二阶电路 用二阶微分方程描述的电路,二阶电路一般含有两个储能元件。
图示电路中,时开关接通。求 rlc串联电路的零输入响应。
列后kvl方程
将元件方程
代入得描述的二阶常系数线性齐次微分方程
两个初始条件
的二阶常系数线性齐次微分方程定解
由于电路为零输入响应,因此的强制分量(特解)为零,即
下面求齐次微分方程通解
特征方程及特征根为
;
令代入上式,得到两个特征根
,
上式表明,特征根、决定于电路参数(r、l、c)。而电路参数可任意取值,所以、可为相异实根、二重根或共轭复根。相应的,方程通解将具有不同的函数形式。
1.,即电路参数满足
此时、为两个相异负实根(设r、l、c均为正值)。方程通解为
其中a1和a2须通过初始条件确定
解得
,
将a1、a2代入得响应
根据电容、电感的元件方程,考虑到可得
由于电路中无独立电源,所以响应、、均为零输入响应,因而只含自由分量。
时rlc串联电路零输入响应波形如下——过阻尼过程
2.,即电路参数满足
此时、为一对共轭复数,它们分别写成
;
式中,
方程通解为
其中a和须由初始条件确定:
解得
代入得响应
根据元件方程,得
下图画出了时rlc串联电路零输入响应、i及的波形图——欠阻尼过程
3.,即电路参数满足
此时和为两个相等负实根,即特征方程存在二重根
方程通解为
其中a1、a2须由初始条件确定:
解得
代入通解得
以及
由于属于临界状态。此时电阻r称为临界电阻。临界情形仍是非振荡情形。
例1.图(a)所示电路,设。求的单位阶跃特性。
解:设a。列写关于的微分方程。根据kcl,得
(1)
根据kvl,得
(2)
将式(2)对时间求导,再将式(1)代入求导后的方程,得
(3)
代入已知数
(4)
由零状态电路得初始条件:
(5)
下面求满足方程(4)和初始值(5)的解答。
图 (a)所示电路在作用下存在稳态解。的稳态分量为。为求自由分量须写出方程(4)的特征方程并求出特征根
(6)
为一对共轭复根,故自由分量形式为
(7)
与相加便是方程(4)的通解
(8)
由初始条件式(5)确定b和:
解得
(9)
将、代入式(8)得到满足方程(4)及初始值(5)的解,即响应
a (10)
因为电路为零状态,时,可以用单位阶跃函数表示时的情况。这样的统一表达式是
a(11)
上述是在单位阶跃电流源作用下产生的响应,故的单位阶跃特性的变化规律与相同,但无量纲。即
(12)
的波形如图 (b)所示。