阶动态电路分析.ppt

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1、第三 一阶动态电路分析,3.1 电容元件和电感元件,3.2 换路定律及初始值的确定,3.3 零 输 入 响 应,3.4 零 状 态 响 应,3.5 全 响 应,3.6 求解一阶电路三要素法,返回,学 习 目 标,理解动态元件L、C的特性,并能熟练应用于 电路分析。深刻理解零输入响应、零状态响应、暂态响 应、稳态响应的含义,并掌握它们的分析计算 方法。弄懂动态电路方程的建立及解法。熟练掌握输入为直流信号激励下的一阶电路的三要素分析法。,3.1 电容元件和电感元件,3.1.1 电容元件 电容器是一种能储存电荷的器件,电容元件是电容器的理想化模型。,斜率为R,图3-1 电容的符号、线性非时变电容的特

2、性曲线,当电容上电压与电荷为关联参考方向时,电荷q与u关系为:q(t)=Cu(t)C是电容的电容量,亦即特性曲线的斜率。当u、i为关联方向时,据电流强度定义有:i=C dq/dt非关联时:i=-C dq/dt,电容的伏安还可写成:,式中,u(0)是在 t=0 时刻电容已积累的电压,称为初始电压;而后一项是在 t=0 以后电容上形成的电压,它体现了在0t的时间内电流对电压的贡献。由此可知:在某一时刻 t,电容电压u不仅与该时刻的电流 i有关,而且与t以前电流的全部历史状况有关。因此,我们说电容是一种记忆元件,有“记忆”电流的作用。,当电容电压和电流为关联方向时,电容吸收的瞬时功率为:,瞬时功率可

3、正可负,当 p(t)0时,说明电容是在吸收能量,处于充电状态;当 p(t)0时,说明电容是在供出能量,处于放电状态。对上式从到 t 进行积分,即得t 时刻电容上的储能为:,式中 u(-)表示电容未充电时刻的电压值,应有u(-)=0。于是,电容在时刻 t 的储能可简化为:,由上式可知:电容在某一时刻 t 的储能仅取决于此时刻的电压,而与电流无关,且储能 0。电容在充电时吸收的能量全部转换为电场能量,放电时又将储存的电场能量释放回电路,它本身不消耗能量,也不会释放出 多于它吸收的能量,所以称电容为储能元件。,3.1.2 电感元件,电感器(线圈)是存储磁能的器件,而电感元件是它的理想化模型。当电流通

4、过感器时,就有磁链与线圈交链,当磁通与电流 i参考方向之间符合右手螺旋关系时,磁力链与电流的关系为:,图3-2 电感元件模型符号及特性曲线,当u、i为关联方向时,有:这是电感伏安关系的微分形式。,(t)=L i(t),电感的伏安还可写成:,式中,i(0)是在 t=0 时刻电感已积累的电流,称为初始电流;而后一项是在t=0以后电感上形成的电流,它体现了在0-t 的时间内电压对电流的贡献。上式说明:任一时刻的电感电流,不仅取决于该时刻的电压值,还取决于-t 所有时间的电压值,即与电压过去的全部历史有关。可见电感有“记忆”电压的作用,它也是一种记忆元件。,当电感电压和电流为关联方向时,电感吸收的瞬时

5、功率为:,与电容一样,电感的瞬时功率也可正可负,当 p(t)0时,表示电感从电路吸收功率,储存磁场能量;当 p(t)0时,表示供出能量,释放磁场能量。对上式从到 t 进行积分,即得t 时刻电感上的储能为:,因为,所以,由上式可知:电感在某一时刻 t 的储能仅取决于此时刻的电流值,而与电压无关,只要有电流存在,就有储能,且储能0。,3.2 换路定律及初始值的确定,3.2.1 换路定律 通常,我们把电路中开关的接通、断开或电路参数的突然变化等统称为“换路”。我们研究的是换路后电路中电压或电流的变化规律,知道了电压、电流的初始值,就能掌握换路后电压、电流是从多大的初始值开始变化的。该定律是指若电容电

6、压、电感电流为有限值,则uC、iL不能跃变,即换路前后一瞬间的uC、iL是相等的,可表达为:uC(0+)=uC(0-)iL(0+)=iL(0-)必须注意:只有uC、iL受换路定律的约束而保持不变,电路中其他电压、电流都可能发生跃变。,3.2.2 初 始 值 的确 定,换路后瞬间电容电压、电感电流的初始值,用 uC(0+)和 iL(0+)来表示,它是利用换路前瞬间 t=0-电路确定uC(0-)和iL(0-),再由换路定律得到 uC(0+)和 iL(0+)的值。,电路中其他变量如 iR、uR、uL、iC 的初始值不遵循换路定律的规律,它们的初始值需由t=0+电路来求得。具体求法是:画出t=0+电路

7、,在该电路中若uC(0+)=uC(0-)=US,电容用一个电压源US代替,若uC(0+)=0则电容用短路线代替。若iL(0+)=iL(0-)=IS,电感一个电流源IS 代替,若iL(0+)=0则电感作开路处理。下面举例说明初始值的求法。,例1:在图3-3(a)电路中,开关S在t=0时闭合,开关闭合 前电路已处于稳定状态。试求初始值 uC(0+)、iL(0+)、i1(0+)、i2(0+)、ic(0+)和uL(0+)。,图 3-3 例 1 图,解(1)电路在 t=0时发生换路,欲求各电压、电流的初始值,应先求uC(0+)和iL(0+)。通过换路前稳定状态下t=0-电路可求得uC(0-)和iL(0-

8、)。在直流稳态电路中,uC不再变化,duC/dt=0,故iC=0,即电容C相当于开路。同理 iL也不再变化,diL/dt=0,故uL=0,即电感L相当于短路。所以t=0-时刻的等效电路如图3-3(b))所示,由该图可知:,(2)由换路定理得,因此,在t=0+瞬间,电容元件相当于一个4V的电压源,电感元件相当于一个2A的电流源。据此画出t=0+时刻的等效电路,如图3-3(C)所示。(3)在t=0+电路中,应用直流电阻电路的分析 方法,可求出电路中其他电流、电压的初始 值,即,iC(0+)=2-2-1=-1AuL(0+)=10-32-4=0,例2:电路如图3-4(a)所示,开关S闭合前电路无储能,

9、开 关S在 t=0时闭合,试求 i1、i2、i3、uc、uL的初始值。,图 3-4 例 2 图,解(1)由题意知:,(2)由换路定理得,因此,在t=0+电路中,电容应该用短路线代替,电感以开路代之。得到 t=0+电路,如图3-4(b)所示。(3)在t=0+电路中,应用直流电阻电路的分析方法求得,通过以上例题,可以归纳出求初始值的一般步骤如下:(1)根据t=0-时的等效电路,求出uC(0-)及iL(0-)。(2)作出t=0+时的等效电路,并在图上标出各待 求量。(3)由t=0+等效电路,求出各待求量的初始值。,i3(0+)=0,uL(0+)=20i2(0+)=200.3=6V,当外加激励为零,仅

10、有动态元件初始储能所产生的电流和电压,称为动态电路的零输入响应.,图3-5 RC电路的零输入,uR,3.3 零 输 入 响 应,图3-5(a)所示的电路中,在t0后,电路中无电源作用,电路的响应均是由电容的初始储能而产生,故属于零输入响应。,RC电路的零输入响应,-uR+uc=0,而uR=i R,,代入上式可得,上式是一阶常系数齐次微分方程,其通解形式为 uc=Aept t0式式中A为待定的积分常数,可由初始条件确定。p为式对应的特征方程的根。将式代入式可得特征方程为RCP+1=0,式,换路后由图(b)可知,根据KVL有,从而解出特征根为,则通解,式,将初始条件uc(0+)=R0IS代入3式,

11、求出积分常数A为,将 代入式,得到满足初始值的微分方程的通解为,式,放电电流为,t0,t0,式,令=RC,它具有时间的量纲,即,故称为时间常数,这样、两式可分别写为,t0,t0,由于,为负,故uc和 i 均按指数规律衰减,,它们的最大值分别为初始值 uc(0+)=R0IS 及,当t时,uc和 i 衰减到零。,图3-6 RC 电路零输入响应 电压电流波形图,画出uc及i的波形如图3-所示。,3.3.2 RL电路的零输入响应,一阶RL电路如图3-7(a)所示,t=0-时开关S闭合,电路已达稳态,电感L相当于短路,流过L的电流为I0。即 iL(0-)=I0,故电感储存了磁能。在t=0时开关S打开,所

12、以在t0时,电感L储存的磁能将通过电阻R放电,在电路中产生电流和电压,如图3-7(b)所示。由于t0后,放电回路中的电流及电压均是由电感L的初始储能产生的,所以为零输入响应。,图3-7 RL电路的零输入响应,由图(b),根据KVL有 uL+uR=0,将,代入上式得,1式,iL=Ae pt t0,上式为一阶常系数齐次微分方程,其通解形式为,2式,将2式代入1式,得特征方程为 LP+R=0,故特征根为,则通解为,若令,是RL电路的时间常数,仍具有时间量纲,上式可写为,t0,t0,3式,将初始条件i L(0+)=iL(0-)=I 0 代入3式,求出积分常数A为 iL(0+)=A=I0这样得到满足初始

13、条件的微分方程的通解为,t0,4式,电阻及电感的电压分别是,t0,t0,分别作出 iL、uR 和、uL的波形如图3-8(a)、(b)所示。由图3-8可知,iL、uR及uL的初始值(亦是最大值)分别为iL(0+)=I0、uR(0+)=RI0、uL(0+)=-RI0,它们都是从各自的初始值开始,然后按同一指数规律逐渐衰减到零。衰减的快慢取决于时间常数,这与一阶RC零输入电路情况相同。,图3-8 RL 电路零输入响应iL、uR和 uL 的波形,从以上求得的RC和RL电路零输入响应进一步分析可知,对于任意时间常数为非零有限值的一阶电路,不仅电容电压、电感电流,而且所有电压、电流的零输入响应,都是从它的

14、初始值按指数规律衰减到零的。且同一电路中,所有的电压、电流的时间常数相同。若用f(t)表示零输入响应,用f(0+)表示其初始值,则零输入响应可用以下通式表示为,t0,应该注意的是:RC电路与RL电路的时间常数是不同的,前者=RC,后者=L/R。,例 3:如图3-9(a)所示电路,t=0-时电路已处于稳态,t=0时开关S打开。求t0时的电压uc、uR和电流ic。解 由于在t=0-时电路已处于稳态,在直流电源作用下,电容相当于开路。,图 3-9 例 3 图,所以,由换路定律,得,作出t=0+等效电路如图(b)所示,,电容用4V电压源代替,由图(b)可知,换路后从电容两端看进去的等效电阻如图(C)所

15、示,为:,时间常数为,A,V,t0,t0,也可以由,求出 i C=-0.8e-t A t0,V,t0,计算零输入响应,得,3.4 零 状 态 响 应,在激励作用之前,电路的初始储能为零仅由激励引起的响应叫零状态响应。3.4.1 RC电路的零状态响应 图3-10所示一阶RC电路,电容先未充电,t=0时开关闭合,电路与激励US 接通,试确定k闭合后电路中的响应。,图3-10(a)R C电路的零状态响应,在k闭合瞬间,电容电压不会跃变,由换路定律uc(0+)=uc(0-)=0,t=0+时电容相当于短路,uR(0+)=US,故电容开始充电。随着时间的推移,uC将逐渐升高,,uR则逐渐降低,iR(等于i

16、c)逐渐减小。当t时,电路达到稳态,这时电容相当于开路,充电电流 ic()=0,uR()=0,uc=()=Us。由kVL uR+uc=US,而uR=RiR=RiC=,代入上式可得到以uc为变量的微分方程 t0 初始条件为 uC(0+)=0,1式,1式为一阶常系数非齐次微分方程,其解由两部分组成:一部分是它相应的齐次微分方程的通解uCh,也称为齐次解;另一部分是该非齐次微分方程的特解uCP,即 uc=uch+ucp,将初始条件uc(0+)=0代入上式,得出积分常数A=-US,故,由于1式相应的齐次微分方程与RC零输入响应式完全相同,因此其通解应为,式中A为积分常数。特解ucp取决于激励函数,当激

17、励为常量时特解也为一常量,可设ucp=k,代入1式得,1式的解(完全解)为,ucp=k=US,由于稳态值 uc()=US,故上式可写成 t0 2式由2式可知,当t=0时,uc(0)=0,当 t=时,uc()=US(1-e1)=63.2%US,即在零状态响应中,电容电压上升到稳态值uc=()=US的63.2%所需的时间是。而当t=45时,u c上升到其稳态值US的98.17%99.3%,一般认为充电过程即告结束。电路中其他响应分别为,t0,t0,t0,根据uc、ic、iR及uR的表达式,画出它们的波形如3-10(b)、(c)所示,其变化规律与前面叙述的物理过程一致。,图3-10(b)、(C)R

18、C 电路零状态响应 uc、ic、iR及uR波形图,3.4.2 RL电路的零状态响应,图3-11(a)一阶RL电路的零状态响应,对于图3-11(a)所示的一阶RL电路,US为直流电压源,t0时,电感L中的电流为零。t=0时开关s闭合,电路与激励US接通,在s闭合瞬间,电感电流不会跃变,即有iL(0+)=iL(0-)=0,选择iL为首先求解的变量,由KVL有:,uL+uR=US,将,uR=RiL,代入上式,可得初始条件为 iL(0+)=0,1式,1式也是一阶常系数非齐次微分方程,其解同样由齐次方程的通解iLh 和非齐次方程的特解iLP两部分组成,即 iL=iLh+iLp其齐次方程的通解也应为,式中

19、时间常数=L/R,与电路激励无关。非齐次方程的特解与激励的形式有关,由于激励为直流电压源,故特解 iLP为常量,令iLP=K,代入1式得,因此完全解为,代入t=0时的初始条件 iL(0+)=0得,于是 由于iL的稳态值,故上式可写成:t0 电路中的其他响应分别为 t0,它们的波形如图3-11(b)、(c)所示。,t0,t0,图3-11(b)(C)一阶RL电路的零状态响应波形图,其物理过程是,S闭合后,iL(即 iR)从初始值零逐渐上升,uL从初始值 uL(0+)=US 逐渐下降,而uR从 uR(0+)=0逐渐上升,当 t=,电路达到稳态,这时L相当于短路,iL()=USR,uL()=0,uR(

20、)=US。从波形图上可以直观地看出各响应的变化规律。,3.4.3 单位阶跃响应单位阶跃函数用(t)表示,其定义如下:,(t)=,0 t 0-,1 t 0+,(t)的波形如图3-12(a)所示,它在(0-,0+)时域内发生了单位阶跃。,图 3-12 单位阶跃函数,单位阶跃函数可以用来描述图3-12(b)所示的开关动作,它表示在t=0时把电路接入1V直流源时 u(t)的值,即:u(t)=(t)V 如果在 t=t0时发生跳变,这相当于单位直流源接入电路的时间推迟到 t=t0,其波形如图3-13所示,它是延迟的单位阶跃函数,可表示为,(t-t0)=,0 tt 0-,1 tt 0+,图 3-13 延迟的

21、单位阶跃函数,当激励为单位阶跃函数(t)时,电路的零状态响应称为单位阶跃响应,简称阶跃响应。对于图3-10所示电路的单位阶跃响应,只要令US=(t)就能得到,例如电容电压为,若图3-10的激励uS=K(t)(K为任意常数),则根据线性电路的性质,电路中的零状态响应均应,如单位阶跃不是在t=0而是在某一时刻 t0时加上的,则只要把上述表达式中的t改为t-t0,即延迟时间t0就行了。例如这种情况下的uC为,扩大K倍,对于电容有,例4:求图3-14(a)电路的阶跃响应 uC。,解 先将电路ab左端的部分用戴维南定理化简,得图3-14(b)所示电路。由图(a)可得,图 3-14 例 4 图,3u1+u

22、1=0 u1=0,则,于是,式中=R0C=210-6S,将ab端短路,设短路电流为ISC(从a流向b),3.5 全 响 应 由电路的初始状态和外加激励共同作用而产生的响应,叫全响应。如图3-15所示,设 uC=uC(0-)=U0,S在t=0时闭合,显然电路中的响应属于全响应。,图3-15 RC电路的全响应,对t0的电路,以uC为求解变量可列出描述电路的微分方程为,1式与描述零状态电路的微分方程式比较,仅只有初始条件不同,因此,其解答必具有类似的形式,即,代入初始条件 uC(0+)=U0 得 K=U0-US,1式,从而得到,通过对1式分析可知,当US=0时,即为RC零输入电路的微分方程。而当U0

23、=0时,即为RC零状态电路的微分方程。这一结果表明,零输入响应和零状态响应都是全响应的一种特殊情况。上式的全响应公式可以有以下两种分解方式。1、全响应分解为暂态响应和稳态响应之和。如2式中第一项为齐次微分方程的通解,是按指数规律衰减的,称暂态响应或称自由分量(固有分量)。2式中第二项US=uC()受输入的制约,它是非齐次方程的特解,其解的形式一般与输入信号形式相同,称稳态响应或强制分量。这样有 全响应=暂态响应+稳态响应,2式,2、全响应分解为零输入响应和零状态响应之和。将2式改写后可得:,3式等号右边第一项为零输入响应,第二项为零状态响应。因为电路的激励有两种,一是外加的输入信号,一是储能元

24、件的初始储能,根据线性电路的叠加性,电路的响应是两种激励各自所产生响应的叠加,即 全响应=零输入响应+零状态响应,3式,3.6 求解一阶电路三要素法,如用 f(t)表示电路的响应,f(0+)表示该电压或电流的初始值,f()表示响应的稳定值,表示电路的时间常数,则电路的响应可表示为:,上式称为一阶电路在直流电源作用下求解电压、电流响应的三要素公式。式中f(0+)、f()和 称为三要素,把按三要素公式求解响应的方法称为三要素法。由于零输入响应和零状态响应是全响应的特殊情况,因此,三要素公式适用于求一阶电路的任一种响应,具有普遍适用性。,用三要素法求解直流电源作用下一阶电路的响应,其求解步骤如下:,

25、一、确定初始值 f(0+)初始值f(0+)是指任一响应在换路后瞬间t=0+时的数值,与本章前面所讲的初始值的确定方法是一样的。先作t=0-电路。确定换路前电路的状态 uC(0-)或iL(0-),这个状态即为t0阶段的稳定状态,因此,此时电路中电容C视为开路,电感L用短路线代替。作t=0+电路。这是利用刚换路后一瞬间的电路确定各变量的初始值。若uC(0+)=uC(0-)=U0,iL(0+)=iL(0-)=I0,在此电路中C用电压源U0代替,,图3-16 电容、电感元件在t=0时的电路模型,L用电流源I0代替。若uC(0+)=uC(0-)=0 或 iL(0+)=iL(0-)=0,则C用短路线代替,

26、L视为开路。可用图3-16说明。作t=0+电路后,即可按一般电阻性电路来求解各变量的u(0+)、i(0+)。,二、确定稳态值f()作t=电路。瞬态过程结束后,电路进入了新的稳态,用此时的电路确定各变量稳态值u()、i()。在此电路中,电容C视为开路,电感L用短路线代替,可按一般电阻性电路来求各变量的稳态值。三、求时间常数 RC电路中,=RC;RL电路中,=L/R;其中,R是将电路中所有独立源置零后,从C或L两端看进去的等效电阻,(即戴维南等效源中的R0)。,例5 图3-17(a)所示电路中,t=0时将S合上,求t0时的 i1、iL、uL。,图 3-17 例 5 图,解(1)先求iL(0-)。作

27、t=0-电路,见图(b),电感用短路线代替,则,(2)求 f(0+)。作t=0+电路,见图(C),图中电感用4/3A的电流源代替,流向与图(b)中iL(0-)一致。因为题意要求i1、iL、uL,所以相应地需先求i1(0+)和uL(0+)。椐KVL,图(C)左边回路中有 3 i1(0+)+6 i1(0+)-iL(0+)=12,得,图(C)右边回路中有,(3)求f()。作t=电路如图(d),电感用短路线代替,则,uL()=0,(4)求。从动态元件L两端看进去的戴维南等效电阻为,(5)代入三要素公式,t0,t0,t0,i1(t)、iL(t)及uL(t)的波形图如3-18所示。,图 3-18 例 5 图,小 结(1)含有动态元件L、C的电路是动态电路,其伏 安关 系是微分或积分关系。电容C:,电容L:,换路定律是指:电容电流和电感电压不能跃变:即 uC(0+)=uC(0-)iL(0+)=iL(0-),(3)零输入响应:当外加激励为零,仅有动态元 件初始储能所产生所激发的响应。零输入响应:电路的初始储能为零仅由输入 产生的响应。全响应:由电路的初始状态和外加激励共同作 用而产生的响应,叫全响应。(4)求解一阶电路三要素公式为:,

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