请回答以下问题,计算过程中的数学式子采用mathtype的格式输出。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 13:12:15 浏览: 88
根据基尔霍夫电压定律,我们可以得到如下电路方程:
$$
U = u(t) + i(t)R_1 + \frac{q(t)}{C_1}
$$
其中,$q(t)$表示电容器上的电荷量,$u(t)$表示电容器两端的电压。
根据基尔霍夫电流定律,我们可以得到如下电路方程:
$$
i(t) = \frac{u(t)}{R_2} + \frac{u(t)}{R_3} + \frac{u(t)}{R_4} + C_1\frac{du(t)}{dt}
$$
根据电容器充放电方程,我们可以得到如下方程:
$$
q(t) = C_1 u(t)
$$
代入第一个方程中,可以得到:
$$
U = u(t) + i(t)R_1 + \frac{C_1 u(t)}{C_1} \\
U = u(t) + i(t)R_1 + u(t) \\
u(t) = \frac{U - i(t)R_1}{1+C_1}
$$
代入第二个方程中,可以得到:
$$
i(t) = \frac{u(t)}{R_2} + \frac{u(t)}{R_3} + \frac{u(t)}{R_4} + C_1\frac{du(t)}{dt} \\
i(t) = \frac{1}{R_2}(\frac{U - i(t)R_1}{1+C_1}) + \frac{1}{R_3}(\frac{U - i(t)R_1}{1+C_1}) + \frac{1}{R_4}(\frac{U - i(t)R_1}{1+C_1}) + C_1\frac{du(t)}{dt} \\
i(t) = \frac{U - i(t)R_1}{(1+C_1)R_2} + \frac{U - i(t)R_1}{(1+C_1)R_3} + \frac{U - i(t)R_1}{(1+C_1)R_4} + C_1\frac{du(t)}{dt}
$$
整理后,可以得到:
$$
(1+C_1)R_2R_3R_4\frac{di(t)}{dt} + (R_2R_3+R_2R_4+R_3R_4+C_1R_1R_2R_3R_4)\cdot i(t) = (1+C_1)R_2R_3R_4\cdot\frac{U}{R_2R_3R_4}
$$
这是一个一阶常系数非齐次线性微分方程,可以使用常用的解法得到解析式,最终可得:
$$
u(t) = \frac{3R_4}{R_3+R_4}\cdot(1-e^{-\frac{(R_3+R_4)t}{(1+C_1)R_2R_3R_4}}) + \frac{2R_3}{R_3+R_4}
$$
代入参数,可以得到:
$$
u(t) = \frac{3\cdot 2}{2+2}\cdot(1-e^{-\frac{(2+2)t}{(1+0.1)\cdot 5\cdot 2\cdot 2}}) + \frac{2\cdot 2}{2+2} = 1.5(1-e^{-0.2t}) + 1
$$
因此,当$t>0$时,$u(t) = 1.5(1-e^{-0.2t}) + 1$。
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