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動態電路中零輸入響應的一階齊次微分方程解析

西西 ? 來源:博客園 ? 作者:崔原 ? 2020-08-27 16:18 ? 次閱讀

動態電路中無外施激勵電源,僅由動態元件初始儲能所產生的響應,稱為動態電路的零輸入響應。

RC電路的零輸入響應

開關S閉合前,電容C已充電,其電壓uC=Uo。現把開關動作時刻取為計時起點(t=0)。開關閉合后,即t≥0+時,根據KVL可得

uR-uC=0

將uR=Ri(對R,電流、電壓的參考方向是關聯參考方向),i=-C(duC/dt)(對電容C,電流、電壓的參考方向是非關聯參考方向)代入上述方程,有

RC(duC/dt)+uC=0

(齊次線性方程dy/dx+P(x)y=0

通解為y=Ce-∫P(x)dx(C=±eC1)

對于RC(duC/dt)+uC=0,uC=Ae-∫(1/RC)dt=Ae-(1/RC)t

(RCp+1)Aept=0)

這是一階齊次微分方程,初始條件uC(0+)=uC(0-)=U0,令此方程的通解uC=Aept,代入上式后有

(RCp+1)Aept=0

相應的特征方程為

p=-(1/RC)

根據uC(0+)=uC(0-)=U0,以此代入uC=Aept,則可求得積分常數A=uC(0+)=U0

電路中的電流為

i=(U0/R)e-(1/RC)t

電阻上的電壓

uR=uC=U0e-(1/R)t

由于p=-1/RC,這是電路特征方程的特征根,僅取決于電路的結構和元件的參數。當電阻的單位是Ω,電容的單位為F時,乘積RC的單位為s,它稱為RC電路的時間常數,用τ表示。引入τ后,電容電壓uC和電流i可以分別表示為

uC=U0e-t/τ

i=(U0/R)e-t/τ

RL電路的零輸入響應

過程與RC電路類似,從略

τ=L/R

i=I0e-t/τ

uR=RI0e-t/τ

uL=-RI0e-t/τ

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