电工技术05第5章-电路的时域分析课件.ppt
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- 电工 技术 05 电路 时域 分析 课件
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1、 沈阳工业大学电工学教研室沈阳工业大学电工学教研室 第第5 5章章 电路的时域分析电路的时域分析 第五章第五章 电路的时域分析电路的时域分析5.1 概述概述 换路定律换路定律5.2 RC电路的时域分析电路的时域分析5.3 求解一阶电路的三要素法求解一阶电路的三要素法5.4 脉冲激励下的脉冲激励下的RC电路电路预备知识预备知识稳态:稳态:给定条件下,电路中的电压、电流物理量达到稳定状态给定条件下,电路中的电压、电流物理量达到稳定状态稳态下电路中稳态下电路中C与与L的处理的处理稳态参数的求解?稳态参数的求解?I1=1mAI2=0uc=4V电容视为断路电容视为断路电感视为短路电感视为短路i1=2Ai
2、2=3A iL=5A电容视为断路电容视为断路电感视为短路电感视为短路将含有将含有L、C的电路化为无的电路化为无L、C的电路的电路电容电容C存储的电场能量存储的电场能量)(221CCuWc 电感电感 L 储存的磁场能量储存的磁场能量)(221LLLiW能量的变化是连续的?还是断续的?能量的变化是连续的?还是断续的?自然界物体所具有的能量不能突变,能量的积累自然界物体所具有的能量不能突变,能量的积累或或 释放需要一定的时间。释放需要一定的时间。C电路处于旧稳态电路处于旧稳态SRU+_Cu5.1 5.1 概述(换路定律)概述(换路定律)电路处于新稳态电路处于新稳态RU+_Cu1.暂态:暂态:电路参数
3、从一个稳态转换到另一个稳态需要一个电路参数从一个稳态转换到另一个稳态需要一个过渡时间,此段时间内电路所产生的物理过程称过渡时间,此段时间内电路所产生的物理过程称为为过渡过程过渡过程。过渡过程状态又称为。过渡过程状态又称为暂态。暂态。一、一、时域响应的概念时域响应的概念开关开关S 闭合闭合4个新词个新词2.换路:换路:开关的通断,元件参数突变开关的通断,元件参数突变电路状态的改变电路状态的改变3.初值:初值:换路后瞬间变量的值换路后瞬间变量的值4.稳态值:稳态值:换路后达到稳态后变量的值换路后达到稳态后变量的值电阻电路电阻电路UR+_I(t=0)S二、二、产生过渡过程的电路及原因产生过渡过程的电
4、路及原因结论:结论:电阻电路电阻电路 不存在过渡过程不存在过渡过程UR+_I(t=0)S 原稳态原稳态 I=0新稳态新稳态 I=U/R电容电路电容电路UR+_C(t=0)SuCUR+_C(t=0)SuCuc=0uc=U结论:结论:有电容的电路换路时可能有过渡过程有电容的电路换路时可能有过渡过程 原稳态?原稳态?电感电路电感电路RU+_iL(t=0)SiL=0新稳态?新稳态?iL=U/R结论:结论:有电感的电路换路时可能有过渡过程有电感的电路换路时可能有过渡过程产生过渡过程的原因?产生过渡过程的原因?内因内因+外因外因内因:能量的连续性,外因:换路内因:能量的连续性,外因:换路三、三、换路定律换
5、路定律)(221CCuWc)(221LLLiW换路瞬间换路瞬间,电容上的电压、电感中的电流不能突变电容上的电压、电感中的电流不能突变设设t=0 时换路时换路00-换路前瞬间换路前瞬间-换路后瞬间换路后瞬间)0()0(CCuu)0()0(LLii)0()0(CCuu)0()0(LLii换路定率律换路定率律用换路定律可求出用换路定律可求出0+时刻的初始值,初值是时域分析的重要条件时刻的初始值,初值是时域分析的重要条件C 换路前换路前SRU+_Cu 换路很久后换路很久后RU+_CuC换路后瞬间换路后瞬间SRU+_Cuiii0)0(0)0(Cui0)0()0(CRUuiUuiC)(0)(根据换路定律建
6、造换路后的根据换路定律建造换路后的等效电路等效电路,求解之。求解之。5.15.1 等效电路中电容和电感的处理:等效电路中电容和电感的处理:根据换路定律:根据换路定律:0将电容用电压源替代,电压为将电容用电压源替代,电压为)0(Cu将电感用电流源替代,电流为将电感用电流源替代,电流为)0(Li依此建造依此建造 等效电路等效电路0求初值的步骤:求初值的步骤:1.先求出先求出)0(Cu)0(Li2.造出造出0等效电路等效电路3.求出各初值求出各初值四、四、确定电路的初值确定电路的初值?5.1 5.1 概述概述-小结小结含有含有L和和C的电路的电路当发生换路时当发生换路时有暂态有暂态(过渡过程过渡过程
7、)产生产生原因?原因?三、三、换路定律换路定律)0()0(CCuu)0()0(LLii一、一、时域响应的概念时域响应的概念4个新词个新词二、二、产生过渡过程的电路及原因产生过渡过程的电路及原因内因:能量的连续性,外因:换路内因:能量的连续性,外因:换路暂态暂态 换路换路四、四、确定电路的初值确定电路的初值1.先求先求 )0(Cu)0(Li2.造出造出0等效电路等效电路3.求出各初值求出各初值初值初值稳态值稳态值例例5-1SR1U+_CCuCi(t=0)R2U=12VR1=4k R2=2k C=1 F)0(cuURRR212V4)0()0(ccuu)0(CimA224)0(2RuC0)(Cu 原
8、电路已稳定,原电路已稳定,t=0时刻发生换路。求时刻发生换路。求)0()0(cciu、解:解:1.先求出先求出)0(Cu2.造出造出0等效电路等效电路3.求出各初值求出各初值V412242稳态值怎样求?稳态值怎样求?0)(Ci例例202210)0()(Lu解解:求求:)0(),0(LLui电路原已达到稳态电路原已达到稳态设设 时开关断开时开关断开0t1.先求出先求出?)0(LimAiL10)0(2202.造出造出0等效电路等效电路3.求出各初值求出各初值)0()0(LLiimA10VuL40)0(K.LRiL+-20Vk2Luk2Rk210mA)(0Luk2CCCudtduRCuRiU 根据电
9、路规律列写电压、电根据电路规律列写电压、电流的微分方程,若微分方程是一流的微分方程,若微分方程是一阶的,则该电路为一阶电路阶的,则该电路为一阶电路5.2 RC电路的时域分析电路的时域分析KRU+_CCuit=0一阶电路过渡过程的求解方法一阶电路过渡过程的求解方法(一一)经典法经典法:用数学方法求解微分方程;用数学方法求解微分方程;(二二)三要素法三要素法:求求初始值初始值稳态值稳态值时间常数时间常数 本节重点本节重点0CCudtduRC+-URCuRuCit=0UuC)0(0)(Cu0CRuu0CuRidtduCiC列写回路方程:列写回路方程:5.2.1 一阶一阶RC电路的零输入响应电路的零输
10、入响应方程通解为:方程通解为:一阶常系数线性奇次微分方程一阶常系数线性奇次微分方程RCtCAeuUAeuC0)0(UA 得得RC称称为时间常数为时间常数RCtCUeuCutUuc变变化化规规律律1.电路电路2.电压方程电压方程3.解方程解方程一阶常系数线性微分方程一阶常系数线性微分方程方程的解:方程的解:CCCuutu)(5.2.2 一阶一阶RC电路的零状态响应电路的零状态响应KRU+_CCuit=0Ru2.电压方程电压方程特解特解通解通解)(Cu取换路后的新稳态值(取换路后的新稳态值(稳态分量稳态分量或或强制分量强制分量)作特解作特解0CCudtduRC通解即通解即的解的解又称又称自由分量自
11、由分量或或暂态分量暂态分量A为积分常数为积分常数UutuCC)()(特解为:特解为:通解为:通解为:RCtCAeu又称又称稳态分量稳态分量或或强制分量强制分量RCtCCCAeUuutu)(求求A代入初始条件代入初始条件0)0(Cu0)0(0AUAeUuC得得:UA得得UA)1()(/RCtRCtCeUUeUtu1.电路电路3.解方程解方程一阶常系数线性微分方程一阶常系数线性微分方程方程的解:方程的解:CCCuutu)(5.2.2 一阶一阶RC电路的零状态响应电路的零状态响应KRU+_CCuit=0Ru2.电压方程电压方程特解特解通解通解)(Cu取换路后的新稳态值(取换路后的新稳态值(稳态分量稳
12、态分量或或强制分量强制分量)作特解作特解0CCudtduRC通解即通解即的解的解又称又称自由分量自由分量或或暂态分量暂态分量A为积分常数为积分常数通解为:通解为:RCtCAeuRCtCCCAeUuutu)(求求A代入初始条件代入初始条件0)0(Cu0)0(0AUAeUuC得得:UA得得UA)1()(/RCtRCtCeUUeUtu1.电路电路3.解方程解方程UutuCC)()(又称又称稳态分量稳态分量或或强制分量强制分量特解为:特解为:5.2.2 一阶一阶RC电路的零输入响应电路的零输入响应KRU+_CCuit=0Ru电压方程电压方程)1()(/RCtRCtCeUUeUtu方程解方程解RC时间常
13、数时间常数002.63)(UuCt当当 时时:方程解可写为方程解可写为CutU 当当 t=5 时,过渡过程基本结束,时,过渡过程基本结束,uC达到稳态值达到稳态值。0.632U)1()(tCeUtut023456Cu00.632U 0.865U 0.950U 0.982U 0.993U 0.998Ui若若较小,则曲线是什么样的?较小,则曲线是什么样的?电流的曲线是什么样的?电流的曲线是什么样的?若若较大,则曲线是什么样的?较大,则曲线是什么样的?较小较小较大较大 越大,过渡过程曲线变化越慢,越大,过渡过程曲线变化越慢,uC达到稳态所需要的时间越长。达到稳态所需要的时间越长。结论:结论:KRU+
14、_CCuit=00)0(UuC0)0(UuC根据换路定理根据换路定理UuC)(叠加方法叠加方法状态为状态为0,即,即U0=0tCUeUu1输入为输入为0,即,即U=0/02tCeUu/021)(tCCCeUUUuuu5.2.3 完全响应及其两种分解形式完全响应及其两种分解形式时间常数时间常数0)0(UuCUuC)(/0)(tCeUUUu/)()0()(tCCCeuuu初始值初始值稳态值稳态值稳态值稳态值一般形式:一般形式:/)()0()()(teffftfKRU+_CCuit=0Ruteffftf)()0()()(一阶电路微分方程解的通用表达式:一阶电路微分方程解的通用表达式:三要素三要素)(
15、f-稳态值稳态值-初始值初始值)0(f-时间常数时间常数)(tf代表一阶电路中任一电压、电流函数。代表一阶电路中任一电压、电流函数。式中式中5.3 求解一阶电路求解一阶电路 的三要素法的三要素法 电路中含有一种储能元件,其时域响应就可用一阶微分方程电路中含有一种储能元件,其时域响应就可用一阶微分方程来描述,这种电路称为一阶电路。来描述,这种电路称为一阶电路。三要素法三要素法求解过程求解过程分别求初始值、稳态值、时间常数分别求初始值、稳态值、时间常数将以上结果代入过渡过程通用表达式将以上结果代入过渡过程通用表达式0)0()0(CCuuV10)(UuCRC“三要素法三要素法”例题例题1SRU+_C
16、Cuit=0Ru已知参数已知参数R=2k、U=10V、C=1F,且开关闭和前且开关闭和前 uc(0-)=0。开关开关S在在t=0时刻闭合,求时刻闭合,求t 0时的时的 uc(t)和和 i(t)。解解求初值求初值求终值求终值时间常数时间常数代入公式代入公式teffftf)()0()()(终值终值初值初值时间常数时间常数63101102S1023)0(Cu)(tuC)(Cu)(Cu 10 0 10-500t同理同理mARUi5/)0(mAi0)(s3102mA5得得也可以也可以这样算这样算dtduCtic)(时间常数的求法时间常数的求法时间常数的求法时间常数的求法RC电路电路时间常数为时间常数为
17、=R0*CR0为独立源失效后为独立源失效后,从从C两端看进去的等效电阻两端看进去的等效电阻R0kR5320本例中本例中RL电路电路时间常数为时间常数为 =L/R0R0s36310510110510550Rs210510/5.0习题习题5-3kR5.101230101000105.1CRs6105.1 kR201230101000102CRs6102求如下电路换路后的时间常数求如下电路换路后的时间常数求如下电路换路后的时间常数求如下电路换路后的时间常数R0=?R0=?5k5k630102105CRs01.0 20R0RL21s5.0习题习题5-9图示电路换路前已处于稳态,试求换路后的图示电路换路
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