142
个编辑
更改
跳到导航
跳到搜索
小第269行：
第269行： + + − + + + − + 第305行：
第309行： + + + + 第317行：
第325行： + + + +
→RC电路分析
\right.
\right.
</math>
</math>
即
即
<math>
<math>
V_{\text{in}} = RI + \frac{1}{C}\int_{0}^{t} {I} \, \mathrm d{t}. \tag{RC-1}
V_{\text{in}} = RI + \frac{1}{C}\int_{0}^{t} {I} \, \mathrm d{t}. \quad \text{(RC-1)}
</math>
</math>
当 <math>V_{\text{in}}</math> 为恒定电压 <math>V_{0}</math> 时，考虑电容 <math>C</math> 上的充电量 <math>Q</math>。有
当 <math>V_{\text{in}}</math> 为恒定电压 <math>V_{0}</math> 时，考虑电容 <math>C</math> 上的充电量 <math>Q</math>。有
<math>
<math>
V_{0} = RI + \frac{1}{C} \int_{0}^{t} {I} \, \mathrm d{t} \iff V_{0} = R \dot{Q} + \frac{Q}{C} \tag{RC-2}
V_{0} = RI + \frac{1}{C} \int_{0}^{t} {I} \, \mathrm d{t} \iff V_{0} = R \dot{Q} + \frac{Q}{C}\quad \text{(RC-2)}
</math>
</math>
将 (RC-2) 两边做拉普拉斯变换，得到
将 (RC-2) 两边做拉普拉斯变换，得到
<math>
<math>
\tilde{V}_{\text{in}}(s) = R \tilde{I}(s) + \frac{1}{Cs} \tilde{I}(s) = R \tilde{I}(s) + \tilde{V}_{C}(s)
\tilde{V}_{\text{in}}(s) = R \tilde{I}(s) + \frac{1}{Cs} \tilde{I}(s) = R \tilde{I}(s) + \tilde{V}_{C}(s)
</math>
</math>
整理得到 <math>\tilde{V}_{C} = (RCs + 1)\tilde{V}_{\text{out}}(s)</math>，系统的传递函数为
整理得到 <math>\tilde{V}_{C} = (RCs + 1)\tilde{V}_{\text{out}}(s)</math>，系统的传递函数为
<math>
<math>
G(s) = \frac{\tilde{V}_{\text{out}}(s)}{\tilde{V}_{C}(s)} = \frac{1}{RCs + 1},
G(s) = \frac{\tilde{V}_{\text{out}}(s)}{\tilde{V}_{C}(s)} = \frac{1}{RCs + 1},
</math>
</math>
这是一个典型的一阶惯性环节，电容开始无电量，电压恒定的情况相当于系统的阶跃响应，而一阶惯性系统的阶跃响应总是稳定、无震荡的。其响应值达到稳态值的约 <math>63.2\%</math> 所需时间为时间常数 <math>\tau</math>。由控制论的工具出发，还可以分析 RC 电路在不同输入电压（如脉冲、交流电）下的不同响应（输出电压）。
这是一个典型的一阶惯性环节，电容开始无电量，电压恒定的情况相当于系统的阶跃响应，而一阶惯性系统的阶跃响应总是稳定、无震荡的。其响应值达到稳态值的约 <math>63.2\%</math> 所需时间为时间常数 <math>\tau</math>。由控制论的工具出发，还可以分析 RC 电路在不同输入电压（如脉冲、交流电）下的不同响应（输出电压）。
现在考虑输入为单相交流电的情形。假设输入电压随时间变化为 <math>V_{\text{in}}(t) = \sin(\omega t)</math>，其对应的拉普拉斯变换为 <math>\displaystyle \tilde{V}_{\text{in}}(s) = \frac{\omega}{s^{2} + \omega^{2}}</math>，由系统的传递函数，可得输出电压的拉普拉斯变换为
现在考虑输入为单相交流电的情形。假设输入电压随时间变化为 <math>V_{\text{in}}(t) = \sin(\omega t)</math>，其对应的拉普拉斯变换为 <math>\displaystyle \tilde{V}_{\text{in}}(s) = \frac{\omega}{s^{2} + \omega^{2}}</math>，由系统的传递函数，可得输出电压的拉普拉斯变换为
<math>
<math>
\tilde{V}_{\text{out}}(s) = \tilde{V}_{\text{in}}(s) G(s) = \frac{\omega}{s^{2} + \omega^{2}} \cdot \frac{1}{\tau s+ 1}
\tilde{V}_{\text{out}}(s) = \tilde{V}_{\text{in}}(s) G(s) = \frac{\omega}{s^{2} + \omega^{2}} \cdot \frac{1}{\tau s+ 1}
</math>
</math>
做拉普拉斯反变换，得到
做拉普拉斯反变换，得到
<math>
<math>
V_{\text{out}}(t) = \frac{\tau \omega}{1 + \tau^{2}\omega^{2}}e^{-t/\tau} + \frac{1}{\sqrt{ (\omega \tau)^{2} + 1 }} \sin(\omega t - \arctan(\omega \tau))
V_{\text{out}}(t) = \frac{\tau \omega}{1 + \tau^{2}\omega^{2}}e^{-t/\tau} + \frac{1}{\sqrt{ (\omega \tau)^{2} + 1 }} \sin(\omega t - \arctan(\omega \tau))
</math>
</math>
称 <math>a(\omega) = \displaystyle \frac{1}{(\omega \tau)^{2}+1}</math> 为系统的幅频特性，<math>\phi(\omega) = -\arctan(\omega \tau)</math> 为其相频特性。可以看到当交流电频率增加时，输出电压的幅度降低：这是一个简单的低通滤波器。
称 <math>a(\omega) = \displaystyle \frac{1}{(\omega \tau)^{2}+1}</math> 为系统的幅频特性，<math>\phi(\omega) = -\arctan(\omega \tau)</math> 为其相频特性。可以看到当交流电频率增加时，输出电压的幅度降低：这是一个简单的低通滤波器。