一阶电路零状态响应

时间:2023-03-11作者:佚名

当动态电路中所有储能元件都没有原始储能 ( 电容元件的电压为 0 ,电感元件的电流为 0) 时,换路后仅由输入激励(独立源)产生的响应称为零状态响

应。

RC电路的零状态响应

所谓RC 电路的零状态,是指换路前电容元件未储有能量,在此条件下,由独立源激励所产生的电路响应,称为零状态响应。分析 RC 电路的零状态响应,实际上是分析电容元件的充电过程。 如图1 所示RC 电路,一阶电路零状态响应时刻,开关断开,电路处于零初始状态; 一阶电路零状态响应时开关闭合。其物理过程为:开关闭合瞬间,电容电压不能跃变,电容相当于短路,此时 一阶电路零状态响应,充电电流 一阶电路零状态响应,为最大;随着电源对电容充电, 一阶电路零状态响应增大,电流逐渐减小;当 一阶电路零状态响应时, 一阶电路零状态响应一阶电路零状态响应,充电过程结束,电路进入另一种稳态。

一阶电路零状态响应

图1 RC电路的零状态响应

一阶电路零状态响应时,由 KVL定律可得 : 一阶电路零状态响应

一阶电路零状态响应一阶电路零状态响应代入得

一阶电路零状态响应 ( 1 )

此方程为一阶线性非齐次微分方程,初始条件为 一阶电路零状态响应。方程的解由非齐次微分方程的特解 一阶电路零状态响应和对应齐次微分方程的通解 一阶电路零状态响应组成,即

一阶电路零状态响应 ( 2 )

不难求得其特解为: 一阶电路零状态响应 (3 )

而对应的齐次方程 一阶电路零状态响应的通解为:

一阶电路零状态响应 ( 4 )

其中, A 为待定常数 , 一阶电路零状态响应为 RC 电路时间常数。故,

一阶电路零状态响应 (5 )

代入初始条件 一阶电路零状态响应,可得 一阶电路零状态响应

所以 一阶电路零状态响应 ( 6 )

电路中的电流为: 一阶电路零状态响应 ( 7 )

一阶电路零状态响应一阶电路零状态响应的零状态响应波形如图 2 所示。可见:在直流电压源激励下,电容电压不能突变,须经历一个动态的充电过程,充电速度取决于时间常数 一阶电路零状态响应,当电容电压达到电源电压 一阶电路零状态响应时充电结束,电路进入稳态;电容电流 一阶电路零状态响应换路瞬间发生突变,随充电过程的进行逐渐下降,下降速度取决于时间常数 一阶电路零状态响应,充电结束后,电流为零,电路进入稳态。充电过程中电容元件获得的能量一阶电路零状态响应以电场能量形式储存。

一阶电路零状态响应

图 2 一阶电路零状态响应一阶电路零状态响应的零状态响应波形

一阶电路零状态响应

图 3 RL电路的零状态响应

RL电路的零状态响应

如图 3 所示,在换路前 ( t<0) 开关处于断开状态,电感元件 L 处于零初始状态,即 一阶电路零状态响应。 t=0时刻开关闭合瞬间,电路即与一恒定电压为 一阶电路零状态响应的电压源接通,此时相当于接入一个阶跃电压。

一阶电路零状态响应时 , 根据 KVL 基尔霍夫电压定律 :

一阶电路零状态响应

一阶电路零状态响应一阶电路零状态响应代入并整理得

一阶电路零状态响应 ( 8 )

这也是一个一阶非齐次微分方程,其初始条件为: 一阶电路零状态响应.

与 RC 电路相似,电流 一阶电路零状态响应的解可分为微分方程的特解 一阶电路零状态响应和通解 一阶电路零状态响应两部分。容易求得特解 一阶电路零状态响应,同解可表示为 一阶电路零状态响应。故

一阶电路零状态响应

代入初始条件 一阶电路零状态响应,得 一阶电路零状态响应。所以

一阶电路零状态响应 (8 )

电感两端的电压为

一阶电路零状态响应 ( 9 )

一阶电路零状态响应一阶电路零状态响应的零状态响应随时间的变化规律如图 4 所示。

对比图 2 与图 4 可见,一阶 RC 电路与一阶 RL 电路有强烈的对偶性: 在直流电压源激励下,电感电流 一阶电路零状态响应不能突变,须经历一个动态充电过程,变化速度取决于时间常数 一阶电路零状态响应,当电感电流达到 一阶电路零状态响应时电路进入稳态;电感电压 一阶电路零状态响应在换路瞬间发生突变,随充电过程的进行逐渐下降,下降速度取决于时间常数 一阶电路零状态响应,充电结束后,电压为零,电路进入稳态。充电过程中电感元件获得的能量 一阶电路零状态响应以磁场能量形式储存。

一阶电路零状态响应

(a) ( b )

图 4 一阶电路零状态响应一阶电路零状态响应的零状态响应

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