基本RL和RC电路.ppt
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1、基本基本RL和和RC电电路路第八章 一阶动态电路基本RL和RC电路本章目录8.1 动态电路概述动态电路概述8.2 一阶动态电路的零输入响应一阶动态电路的零输入响应8.3 奇异函数奇异函数8.4 一阶动态电路的零状态响应一阶动态电路的零状态响应一阶动态电路一阶动态电路一阶动态电路一阶动态电路8.5 一阶动态电路的全响应一阶动态电路的全响应8.6 本章小结本章小结n动态电路动态电路:含有动态元件含有动态元件(电感、电容电感、电容)的电路的电路,通常用微分通常用微分方程描述方程描述.n一阶动态电路一阶动态电路:只含有一个只含有一个独立独立动态元件的电路动态元件的电路,用一阶微用一阶微分方程描述分方程
2、描述.n动态电路时域分析动态电路时域分析:将动态电路中的激励和响应都表示为将动态电路中的激励和响应都表示为时间时间t的函数的函数,采用微分方程来描述和分析动态电路的过程采用微分方程来描述和分析动态电路的过程.1、动态电路基本概念、动态电路基本概念(a)(b)(c)一阶动态电路一阶动态电路 (d)二阶动态电路二阶动态电路基本RL和RC电路n零输入零输入(zero input):在在t=t0+时刻时刻,电路中电路中无外加激励电源无外加激励电源.n零状态零状态(zero state):在在t=t0+时刻时刻,电路内部各动态元件的电路内部各动态元件的独独立初始条件为零立初始条件为零(初始储能为零初始储
3、能为零).n零输入响应零输入响应:在零输入条件下在零输入条件下,仅由储能元件的非零初始状仅由储能元件的非零初始状态引起的响应态引起的响应.n零状态响应零状态响应:在零状态条件下在零状态条件下,仅由外加输入引起的响应仅由外加输入引起的响应.n稳态稳态(steady state):如果描述如果描述电电路的物理量路的物理量(电压电压,电电流流)为为常常量量或者或者周期周期变变化化时时,则则称称电电路路进进入入稳稳定状定状态态,简简称称稳态稳态.n暂态暂态(transient state):电路不处于稳定状态即处于暂态响应电路不处于稳定状态即处于暂态响应.暂态过程对应着电路由一种稳态过渡到另一种稳态的
4、过程暂态过程对应着电路由一种稳态过渡到另一种稳态的过程.8.1 动态电路概述基本基本RL和和RC电路电路8.1 动态电路概述n换路换路(commutation):动态电路中动态电路中,在在t=t0+时刻时刻,由任何原因由任何原因引起的电路结构的改变引起的电路结构的改变(如开关换位、线路短接或开路如开关换位、线路短接或开路),或或是电路元件参数改变是电路元件参数改变,统称为统称为换路换路,将将t=t0+时刻称为时刻称为换路时换路时刻刻.n任何物理可实现电路任何物理可实现电路,在换路瞬间电路中的储能不发生突变在换路瞬间电路中的储能不发生突变.n换路使得动态电路的工作状态发生改变换路使得动态电路的工
5、作状态发生改变.n换路之后换路之后,动态电路通常要经历暂态过程动态电路通常要经历暂态过程.换路定律换路定律:在换路前后在换路前后,如果电容电流或电如果电容电流或电感电压为有限值感电压为有限值,则在换路前后瞬间则在换路前后瞬间,电容电容电压电压或或电感电流电感电流不能突变不能突变,即有即有:n用用t=t0表示换路瞬间表示换路瞬间,称电路变量称电路变量y(t)在在t=t0 时的值时的值(y(t0)为换路前的值为换路前的值,称称t=t0+时的值时的值(y(t0+)为换路后的值为换路后的值,或称或称初初始值始值.n初始状态初始状态:在在t=t0+时动态电路中各电路变时动态电路中各电路变量量y(t)的的
6、初始值初始值y(t0+)的集合称为电路的的集合称为电路的初初始状态始状态.基本基本RL和和RC电路电路8.1 动态电路概述n独立初始条件独立初始条件:动态电路中在动态电路中在t=t0+时刻时刻电容电压的初始值电容电压的初始值vC(t0+)以及以及电感电流电感电流的初始值的初始值iL(t0+)称为该电路的独立初始称为该电路的独立初始条件条件.其它电路变量的初始值称为其它电路变量的初始值称为非独立非独立初始条件初始条件.n对于对于n阶电路阶电路,有有n个独立初始条件个独立初始条件,用于用于求解电路求解电路.基本基本RL和和RC电路电路8.1 动态电路概述(2)动态电路的分析方法动态电路的分析方法n
7、求解微分方程法求解微分方程法(经典法经典法)根据根据KCL、KVL和支路的和支路的VCR,建立描述建立描述电电路路变变量之量之间间关系的关系的微分方程微分方程,求解微分方程得到各求解微分方程得到各电电路路变变量量.适用于各种情况适用于各种情况,求解求解过过程复程复杂杂.n三要素法三要素法直接计算构成响应的各电路变量直接计算构成响应的各电路变量(要素要素),代入对应的响应代入对应的响应形式中形式中.计算方便计算方便,仅适用于仅适用于直流或正弦激励的一阶动态电路直流或正弦激励的一阶动态电路.(1)动态电路的分析角度动态电路的分析角度n电路的工作状态电路的工作状态:分分为为自由响自由响应应(暂态暂态
8、响响应应)和和受迫响受迫响应应(稳态稳态响响应应).n根据产生响应的原因根据产生响应的原因:分为分为零输入响应零输入响应和和零状态响应零状态响应.基本基本RL和和RC电路电路8.1 动态电路概述一阶动态电路的零输入响应一阶动态电路的零输入响应(RC/RL)一阶动态电路的零状态响应一阶动态电路的零状态响应(RC/RL)一阶动态电路的全响应一阶动态电路的全响应(三要素法三要素法)分析典型电路分析典型电路,求解微分方程求解微分方程总结解的经验公式总结解的经验公式求解基本要素求解基本要素,代入经验公式代入经验公式基本RL和RC电路n零输入响应零输入响应:在没有外加激励条件下在没有外加激励条件下,仅由电
9、容或电感的非零仅由电容或电感的非零初始状态引起的响应初始状态引起的响应.n零输入响应由动态元件的初始储能产生零输入响应由动态元件的初始储能产生,体现的是在没有外体现的是在没有外部激励干预的部激励干预的“自由自由”状态下电路的表现状态下电路的表现,反映了电路的反映了电路的固固有属性有属性,因此因此,零输入响应属于零输入响应属于自由响应自由响应.n在零输入响应中在零输入响应中,动态元件的初始储能将消失殆尽动态元件的初始储能将消失殆尽,因此零输因此零输入响应终将为入响应终将为零零.初始条件初始条件:i(t)=I0基本RL和RC电路8.2 零输入响应1、RL电路的零输入响应电路的零输入响应8.2 零输
10、入响应电感电压电感电压vC(t)在换路瞬间有在换路瞬间有一个负向跳变一个负向跳变,从从vC(0)=0跳跳变到变到vC(0+)=I0R,随时间按指随时间按指数规律需趋近于零数规律需趋近于零.RL电路的零输入响应都电路的零输入响应都 是随时是随时间衰减的指数函数间衰减的指数函数.电感电流电感电流iC(t)从初始值从初始值I0开始开始,随时间按随时间按指数规律下降指数规律下降,最终趋近于零最终趋近于零.8.2 零输入响应8.2 零输入响应基本RL和RC电路例例1 已知已知t=0时时iL=2A,求求t0时的时的iL(t)表达式表达式.(例题例题8.1 pp.231)8.2 零输入响应基本RL和RC电路
11、例例2 电路图如下图所示电路图如下图所示,求求t=200ms时时v的值的值.(例题例题8.2 pp.233)第第1步步:求独立初始条件求独立初始条件第第2步步:写出响应写出响应8.2 零输入响应基本RL和RC电路练习练习1 电路图如下图所示电路图如下图所示,求求t0时电压时电压v.(pp.234)8.2 零输入响应基本基本RL和和RC电路电路iL(t)呈现指数衰减呈现指数衰减时间常数的单位是秒时间常数的单位是秒(s).几何意义几何意义:等于响应的初始衰减速率的倒数的相反数等于响应的初始衰减速率的倒数的相反数.物理意义物理意义:等于响应沿初始衰减速率下降到等于响应沿初始衰减速率下降到0所需的时间
12、所需的时间.等于响应下降到初始值的等于响应下降到初始值的36.8%所经历的时间所经历的时间.反映了动态元件反映了动态元件(充充)放电的速率放电的速率,即即暂态过程的变化快慢程度暂态过程的变化快慢程度.值越大值越大,(充充)放电所需时间越长放电所需时间越长,暂态过程经历的时间越长暂态过程经历的时间越长.8.2 零输入响应 对对(充充)放放电电时时间间的的影影响响:经经过过 5 的的时间时间,(充充)放电基本结束放电基本结束.基本基本RL和和RC电路电路t01 2 3 4 5 iL(t)/I01 0.368 0.135 0.05 0.018 0.007 0L越大越大 越大越大R越小越小电感储能越多
13、电感储能越多电阻消耗功率越小电阻消耗功率越小(充充)放电时间越长放电时间越长基本RL和RC电路8.2 零输入响应1、RC电路的零输入响应电路的零输入响应C越大越大 越大越大R越大越大电容储能越多电容储能越多电阻消耗功率越小电阻消耗功率越小放电时间越长放电时间越长8.2 零输入响应电容电流电容电流iC在电容开始放电瞬在电容开始放电瞬间有一个正向跳变间有一个正向跳变,从从i(0)=0跳变到跳变到i(0+)=V0/R,随时间按随时间按指数规律下降而趋于零指数规律下降而趋于零.RC电路的零输入响应都是随电路的零输入响应都是随时间衰减的指数函数时间衰减的指数函数.在电路在电路放电过程中放电过程中,电容电
14、压电容电压vC从初从初始值始值V0开始开始,随时间按指数规随时间按指数规律下降而趋于零律下降而趋于零.8.2 零输入响应8.2 零输入响应基本RL和RC电路例例3 电路图如下图所示电路图如下图所示,求求t=200 s时电压时电压v.(例题例题8.3 pp.240)第第1步步:求独立初始条件求独立初始条件第第2步步:求时间常数求时间常数8.2 零输入响应基本RL和RC电路练习练习2 电路图如下图所示电路图如下图所示,求求v(0)和和v(2ms).(练习练习8.4 pp.241)8.2 零输入响应RL电路的电路的iL(t)及及RC电路的电路的vC(t)的零输入响应都呈现指数的零输入响应都呈现指数衰
15、减形式衰减形式,解的形式只与电路本身结构解的形式只与电路本身结构()有关有关,其幅度仅其幅度仅取决于电容或电感的初始储能取决于电容或电感的初始储能(iL(0+)或或vC(0+).一阶动态电路的零输入响应都属于一阶动态电路的零输入响应都属于暂态过程暂态过程,响应随时间响应随时间的增大以指数衰减形式趋于零的增大以指数衰减形式趋于零.8.2.3 零输入响应的求解步骤8.2 零输入响应公式法求解零输入响应的步骤公式法求解零输入响应的步骤:Step 1:求初始值求初始值 y(0+)Step 2:求时间常数求时间常数 Step 3:写出零输入响应写出零输入响应该方法仅适用于求直流或正弦该方法仅适用于求直流
16、或正弦激励情况下的一阶动态电路激励情况下的一阶动态电路基本基本RL和和RC电路电路1.求求vC(0)和和iL(0):画出画出t0时的电路时的电路,计算从电容或电感两端看进去的内部计算从电容或电感两端看进去的内部无源网络的等效电阻无源网络的等效电阻Req.2.求时间常数求时间常数 对于对于RC电路电路,=ReqC.对于对于RL电路电路,=L/Req.8.2 零输入响应基本基本RL和和RC电路电路1.对于独立变量对于独立变量vC(t)和和iL(t)直接根据直接根据vC(0+)和和iL(0+),以及时间常数以及时间常数,写出零输入响应写出零输入响应.2.对于非独立变量对于非独立变量y(t)先求先求v
17、C(t)或或iL(t),再求解再求解y(t).8.2 零输入响应基本RL和RC电路例例4 电路图如下图所示电路图如下图所示,确定确定t0时的时的i1和和iL.(例题例题8.4 pp.243)8.2 零输入响应基本RL和RC电路练习练习3 下图所示电路的开关在下图所示电路的开关在t=0时刻闭合时刻闭合,计算计算t0时刻的时刻的:(a)iL;(b)i1;(c)i2.(练习练习8.5 pp.244)8.2 零输入响应基本RL和RC电路练习练习4 求下图所示电路中的求下图所示电路中的vC(t)和和v0(t).(练习练习8.6 pp.246)8.2 零输入响应基本RL和RC电路例例5 电路图如下图所示电
18、路图如下图所示,已知已知v(0)=2V,求求vC(t).(例例8.5 pp.246)vC(t)呈现指数增长呈现指数增长,工作状态不稳定工作状态不稳定8.2 零输入响应基本RL和RC电路练习练习5 下图所示电路中下图所示电路中,已知已知vC(0)=11V,求求vC(t),t0.(练习练习8.7 pp.247)8.2 零输入响应8.2 零输入响应Vs:直流电源,直流电源,R1R21.充电阶段充电阶段 1=R1C,t充电充电=5 1=5R1C充电电流小充电电流小,缓慢充电缓慢充电2.放电阶段放电阶段 2=R2C,t放电放电=5 2=5R2C放电电流大放电电流大,快速放电快速放电例例 照相机闪光电路包
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