电路的瞬态分析PPT课件

1、1(2) 由换路定律由换路定律 uC (0+) = uC (0-)=8V+10ViiC+8V10k0+等效电路等效电路mA2 . 010810)0(Ci(1) 由由0-电路求电路求 uC(0-)+-10V+uC-10k40kuC(0-)=8V(3) 由由0+等效电路求等效电路求 iC(0+)iC(0-)=0 iC(0+)（三）（三）. .电路初始值的确定电路初始值的确定例例1 1+10ViiC+uCS10k40k求求： uC (0+)、 iC(0+)第1页/共49页2+uL10V1 4 0+电路2A+0)0(0)0(LLuu iL(0+)= iL(0-) =2AVuL842)0(解解：然后由换

2、路定律然后由换路定律:t = 0时时,闭合开关闭合开关S , 求求: : iL(0+) 、uL(0+)AiL24110)0(先求先求tiLuLdd S闭合前闭合前iL为恒定值，则其导数为为恒定值，则其导数为0，即：即：uL (0-)=0例例 2iL+uLL10VS1 4 +第2页/共49页3求初始值的步骤求初始值的步骤: :1. 由换路前由换路前t=0的稳定电路的稳定电路,求求 uC(0-) 或或 iL(0-)；2. 由换路定律得由换路定律得 uC(0+) 和和 iL(0+)；3. 画画0+等值电路；等值电路；4. 由由0+电路求其他所需各变量的电路求其他所需各变量的0+值。值。b. 电容C用

3、替代 US = uC(0+) 电感L用电流源替代 IS = iL(0+) a. 换路后的电路换路后的电路电源方向与原设定的电源方向与原设定的uC(0+) 、iL(0+) 方向一致；方向一致； 在直流激励下在直流激励下,换路前如果电路已处于稳态，则在换路前如果电路已处于稳态，则在 t=0的电路中的电路中,电容元件可视为开路电容元件可视为开路,电感元件可视为短路。电感元件可视为短路。第3页/共49页4 练习练习 P49 2.3.1 2.3.2 初始值初始值第4页/共49页5求初始值的步骤求初始值的步骤: :1. 由换路前由换路前t=0的稳定电路的稳定电路,求求 uC(0-) 或或 iL(0-)；2

4、. 由换路定律得由换路定律得 uC(0+) 或或 iL(0+)；3. 画画0+等值电路；等值电路；4. 由由0+电路求其他所需各变量的电路求其他所需各变量的0+值。值。b. 电容C用替代 US = uC(0+) 电感L用电流源替代 IS = iL(0+) a. 换路后的电路换路后的电路电源方向与原设定的电源方向与原设定的uC(0+) 、iL(0+) 方向一致；方向一致； 在直流激励下在直流激励下,换路前如果电路已处于稳态，则在换路前如果电路已处于稳态，则在 t=0的电路中的电路中,电容元件可视为开路电容元件可视为开路,电感元件可视为短路。电感元件可视为短路。第5页/共49页6主要讨论由主要讨论

5、由直流电源直流电源激励的含一个独立动态元件的线性激励的含一个独立动态元件的线性一阶电路一阶电路。iCeqeq戴维宁等效电路戴维宁等效电路诺顿等效电路诺顿等效电路含一个电容或一个电感加上一些电阻元件、独立电源组成的线性一阶电路，在换路后总可以将连接到电容或电感的有源二端网络用戴维宁或诺顿等效电路来代替 。2. 3 一阶电路三要素法(First-Order Circuits )第6页/共49页7iCeqeq而动态电路是由独立电源而动态电路是由独立电源（外激励）（外激励）和动态元件的初始储能和动态元件的初始储能（内激励）（内激励）共同共同引起的响应。引起的响应。 电阻电路的响应仅由外部激励产生；电阻

6、电路的响应仅由外部激励产生；第7页/共49页8 当电路无独立电源时，当电路无独立电源时，仅由动态元件的初始储能仅由动态元件的初始储能（内激励）引起的响应，（内激励）引起的响应， 称为称为零输入响应零输入响应。 当动态元件的初始储当动态元件的初始储能为零时，仅由独立电源能为零时，仅由独立电源（外激励）引起的响应，（外激励）引起的响应，称为称为零状态响应零状态响应。 例：例：uC (t)R+-i (t)U0S(t=0)USuC (t)R+-+-i (t)uC (0-)=0S例：例：(t=0)当动态电路由独立电源当动态电路由独立电源（外激励）（外激励）和动态元件的初始储能和动态元件的初始储能（内激励

7、）（内激励）共同共同引起的响应，称为引起的响应，称为全响应全响应。 P49 判断电路响应的类型第8页/共49页9动态电路分析的基本方法（经典法）是建立微分方程，然后用数学方法求解微分方程，最终得到电压电流响应的表达式，进行分析。 下面我们以RC一阶电路为例，讨论一阶电路微分方程的建立及求解，得到全响应的一般表达式，并在此基础上推导出工程上常用的一阶电路三要素法，然后举例说明如何用三要素法求解带开关的直流一阶电路，最后讨论几个与我们生活和学习密切相关的实例。 第9页/共49页10列电路的列电路的KVLKVL方程：方程：ocCCeqUuiR dtduCiCC ocCCeqUudtduCR cbft

8、dfda 一般形式：一般形式：由直流电源激励的一阶线性电路的数学模型是：由直流电源激励的一阶线性电路的数学模型是：以时间为自变量的一阶常系数线性微分方程以时间为自变量的一阶常系数线性微分方程分析：分析：第10页/共49页11tRCSCCCAeUuuu1 1、齐次微分方程的通解：、齐次微分方程的通解：设设ptCeuA 0 ptptAeRCApe特征方程特征方程RCp+1=0得得0dd ptptAetAeRCRCp1 特征根特征根tRCptCAeeu1A 则则 tRCSCSCeUuUtu1)0()( 2、非齐次微分方程的解：、非齐次微分方程的解：SocCCeqUUudtduCR 特解由初始值确定常

9、数由初始值确定常数A01)0( RCSCAeUuSCUuA )0(则：则：稳态响应暂态响应0 CCudtudRC第11页/共49页12 )()0()()( teffftf 时间常数时间常数初始值初始值稳态值稳态值三要素三要素 )0( )(ff teftfA)()(令令 t = 0+A)()0( ff)()0( ffA一阶电路的数学模型是一阶微分方程：一阶电路的数学模型是一阶微分方程：cbftdfda 其解答一般形式为：其解答一般形式为：上式即为计算直流激励一阶电路全响应的三要素公式。上式即为计算直流激励一阶电路全响应的三要素公式。 tRCSCSCeUuUtu1)0()( 第12页/共49页13

10、注意：三要素公式使用的条件：三要素公式使用的条件：1、必须是一阶电路；、必须是一阶电路；2、电路的激励必须是带开关的直流激励、电路的激励必须是带开关的直流激励;3、电路必须具有稳定性，即必须有时间常数。、电路必须具有稳定性，即必须有时间常数。ISuC (t)R+-i (t)例：例：S(t=0)第13页/共49页14用用三要素法三要素法计算含一个电容或一个电感的直流激励一阶计算含一个电容或一个电感的直流激励一阶电路响应的一般电路响应的一般步骤步骤是：是： 时间常数时间常数初始值初始值稳态值稳态值、确定三要素、确定三要素 )0( )(1ff )()0()()(2得到响应的表达式得到响应的表达式、将

11、三要素代入公式：、将三要素代入公式： teffftf )(3的波形图进行分析。的波形图进行分析。、画出、画出tf第14页/共49页151. 求稳态值求稳态值 f () (the final value)0)(2 idtduCiCC)( ),( ),( ),(321 Cuiii开关开关S闭合前电路已达稳态闭合前电路已达稳态求开关求开关S合上后的合上后的Ai311121)(1 Ai321122)(3 VuC321/21)( 根据根据t 0的电路将电容用开路代替或电感用短路代替，的电路将电容用开路代替或电感用短路代替，得到一个直流电阻电路，再从此电路中计算出稳态值。得到一个直流电阻电路，再从此电路中

12、计算出稳态值。解：解：1A2 例例11 3F+-uCi1i2i3S第15页/共49页16例例 2iL+uL-L10VS1 4 开关开关S 断开前电路已达稳态断开前电路已达稳态求开关求开关S 断开后断开后 uL()，iL ()。0)( LLLudtdiLuAiL24110)( 解解: :第16页/共49页172. 求时间常数 ( the time constant ) 秒秒伏伏安秒安秒欧欧伏伏库库欧欧法法欧欧 RC(1) 一阶一阶RC电路电路同一同一RC电路中所有响应具有相同的时间常数电路中所有响应具有相同的时间常数RoCab+ iC有源有源二端二端网络网络令令 =RoC , 称称 为一阶为一阶

13、RC电路的时间常数电路的时间常数例：例：ms3 . 01011201806 ）（第17页/共49页18(2) 一阶一阶RL电路电路秒秒欧欧安安秒秒伏伏欧欧安安韦韦欧欧亨亨 RL 同一同一RL电路中所有响应具有相同的时间常数电路中所有响应具有相同的时间常数RoL有源有源二端二端网络网络ab+ uLiLoRL令令 , 称为一阶称为一阶RL电路时间常数电路时间常数例：例：msRLo50122440/.第18页/共49页19(3) (3) 时间常数的物理意义时间常数的物理意义 )()0()()( teffftf例：例：uC (t)R+-i (t)U0S(t=0)RCtCeUtu 0)(由三要素公式可得

14、：由三要素公式可得：uC / VU0t /s 0第19页/共49页20R110kohmC11uFV112VABTGXSC1J2Key = Space第20页/共49页2112Vt02345uC (t) U00.368U00.135U00.050U00.018U00.007U00工程上认为工程上认为 , 经过经过 3 - 5 , 过渡过程结束。过渡过程结束。536.8%U0msRC10101101063 010003680UeUeUeUtuRCRCtC.)( 第21页/共49页22P50 2.6.1 2.6.2求电路的时间常数第22页/共49页23例例1：在下图中，在下图中，t0时电路已处于稳态

15、。用三要素法求时电路已处于稳态。用三要素法求t 0 时的时的 uC(t),并并画出变化曲线画出变化曲线。U13V6VR2R12k 1k C3 FSt=0abU2uC 解：解：uC(0+)= uC(0-)+ = = 2VR1+R2R2 U1 uC()= = 4VR1+R2R2 U2 = (R1 R2)C = 3 = 2ms23先确定先确定uC(0+)、 uC( )和时间常数和时间常数 等效电阻等效电阻R：从：从C两端看进去的等效电阻两端看进去的等效电阻第23页/共49页24例例1：在下图中，在下图中，t0时电路已处于稳态。用三要素法时电路已处于稳态。用三要素法求求t 0 时的时的 uC(t),并

16、并画出变化曲线画出变化曲线。U13V6VR2R12k 1k C3 FSt=0abU2uC 解：解：+uC = uC ( )+ uC(0+) uC( )e -t/ uC =4 2 e 500 t VuC(0+)= 2V uC() = 4V =2ms求求t 0 时的时的 uCt (S)uC (V)402第24页/共49页25例例1：在下图中，在下图中，t0时电路已处于稳态。用三要素法时电路已处于稳态。用三要素法求求t 0 时的时的 uC(t),并并画出变化曲线画出变化曲线。U13V6VR2R12k 1k C3 FSt=0abU2uC +uC =4 2 e 500 t ViC dtduCiCCmAe

17、ett50050063)500)(2(103i2 22RuiCmAet500221iiiC?1Ru第25页/共49页26t (s)f(t)f(0+)f( )t (s)f(t)f(0+)f( )t (s)f(t)f(0+)= f( )第26页/共49页27iL (0+) = iL(0-) = 1 A,t=0时时 , 打开开关打开开关S，开关打开前，开关打开前电路已达稳态电路已达稳态，求求: uv (t)。现象现象 ：电压表坏了：电压表坏了电压表量程：电压表量程：50VmsRRLV4 . 0100104 010)(2500tkVetutV 分析分析:例例2iLS(t=0)+uVL=4HR=10 V

18、RV10k 10V+iLLR10VS(t=0)uV (0+)= - 10000V 造成造成V损坏。损坏。kViRuVv10)0()0( Vuv0)( )()0()()( teffftfuVt010-10kV第27页/共49页28例3Photoflash Unituct0?t1US2RUS 1RUSi80VR1CmF2R2SphotolampuC+ 12+ 2k 4 iUS工作原理：工作原理：1）开关）开关S1, US向向C以以 1=R1C缓慢充电缓慢充电; uC从从0上升到上升到US ;充电时间充电时间t1大约为大约为5 1=20s2）开关）开关S2, C经过经过photolamp 以以 2=

19、R2C快速放电快速放电;放电电流放电电流 i的峰值的峰值达到达到US /R2 =80/4=20A;放电时间大约为放电时间大约为5 2=40ms第28页/共49页29例3Photoflash Unituct0t1US2RUS 1RUSi80VR1CmF2R2SphotolampuC+ 12+ 2k 4 iUS2）计算公式：）计算公式：0 t t1这种简单的这种简单的RCRC电路可提供瞬间电路可提供瞬间大电流脉冲，在电子点焊、雷大电流脉冲，在电子点焊、雷达发射管等场合都得到应用。达发射管等场合都得到应用。)1(1CRtSCeUu CRtSCeRUdtduCi11 t1 t CRttSCeRUdtd

20、uCi212 CRttSCeUu21 第29页/共49页30汽车的汽机需要汽缸中的燃气混合物在汽车的汽机需要汽缸中的燃气混合物在适当的时候点火才能启动。适当的时候点火才能启动。Spark plug工作原理：工作原理：若一对电极之间施加上千伏的高压，则气隙间若一对电极之间施加上千伏的高压，则气隙间产生火花，由此实现汽缸点火。产生火花，由此实现汽缸点火。问题是如何由问题是如何由12V的汽车电池获得上千伏的高电压？的汽车电池获得上千伏的高电压？由电感由电感L（火花线圈）获得（火花线圈）获得dtdiLuLL 使使 i 在瞬间发生很大的变化在瞬间发生很大的变化uLS闭合，闭合，iL 逐渐增加到逐渐增加到

21、ARUiSL3412 若若S用用1微秒微秒打开，打开，12VRS+ + LiLUSuLmH64 kVtiLuL则气隙间电压为则气隙间电压为Air gapSpark coil例例4、Automobile Ignition Circuit第30页/共49页31作作 业业n习题习题 P51 2.6.3 2.6.6 第31页/共49页32第八章第八章 半导体器件半导体器件 8. 1 半导体的基础知识半导体的基础知识8. 2半导体二极管及整流电路半导体二极管及整流电路8. 3特殊二极管特殊二极管8. 4集成稳压器集成稳压器8. 5双极型晶体管双极型晶体管第32页/共49页33

22、导体、半导体和绝缘体导体、半导体和绝缘体1、导体：自然界中很容易导电的物质称为导体，金属一般都是导体。2、绝缘体： 有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。3、半导体： 导电特性处于导体和绝缘体之间，称为半导体如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。8. 1 半导体的基础知识半导体的基础知识第33页/共49页34 半导体的导电特性半导体的导电特性: :1 1、当受外界热作用时，它的导电能力明显变化、当受外界热作用时，它的导电能力明显变化-热敏热敏元件。元件。3 3、往纯净的半导体中掺入某种杂质、往纯净的半导体中掺入某种杂质( (如如: :硼硼) )后，后，会使它的导电能力明显

23、改变会使它的导电能力明显改变-杂质半导体杂质半导体如：如：二极管、三极管、场效应管及晶闸管。二极管、三极管、场效应管及晶闸管。2、当受外界光作用时，它的导电能力明显变化-光敏元件。它具有不同于其它物质的特点：第34页/共49页35一、一、 本征半导体本征半导体最外层电子（价电子）都是四个。最外层电子（价电子）都是四个。硅和锗：Ge锗锗Si硅硅硅和锗的原子结构平面图硅和锗的原子结构平面图第35页/共49页36一一 、本征半导体、本征半导体纯净的具有单晶结构的半导体。纯净的具有单晶结构的半导体。本征半导体的共价键结构本征半导体的共价键结构硅原子硅原子价电子价电子+4+4+4+4两种载流子：两种载流

24、子： 带负电的自由电子带负电的自由电子 带正电的空穴。带正电的空穴。 两种载流子成对出现两种载流子成对出现空穴自由电子8. 1 半导体的基础知识半导体的基础知识第36页/共49页37+4+4+4二、杂质半导体二、杂质半导体1. N型半导体型半导体在硅或锗的晶体中在硅或锗的晶体中 掺入掺入少量的五价元素少量的五价元素,如磷。如磷。磷原子磷原子+4正离子自由电子靠自由电子导电的半导体称N型半导体。自由电子的总数大于空穴，自由电子为多数载流子。+5第37页/共49页38+4+4+42. P型半导体型半导体在硅或锗的晶体中掺入少在硅或锗的晶体中掺入少量的三价元素量的三价元素,如硼。如硼。硼硼原子原子+

25、4负离子空穴靠空穴导电的半导体称P型半导体。空穴的总数大于自由电子，空穴为多数载流子。+3第38页/共49页39P型型N型型三、三、 PN 结结PN结结内电场方向内电场方向1. PN 结的形成多数载流子P区的空穴向N区扩散并与电子复合，N区的电子向P区扩散，出现空间电荷区，称为PN结。少数载流子内电场阻碍多数载流子的扩散运动，内电场阻碍多数载流子的扩散运动，加强少数载流子的漂移运动。加强少数载流子的漂移运动。第39页/共49页40内电场方向内电场方向外电场方向外电场方向RI2 . PN 结的特性结的特性 外加正向电压外加正向电压P 型型N 型型PN结结PN结变薄，扩散运动增强，形成较大的正向电

26、流结变薄，扩散运动增强，形成较大的正向电流 I。PN结所处的状态称为结所处的状态称为正向导通，其特点：正向导通，其特点：PN结正向电流大，结正向电流大，PN结电阻小。结电阻小。第40页/共49页41内电场方向内电场方向外电场方向外电场方向RI 02 . PN 结的特性结的特性 外加反向电压外加反向电压P 型型N 型型PN结结PN结变厚，漂移运动增强，扩散运动难以进行，反向电结变厚，漂移运动增强，扩散运动难以进行，反向电流很小流很小 I。PN结所处的状态称为结所处的状态称为反向截止，其特点：反向截止，其特点：PN结反向电流小，结反向电流小，PN结电阻大。结电阻大。第41页/共49页42一、基本结构一、基本结构半导体二极管是在一个半导体二极管是在一个PN结两侧加上电极引线而做成的。结两侧加上电极引线而做成的。+ PN阳极阳极 阴极阴极二极管的符号二极管的符号8. 2半导体二极管及整流电路半导体二极管及整流电路第42页/共49页43 正极引线正极引线触丝触丝N型锗型锗支架支架外壳外壳负极引线负极引线点接触型二极管点接触型二极管PN结结1.点接触型点接触型二极管二极管PN结面积、结电容小，可通过结面积、结电容小，可通过小电流。用于高频电路及小电小电流。用于高频电路及小电流整流电路。