RC一阶电路
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9 RC 一阶电路(动态特性 频率响应)
一个电阻和一个电容串联起来的RC 电路看起来是很简单的电路。实际上其中的现象已
经相当复杂,这些现象涉及到的概念和分析方法,是电子电路中随处要用到的,务必仔细领悟。
9.1 零输入响应
1.电容上电压的过渡过程
先从数学上最简单的情形来看RC 电路的特性。在图9.1 中,描述了问题的物理模型。假定RC 电路接在一个电压值为V 的直流电源上很长的时间了,电容上的电压已与电源相等(关于充电的过程在后面讲解),在某时刻t 0突然将电阻左端S 接地,此后电容上的电压会怎么变化呢?应该是进入了图中表示的放电状态。理论分析时,将时刻t 0取作时间的零点。数学上要解一个满足初值条件的微分方程。
看放电的电路图,设电容上的电压为v C ,则电路中电流 dt
dv C
i C
=,
依据KVL 定律,建立电路方程:
=+dt
dv RC
v C
C
初值条件是 ()
V v C =0
像上面电路方程这样右边等于零的微分方程称为齐次方程。
设其解是一个指数函数: ()
t
C e t v S K = K 和S 是待定常数。
代入齐次方程得 0=KS +K S S t
t
e RC e
约去相同部分得 0=S +1RC 于是
RC 1
-=S
齐次方程通解 ()RC
t C e
t v -K =
还有一个待定常数K 要由初值条件来定: ()
V
K Ke
v C ===00
最后得到: ()
t RC
t C Ve
Ve
t v --
==
在上式中,引入记号RC
=τ,这是一个由电路元件参数决定的参数,称为时间常数。
它有什么物理意义呢?
在时间
t = τ 处, ()V V Ve
v 0.368=e
==-1
-C τ
ττ 时间常数 τ是电容上电压下降到初始值的1/e =36.8% 经历的时间。
当t = 4 τ 时,()V v 0183.0=4C τ,已经很小,一般认为电路进入稳态。
数学上描述上述物理过程可用分段描述的方式,如图9.1 中表示的由V 到0的“阶跃波”的输入信号,取开始突变的时间作为时间的0点,可以描述为:
()()0=S ≤t V t v 对 ;()()00=S ≥t t v 对。
[练习.9.1]在仿真平台上打开本专题电路图,按图中提示作出“零输入响应”的波形图。观察电容、电阻上输出波形与输入波形的关系,由图上读出电路的时间常数值,与用电路元件值计算结果比较。 仿真分析本专题电路
得到波形图如图9.2 所示。
在0到1m 这时间内,电压源值为V ,在时刻1m 时电压源值突然变到0。仿真平台在对电路做瞬态分析之前,对电路作了直流分析,因此图中1m 以前一段波形只是表明电路已经接在电压源值为V “很长时间”后的持续状态。上面理论分析只适用于1m 以后的时间过程。时刻1m 是理论分析的时间“零”点。图上看到,电容上的电压随时间在下降,曲线的样子是指数下降曲线的典型模样。由v C 曲线找到电压值为0.368V 的地方,读出它的时刻值(=2m ),即可求到电路的时间常数是1m (1毫秒)。
图中也画出电阻上电压变化曲线。观察,发现在1m 以前,电阻电压为0,在时刻1m ,电阻电压突变到 -V ,然后逐渐升到0。怎样理解这个过程呢?
2.电阻上电压的过渡过程
虽然专题电路图中取电阻的电压时是由电阻直接落地的电路得到的,但电路元件参数是相同的,该电阻上的电压应和电容落地电路中的电阻是一样的。按照这种想法,看图9.1 ,注意电阻的电压的参考方向应是由S 点向右,即应是v(S 点)-v C ,在电源电压为V 的时间内,电容已被充电到v C =V ,那么v R = v(S 点)-v C =V -V =0。在理论分析时间0处,电压源的电压值突变到0,即v(S 点)=0,但电容上的电压不能突变(回顾电容的特性:电压有连续性)。为了区分突变时刻的前和后的状态,用0- 表示突变前,0+ 表示突变后。
即是说, v C (0+)= v C (0-)=V
那么, v R (0+)= 0-v C (0+)= -V
在随后的时间内,按KVL 定律, 电阻上的电压应为:
()()t RC
t C R Ve
Ve
t v t v ---=-=-=
当然,也可以直接对电阻落地的电路来做理论分析。
在图9.3 中,看S 点突然改为接地后电容的放电过程。
以电阻的电压作求解变量。利用KCL 定律, 电路微分方程
R
v dt v d C
R R =
)
-0( 整理得
=+R
R dt dv
RC
v
由上面的分析知初值条件是:
()V v -=0+R
与上面对电容电压的演算过程类似,就可得到 ()
t -R C
t
--=-=Ve Ve t v R
对比用电容电压和用电阻电压作求解变量的两个微分方程,发现形式一样。最后 的解却不同,这是由于它们的初始条件不同。
由此可见,初始条件对于电路过程的求解是非常重要的。
9.2 RC 电路的非零起始态响应
图9.4 表示的是假定在考察的起始时间的“零”以前,电容上已经有电压V 1,在“零”时电源电压突变到V 2。在随后的时间里,电路中的电流、电容上电压、电阻上电压会怎样变化?
以电容上电压v C (t )作求解变量,
在t >0的时间里,电路的微分方程为:
2
1
=
1
+
V RC v RC dt dv
C C
初始值是:()()1-+=0=0V v v C C