RC 和 L/R 时间常数复杂电路
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如果我们遇到比迄今为止所见的简单串联电路更复杂的电路,该怎么办?以这个电路为例来说明:
简单的时间常数公式(τ=RC)是基于电容器连接简单串联电阻的情况。同样,电感电路的时间常数公式(τ=L/R)也是基于简单串联电阻的假设。那么,在电阻以串并联方式与电容器(或电感器)连接的情况下,我们该如何处理呢?
戴维南定理
答案源自我们对网络分析的学习。戴维南定理告诉我们,通过几个简单的步骤,我们可以将任何线性电路简化为一个等效的电压源、一个串联电阻和一个负载元件。为了将戴维南定理应用于我们当前的情况,我们将把反应元件(在上面的示例电路中为电容器)视为负载,并将其暂时从电路中移除,以找到戴维南电压和戴维南电阻。
然后,一旦我们确定了戴维南等效电路的值,我们将重新连接电容器,并像之前一样求解电压或电流随时间变化的值。
在将电容器确定为“负载”后,我们将其从电路中移除,并求解负载端电压(当然,假设开关是闭合的):
这一分析步骤告诉我们,在没有负载连接的情况下,负载端(与电阻R2相同)的电压将为1.8182伏特。稍加思考就能明白,这将是电容器上的最终电压,因为完全充电的电容器相当于开路,电流为零。我们将使用这个电压值作为戴维南等效电路的电源电压。
现在,为了求解戴维南电阻,我们需要在原电路中消除所有电源,并从负载端计算所见的电阻:
将我们的电路重新绘制为戴维南等效电路,我们得到如下结果:
复杂电路示例
对于这个电路,时间常数将等于戴维南电阻乘以电容(τ=RC)。使用上述值,我们计算得到:
电路时间常数方程
现在,我们可以直接使用通用时间常数公式来求解电容器两端的电压。让我们计算60毫秒时的电压值。由于这是一个电容公式,我们将为电压设置计算:
同样,由于我们假设电容器电压的初始值为零,因此,在60毫秒时,电容器两端的实际电压等于从零开始的电压变化量,即1.3325伏特。
我们可以更进一步,通过计算机分析来证明戴维南RC电路和原始电路的等效性。我将使用SPICE分析程序来进行演示:
在分析过程的每一步中,两个电路(原始电路与戴维南等效电路)中的电容器电压均相等,从而证明了这两个电路的等效性。