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3.1 引 言3.1.1 动态电路 动态电路的分析像直流电路一样,也是将由基尔霍夫定律建立的结构约束和由元件伏安关系建立的元件约束组成联立方程来求解。只不过动态元件的伏安关系为微分或积分关系,因此,动态电路的方程常需用微分方程来描述。我们把用一阶微分方程来描述的电路称为一阶动态电路。一阶动态电路为仅含有一种储能元件的电路,即电路要么仅含有电容元件, 要么仅含有电感元件。图3.1(a)、(b)所示为常见的充电电路和线圈励磁电路,即最简单的RC和RL一阶动态电路。 3.1.2 零输入、零状态、全响应 在讨论电阻电路时,由于电阻不是储能元件,故不涉及储能问题。而在动态电路中,常遇到电容或电感的储能问题,即在电路开关闭合前,电容元件(电感元件)已经储有初始电压(电流),如图3.2所示。 S1闭合前,电容C已有电压uC(0)=U0,S2闭合前,电感元件中已有电流iL(0)=I0流过。为便于分析,称电路状态改变或参数改变为换路。换路时刻用t=0表示,换路前一瞬间用t=0-表示,换路后一瞬间用t=0+表示。将换路前一瞬间的电容电压和电感电流值称为初始值,用uC(0-)和iL(0-)表示。那么,图3.2中,uC(0-)就表示电容元件在换路前一瞬间的电压值,而iL(0-)表示电感元件在换路前一瞬间的电流值。 储能元件初始值为零的电路称为零状态电路。在零状态电路中,各支路或元件的响应称为零状态响应。图3.2中,若uC(0-)=0,此时电容C从零开始充电,电路就是一个零状态电路。若iL(0-)=0,该电路也称为零状态电路。 动态电路中,若外加激励源uS和iS的值都是零,此时电路没有外部激励,只有储能元件所储能量产生的电压和电流,这种电路称为零输入电路。零输入电路中各支路或元件的响应称为零输入响应。如电容器的放电电路、电磁铁的消磁电路等,都是零输入电路。 既有外加激励且储能元件的初始值也不为零,此时各元件或支路的响应称为全响应。显然,零输入响应、零状态响应仅是全响应的一种特例,故本章的分析应以全响应为主。 3.2 电 容 与 电 感3.2.1 电容 电容是电路中最常见的基本元件之一。两块金属板之间用介质隔开,就构成了最简单的电容元件,若在其两端加上电压,两个极板间就会建立电场,储存电能。 电容元件用C来表示,C也表示电容元件储存电荷的能力,在数值上等于单位电压加在电容元件两端时,储存电荷的电量值。在国际单位制中,电容的单位为法拉,简称法,用字母F表示,也可用微法(μF)、皮法(pF)表示。它们的关系是 1 F=106 μF=1012 pF 若参考正方向一致,电容储存的电荷量q与其极板电压u(t)呈线性关系,如图3.3(b)所示。 q(t)=Cu(t) (3.1) 其伏安关系为 图3.3 电容元件及其伏库特性 上式中将积分变量t换为ξ,以区别积分上限t。此式表明,电容两端的电压与电流的全过程有关,也就是说,电容元件是记忆元件,有记忆电流的作用。 在实际计算中,电路常从某一时刻(如t=0)算起,即从某一初始电压u(0)开始,则 电容元件的功率为 3.2.2 电感 把导线绕在一根铁芯上,就构成一个简单的电感元件。接通电源后,线圈四周就建立了磁场,储存了磁场能量,故电感是储存磁场能量的元件。 电感元件用L表示,L也表示电感元件中通过电流时产生磁链的能力,在数值上等于单位电流通过电感元件时产生磁链的绝对值。在国际单位制中,L的单位为亨利,用H表示,也可用毫亨(mH)、微亨(μH)表示。它们的关系为 1 H=103 mH=106 μH 在图3.4所示的关联参考方向下,电感的磁链与电流呈线性关系: j(t)=Li(t) (3.7) 式中L既表示电感元件,也表示电感元件的参数。其伏安关系为 图3.4 电感元件及其磁链-电流特性 仿照对电容的分析方法,则从t=0时刻算起的电流为 3.2.3 电容电感的串并联 1. 电容串联 C1,C2,…,Cn个电容串联,可以等效为一个电容C,如图3.5所示。等效电容的倒数等于各个串联电容的倒数之和,即 图3.5 电容串联等效 2. 电容并联 C1,C2,…,Cn个电容并联,可以等效为一个电容C,如图3.6所示。等效电容C等于各个并联电容之和,即 C=C1+C2+…+Cn (3.14) 图3.6 电容并联等效 3. 电感串联 L1,L2,…,
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