第7章-一阶电路-电路分析基础-教学课件.ppt
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1、第七章 一阶电路本章主要内容:1 1、RC RC、RLRL电路的电路的零输入响应零输入响应;2 2、RC RC、RLRL电路的电路的零状态响应零状态响应;3 3、一阶电路的;暂态与稳态一阶电路的;暂态与稳态 ;4 4、一阶电路的、一阶电路的三要素法三要素法;5 5、阶跃函数和阶跃响应;子区间、阶跃函数和阶跃响应;子区间分析法。分析法。引言引言一、什么叫一阶电路?一、什么叫一阶电路?1 1)用一阶微分方程描述其变量的电路。)用一阶微分方程描述其变量的电路。2 2)只含一个动态元件)只含一个动态元件(C(C、L)L)的电路。的电路。二、如何分析一阶电路?二、如何分析一阶电路?电路变量依旧受到两类约
2、束:电路变量依旧受到两类约束:q 元件约束元件约束q 拓扑约束拓扑约束但有变化:动态元件的但有变化:动态元件的VARVAR为微积分方程。为微积分方程。7-1 7-1 分解的方法在动态电路分析中的应用分解的方法在动态电路分析中的应用一、把一阶电路的动态元件分离出来,可以得到典一、把一阶电路的动态元件分离出来,可以得到典型的一阶电路:型的一阶电路:其中其中N N为一般的线性含源单口网络。而为一般的线性含源单口网络。而N N可以化简可以化简为戴维南等效电路或诺顿等效电路,如图为戴维南等效电路或诺顿等效电路,如图b b)。)。这样一阶电路的分析问题,转化为图这样一阶电路的分析问题,转化为图b b)RC
3、RC或或RLRL电路的分析问题。电路的分析问题。2 2、一阶微分方程的求解:、一阶微分方程的求解:1 1)齐次方程齐次方程通解:通解:2 2)非非齐次方程齐次方程特解:特解:W=Q 常数常数*3 3)K K确定:确定:常系数非齐次一阶微分方程常系数非齐次一阶微分方程由初始条件解出由初始条件解出K K完全解为:完全解为:特解的形式:特解的形式:3 3、RCRC电路微分方程的求解电路微分方程的求解初始条件代入(初始条件代入(2 2):):关于初始条件的说明。四、小结四、小结利用分解方法分析一阶电路的方法:v 把电路分解为一个动态元件和一个单口网;v 把单口网络化为最简单的形式,得到RC或RL 电路
4、;v 布列RC或RL电路的微分方程,解出状态变 量;v 用电压源或电流源置换动态元件,得到纯电 阻电路;v 分析纯电阻电路,求解余下变量。以上方法可以处理所有一阶电路。73 一阶电路的零输入响应一、一、RC RC 电路的零输入响应电路的零输入响应 电路在没有外界输入的情况下,只由电路中动电路在没有外界输入的情况下,只由电路中动态元件初始储能作用而产生的响应为零输入响应。态元件初始储能作用而产生的响应为零输入响应。(输入为零)(输入为零)图图(a)所所示示电电路路,开开关关原原来来在在1端端,电电容容电电压压已已经达到经达到U0,在,在t=0时开关由时开关由1端转换到端转换到2端,如图端,如图(
5、b)求:求:uC(t);iC(t),t 0 t 0 充电充电 t=0 换路换路 t0 放电放电1.1.定性分析定性分析最后得到电路的零输入响应为最后得到电路的零输入响应为:uC(0+)02 3 4uC(t)t(s)t(s)O23 4iC(t)电流可以跃变电流可以跃变换换 路路:电路由电源接入或断开,元件参:电路由电源接入或断开,元件参 数或电路结构突然改变。数或电路结构突然改变。过渡过程:电路由一种稳定状态向另一种稳过渡过程:电路由一种稳定状态向另一种稳 定状态过渡的过程。定状态过渡的过程。时间常数:时间常数:=RC它决定了它决定了u uC C 衰减的快慢衰减的快慢,RC 大,表示衰减的慢大,
6、表示衰减的慢;RC 小,表示衰减的快。小,表示衰减的快。换路定律:换路定律:二、RL 电路的零输入响应电路的零输入响应如图如图a)a),求求 iL(t),uL(t),t 0。解:解:1.1.定性分析定性分析 t 0 储磁场能储磁场能 t=0 换路换路 t0 衰减到零衰减到零三、结论:三、结论:1 1RCRC电路(或电路(或RLRL电路)电压与电流的零输电路)电压与电流的零输入响应都是从它的初始值按指数规律衰入响应都是从它的初始值按指数规律衰减到零。减到零。2 2 表达式:表达式:X(0X(0+)初始值初始值 时间常数时间常数3 3二者零输入响应、时间常数具有对偶性。二者零输入响应、时间常数具有
7、对偶性。=RC RC =GL=L/RGL=L/R例例1:电路如图:电路如图(a)所示,已知电容电压所示,已知电容电压uC(0-)=6V。t=0闭合开关,求闭合开关,求t 0时时uC(t)、iC(t)、iR(t)。解:在开关闭合瞬间,电容电压不能跃变,得到解:在开关闭合瞬间,电容电压不能跃变,得到 将连接电容两端的单口网络等效于一个电阻,为将连接电容两端的单口网络等效于一个电阻,为 电阻中的电流电阻中的电流iR(t)可以用与可以用与iC(t)同样数值的同样数值的电流源代替电容,用电阻并联的分流公式求得电流源代替电容,用电阻并联的分流公式求得iR(t)例2:362i1uC+_100F已知 uC(0
8、+)=18V求:uC(t),i1(t),t 0例3:31iu+_4 H0.5u已知i(0+)=2A 求:i(t),u(t),t 0+_USuC(t)RiC(t)解:1、布列微分方程:2、解微分方程:1)uC(t)的零状态响应是从零按指数规律 上升到它的稳态值 uC();tuC()uC(t)O2)当t4,uC()=Us是电容 C 开路时 uC 的值。表示为iC=0,3、分析:uC(0)=0Us4 4、求电容电流:解一:解二:tOiCRCRL+_uLiLiRIS2、解微分方程:1)iL 的零状态响应是从零按指数规律上升到它的稳态值 iL()。当t4,iL(t)接近稳态值。iL()=IS,是电感短路
9、时的值。tiL()iLIS2)iL 零状态响应的快慢,取决于电路的时间 常数(=L/R)。越小,上升越快。3、分析:4三、结论:1.1.u uC C(t t)和和i iL L(t(t)的零状态响应是从零按指数的零状态响应是从零按指数 规律上升到它的稳态规律上升到它的稳态i iL L();i iC C(t t)和和u uL L(t(t)是按指数规律衰减到零。是按指数规律衰减到零。2.2.状态变量:状态变量:X()X()稳态值稳态值;时间常数时间常数3.3.非状态变量:非状态变量:i iC C(t)t)和和 u uL L(t)(t)。求解方法:先求状态变量,再求非状态变量。求解方法:先求状态变量,
10、再求非状态变量。例例1电路如图电路如图(a),已知,已知uC(0-)=0。t=0打开开关,打开开关,求:求:t 0的的uC(t),iC(t)及电阻电流及电阻电流i1(t)。解:在开关打开瞬间,电容电压不能跃变,得到解:在开关打开瞬间,电容电压不能跃变,得到将连接电容两端的单口网络等效为戴维南电路图将连接电容两端的单口网络等效为戴维南电路图(b)电路的时间常数为电路的时间常数为 当电路达到新的稳定状态时,电容相当开路得当电路达到新的稳定状态时,电容相当开路得 根据图(根据图(a)所示电路,用)所示电路,用KCL方程得到方程得到t(s)iC(A)234O0.4t(s)uC(V)120234O例例2
11、电路如图电路如图(a)所示,已知电感电流所示,已知电感电流iL(0-)=0。t=0闭合开关,求:闭合开关,求:t 0的的iL(t)t),uL(t)(t),i(t)t)。解:电感电流不能跃变,即解:电感电流不能跃变,即将连接电感的单口网络用诺顿等效电路代替,得图将连接电感的单口网络用诺顿等效电路代替,得图(c)75 线性动态电路的叠加定理一、RC电路的完全响应:由动态元件的初始储能和外施激励共同引起的响应,称为完全响应。例:已知电路如图(a)所示,uC(0-)=U0,t=0 时开关倒向2端。求:uC(t),t 0。以电容电压以电容电压uC(t)为变量,列出图为变量,列出图(b)电路微分方电路微分
12、方程程其解为其解为 代入初始条件代入初始条件求得求得 于是得到电容电压表达式于是得到电容电压表达式 :第一项是对应微分方程的通解第一项是对应微分方程的通解uCh(t),称为电,称为电路的固有响应或自由响应。路的固有响应或自由响应。将随时间增长而按指将随时间增长而按指数规律衰减到零,也称为数规律衰减到零,也称为暂态响应暂态响应。第二项是微分方程的特解第二项是微分方程的特解uCp(t),其变化规律,其变化规律与输入相同,称为强制响应。与输入相同,称为强制响应。当当t时时uC(t)=uCp(t)也称为稳态响应。也称为稳态响应。固有响应:与输入无关,由电路本身决定。固有响应:与输入无关,由电路本身决定
13、。暂态响应:在过渡过程暂态响应:在过渡过程(0-4(0-4 )的响应。的响应。强制响应:与外加激励有关。强制响应:与外加激励有关。稳态响应:在过渡过程完成以后的响应。稳态响应:在过渡过程完成以后的响应。tuC(0+)USUSuC(0+)全响应全响应注意注意 线性动态电路中任一支路电压或电流的线性动态电路中任一支路电压或电流的完全响应等于零输入响应与零状态响应之和。完全响应等于零输入响应与零状态响应之和。零输入响应+零状态响应全响应=二、线性动态电路的叠加定理二、线性动态电路的叠加定理:uC(0+)t234OuCUS三、完全响应的三种分解方式:三、完全响应的三种分解方式:1.1.完全响应完全响应
14、=零输入响应零输入响应+零状态响应零状态响应 线性动态电路的叠加定理说明:线性动态电路的叠加定理说明:2.2.完全响应完全响应=暂态响应暂态响应+稳态响应稳态响应3.3.完全响应(完全解)完全响应(完全解)=通解通解+特解特解1 1)适用于任意线性动态电路)适用于任意线性动态电路2 2)电路中储能元件的等效叠加)电路中储能元件的等效叠加四、线性动态电路叠加定理与线性电阻电四、线性动态电路叠加定理与线性电阻电路叠加定理的关系路叠加定理的关系若把动态元件的初始值也看成一种输入,则线性动态定理叠加定理与线性电阻定理叠加定理是一致的。线性动态电路的叠加定理告诉我们:叠加的方法同样可以用来分析动态电路。
15、例例1下图所示电路原来处于稳定状态。下图所示电路原来处于稳定状态。t=0时开关断时开关断开,求开,求t 0的电感电流的电感电流iL(t)和电感电压和电感电压uL(t)。iL(0+)=0.25A解:在解:在t0时的电路中,用诺顿等效电路代替连接电感的含时的电路中,用诺顿等效电路代替连接电感的含源电阻单口网络,得到图源电阻单口网络,得到图(b)所示电路,该电路的微分方程所示电路,该电路的微分方程为为 其全解为其全解为 式中式中 代入上式得到代入上式得到 代入初始条件代入初始条件其中第一项是瞬态响应,第二项是稳态响应。电路在其中第一项是瞬态响应,第二项是稳态响应。电路在开关断开后,经过开关断开后,经
16、过(45)的时间,即经过的时间,即经过(810)ms的过的过渡时期,就达到了稳态。渡时期,就达到了稳态。于是于是 可以得到可以得到 电电感感电电流流iL(t)的的全全响响应应也也可可以以用用分分别别计计算算出出零零输输入入响响应应和和零零状状态态响响应应,然然后后相相加加的的方方法法求求得得。电电感感电电流流iL(t)的的零输入响应为零输入响应为电感电流电感电流iL(t)的零状态响应为的零状态响应为 iL(t)的全响应为零输入响应与零状态响应之和的全响应为零输入响应与零状态响应之和电感电压的全响应可以利用电感元件的电感电压的全响应可以利用电感元件的VCR方程求得方程求得例例2电路如下图电路如下
17、图(a)所示。所示。已知已知 uC(0-)=4V,uS(t)=(2+e-2t)V,求电容电压求电容电压uC(t)的全响应。的全响应。解:将全响应分解为解:将全响应分解为(零输入响应零输入响应)(2V电压源引起的零状电压源引起的零状态响应态响应)(e-2t电压源引起的零状态响应电压源引起的零状态响应)。现在分别。现在分别计计算响应的几个分量然后相加得到全响应。算响应的几个分量然后相加得到全响应。首先列出图首先列出图(a)电路的微分方程和初始条件电路的微分方程和初始条件图图8-191.求电路的零输入响应求电路的零输入响应见图见图(b)电路电路求得求得列出齐次微分方程和初始条件列出齐次微分方程和初始
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