三要素法暂态分析

高等教育出版社高等教育电子音像出版社1.12电路的暂态分析前面讨论的是电阻性电路，当接通电源或断开电源时电路立即进入稳定状态(稳态)。所谓稳态是指电路的结构和参数一定时，电路中电压、电流不变。但是，当电路中含有储能元件(电感或电容)时，由于物质所具有的能量不能跃变，所以在发生换路时(指电路接通、断开或结构和参数发生变化)，电路从一个稳定状态变化到另一个稳定状态一般需要经过过渡状态才能到达。由于过渡状态所经历的时间往往很短，故又称暂态过程。本节先讨论R、L、C的特征和暂态过程产生的原因，而后讨论暂态过程中电压、电流随时间变化的规律。高等教育出版社高等教育电子音像出版社上式表明电阻将全部电能消耗掉，转换成热能。(1)电阻元件iu+_R图中参考电压和电流方向一致，根据欧姆定律得出u=RitttRitui020ddR=ui电阻元件的参数电阻对电流有阻碍作用将u=Ri两边同乘以i，并积分之，则得R是耗能元件1.12.1电阻元件、电感元件和电容元件高等教育出版社高等教育电子音像出版社(安)A韦伯(Wb)亨利(H)电感(2)电感元件L=iN在图示u、i、e假定参考方向的前提下，当通过线圈的磁通或i发生变化时，线圈中产生感应电动势为L称为电感或自感。线圈的匝数越多，其电感越大；线圈单位电流中产生的磁通越大，电感也越大。L+–ui–eL+LieNLttdddd描述线圈通有电流时产生磁场、储存磁场能量的性质。iN+–u高等教育出版社高等教育电子音像出版社电压电流关系L+–ui–eL+根据KVL可写出u+eL=0或ddLiueLt在直流稳态时，电感相当于短路。瞬时功率ddipuiLitp0，L把电能转换为磁场能，吸收功率。p0，L把磁场能转换为电能，放出功率。储存的磁场能L是储能元件20021ddLiiLituiti高等教育出版社高等教育电子音像出版社(伏)V库仑(C)法拉(F)(3)电容元件电容元件的参数iu+–CuqC1F=106F1pF=1012F当通过电容的电荷量或电压发生变化时，则在电容中引起电流在直流稳态时，I=0，电容隔直流。储存的电场能C是储能元件tuCtqidddd20021ddCuuCutuitu高等教育出版社高等教育电子音像出版社1.12.2储能元件和换路定则电路中含有储能元件(电感或电容)，在换路瞬间储能元件的能量不能跃变，即换路引起电路工作状态变化的各种因素。如：电路接通、断开或结构和参数发生变化等。电感元件的储能不能跃变电容元件的储能不能跃变2CCWCu12iL(0+)=iL(0–)uC(0+)=uC(0–)设t=0为换路瞬间，而以t=0–表示换路前的终了瞬间，t=0+表示换路后的初始瞬间。换路定则用公式表示为：否则将使功率达到无穷大高等教育出版社高等教育电子音像出版社[例1]4R3+U6Vt=02SR1R24uCC+－+—iCiLt=0-iLuL确定电路中各电流与电压的初始值。设开关S闭合前L元件和C元件均未储能。[解]由t=0的电路uC(0)=0iL(0)=0因此uC(0+)=0iL(0+)=0高等教育出版社高等教育电子音像出版社+UR1i+uLiLR2R3uC+iCt=0+在t=0+的电路中电容元件短路，电感元件开路，求出各初始值uL(0+)=R2iC(0+)=41V=4V高等教育出版社高等教育电子音像出版社结论(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。高等教育出版社高等教育电子音像出版社1.12.3RC电路的暂态分析(1)零状态响应所谓RC电路的零状态，是指换路前电容元件未储有能量，即uC(0-)=0。在此条件下，由电源激励所产生的电路的响应，称为零状态响应。(2)零输入响应所谓RC电路的零输入，是指无电源激励，输入信号为零。在此条件下，由电容元件的初始状态uC(0+)所产生的电路的响应，称为零输入响应。(3)全响应所谓RC电路的全响应，是指电源激励和电容元件的初始状态uC(0+)均不为零时电路的响应，也就是零状态响应与零输入响应两者的叠加。高等教育出版社高等教育电子音像出版社USCRt=0–+12–+uR–+uCi在t=0时将开关S合到1的位置根据KVL，t≥0时电路的微分方程为设：S在2位置时C已放电完毕(1)零状态响应CCCutuRCuRiUdd高等教育出版社高等教育电子音像出版社CCCutuRCuRiUdd上式的通解有两个部分，特解和补函数CuCu特解取电路的稳态值，即UuuCC)(补函数是齐次微分方程0ddCCutuRC的通解，其形式为ptCAue代入上式，得特征方程01RCp高等教育出版社高等教育电子音像出版社SCRt=0–+U12–+uR–+uCi其根为11RCp通解etCCCuuuUA由于换路前电容元件未储能，即uC(0+)=0，则A=–U，于是得uC零状态响应表达式e(1e)ttCuUUU高等教育出版社高等教育电子音像出版社时间常数物理意义当t=时RC令:单位:s时间常数决定电路暂态过程变化的快慢uC=U(1e1)=U(10.368)=0.632UtuCUOu0.632U零状态响应曲线所以时间常数等于电压uC增长到稳态值U的63.2%所需的时间。高等教育出版社高等教育电子音像出版社(2)零输入响应UuC)0(+–SRU21+–CiCu0tRu+–C代入上式得0ddCCutuRCtuCCCddRuR换路前电路已处于稳态UuC)0(t=0时开关S1，电容C经电阻R放电一阶线性常系数齐次微分方程列KVL方程0CRuu实质：RC电路的放电过程高等教育出版社高等教育电子音像出版社特征方程RCp+1=0ptAuCe通解形式：RCp1因为　　　RCtCAue由初始值确定积分常数AuC(0+)=uC(0)=UuC()=0则A=U零输入响应表达式t≥0tCRCtCuUue)0(e高等教育出版社高等教育电子音像出版社uC零输入响应曲线OuUt时间常数=RC当t=时，uC=36.8%U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。越大，曲线变化越慢，uC达到稳态所需要的时间越长。高等教育出版社高等教育电子音像出版社0.368U231UtOuC设123高等教育出版社高等教育电子音像出版社暂态时间理论上认为t、uC0电路达稳态工程上认为t=(3~5)、uC0电容放电基本结束。tCu0.368U0.135U0.050U0.018U0.007U0.002U234651e2e3e4e5e6etete随时间而衰减当t=5时，过渡过程基本结束，uC达到稳态值。高等教育出版社高等教育电子音像出版社(3)全响应uC的变化规律全响应：电源激励、储能元件的初始能量均不为零时，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0e(1e)CttRCRCuUUuC(0)=U0SRU+_C+_i0tuC+_uRt≥0高等教育出版社高等教育电子音像出版社0e(1e)CttRCRCuUU0()etRCUUU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t≥0t≥0高等教育出版社高等教育电子音像出版社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：tffftfe)]()0([)()(式中，f(t)——一阶电路中任一电压、电流函数；f(0+)——初始值；f()——稳态值；——时间常数。(三要素)利用求三要素的方法求解暂态过程，称为三要素法。一阶电路都可以应用三要素法求解，在求得f(0+)、f()和的基础上，可直接写出电路的响应(电压或电流)。高等教育出版社高等教育电子音像出版社一阶电路暂态过程的求解方法一阶电路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。求解方法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)。②三要素法初始值稳态值时间常数求(三要素)高等教育出版社高等教育电子音像出版社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；终点f()起点f(0+))0()]0()([6320fff.tf(t)O高等教育出版社高等教育电子音像出版社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f()的计算响应中“三要素”的确定例：uC+t=0C10V5k1FS5k+Lit=03666mAS1HV5V55510)(CumA3mA6666)(Li高等教育出版社高等教育电子音像出版社②初始值f(0+)的计算1)由t=0电路求uC(0)、iL(0)2)根据换路定则求出)0()0()0()0(LLCCiiuu3)由t=0+时的电路，求所需其他各量的u(0+)或i(0+)注意：在换路瞬间t=(0+)的等效电路中1)若uC(0)=U00，电容元件用恒压源代替，其值等于U0;若uC(0)=0，电容元件视为短路。2)若iL(0)=I00电感元件用恒流源代替，其值等于I0;若iL(0)=0，电感元件视为开路。高等教育出版社高等教育电子音像出版社若不画t=(0+)的等效电路，则在所列t=0+时的方程中应有uC=uC(0+)、iL=iL(0+)。③时间常数的计算对于一阶RC电路CR0对于一阶RL电路0RL注意：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，在储能元件两端所求得的无源二端网络的等效电阻。高等教育出版社高等教育电子音像出版社R03210)//(RRRRU0+CR0R0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，如图所示。CR0R1R2R3R1U+t=0CR2R3S高等教育出版社高等教育电子音像出版社R2R1–U1C–+1+uCU2–+2t=0S[例2]在下图中，已知U1=3V，U2=+6V，R1=1k，R2=2k，C=3F，t0时电路已处于稳态。用三要素法求t≥0时的uC(t)，并画出其变化曲线。[解]先确定uC(0+)、uC()和时间常数t0时电路已处于稳态，意味着电容相当于开路。V2)0()0(2112RRURuuCCV4)(2122RRURuC高等教育出版社高等教育电子音像出版社[例2]在下图中，已知U1=3V，U2=+6V，R1=1k，R2=2k，C=3F，t0时电路已处于稳态。用三要素法求t≥0时的uC(t)，并画出其变化曲线。R2–U1C–+1+uCU2–+2t=0SR1[解]先确定uC(0+)uC()和时间常数V2)0()0(CCuuV4)(Cums2ms332)//(21CRRtCCCCuuuu-e)]()0([)(uC=42e500tVt≥0高等教育出版社高等教育电子音像出版社[例2]在下图中，已知U1=3V，U2=6V，R1=1k，R2=2k，C=3F，t0时电路已处于稳态。用三要素法求