1.三要素与三要素法
由前面的分析可知,研究一阶电路的瞬态过程,实质是求解电路的微分方程的过程,即求解微分方程的特解和对应齐次微分方程的通解。
不论一阶电路的初始值等于多少,也不论它是充电过程还是放电过程,任何电压和电流随时间的变化规律,都可以由下面的公式统一表示为
(7.18)
式中,f(0+)是瞬态过程中变量的初始值,f(∞)是变量稳态值,τ是瞬态过程的时间常数。只要知道这三个量就可以根据式(7.18)直接写出一阶电路瞬态过程中任何变量的变化规律,故把这三个量称为三要素,这种方法称为三要素法。
2.三要素法解题的一般步骤:
(1)画出换路前(t=0-)的等效电路。求出电容电压uC(0-)或电感电流iL(0-)。
(2)根据换路定律uC(0+)=uC(0-),iL(0+)=iL(0-),画出换路瞬间(t=0+)时的等效电路,求出响应电流或电压的初始值i(0+)或u(0+),即f(0+)。
(3)画出t=∞时的稳态等效电路(稳态时电容相当于开路,电感相当于短路),求出稳态下响应电流或电压的稳态值i(∞)或u(∞),即f(∞)。
(4)求出电路的时间常数τ。τ=RC或τ=L/R,其中R值是换路后断开储能元件C或L,由储能元件两端看进去,用戴维南或诺顿等效电路求得的等效电阻。
(5)根据所求得的三要素,代入式(7.18)即可得响应电流或电压的瞬态过程表达式。
例7.3如图(7.13)(a)所示电路中,直流电压源的电压Us=10V,R1=R2=2Ω,R3=5Ω,C=0.5F,电路原已稳定,试求换路后的uc(t)。
(a) 原电路图 (b)t=0-时的等效电路
(c)t=∞时的等效电路 (d )求等效电阻的等效电路
图7.13 例7.3电路图
解:用三要素法求解:
(1)画t=0-时的等效电路,如图(7.13)(b)所示。电路原以稳定,电容等于开路,与C串联的R3的电流及电压皆为零所以:
(2)由换路定律可得 uC(0+)=uC(0-)==-5V。
(3)画t=∞时的等效电路,如图(7.13)(c)所示。
(4)求电路时间常数τ。电容C所接的二端网络除源后如图(7.13)(d)所示。
(5)由公式(7.18)得
例7.4 如图(7.14)(a)所示电路中,换路前电路呈稳态。当开关S从位置1扳到位置2时,求iL(t)和i(t)。
(a)原电路图
解:(1)画出t=0-时的等效电路,如图(7.14)(b)所示。
因换路前电路已处于稳态,故电感L相当于短路
(b) t=0-时的等效电路 (c)t=0+时的等效电路 (d)t=∞时的等效电路 (e) 求等效电阻的等效电路
图7.14 例7.4电路图
(4)画出t=∞时的等效电路,如图(7.14)(d)所示,求iL(∞),i(∞)。
(5)画出电感开路时求等效内阻的电路,如图(7.14)(e)所示。
根据式(7.19)求某一响应,只须求出该响应的初始值、稳态解及其稳态初始值和时间常数即可。