电容两端电压

电器工程 电容器
2022-01-14 15:24:42

我正在学习找到直流电路中电容器两端的电压降。我们都知道电容器充电直到等于输入电压(假设电容器的初始电荷为零)。如果施加直流电压

在此处输入图像描述

对于上述电路 Vc= Vs(1-exp(-t/rc))

现在我考虑了类似下面的小复杂电路。 在此处输入图像描述

这里电容器不直接连接到电压源。谷歌搜索后,我发现可以通过将电容器视为负载并使用戴维宁定理(或其对偶诺顿定理)找到 Voc 和 Rth 来解决电路。现在将时间常数中的 R 值替换为 Rth 值,将 Vs 电压替换为 Vth 电压。

最后是电容器两端的电压,Vc= Vth(1-exp(-t/RthC))

现在我考虑更复杂的电路。假设电路是否由电路中的多个电容器组成。像下面的东西。

在此处输入图像描述

现在我被困在这里。如何求解电容器 C1 和 C2 两端的电压。

我想知道两个电容器的电容器电压方程是什么。如果有一个电容器,我们使用了戴维宁定理,但是如果我在直流电路中有多个电容器,我该如何解决。

Vc1= Vunknown1(1-exp(-t/Runknown1 C1) Vc2= Vunknown2(1-exp(-t/Runknown2 C2)

我如何解决 Vunknown1、Vunknown2、Runknown1 和 Runknown2。谁能给我解释一下。如果我们遇到这些类型的电路,我该如何解决。请帮我解决这个问题。谢谢。

3个回答

使用微分方程以困难的方式求解 ckt#3:

首先,对于任何电容器 $$i = CdV/dt$$,此等式始终成立

在您提供的电路中,我们有两个未知电压(C1 上的 V1 和 C2 上的 V2)。这些可以通过在两个节点上应用基尔霍夫电流定律来解决。

对于节点 V1:$$ (V_s-V_1)/R_1 = C_1 dV_1/dt + (V_1-V_2)/R_2 $$

对于节点 V2:$$ (V_1-V_2)/R_2 = C_2 dV_2/dt $$

现在我们有两个未知数的两个微分方程。同时解决这两个问题,我们将得到 V1 和 V2 的表达式。一旦计算出 V1 和 V2,计算通过分支的电流就很简单了。

当然,求解微分方程也不是小事,所以一般我们用拉普拉斯变换或傅里叶变换将它们转化为频域的简单代数方程,求解未知数,然后再做拉普拉斯/傅里叶逆变换,将未知数变回时域。

方法二:使用分压器规则:

如果我们回想电容器 C 两端的阻抗为 $$Z=1/jwC$$ 并将两个电容器 C1 和 C2 的阻抗表示为 Z1 和 Z2,我们可以使用跨两个阻抗的分压公式计算 V2(http://en.wikipedia.org/wiki/Voltage_divider ): $$V_2 = V_1 R_2/(R_2 + Z_2)$$ V1 也可以使用相同的规则计算,唯一的问题是右侧的阻抗节点 1 有点复杂:它是 Z1 和 (R2 + Z2) 的并行组合。V1 现在变为 $$V_1 = V_s (Z_1*(R_2+Z_2)/(Z_1+R_2+Z_2))/(R_1 + (Z_1*(R_2+Z_2)/(Z_1+R_2+Z_2)))$$

接下来要做的是使用电容-阻抗公式将 Z1 和 Z2 展开,以 w 形式得到 V1 和 V2。如果您需要变量的完整时间响应,您可以进行傅里叶逆变换并将 V1 和 V2 作为时间的函数。但是,如果您只需要最终(稳态)值,只需设置 $$w=0$$ 并评估 V1 和 V2。

一个比较简单的方法:

这种方法只能给出最终的稳态值,但是对于快速计算来说有点方便。问题是,一旦电路进入稳定状态,通过每个电容器的电流将为零。以第一个电路(简单的 RC)为例。通过 C 的电流为零这一事实表明通过 R 的电流(以及因此通过它的电压降)也为零。因此,C 两端的电压将等于 Vs。

对于第二个电路,如果电容器不吸收电流,则所有电流都必须通过路径 R1->R2->R3。这意味着 C 两端的电压(等于 R2 两端的电压)为 $$V_s R_2 / (R_1 + R_2 + R_3)$$

在最后一个电路中,通过 C2 的电流等于 0 意味着通过 R2 的电流为零(因此其上的任何电压降)。这意味着任何流过的电流都必须经过 R1->C1 的路径。但是,通过 C1 的电流也为零,这意味着 R1 也没有电流。所以电压 V1 和 V2 在稳态下都等于 Vs

在我看来,如果您熟悉使用循环方程和拉普拉斯变换分析电路,那将是最佳选择。使用拉普拉斯变换的电路分析与使用经典微分方程具有相同的功能,但要容易得多。

现在为了直接应用拉普拉斯变换,我们使用

1) X_L(电感的阻抗)为sL

2) X_C(电容器阻抗) 为 1/ (sC)

3)R(电阻)原样

都假设零初始条件。

对于您的问题,假设两个回路中的电流均为顺时针方向;

V(s) = I1( R1 + 1/sC1) - I2( 1/sC2) -------loop1

0 = I1( 1/sC1) - I2( 1/(sC1) + R2 + 1/(sC2))---循环2

两个未知数的两个方程。I1 和 I2 的答案将在 s 域中。所以采用拉普拉斯逆变换。一旦我们有了电流,电压也很容易找到。

或者,可以直接应用节点方法来获得电压。

解决这个问题的最简单方法是将电路放入拉普拉斯,即频域。在频域中,因变量是频率而不是时间。电路的每个特性都有等效值。

L -> LS

C -> 1/Cs

R -> R

v(t) -> V(S)

等等...

将这些替换到您的电路设计中,您就可以使用基本的电路分析技术;考虑连接约束。您也可以像以前一样找到等效的戴维恩电路。

但是,重要的是要注意,要将生成的函数转换为可以使用的函数,您需要执行拉普拉斯逆变换。我建议搜索一个恒等式表,并尝试通过代数操作让你的函数看起来像恒等式。

如果您有时间,这是一项很好的学习技能,并且会简化您在未来应用中必须进行的电路分析。