电路分析教学课件PPT电容元件与电感元件.ppt

第一篇 总论和电阻电路的分析 第1 4章 约18学时 第二篇 动态电路的时域分析 第5 7章 约12学时 第三篇 动态电路的相量分析法和s域分析法 第8 12章 约26学时 主要内容contents 包含至少一个动态元件 电容或电感 的电路称为动态电路 若元件的伏安关系涉及对电流 电压的微分或积分 则称这种元件为动态元件 dynamicelement 如电容 电感 含有一个独立的动态元件的电路为一阶电路 电路方程为一阶常系数微分方程 含有二个独立的动态元件的电路为二阶电路 电路方程为二阶常系数微分方程 含有三个及以上独立的动态元件的电路为高阶电路 电路方程为高阶常系数微分方程 动态电路 只讨论线性非时变动态电路 第二篇 动态电路的时域分析 第五章电容元件与电感元件第六章一阶电路第七章二阶电路 第五章电容元件与电感元件 5 1电容元件 5 2电容元件的伏安关系 5 3电容元件的特性 5 4电容元件的储能 5 5电感元件 5 6电感与电容元件的对偶性 5 7电容 电感的串并联 5 1电容元件 capacitor 1 电容器的构成 两块金属板用绝缘介质隔开就构成了一个实际电容器 在外电源作用下 正负电极上分别带上等量异号电荷 撤去电源 电极上的电荷仍可长久地聚集下去 是一种储存电能的部件 2 电容元件定义 是电容器的理想化模型 能够在q u平面内用一条曲线 称为库伏特性曲线 来描述的二端元件称为电容元件 即电荷q和电压u存在着代数关系 若该曲线是过原点的直线 则称为线性电容元件 否则就称为非线性电容元件 库伏特性 0 任何时刻 电容元件极板上的电荷q与电压u成正比 q u特性曲线是过原点的直线 下页 上页 3 线性时不变电容元件 电容的定义式 返回 注 电容元件简称为电容 其符号c既表示元件的参数 也表示电容元件 4 符号及单位 单位 法拉 f 常用 f pf等表示 1f 106 f1 f 106pf 5 2电容元件的伏安关系 1 微分形式 非关联时 采用关联参考方向如图所示 则有 2 积分形式 对上式从 到t进行积分 并设uc 0 得 其中 uc t0 称为电容电压的初始值 体现了t0时刻以前电流对电压的贡献 一般取t0 0 描述一个电容元件必须有两个值 c值和uc t0 值 如果只讨论t t0的情况 上式可改写为 5 3电容元件的特性 1 电容的动态特性 电压有变化时 才有电流 任何时刻 通过电容元件的电流与该时刻的电压变化率成正比 如果电容两端加直流电压 则ic 0 电容元件相当于开路 结论 电容元件具有隔直流 通交流作用 2 电容电压的连续性 又称惯性 说明 若电容电压在t时刻发生了跃变 则t时刻电容电流为无穷大 在实际电路中 通过电容的电流ic总是为有限值 这意味着duc dt为有限值 那么 电容两端的电压uc就必定是时间t的连续函数 而不能发生跃变 结论 若电容电流有界 则电容电压不能跃变 它表明 在任一时刻t 电容电压uc是此时刻以前所有的电流作用的结果 它 记载 了以往的全部历史 所以称电容为记忆元件 相应地 电阻为无记忆元件 3 电容的记忆性质 电容电压对电流有记忆作用 4 等效电路 先讨论电容的功率 在电压 电流参考方向一致的条件下 在任一时刻 电容元件吸收的功率p t u t i t cu t 从 到t时间内 电容元件吸收的能量 5 4电容元件的储能 若设u 0 则电容吸收能量 在t1 t2时间段内 电容贮存的能量为 电容在任一时间t时的贮能为 结论 电容在某段时间内的贮能只与该段时间起点和终点的贮能有关 而与其它时刻的能量无关 电容是贮能元件 它不消耗能量 也不产生能量 只是吸收和放出能量 实行能量的转换 是无源元件 当 u 增大时即当u 0 且 0 或u0 电容吸收功率为正值 电容元件充电 储能wc增加 电容吸收的能量以电场能量的形式储存于元件的电场中 当 u 减少时即u 0 且 0 或者u 0 且 0时 p 0 电容吸收功率为负值 电容放电 储能wc减少 电容将储存于电场中的能量释放 若到达某一时刻t1时 有u t1 0 从而wc t1 0 表明这时电容将其储存的能量全部释放 因此 电容是一种储能元件 它不消耗能量 说明 另外 无论u为正值或负值 恒有wc t 0 这表明 电容所释放的能量最多也不会超过其先前吸收 或储存 的能量 它不能提供额外的能量 因此它是一种无源元件 说明 实际电容器 电力电容 实际电容器模型 并联模型串联模型 例已知us t 脉冲如图 当uc t 9 9v时 作用过的脉冲数目是多少 uc 0 0v 解 1 电感线圈 把金属导线绕在一骨架上就可构成实际的电感线圈 当电流通过线圈时将产生磁通 它是一种抵抗电流变化 储存磁能的部件 t n t 下页 上页 返回 5 5电感元件 inductor 2 电感元件定义 是储存磁能的两端元件 任何时刻 其特性可用 i平面上的一条曲线来描述 下页 上页 韦安特性 o 返回 任何时刻 通过电感元件的电流i与其磁链 成正比 i特性为过原点的直线 3 线性时不变电感元件 下页 上页 返回 电感的定义式 4 电路符号 h 亨利 常用 h mh表示 单位 下页 上页 电感器的自感 1h 103mh1mh 103 h 返回 下页 上页 返回 在动态电路中 电容电压uc和电感电流il占有特殊的地位 它们是电路的状态变量 状态变量也是一组最少的变量 5 6电感与电容元件的对偶性 2 电感电流的连续性 又称惯性 若电感电压有界 则电感电流不跃变 注意 若电感电流在t0时刻发生了跃变 则t0时刻电感电压为无穷大 1 电感的动态特性 电流有变化时 才有电压 具有通直流 阻交流作用 在直流稳态电路中 电感可视作短路 3 电感的记忆性质 电感电流对电压有记忆作用 贴片型功率电感 贴片电感 实际电感器 贴片型空心线圈 可调式电感 环形线圈 立式功率型电感 电抗器 实际电感器模型 实际电容器比较容易做的理想 即损耗可以近似认为零 而实际电感器很难做的理想 损耗大 一般不可忽略不计 5 7电容 电感的串并联 1 电感串联 推广 分压公式 即 分流公式 推广 2 电感并联 3 电容串联 或写为 推广 4 电容并联 指含有动态元件电容和电感的电路 动态电路 特点 1 在动态电路中 由于动态元件的储能特性 使得响应不仅与激励有关 而且与电容 电感的初始贮能有关 即与电容电压和电感电流的初始值有关 这样就导致了三种不同的响应形式 零状态响应 零输入响应和全响应 当电路中电容或电感无初始贮能时 即电路的初始状态为零 仅由激励决定的响应称为零状态响应 1 2 零状态响应 2 1 零输入响应 指电路发生换路前 动态元件中已储有原始能量 换路后外部激励为零 仅由该初始能量作用下引起的电路响应 2 1 全响应 指外部激励和动态元件的原始储能共同作用时引起的电路响应 一阶电路 一阶电路中只有一个动态元件 描述电路的方程是一阶线性微分方程 二阶电路 二阶电路中有二个动态元件 描述电路的方程是二阶线性微分方程 下页 上页 返回 高阶电路 电路中有多个动态元件 描述电路的方程是高阶微分方程 2 描述动态电路的电路方程为微分方程 例 过渡期为零 电阻电路 下页 上页 返回 特点 3 当动态电路状态发生改变时 换路 需要经历一个变化过程才能达到新的稳定状态 这个变化过程称为电路的过渡过程 i 0 uc us i 0 uc 0 k接通电源后很长时间 电容充电完毕 电路达到新的稳定状态 k未动