基于微分方程的RLC电路分析
RLC电路在无线电,通讯技术,电工技术等领域得到了广泛的应用[1-2]。图1为RLC电路图,先将开关K拨向“1”处,这是电容充电的过程,电容C两端的电压uC逐渐升高,经过一段时间后,电容充电完毕,此时电路达到稳定状态,再将开关K拨向“2”处,电容开始放电,进行电场能和磁场能之间相互转化。本文利用二阶微分方程来分析放电过程中电容器两端的电压uC=uC(t)以及电流i=i(t)随时间t的变化趋势。
1 RLC电路中电压和电流
图1中,将开关K拨向“2”处,则RLC电路为串联放电电路,此时,电容C两端的电压应等于电源电压E,通过电路的电流应为零。根据回路电压定律可知,在所给的RLC放电电路中
因为,,所以,由法拉利电磁感应定律[3]得:
图1RLC电路
将uR,uL代入方程uL+uR-uC=0,得到电容器两端的电压uC=uC(t)所满足的微分方程为:
其中R,C,L均为常数,并且满足初始条件
方程(1)是二阶常系数齐次线性微分方程[4],其特征方程为
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修改后l3、l4的关系式如下:(由于0~1 s前的轨迹位置基本重合,所以研究1~2.5 s的机构轨迹)
该方程的判别式记下面讨论RLC串联放电电路中电压变化情况。
(1)当 Δ>0即时,(2)有两个不相等的实数根:,得微分方程(1)的通解为
容易得出λ1,λ2均为负数,又由于这时的电阻较大,且λ1,λ2处于复平面左半平面实轴的不同位置上[4],不具有周期变化的性质,所以该放电过程具有过阻尼非振荡性质。
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即为所求的闭合回路中,电容器两端的电压。当时间t变化时,电容器两端的电压的变化趋势如图2所示。从图2中可以看出,随着时间的推移,电容器两端的电压将越来越弱,直至趋近于零,即放电完毕。
本文利用高等数学中的二阶线性微分方程,讨论了RLC电路在放电的过程中电容器两端的电压和电流随时间的变化情况。展示了高等数学在职业院校的专业学习中发挥着重要作用。
由于这时电路的工作状态正好处于过阻尼和欠阻尼两种状态之间,且λ1,λ2处于复平面左半平面实轴的同一位置上,是一个二级极点[5],不具有周期变化的性质,所以该放电过程具有临界阻尼非振荡性质。
2 实例
通过实例验证当Δ>0时,电压和电流的变化情况。在RLC串联放电电路中,令R=2000欧,L=0.1享,,将数值带入方程(6)得
式(3)、(4)分别为所求 RLC电路中电容器两端的电压及回路中的电流在任意时刻 的函数关系式,即电容器的放电规律。
配合画展的《谭建丞山水册页精品集》收录了谭老山水画册页126件,是1968年到1972年期间所创作,由思澂斋出版。■
由初始条件得C1=-10,
(2)当 Δ>0即时,(2)有两个共轭复数根得微分方程(1)的通解为
C2=30,所以(6)的特解为:
由于这时的电阻较小,且λ1,λ2处于复平面左半平面(实轴不包括在内)[5],具有周期变化的性质,所以该放电过程具有欠阻尼振荡性质。
图2 电压uC随着时间t的变化趋势
将所求uC代入 中,得
即在所求的闭合回路中的电流强度。如图3所示,给出了电流 随着时间 的变化趋势。从图3中可以看出,当开关闭合后,回路中的电流强度在很短的时间内达到最大值,之后随着时间的推移将越来越弱,直至趋近于零,放电完毕。
图3 电流i随着时间t的变化趋势
其特征方程为: 。解之得其特征根为因此方程通解为
3 总结
(3)当 Δ>0即时,(7)有两个相等的实数根:,得微分方程(1)的通解为
【参考文献】
[[1]徐云,常飞,奎丽荣等.二阶非线性电路中的不相容性[J],清华大学学报:自然科学版,2005,45(10):1313-1315.
[2]魏敬和,陈军宁,柯导明.用RLC互连线模型实现时钟电路的动态优化[J],中国科学技术大学学报,2006,36(3):38-343.
[3]邵展图.电工学[M],北京:中国劳动社会保障出版社,2011:23-56.
[4]张冬耕,黄莉.高等数学及应用[M],北京:中国劳动社会保障出版社,2009:98-103.
[5]管致中.信号与线性系统[M],北京:高等教育出版社,1999.
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