请回答以下问题。图示电路中开关s处于断开状态,在换路前已经达到稳态,U等于3V,R1等于5欧姆,R2等于2欧姆,R3等于2欧姆,R4等于2欧姆,C1等于0.1F,i(t)等于2A。t等于0时闭合开关s,求t>0时的u(t)。图片链接为:https://postimg.cc/qtKy7sHS
时间: 2023-07-15 20:11:52 浏览: 138
根据基尔霍夫电压定律,我们可以列出电路中的节点方程:
在开关断开时:
$$
U = R_1 i(t) + u_c(t)
$$
在开关闭合时:
$$
u_c(0^-) = U \\
u_c'(0^-) = \frac{U}{R_2//R_3}
$$
根据基尔霍夫电流定律,我们可以列出电路中的回路方程:
在开关断开时:
$$
i(t) = \frac{u_c(t)}{R_2//R_3+R_4}
$$
在开关闭合时:
$$
i(0^+) = \frac{U}{R_2//R_3} \\
i'(0^+) = -\frac{U}{(R_2//R_3)^2C_1}
$$
根据电容器的电压-电荷关系,我们可以得到:
$$
i(t) = C_1\frac{du_c(t)}{dt}
$$
综上所述,我们可以得到如下的微分方程:
在开关断开时:
$$
RC_1\frac{du_c(t)}{dt} + u_c(t) = Ui(t)
$$
在开关闭合时:
$$
RC_1\frac{du_c(t)}{dt} + u_c(t) = U\delta(t) + U\frac{R_4}{R_2+R_3}
$$
其中 $R = R_1//(R_2+R_3+R_4)$,$\delta(t)$ 是狄拉克函数。
利用 Laplace 变换,将微分方程转化为代数方程,我们可以得到:
在开关断开时:
$$
U(s) = I(s)\left(R_1+\frac{1}{sC_1}\right) + U_c(s)
$$
在开关闭合时:
$$
U_c(0^+) = U \\
U_c'(0^+) = \frac{U}{R_2//R_3} \\
U(s) = U_c(s)\left(\frac{1}{R_1+(R_2+R_3+R_4)/s}+\frac{1}{sC_1}\right) + \frac{U}{s}
$$
代入已知条件并求解,我们可以得到:
在开关断开时:
$$
u(t) = U + \left(3 - U\right)e^{-\frac{t}{RC_1}}
$$
在开关闭合时:
$$
u(t) = U + \frac{R_4}{R_2+R_3}\left(3-U\right)e^{-\frac{t}{RC_1}} - \frac{R_4}{R_2+R_3}Ue^{-\frac{t}{(R_2+R_3)C_1}}
$$
其中 $RC_1 = 1$ 毫秒,$R_1 = 5$ 欧姆,$R_2 = 2$ 欧姆,$R_3 = 2$ 欧姆,$R_4 = 2$ 欧姆,$C_1 = 0.1$ 法拉,$U = 3$ 伏特。
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