1
第五章 一阶动态电路分析
5.1 电容元件和电感元件
5.2 换路定律及初始值的确定
5.3 零 输 入 响 应
5.4 零 状 态 响 应
5.5 全 响 应
5.6 求解一阶电路三要素法
2
● 动态元件电感、电容的特性。
● 初始值的求法、动态电路方程的建立及求解。
● 零输入响应、零状态响应、暂态响应和稳态响应的含义及其它们的分析计算方法。
● 输入为直流信号激励下的一阶电路的三要素分析法。
【 本章重点 】
● 零输入响应、零状态响应、暂态响应和稳态响应分析计算方法。
● 输入为直流信号激励下的一阶电路的三要素分析法。
【 本章难点 】
3
5.1 电容元件和电感元件电容器是一种能储存电荷的器件,电容元件是电容器的理想化模型。
斜率为 R
0
q
u
图 5-1 电容的符号、线性非时变电容的特性曲线当电容上电压与电荷为关联参考方向时，电荷 q与 u
关系为,q(t)=Cu(t)
C是电容的电容量，亦即特性曲线的斜率。当 u,i为关联方向时,据电流强度定义有,i=C dq/dt
非关联时,i= -C dq/dt
+
-
uC
i
+q
-q
5.1.1 电容元件
4
电容的伏安还可写成：
diCdiCtu t )(1)(1)(
0
0
t
di
C
u
0
)(1)0(
式中,u(0)是在 t=0 时刻电容已积累的电压，称为初始电压；而后一项是在 t=0 以后电容上形成的电压，
它体现了在 0~t的时间内电流对电压的贡献。
由此可知：在某一时刻 t,电容电压 u不仅与该时刻的电流 i 有关，而且与 t以前电流的全部历史状况有关。
因此，我们说电容是一种记忆元件，，有“记忆”电流的作用。
5
当电容电压和电流为关联方向时，电容吸收的瞬时功率为：
dt
tdutCutitutp )()()()()(
瞬时功率可正可负，当 p(t)>0时，说明电容是在吸收能量，处于充电状态；当 p(t) <0时，说明电容是在供出能量，处于放电状态。
对上式从 ∞到 t 进行积分，即得 t 时刻电容上的储能为：
)(
2
1
)(
2
1
)()()()(
22
)(
)(
CutCu
duCudptw
t tu
u
C
6
式中 u(-∞) 表示电容未充电时刻的电压值，
应有 u(-∞) =0。 于是，电容在时刻 t 的储能可简化为：
)(
2
1
)( 2 tCutw C?
由上式可知,电容在某一时刻 t 的储能仅取决于此 时刻的电压，而与电流无关，且储能 ≥0。
电容在充电时吸收的能量全部转换为电场能量，
放电时又将储存的电场能量释放回电路，它本身不消耗能量，也不会释放出多于它吸收的能量，所以称电容为储能元件。
7
5.1.2 电感元件电感器（线圈）是存储磁能的器件，而电感元件是它的理想化模型。当电流通过电感器时，就有磁链与线圈交链，当磁通与电流 i 参考方向之间符合右手螺旋关系时，
磁链与电流的关系为：
0 i
斜率为 R
+
-
u L
i
图 5-2 电感元件模型符号及特性曲线当 u,i为关联方向时，
有,
这是电感伏安关系的微分形式。
dt
diLu?
Ψ(t)=L i(t)
Ψ
8
电感的伏安还可写成：
duLduLti t )(1)(1)(
0
0
t duLi 0 )(1)0(
式中,i(0)是在 t=0 时刻电感已积累的电流，称为初始电流；而后一项是在 t=0以后电感上形成的电流，它体现了在 0-t 的时间内电压对电流的贡献。
上式说明,任一时刻的电感电流，不仅取决于该时刻的电压值，还取决于 -∞~t 所有时间的电压值，即与电压过去的全部历史有关。可见电感有“记忆”电压的作用，它也是一种记忆元件。
9
当电感电压和电流为关联方向时，电感吸收的瞬时功率为：
dt
tditLititutp )()()()()(
与电容一样，电感的瞬时功率也可正可负，
当 p(t) >0时，表示电感从电路吸收功率，储存磁场能量；当 p(t) <0时，表示供出能量，释放磁场能量。
对上式从 -∞到 t 进行积分，即得 t 时刻电感上的储能为：
)()(
2
1
)()()()(
22
)(
)(
itiL
diLidptw
t ti
i
L
10
因为 0)(i
所以
)(
2
1)( 2 tLitw
L?
由上式可知,电感在某一时刻 t 的储能仅取决于此时刻的电流值，而与电压无关，只要有电流存在，就有储能，且储能 。
和电容元件一样电感也是一种无源元件。
0)(?tw L
11
5.2 换路定律及初始值的确定通常，我们把电路中开关的接通、断开或电路参数的突然变化等统称为“换路”。我们研究的是换路后电路中电压或电流的变化规律，知道了电压、电流的初始值，就能掌握换路后电压、电流是从多大的初始值开始变化的。
该定律是指若电容电压、电感电流为有限值，则 uC,iL不能跃变，即换路前后一瞬间的 uC,iL是相等的，可表达为：
uC(0+)=uC(0-)
iL(0+)=iL(0-)
必须注意,只有 uC,iL受换路定律的约束而保持不变，电路中其他电压、电流都可能发生跃变。
5.2.1 换路定律
12
5.2.2 初 始 值 的确 定换路后瞬间电容电压、电感电流的初始值，用
uC(0+)和 iL(0+)来表示，它是利用换路前瞬间 t=0-电路确定 uC(0-)和 iL(0-),再由换路定律得到 uC(0+)和 iL(0+)
的值。
电路中其他变量如 iR,uR,uL,iC 的初始值不遵循换路定律的规律，它们的初始值需由 t=0+电路来求得。 具体求法是：
画出 t=0+电路，在该电路中若 uC (0+)= uC (0-)=US,电容用一个电压源 US代替，若 uC (0+)= 0则电容用短路线代替。若 iL(0+)= iL(0-)=IS,电感一个电流源 IS 代替，若
iL(0+)= 0则电感作开路处理。下面举例说明初始值的求法。
13
例 5-1 在图 5-3(a)电路中，开关 S在 t=0时闭合，开关闭合前电路已处于稳定状态。试求初始值 uC(0+)、
iL(0+),i1(0+),i2(0+),ic(0+) 和 uL(0+)。
图 5-3
例 5-1 图
14
解,(1) 电路在 t=0时发生换路，欲求各电压、电流的初始值，应先求 uC(0+)和 iL(0+)。 通过换路前稳定状态下 t=0-电路可求得 uC(0-)和 iL(0-)。 在直流稳态电路中,uC不再变化,duC/dt=0,故 iC=0,即电容 C相当于开路。同理 iL也不再变化,diL/dt=0,故 uL=0,即电感 L相当于短路。所以 t=0- 时刻的等效电路如图 5-3(b)）
所示，由该图可知：
Ai
Vu
L
c
2
23
10
)0(
4
23
2
10)0(
（ 2）由换路定理得
Aii
Vuu
LL
cc
2)0()0(
4)0()0(
15
因此，在 t=0+ 瞬间，电容元件相当于一个 4V的电压源，电感元件相当于一个 2A的电流源。据此画出 t=0+ 时刻的等效电路，如图 5-3 (C) 所示。
（ 3）在 t=0+ 电路中，应用直流电阻电路的分析方法，可求出电路中其他电流、电压的初始值，即
Ai
Ai
1
4
4
)0(
2
2
4
)0(
2
1
iC(0+)=2-2-1=-1A
uL(0+)=10-3× 2-4=0
16
例 5-2 电路如图 5-4 (a)所示，开关 S闭合前电路无储能，
开关 S在 t=0时闭合，试求 i1,i2,i3,uc,uL的初始值。
图 5-4 例 5-2 图解 （ 1）由题意知：
0)0()0(
0)0(
3
L
C
ii
u
（ 2）由换路定理得
0)0()0(
0)0()0(
LL
CC
ii
uu
17
因此,在 t=0+ 电路中,电容应该用短路线代替,
电感以开路代之 。 得到 t=0+ 电路,如图 5-4 (b)所示 。
（ 3）在 t=0+ 电路中，应用直流电阻电路的分析方法求得通过以上例题,可以归纳出求初始值的一般步骤如下：
(1) 根据 t=0- 时的等效电路,求出 uC(0-) 及 iL(0-)。
(2) 作出 t=0+ 时的等效电路,并在图上标出各待求量 。
(3) 由 t=0+ 等效电路,求出各待求量的初始值 。
Aii 3.02010 9)0()0( 21
i3(0+)=0
uL(0+)=20i2(0+)=20× 0.3=6V
18
当外加激励为零,仅有动态元件初始储能所产生的电流和电压,称为动态电路的零输入响应,
图 5-5 RC电路的零输入响应
1 i
+
-
UC
IS
R0 R
2
C
(a)
uR
+
-
+
-
uCC
i
(b)
5.3 零 输 入 响 应图 5-5 (a) 所示的电路中，在 t<0时开关在位置 1，电容被电流源充电，电路已处于稳态，电容电压 uC (0-)=R0IS，
t=0时，开关扳向位置 2，这样在 t≥0时，电容将对 R放电，
电路如图 5-5 (b)所示，电路中形成电流 i。 故 t>0后，电路中无电源作用，电路的响应均是由电容的初始储能而产生，
故属于零输入响应。
5.3.1 RC电路的零输入响应
19
-uR+uc=0
而 uR=i R,
dt
duCi C,代入上式可得
0 CC udtduRC
上式是一阶常系数齐次微分方程,其通解形式为
uc=Aept t≥0 ２ 式式中 A为待定的积分常数,可由初始条件确定 。 p为
１式对应的特征方程的根 。 将２式代入１式可得特征方程为
RCP+1=0
１式换路后由图（ b） 可知，根据 KVL有
20
从而解出特征根为
RCp
1
则通解
RC
tAeu
C
３式将初始条件 uc(0+)=R0IS 代入 3式，求出积分常数 A为
SC IRAu 0)0(
将 代入上式，得到满足初始值的微分方程的通解为
)0(?cu
RC
t
S
RC
t
CC eIReuu
0)0(
放电电流为
RC
t
RC
t
SC eie
R
IR
dt
duCi?
)0(0
t≥0 ４式
t≥0 ５式
21
令 τ=RC,它具有时间的量纲，即
秒秒库仑 库仑伏特库仑安培伏特 /.RC?
故称 τ为时间常数,这样４、５两式可分别写为
t
CC euu
)0(
t≥0
t
eii
)0(
t≥0
RCp
1由于 为负，故 uc和 i 均按指数规律衰减，
它们的最大值分别为初始值 uc(0+)=R0IS 及
R
IRi S0)0(?
,当 t→∞ 时,uc和 i 衰减到零。
22图 5-6 RC 电路零输入响应电压、电流波形图画出 uc及 i的波形如图 5-６所示。
23
5.3.2 RL电路的零输入响应一阶 RL电路如图 5-7(a)所示,t=0- 时开关 S闭合，电路已达稳态，电感 L相当于短路，流过 L的电流为 I0。 即
iL(0-)=I0,故电感储存了磁能。在 t=0时开关 S打开，所以在 t≥0时，电感 L储存的磁能将通过电阻 R放电，在电路中产生电流和电压，如图 5-7 (b)所示。由于 t>0后，放电回路中的电流及电压均是由电感 L的初始储能产生的，所以为零输入响应。
图 5-7 RL电路的零输入响应
24
由图 (b),根据 KVL有
uL+uR=0
LR
L
L Riudt
diLu 及将 代入上式得
0 LL RidtdiL
1式
iL=Ae pt t≥0
上式为一阶常系数齐次微分方程，其通解形式为
2式将 2式代入 1式,得特征方程为
LP+R=0
故特征根为
L
Rp
25
则通解为
tLR
L Aei
若令,τ是 RL电路的时间常数，仍具有时间量纲，上式可写为
R
L
t
L Aei
t≥0 3式
t≥0
将初始条件 i L(0+)= iL (0-)=I 0 代入 3式,求出积分常数 A为 iL (0+)=A=I0
这样得到满足初始条件的微分方程的通解为
tt
LL eIeii
0)0(
t≥0 4式
26
t
LR eRIRiu
0
t
RL eRIuu
0
电阻及电感的电压分别是
t≥0
t≥0
分别作出 iL,uR 和,uL的波形如图 5-8(a),(b)
所示。
由图 5-8可知,iL,uR及 uL的初始值（亦是最大值）分别为 iL(0+)=I0,uR(0+)=RI0,uL(0+)= -RI0,它们都是从各自的初始值开始，然后按同一指数规律逐渐衰减到零。衰减的快慢取决于时间常数 τ，
这与一阶 RC零输入电路情况相同。
27
图 5-8 RL 电路零输入响应 iL,uR和 uL 的波形
28
从以上求得的 RC和 RL电路零输入响应进一步分析可知,对于任意时间常数为非零有限值的一阶电路,
不仅电容电压,电感电流,而且所有电压,电流的零输入响应,都是从它的初始值按指数规律衰减到零的 。
且同一电路中,所有的电压,电流的时间常数相同 。
若用 f (t)表示零输入响应,用 f (0+)表示其初始值,则零输入响应可用以下通式表示为
t
eftf )0()(
t≥0
应该注意的是,RC电路与 RL电路的时间常数是不同的，前者 τ=RC,后者 τ=L/R。
29
例 5-3：如图 5-9 (a)所示电路,t=0-时电路已处于稳态,t=0时开关 S打开。求 t≥0时的电压 uc、
uR和电流 ic。
解 由于在 t=0- 时电路已处于稳态，在直流电源作用下，电容相当于开路。所以图 5-9 例 3 图
VURR Ru SC 424 122)0(
21
2
由换路定律，得
Vuu cC 4)0()0(
作出 t=0+等效电路如图 (b)所示，
30
电容用 4V电压源代替，由图 (b)可知
VuRR Ru CR 6.132 42)0()0(
32
2?
ARRui CC 8.032 4)0()0(
32
换路后从电容两端看进去的等效电阻如图 (C)
所示，为：
52323 RRR
SRC 1515
时间常数为
31
t
t
RR eeuu
6.1)0(
t
t
CC eeii
8.0)0(
A
V
t≥0
t≥0
也可以由
dt
duCi C
C?
求出 i C = -0.8e -t A t≥0
t
t
CC eeuu
4)0(
V t≥0
计算零输入响应，得
32
5.4 零 状 态 响 应
5.4.1 RC电路的零状态响应图 5-10所示一阶 RC电路，电容先未充电,t=0时开关闭合，电路与激励 US 接通，试确定 k闭合后电路中的响应。
图 5-10 (a) R C电路的零状态响应在 k闭合瞬间,电容电压不会跃变,由换路定律
uc(0+)= uc(0-)= 0,t=0+ 时电容相当于短路,uR(0+)=US，
故电容开始充电 。 随着时间的推移,uC将逐渐升高,
R
U
R
ui SR
R
)0()0(
33
uR则逐渐降低,iR（ 等于 ic） 逐渐减小。当 t→∞ 时，
电路达到稳态，这时电容相当于开路，充电电流
ic(∞)=0,uR (∞)=0,uc=(∞)=Us。
由 kVL uR+uc=US
而 uR=RiR=RiC=,代入上式可得到以 uc
为变量的微分方程
t≥0 1式初始条件为 uC(0+)=0
dt
duRC C
SC
C Uu
dt
duRC
1式为一阶常系数非齐次微分方程，其解由两部分组成：
一部分是它相应的齐次微分方程的通解 uCh,也称为齐次解；另一部分是该非齐次微分方程的特解 uCP,即
uc=uch + ucp
34
RC
tt
ch AeAeu
将初始条件 uc(0+)=0代入上式,得出积分常数 A=-US,故
S
RC
t
cpchC UAeuuu
RC
t
SS
RC
t
SC eUUeUu 1
由于 1式相应的齐次微分方程与 RC零输入响应式完全相同,因此其通解应为式中 A为积分常数。特解 ucp取决于激励函数，当激励为常量时特解也为一常量，可设 ucp=k,代入 1式得
1式的解（完全解）为
ucp =k=US
35
t≥0 2式由 2式可知，当 t=0时,uc(0)=0,当 t=τ时，
uc(τ) =US（ 1-e–1） =63.2%US,即在零状态响应中，电容电压上升到稳态值 uc=(∞)=US 的 63.2%所需的时间是 τ。 而当
t=4~5τ时,u c上升到其稳态值 US的 98.17%~99.3%，一般认为充电过程即告结束。电路中其他响应分别为
)1)((?
t
CC euu
t
SC
C eR
U
dt
duCi
t
S
CR eR
Uii
t
SRR eURiu
t≥0
t≥0
t≥0
由于稳态值,故上式可写成
sc Uu )(
36
根据 uc,ic,iR及 uR的表达式，画出它们的波形如
5-10 (b),(c)所示，其变化规律与前面叙述的物理过程一致。
图 5-10 (b),(C) R C 电路零状态响应 uc,ic,iR及 uR波形图
37
5.4.2 RL电路的零状态响应图 5-11 (a) 一阶 RL电路的零状态响应对于图 5-11(a)所示的一阶 RL电路,US为直流电压源,
t＜ 0时,电感 L中的电流为零 。 t=0时开关 s闭合,电路与激励 US接通,在 s闭合瞬间,电感电流不会跃变,即有
iL(0+)= iL(0-)=0,选择 iL为首先求解的变量,由 KVL有：
uL+uR=US
将,
uR=RiL,代入上式,可得初始条件为
iL (0+)=0
dt
diLu L
L?
SL
L URi
dt
diL 1式
38
tLRt
Lh AeAei
R
UKi S
Lp
R
UAei St
L
1式也是一阶常系数非齐次微分方程，其解同样由齐次方程的通解 iLh 和非齐次方程的特解 iLP两部分组成，即
iL=iLh+iLp
其齐次方程的通解也应为式中时间常数 τ=L/R,与电路激励无关。非齐次方程的特解与激励的形式有关，由于激励为直流电压源，故特解 iLP为常量，令 iLP =K,代入 1式得因此完全解为
39
代入 t=0时的初始条件 iL(0+)=0得
R
UA S
于是由于 iL的稳态值,故上式可写成：
t≥0
电路中的其他响应分别为
t≥0
)1(
t
SS
t
S
L eR
U
R
Ue
R
Ui
t
LL eii 1)(
t
S
L
L eUat
diLu
R
Ui S
L )(
40
t
SRR eURiu 1
t
S
LR eR
U
ii 1
它们的波形如图 5-11 (b),(c)所示 。
t≥0
t≥0
图 5-11 (b) (C) 一阶 RL电路的零状态响应波形图
41
其物理过程是,S闭合后,iL(即 iR)从初始值零逐渐上升,uL从初始值 uL(0+)=US 逐渐下降，
而 uR从 uR(0+)=0逐渐上升，当 t=∞,电路达到稳态，这时 L相当于短路,iL(∞)=US／ R，
uL(∞)= 0,uR(∞)= US。 从波形图上可以直观地看出各响应的变化规律。
42
5.4.3 单位阶跃响应单位阶跃函数用 ε(t)表示,其定义如下：
ε(t) =
0 t≤ 0-
1 t≥ 0+
ε(t)的波形如图 5-12(a)所示,它在 （ 0-,0+） 时域内发生了单位阶跃 。
图 5-12 单位阶跃函数
43
单位阶跃函数可以用来描述图 5-12 (b)所示的开关动作，它表示在 t=0时把电路接入 1V直流源时 u(t)的值，即：
u (t)= ε(t) V
如果在 t=t0时发生跳变，这相当于单位直流源接入电路的时间推迟到 t=t0,其波形如图 5-13所示，它是延迟的单位阶跃函数，可表示为
ε(t-t0) =
0 t≤t 0-
1 t≥t 0+
图 5-13 延迟的单位阶跃函数
44
)()1( 0
0
tteu
tt
C
当激励为单位阶跃函数 ε(t)时,电路的零状态响应称为单位阶跃响应,简称阶跃响应 。 对于图 5-12所示电路的单位阶跃响应,只要令 US=ε(t)就能得到,例如电容电压为若图 5-10的激励 uS=Kε(t)（ K为任意常数 ）,则根据线性电路的性质,电路中的零状态响应
)(1 teu
t
C?
如单位阶跃不是在 t=0而是在某一时刻 t0时加上的，
则只要把上述表达式中的 t改为 t-t0,就行了。例如这种情况下的 uC为
45
均应扩大 K倍,对于电容有
)()1( teKu
t
C?
例 5-4 求图 5-14 (a)电路的阶跃响应 uC。
解 先将电路 ab左端的部分用戴维南定理化 简,得图 5-14(b)所示电路。由图 (a)可得图 5-14 例 4 图
46
)(2)(21443 111 ttuuuU oc
∵ 3u1+u1=0 ∴ u1=0
则
AtI SC 11 )(
2120
SC
oc
I
UR
于是
)()1(2)1( teeUu
tt
ocC?
式中 τ=R0C=2× 10-6S
将 ab端短路，设短路电流为 ISC（ 从 a流向 b）
47
5.5 全 响 应由电路的初始状态和外加激励共同作用而产生的响应，叫全响应。
如图 5-15所示，设 uC =uC(0-)=U0,S在 t=0时闭合，
显然电路中的响应属于全响应。
图 5-15 RC电路的全响应
48
对 t≥0的电路,以 uC为求解变量可列出描述电路的微分方程为
0)0( Uu
Uu
dt
du
RC
C
SC
C
1式与描述零状态电路的微分方程式比较,仅只有初始条件不同,因此,其解答必具有类似的形式,即
S
t
C UKeu
代入初始条件 uC (0+)=U0 得
K= U0 - US
1式
49
从而得到
S
t
SC UeUUu
)(
0
通过对 1式分析可知,当 US=0时,即为 RC零输入电路的微分方程 。 而当 U0=0时,即为 RC零状态电路的微分方程 。 这一结果表明,零输入响应和零状态响应都是全响应的一种特殊情况 。
上式的全响应公式可以有以下两种分解方式,
1、全响应分解为暂态响应和稳态响应之和。如 2式中第一项为齐次微分方程的通解，是按指数规律衰减的，称暂态响应或称自由分量（固有分量）。 2式中第二项 US
= uC(∞)受输入的制约，它是非齐次方程的特解，其解的形式一般与输入信号形式相同，称稳态响应或强制分量
。
2式
50
2,全响应分解为零输入响应和零状态响应之和 。
将 2 式改写后可得：
)1(0
t
S
t
C eUeUu
3式等号右边第一项为零输入响应，第二项为零状态响应。
因为电路的激励有两种，一是外加的输入信号
，一是储能元件的初始储能，根据线性电路的叠加性，电路的响应是两种激励各自所产生响应的叠加
，即全响应 =零输入响应 +零状态响应
3式这样有,全响应 =暂态响应 +稳态响应
51
5.6 求解一阶电路三要素法如用 f (t) 表示电路的响应,f (0+)表示该电压或电流的初始值,f (∞) 表示响应的稳定值,表示电路的时间常数，则电路的响应可表示为：
0)()0()()( teffftf
t
上式称为一阶电路在直流电源作用下求解电压、
电流响应的三要素公式。
式中 f (0+),f (∞) 和 称为三要素，把按三要素公式求解响应的方法称为三要素法。
由于零输入响应和零状态响应是全响应的特殊情况，因此，三要素公式适用于求一阶电路的任一种响应，具有普遍适用性。
52
用三要素法求解直流电源作用下一阶电路的响应，
其求解步骤如下：
一,确定初始值 f (0+)
初始值 f(0+)是指任一响应在换路后瞬间 t=0+ 时的数值,与本章前面所讲的初始值的确定方法是一样的 。
(1) 先作 t=0- 电路 。 确定换路前电路的状态 uC(0-)或
iL(0-),这个状态即为 t＜ 0阶段的稳定状态,因此,此时电路中电容 C视为开路,电感 L用短路线代替 。
(2) 作 t=0+ 电路 。 这是利用刚换路后一瞬间的电路确定各变量的初始值 。 若 uC(0+)=uC(0-)=U0,iL(0+)=iL(0-
)=I0,在此电路中 C用电压源 U0代替,L用电流源
0I
53
图 5-16 电容、电感元件在 t=0时的电路模型代替。若 uC(0+)=uC(0-)=0 或 iL(0+)=iL(0-)=0,则 C用短路线代替,L视为开路。可用图 5-16说明。作 t=0+ 电路后，
即可按一般电阻性电路来求解各变量的 u (0+),i (0+)。
54
二,确定稳态值 f(∞)
作 t=∞电路 。 瞬态过程结束后,电路进入了新的稳态,用此时的电路确定各变量稳态值 u(∞)、
i(∞)。 在此电路中,电容 C视为开路,电感 L用短路线代替,可按一般电阻性电路来求各变量的稳态值
。
三,求时间常数 τ
RC电路中,τ=RC； RL电路中,τ=L/R； 其中
,R是将电路中所有独立源置零后，从 C或 L两端看进去的等效电阻,(即戴维南等效源中的 R0)。
例 5-5 图 5-17 (a)所示电路中,t=0时将 S上，
求 t≥0时的 i1,iL,uL。
55
图 5-17 例 5 图解,(1) 先求 iL(0-)。 作 t=0- 电路,见图 (b),电感用短路线代替,则
56
3
4
63
12)0(?
Li
(2)求 f(0+)。 作 t=0+电路,见图 (C),Aii
LL 3
4)0()0(
图中电感用 4/3A的电流源代替，流向与图 (b)中 iL(0-)一致。因为题意要求 i1,iL,uL,所以相应地需先求 i1(0+)和
uL(0+)。 椐 KVL,图 (C)左边回路中有
3 i1 (0+) +6 [i1 (0+) -iL (0+)]=12
得
Ai 920)0(1
图 (C)右边回路中有
Viiiu LLL 38)0()0(6)0(6)0( 1
57
(3) 求 f(∞)。 作 t=∞电路如图 (d),电感用短路线代替,则
2
66
663
12)(
1?
i
Aii L 1)(21)( 1
uL(∞) =0
(4) 求 τ。 从动态元件 L两端看进去的戴维南等效电阻为
863 6366//36R
SSRL 1011.08 8.0
58
（ 5） 代入三要素公式
t
effftf )()0()()(
Aeeti tt 10101
9
222
9
202)(
t≥0
Aeeti ttL 1010
3
111
3
41)(
Veetu ttL 1010
3
80
3
80)(
t≥0
t≥0
59
i1 (t),iL (t)及 uL(t)的波形图如 5-18所示。
图 5-18 例 5 图
60
本章讲述的是一阶电路的分析，主要内容为为以下几方面,
(1) 含有动态元件的电路叫动态电路。描述动态电路的方程是微分方程。动态元件的电压和电流关系是微分或积分关系，如表 5-1所示，（设电压和电流为关联参考方向）。
dt
duCi c
c
t ccc diCuu 0 )(1)0( 221 cc Cuw?
dt
diLu L
L
t LLL duLii 0 )(1)0( 221 LL Liw?
表 5-1 动态元件的伏安关系伏安关系等元件名称微分关系积分关系 储 能电容 C
电感 L
第 5 章 小 结
61
(2)换路定律是指：
如果电容电流 和电感电压 为有限值，
则电容电压 和电感电流 不能跃变。设在时发生换路，则有
uC(0+)=uC(0-)
iL(0+)=iL(0-)
而电路中其他电流、电压不存在 与时的值相等的规律性。它们的初始值或应根据等效电路求出。
ci
Lu
cu Li
0t
0t
62
（ 3） 零输入响应：当外加激励为零，仅有动态元件初始储能所产生所激发的响应 。
零输入响应：电路的初始储能为零仅由输入产生的响应。
全响应：由电路的初始状态和外加激励共同作用而产生的响应，叫全响应。
（ 4）求解一阶电路三要素公式为：
0)()0()()( teffftf
t
第五章 一阶动态电路分析
5.1 电容元件和电感元件
5.2 换路定律及初始值的确定
5.3 零 输 入 响 应
5.4 零 状 态 响 应
5.5 全 响 应
5.6 求解一阶电路三要素法
2
● 动态元件电感、电容的特性。
● 初始值的求法、动态电路方程的建立及求解。
● 零输入响应、零状态响应、暂态响应和稳态响应的含义及其它们的分析计算方法。
● 输入为直流信号激励下的一阶电路的三要素分析法。
【 本章重点 】
● 零输入响应、零状态响应、暂态响应和稳态响应分析计算方法。
● 输入为直流信号激励下的一阶电路的三要素分析法。
【 本章难点 】
3
5.1 电容元件和电感元件电容器是一种能储存电荷的器件,电容元件是电容器的理想化模型。
斜率为 R
0
q
u
图 5-1 电容的符号、线性非时变电容的特性曲线当电容上电压与电荷为关联参考方向时，电荷 q与 u
关系为,q(t)=Cu(t)
C是电容的电容量，亦即特性曲线的斜率。当 u,i为关联方向时,据电流强度定义有,i=C dq/dt
非关联时,i= -C dq/dt
+
-
uC
i
+q
-q
5.1.1 电容元件
4
电容的伏安还可写成：
diCdiCtu t )(1)(1)(
0
0
t
di
C
u
0
)(1)0(
式中,u(0)是在 t=0 时刻电容已积累的电压，称为初始电压；而后一项是在 t=0 以后电容上形成的电压，
它体现了在 0~t的时间内电流对电压的贡献。
由此可知：在某一时刻 t,电容电压 u不仅与该时刻的电流 i 有关，而且与 t以前电流的全部历史状况有关。
因此，我们说电容是一种记忆元件，，有“记忆”电流的作用。
5
当电容电压和电流为关联方向时，电容吸收的瞬时功率为：
dt
tdutCutitutp )()()()()(
瞬时功率可正可负，当 p(t)>0时，说明电容是在吸收能量，处于充电状态；当 p(t) <0时，说明电容是在供出能量，处于放电状态。
对上式从 ∞到 t 进行积分，即得 t 时刻电容上的储能为：
)(
2
1
)(
2
1
)()()()(
22
)(
)(
CutCu
duCudptw
t tu
u
C
6
式中 u(-∞) 表示电容未充电时刻的电压值，
应有 u(-∞) =0。 于是，电容在时刻 t 的储能可简化为：
)(
2
1
)( 2 tCutw C?
由上式可知,电容在某一时刻 t 的储能仅取决于此 时刻的电压，而与电流无关，且储能 ≥0。
电容在充电时吸收的能量全部转换为电场能量，
放电时又将储存的电场能量释放回电路，它本身不消耗能量，也不会释放出多于它吸收的能量，所以称电容为储能元件。
7
5.1.2 电感元件电感器（线圈）是存储磁能的器件，而电感元件是它的理想化模型。当电流通过电感器时，就有磁链与线圈交链，当磁通与电流 i 参考方向之间符合右手螺旋关系时，
磁链与电流的关系为：
0 i
斜率为 R
+
-
u L
i
图 5-2 电感元件模型符号及特性曲线当 u,i为关联方向时，
有,
这是电感伏安关系的微分形式。
dt
diLu?
Ψ(t)=L i(t)
Ψ
8
电感的伏安还可写成：
duLduLti t )(1)(1)(
0
0
t duLi 0 )(1)0(
式中,i(0)是在 t=0 时刻电感已积累的电流，称为初始电流；而后一项是在 t=0以后电感上形成的电流，它体现了在 0-t 的时间内电压对电流的贡献。
上式说明,任一时刻的电感电流，不仅取决于该时刻的电压值，还取决于 -∞~t 所有时间的电压值，即与电压过去的全部历史有关。可见电感有“记忆”电压的作用，它也是一种记忆元件。
9
当电感电压和电流为关联方向时，电感吸收的瞬时功率为：
dt
tditLititutp )()()()()(
与电容一样，电感的瞬时功率也可正可负，
当 p(t) >0时，表示电感从电路吸收功率，储存磁场能量；当 p(t) <0时，表示供出能量，释放磁场能量。
对上式从 -∞到 t 进行积分，即得 t 时刻电感上的储能为：
)()(
2
1
)()()()(
22
)(
)(
itiL
diLidptw
t ti
i
L
10
因为 0)(i
所以
)(
2
1)( 2 tLitw
L?
由上式可知,电感在某一时刻 t 的储能仅取决于此时刻的电流值，而与电压无关，只要有电流存在，就有储能，且储能 。
和电容元件一样电感也是一种无源元件。
0)(?tw L
11
5.2 换路定律及初始值的确定通常，我们把电路中开关的接通、断开或电路参数的突然变化等统称为“换路”。我们研究的是换路后电路中电压或电流的变化规律，知道了电压、电流的初始值，就能掌握换路后电压、电流是从多大的初始值开始变化的。
该定律是指若电容电压、电感电流为有限值，则 uC,iL不能跃变，即换路前后一瞬间的 uC,iL是相等的，可表达为：
uC(0+)=uC(0-)
iL(0+)=iL(0-)
必须注意,只有 uC,iL受换路定律的约束而保持不变，电路中其他电压、电流都可能发生跃变。
5.2.1 换路定律
12
5.2.2 初 始 值 的确 定换路后瞬间电容电压、电感电流的初始值，用
uC(0+)和 iL(0+)来表示，它是利用换路前瞬间 t=0-电路确定 uC(0-)和 iL(0-),再由换路定律得到 uC(0+)和 iL(0+)
的值。
电路中其他变量如 iR,uR,uL,iC 的初始值不遵循换路定律的规律，它们的初始值需由 t=0+电路来求得。 具体求法是：
画出 t=0+电路，在该电路中若 uC (0+)= uC (0-)=US,电容用一个电压源 US代替，若 uC (0+)= 0则电容用短路线代替。若 iL(0+)= iL(0-)=IS,电感一个电流源 IS 代替，若
iL(0+)= 0则电感作开路处理。下面举例说明初始值的求法。
13
例 5-1 在图 5-3(a)电路中，开关 S在 t=0时闭合，开关闭合前电路已处于稳定状态。试求初始值 uC(0+)、
iL(0+),i1(0+),i2(0+),ic(0+) 和 uL(0+)。
图 5-3
例 5-1 图
14
解,(1) 电路在 t=0时发生换路，欲求各电压、电流的初始值，应先求 uC(0+)和 iL(0+)。 通过换路前稳定状态下 t=0-电路可求得 uC(0-)和 iL(0-)。 在直流稳态电路中,uC不再变化,duC/dt=0,故 iC=0,即电容 C相当于开路。同理 iL也不再变化,diL/dt=0,故 uL=0,即电感 L相当于短路。所以 t=0- 时刻的等效电路如图 5-3(b)）
所示，由该图可知：
Ai
Vu
L
c
2
23
10
)0(
4
23
2
10)0(
（ 2）由换路定理得
Aii
Vuu
LL
cc
2)0()0(
4)0()0(
15
因此，在 t=0+ 瞬间，电容元件相当于一个 4V的电压源，电感元件相当于一个 2A的电流源。据此画出 t=0+ 时刻的等效电路，如图 5-3 (C) 所示。
（ 3）在 t=0+ 电路中，应用直流电阻电路的分析方法，可求出电路中其他电流、电压的初始值，即
Ai
Ai
1
4
4
)0(
2
2
4
)0(
2
1
iC(0+)=2-2-1=-1A
uL(0+)=10-3× 2-4=0
16
例 5-2 电路如图 5-4 (a)所示，开关 S闭合前电路无储能，
开关 S在 t=0时闭合，试求 i1,i2,i3,uc,uL的初始值。
图 5-4 例 5-2 图解 （ 1）由题意知：
0)0()0(
0)0(
3
L
C
ii
u
（ 2）由换路定理得
0)0()0(
0)0()0(
LL
CC
ii
uu
17
因此,在 t=0+ 电路中,电容应该用短路线代替,
电感以开路代之 。 得到 t=0+ 电路,如图 5-4 (b)所示 。
（ 3）在 t=0+ 电路中，应用直流电阻电路的分析方法求得通过以上例题,可以归纳出求初始值的一般步骤如下：
(1) 根据 t=0- 时的等效电路,求出 uC(0-) 及 iL(0-)。
(2) 作出 t=0+ 时的等效电路,并在图上标出各待求量 。
(3) 由 t=0+ 等效电路,求出各待求量的初始值 。
Aii 3.02010 9)0()0( 21
i3(0+)=0
uL(0+)=20i2(0+)=20× 0.3=6V
18
当外加激励为零,仅有动态元件初始储能所产生的电流和电压,称为动态电路的零输入响应,
图 5-5 RC电路的零输入响应
1 i
+
-
UC
IS
R0 R
2
C
(a)
uR
+
-
+
-
uCC
i
(b)
5.3 零 输 入 响 应图 5-5 (a) 所示的电路中，在 t<0时开关在位置 1，电容被电流源充电，电路已处于稳态，电容电压 uC (0-)=R0IS，
t=0时，开关扳向位置 2，这样在 t≥0时，电容将对 R放电，
电路如图 5-5 (b)所示，电路中形成电流 i。 故 t>0后，电路中无电源作用，电路的响应均是由电容的初始储能而产生，
故属于零输入响应。
5.3.1 RC电路的零输入响应
19
-uR+uc=0
而 uR=i R,
dt
duCi C,代入上式可得
0 CC udtduRC
上式是一阶常系数齐次微分方程,其通解形式为
uc=Aept t≥0 ２ 式式中 A为待定的积分常数,可由初始条件确定 。 p为
１式对应的特征方程的根 。 将２式代入１式可得特征方程为
RCP+1=0
１式换路后由图（ b） 可知，根据 KVL有
20
从而解出特征根为
RCp
1
则通解
RC
tAeu
C
３式将初始条件 uc(0+)=R0IS 代入 3式，求出积分常数 A为
SC IRAu 0)0(
将 代入上式，得到满足初始值的微分方程的通解为
)0(?cu
RC
t
S
RC
t
CC eIReuu
0)0(
放电电流为
RC
t
RC
t
SC eie
R
IR
dt
duCi?
)0(0
t≥0 ４式
t≥0 ５式
21
令 τ=RC,它具有时间的量纲，即
秒秒库仑 库仑伏特库仑安培伏特 /.RC?
故称 τ为时间常数,这样４、５两式可分别写为
t
CC euu
)0(
t≥0
t
eii
)0(
t≥0
RCp
1由于 为负，故 uc和 i 均按指数规律衰减，
它们的最大值分别为初始值 uc(0+)=R0IS 及
R
IRi S0)0(?
,当 t→∞ 时,uc和 i 衰减到零。
22图 5-6 RC 电路零输入响应电压、电流波形图画出 uc及 i的波形如图 5-６所示。
23
5.3.2 RL电路的零输入响应一阶 RL电路如图 5-7(a)所示,t=0- 时开关 S闭合，电路已达稳态，电感 L相当于短路，流过 L的电流为 I0。 即
iL(0-)=I0,故电感储存了磁能。在 t=0时开关 S打开，所以在 t≥0时，电感 L储存的磁能将通过电阻 R放电，在电路中产生电流和电压，如图 5-7 (b)所示。由于 t>0后，放电回路中的电流及电压均是由电感 L的初始储能产生的，所以为零输入响应。
图 5-7 RL电路的零输入响应
24
由图 (b),根据 KVL有
uL+uR=0
LR
L
L Riudt
diLu 及将 代入上式得
0 LL RidtdiL
1式
iL=Ae pt t≥0
上式为一阶常系数齐次微分方程，其通解形式为
2式将 2式代入 1式,得特征方程为
LP+R=0
故特征根为
L
Rp
25
则通解为
tLR
L Aei
若令,τ是 RL电路的时间常数，仍具有时间量纲，上式可写为
R
L
t
L Aei
t≥0 3式
t≥0
将初始条件 i L(0+)= iL (0-)=I 0 代入 3式,求出积分常数 A为 iL (0+)=A=I0
这样得到满足初始条件的微分方程的通解为
tt
LL eIeii
0)0(
t≥0 4式
26
t
LR eRIRiu
0
t
RL eRIuu
0
电阻及电感的电压分别是
t≥0
t≥0
分别作出 iL,uR 和,uL的波形如图 5-8(a),(b)
所示。
由图 5-8可知,iL,uR及 uL的初始值（亦是最大值）分别为 iL(0+)=I0,uR(0+)=RI0,uL(0+)= -RI0,它们都是从各自的初始值开始，然后按同一指数规律逐渐衰减到零。衰减的快慢取决于时间常数 τ，
这与一阶 RC零输入电路情况相同。
27
图 5-8 RL 电路零输入响应 iL,uR和 uL 的波形
28
从以上求得的 RC和 RL电路零输入响应进一步分析可知,对于任意时间常数为非零有限值的一阶电路,
不仅电容电压,电感电流,而且所有电压,电流的零输入响应,都是从它的初始值按指数规律衰减到零的 。
且同一电路中,所有的电压,电流的时间常数相同 。
若用 f (t)表示零输入响应,用 f (0+)表示其初始值,则零输入响应可用以下通式表示为
t
eftf )0()(
t≥0
应该注意的是,RC电路与 RL电路的时间常数是不同的，前者 τ=RC,后者 τ=L/R。
29
例 5-3：如图 5-9 (a)所示电路,t=0-时电路已处于稳态,t=0时开关 S打开。求 t≥0时的电压 uc、
uR和电流 ic。
解 由于在 t=0- 时电路已处于稳态，在直流电源作用下，电容相当于开路。所以图 5-9 例 3 图
VURR Ru SC 424 122)0(
21
2
由换路定律，得
Vuu cC 4)0()0(
作出 t=0+等效电路如图 (b)所示，
30
电容用 4V电压源代替，由图 (b)可知
VuRR Ru CR 6.132 42)0()0(
32
2?
ARRui CC 8.032 4)0()0(
32
换路后从电容两端看进去的等效电阻如图 (C)
所示，为：
52323 RRR
SRC 1515
时间常数为
31
t
t
RR eeuu
6.1)0(
t
t
CC eeii
8.0)0(
A
V
t≥0
t≥0
也可以由
dt
duCi C
C?
求出 i C = -0.8e -t A t≥0
t
t
CC eeuu
4)0(
V t≥0
计算零输入响应，得
32
5.4 零 状 态 响 应
5.4.1 RC电路的零状态响应图 5-10所示一阶 RC电路，电容先未充电,t=0时开关闭合，电路与激励 US 接通，试确定 k闭合后电路中的响应。
图 5-10 (a) R C电路的零状态响应在 k闭合瞬间,电容电压不会跃变,由换路定律
uc(0+)= uc(0-)= 0,t=0+ 时电容相当于短路,uR(0+)=US，
故电容开始充电 。 随着时间的推移,uC将逐渐升高,
R
U
R
ui SR
R
)0()0(
33
uR则逐渐降低,iR（ 等于 ic） 逐渐减小。当 t→∞ 时，
电路达到稳态，这时电容相当于开路，充电电流
ic(∞)=0,uR (∞)=0,uc=(∞)=Us。
由 kVL uR+uc=US
而 uR=RiR=RiC=,代入上式可得到以 uc
为变量的微分方程
t≥0 1式初始条件为 uC(0+)=0
dt
duRC C
SC
C Uu
dt
duRC
1式为一阶常系数非齐次微分方程，其解由两部分组成：
一部分是它相应的齐次微分方程的通解 uCh,也称为齐次解；另一部分是该非齐次微分方程的特解 uCP,即
uc=uch + ucp
34
RC
tt
ch AeAeu
将初始条件 uc(0+)=0代入上式,得出积分常数 A=-US,故
S
RC
t
cpchC UAeuuu
RC
t
SS
RC
t
SC eUUeUu 1
由于 1式相应的齐次微分方程与 RC零输入响应式完全相同,因此其通解应为式中 A为积分常数。特解 ucp取决于激励函数，当激励为常量时特解也为一常量，可设 ucp=k,代入 1式得
1式的解（完全解）为
ucp =k=US
35
t≥0 2式由 2式可知，当 t=0时,uc(0)=0,当 t=τ时，
uc(τ) =US（ 1-e–1） =63.2%US,即在零状态响应中，电容电压上升到稳态值 uc=(∞)=US 的 63.2%所需的时间是 τ。 而当
t=4~5τ时,u c上升到其稳态值 US的 98.17%~99.3%，一般认为充电过程即告结束。电路中其他响应分别为
)1)((?
t
CC euu
t
SC
C eR
U
dt
duCi
t
S
CR eR
Uii
t
SRR eURiu
t≥0
t≥0
t≥0
由于稳态值,故上式可写成
sc Uu )(
36
根据 uc,ic,iR及 uR的表达式，画出它们的波形如
5-10 (b),(c)所示，其变化规律与前面叙述的物理过程一致。
图 5-10 (b),(C) R C 电路零状态响应 uc,ic,iR及 uR波形图
37
5.4.2 RL电路的零状态响应图 5-11 (a) 一阶 RL电路的零状态响应对于图 5-11(a)所示的一阶 RL电路,US为直流电压源,
t＜ 0时,电感 L中的电流为零 。 t=0时开关 s闭合,电路与激励 US接通,在 s闭合瞬间,电感电流不会跃变,即有
iL(0+)= iL(0-)=0,选择 iL为首先求解的变量,由 KVL有：
uL+uR=US
将,
uR=RiL,代入上式,可得初始条件为
iL (0+)=0
dt
diLu L
L?
SL
L URi
dt
diL 1式
38
tLRt
Lh AeAei
R
UKi S
Lp
R
UAei St
L
1式也是一阶常系数非齐次微分方程，其解同样由齐次方程的通解 iLh 和非齐次方程的特解 iLP两部分组成，即
iL=iLh+iLp
其齐次方程的通解也应为式中时间常数 τ=L/R,与电路激励无关。非齐次方程的特解与激励的形式有关，由于激励为直流电压源，故特解 iLP为常量，令 iLP =K,代入 1式得因此完全解为
39
代入 t=0时的初始条件 iL(0+)=0得
R
UA S
于是由于 iL的稳态值,故上式可写成：
t≥0
电路中的其他响应分别为
t≥0
)1(
t
SS
t
S
L eR
U
R
Ue
R
Ui
t
LL eii 1)(
t
S
L
L eUat
diLu
R
Ui S
L )(
40
t
SRR eURiu 1
t
S
LR eR
U
ii 1
它们的波形如图 5-11 (b),(c)所示 。
t≥0
t≥0
图 5-11 (b) (C) 一阶 RL电路的零状态响应波形图
41
其物理过程是,S闭合后,iL(即 iR)从初始值零逐渐上升,uL从初始值 uL(0+)=US 逐渐下降，
而 uR从 uR(0+)=0逐渐上升，当 t=∞,电路达到稳态，这时 L相当于短路,iL(∞)=US／ R，
uL(∞)= 0,uR(∞)= US。 从波形图上可以直观地看出各响应的变化规律。
42
5.4.3 单位阶跃响应单位阶跃函数用 ε(t)表示,其定义如下：
ε(t) =
0 t≤ 0-
1 t≥ 0+
ε(t)的波形如图 5-12(a)所示,它在 （ 0-,0+） 时域内发生了单位阶跃 。
图 5-12 单位阶跃函数
43
单位阶跃函数可以用来描述图 5-12 (b)所示的开关动作，它表示在 t=0时把电路接入 1V直流源时 u(t)的值，即：
u (t)= ε(t) V
如果在 t=t0时发生跳变，这相当于单位直流源接入电路的时间推迟到 t=t0,其波形如图 5-13所示，它是延迟的单位阶跃函数，可表示为
ε(t-t0) =
0 t≤t 0-
1 t≥t 0+
图 5-13 延迟的单位阶跃函数
44
)()1( 0
0
tteu
tt
C
当激励为单位阶跃函数 ε(t)时,电路的零状态响应称为单位阶跃响应,简称阶跃响应 。 对于图 5-12所示电路的单位阶跃响应,只要令 US=ε(t)就能得到,例如电容电压为若图 5-10的激励 uS=Kε(t)（ K为任意常数 ）,则根据线性电路的性质,电路中的零状态响应
)(1 teu
t
C?
如单位阶跃不是在 t=0而是在某一时刻 t0时加上的，
则只要把上述表达式中的 t改为 t-t0,就行了。例如这种情况下的 uC为
45
均应扩大 K倍,对于电容有
)()1( teKu
t
C?
例 5-4 求图 5-14 (a)电路的阶跃响应 uC。
解 先将电路 ab左端的部分用戴维南定理化 简,得图 5-14(b)所示电路。由图 (a)可得图 5-14 例 4 图
46
)(2)(21443 111 ttuuuU oc
∵ 3u1+u1=0 ∴ u1=0
则
AtI SC 11 )(
2120
SC
oc
I
UR
于是
)()1(2)1( teeUu
tt
ocC?
式中 τ=R0C=2× 10-6S
将 ab端短路，设短路电流为 ISC（ 从 a流向 b）
47
5.5 全 响 应由电路的初始状态和外加激励共同作用而产生的响应，叫全响应。
如图 5-15所示，设 uC =uC(0-)=U0,S在 t=0时闭合，
显然电路中的响应属于全响应。
图 5-15 RC电路的全响应
48
对 t≥0的电路,以 uC为求解变量可列出描述电路的微分方程为
0)0( Uu
Uu
dt
du
RC
C
SC
C
1式与描述零状态电路的微分方程式比较,仅只有初始条件不同,因此,其解答必具有类似的形式,即
S
t
C UKeu
代入初始条件 uC (0+)=U0 得
K= U0 - US
1式
49
从而得到
S
t
SC UeUUu
)(
0
通过对 1式分析可知,当 US=0时,即为 RC零输入电路的微分方程 。 而当 U0=0时,即为 RC零状态电路的微分方程 。 这一结果表明,零输入响应和零状态响应都是全响应的一种特殊情况 。
上式的全响应公式可以有以下两种分解方式,
1、全响应分解为暂态响应和稳态响应之和。如 2式中第一项为齐次微分方程的通解，是按指数规律衰减的，称暂态响应或称自由分量（固有分量）。 2式中第二项 US
= uC(∞)受输入的制约，它是非齐次方程的特解，其解的形式一般与输入信号形式相同，称稳态响应或强制分量
。
2式
50
2,全响应分解为零输入响应和零状态响应之和 。
将 2 式改写后可得：
)1(0
t
S
t
C eUeUu
3式等号右边第一项为零输入响应，第二项为零状态响应。
因为电路的激励有两种，一是外加的输入信号
，一是储能元件的初始储能，根据线性电路的叠加性，电路的响应是两种激励各自所产生响应的叠加
，即全响应 =零输入响应 +零状态响应
3式这样有,全响应 =暂态响应 +稳态响应
51
5.6 求解一阶电路三要素法如用 f (t) 表示电路的响应,f (0+)表示该电压或电流的初始值,f (∞) 表示响应的稳定值,表示电路的时间常数，则电路的响应可表示为：
0)()0()()( teffftf
t
上式称为一阶电路在直流电源作用下求解电压、
电流响应的三要素公式。
式中 f (0+),f (∞) 和 称为三要素，把按三要素公式求解响应的方法称为三要素法。
由于零输入响应和零状态响应是全响应的特殊情况，因此，三要素公式适用于求一阶电路的任一种响应，具有普遍适用性。
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用三要素法求解直流电源作用下一阶电路的响应，
其求解步骤如下：
一,确定初始值 f (0+)
初始值 f(0+)是指任一响应在换路后瞬间 t=0+ 时的数值,与本章前面所讲的初始值的确定方法是一样的 。
(1) 先作 t=0- 电路 。 确定换路前电路的状态 uC(0-)或
iL(0-),这个状态即为 t＜ 0阶段的稳定状态,因此,此时电路中电容 C视为开路,电感 L用短路线代替 。
(2) 作 t=0+ 电路 。 这是利用刚换路后一瞬间的电路确定各变量的初始值 。 若 uC(0+)=uC(0-)=U0,iL(0+)=iL(0-
)=I0,在此电路中 C用电压源 U0代替,L用电流源
0I
53
图 5-16 电容、电感元件在 t=0时的电路模型代替。若 uC(0+)=uC(0-)=0 或 iL(0+)=iL(0-)=0,则 C用短路线代替,L视为开路。可用图 5-16说明。作 t=0+ 电路后，
即可按一般电阻性电路来求解各变量的 u (0+),i (0+)。
54
二,确定稳态值 f(∞)
作 t=∞电路 。 瞬态过程结束后,电路进入了新的稳态,用此时的电路确定各变量稳态值 u(∞)、
i(∞)。 在此电路中,电容 C视为开路,电感 L用短路线代替,可按一般电阻性电路来求各变量的稳态值
。
三,求时间常数 τ
RC电路中,τ=RC； RL电路中,τ=L/R； 其中
,R是将电路中所有独立源置零后，从 C或 L两端看进去的等效电阻,(即戴维南等效源中的 R0)。
例 5-5 图 5-17 (a)所示电路中,t=0时将 S上，
求 t≥0时的 i1,iL,uL。
55
图 5-17 例 5 图解,(1) 先求 iL(0-)。 作 t=0- 电路,见图 (b),电感用短路线代替,则
56
3
4
63
12)0(?
Li
(2)求 f(0+)。 作 t=0+电路,见图 (C),Aii
LL 3
4)0()0(
图中电感用 4/3A的电流源代替，流向与图 (b)中 iL(0-)一致。因为题意要求 i1,iL,uL,所以相应地需先求 i1(0+)和
uL(0+)。 椐 KVL,图 (C)左边回路中有
3 i1 (0+) +6 [i1 (0+) -iL (0+)]=12
得
Ai 920)0(1
图 (C)右边回路中有
Viiiu LLL 38)0()0(6)0(6)0( 1
57
(3) 求 f(∞)。 作 t=∞电路如图 (d),电感用短路线代替,则
2
66
663
12)(
1?
i
Aii L 1)(21)( 1
uL(∞) =0
(4) 求 τ。 从动态元件 L两端看进去的戴维南等效电阻为
863 6366//36R
SSRL 1011.08 8.0
58
（ 5） 代入三要素公式
t
effftf )()0()()(
Aeeti tt 10101
9
222
9
202)(
t≥0
Aeeti ttL 1010
3
111
3
41)(
Veetu ttL 1010
3
80
3
80)(
t≥0
t≥0
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i1 (t),iL (t)及 uL(t)的波形图如 5-18所示。
图 5-18 例 5 图
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本章讲述的是一阶电路的分析，主要内容为为以下几方面,
(1) 含有动态元件的电路叫动态电路。描述动态电路的方程是微分方程。动态元件的电压和电流关系是微分或积分关系，如表 5-1所示，（设电压和电流为关联参考方向）。
dt
duCi c
c
t ccc diCuu 0 )(1)0( 221 cc Cuw?
dt
diLu L
L
t LLL duLii 0 )(1)0( 221 LL Liw?
表 5-1 动态元件的伏安关系伏安关系等元件名称微分关系积分关系 储 能电容 C
电感 L
第 5 章 小 结
61
(2)换路定律是指：
如果电容电流 和电感电压 为有限值，
则电容电压 和电感电流 不能跃变。设在时发生换路，则有
uC(0+)=uC(0-)
iL(0+)=iL(0-)
而电路中其他电流、电压不存在 与时的值相等的规律性。它们的初始值或应根据等效电路求出。
ci
Lu
cu Li
0t
0t
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（ 3） 零输入响应：当外加激励为零，仅有动态元件初始储能所产生所激发的响应 。
零输入响应：电路的初始储能为零仅由输入产生的响应。
全响应：由电路的初始状态和外加激励共同作用而产生的响应，叫全响应。
（ 4）求解一阶电路三要素公式为：
0)()0()()( teffftf
t
