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一阶电路的零输入响应教学设计VIP免费

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§8-4一阶电路的零输入响应仅含一个独立储能元件的电路称为一阶电路。当电路中没有激励,仅由储能元件的初始储能引起的响应,称为零输入响应。一、RC电路的零输入响应如图8-4-1所示电路,开关原在位置1,电路已达稳态,电压源电压为,则。在时刻,由1切换至2,下面推求零输入响应、。当,切换至2后,由得:(式8-4-1)将代入上式得:(式8-4-2)(式8-4-2)是一个一阶线性常系数齐次微分方程,其特征方程为:特征根为:齐次方程的通解为:(式8-4-3)(式8-4-3)中的积分常数A由初始条件确定。由换路定则得:,代入(式8-4-3),则有:于是:(式8-4-4)(式8-4-5)(式8-4-5)中的负号表示实际的电容放电电流方向与假设的参考方向相反。还可以这样求,图8-4-1即:图8-4-2绘出了、的曲线图,它们都按指数规律衰减。在(式8-4-4)和(式8-4-5)中,含,具有时间的量纲,因而称为电路的时间常数。当为1法拉,为1欧姆时,为1秒。时间常数的大小反映了过渡过程进展的快慢。越大,过渡过程维持的时间越长、过渡过程进行得越慢;越小,过渡过程维持的时间越短、过渡过程进行得越快。下面以电容电压的衰减曲线为例,介绍求时间常数的图解法。在图8-4-3中,从衰减曲线上任一点P作切线,它与轴的交点为,从P点作轴的垂直线,与轴的交点为P’,则:通过实验得出或的衰减曲线,再由图解法求出,这在实际工作中是一种有用的方法。图8-4-2时间常数的大小取决于电路的结构和参数,而与激励无关。串联电路的时间常数。、愈大,愈大。当一定、愈大,则电容上储存的初始能量越大,放电时间愈长;当一定、愈大,则放电电流愈小,放电时间愈长。二、电路的零输入响应如图8-4-4所示电路,电压源电压为,开关原置于位置1,且电路已达稳态,此时电感相当于短接,。当时,开关由1切换至2,求零输入响应、。开关切换至2后,如图8-4-4选定参考方向,由得到:(式8-4-7)(式8-4-7)是一个一阶线性常系数齐次微分方程,其特征方程为:特征根为:(式8-4-8)齐次方程的通解为:(式8-4-9)(式8-4-9)中的积分常数A由初始条件确定。由换路定则:(式8-4-10)由(式8-4-9):于是:(式8-4-11)可见换路后,电流从初值按指数规律衰减,最终衰减至零,如图8-4-5所示。图8-4-3图8-4-4电阻电压:(式8-4-12)电感电压:(式8-4-13)、相差一个负号,两者的变化规律都与电流相同。它们随时间变化曲线亦示于图8-4-5中。在(式8-4-11)至(式8-4-13)中,含,具有时间的量纲,当为1欧姆,为1亨利,则为1秒,与电路中的时间常数一样,它反映了过渡过程进展的快慢。§8-5一阶电路的零状态响应当所有的储能元件均没有初始储能,电路处于零初始状态情况下,外加激励在电路中产生的响应称为零状态响应。下面分别讨论激励为直流、正弦交流情况下,、电路的零状态响应。一、直流激励下的零状态响应。1、串联电路如图8-5-1所示,开关原置于位置2,电路已达稳态,即,电容上无初始储能。在时刻,开关由2切换至1,电路接通直流电压源,求换路后的零状态响应、、。图8-4-5当,开关切换至1,由得:(式8-5-1)这是一个一阶线性常系数非齐次微分方程。由微分方程求解的知识得:特解:齐次方程的通解:全解为:(式8-5-2)根据换路定则:由(式8-5-2):因此:最终求得:(式8-5-3)(式8-5-4)(式8-5-5)根据(式8-5-3)—(式8-5-5),画出零状态响应、与随时间变化的曲线,如图8-5-2所示。图8-5-1在图8-5-1所示电路中,当后,电压源对电容充电。电容从初始电压为零逐渐增大,最终充电至稳态电压,而电流则从初始值逐渐减小,最终衰减至稳态值零。2、串联电路。如图8-5-3所示,开关置于位置2,电路已达稳态,即,电感上无初始储能。在时刻,开关由2切换至1,电路接通直流电压源,求换路后的零状态响应、和。当后,开关切换至1,由得:(式8-5-6)(式8-5-6)是一个一阶线性常系数非齐次微分方程。该方程的全解是特解和齐次方程的通解之和,即:(式8-5-7)表示全解,表示特解,表示通解。换路后电路达到新的稳定状态的稳态电流就是特解,即:(式8-5-8)其通解为:(式8-5-9)于是,全解为:(式8-5-10)(式8-5-10)中的积分常数...

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