第6章 一阶电路教材

一阶电路的零输入响应6.2一阶电路的零状态响应6.3一阶电路的全响应6.4首页本章重点第6章一阶电路一阶电路的阶跃响应6.5线性与时不变性6.1一阶和二阶电路的零输入响应、零状态响应和全响应的概念及求解；重点一阶和二阶电路的阶跃响应概念及求解。1.动态电路方程的建立及初始条件的确定；返回含有动态元件电容和电感的电路称动态电路。1.动态电路

6.1线性与时不变性当动态电路状态发生改变时（换路）需要经历一个变化过程才能达到新的稳定状态。这个变化过程称为电路的过渡过程。下页上页特点返回当一个双端口网络满足均匀性与叠加性时，称之为线性系统。2.线性网络下页上页返回x1(t)y1(t)x2(t)y2(t)c1x1(t)+c2x2(t)c1y1(t)+c2y2(t)在同样的起始状态下，系统的响应与激励施加的时刻无关，这样的系统称为时不变系统。3.时不变网络下页上页返回x(t)ty(t)tttt0t0x(t-t0)y(t-t0)下页上页返回例判断下面各系统的线性与时不变性。(1)y(t)=2x(t)+3(2)y(t)=x(t)sin(2πt/7+π/6)

(3)y(t)=[x(t)]2

(4)y(t)=2x(t)6.2一阶电路的零输入响应换路后外加激励为零，仅由动态元件初始储能产生的电压和电流。1.RC电路的零输入响应已知

uC

(0－)=U0

uR=Ri零输入响应下页上页iS(t=0)+–uRC+–uCR返回特征根特征方程RCλ+1=0则下页上页代入初始值

uC

(0+)=uC(0－)=U0A=U0返回iS(t=0)+–uRC+–uCR下页上页或返回tU0uC0I0ti0令

=RC,称

为一阶电路的时间常数电压、电流是随时间按同一指数规律衰减的函数；连续函数跃变响应与初始状态成线性关系，其衰减快慢与RC有关;下页上页表明返回时间常数

的大小反映了电路过渡过程时间的长短

=RC

大→过渡过程时间长

小→过渡过程时间短电压初值一定：R

大（C一定）

i=u/R

放电电流小放电时间长U0tuc0

小

大C

大（R一定）W=Cu2/2

储能大物理含义下页上页返回a.

:电容电压衰减到原来电压36.8%所需的时间。工程上认为,经过3

－5

,

过渡过程结束。U00.368U00.135U00.05U00.007U0t0

2

3

5

U0

U0e

-1

U0e

-2

U0e

-3

U0e

-5

下页上页注意返回能量关系电容不断释放能量被电阻吸收,直到全部消耗完毕.设

uC(0+)=U0电容放出能量：

电阻吸收（消耗）能量：下页上页uCR+－C返回例1图示电路中的电容原充有24V电压，求k闭合后，电容电压和各支路电流随时间变化的规律。解这是一个求一阶RC零输入响应问题，有：+uC4

5F－i1t>0等效电路下页上页返回i2S3+uC2

6

5F－i3i1+uC4

5F－i1分流得：下页上页返回i2S3+uC2

6

5F－i3i1下页上页例2求:(1)图示电路k闭合后各元件的电压和电流随时间变化的规律，(2）电容的初始储能和最终时刻的储能及电阻的耗能。解这是一个求一阶RC零输入响应问题，有：u

(0+)=u(0－)=20V返回u1（0-）=-4VuSC1=5F-+--+iC2=20Fu2（0-）=24V250k+下页上页uk4F++--i20V250k返回下页上页初始储能最终储能电阻耗能返回2.

RL电路的零输入响应特征方程

Lλ+R=0特征根代入初始值A=iL(0+)=I0t>0下页上页iLS(t=0)USL+–uLRR1+-iL+–uLR返回tI0iL0连续函数跃变电压、电流是随时间按同一指数规律衰减的函数；下页上页表明-RI0uLt0iL+–uLR返回响应与初始状态成线性关系，其衰减快慢与L/R有关;下页上页令

称为一阶RL电路时间常数

=L/R时间常数

的大小反映了电路过渡过程时间的长短L大

W=LiL2/2

起始能量大R小

P=Ri2

放电过程消耗能量小放电慢，

大

大→过渡过程时间长

小→过渡过程时间短物理含义电流初值iL(0)一定：返回能量关系电感不断释放能量被电阻吸收,直到全部消耗完毕。设

iL(0+)=I0电感放出能量：电阻吸收（消耗）能量：下页上页iL+–uLR返回iL

(0+)=iL(0－)=1AuV

(0+)=－10000V

造成V损坏。例1t=0时,打开开关S，求uv。电压表量程：50V解下页上页iLS(t=0)+–uVL=4HR=10

VRV10k

10ViLLR10V+-返回例2t=0时,开关S由1→2，求电感电压和电流及开关两端电压u12。解下页上页i+–uL6

6Ht>0iLS(t=0)+–24V6H3

4

4

6

+－uL2

12返回下页上页i+–uL6

6Ht>0iLS(t=0)+–24V6H3

4

4

6

+－uL2

12返回一阶电路的零输入响应是由储能元件的初值引起的响应,都是由初始值衰减为零的指数衰减函数。iL(0+)=iL(0－)uC

(0+)=uC

(0－)RC电路RL电路下页上页小结返回一阶电路的零输入响应和初始值成正比，称为零输入线性。衰减快慢取决于时间常数

同一电路中所有响应具有相同的时间常数。下页上页小结

=RC

=L/RR为与动态元件相连的一端口电路的等效电阻。RC电路RL电路返回动态元件初始能量为零，由t>0电路中外加激励作用所产生的响应。方程：6.3一阶电路的零状态响应解答形式为：1.RC电路的零状态响应零状态响应非齐次方程特解齐次方程通解下页上页iS(t=0)US+–uRC+–uCRuC

(0－)=0+–非齐次线性常微分方程返回与输入激励的变化规律有关，为电路的稳态解变化规律由电路参数和结构决定的通解通解（固有分量，暂态分量）特解（强制分量）的特解下页上页返回全解uC

(0+)=A+US=0A=－US由初始条件uC

(0+)=0

定积分常数A下页上页从以上式子可以得出：返回-USuC‘uC“USti0tuC0电压、电流是随时间按同一指数规律变化的函数；电容电压由两部分构成：连续函数跃变稳态分量（强制分量）暂态分量（自由分量）下页上页表明+返回响应变化的快慢，由时间常数＝RC决定；

大，充电慢，

小充电就快。响应与外加激励成线性关系；能量关系电容储存能量：电源提供能量：电阻消耗能量：

电源提供的能量一半消耗在电阻上，一半转换成电场能量储存在电容中。下页上页表明RC+-US返回例t=0时,开关S闭合，已知

uC(0－)=0，求(1)电容电压和电流,(2)uC＝80V时的充电时间t

。解(1)这是一个RC电路零状态响应问题，有：(2)设经过t1秒，uC＝80V下页上页500

10

F+-100VS+－uCi返回2.RL电路的零状态响应已知iL(0－)=0，电路方程为：tiL0下页上页iLS(t=0)US+–uRL+–uLR+—返回uLUSt0下页上页iLS(t=0)US+–uRL+–uLR+—返回例1t=0时,开关S打开，求t>0后iL、uL的变化规律。解这是RL电路零状态响应问题，先化简电路，有：t>0下页上页返回iLS+–uL2HR80

10A200

300

iL+–uL2H10AReq例2t=0开关k打开，求t>0后iL、uL及电流源的电压。解这是RL电路零状态响应问题，先化简电路，有：下页上页iL+–uL2HUoReq+－t>0返回iLK+–uL2H10

2A10

5

+–u6.5一阶电路的全响应电路的初始状态不为零，同时又有外加激励源作用时电路中产生的响应。以RC电路为例，电路微分方程：1.全响应全响应下页上页iS(t=0)US+–uRC+–uCR解答为：

uC(t)=uC'+uC"特解

uC'=US通解

=RC返回uC

(0－)=U0uC

(0+)=A+US=U0

A=U0

-US由初始值定A下页上页强制分量(稳态解)固有分量(暂态解)返回2.全响应的两种分解方式uC"-USU0暂态解uC'US稳态解U0uc全解tuc0全响应=

强制分量(稳态解)+自由分量(暂态解)着眼于电路的两种工作状态物理概念清晰下页上页返回全响应=

零状态响应+

零输入响应着眼于因果关系便于叠加计算下页上页零输入响应零状态响应S(t=0)USC+–RuC

(0－)=U0+S(t=0)USC+–RuC

(0－)=U0S(t=0)USC+–RuC

(0－)=0返回2.全响应的两种分解方式uC"-USU0暂态解uC'US稳态解U0uc全解tuc0全响应=

强制分量(稳态解)+自由分量(暂态解)着眼于电路的两种工作状态物理概念清晰下页上页返回例1t=0时,开关k打开，求t>0后的iL、uL。解这是RL电路全响应问题，有：零输入响应：零状态响应：全响应：下页上页iLS(t=0)+–24V0.6H4

+－uL8

返回或求出稳态分量：全响应：代入初值有：6＝2＋AA=4例2t=0时,开关K闭合，求t>0后的iC、uC及电流源两端的电压。解这是RC电路全响应问题，有：下页上页稳态分量：返回+–10V1A1

+－uC1

+－u1

下页上页全响应：返回+–10V1A1

+－uC1

+－u1

3.三要素法分析一阶电路一阶电路的数学模型是一阶线性微分方程：令

t=0+其解答一般形式为：下页上页特解返回

分析一阶电路问题转为求解电路的三个要素的问题。用0+等效电路求解用t→

的稳态电路求解下页上页直流激励时：A注意返回例1已知：t=0时合开关，求换路后的uC(t)解tuc2(V)0.6670下页上页1A2

1

3F+-uC返回例2t=0时,开关闭合，求t>0后的iL、i1、i2解三要素为：下页上页iL+–20V0.5H5

5

+–10Vi2i1三要素公式返回三要素为：下页上页0＋等效电路返回+–20V2A5

5

+–10Vi2i1例3已知：t=0时开关由1→2，求换路后的uC(t)解三要素为：下页上页4

+－4

i12i1u+－2A4

1

0.1F+uC－+－4

i12i18V+－12返回下页上页例4已知：t=0时开关闭合，求换路后的电流i(t)

。+–1H0.25F5

2

S10Vi解三要素为：返回下页上页+–1H0.25F5

2

S10Vi返回已知：电感无初始储能t=0

时合S1

,t=0.2s时合S2，求两次换路后的电感电流i(t)。0<t<0.2s解下页上页例5i10V+S1(t=0)S2(t=0.2s)3

2

-返回t>0.2s下页上页i10V+S1(t=0)S2(t=0.2s)3

2

-返回(0<t

0.2s)(t

0.2s)下页上页it(s)0.25(A)1.2620返回6.5一阶电路的阶跃响应1.单位阶跃函数

定义t

(t)01

单位阶跃函数的延迟t

(t-t0)t001下页上页返回t=0合闸

i(t)=Is在电路中模拟开关的动作t=0合闸

u(t)=E单位阶跃函数的作用下页上页SUSu(t)u(t)返回Isku(t)起始一个函数tf(t)0t0延迟一个函数下页上页tf(t)0t0返回

用单位阶跃函数表示复杂的信号例1

(t)tf(t)101t0tf(t)0t0-

(t-t0)例21t1f(t)0243下页上页返回例4