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文档简介
电子行业——电路的过渡过程2023/12/26电子行业——电路的过渡过程第一节电容元件与电感元件
一、电容:线性电容元件:C(为常数)与U无关的电容元件。伏安关系U直流→则i=0→相当于开路
电容元件储存能量:当C充电:u从0→u时:C获得的能量:这些能量储存于C中,只与u有关与建立过程无关电子行业——电路的过渡过程二、电感元件:L线性电感:伏安关系:积分形式电子行业——电路的过渡过程第二节动态电路的过渡过程和初始条件
换路:电路的接通和断开,电源或电路元件参数的突然变化
电路的激励:作用于电路中的电源或信号源电路的响应:电路在电源,信号源或储能元件作用下所产生的电压、电流或引起电流电压的变化动态元件:储能元件L、C动态电路:含有储能元件的电路一阶电路:储能元件电压u与i之间是微分关系→用微分方程分析含有一个储能元件的电路→用一阶线性微分方程求解过渡过程:电路由一个稳态过渡到另一个稳态需要经历的过程。电子行业——电路的过渡过程一、初始条件
求解微分方程要用初始条件来确定常数
换路前的瞬间记为t=0-(可从数学上理解)换路后的瞬间记为t=0+(左趋近,右趋近)换路前电容电压为uC(0-)换路后瞬间电压为uC(0+)同理:电子行业——电路的过渡过程S未动作前S接通电源后进入另一稳态i=0,uC=0i
=0,uC=US二、什么是电路的过渡过程?稳定状态(稳态)过渡状态(动态)S+–uCUSRCiS+–uCUSRCi过渡过程:电路由一个稳态过渡到另一个稳态需要经历的过程。三、换路定律:uC(0+)=uC(0-)换路前后:电容电压不跃变iL(0+)=iL(0-)电感电流不跃变电子行业——电路的过渡过程第三节一阶电路的零输入响应
一阶电路:电路中只有一个储能元件L(或C)零输入响应:换路后,无外加输入激励作用.只由储能元件的储能使电路产生响应一、RC电路的零输入响应如图充放电RC电路:分析:过渡过程.换路前C已充电uC(0-)=UO换路后:UC(0+)=uC(0-)=UO
根据基尔霍夫定律:根据一阶线性齐次微分方程的解的形式:令UC=Aept代入微分方程①中得:特征方程为:其解为从已知初始条件UC(0+)=UO代入上式得:A=UO微分方程的解为:uC=UO(V)电路中的电流i:电子行业——电路的过渡过程讨论
τ=RC具有时间量纲基本单位是秒,大小取决于电路结构和元件参数与激励无关
τ值大小反应放电大速度快慢τ大→放电速度慢τ小→放电大速度快理论上t→∞动态过程(放电过程)才结束但实际上时间经过3~5τ的时间,放电过程就结束电子行业——电路的过渡过程
电感电流原来等于电流I0,电感中储存一定的磁场能量,在t=0时开关由1端倒向2端,换路后的电路如图(b)所示。
RL电路的零输入响应
我们以图(a)电路为例来说明RL电路零输入响应的计算过程。(a)(b)2.3.2RL电路的零输入响应电子行业——电路的过渡过程
在开关转换瞬间,由于电感电流不能跃变,即iL(0+)=iL(0-)=I0,这个电感电流通过电阻R时引起能量的消耗,这就造成电感电流的不断减少,直到电流变为零为止。
综上所述,图(b)所示RL电路是电感中的初始储能逐渐释放出来消耗在电阻中的过程。与能量变化过程相应的是各电压电流从初始值,逐渐减小到零的过程。(b)电子行业——电路的过渡过程
换路后,由KVL得
代入电感VCR方程
得到以下微分方程
(b)
这个微分方程与式(2-16)相似,其通解为
电子行业——电路的过渡过程
代入初始条件iL(0+)=I0求得
最后得到电感电流和电感电压的表达式为
令,则上式改写为电子行业——电路的过渡过程
其波形如图所示。RL电路零输入响应也是按指数规律衰减,衰减的快慢取决于时间常数
。且时间常数
=L/R.
RL电路零输入响应的波形电子行业——电路的过渡过程uLiL①②24V4Ω2Ω3Ω6Ω4Ω9HKi1图2-12例2-4图
[例2-4]电路如图2-12所示,换路前K合于①,电路处于稳态。t=0时K由①
合向②,求换路后的
解:换路前电路已稳定电子行业——电路的过渡过程uLiL①②24V4Ω2Ω3Ω6Ω4Ω9HKi1图2-12例2-4图由换路定律可得换路后电路为零输入响应.从L两端视入的等效电阻为时间常数为电子行业——电路的过渡过程电感电流的零输入响应为电感电压为uLiL①②24V4Ω2Ω3Ω6Ω4Ω9HKi1图2-12例2-4图或者电子行业——电路的过渡过程第四节一阶电路的零状态响应零状态响应:电路初始状态为0即UC(0+)=0(或iL(0+)=0)由外加激励产生的响应。一、RC电路的零状态响应电路如图:换路前:t=0-UC(0-)=0换路后:t=0+列KVL方程Ri+uC-Us=0
方程解:uc=uc’+uc’’uc’-------齐次方程的通解瞬态响应
uc’’------齐次方程的特解稳态响应讨论:(1)换路后瞬间uC(0+)=0→C相当短路iC(0+)=Us/R为最大(2)换路后Us给C充电uc↑,ic↓(3)t→∞时,ic(∞)=0uC(∞)=us动态过程结束电路达新的稳态电子行业——电路的过渡过程
RL一阶电路的零状态响应与RC一阶电路相似。图2-15(a)所示电路在开关闭合前,电感电流为零,即iL(0-)=0。当t=0时开关K闭合。图2-15(a)
RL充电电路根据KVL,有由于所以2.4.2RL电路的零状态响应电子行业——电路的过渡过程这是一阶常系数非齐次微分方程,其解答为
式中
=L/R是该电路的时间常数。常数A由初始条件确定,即
由此求得
电子行业——电路的过渡过程最后得到一阶RL电路的零状态响应为
其响应曲线如图所示。
RL电路零状态响应曲线
电子行业——电路的过渡过程第五节一阶电路的全响应全响应:初始状态和输入都不为零的一阶电路的响应。解决方法:求解微分方程→工程上利用三要素法。重点:全响应分析、三要素法电子行业——电路的过渡过程一、RC电路的全响应如图所示电路电路换路后:根据换路定律uc(0+)=uc(0-)=Uo
当t→∞电路进入新的稳态uc(∞)=Us换路后电子行业——电路的过渡过程电子行业——电路的过渡过程电子行业——电路的过渡过程电子行业——电路的过渡过程电子行业——电路的过渡过程电子行业——电路的过渡过程二、RL电路的全响应如图所示电路,其分析与RC电路相似电路前换路后:根据换路定律iL(0+)=iL(0-)=Us/(R+R0)=I0
当t→∞电路进入新的稳态iL(∞)=Us/R换路后电子行业——电路的过渡
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