电路分析中三要素法的应用

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1、§8－4三要素法本节专门讨论由直流电源驱动的只含一个动态元件的一阶电路全响应的一般表达式，并在此基础上推导出三要素法。图8－19(a)RC一阶电路(b)RL一阶电路一、三要素法仅含一个电感或电容的线性一阶电路，将连接动态元件的线性电阻单口网络用戴维宁和诺顿等效电路代替后，可以得到图8-19(a)和(b)所示的等效电路。图(a)电路的微分方程和初始条件为图(b)电路的微分方程和初始条件为上述两个微分方程可以表示为具有统一形式的微分方程其通解为如果>0，在直流输入的情况下，t时，fh(t)0，则有

2、由初始条件f(0+)，可以求得于是得到全响应的一般表达式因而得到这就是直流激励的RC一阶电路和RL中的任一响应的表达式(可以用叠加定理证明)。其波形曲线如图8－20所示。由此可见，直流激励下一阶电路中任一响应总是从初始值f(0+)开始，按照指数规律增长或衰减到稳态值f()，响应变化的快慢取决于电路的时间常数。图8－20直流激励下一阶电路全响应的波形曲线由此可见，直流激励下一阶电路的全响应取决于f(0+)、f()和这三个要素。只要分别计算出这三个要素，就能够确定全响应，也就是说，根据式(8-25

3、）可以写出响应的表达式以及画出图8-20那样的全响应曲线，而不必建立和求解微分方程。这种计算直流激励下一阶电路响应的方法称为三要素法。图8-22用三要素法计算含一个电容或一个电感的直流激励一阶电路响应的一般步骤是:1.初始值f(0+)的计算(1)根据t<0的电路，计算出t=0-时刻的电容电压uC(0-)或电感电流iL(0-)。(2)根据电容电压和电感电流连续性，即uC(0+)=uC(0-)和iL(0+)=iL(0-)确定电容电压或电感电流初始值。(3)假如还要计算其它非状态变量的初始值，可以从用数值为

4、uC(0+)的电压源替代电容或用数值为iL(0+)的电流源替代电感后所得到的电阻电路中计算出来。2.稳态值f()的计算根据t>0的电路，将电容用开路代替或电感用短路代替，得到一个直流电阻电路，再从此电路中计算出稳态值f()。3.时间常数的计算先计算与电容或电感连接的线性电阻单口网络的输出电阻Ro，然后用以下公式=RoC或=L/Ro计算出时间常数。4.将f(0+)，f()和代入下式得到响应的一般表达式和画出图8－20那样的波形曲线。图8－20直流激励下一阶电路全响应的波形曲线例8-7图8-

5、21(a)所示电路原处于稳定状态。t=0时开关闭合，求t0的电容电压uC(t)和电流i(t)，并画波形图。图8-21由于开关转换时电容电流有界，电容电压不能跃变，故解：1.计算初始值uC(0+)开关闭合前，图(a)电路已经稳定，电容相当于开路，电流源电流全部流入4电阻中，此时电容电压与电阻电压相同图8-22图8-212.计算稳态值uC()开关闭合后，电路如图(b)所示，经过一段时间，重新达到稳定状态，电容相当于开路，根据用开路代替电容所得到一个电阻电路，运用叠加定理求得时间常数为图8-213.

6、计算时间常数计算与电容相连接的电阻单口网络的输出电阻，它是三个电阻的并联ab4.将uC(0+)=8V,uC()=7V和=0.1s代入式(8－25)得到响应的一般表达式求得电容电压后，电阻电流i(t)可以利用欧姆定律求得也可以用叠加定理分别计算2A电流源，10V电压源和电容电压uC(t)单独作用引起响应之和由于电路中每个响应具有相同的时间常数，不必重新计算，用三要素公式得到值得注意的是该电阻电流在开关转换时发生了跃变，i(0+)=1Ai(0-)=1.667A，因而在电流表达式中，标明的时间范围是

7、t>0，而不是t0。电阻电流i(t)还可以利用三要素法直接求得例8-8图8-22示电路中，开关转换前电路已处于稳态，t=0时开关S由1端接至2端，求t>0时的电感电流iL(t)，电阻电流i2(t)，i3(t)和电感电压uL(t)。图8-22解：用三要素法计算电感电流。1.计算电感电流的初始值iL(0+)直流稳态电路中，电感相当于短路，此时电感电流为开关转换时，电感电压有界。电感电流不能跃变，即2.计算电感电流的稳态值iL()开关转换后，电感与电流源脱离，电感储存的能量释放出来消耗在电阻中，达到新

8、的稳态时，电感电流为零，即3.计算时间常数与电感连接的电阻单口网络的等效电阻以及时间常数为4.计算iL(t)，uL(t)，i2(t)和i3(t)。将iL(0+)=10mA,iL()=0和=110-7s代入式(8－25）得到电感电流的表达式然后根据KCL，KVL和VCR求出其它电压电流二、包含开关序列的直流一阶电路本小节讨论的直流一阶电路中包含有在不同时刻转换的开关，在开关没有转换的时间间隔内，它是一个直流一阶电路，可以用三要素法来计算。对于这一类