時變電路
正文
除獨立電源以外,含有時變參數元件的電路。電阻參數隨時間變化的電阻器,電感(互感)參數隨時間變化的電感器,電容參數隨時間變化的電容器,都是時變參數元件。隨時間不斷開、閉的開關也是時變元件。開關閉合相當於電阻是零,開關斷開相當於電阻是無窮大。含有這種元件的電路是時變電路。電機鏇轉時,定子繞組和轉子繞組的相對位置不斷改變,它們之間的互感也隨時間變化。轉速均勻時,互感隨時間作周期性變化。從電路角度研究含鏇轉電機的電路時,這電路是時變電路。起動線繞式異步電動機的一種方法,是在轉子側加起動電阻器,並且按預定時間間隔逐步切除電阻器。因此,在起動電機的過程中,接在轉子側的電阻器是時變電阻器。在微電子學領域中發展出的開關電容電路,只含有電容元件、運算放大器和隨時間周期地開、閉的開關。開關電容電路也是時變電路。
時變電路元件的無源性和有源性 電路元件從電壓、電流都為零的狀態開始,施加任何電壓、或流入任何電流,在此後任何時刻所獲得的能量恆為非負值的,定義為無源電路元件(簡稱無源元件)。否則就稱為有源電路元件(簡稱有源元件)。以二端電路元件為例,元件到時刻t獲得的能量是 式中u(τ)、i(τ)分別是元件的電壓、電流。設u(-∞)、i(-∞)均為零,則二端電路元件凡滿足W(t)≥0,對任何t都是上述意義下的無源元件,否則便是有源元件。
時不變的正值的電阻R、電感L、電容C,都屬於無源元件。而時變電路元件卻可能是無源的,也可能是有源的。時變電阻是無源的充要條件是R(t)≥0;時變電感是無源的充要條件是L(t)>0和必須滿足前一條件是顯然的,後一條件如果不滿足則當電感減小時可能有外力作功,電感的磁場獲得能量,從而使之成為有源的;時變電容是無源的充要條件是C(t)>0和這與時變電感無源性條件類似。
時變電路方程舉例 一線性時變電阻R(t)、時變電感L(t)串聯接至一獨立電壓源的電路,電路中的電流、電阻電壓、電感電壓、電源電壓,分別記為i、uR、uL、u(t),根據歐姆定律和電磁感應定律
uR =R(t)i
和基爾霍夫定律,得到電路方程如下: 方程中i和之前的係數是時間的函式,而不是常數。這種時變係數的常微分方程一般情況下求不出解析解。若時變電路中的元件都是線性元件,描述電路的方程就仍是線性的。儘管其中的係數隨時間變化,這種時變電路便是線性時變電路,它具有線性電路的線性性質。疊加定理仍然適用。所以線上性時變電路中各激勵源共同作用所引起的回響(如電壓、電流)等於每一激勵源單獨作用時引起的回響的疊加;線性時變電路中的全回響等於其零狀態回響與零輸入回響之和;而且可以由衝激回響和激勵的卷積求其零狀態回響。