电工基础:RL电路的响应(43)

时间:2023-06-27作者:佚名

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学完RC电路的响应,又过了一段时间了,想必很多人都忘了RC电路响应的一些内容。我们这次学习RL电路的响应,以此同时,其实也是带大家一起回忆一些之前所学的RC电路的响应的一些知识点。所以,这次的学习,其实也是一次复习哟!

我们先来回顾一些概念。


(1)零输入响应,是指动态电路中无外施激励电源,输入信号为零,仅由动态元件(电感元件或电容元件)的初始储能所产生的响应。

(2)零状态响应,是指电路在零初始状态下(即储能元件的初始能量为零),仅由外加电源激励所产生的电路响应。

(3)全响应,是指当一个非零初始状态的一阶电路(只有一个动态元件)受到外电源激励时,电路的响应。


动态元件有电容元件和电感元件,我们之前已经学过这两种元件的特性,结合RC电路的响应,举一反三,其实我们可以大概知道RL电路的响应,因为它们都是类似的。



图43-1


上图43-1所示的RL电路,在开关K动作之前,电感与电源相连,电压与电流已恒定不变,所以电感相当于短路,其两端无压降,电感中有电流I0。在t=0时开关由1合到2,具有初始电流I0的电感L与电阻R相连,构成一个回路。此时电感元件的响应就是RL电路的零输入响应。


可能有的人会疑问,这不是有个电源的存在吗?怎么就是零输入响应了?所以在这里说明一下,RL电路的零输入响应,是指电感元件L初始状态不为零,具有一定的电流流过,例如上图43-1中的I0,当开关K动作,电感元件L就与电源断开连接,与电阻R串联,此时对于电感元件L而言,它就是零输入状态。


如上图43-1右边所示,开关K动作后,电感电流i不能突变,包括大小和方向,所以此时电感对电阻R释放能量,电压方向下正上负。而电阻R消耗能量,电压方向亦为下正上负。


类似于RC电路的零输入响应,根据图43-1右边的电路图,列出RL电路零输入响应的KVL方程,如下图43-2所示,和RC电路一样,式(1)也是一个一阶齐次微分方程。令方程的通解i =Aept,得到电流的表达式(2)。



图43-2


根据电感电流的初始值求解积分常数A,如下图43-3所示。微分方程的求解过程大家可以不必理会,只要知道方程建立的过程即可。依次求出回路中的电压和电流,并画出它们的曲线。电感的电压除了根据求导公式求得外,还可以直接根据KVL得出。


图43-3


类似于RC电路,在RL电路中,令τ=L/R,称为RL电路的时间常数,则电压、电流表达式中的指数可以用τ表示。根据表达式或曲线,可以看到,电压、电流都是按同样的指数规律从初始值衰减的,它们衰减的快慢由时间常数L/R决定。


在《电工基础》课程中,曹老师花了较多的时间用日光灯的实例说明了电感产生高压的原理,还有RL直接从直流电源断开瞬间产生高压的弊端与解决措施等,这里我也不展开讲解,大家感兴趣的话可以去看一下课程,那些实例对大家理解RL电路的响应有很大的帮助。


另外,RL电路的零输入响应,以至于接下来要讲的其余两种响应,都可以用我们上一次所学的三要素法求解,曹老师在《电工基础》中,讲解RL电路的零输入响应时就是根据三要素法,这个就更为简单快捷。

我们继续学习RL电路的零状态响应,就利用三要素法来分析。下图43-4为RL电路,开关S在t=0时闭合,电压源的电压施加在电阻R和电感L上。开关闭合时iL(0 )=iL(0-)=0,电路的响应为零输入响应。

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