
含有动态元件(电容C、电感L)的电路称为动态电路。线性动态电路的电路方程是常系数线性微分方程。微分方程的阶数取决于动态电路中的独立动态元件的个数。含有一个独立动态元件的动态电路其电路方程是一阶线性常系数微分方程,该电路称为一阶电路,如图1(a)和图1(b)。
所谓独立动态元件就是不能再化简的动态元件,如图2中的电感 和电感 串联可以化简等效为一个电感 ,所以这个电路仍是一阶电路。
一、一阶电路三要素法的推导
设一阶电路的电路方程为:
(1)
式中 可代表电路中的任何电压、电流。一阶微分方程的通解为:
(2)
式中, 为 的特解,稳态解。
令 ,由(2)式得 ,所以 。
将 的表达式代入(2)式,得一阶微分方程(1)的通解为:
(3)
式中, 为 的特解,稳态解; 在 的值为 。
为 的初始值;
为一阶电路的时间常数。
只要求出、和 ,一阶微分方程的解 就唯一确定,故称 、和 为一阶微分方程解的三要素,公式(3)称为一阶电路解的三要素公式。
在直流激励下, ,则一阶电路解的三要素公式变为:
(4)
二、三要素的求解方法
三个要素求解是用三要素法求解一阶电路的关键,下面介绍直流激励下三个要素的求解方法。
1、 在 的等效电路中求解,时,电路已经回到新的稳定状态。因此,在 的等效电路中,电容相当于开路,电感相当于短路。
2、 若为 电路 的独立初始条件 和 ,则在 的等效电路中求解 和 ;然后根据换路定律, 和 。时,电路没有发生换路,处于的最初的稳定状态,电容相当于开路,电感相当于短路。
若为 电路的非独立初始条件,则在 的等效电路中求解。时,电路已经发生换路,电容用电压值等于 的电压源代替,电感用电流值等于 的电流源代替。
3、对于一阶RC电路 , 是换路后从电容两端看进去的无源一端口的等效电阻;对于一阶RL电路 , 是换路后从电感两端看进去的无源一端口的等效电阻。同一一阶电路中,所有物理量的时间常数是相同的。
提示:原则上一阶电路中所有物理量都可以用三要素法求解,但通常情况下只用三要素法求 和 ,其它物理量的求解根据具体电路具体分析。为什么这样做?因为这样做简单。
三、一阶电路三要素法求解举例
例:电路如图3所示,电路原处于稳态电路, 时,开关打开,求换路后的
解:由图题可知,换路后电路分成两个一阶电路:一个一阶RC电路和一个一阶RL电路,所以可以先用三要素法求 和 。
t= 的等效电路如图4所示,由换路定律可知:
t= 的等效电路如图5所示,由图可知:
图6为求等效电阻的等效电路,由图可知一阶RC电路的时间常数为:
一阶RL电路的时间常数为:
根据直流激励下一阶三要素公式(4),可得 时,
于是,换路后,:
