电路结构或参数变化引起的电路变化统称为换路。一般情况下,认为换路是在t=0 时刻开始的,将换路前的最终时刻记为t=0-,换路后的最初时刻记为t=0+,换路经历的时间为0-到0+。
对于线性电容,在任意时刻t,其电荷q、电压uC与电流iC的关系为
当积分区间为[0-,0+]时,则
如果在换路前后,即0-到0+的瞬间,电流iC(t)为有限值,则式(8-4)和式(8-5)中的积分项将为零,即
式(8-6)和式(8-7)说明了在换路瞬间,电容上的电荷和电压不发生跃变,这是电荷守恒的体现。
对于一个电容元件,当t=0-时,电容有储存的电荷,电压为uC(0-)=U0,在换路瞬间,电压不发生跃变,有uC(0+)=uC(0-)=U0。因此,在换路瞬间,t=0+时刻,电容可视为电压为U0的电压源。同理,当t=0-时,电容没有储存电荷,电压为uC(0-)=0 ,此时电压不发生跃变,uC(0+)=uC(0-)=0 ,在t=0+时刻,电容相当于短路。
对于线性电感,在任意时刻t,其磁通链Ψ、电流iL与电压uL的关系为
当积分区间为[0-,0+]时,可得
如果在换路前后,即0-到0+的瞬间,电压uL(t)为有限值,则式(8-8)和式(8-9)中的积分项为零,即
式(8-10)和式(8-11)说明了在换路瞬间,电感的磁通链和电流不发生跃变,这是磁通链守恒的体现。
对于一个电感元件,当t=0-时,电感的电流为iL(0-)=I0,在换路瞬间,电流不发生跃变,有iL(0+)=iL(0-)=I0。因此,在换路瞬间,t=0+时刻,电感可视为电流为I0的电流源。同理,当t=0-时,电感电流为iL(0-)=0,此时电流不发生跃变,iL(0+)=iL(0-)=0,在t=0+时刻,电感相当于开路。
式(8-6)、式(8-7)、式(8-10)和式(8-11)又称为换路定则,但换路定则成立的条件是电容电流和电感电压为有限值。
在换路瞬间,t=0+时刻,求解电路中电流和电压初始值的具体步骤如下。
(1)根据换路前的电路,确定uC(0-)和iL(0-)。
(2)根据换路定则,确定uC(0+)和iL(0+)。
(3)画出t=0+时刻的等效电路,电容用电压源替代,电压源的电压值为uC(0+)的值;电感用电流源替代,电流源的电流值为iL(0+)的值,方向均与原电容电压和原电感电流参考方向相同。
(4)由t=0+时刻等效电路求出所需的各变量初始值。
【例8-1】 电路如图8-2 所示,在t<0 时开关是S 闭合的,电路处于稳定状态,t=0时开关S 打开,试求开关打开瞬间电容电流iC(0+)。
解:在t<0 开关S 闭合时,电路处于稳定状态,所以由图8-2(a)求t=0-时刻的电容元件两端的电压,直流稳定状态下,电容处于开路状态,开关S 闭合,可求得(www.daowen.com)
由换路定则得
画出t=0+时刻等效电路,如图8-2(b)所示,电容用6 V的电压源替代,解得
注意:
电容的电流在换路瞬间发生了跃变,即
【例8-2】 电路如图8-3(a)所示,在t<0 时开关S 是打开的,电路处于稳定状态,t=0 时开关S 闭合,试求开关闭合瞬间电感电压uL(0+)。
解:在t<0 时,开关S 打开,电路处于稳定状态,在直流稳定状态下,电感处于短路状态,得到图8-3(b)所示t=0-时刻的等效电路,可求得
由换路定则得
画出t=0+时刻等效电路,如图8-3(c)所示,电感用2 mA的电流源替代,解得
注意:
电感的电压在换路瞬间发生了跃变,即
【例8-3】 电路如图8-4(a)所示,已知US=10 V,R1=3 Ω,R2=R3=2 Ω。在t<0 时,开关S 打开,电路处于稳定状态;在t=0 时,开关S 闭合,求uC(0+)、iL(0+)、uL(0+)和i1(0+)。
解:当t<0 开关S 打开时,电路处于稳定状态,在直流电源激励下,电感处于短路状态,电容处于开路状态,根据图8-4(a)所示,先求取动态元件的状态变量iL(0-)和uC(0-),即
由换路定则可求得
画出t=0+时刻等效电路,如图8-4(b)所示,图中电容由电压源替代,电感由电流源替代,由此可求得
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