一阶RL电路的全响应公式根据输入信号类型可分为 自由响应 和 强迫响应 两部分,具体如下:
一、自由响应(无输入信号时)
当电路初始状态确定后,输入信号为零时电路的响应称为自由响应。对于一阶RL电路,其电压或电流随时间的变化规律由以下公式描述:
电压响应: $$v(t) = V_0 e^{-\frac{t}{RC}}$$
其中:
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$V_0$ 是初始电压
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$R$ 是电阻值
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$C$ 是电容值
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$\tau = RC$ 是时间常数,表示电压衰减到初始值的 $\frac{1}{e}$ 所需时间
电流响应: $$i(t) = \frac{V_0}{R} e^{-\frac{t}{RC}}$$
初始电流 $i(0) = \frac{V_0}{R}$
二、强迫响应(有输入信号时)
当电路施加外部输入信号(如阶跃信号)时,电路的响应称为强迫响应。设输入电压为 $u(t)$,则电压响应可表示为: $$v(t) = V_h(t) + V_f(t)$$
其中:
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$V_h(t)$ 是输入信号的响应(同频率响应)
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$V_f(t)$ 是自由响应
步骤说明:
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求输入信号的响应 $V_h(t)$
根据输入信号类型(如阶跃、斜坡等),利用叠加原理或频率响应法求得。
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求自由响应 $V_f(t)$
利用一阶RC电路的公式(如 $v(t) = V_0 e^{-\frac{t}{RC}}$)。
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叠加得到全响应
将输入响应与自由响应相加,即得全响应。
三、时间常数 $\tau$ 的意义
时间常数 $\tau = RC$ 决定了响应的衰减速度:
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$\tau$ 越大,响应衰减越慢,电路越“慢”响应
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$\tau$ 越小,响应衰减越快,电路越“快”响应
四、示例
若输入为阶跃电压 $u(t) = U$($t \geq 0$),则:
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输入响应 $V_h(t) = \frac{U}{R}$(稳态值)
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自由响应 $V_f(t) = U e^{-\frac{t}{RC}}$(衰减部分)
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全响应 $V(t) = \frac{U}{R} + U e^{-\frac{t}{RC}}$
通过以上公式,可分析一阶RL电路在不同输入条件下的动态行为。