动态电路的零输入响应

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动态电路中至少含有一个动态元件,如果动态元件储存了一定数量的能量 ( 电场能量或磁场能量 ) ,即使换路后电路中没有输入激励 ( 独立源 ) ,电路中也会产生电流。这体现了动态元件通过耗能元件进行电磁能量释放的物理过程。电路在无输入激励情况下,仅由动态元件原始储能引起的响应称为零输入响应。零输入响应可以是动态电路中任意支路的电压或电流。

动态电路的零输入响应

图1 零输入响应实例

如图 1 所示电路,在 动态电路的零输入响应时, 动态电路的零输入响应。在开关闭合后的初瞬,即 动态电路的零输入响应时,有 动态电路的零输入响应,电感元件储存的磁场能量为 动态电路的零输入响应。当开关闭合后, RL 串联电路无激励源作用,电感中的磁场能量将逐步释放直至被电阻 R 消耗完毕为止。在此过程中出现的电感电流 动态电路的零输入响应、电阻电压 动态电路的零输入响应和电感电压 动态电路的零输入响应即为电路的零输入响应。

对一个 n 阶动态电路,如果换路后电路中无输入激励,则其输入 - 输出方程将变为齐次微分方程,具有如下形式:

动态电路的零输入响应 ( 1 )

其中, 动态电路的零输入响应为待求的输出变量。可见,动态电路的零输入响应即齐次微分方程的解。

根据高等数学知识,求解 ( 4-6-1 ) 式 n 阶齐次微分方程,可以先列出其特征方程:

动态电路的零输入响应 ( 2 )

设此特征方程的 n 个特征根分别为 动态电路的零输入响应,且所有的根都互不相等,则 ( 1 ) 式的通解为

动态电路的零输入响应 ( 3 )

这就是 n 阶动态电路零输入响应的一般形式。式中 动态电路的零输入响应是由齐次微分方程式 ( 1 ) 的 n 个初始条件 动态电路的零输入响应决定的积分常数。

由式 ( 3 ) 可以看出,特征根 动态电路的零输入响应决定了动态电路零输入响应的性质。如果特征根都是负实根,则响应随时间的增长而衰减,且特征根的绝对值越大,衰减越快;如果特征根中有复数根,则将出现振荡情况。在物理上,特征根 动态电路的零输入响应取决于电路的拓扑结构及电路中元件参数的取值情况。因此,特征根 动态电路的零输入响应又被称为电路零输入相应的固有频率或自然频率。

【 例1 】 求解例图2 中所给电路的零输入响应 动态电路的零输入响应动态电路的零输入响应

动态电路的零输入响应动态电路的零输入响应动态电路的零输入响应A , 动态电路的零输入响应V 。

动态电路的零输入响应

例图2 零输入响应计算实例

解:例图2 中电路在无输入激励情况下的积分微分方程和微分方积分别为

动态电路的零输入响应 ( 4 )

动态电路的零输入响应 ( 5 )

特征方程为

动态电路的零输入响应

可解得特征根为

动态电路的零输入响应动态电路的零输入响应

该微分方程的通解为

动态电路的零输入响应

确定常数 动态电路的零输入响应需要初始条件 动态电路的零输入响应动态电路的零输入响应。根据题设,易知:

动态电路的零输入响应动态电路的零输入响应V

动态电路的零输入响应时刻,将 动态电路的零输入响应动态电路的零输入响应代入 ( 4 ) 式,得

动态电路的零输入响应

解得: 动态电路的零输入响应A/s

利用两个初始条件,可得

动态电路的零输入响应动态电路的零输入响应

联立求解可得: 动态电路的零输入响应动态电路的零输入响应

故电路的零输入响应为

动态电路的零输入响应

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