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[導讀]RC電路廣泛應用于模擬電路和脈沖數字電路中。RC并聯電路可以衰減低頻信號,而RC串聯電路可以衰減高頻信號,具有濾波作用?1。

?RC與RL電路的主要區(qū)別在于它們的基本組成元件和電路特性。?

基本組成元件

?RC電路?:由一個電阻器(R)和一個電容器(C)組成。根據電阻和電容的排布方式,RC電路可以分為串聯和并聯兩種類型?1。

?RL電路?:由一個電阻器(R)和一個電感器(L)組成。電感器以磁場的形式存儲能量,抵抗變化的電流?2。

電路特性

?RC電路?:

?儲能方式?:電容器以電場的形式存儲能量,抵抗電壓的變化?2。

?應用?:RC電路廣泛應用于模擬電路和脈沖數字電路中。RC并聯電路可以衰減低頻信號,而RC串聯電路可以衰減高頻信號,具有濾波作用?1。

?RL電路?:

?儲能方式?:電感器以磁場的形式存儲能量,抵抗變化的電流?2。

?應用?:RL電路常用于濾波、振蕩器等交流電路應用中。電感器能夠減緩電流的變化,使其在開關操作時更加平穩(wěn)?2。

電容器(電感器)的充電指數曲線圖和放電指數曲線圖是分別用兩個圖單獨表示的,這些指數曲線圖都是非線性的。

在這些曲線中,標注了每一個時間常數間隔段上,電壓(電流)能達到的對應滿值的百分比值。這類曲線圖和指數曲線的數學公式是緊密吻合的。

充電曲線是呈指數增長的,放電曲線是呈指數衰減的。經過5個τ的時間常數的時間間隔后,充電電壓(電流)向上增長,可增長至終值的99%(可認為100%),而放電電壓(電流)向下衰減,可衰減99%(可認為100%),至初值的1%(可認為0%)。

這5個時間常數的間隔時間(5τ)通常被認為是電容器(電感器)的電壓(電流)完全充滿的時間或者完全放完的時間,我們稱之為瞬態(tài)時間。

一、RC與RL充放電時間常數

1.1 RC充放電時間常數

串聯RC電路的時間常數是一個固定的時間間隔,等于電阻和電容的乘積。其公式為:


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式中,τ為RC充放電時間常數,單位是S;R為電阻,單位是Ω;C為電容,單位是F。

1.2 RL充放電時間常數

串聯RL電路的時間常數是一個固定的時間間隔,等于電感對電阻的比值。其公式為:


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式中,τ為RL充放電時間常數,單位是S;L為電感,單位是H;R為電阻,單位是Ω。

二、RC與RL充放電通用公式

2.1 RC與RL充放電瞬時電壓通用公式


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式中,v是電容器或電感器電壓在某個時間的瞬時值,單位是V;VF是電容器或電感器電壓終值,單位是V;Vi是電容器或電感器電壓的初始值,單位是V;e是自然對數的底,t為充放電時間,單位s;τ為電容器或電感器充放電時間常數,單位是s。

2.2 RC與RL充放電瞬時電流通用公式


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式中,i是電容器或電感器電流在某個時間t的瞬時值,單位是A;IF是電容器或電感器電流終值,單位是A;Ii是電容器或電感器電流的初始值,單位是A;e是自然對數的底,t為充放電時間,單位s;τ為電容器或電感器充放電時間常數,單位是s。

三、計算RC充電與放電電壓


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圖1-1 RC充放電電路

3.1 圖1-1是RC充電與放電電路,請按要求計算下列各題:

【1】 RC充電時間常數和RC放電時間常數分別等于多少?

解:由于充電與放電回路為同一個電容器,并且充電電阻和放電電阻的阻值相同,所以τ充等于τ放,根據RC充放電時間常數公式得:

τ充=τ放 = RC = 1kΩ.1mF = 1S。

答:RC充電時間常數和放電時間常數相等,均為τ=1S。

【2】向左按下S2鍵給C2充電2S后,此時C2兩端的瞬時充電電壓是多少?

解:從題意知,向左按下S2, C2的初始電壓Vi = 0V,終值電壓VF=10V,充電時間t = 2S ,又知第一題求得τ放 = 1S,求t= 2S后,C2兩端的瞬時電壓。將上述已知量代入RC充放電電壓通用公式,可得:


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答:求C2充電2S后的瞬時電壓為8.65V。

【3】向左按下S2鍵給電容充電2S后,再向右按下S2鍵給電容放電2S,此時流過C2的瞬時放電電流是多少?

解:

(1)求C2充電2S后的瞬時電壓

解題方法同第【2】題,求得C2充電2S后的瞬時電壓為8.65V。

(2)求C2放電2S后的瞬時電壓

從題意知,向右按下S2, C2的初始電壓Vi = 8.65V,終值電壓VF=0V,放電時間t = 2S ,又知第一題求得τ放 = 1S,求t= 2S后通過C2的瞬時電壓。將上述已知量代入RC充放電電壓通用公式,可得:


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答:向左按下S2鍵給電容充電2S后,再向右按下S2鍵給電容放電2S,此時C2兩端的瞬時放電電壓是1.17V。

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