动态电路的时域分析.ppt

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1、第9章 动态电路的时域分析,9.1 换路定律与初始值 9.2 一阶电路的响应 9.3 一阶电路的三要素法 9.4 一阶电路的阶跃函数与阶跃响应 9.5 二阶动态电路的分析 习题9,9.1 换路定律与初始值,引起过渡过程的电路变化叫换路。为了表示简化起见,通常认为换路是在瞬间完成的,若把换路瞬间作为计时起点,即t0,那么换路前的终了时刻记为t=0-,换路后的初始时刻记为t=0+,换路经历的时间为00。,9.1.1 换路定律 1.具有电容元件的电路 对于线性电容元件,在任意时刻t,设q、uC和iC分别为电容上的电荷、电压和电流,且电流由电容的正极板指向负极板,电压与电流是关联方向。由 得,(9-1

2、),由 得,(9-2),令t0=0-,t=0+,代入式(9-1)和式(9-2)得,(9-3)(9-4),如果在换路瞬间,即0到0瞬间,电流iC(t)为有限值,则式(9-3)和式(9-4)中积分项,此时电容上的电荷和电压不发生跃变,即,q(0+)=q(0-)(9-5)uC(0+)=uC(0-)(9-6),由此得出结论:在换路后的一瞬间,如果流入电容的电流保持为有限值,则电容上的电荷和电压应当保持换路前一瞬间的原有值而不能跃变。这就是具有电容元件的换路定律。对于一个换路前不带电荷(或电压)的电容来说,在换路的一瞬间,uC(0+)=uC(0-)=0,电容相当于短路;而对于一个换路前携带电荷(或电压)

3、的电容来说,在换路的一瞬间,uC(0+)=uC(0-)=U0,电容的电压不变,相当于电压源。,2.具有电感元件的电路 对于线性电感元件,在任意时刻t,设、uL和iL分别为电感上的磁链、电压和电流,且电压和电流与磁链的参考方向满足右手螺旋定则。由 得,(9-7),即,由 得,(9-8),同样令t0=0-,t=0+,代入式(9-7)和式(9-8)得,(9-9),(9-10),如果在换路瞬间,即00的瞬间,电压uL为有限值,则式(9-9)和式(9-10)中积分项,此时电感上磁链和电流不发生跃变,即,(0+)=(0-)(9-11)iL(0+)=iL(0-)(9-12),由此得出结论:在换路后的一瞬间,

4、如果电感两端的电压保持为有限值,则电感中的磁链和电流应当保持换路前一瞬间的原有值而不能跃变。这就是具有电感元件的换路定律。,9.1.2 初始值的计算 分析动态电路的过渡过程的方法之一是根据KCL、KVL和支路的VCR建立描述电路的方程,建立的方程是以时间为自变量的线性常微分方程,然后求解,从而得到电路的所求变量(电压或电流)。此方法称为经典法,它是一种在时间域中进行的分析方法。用经典法求解常微分方程时,必须根据电路的初始条件确定解答中的积分常数。若在t=0时换路,则初始值就是指电路中的所求变量(电压或电流)在t=0+时刻的值。,1.初始值的计算步骤(1)根据KCL、KVL和VCR等电路定理及元

5、件约束关系计算换路前一瞬间的uC(0-)和iL(0-)。(2)应用换路定律计算独立的初始值uC(0+)和iL(0+)。(3)再根据KCL、KVL和VCR等电路定理及元件约束关系计算换路后一瞬间的非独立初始值。,2.应用举例 例9.1 如图9.1(a)所示的电路处于稳态,当t0时,开关S断开,求开关断开后的初始值i1(0+)、i2(0+)、iC(0+)及uL(0+)。,图 9.1 例9.1图,例9.2 如图9.2所示的电路,已知Us10 V,R16,R24,L2 mH,求当开关S闭合后,t=0+时各支路电流及电感电压的初始值(开关S闭合前电路处于稳态)。,图9.2 例9.2图,例9.3 试计算图

6、9.3(a)所示电路中各支路电流及动态元件电压的初始值,设换路前电路处于稳态。,图 9.3 例9.3图,【思考与练习题】1.总结一下,电感和电容在直流稳态、交流稳态及动态电路中的工作状态。2.什么叫独立初始值,什么叫非独立初始值,为什么说电容上端电压和电感上的电流是独立初始值。3.在图9.4所示电路中,试求开关S断开后的uC(0+)、iC(0+)及uL(0+)和iL(0+)(已知S断开前电路处于稳态)。,图 9.4 题3图,4.在图9.5所示电路中,已知电感线圈的内阻 R2,电压表的内阻为2.5 k,电源电压Us4 V,其串联电阻R018。试求开关S断开瞬间电压表两端的电压(换路前电路处于稳态

7、),并说明,这样做电压表是否安全?要想安全断电,应怎样处理。,图9.5 题4图,9.2 一阶电路的响应,若一个电路中的独立电源不作用(电压源短路,电流源开路),而最终可以化简成为一个RC回路或RL回路,对于这样的电路,电压和电流的关系满足一阶微分方程,我们把这样的电路叫一阶动态电路,简称一阶电路。对于一阶电路,回路上的响应又可分为零输入响应、零状态响应和全响应。这些响应都遵循固定的规律,这一节我们将一一介绍。,9.2.1 一阶电路的零输入响应 在换路后,若电源对动态元件所在回路输入为零,则动态元件所在回路的响应叫零输入响应。1.RC串联电路的零输入响应 如图9.6所示的电路在换路前处于稳态,在

8、t0时,开关S由1点置于2点,这时电容C储存电场能量,电阻R与电容C构成串联电路。电阻R吸收电能,即电容C通过电阻R放电,回路中的响应属于零输入响应。,图9.6 RC零输入响应,换路后,根据KVL可得 uC-Ri=0 而i=-C duC/dt代入上述方程得,这是一个一阶常系数齐次微分方程。令此方程的通解为uC=Aept,代入上式得(RCp+1)Aept=0 相应的特征方程为 RCp+1=0 其特征方程的根为,代入uC=Aept得,由如图9.6所示的电路可得uC(0-)=U0,由于电容上电压不能跃变,电压uC的初始值uC(0+)=uC(0-)=U0,代入uC=Ae-(1/RC)t中得,即,这样,

9、求得满足初始值的微分方程的解为,(9-13),这就是电容在零输入电路中的电压表达式。电路中的电流,即,电阻上的电压,由uC、uR和i的表达式可以看出,它们都按照同样的指数规律衰减,其衰减的快慢取决于指数中的1/RC的大小。若电阻R的单位为,电容C的单位为F,则RC的单位为s。而式RC只与电路结构和电路参数有关,一旦电路确定下来,RC就为一个常数。令=RC,称为RC串联电路的时间常数。,引入后,电容电压uC和电流i可以分别表示为,时间常数反映了一阶电路过渡过程的进展速度,因此,它是一阶电路的一个非常重要的参数。当t0时,uC=U0e0=U0;当t=时,uC=U0e-1=0.368U0。表9-1列

10、出了t取不同值时,电容电压uC的值。,表9-1 电容电压与时间关系表,在理论上,需要经过无限长的时间,电容的电压uC才衰减到零,电容放电结束。但从表9-1可以看出,当t=3或t=5时,电容的电压已经衰减到原来电压的5%或0.7%,因此在工程上一般认为换路后,经过35的时间就可以认为过渡过程基本结束了。图9.7给出了uC和i随时间变化的曲线。,图 9.7 uC和i随时间变化的衰减曲线,图9.8 的几何意义,时间常数也可以从uC或i的衰减曲线上用几何法求得。如图9.8所示,A为曲线上任意一点,AC为过A点的切线。由图可知,对于时间常数=RC,理论计算时可以扩展。其中电容C可扩展到多个电容串、并联的

11、等效电容。电阻R可以看成是电路中所有电源都不作用,从电容C两端等效的等效电阻。,例9.4 试求图9.9所示电路的时间常数。已知C1=C2=C3=300 F,R1400,R2600,R3260。,图 9.9 例9.4图,解 换路后等效电路,若电路中电源不作用,图9.9(a)可等效成图9.9(b),从C两端等效的等效电阻,时间常数=RC=50020010-6=0.1 s,在RC串联零输入整个过渡过程中,电容储存的电场能量将全部被电阻消耗,直到电容的端电压为零。这时电容的储能为零,电路上电流为零,电阻不再耗能,电路进入新的稳定状态,即,图9.10 例9.5图,例9.5 图9.10所示电路中,U010

12、 V,C10 F,R110 k,R2R320 k,在t0时,开关S闭合。试求(1)放电时的最大电流;(2)时间常数;(3)uC(t)。,解(1)根据换路定律得 uC(0+)=uC(0-)=U0=10 V 当t=0+时,电容端电压最大,故放电电流也最大,从电容两端等效的等效电阻,(2)=RC=201031010-6=0.2 s(3),2.RL串联电路的零输入响应 如图9.11所示电路,开关S闭合时电路处于稳态,电感上的电流iL(0-)=U0/R0,设I0=iL(0-)。在t0时,开关S打开,电阻R与电感L组成串联回路,且电源输入为零,因此,电路的响应属于RL串联电路的零输入响应。当t0时,uR+

13、uL=0 将uR=-RiL,uL=-L diL/dt,代入上式得,图9.11 RL零输入响应,这是一个一阶常系数齐次微分方程。令iL=Aept,代入上式得特征方程 LpAept+RAept=0即 Lp+R=0 其特征根为p=-R/L,将其代入iL=Aept中得,根据iL(0+)=iL(0-)=I0,代入上式得,故,(9-14),由此得电阻电压,电感电压,与RC电路类似,令=L/R,若电感L的单位为H,电阻R的单位为,则的单位为s。它是一个只与电路结构和电路参数有关的物理量,因此,我们把叫做RL串联电路的时间常数。代入上述各式得,有关RL串联电路的物理意义与RC串联电路的完全相同,这里不再赘述。

14、图9.12给出了iL、uR和uL随时间变化的曲线。,图9.12 RL电路的零输入响应曲线,9.2.2 一阶电路的零状态响应 动态元件初始储能为零,叫零初始状态。电路在零初始状态下,由外加激励引起的响应叫零状态响应。1.RC串联电路的零状态响应 如图9.13所示的电路中,在t0时,uC(0-)=0,即电容C处于零初始状态;在t=0时,开关S闭合,这时回路的响应属于零状态响应。电容电压uC由无到有,属于充电过程。,图9.13 RC电路的零状态响应,根据KVL有 uR+uC=Us 而uR=Ri,i=C duC/dt代入上式得,对图9.13所示的电路来说,当电路的过渡过程结束时,电容上的电压为Us,此

15、为非齐次方程的特解,即 uC=Us 而非齐次方程对应的齐次方程,其通解为,其中,=RC。这样,方程的全解为,电路的初始条件是换路前uC(0-)=0。根据换路定律,电容电压的初始值为 uC(0+)=uC(0-)=0 将其代入全解中得,即 Us+A=0 A=-Us将A=-Us代入全解中得,(9-15),图9.14 RC零状态响应的组成,图9.15 i,uR随时间变化的曲线,电路中的电流,电阻上的电压,电流i、电阻上的电压uR随时间变化的曲线如图9.15所示。由图中曲线可以看出,i和uR按指数规律衰减,其衰减的快慢仍取决于时间常数。表9-2给出了在不同时刻,RC串联电路的零状态响应。,表9-2 RC

16、串联电路的零状态响应,由表9-2可以看出,当t时,uC=Us,uR=0,i=0,电路进入稳定状态。但在工程上仍认为,当t=3或t=5时,电路的过渡过程结束。RC电路接通直流电压源的过程也就是电源通过电阻对电容充电的过程。在充电过程中,电源供给的能量一部分转换成电场能量储存于电容中,一部分被电阻转变为热能消耗,电阻消耗的电能为,例9.6 在图9.16(a)所示的电路中,U9 V,R16 k,R23 k,C1000 pF,uC(0-)=0。试求t0时的电压uC。,图 9.16 例9.6图,解 应用戴维南定理,可将换路后的电路化简为图9.16(b)。其等效电阻,等效电源电压,2.RL串联电路的零状态

17、响应 如图9.17所示的电路中,在开关S打开时,电感上的电流iL=0,因此电感处于零状态,开关S闭合后,回路上的响应属于零状态响应。换路后,根据KVL得 uR+uL=Us 而uR=RiL,uL=L diL/dt,代入上式得,则它的通解可写为,图9.17,根据初始条件iL(0+)=iL(0-)=0,代入上式得,故,(9-16),电路中各段电压分别为,RL零状态响应随时间变化的曲线如图9.18所示。,图9.18 RL零状态响应曲线,9.2.3 一阶电路的全响应 当一个非零初始状态的电路受到外接激励时,电路的响应为全响应。对于线性电路,全响应是零输入响应与零状态响应的和。如图9.19所示的电路中,已

18、知uC(0-)=U0,在t0 时,开关S闭合,这个电路的响应属于全响应。根据KVL,得 uR+uL=Us,图9.19 RC串联的全响应,而uR=Ri,i=C duC/dt代入上式得,令,其中,uC 是方程的特解。由图9.19可知uC=Us;uC是原方程对应的齐次方程的通解。令,则,代入初始条件uC(0+)=uC(0-)=U0,得,故,(9-17),由此可以看出 全响应强制分量自由分量零输入响应零状态响应 全响应的其他各量分别为,全响应的电流i可以看成是强制分量(此电路为零)和自由分量的叠加,或看成是零输入响应和零状态响应的叠加。,uR也可以按上述方法叠加。也就是说,一阶电路的全响应都可以分解为

19、强制分量和自由分量,或分解为零输入响应和零状态响应的叠加。uR、uC和i随时间变化的曲线如图9.20所示。,图 9.20 RC串联的全响应(a)UsU0电容充电;(b)UsU0电容放电;(c)Us=U0电容稳态,例9.7 如图9.21(a)所示的电路中,已知 Us20 V,R1R21 k,C2 F。当开关S打开时电路处于稳态,在t0时,开关S闭合。试求开关S闭合后,uC和iC的表达式,并画出其曲线图。,图 9.21 例9.7图,图 9.22 例9.7的uC,iC曲线,【思考与练习题】1.已知图9.23所示的电路在换路前处于稳态,试判断换路后各电路的响应属于零输入响应、零状态响应还是全响应?,图

20、 9.23 题1图,2.试写出上述四个电路的电容C上的电压表达式。3.若图9.23各图中的电容C分别用电感L代替,试重新判断各电路在换路后的响应类型,并写出电感上的电流表达式。,9.3 一阶电路的三要素法,通过上一节的学习,可以看出,若电路中只有一个存储元件,这时根据KVL列出的方程为一阶微分方程。我们把这样的电路叫做一阶电路。分析一阶电路的过渡过程,就是求微分方程的特解(稳态分量)和对应齐次微分方程的通解(暂态分量)的过程。稳态分量是电路在换路后达到新的稳态时的解;暂态分量的形式通常为Ae-t/,常数A由电路的初始条件来确定,时间常数由电路的结构和参数来计算。,图9.24 RC串联电路,一阶

21、电路的过渡过程通常是电路变量由初始值向新的稳态值过渡,并且是按照指数规律逐渐趋向新的稳态值。指数曲线弯曲程度与反映趋向新稳态值的速率与时间常数密切相关。这样,我们找出一种方法,只要知道换路后的稳态值、初始值和时间常数这三个要素就能直接写出一阶电路过渡过程的解,这就是一阶电路的三要素法。,我们还是以RC串联电路为例,如图9.24所示,设uC(0-)=U0,开关S在t0时闭合。由上一节推导知,上式中的Us为电路在换路后进入稳态时的电容电压,记为uC()。U0为电路在换路前电容两端的电压,根据uC(0+)=uC(0-)=U0,可记为uC(0+),即为电容电压的初始值。这样,电容电压就可以表示为,也就

22、是说,电容电压是由初始值、新稳态值和时间常数决定的。,同理,可以推导出一阶电路的响应,它们的形式和电容电压的表示形式完全相同。若用f(t)表示电路的响应,f(0+)表示该量的初始值,f()表示该量的新稳态值,表示电路的时间常数,则三要素表示法的通式为,当f()=0时,上式f(t)=f(0+)e-t/,此为零输入响应。当f(0+)=0时,上式f(t)=f()-f()e-t/,此为零状态响应。,例9.8 在图9.25所示的电路中,Us10 V,Is2 A,R2,L4 H。试求S闭合后电路中的电流iL。,图9.25 例9.8图,例9.9 如图9.26所示的电路中,当t0时,开关S置于位置1;当t=2

23、 ms时,开关S又置于位置2。求两个时间区间内的电流i(t),并画出i(t)的曲线。,图9.26 例9.9图,图9.27 例9.9的i(t)曲线,例9.10 如图9.28(a)所示的电路中,t0时开关S闭合,已知uC(0+)=-2 V,Is=1 A,R1=1,R2=2,C=F,求电容电压uC。,图 9.28 例9.10图,例9.11 如图9.29(a)所示的电路为RL电路在正弦激励下的零状态响应情况,t0时开关S闭合,正弦电压源满足us=Um sin(t+u),u的取值由t0时电源电压的值决定,称为接入初相。求电路中的电流i。,图 9.29 例9.11图,【思考与练习题】1.试用三要素法写出图

24、9.30所示电压曲线的表达式uC。,图 9.30 题1图,2.已知全响应。试在同一坐标平面下分别作出其稳态分量、暂态分量、零输入响应、零状态响应和全响应曲线。,9.4 一阶电路的阶跃函数与阶跃响应,9.4.1 单位阶跃函数 单位阶跃函数是一种奇异函数(见图9.31),其数学表达式为,它在(0-,0+)时域内发生了单位阶跃。,图9.31 单位阶跃函数,单位阶跃函数可以用来描述1 V或1 A的直流电源在t=0时接入电路的情况,如图9.32所示。对于图9.32(a)来说,若开关S在t=0时闭合到“2”,则一端口电路N的端口电压可写为 u(t)=(t)对于图9.32(b)来说,若开关S在t=0时闭合到

25、“2”,则一端口电路N的端口电流可写为 i(t)=(t),图 9.32 单位阶跃电压与电流,如果在t=0时接入电路的直流电源幅值为A,则电路受到的激励可表示为A(t),其波形如图9.33(a)所示,称为阶跃函数。如果单位直流电源接入的瞬间为t0,则可写为,称其为适时阶跃函数,其波形如图9.33(b)所示。,图 9.33 阶跃函数和适时阶跃函数,利用阶跃函数和适时阶跃函数可以方便地表示某些信号。图9.34(a)的矩形脉冲信号可看作是图9.34(b)和图9.34(c)所示的两个阶跃信号之和,即 f(t)=(t)-(t-t0)图9.35(a)的矩形信号可看作是图9.35(b)、(c)和(d)所示的三

26、个阶跃信号之和,即 f(t)=(t)-2(t-1)+(t-2),图9.34 矩形脉冲信号,利用单位阶跃函数还可“起始”任意一个f(t)。设f(t)是对所有t都有定义的一个任意函数,如图9.36(a)所示,若想使其在t0时为零,则可乘以(t),写为f(t)(t),波形如图9.36(b)所示。若要使其在tt0时为零,则可乘以(t-t0),写为f(t)(t-t0),波形如图9.36(c)所示。,图 9.35 矩形信号,图 9.36 单位阶跃函数对任意信号f(t)的起始作用,9.4.2 阶跃响应 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,用s(t)表示。由于单位阶跃

27、函数作用于电路时,相当于单位直流电源接入电路,因此求阶跃响应就是求单位直流电源(1 A或1 V)接入电路时的零状态响应,即有(t)s(t)根据线性电路的性质,若激励扩大a倍,则响应也要扩大a倍,即有 a(t)as(t),若电路激励延时了t0时间接入,那么,其零状态响应也延时t0时间,即有(t-t0)s(t-t0),图9.37 例9.12图,例9.12 如图9.37所示的电路中,开关S置在位置1时,电路已达到稳定状态。t=0时,开关由位置1置于位置2,在t=RC时,又由位置2置于位置1。求t0时的电容电压uC(t)。解 此题可用两种方法求解。方法一:将电路的工作过程分段求解。在0t区间为RC电路

28、的零状态响应,则有 uC(0+)=uC(0-)=0,其中,=RC。,在t区间为RC电路的零输入响应,则有,方法二:用阶跃函数表示激励,求阶跃响应。根据开关的动作,电路的激励us(t)可以用图9.38(a)所示的矩形脉冲表示,按图9.38(b)可写为 us(t)=Us(t)-Us(t-)RC电路的单位阶跃响应为,故,当0t时,(t)=1,(t-)=0,代入上式得,当t时,(t)=1,(t-)=1,代入得,图 9.38 矩形脉冲信号,图 9.39 题3图,【思考与练习题】1.什么是单位阶跃函数、阶跃函数和延时阶跃函数?2.若线性电路施加单位阶跃函数(t)的激励时,其响应为s(t),那么,若在同一个

29、电路t0时刻施加激励A时,其响应是多少?3.如图9.39(a)所示,其激励is的波形如图9.39(b)所示。求t0时的电感电流iL。,9.5 二阶动态电路的分析,当电路包含两个独立的动态元件时,描述电路的方程是二阶线性常系数微分方程。这时,给定的初始条件有两个,它们都是由储能元件的初始值决定的。这一节我们将着重讨论典型的二阶电路RLC串联电路的零输入响应。,图9.40 RLC放电电路,如图9.40所示,已知电容上原有电压为U0,电感上原有电流为I0,在t=0时,开关S由1置于2点,此电路的放电过程就是二阶电路的零输入响应。根据KVL可得-uC+uR+uL=0 由于,故,(9-19),把它们代入

30、上式得,(9-19),式(9-19)是以uC为未知量的RLC串联电路放电过程的微分方程。这是一个线性常系数二阶齐次微分方程。求解这类方程时,仍然先设uC=Aept,然后再确定其中的p和A。,将uC=Aept代入式(9-19),得特征方程 LCp2+RCp+1=0解出特征根为,根号前有两个符号,所以p有两个值。为了兼顾这两个值,电压uC可写成,(9-20),其中,由上式可见,特征根p1、p2仅与电路参数和结构有关,而与激励和初始值无关。,由于uC(0+)=uC(0-)=U0,代入式(9-20)得 A1+A2=U0 又由于,i(0+)=i(0-)=I0,因此有,代入式(9-20)得,与上式联立解得

31、A1、A2。若U00,I0=0,即已充电电容C通过R、L放电情况。这时,可解得,将A1、A2代入式(9-20),就可求得RLC串联电路的零输入响应的表达式。,1.,非振荡放电过程 当(R/2L)2-1/LC0,即 时,特征根p1、p2是两个不等的负实数,电容上的电压为,(9-21),电流为,因为p1p2=1/LC,代入上式得,电感电压为,(9-22),(9-23),图9.41给出了uC,uL,i随时间t变化的曲线。从图中可以看出,uC0,i0,表明电容在整个过程中一直释放储存的电能。我们把电容的这种放电过程称为非振荡放电,也称为过阻尼放电。电流i从零增大,达到最大值时再减小,最后,当t时,i0

32、。由图可以看出,当ttm时,电感释放能量,磁场逐渐衰减,直到为零。其中,电流达到最大值的时刻tm可由di/dt=0决定。,图9.41 非振荡放电过程中uC,uL,i的曲线,tm点正是电感电压过零点。,例9.13 如图9.42所示的电路中,已知Us=10 V,C=1 F,R=4 k,L=1 H,开关S原来闭合在触点1处,在t=0时,开关S由触点1接至触点2处。求(1)uC,uR,i和uL;(2)imax。,图9.42 例9.13图,2.,振荡放电过程 当(R/2L)2-1/LC0,即 时,特征根p1、p2是一对共轭复数。若令,则,于是有,p1=-+j,p2=-j,令,即,则,=0 cos,=0

33、sin p1=-0e-j,p2=-0ej,这样,根据式(9-22)得电路电流,根据式(9-23)得电感电压,图9.43 欠阻尼振荡中uC,i,uL的波形图,在理想情况下,如果电路中没有电阻,即R=0,则衰减常数及振荡角频率分别为,例9.14 在由L=40 H,C=250 pF,R=6 三个元件组成的串联回路中,试求其振荡放电时的振荡角频率和衰减系数。,3.,临界情况 当(R/2L)2-1/LC=0,即 时,特征根p1=p2=-R/2L=-。在此情况下电容电压的通解为 uC(t)=(A1+A2t)e-t 电流为,将初始条件uC(0+)=U0,i(0+)=0,代入得 A1=U0 A2=A1=U0于

34、是得 uC(t)=U0(1+t)e-t,由以上两式可以看出,uC的变化是从U0开始保持正值,逐渐衰减到零;I是从零开始保持正值,最后为零。由di/dt=0可以求得I达到极值的时间,例9.15 在图9.40所示的电路中,已知R=2 k,L=0.5 H,C=0.5 F,uC(0-)=2 V,iL(0-)=0。求uC,i的零输入响应。,【思考与练习题】1.二阶动态电路有什么特点?2.什么是非振荡放电、振荡放电、临界放电状态?3.振荡衰减系数如何计算?振荡放电的快慢与衰减系数有何关系?,习 题 9,9.1 电路如图9.44所示,在t0时,开关S位于“1”,已处于稳态,当t=0时,开关S由“1”闭合到“

35、2”,求初始值iL(0+),uL(0+)。,图 9.44 题9.1图,9.2 图9.45所示电路原处于稳态,t=0时,开关S断开,求iC(0+),uC(0+)。9.3 图9.46所示电路在t0时处于稳态,当t=0时,开关S闭合。求iC(0+),uC(0+)及iL(0+),uL(0+)的值。,图 9.45 题9.2图,图9.46 题9.3图,9.4 如图9.47所示,已知Us=100 V,R1=10,R2=20,R3=20,S闭合前电路处于稳态,当t=0时,开关S闭合。求i2(0+),i3(0+)。9.5 如图9.48所示,开关S原是断开的,电路处于稳态,当t=0时,开关S闭合。求初始值uC(0

36、+),iL(0+),iC(0+),iR(0+)。,图 9.47 题9.4图,图9.48 题9.5图,图 9.49 题9.6图,9.6 求如图9.49所示的电路在换路后的时间常数。9.7 一个高压电容器原先已充电,其电压为10 kV,从电路中断开后,经过15 min它的电压降为3.2 kV,问(1)再过15 min电压降为多少?(2)如果电容C=15 F,那么它的绝缘电阻是多少?(3)需经多少时间,可使电压降至30 V以下?(4)如果以一根电阻为0.2 的导线将电容接地放电,最大放电电流是多少?若认为在5时间内放电完毕,那么放电的平均功率是多少?,9.8 一个具有磁场储能的电感经电阻释放储能,已

37、知经过0.6 s后储能减少为原先的一半,又经过1.2 s后,电流为25 mA。试求电感电流i(t)。9.9 图9.50所示电路为一标准高压电容器的电路模型,电容C=2 F,漏电阻R=10 M。FU为快速熔断器,us=2.3 sin(314t+90)kV,t=0时熔断器烧断。假设安全电压为50 V,问从熔断器断开之时起,经历多少时间后,人手触及电容器两端才是安全的。,图 9.50 题9.9图,9.10 如图9.51所示,开关S位于“1”时,电路处于稳态,当t=0时,开关S由“1”闭合到“2”,求iL(t),uL(t)。9.11 如图9.52所示,当t=0时,开关S闭合。闭合前电路处于稳态,求t0

38、时的uC(t),并画出其波形。,图 9.51 题9.10图,图9.52 题9.11图,9.12 在日常测试中,常用万用表R1 k挡检查电容量较大的电容器的质量。方法是测量前,先将被测电容器短路使它放电完毕。测量时,若指针摆动后,再返回万用表无穷大刻度处,则说明电容器是好的;若指针摆动后,返回速度较慢,则说明被测电容器的电容量较大。试根据RC串联充电过程的原理解释上述现象。,9.13 在RC串联电路中,已知R=100,C=10 F,接到Us=10 V的直流电源上,接通电源前电容未充过电,试求(1)iC(t),uC(t);(2)开关闭合后经过1.5 ms时,电容上的电压和电流。9.14 如图9.5

39、3所示,电路处于稳定状态。在t=0时,开关S由a投向b。求uC(t),uR(t),并画曲线。9.15 如图9.54所示,求开关S打开时电容电压的新稳态值。若开关S原为打开,现闭合,求开关S闭合后电容电压的新稳态值。,图 9.53 题9.14图,图9.54 题9.15图,9.16 如图9.55所示,求开关S闭合后电感电流的新稳态值。9.17 如图9.56所示,换路前电路处于稳态,在t=0时,开关S闭合,求i(t),iL(t)。9.18 如图9.57所示,已知电容事先没有充电,在t=0时,开关S闭合,求 uC(t),i(t)。9.19 求图9.58所示电路(a)和(b)中电流源两端的电压。,图 9

40、.55 题9.16图,图9.56 题9.17图,图 9.57 题9.18图,图 9.58 题9.19图,9.20 如图9.59所示,在t0时,开关S是断开的,电路已处于稳态。在t=0时,开关S闭合,求t0时的电压uC和电流i的零输入响应和零状态响应,并画出其波形。9.21 电路如图9.60所示,在t0时,开关S位于“1”,电路已处于稳态。在t=0时,开关S闭合到“2”,求电压uC和电流i的零输入响应和零状态响应,并画出其波形。,图 9.59 题9.20图,图9.60 题9.21图,9.22 电路如图9.61所示,在t0时,开关S位于“1”,电路已处于稳态。在t=0时,开关S闭合到“2”,求电流

41、iL和电压u的零输入响应和零状态响应,并画出其波形。9.23 电路如图9.62所示,在t0时,开关S位于“1”,电路已处于稳态。在t=0时,开关S闭合到“2”,求t0时的电流iL和电压u。,图 9.61 题9.22图,图9.62 题9.23图,9.24 电路如图9.63所示,在t0时,开关S位于“1”,电路已处于稳态。在t=0时,开关S闭合到“2”,经过2 s后,开关又由“2”闭合到“3”。(1)求t0时的电压uC,并画出波形。(2)求电压uC恰好等于3 V的时刻t的值。,图 9.63 题9.24图,9.25 如图9.64所示,电路在换路前已处于稳态。当将开关S从位置1置于位置2后,试求iL,i。并作出它们的变化曲线。9.26 如图9.65所示,当具有电阻R=1 及电感L=0.2 H的电磁继电器中的电流i=30 A 时,继电器即动作而将电源切断。设负载电阻和线路电阻分别为RL=20,Rl=1,直流电源电压U=220 V,试问当负载被短路后,需要经过多少时间继电器才能将电源切断?,图 9.64 题9.25图,图9.65 题9.26图,9.27 如图9.66(a)所示的电路,输入电压u如图9.66(b)所示,设uC(0-)=0。试求uab,并画出其波形。,图 9.66 题9.27图,

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