一阶RL电路也是以种常用的电路,一阶RL电路暂态过程的分析方法和一阶RC电路一样可用经典法和三要素法。
1、经典法
图3-16所示电路,t=0时开关S闭合,产生过渡过程。根据KVL,得回路电压方程为
而:
从而得微分方程:
或
此微分方程的通解为两个部分:一个是特解,一个是齐次方程式的解,即
特解可以是满足方程式的任何一个解,取t=时电路的稳定分量,即=。
微分方程的齐次方程式为:
令其通解为,代入齐次微分方程式可得特征方程式是:
所以,特征方程式的根为:
式中,其量纲为(秒),称为电路暂态过程的时间常数。
因此微分方程的通解
=+
积分常数A需用初始条件来确定。在t=0时
=+=+A
由此可得:A=-
因此+
上述利用微分方程进行求解分析一阶RL电路的暂态过程的方法称为经典法,经典法的分析步骤为:
(1)用基尔霍夫定律列出换路后电路的微分方程式。
(2) 解微分方程。
2、三要素法
通过经典分析法我们得到图3-16所示电路,暂态过程中电感电流为:
+
上述结果可归纳为 “三要素法”,式中只要知道稳态值,初始值和时间常数,这“三要素”,则便被唯一确定。它适合于任何含一个一阶RL电路在阶跃(或直流)信号激励下的过程分析。
要注意一阶RL电路时间常数为,一阶RL电路仅有一个电感元件,L即为电感元件的电感量,而R为换路后的电路中除去电感后所得无源二端口网络的等效电阻。
RL电路的零状态响应
当动态电路的初始储能为零(即初始状态为零)时,仅由外加激励产生的响应称作零状态响应。图3-17的一阶RL电路,设在开关S闭合前(t<0),电感L无初始储能,当t=0时,开关S闭合。下面用“三要素法”分析电路的响应。
电感L无初始储能,即电感的初始电流=0。根据换路定律,电容电压的初始值==0。故电路为零状态响应
t=时,稳态值为换路后将电感看成短路的电流,因此
=
时间常数,根据“三要素法”
+
=
的变化曲线如图3-18(a)所示。按指数规律随时间增长而趋于稳态值。
=
的变化曲线如图3-18(b)所示。图中电感电压是正值,这是电流上升产生的反电势。
例3-8
电路如图3-19所示,换路前
已处于稳态,时开关闭合,试求换路后()的。
解:时已处于稳态,
即电感的初始电流为换路前电感电流
==0
t→时,稳态值为换路后将电感看成短路的电流,因此
时间常数,而R为换路后的电路从电感看无源二端网络的等值电阻。
+
=15(1-)mA
RL电路的零输入响应
一阶RL电路中,如果在换路的瞬间电感元件已储存有能量,那么即使电路中无外加激励电源,换路后,电路中的电感元件将通过电路释放储能,在电路中产生响应,即零输入响应。
电路如图3-20所示,开关S原来断开,电路已经稳定。t=0开关S闭合,使电路产生过渡过程。此时,电感的初始电流为换路前电感的短路电流
=
根据换路定律,电感电流的初始值
==。
t→时,稳态值为换路后电感储能耗尽后的电流,因此=0
根据三要素法,得换路后电感的电流为:
时间常数
+
=
=-
及的波形如图3-21所示。图上电感的端电压为负值,这是由电流衰减产生的反电势。
例3-9
电路如图3-22所示,换路前已处于稳态,时开关断开,试求换路后()的。
解:时已处于稳态,
即电感的初始电流为换路前电感的短路电流
根据换路定律,电感电流的初始值==3A。
t→时,稳态值为换路后电感储能耗尽后的电流,因此
=0
时间常数,而R为换路后的电路从电感端看无源二端网络的等值电阻。
+=3A
--3A
RL电路的全响应
电路如图3-23所示,在换路前电路为稳定状态,t=0时闭合开关S。
时已处于稳态,即电感的初始电流为换路前电感的短路电流
根据换路定律,电感电流的初始值
=
t→时,稳态值为换路后电感的短路电流,因此
时间常数,而R为换路后的电路从电感看无源二端网络等的值电阻。
++-
例3-10
电路如图3-24所示,
换路前已处于稳态,时开关闭合,试求换路后()的及。
解:开关S闭合前电感L中的电流
开关S闭合后各电流初始值
。
开关S闭合后电感电流的稳态值
求电路时间常数
于是
=6V