正、流的記為負,然後規定它們的總和為零。

快速舉例:若有 5 mA 流入一個節點,而唯二的出路是兩個電阻分支,那麼這些分支電流必須加回 5 mA——也許一支 2 mA、另一支 3 mA。這正是第 3 篇的分流器,如今看成 KCL 與歐姆定律攜手合作。KCL 讓你能在一個有分岔的電路裡『跟著電流走』,而不會弄丟任何一毫安。

克希荷夫電壓定律:繞迴路一圈歸零

現在在電路中描出任一封閉迴路,邊走邊清點經過每個元件的電壓,上升記為正、下降記為負。KVL說,當你把迴路閉合時,這個累計總和必須回到零。健行的比喻完全貼切:電壓就像山丘上的高度,無論你越過多少凸起與凹陷,回到起點就意味著淨爬升為零。電源把『水』往高處推;電阻讓它落回低處,而上升與下降必須相抵。

再用數字:一個 12 V 電源在一個迴路裡接一顆 1 k 與一顆 2 k 電阻。繞它走一圈——在電源處上升 12 V,再在每顆電阻上下降——KVL 給出 12 = I times 1k + I times 2k,所以 I = 4 mA。壓降是 4 V 與 8 V,加起來正是整整 12 V,就如第 3 篇的分壓器所承諾。對單一迴路,光靠 KVL 就把答案交給你;要等迴路彼此共用分支、一條方程式不再夠用時,這些定律才開始變得有趣。

節點分析:解出節點電壓

當電路有好幾個節點時,最乾淨的手算法是節點分析。想法是:挑一個節點當參考——稱它為零伏特,也就是接地——再把其他每一個節點的電壓當成未知數。在每個未知節點寫下 KCL,並用歐姆定律把每股分支電流寫成(這個節點的電壓減去另一端的電壓)除以電阻。你會得到每個未知節點一條方程式,解開它們就一次得到所有節點電壓;個別電流接著由歐姆定律自然落出。

  1. 選一個參考節點(接地,0 V)——通常選分支最多的那個,好讓代數輕一點。
  2. 為其餘每個節點標上一個未知電壓(V_A、V_B、……)。
  3. 在每個未知節點寫下 KCL:令離開該節點的所有電流總和為零。
  4. 用歐姆定律把每股離開的電流寫成 (V_此 - V_彼) / R,其中 V_彼 是已知電源、接地,或另一個未知節點。
  5. 解這組方程式求出各節點電壓,回推你想要的任何分支電流,再檢查每個節點的 KCL 是否平衡。
                 node V
  10 V o--[ R1 1k ]--+--[ R2 1k ]--o 2 V
                    |
                 [ R3 1k ]
                    |
                --- GND (0 V)

  KCL at V:  (V - 10)/1k + (V - 2)/1k + (V - 0)/1k = 0
一個節點,三條分支接到已知電壓。KCL 加歐姆定律收合成一條只含 V 的方程式。

解這條方程式:兩邊同乘 1k,它變成 (V - 10) + (V - 2) + V = 0,所以 3V = 12,V = 4 V。現在電流自然落出。10 V 分支載 (4 - 10)/1k = -6 mA(負號只代表它其實是流入節點,6 mA);2 V 分支載 (4 - 2)/1k = 2 mA 流出;接地分支載 4/1k = 4 mA 流出。檢查 KCL:流入 6 mA 等於流出 2 mA + 4 mA。帳目平衡了——這最後一步檢查就是你的安全網。

網目分析,以及選對你的武器

鏡像的方法是網目分析:你不解節點電壓,而是為每個內部迴路——一張平面電路圖的每一片『窗格』——指定一個未知的環流電流,再繞每個迴路寫下 KVL。當兩個迴路共用一條分支時,真正的分支電流就是它們兩個迴路電流之差。它解的是同樣的電路,只是從電流側而非電壓側下手。有個小限制:這種簡單形式的網目分析只適用於平面電路——能畫成平面、沒有導線交叉的那種。

該拿哪一把?數一數未知數。節點少但迴路多的電路偏好節點分析;迴路少但節點多的電路偏好網目分析。節點法也與接地參考天然契合,等你遇到運算放大器(其中一個輸入端處於已知電壓)時會覺得像回到家。兩者給出完全相同的答案,所以挑能讓你少解幾條方程式的那一個。