《电工电子技术》(谷立新)教学课件 第4章.pptVIP

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第4章 电路的暂态分析 本章学习要点 动态电路 RC电路的暂态分析 RL电路的暂态分析 本章小结 4.1 动态电路 4.2 RC电路的暂态分析 4.3 RL电路的暂态分析 本章小结 * * 4.1.1 换路定则 设t=0为换路瞬间,t=0-为换路前的终了瞬间,t=0+为换路后的初始瞬间。对电容元件,由其伏安关系可得 两边积分,在换路时刻,可得电容电压为: 若iC为有限值,则在无穷小区间0-~0+内,积分项等于零,即 则 同理,对电感元件,由其伏安关系可得,在换路时刻,电感电流为: 若uL为有限值,则在无穷小区间0-~0+内,积分项也等于零,于是 上述分析表明,从t=0-到t=0+瞬间,电容元件上的电压和电感元件中的电流是连续的,不能发生跃变,这称为换路定则。 4.1.2 初始值的计算 电路中t=0+时电压和电流的值称为初始值。确定各个电压和电流的初始值时,先由t=0-时的电路求出uC(0-)和iL(0-),然后根据换路定则求出uC(0+)和iL(0+),最后根据t=0+时的电路求出其他电压和电流的初始值。 【例4-1】如下图所示电路,在t=0时将开关S闭合,S闭合前,电容元件和电感元件都未储能。已知,R1=2Ω,R2=R3=4Ω,US=6V。求换路后的初始值。 【解】t=0-时的电路中,由于电容元件和电感元件都未储能,因此 由换路定则可知 因此,t=0+时的电路中,可将电容元件看作短路,将电感元件看作开路,于是,等效电路如下图所示,其他初始值为: 可用一阶微分方程来描述的电路称为一阶动态电路。一阶动态电路中仅含有一种储能元件,即电路中要么仅含有电感元件,要么仅含有电容元件。 电路的零状态是指换路前储能元件中未储有能量。在这种条件下,由电源激励所产生的电路响应称为零状态响应。电路的零输入是指无电源激励,输入信号为零。在这种条件下,由储能元件的初始状态所产生的响应称为零输入响应。 电源激励和储能元件的初始状态均不为零时电路的响应称为全响应,它是零状态响应和零输入响应的叠加。 4.2.1 RC电路的零状态响应 如下图所示RC电路,t=0时将开关S合到位置1上,闭合前电容处于零状态,闭合后电容开始充电,其电压逐渐增大,最终达到稳态值uC(∞)=US。根据基尔霍夫电压定律,S闭合后,t≥0时电路的微分方程为: 因 所以 上述方程的解为: 因闭合前电容处于零状态,即初始值uC(0+)=0,代入上式后可得A=-US,于是 如下图所示为零状态响应的uC随时间变化的曲线。 当t=τ时 这说明,S闭合后经过τ时间,uC从0增长到稳态值US的63.2%。τ越小,曲线增长越快。 还可计算出i和uR,即 4.2.2 RC电路的零输入响应 如下图所示,当电容元件充电到U0时,设t=0,将开关S从位置1扳到位置2,断开电源,此时电路为零输入,电容元件开始放电,最终达到稳态值uC(∞)=0。根据基尔霍夫电压定律,t≥0时电路的微分方程为: 则 上述方程的解为: 因初始值uC(0+)=U0,代入上式后可得A=U0,于是 如下图所示为零输入响应的uC随时间变化的曲线。 当t=τ时 这说明,S扳到位置2后经过τ时间,uC将衰减到初始值U0的36.8%。τ越小,曲线衰减越快。 i和uR为: 4.2.3 RC电路的全响应 因全响应是零状态响应和零输入响应的叠加,故 由上式可得出一阶电路暂态过程中任意变量的一般公式为: 可以看出,在一阶动态电路中,只要求出初始值 f(0+)、稳态值f(∞)和电路时间常数τ这三个要素,就能直接写出电路的响应(电压或电流)。这种方法称为一阶动态电路暂态分析的三要素法。 三要素法的求解的过程如下。 计算初始值f(0+):可通过换路定则和等效电路进行计算。 计算稳态值f(∞):一阶动态电路进入稳态后,电容相当于开路,电感相当于短路,可以得到一个不含电容和电感的电路,该电路即为动态电路进入稳态后的情况。根据稳态电路可求出各响应量的稳态值。 计算电路时间常数τ:一阶RC电路的时间常数τ=RC。其中,R为从电容元件两端看入,除源后电路的等效电阻;遇到有多个C串联的电路时,可先除源,然后求出等效的C。 【例4-2】如下图所示,开关长期合在位置1上,已知R1=

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