电路与电子技术基础
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2.2 换路定则及其初始条件

2.2.1 换路定则

动态电路中开关的接通、断开以及元件参数的变化,会使动态电路电压、电流发生变化,即电路的工作状态改变了,称为换路(Commutation)。换路一般在几微秒到几秒之内完成,但响应与激励的变化大。在工程实践中,暂态在一些场合有广泛的应用,如电视、雷达等电子电路的一些特定波形的产生;而在另一些场合则要避免,如电力系统的过电压和过电流,会造成设备损坏。

通常认为换路在t=0时刻进行,用t=0-表示换路前一瞬间,称为起始时刻,用t=0+表示换路后一瞬间,称为初始时刻。它们反映了两种不同的物理状态。电路换路初始时刻( t=0+)电路元件的电压值或电流值称为初始值(Initial Value)。

若换路起始时刻电容电压为uC(0-),换路初始时刻电容电压为uC(0+),则式(2.1.3)可写成

在换路过程中,因电容电流为有限值,则式(2.2.1)积分项为零,即

同理,对于电感来说,由式(2.1.5)得

在换路过程中,因电感电压为有限值,则式(2.2.3)积分项为零,即

式(2.2.2)和式(2.2.4)称为换路定则,简称“容压感流”,它只适用换路瞬间,且电容电流、电感电压均为有限值。一阶电路的暂态分析是在换路定则基础上,再求t=0+时各支路电流电压的初始值。

2.2.2 初始值的确定

一阶动态电路中各支路电压、电流初始值的计算流程如下。

(1)先由t=0-等效电路求出换路起始时刻uC(0-)或iL(0-):在直流激励下,换路前,如果储能元件已储存能量,并且电路已处于稳定状态时,则将电容视为开路,电感视为短路,得到t=0-等效电路。

(2)根据换路定则,求出电容电压初始值uC(0+)或电感电流初始值iL(0+)。

(3)画出在t=0+时刻的等效电路:可用电压为uC(0+)的电压源替代电容,用电流为iL(0+)的电流源替代电感。

(4)由t=0+电路,利用第1章的电路分析法求其他支路电压、电流的初始值。

【例 2.2.1】电路如图 2.2.1(a)所示, t<0时电路已达稳态, t=0时将开关 S 闭合,求各元件电流、电压。

图2.2.1 例2.2.1电路

解:该电路为一阶动态电路,(1)求电容uC(0-)。

t<0时电路已达稳态,电容相当于开路。

(2)求电容电压初始值uC(0+)。

根据换路定则——容压感流, uC(0+)=uC(0-)=10(V)。

(3)画出在t=0+时刻的等效电路

可用电压为uC(0+)的电压源代替电容, t=0+的等效电路如图2.2.1(b)所示。

(4)由t=0+电路,利用第1章的电路分析法求其他支路电压、电流的初始值。

【例 2.2.2】图 2.2.2(a)所示电路换路前已经稳态, t=0时闭合开关,求开关闭合前和闭合后的电感电流和电感电压。

图2.2.2 例2.2.2电路

解:该电路为一阶动态电路,(1)求电感iL (0-)。

开关闭合前电路稳态, i2 (0-)=0(A),电感相当于短路。

根据并联分流原理,,则uL (0-)=0(V)。

(2)求电感电流初始值iL (0+)。

根据换路定则——容压感流, iL (0+)=iL (0-)=1(A)。

(3)画出在t=0+时刻的等效电路。

t=0时刻闭合开关, t=0+时刻等效电路如图2.2.2(b)所示。

(4)由t=0+电路,利用第 1 章的电路分析法求其他支路电压、电流的初始值。uL(0+)=-1×iL(0+)=-(1×1)=-1(V),i2(0+)=2-iL(0+)=1(A),注意i1(0+)=0(A)。