電工技術(shù)應(yīng)用基礎(chǔ)

1、01. 099. 003. 099. 08 .3701. 14 .137702. 1450365365365 項(xiàng)目四：觀測(cè)電路的動(dòng)態(tài)過程項(xiàng)目四：觀測(cè)電路的動(dòng)態(tài)過程任務(wù)一任務(wù)一 觀測(cè)電容電路的動(dòng)態(tài)過程觀測(cè)電容電路的動(dòng)態(tài)過程1.電容器的結(jié)構(gòu)電容器的結(jié)構(gòu)兩金屬極板兩金屬極板絕緣物質(zhì)絕緣物質(zhì)(電介電介質(zhì)質(zhì))在兩個(gè)正對(duì)的平行金屬板中間夾上一層絕緣物質(zhì)在兩個(gè)正對(duì)的平行金屬板中間夾上一層絕緣物質(zhì)(電介質(zhì)電介質(zhì)),就就構(gòu)成了最簡(jiǎn)單的電容器構(gòu)成了最簡(jiǎn)單的電容器,叫平行板電容器叫平行板電容器.兩個(gè)金屬板叫電容兩個(gè)金屬板叫電容器的極板器的極板.強(qiáng)調(diào)：任意兩個(gè)彼此絕緣又相隔很近的導(dǎo)體強(qiáng)調(diào)：任意兩個(gè)彼此絕緣又相隔很近的

2、導(dǎo)體,都可以看成是一都可以看成是一個(gè)電容器個(gè)電容器.2.電容器的充電：電容器的充電： 強(qiáng)調(diào)：一個(gè)極板上所帶電量的絕對(duì)值叫電容器的強(qiáng)調(diào)：一個(gè)極板上所帶電量的絕對(duì)值叫電容器的電量電量Q.充了電的電容充了電的電容,兩極板間就有電場(chǎng)兩極板間就有電場(chǎng),電勢(shì)差電勢(shì)差U.從電源獲得的從電源獲得的電能儲(chǔ)存在電場(chǎng)中電能儲(chǔ)存在電場(chǎng)中,這種能量叫這種能量叫電場(chǎng)能電場(chǎng)能.電容器有儲(chǔ)存電荷和電場(chǎng)能的本領(lǐng)電容器有儲(chǔ)存電荷和電場(chǎng)能的本領(lǐng).3.電容器的放電電容器的放電把充電后的電容器兩極板接通把充電后的電容器兩極板接通,兩極板上的電荷中和兩極板上的電荷中和,電容器不電容器不再帶電再帶電,這個(gè)過程叫放電這個(gè)過程叫放電.并有并有

3、短暫的放電電流短暫的放電電流.放電后放電后,兩極板就不再有兩極板就不再有電場(chǎng)和電勢(shì)差電場(chǎng)和電勢(shì)差,電場(chǎng)能轉(zhuǎn)化為其它形式的能電場(chǎng)能轉(zhuǎn)化為其它形式的能.+ + + +-Q+QU1.電容：電容：電容器所帶的電容器所帶的電量電量Q與電容器兩極板間的與電容器兩極板間的電勢(shì)差電勢(shì)差U的比值的比值,叫做電容器的電容。叫做電容器的電容。2.公式公式3.單位單位1C/V=1F(法拉法拉)1F=106F=1012pF4.注意注意 C=Q/U是比值定義式是比值定義式 C與與Q、U無關(guān)無關(guān).C由由電容器本身結(jié)構(gòu)性電容器本身結(jié)構(gòu)性質(zhì)決定質(zhì)決定, 反映了電容器容納電荷本領(lǐng)。反映了電容器容納電荷本領(lǐng)。UQCUQC或1.動(dòng)態(tài)

4、過程產(chǎn)生的原因1）電路中存在動(dòng)態(tài)元件C2）電路發(fā)生換路，即電路的狀態(tài) 或結(jié)構(gòu)發(fā)生變化t = 0ER+_IK無過渡過程無過渡過程I電阻電路：穩(wěn)態(tài)穩(wěn)態(tài)暫態(tài)暫態(tài)C電路處于舊穩(wěn)態(tài)電路處于舊穩(wěn)態(tài)KRU+_Cu開關(guān)開關(guān)K閉合閉合電路處于新穩(wěn)態(tài)電路處于新穩(wěn)態(tài)RU+_CutUCuRC電路過渡過程的產(chǎn)生電路過渡過程的產(chǎn)生:Uc=UUc=0舊穩(wěn)態(tài)舊穩(wěn)態(tài) 新穩(wěn)態(tài)新穩(wěn)態(tài) 過渡過程過渡過程 : 過渡過程是一種自然現(xiàn)象，過渡過程是一種自然現(xiàn)象， 對(duì)它的研究很重要。過渡過程的存在有利對(duì)它的研究很重要。過渡過程的存在有利有弊。有利的方面，如電子技術(shù)中常用它來產(chǎn)生各種波形；不利的方面，有弊。有利的方面，如電子技術(shù)中常用它來產(chǎn)生

5、各種波形；不利的方面，如在暫態(tài)過程發(fā)生的瞬間，可能出現(xiàn)過壓或過流，致使設(shè)備損壞，必須采如在暫態(tài)過程發(fā)生的瞬間，可能出現(xiàn)過壓或過流，致使設(shè)備損壞，必須采取防范措施。取防范措施。過渡過程的意義過渡過程的意義2.電容電路的換路定律：1 . 電路接通、斷開電源電路接通、斷開電源2 . 電路中電源的升高或降低電路中電源的升高或降低3 . 電路中元件參數(shù)的改變電路中元件參數(shù)的改變.換路定律內(nèi)容換路定律內(nèi)容: :在換路瞬間，電容上的電壓不能突變。在換路瞬間，電容上的電壓不能突變。設(shè)：設(shè)：t=0 時(shí)換路時(shí)換路00- 換路前終了瞬間換路前終了瞬間- 換路后初始瞬間換路后初始瞬間)0()0(CCuu則則 CW不能

6、突變不能突變Cu不能突變不能突變電容電容C存儲(chǔ)的電場(chǎng)能量存儲(chǔ)的電場(chǎng)能量）（221CuWc 3.換路電路的應(yīng)用換路電路的應(yīng)用：初始值的確定初始值初始值（起始值）：（起始值）：電路中電路中 u、i 在在 t=0+ 時(shí)時(shí)的大小。的大小。三步走三步走：1）由換路前的穩(wěn)態(tài)電路求出電容電壓；2）根據(jù)換路定律得到電容電壓的初始值；3）根據(jù)換路后的等效電路求出電容電流和電阻電壓，以及電流的初始值。書98頁例4-14.4.一階動(dòng)態(tài)電路的三要素法：一階動(dòng)態(tài)電路的三要素法：為什么要求解一階線性電路？為什么要求解一階線性電路？只含有一個(gè)只含有一個(gè)儲(chǔ)能元件或可等效為一個(gè)儲(chǔ)能元件儲(chǔ)能元件或可等效為一個(gè)儲(chǔ)能元件的動(dòng)態(tài)電路稱

7、之為一階線性電路。的動(dòng)態(tài)電路稱之為一階線性電路。目的就是找出整個(gè)過渡過程中的電壓、電流各量目的就是找出整個(gè)過渡過程中的電壓、電流各量的變化規(guī)律。的變化規(guī)律。 通過前面對(duì)一階動(dòng)態(tài)電路過渡過程的分析可以看通過前面對(duì)一階動(dòng)態(tài)電路過渡過程的分析可以看出，換路后，電路中的電壓、電流都是從一個(gè)初始值出，換路后，電路中的電壓、電流都是從一個(gè)初始值f f（0+0+）開始，按照指數(shù)規(guī)律遞變到新的穩(wěn)態(tài)值）開始，按照指數(shù)規(guī)律遞變到新的穩(wěn)態(tài)值f f（），遞變的快慢取決于電路的時(shí)間常數(shù)），遞變的快慢取決于電路的時(shí)間常數(shù)。 一階動(dòng)態(tài)電路的三要素一階動(dòng)態(tài)電路的三要素 初始值初始值f f（0+0+） 穩(wěn)態(tài)值穩(wěn)態(tài)值f f（）

8、時(shí)間常數(shù)時(shí)間常數(shù) 一階動(dòng)態(tài)電路一階動(dòng)態(tài)電路的三要素的三要素童鞋們不要忘童鞋們不要忘了這也是一階了這也是一階線性電路的求線性電路的求解過程哦！解過程哦！三要素法的通式三要素法的通式teffftf)()0()()(進(jìn)一步推得：進(jìn)一步推得：)()()()0(lnftffft 由此式可以確定電路中電壓或電流從換路后的初始值變化到某一個(gè)數(shù)值所需要的時(shí)間三要素法應(yīng)用舉例（先看書三要素法應(yīng)用舉例（先看書100頁例頁例4-3） 下圖所示電路中，已知下圖所示電路中，已知U US S =12V =12V，R1= 3kR1= 3k，R R2 2 =6k=6k，R R3 3=2k=2k，C=5FC=5F，開關(guān)，開關(guān)S

9、 S打開已久，打開已久，t=0t=0時(shí)，時(shí)，S S閉合。試用三要素法求開關(guān)閉合后閉合。試用三要素法求開關(guān)閉合后u uC C、i iC C、i i1 1和和i i2 2的的變化規(guī)律即解析式。變化規(guī)律即解析式。解：先求電壓、電流的三要素。先求電壓、電流的三要素。 （1 1）求初始值）求初始值 u uC C（0 0+ +）= u= uC C（0 0- -）= 0= 0 mA386262312)0(323211RRRRRUiSmA3262238)0()0(32312RRRiimA23238)0()0()0(21iiiC（2 2）求穩(wěn)態(tài)值）求穩(wěn)態(tài)值V863612)(212RRRUuSCmA346312)

10、()(2121RRUiiS0)(Ci（3 3）求時(shí)間常數(shù)）求時(shí)間常數(shù)k46363221213RRRRRRs102105104263 RC（4 4）根據(jù)三要素法通式寫出解析式）根據(jù)三要素法通式寫出解析式V)e1 (8)(50tCtumAe2)(50tCtimAe3434e)3438(34)(50501tttimAe3234e)3432(34)(50502ttti說明： 上題也可以只求出電容電壓上題也可以只求出電容電壓u uC C的三要素，然后利的三要素，然后利用三要素法寫出用三要素法寫出u uC C的解析式，再以的解析式，再以u(píng) uC C的解析式為依據(jù)，的解析式為依據(jù)，求出其它電壓、電流的解析式

11、。求出其它電壓、電流的解析式。 5.5.電容器的放電過程電容器的放電過程( (書書100100) )根據(jù)換路定律: t=0t=0時(shí)，時(shí)，u uC C（0 0+ +）= u= uC C（0 0- -）= U= Us s t= t=時(shí)，時(shí)，UcUc（）=0=0書上101頁（4-5）、（4-6）公式怎么來的？電容器放電時(shí)的ic和Uc變化曲線為什么放電時(shí)的電流是負(fù)的？書101頁例4-4時(shí)間單位換算：電容單位換算：電感單位換算：電阻單位換算：1、動(dòng)態(tài)過程產(chǎn)生的原因2、電容電路的換路定律3、初始值的確定（三步走）4、一階電路的三要素法5、電容器的放電過程1、換路瞬間，電容相當(dāng)于什么？此時(shí)的電阻串并聯(lián)關(guān)系是

12、什么？2、電路穩(wěn)態(tài)后電源相當(dāng)于什么？此時(shí)的電阻串并聯(lián)關(guān)系是什么？任務(wù)一：電容電路的動(dòng)態(tài)過程任務(wù)一：電容電路的動(dòng)態(tài)過程還有不會(huì)的問題提出來或者單還有不會(huì)的問題提出來或者單獨(dú)問。獨(dú)問。 項(xiàng)目四：觀測(cè)電路的動(dòng)態(tài)過程項(xiàng)目四：觀測(cè)電路的動(dòng)態(tài)過程任務(wù)二任務(wù)二 觀測(cè)電感電路的動(dòng)態(tài)過程觀測(cè)電感電路的動(dòng)態(tài)過程動(dòng)態(tài)過程產(chǎn)生的原因1）電路中存在動(dòng)態(tài)元件L2）電路發(fā)生換路，即電路的狀態(tài) 或結(jié)構(gòu)發(fā)生變化【例14-2】 下圖所示電路中，開關(guān)轉(zhuǎn)換前電路已處于穩(wěn)態(tài)，下圖所示電路中，開關(guān)轉(zhuǎn)換前電路已處于穩(wěn)態(tài)，t = 0t = 0時(shí)開關(guān)由時(shí)開關(guān)由1 1位接至位接至2 2位，求位，求t 0t 0時(shí)（即換路后）時(shí)（即換路后）i iL

13、 L 、i i2 2、i i3 3和電感電壓和電感電壓u uL L的解析式。的解析式。解：先用三要素法計(jì)算電感電流先用三要素法計(jì)算電感電流i iL L（t t）。）。 （1 1）求電感電流的初始值）求電感電流的初始值i iL L（0+0+） i iL L（0+0+）= i= iL L（0 0- -）= 20/2 =10mA= 20/2 =10mA（2 2）求電感電流的穩(wěn)態(tài)值）求電感電流的穩(wěn)態(tài)值i iL L（） 開關(guān)轉(zhuǎn)換后，電感與電流源脫離，電感儲(chǔ)存的能開關(guān)轉(zhuǎn)換后，電感與電流源脫離，電感儲(chǔ)存的能量釋放出來消耗在電阻中，達(dá)到新穩(wěn)態(tài)時(shí)，電感電流量釋放出來消耗在電阻中，達(dá)到新穩(wěn)態(tài)時(shí)，電感電流為零，即為

14、零，即 i iL L（）= 0= 0（3 3）求時(shí)間常數(shù)）求時(shí)間常數(shù)k10101020)1010(20Rs10101010733RL根據(jù)三要素法，可寫出電感電流的解析式為根據(jù)三要素法，可寫出電感電流的解析式為 i iL L（t t）= 0 += 0 +（10101010-3-300） =10 mA=10 mAt710et710e【例14-3】 下圖（下圖（a a）所示電路原處于穩(wěn)定狀態(tài)。）所示電路原處于穩(wěn)定狀態(tài)。t = 0t = 0時(shí)開時(shí)開關(guān)閉合，求關(guān)閉合，求t 0t 0的電容電壓的電容電壓u uC C（t t）和電流）和電流i i（t t）。）。解：（1 1）計(jì)算初始值）計(jì)算初始值u uC

15、C（0+0+） 開關(guān)閉合前，圖（開關(guān)閉合前，圖（a a）電路已經(jīng)穩(wěn)定，電容相當(dāng)）電路已經(jīng)穩(wěn)定，電容相當(dāng)于開路，電流源電流全部流入于開路，電流源電流全部流入44電阻中，此時(shí)電容電阻中，此時(shí)電容電壓與電阻電壓相同，可求得電壓與電阻電壓相同，可求得 u uC C（0+0+）= u= uC C（0 -0 -）= 4= 42 A = 8V2 A = 8V（2 2）計(jì)算穩(wěn)態(tài)值）計(jì)算穩(wěn)態(tài)值u uC C（） 開關(guān)閉合后，電路如圖（開關(guān)閉合后，電路如圖（b b）所示，經(jīng)過一段時(shí)）所示，經(jīng)過一段時(shí)間，重新達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，電容相當(dāng)于開路，運(yùn)用疊間，重新達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，電容相當(dāng)于開路，運(yùn)用疊加定理求得加定理求得V7V5V

16、2V10444424444V22141411)(Cu （3 3）計(jì)算時(shí)間常數(shù)）計(jì)算時(shí)間常數(shù) 計(jì)算與電容連接的電阻單口網(wǎng)絡(luò)的輸出電阻，它計(jì)算與電容連接的電阻單口網(wǎng)絡(luò)的輸出電阻，它是三個(gè)電阻的并聯(lián)是三個(gè)電阻的并聯(lián)121414110Rs10F1010CR（4 4）將）將u uC C（0+0+）、）、u uC C（）和時(shí)間常數(shù)）和時(shí)間常數(shù)代入通式得：代入通式得：V)e7(7e78)(1010ttCtuAe5051A2)e7(102)(V10)(1010ttCtuti【例14-4】 下圖所示電路中，已知下圖所示電路中，已知U US1S1=3V=3V，U US2S2=6V=6V，R R1 1= R= R2

17、 2= = 22，R R3 3= 1= 1，L = 0.01HL = 0.01H，開關(guān)，開關(guān)S S打在打在1 1位時(shí)，電路處位時(shí)，電路處于穩(wěn)態(tài)。于穩(wěn)態(tài)。t=0t=0時(shí)開關(guān)由時(shí)開關(guān)由1 1位打向位打向2 2位。試求：（位。試求：（1 1）i iL L、i i1 1的變化規(guī)律并畫出它們隨時(shí)間變化的曲線；（的變化規(guī)律并畫出它們隨時(shí)間變化的曲線；（2 2）換路）換路后后i iL L從初始值變化到零所需要的時(shí)間。從初始值變化到零所需要的時(shí)間。解：（1 1）求）求i iL L（0+0+）A750122121223)0()0(322323211SRRRRRRRRUiiLL（2 2）求）求i iL L（）A2

18、52121226)(323212S1RRRRRUiA51122252)()(3221RRRiiL（3 3）求時(shí)間常數(shù)）求時(shí)間常數(shù)S S打在打在2 2位時(shí)，位時(shí)，L L兩端的除源等效電阻為兩端的除源等效電阻為22222121213RRRRRRs00502010RL根據(jù)三要素法，寫出電感電流的解析式為根據(jù)三要素法，寫出電感電流的解析式為 i iL L（t t）=1.5+=1.5+（-0.75-1.5-0.75-1.5） = 1.5-2.25 A= 1.5-2.25 A 0050te0050te由換路后的電路，根據(jù)由換路后的電路，根據(jù)KVLKVL、KVLKVL可列出下列方程可列出下列方程 i i1

19、1（t t）= i= i2 2（t t）+ i+ iL L（t t） R R1 1 i i1 1（t t）+ R+ R2 2 i i2 2（t t）= U= US2S2代入數(shù)據(jù)，聯(lián)立解之得代入數(shù)據(jù)，聯(lián)立解之得 i i1 1（t t）= 2.25-1.125 A= 2.25-1.125 A te200i iL L、i i1 1隨時(shí)間變化的曲線如下圖所示。隨時(shí)間變化的曲線如下圖所示。 i iL L從換路后的初始值從換路后的初始值-0.75 A-0.75 A變化到變化到0 0所需要的時(shí)所需要的時(shí)間可得間可得)()()()0(lnLLLLitiiits002051051750ln0050【例14-5】

20、 下圖所示電路中，電感電流下圖所示電路中，電感電流i iL L（0 0- -）= 0= 0，t=0t=0時(shí)時(shí)開關(guān)開關(guān)S S1 1閉合，經(jīng)過閉合，經(jīng)過0.1s0.1s，再閉合開關(guān)，再閉合開關(guān)S S2 2，同時(shí)斷開，同時(shí)斷開S S1 1。試求電感電流試求電感電流i iL L（t t），并畫波形圖。），并畫波形圖。解： 本題屬于包含開關(guān)序列的直流一階電路的本題屬于包含開關(guān)序列的直流一階電路的分析。對(duì)于這一類電路，可以按照開關(guān)轉(zhuǎn)換的分析。對(duì)于這一類電路，可以按照開關(guān)轉(zhuǎn)換的先后次序，從時(shí)間上分成幾個(gè)區(qū)間，分別用三先后次序，從時(shí)間上分成幾個(gè)區(qū)間，分別用三要素法求解電路的響應(yīng)。要素法求解電路的響應(yīng)。 （1

21、1）在）在0t0.1 s0t0.1 s時(shí)間范圍內(nèi)響應(yīng)的計(jì)算時(shí)間范圍內(nèi)響應(yīng)的計(jì)算 在在S S1 1閉合前，已知閉合前，已知i iL L（0 0- -）= 0= 0，S S1 1閉合后，電感閉合后，電感電流不能躍變，電流不能躍變，i iL L（0 0+ +）=i=iL L（0 0- -）= 0= 0，處于零狀態(tài)，處于零狀態(tài)，電感電流為零狀態(tài)響應(yīng)?？捎萌胤ㄇ蠼猓弘姼须娏鳛榱銧顟B(tài)響應(yīng)?？捎萌胤ㄇ蠼猓篈502010)(2SRUiLs1020221RL根據(jù)三要素公式得到根據(jù)三要素公式得到 i iL L（t t）= 0.5= 0.5（1 - 1 - ）A A （0.1st00.1st0）te10（2

22、 2）在）在t0.1 st0.1 s時(shí)間范圍內(nèi)響應(yīng)的計(jì)算時(shí)間范圍內(nèi)響應(yīng)的計(jì)算 仍然用三要素法，先求仍然用三要素法，先求t = 0.1 st = 0.1 s時(shí)刻的初始值。時(shí)刻的初始值。根據(jù)前一段時(shí)間范圍內(nèi)電感電流的表達(dá)式可以求出在根據(jù)前一段時(shí)間范圍內(nèi)電感電流的表達(dá)式可以求出在t t = 0.1 s= 0.1 s時(shí)刻前一瞬間的電感電流時(shí)刻前一瞬間的電感電流A3160)e1 (50)10(1010Li 在在t = 0.1 st = 0.1 s時(shí)，閉合開關(guān)時(shí)，閉合開關(guān)S2S2，同時(shí)斷開開關(guān)，同時(shí)斷開開關(guān)S S1 1，由于電感電流不能躍變，所以有由于電感電流不能躍變，所以有 i iL L（0.10.1+ +）=i=iL L（0.10.1- -）=0