第六章一阶电路——经典分析法(微分方程描述)——运算分析法(代数方程描述)见第十三章一、重点和难点1. 动态电路方程的建立和动态电路初始值的确定;2. 一阶电路时间常数、零输入响应、零状态响应、冲激响应、强制分量、自由分量、稳态分量和暂态分量的概念及求解;3. 求解一阶电路的三要素方法;电路初始条件的概念和确定方法;1.换路定理(换路规则)仅对动态元件(又称储能元件)的部分参数有效。
①电容元件:u C(0-) = u C(0+);(即:q C(0-) = q C(0+));i C(0-) ≠i C(0+)。
②电感元件:i L(0-) = i L(0+);(即:ΨL(0-) = ΨL(0+));u C(0-) ≠u C(0+)。
③电阻元件:u R(0-) ≠u R(0+);i R(0-) ≠i R(0+)。
因此,又称电容的电压、电感的电流为状态变量。
电容的电流、电感的电压、电阻的电压和电流为非状态变量。
如非状态变量的数值变化前后出现相等的情况则视为一种巧合,并非是一种规则。
2.画t=0+时刻的等效电路画t=0+时刻等效电路的规则:①对电容元件,如u C(0-) = 0,则把电容元件短路;如u C(0-) ≠ 0,则用理想电压源(其数值为u C(0-))替代电容元件。
②对电感元件,如i L(0-) = 0,则把电感元件开路;如i L(0-) ≠ 0,则用理想电流源(其数值为i L(0-))替代电感元件。
画t=0+时刻等效电路的应用:一般情况下,求解电路换路后非状态变量的初始值,然后利用三要素法求解非状态变量的过渡过程。
3. 时间常数τ①物理意义:衡量过渡过程快慢的技术指标(即等于一阶微分方程的特征方程的特征根)。
仅取决于电路的结构和元件的参数。
②几何意义:状态变量变化曲线中时间坐标轴上任意一点次切距的长度(即曲线上任意一点,如果以该点的斜率为固定变化率衰减,则经过τ时间后为零值)。
③单位:m(秒)、ms(毫秒)。
④τ的计算:RC电路,τRC =R eq C;RL电路,τLC =L/R eq。
⑤注意问题:R eq是状态元件两端的等效电阻。
如含有受控电源,在求等效电阻时需采用“加压求流法”。
4. 零输入响应(又称放电过程)所谓零输入响应,即输入信号为零,而是由电路中动态元件的初始值(初始储能)引起的响应。
①RC电路:u C(t) = u C(0+)e-(1/τ)t。
②LC电路:i L(t) = i L(0+)e-(1/τ)t。
5. 零状态响应(又称充电过程)所谓零状态响应,即初始状态为零,输入不等于零,而是由电路中输入信号引起的响应。
①RC电路:u C(t) = U S(1-e-(1/τ)t)。
②LC电路:i L(t) = I S(1-e-(1/τ)t)。
6. 全响应(又称充放电过程)所谓全响应,即初始状态不为零,输入不等于零,而是由电路中输入信号和初始值(初始储能)引起的响应。
三要素法:f(t)= f(∝)+[f(0+)- f(∝)] e-(1/τ)t或f(t)= f(0+)e-(1/τ)t+ f(∝)(1- e-(1/τ)t)。
①RC电路:u C(t) = u C(∝)+[u C(0+u C(∝))e-(1/τ)t。
②LC电路:i L(t) = i L(∝)+[i L(0+)- i L(∝)]e-(1/τ)t。
以上两个式子是三要素法公式的具体应用。
对于非状态变量同样适用。
7. 阶跃响应所谓单位阶跃响应,就是动态电路对于单位阶跃函数输入[ε(t)]的零状态响应。
所谓阶跃响应,就是动态电路对于阶跃函数输入[Aε(t)]的零状态响应。
理解单位阶跃函数的数学表达形式,以及任意时刻t0的阶跃函数[Aε(t-t0)],也称为延迟阶跃函数。
单位阶跃函数的主要性质:① 可以用来“起始”任意一个函数f (t )。
② 可以用来描述矩形脉冲。
③ 阶跃函数对时间的一阶导数等于冲激函数。
单位阶跃响应与直流激励的响应相同。
8. 冲激响应所谓单位冲激响应,就是动态电路对于单位冲激函数输入[δ(t )]的零状态响应。
所谓冲激响应,就是动态电路对于冲激函数输入[A δ(t )]的零状态响应。
理解单位冲激函数(又称δ函数)的数学表达形式,以及任意时刻t 0的冲激函数[A δ(t -t 0)]。
单位冲激函数的主要性质:① 单位冲激函数对时间的积分等于单位阶跃函数。
② 取样性质,即冲激函数可以把一个函数在某一时刻的“筛”出来。
③ 当把一个单位冲激电流[δi (t )A ]加到初始电压为零且C = 1F 的电容上,其电容电压瞬间从零跃变到1V 。
④ 当把一个单位冲激电压[δi (t )V ]加到初始电流为零且L = 1H 的电感上,其电感电流瞬间从零跃变到1A 。
二、典型例题分析【例题1】:动态电路换路后初始值的求解。
图6.1(a)所示电路在t <0时电路处于稳态,求t = 0 时闭合开关后电感电压u L (0+)。
解:(1) 首先由图6.1(b) t =0-电路求电感电流,此时电感处于短路状态,图6.1(a) 图6.1(b)(2) 由换路定律得: 则:i L (0+) = i L (0-)= 2A(3) 画出t = 0+时刻的等效电路如图6.1(c) 所示,电感用2A电流源替代,解得:;而u L(0-)=0V图6.1(c)注意:电感电压在换路瞬间发生了跃变,即:【例题2】:直流稳态时电感相当于短路,电容相当于断路。
图6.2(a)所示电路在t<0时处于稳态,t=0时闭合开关,求电感电压u L(0+)和电容电流i C(0+)图6.2(a) 图6.2(b)解:(1) 将电路中的电感短路,电容开路,画出t=0-时刻的等效电路如图6.2(b)所示,则:;(2) 画出t=0+等效电路如图6.2(c)所示,电感用电流源替代,电容用电压源替代解得:∵则:图6.2(c)【例题3】:求图6.3(a)所示电路在开关闭合瞬间各支路电流和电感电压。
图6.3(a) 图6.3(b)解:(1) 把图6.3(a)电路中的电感短路,电容开路,如图6.3(b)所示,则:(2) 画出t=0+等效电路如图6.3(c)所示,电感用电流源替代,电容用电压源替代解得:图6.3(c)【例题4】:图6.4所示电路在t=0时,闭合开关K,已知u C(0-)=0。
求:(1)电容电压和电流;(2)电容充电至u C=80V时所花费的时间t 。
图6.4解:(1)这是一个RC电路零状态响应问题,时间常数为:t>0+后,电容电压为:充电电流为:(2)设经过t1秒,u C=80V,即:解得:t1=8.045ms【例题5】:图6.5所示电路原来处于稳定状态,t=0时打开开关K,求t>0后的电感电流i L和电压u L。
图6.5解:这是一个一阶RL电路全响应问题,电感电流的初始值为:时间常数为:因此零输入响应为:零状态响应为:全响应为:也可以求出稳态分量:则全响应为:代入初值有:6 =2+A,得:A=4【例题6】:图6.6.1所示电路原来处于稳定状态,t=0时开关闭合,求t>0后的电容电压u C并画出波形图。
图6.6.1 图6.6.2解:这是一个一阶RC电路全响应问题,应用三要素法,电容电压的初始值为:稳态值为:时间常数为:代入三要素公式:随时间变化的波形如图6.6.2所示。
【例题7】:图6.7.1所示电路原来处于稳定状态,t=0时开关由1合到2,求换路后的电容电压u C(t)。
图6.7.1 图6.7.2解:这是一个一阶RC电路全响应的问题,应用三要素法求。
初始值:稳态值:时间常数为:由于含有受控源,所以应用图6.7.2所示电路求等效电阻:代入三要素公式得:【例题8】:图6.8.1所示电路原本处于稳定状态,t=0 时开关闭合,求换路后的电流i(t) 。
图6.8.1解:开关闭合后电路分为两个一阶电路,应用三要素法,电容电路的三要素为:初始值:稳态值:时间常数:电感电路的三要素为:初始值:稳态值:时间常数:代入三要素公式得:因此:【例题9】:用阶跃函数表示图6.9所示函数f(t)。
(a) (b) (c)图6.9解:(a)图:(b)图:(c)图:【例题10】:电路如图6.10(a)所示,求:电源i s(t)为单位冲激时的电路响应u C(t)和i C(t)。
解:先求电路的单位阶跃响应, 令:(a) (b) (c)图6.10则:t = RC根据单位冲激响应与单位阶跃响应之间的关系, 当时有:根据冲击函数的筛分性质:上式等号右边第一项为零,最后得:图6.10(b)(c)分别给出了阶跃响应和冲激响应的波形。
【例题11】:求图6.11所示电路电容加冲击激励后的电压。
(a)(b)图6.11解:电容电流和电容电压随时间变化的波形如图(b)所示。
三、典型习题【题1】:图6.12所示电路为t ≥0时的电路,已知()u C 02=V,()i L 01=A,则()i 0=____A ;()u L 0=____V 。
图6.12【题2】:图6.13所示电路中,已知()i L 00-=,()u C 05-= V ,则d d u tC0+=______;d d itL0+=______。
图6.13【题3】:图6.14所示电路在换路前处于稳态,t =0时开关接通,则()u C 0+=_____; ()i 10+=______; ()i 20+=_____; ()i C 0+=______。
图6.14【题4】:图6.15所示电路在t =-0时已达稳态,t =0时开关断开,则()i L 0+=_ __,()u C 0+=_ ___,()i 0+=_ ___。
图6.15【题5】:图6.16所示电路中,t =0时开关打开,打开前电路已处于稳态。
t =+0时u 和d utd 之值分别为: 答( ) A.32V ,32V s ; B. 13V ,13V s ; C. 13V ,0; D. 13V ,-13V s图6.16【题6】:图6.17所示电路在t =-0时已达稳态,t =0时开关接通,则()i L 0+=______,()u L 0+=______。
图6.17【题7】:电路如图6.18所示,则电路的时间常数等于 答( )A.14.s μ; B.11.s μ; C. 1μs ; D. 38.s με()V t图6.18【题8】:图6.19所示含受控源电路中转移电导g =05.s ,电路的时间常数为 答( )A.43s ;B.0.5s;C.1s;D. 1.1s 。
u图6.19【题9】:图6.20所示含受控源电路的时间常数为_____________。
图6.20【题10】:一阶电路的电压按指数律衰减,当t =0时为15V ,t =2s 时为6V ,则电路的时间常数τ为A. 0.458s ;B. 2.18s ;C. 0.2s ;D. 0.1s 答( ) 【题11】:电路如图6.21所示,开关闭合 后电路的时间常数τ为____________。