RLC 电路的直觉

电器工程 电路分析 被动网络 振荡
2022-01-14 12:55:49

我正在阅读 Hayt 的工程电路分析 9e,它很好地直观地说明了阻尼 RLC 电路中能量的“去向”,但我希望这里有人可以帮助我完全关闭。

考虑一个没有输入的并联 RLC 电路,其中电容器最初处于某个非零 i(0)。

首先,我希望澄清为什么系统达到的最大电压出现在欠阻尼情况下。直观地说,这是因为电阻值太大,以至于大部分电流将在电容器和电感器之间流动(因此能量只是在两者之间交换,而不是被电阻器耗散)。

如果上述情况属实,那么我试图将其与稍微欠阻尼或临界阻尼的情况具有最短的稳定时间这一事实相提并论。我的理解是,稳定时间对应于所有能量消散所需的时间。如果在稍微欠阻尼的情况下,我们在电容器和电感器之间以振荡方式交换能量,因此电阻器不会消耗太多能量,那么该系统如何在电阻器(我认为) 耗散大量能量,因为电阻很低,因此流过电阻的电流很大?或者我是否以某种方式将能量耗散与这里的电压混淆了。

一般来说,我正在寻找对“能量去向”以及为什么在临界阻尼或略微欠阻尼的情况下它“消失”最快的直观解释,而不是数学演示。

4个回答

电阻器是摩擦的电等效物,并产生损耗以从系统中去除能量。如果你放下一个无摩擦的钟摆来摆动它,它需要多长时间才能稳定下来?无限时间,因为没有损失,所以它只是来回摆动并永远围绕底部位置振荡。另一方面是如果钟摆有无限摩擦会发生什么?好吧,它只是永远坐在高处,需要无限的时间才能到达底部,永远挂在它的势能上。

如果你有非无限但高摩擦力,你的钟摆将需要很长时间才能到达底部位置。它永远不会超调,但需要很长时间才能到达那里。如果你的资源太少,它会更快地到达底部但过冲,然后继续围绕底部位置连续摆动很长时间。有一个中间地带,可以使能量消散所花费的时间和摆锤移动一个周期到底部位置所花费的时间相互最小化。

电阻=摩擦。在两个系统中以热量(大部分)消散。

电感器=动能存储。在摆中,这是重量与质量相结合的速度。

电容器 = 势能存储。在钟摆中,这是由于质量处于高处而产生的引力势能。

您可能想知道为什么电容器是势能储存器,而电感器为什么是动能储存器。这是因为您可以将电荷放入电容器中,然后通过断开电容器将能量静态保持在那里(例如在加压罐中密封空气或仅将钟摆保持在一定高度)。但是在电感器中,它需要不断流过它的电流才能在其磁场中存储能量,否则磁场会崩溃(就像钟摆需要不断运动来存储动能一样)。您不能将能量静态存储在电感器或动能中。您只能动态存储它。

因此,在两个钟摆中,能量都在动能和势能之间进行交换。摆锤来回交换速度与高度。在 RLC 电路中,电容与电感进行能量交换。对于过低的阻力(平行 RLC)、高阻力(串联 RLC)或高摩擦力,能量从一种介质完全转移到另一种介质需要很长时间,但一旦转移完成,它的过冲量很小,因为太多在传输过程中消散,只有一次传输发生在极端情况下,但需要很长时间才能完成。具有非常高的阻力(平行 RLC)、低阻力(串联 RLC)或低摩擦,单次传输非常快地完成,但损失的能量非常少,以至于大部分能量仍然需要向另一个方向传输这么多、很多次可以发生。

更正的说法是稍微欠阻尼的情况下的稳定时间最短。

现在,当一个高度欠阻尼的系统显然有很长的建立时间时,为什么会出现这种情况呢?

答案取决于用于稳定时间的定义:这通常是指稳定在稳态值的给定百分比内的时间。

为了精确地稳定到稳态值,临界阻尼系统给出最快的响应。过阻尼系统将需要更长的时间才能到达那里;欠阻尼系统会更快到达那里,但会过冲,并且总体上需要更长的时间才能达到稳定状态。(高度欠阻尼:它将多次通过稳态点)

但要在稳态值的 1%(或 0.1% 或 10%)内稳定,您可以通过欠阻尼来改善临界阻尼稳定时间,以使第一次(和最严重的)过冲恰好在允许的容差范围内。

达到实际稳态值仍需较长时间;但它比临界阻尼系统更快地在公差范围内。所以这里没有真正的矛盾。

通常,对于欠阻尼二阶系统,2% 的稳定时间约为\$\frac{4}{\zeta\:\omega_n}\$但是将这个 ROT 与 RLC 电路联系起来并不直观,因为改变一个组件值会影响\$\zeta\$\$\omega_n\$

有很多方法可以制作传输线或 RLC 滤波器,而阻抗\$Zo=\sqrt { \dfrac{L}{C}} \$

最佳稳定时间是当反射在主光谱(例如阶跃脉冲)处为零时,当负载与特征值 Zo 匹配时。(与最大功率传递定理有关)

对于高于 2 阶的系统,Q<1 = 1/ζ 巴特沃斯临界非零超调必须使用 Q<1 和 Bessel 的单个值,甚至更低或更阻尼,但在这两种情况下,当 R=Zo 时出现最快的稳定时间。

在此处输入图像描述

这里我的稳定时间标准是当光标显示能量从 499.999 mW 稳定到 500.000 mW 或百万分之二时。

下图显示没有阻尼,移除 R 并放置极点以提供线性相移 (Bessel),红色平滑滚降,以及连接匹配 R 时的快速稳定时间。

在此处输入图像描述