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1、第3章 电路的暂态分析,3.1 电阻元件、电感元件与电容元件,3.3 RC电路的响应,3.4 一阶线性电路暂态分析的三要素法,3.6 RL电路的响应,3.5 微分电路与积分电路,3.2 储能元件和换路定则,本章教学要求：,1. 理解电路的暂态和稳态、零输入响应、零状 态响应、全响应的概念，以及时间常数的物 理意义。 2. 掌握换路定则及初始值的求法。 3. 掌握一阶线性电路分析的三要素法。 4. 了解微分电路和积分电路。,稳定状态： 在指定条件下电路中电压、电流已达到稳定值。,暂态过程： 电路从一种稳态变化到另一种稳态的过渡过程。,稳态,暂态,新的稳态,换路,换路: 电路状态的改变。如：,电路
2、接通、切断、 短路、电压改变或参数改变,电路暂态分析的内容,1. 利用电路暂态过程产生特定波形的电信号 如锯齿波、三角波、尖脉冲等，应用于电子电路。,研究暂态过程的实际意义,2. 控制、预防可能产生的危害 暂态过程开始的瞬间可能产生过电压、过电流使 电气设备或元件损坏。,(1) 暂态过程中电压、电流随时间变化的规律。,直流电路、交流电路都存在暂态过程, 我们讲课的重点是直流电路的暂态过程。,(2) 影响暂态过程快慢的电路的时间常数。,3.1.1 电阻元件,描述消耗电能的性质,根据欧姆定律:,即电阻元件上的电压与通过的电流成线性关系,线性电阻,金属导体的电阻与导体的尺寸及导体材料的 导电性能有关
3、，表达式为：,表明电能全部消耗在电阻上，转换为热能散发。,电阻的能量,3.1 电阻元件、电感元件与电容元件,电阻元件为耗能元件。,描述线圈通有电流时产生磁场、储存磁场能量的性质。,1. 物理意义,3.1.2 电感元件,线圈的电感与线圈的尺寸、匝数以及附近的介质的导磁性能等有关。,2.自感电动势：,(1) 自感电动势的参考方向,规定:自感电动势的参考方向与电流参考方向相同, 或与磁通的参考方向符合右手螺旋定则。,(2) 自感电动势瞬时极性的判别,eL与参考方向相反,eL具有阻碍电流变化的性质,eL与参考方向相同,3. 电感元件储能,根据基尔霍夫定律可得：,将上式两边同乘上 i ，并积分，则得：,
4、即电感将电能转换为磁场能储存在线圈中，当电流增大时，磁场能增大，电感元件从电源取用电能；当电流减小时，磁场能减小，电感元件向电源放还能量。,磁场能,电感元件不消耗能量，是储能元件。,3.1.3 电容元件,描述电容两端加电源后，其两个极板上分别聚集起等量异号的电荷，在介质中建立起电场，并储存电场能量的性质。,电容：,电容器的电容与极板的尺寸及其间介质的介电常数等关。,当电压u变化时，在电路中产生电流:,电容元件储能,将上式两边同乘上 u，并积分，则得：,即电容将电能转换为电场能储存在电容中，当电压增大时，电场能增大，电容元件从电源取用电能；当电压减小时，电场能减小，电容元件向电源放还能量。,电场
5、能,根据：,电容元件不消耗能量，也是储能元件。,3.2 储能元件和换路定则,1. 电路中产生暂态过程的原因,电流 i 随电压 u 比例变化。,合S后：,所以电阻电路不存在暂态过程 (R耗能元件)。,图(a)： 合S前：,例：,产生暂态过程的必要条件：, L储能：, C 储能：,产生暂态过程的原因： 由于物体所具有的能量不能跃变而造成,在换路瞬间储能元件的能量也不能跃变,(1) 电路中含有储能元件 (内因) (2) 电路发生换路 (外因),电容电路：,注：换路定则仅用于换路瞬间来确定暂态过程中 uC、 iL初始值。,2. 换路定则,电感电路：,3. 初始值的确定,求解要点：,(2) 再求其它电量
6、初始值。,初始值：电路中各 u、i 在 t =0+ 时的数值。,(1) 先求 uC( 0+)、iL ( 0+) 。,1) 由t =0-的电路（换路前稳态）求uC ( 0 ) 、iL ( 0 )；,2) 根据换路定律求 uC( 0+)、iL ( 0+) 。,1) 由t =0+的电路求其它电量的初始值；,2) 在 t =0+时的电压方程中 uC = uC( 0+)、 t =0+时的电流方程中 iL = iL ( 0+)。,暂态过程初始值的确定,例1,由已知条件知,根据换路定则得：,已知：换路前电路处稳态，C、L 均未储能。 试求：电路中各电压和电流的初始值。,暂态过程初始值的确定,例1:,iC 、
7、uL 产生突变,(2) 由t=0+电路，求其余各电流、电压的初始值,例2：,换路前电路处于稳态。 试求图示电路中各个电压和电流的初始值。,换路前电路已处于稳态：电容元件视为开路； 电感元件视为短路。,由t = 0-电路可求得：,例2：,换路前电路处于稳态。 试求图示电路中各个电压和电流的初始值。,解：,由换路定则：,例2：,换路前电路处稳态。 试求图示电路中各个电压和电流的初始值。,解：(2) 由t = 0+电路求 iC(0+)、uL (0+),uc (0+),由图可列出,带入数据,iL (0+),例2：,换路前电路处稳态。 试求图示电路中各个电压和电流的初始值。,解：解之得,并可求出,计算结
8、果：,电量,结论,1. 换路瞬间，uC、 iL 不能跃变, 但其它电量均可以跃 变。,3. 换路前, 若uC(0-)0, 换路瞬间 (t=0+)等效电路中, 电容元件可用一理想电压源替代, 其电压为uc(0+); 换路前, 若iL(0-)0 , 在t=0+等效电路中, 电感元件 可用一理想电流源替代，其电流为iL(0+)。,2. 换路前, 若储能元件没有储能, 换路瞬间(t=0+的等 效电路中)，可视电容元件短路，电感元件开路。,例3 如图所示电路中,已知US = 5 V，IS = 5 A，R = 5 。开关 S 断开前电路已稳定。求 S 断开后 R、 L 、C的电压和电流的初始值和稳态值。,
9、解 (1) 求初始值 由换路前( S 闭合时)电路,由换路后 (S 断开) 电路,电路重新稳定，C 相当于开路、L 相当于短路，可得,(2) 求稳态值,3.3 RC电路的响应,激励 (输入)：电路从电源 (包括信号源) 输入 的信号。,响应分类：,全响应 = 零输入响应 + 零状态响应,响应 (输出)：电路在外部激励的作用下，或者 在内部储能的作用下产生的电压和电流。,阶跃激励,产生原因,激励波形,内部储能作用,外部激励作用,1. 经典法: 根据激励(电源电压或电流)，通过求解 电路的微分方程得出电路的响应(电压和电流)。时 域分析。,2. 三要素法,仅含一个储能元件或可等效为一个储能元件的线
10、性电路, 由一阶微分方程描述，称为一阶线性电路。,一阶电路,一阶电路暂态过程的求解方法,代入上式得,换路前电路已处稳态,(1) 列 KVL方程,1. 电容电压 uC 的变化规律(t 0),零输入响应: 无电源激励, 输 入信号为零, 仅由电容元件的 初始储能所产生的响应。,实质：RC电路的放电过程,3 .3 .1 RC电路的零输入响应,(2) 解方程：,特征方程,由初始值确定积分常数 A,齐次微分方程的通解：,电容电压 uC 从初始值按指数规律衰减， 衰减的快慢由RC 决定。,(3) 电容电压 uC 的变化规律,电阻电压：,放电电流,电容电压,2. 电流及电阻电压的变化规律,3. 、 、 变化
11、曲线,4. 时间常数,(2) 物理意义,令:,单位: S,(1) 量纲,当 时,时间常数 决定电路暂态过程变化的快慢， 越大，变化越慢。,当 t =5 时，过渡过程基本结束，uC达到稳态值。,(3) 暂态时间,理论上认为 、 电路达稳态,工程上认为 、 电容放电基本结束。,随时间而衰减,3.3.2 RC电路的零状态响应,零状态响应: 储能元件的初 始能量为零， 仅由电源激励所产生的电路的响应。,实质：RC电路的充电过程,分析：在t = 0时，合上开关s， 此时, 电路实为输入一 个阶跃电压u，如图。 与恒定电压不同，,一阶线性常系数 非齐次微分方程,方程的通解 =方程的特解 + 对应齐次方程的
12、通解,1. uC的变化规律,(1) 列 KVL方程,(2) 解方程,求特解 ：,求对应齐次微分方程的通解,微分方程的通解为,确定积分常数A,根据换路定则在 t=0+时，,(3) 电容电压 uC 的变化规律,暂态分量,稳态分量,电路达到 稳定状态 时的电压,仅存在 于暂态 过程中,3. 、 变化曲线,当 t = 时, 表示电容电压 uC 从初始值上升到 稳态值的 63.2% 时所需的时间。,2. 电流 iC 的变化规律,4. 时间常数 的物理意义,当 t = 5 时, 暂态基本结束, uC 达到稳态值。,3.3.3 RC电路的全响应,1. uC 的变化规律,全响应: 电源激励、储能元件的初始能量
13、均不为零时，电路中的响应。,根据叠加定理 全响应 = 零输入响应 + 零状态响应,稳态分量,零输入响应,零状态响应,暂态分量,结论2： 全响应 = 稳态分量 +暂态分量,全响应,结论1： 全响应 = 零输入响应 + 零状态响应,稳态值,初始值,稳态值,初始值,3.4 一阶线性电路暂态分析的三要素法,仅含一个储能元件或可等效为一个储能元件的线性电路, 且由一阶微分方程描述，称为一阶线性电路。,据经典法推导结果,全响应,：代表一阶电路中任一电压、电流函数,式中,在直流电源激励的情况下，一阶线性电路微分方 程解的通用表达式：,利用求三要素的方法求解暂态过程，称为三要素法。 一阶电路的响应（电压或电流
14、）都可用三要素法求解。,电路响应的变化曲线,三要素法求解暂态过程的要点,(1) 求初始值、稳态值、时间常数；,(3) 画出暂态电路电压、电流随时间变化的曲线。,(2) 将求得的三要素结果代入暂态过程通用表达式；,求换路后电路中的电压和电流 ，其中电容 C 视为开路, 电感L视为短路，即求解直流电阻性电路中的电压和电流。,(1) 稳态值 的计算,响应中“三要素”的确定,1) 由t=0- 电路求,在换路瞬间 t =(0+) 的等效电路中,注意：,(2) 初始值 的计算,1) 对于简单的一阶电路 ，R0=R ;,2) 对于较复杂的一阶电路， R0为换路后的电路 除去电源和储能元件后，在储能元件两端所
15、求得的 无源二端网络的等效电阻。,(3) 时间常数 的计算,对于一阶RC电路,对于一阶RL电路,注意：,R0的计算类似于应用戴维宁定理解题时计算电路等效电阻的方法。即从储能元件两端看进去的等效电阻。,例1：,电路如图，t=0时合上开关S，合S前电路已处于 稳态。试求电容电压 和电流 。,(1)确定初始值,由t=0-电路可求得,由换路定则,(2) 确定稳态值,由换路后电路求稳态值,(3) 由换路后电路求 时间常数 ,54V,t,0,用三要素法求,例2：,由t=0-时电路,电路如图，开关S闭合前电路已处于稳态。 t=0时S闭合，试求：t 0时电容电压uC和电流iC、 i1和i2 。,求初始值,求时
16、间常数,求稳态值,例3 已知：IS=10mA，R1=2k，R2=1k，C=3F。求S断开后电流源两端的电压u。,解：,例4在图所示电路原已稳定，在 t = 0 时，将开关 S 闭合，试求 S 闭合后的 uC 和 iC。,解：,例5图所示电路中电容原先未充电。在 t = 0 时将开关 S1 闭合， t = 0.1s 时将开关 S2 闭合，试求 S2 闭合后的响应 uR1。,t = 0.1s时，S2合上，则,该电路两次换路，第二次换路 (S2 闭合) 时 uC 的初始值应等于第一次换路 (S1 闭合) 后 uC 在 t = 0.1s 时数值。,t 在 00.1 s 时，电路为图 (a) 所示，且 uC(
