（中职）电工技术基础与技能（第2版）项目九 瞬态过程电子课件（）

YCF（中职）电工技术基础与技能（第2版）项目九瞬态过程电子课件※项目九瞬态过程知识目标1.了解电路瞬态过程产生的原因。2.掌握换路定律。3.了解RC电路电路瞬态过程中电压和电流的变化规律。4.理解瞬态过程中时间常数的物理意义。5.掌握一阶电路瞬态过程中电流、电压初始值、稳态值和时间常数的计算。技能目标任务一瞬态过程与换路定律一、瞬态过程通常，我们把电路中开关的接通、断开或电路参数的突然变化等称为“瞬态过程”，工程上也叫“过渡过程”。我们研究的是过渡过程后电路中电压或电流的变化规律，知道了电压、电流的初始值，就能掌握换路后电压、电流是从多大的初始值开始变化的。这就为工程设计、产品设计和故障分析提供理论依据。1．观察RC电路的暂态过程,加深对电容的认识;

2．熟练掌握使用示波器和信号发生器。产生过渡过程的原因：电感及电容能量的存储和释放需要时间，能量不能跃变，从而引起过渡过程。产生过渡过程的条件：通过实验我们知道电阻元件是耗能元件，不存在过渡过程。电路中必须含有存储能量的动态元件或参数的突然改变。过渡过程：电路从一个稳定状态过渡到另一个稳定状态，电压、电流等物理量经历一个随时间变化的过程。二、换路定律换路：电路工作条件发生变化，如电源的接通或切断，电路连接方法或参数值的突然变化等称为换路。换路定理：该定律是指若电容电压、电感电流为有限值，则uC、iL不能跃变，即换路前后一瞬间的uC、iL是相等的，可表达为：必须注意：只有uC、iL受换路定律的约束而保持不变，电路中其他电压、电流都可能发生跃变。三、电压、电流初始值的计算换路后瞬间电容电压、电感电流的初始值，用uC(0+)和iL(0+)来表示，它是利用换路前瞬间

t=0-电路确定uC(0-)和iL(0-)，再由换路定律得到uC(0+)和iL(0+)的值。

电路中其他变量如iR、uR、uL、iC

的初始值不遵循换路定律的规律，它们的初始值需由t=0+电路来求得。具体求法是：画出t=0+电路，在该电路中若uC

(0+)=uC

(0-)=US，电容用一个电压源US代替，若uC

(0+)=0则电容用短路线代替。若iL(0+)=iL

(0-)=IS，电感一个电流源IS代替，若iL(0+)=0则电感作开路处理。下面举例说明初始值的求法。通过以上例题，可以归纳出求初始值的一般步骤如下：(1)根据t=0-时的等效电路，求出uC(0-)及iL(0-)。(2)作出t=0+时的等效电路，并在图上标出各待求量。(3)由t=0+等效电路，求出各待求量的初始值。

任务二

RC串联电路的瞬态过程分析和研究RC串联电路的瞬态过程，有充电和放电两种情况。通过分析这两种情况的瞬态过程可以使我们了解充、放电的RC元件中的电压和电流变化的基本规律和特点。基本知识一、RC电路的充电过程的电压和电流RC电路的充电过程在零初始状态下，在初始时刻由施加于电路的输入所产生的响应。这一响应与输入有关。如图9-3所示的RC充放电电路。当开关K由2扳倒1时，电路的状态发生了变化。开关在2时，RC电路处于闭合状态，即电阻与电容和导线连接成闭合状态。此时电容C和电阻R都没有电压，电容C的极板没有电荷，即

。在开关K扳倒1时US（直流电源）与电容C和电阻R组成串联电路，根据换路定理可知，t=0+时电容器两端的电压不能突变则有

，此时电路中的电流为电阻两端的电压为

。经过无穷大的时间，电容器充满电荷，电路进入了一个新的稳态。在这个状态下，电路中的电压与电流为；

；

。下面我们通过一个基本技能训练，来进一步了解RC电路的瞬态过程中电容器电压的变化规律。

下面我们通过一个基本技能训练，来进一步了解RC电路的瞬态过程中电容器电压的变化规律。如图9-3所示的电路，R=10KΩ，C=100μF，US=8V。具体步骤如下：（1）按图9-3连接电路；直流稳压源US输出调至US=8V。（2）将示波器X轴时标旋钮调至0.2s/DIV，看到示波器上的光点扫描；将输入耦合开关置于“DC”；将A、B接入Y1或Y2通道，Y轴灵敏度旋钮调至2V/DIV。（3）接通开关“1”，可观察到电源向C的充电波形；（4）将所观察到的充电波形描入出来如图9-4所示。此时时间常数τ=1s从理论分析和基本技能训练实践证明，电容充电过程中电压和电流的变化是遵循指数规律的，即式中：US表示直流稳压源电压；e=2.178是自然对数的底；R是限流电阻；C是充电电容；τ是时间常数，数值为τ=RC，单位是秒。这里特别要强调的是时间常数τ，它是反映电容器的充电速率。τ越大，充电过程越缓慢；τ越小充电过程越快。当t=τ时，uC=0.632US，τ是电容器充电达到终值的63.2％时所用的时间。当t=5τ时，可以认为瞬态过程结束。

同时，从公式9-4和9-5可以看出在充电的任何瞬时，电路中各个电压满足基尔霍夫电压定律。从公式9-5和9-6也可以看出在充电的任何瞬时，限流电阻和充电电容的电压与电流关系满足欧姆定律的关系。

公式9-3、9-4、9-5的变化规律曲线，如图9-5所示。图9-5RC充电过程电压与电流变化规律曲线二、RC电路的放电过程的电压和电流在换路前电容储存一定的电荷量（即能量），电容电压

。根据换路定理可以得到放电的初始状态：RC电路的放电过程的电压和电流是在图9-3充电结束后，开关K由1扳倒2，电容由于已经充满了电荷（即储存的能量）向电阻释放，直到全部电荷释放完，这一过程称为电容放电过程。电容放电过程，电路中电压和电流的变化规律是怎样呢？我们将放电回路单独画出，如图9-6所示。

当换路完毕电容电压和放电电流都为零时，进入另一个稳态。理论和实践证明，RC放电过程中电路的电压与电流都按指数规律变化，其数学表达式为：根据上式作出电压、电流随时间变化的曲线，如图9-18所示。图9-7RC放电过程电压与电流随时间变化的曲线基本技能一、观察RC电路构成的微分电路和积分电路对方波信号的响应任务三

RL电路的瞬态过程一、RL电路的充电过程对于图9-13所示的RL电路与直流电源接通的状态。设开关K在t=0时闭合，由于电感电流不能跃变，即。所以在t=0+时电流仍然为零，即。电阻的电压也为零，此时全部外施电压Us出现于电感两端，分别为此时电路中电流的变化率最大，按指数规律上升，电阻的电压按指数规律上升，电感两端电压按指数规律下降。

理论可以证明，i、uR、uL数学表达式为式中：US表示直流稳压源电压；e=2.178是自然对数的底；R是限流电阻；L是电感；τ是时间常数，数值为τ=L

/R，单位是秒。这里特别要强调的是时间常数τ，它是反映电流稳定值的过程所持续时间的长短，也说明电路瞬态过程的长短。根据数学表达式，作出i、uR和uL随时间变化的曲线，如图9-14所示。图9-14i、uR和uL随时间变化的曲线RL电路的充电是由零值开始按指数规律上升趋向于稳态值Us/R的，电流几乎不再变化，电路到达稳态。二、RL电路的放电过程的电压和电流图9-15所示电路，换路前开关K置于“1”位置，电阻和电感中已有电流I流过，电路已处于稳态。在t=0时，开关K从位置“1”拨到位置“2”，使RL电路脱离电源，由于电感电流不能突变。则在t=0+时刻的电流为，根据换路定理图9-15RL电路的放电过程的电压和电流根据欧姆定律，电阻电压为根据基尔霍夫电压定律，电感电压为随着时间的增长（趋近于∞），电感由初始储能开始，通过电阻R释放能量。电感电流iL将逐渐减小，最后趋近于零。这样，电感存储的能量全部被电阻所消耗。同时电阻电压uR，电感电压uL趋近于零。理论与实验证明，在瞬态过程中i、uR、

uL都按指数规律变化，其数学表达式分别为

其中τ=L/R为电路时间常数，决定了电流与电压变化的速度。

电流iL及电压uL的波形图，如图9-16所示，它们是随时间衰减