【电路】RLC电路基本概念

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发布于 2025-03-20 13:48:05

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RLC 电路全面整理与汇总

RLC 电路是由 电阻 ®、电感 (L)、电容 © 三种基本电子元件组成的电路，是电子工程中的核心研究对象。它属于 二阶电路，其行为由二阶微分方程描述，具有丰富的动态特性。RLC 电路根据元件的连接方式分为 串联 RLC 电路 和 并联 RLC 电路，在滤波器、振荡器、谐振电路等应用中发挥重要作用。以下将从符号定义、基本概念、电路特性、响应分析、基尔霍夫定律、复频域分析、电路图绘制到应用领域进行全面讲解。

1. 符号与术语

以下是 RLC 电路分析中常用的符号及其含义：

符号	含义	单位
R R R	电阻 (Resistance)	欧姆 ( Ω Ω Ω)
L L L	电感 (Inductance)	亨利 ( H H H)
C C C	电容 (Capacitance)	法拉 ( F F F)
V V V 或 v ( t ) v(t) v(t)	电压 (Voltage)	伏特 ( V V V)
I I I 或 i ( t ) i(t) i(t)	电流 (Current)	安培 ( A A A)
s s s	复频率 (Complex Frequency)	秒 − 1 ^{-1} −1 ( s − 1 s^{-1} s−1)
f f f	频率 (Frequency)	赫兹 ( H z Hz Hz)
f 0 f_0 f0	谐振频率 (Resonant Frequency)	赫兹 ( H z Hz Hz)
Z Z Z	阻抗 (Impedance)	欧姆 ( Ω Ω Ω)
Y Y Y	导纳 (Admittance)	西门子 ( S S S)
ω \omega ω	角频率 (Angular Frequency)	弧度/秒 ( r a d / s rad/s rad/s)

R

电阻 (Resistance)欧姆 (

Ω

)

L

电感 (Inductance)亨利 (

H

)

C

电容 (Capacitance)法拉 (

F

)

V

或

v(t)

电压 (Voltage)伏特 (

V

)

I

或

i(t)

电流 (Current)安培 (

A

)

s

复频率 (Complex Frequency)秒

^{-1}

(

s^{-1}

)

f

频率 (Frequency)赫兹 (

Hz

)

f_0

谐振频率 (Resonant Frequency)赫兹 (

Hz

)

Z

阻抗 (Impedance)欧姆 (

Ω

)

Y

导纳 (Admittance)西门子 (

S

)

\omega

角频率 (Angular Frequency)弧度/秒 (

rad/s

)

2. 基本概念

2.1 元件特性

电阻 ®
- 作用：阻碍电流流动，消耗能量并转化为热能。
- 阻抗：(
Z_R = R
)（纯实数，无频率依赖）。
电感 (L)
- 作用：阻碍电流变化，储存能量于磁场中，根据法拉第定律产生感应电动势 (
V_L = L \frac{di}{dt}
)。
- 感抗：(
X_L = \omega L
)（随频率增加而增大）。
电容 ©
- 作用：阻碍电压变化，储存能量于电场中，电流与电压关系为 (
I = C \frac{dv}{dt}
)。
- 容抗：(
X_C = \frac{1}{\omega C}
)（随频率增加而减小）。

2.2 阻抗与导纳

阻抗 (Z)
- 定义：电路对交流电的阻碍能力，单位为欧姆 (Ω)。
- 复数形式：(
Z = R + jX
)，其中 (
X = X_L - X_C
) 是净电抗，(
j
) 是虚数单位。
导纳 (Y)
- 定义：电路对交流电的导通能力，单位为西门子 (S)，是阻抗的倒数 ((
Y = \frac{1}{Z}
))。
- 复数形式：(
Y = G + jB
)，其中 (
G = \frac{1}{R}
)（电导），(
B = \omega C - \frac{1}{\omega L}
)（电纳）。

3. 串联 RLC 电路

3.1 电路特性

串联 RLC 电路中，电阻、电感、电容依次连接，电流通过每个元件相同，总电压为各元件电压之和。

电路图

总阻抗

Z = R + j\left( \omega L - \frac{1}{\omega C} \right)

总导纳

Y = \frac{1}{Z} = \frac{1}{R + j\left( \omega L - \frac{1}{\omega C} \right)}

3.2 微分方程

瞬态分析中，串联 RLC 电路的电流 (

I(t)

) 满足二阶微分方程：

L \frac{d^2 I(t)}{dt^2} + R \frac{d I(t)}{dt} + \frac{1}{C} I(t) = \frac{d V_s(t)}{dt}

其中 (

V_s(t)

) 是输入电压。

3.3 谐振频率

谐振发生在感抗等于容抗时 ((

\omega L = \frac{1}{\omega C}

))：

f_0 = \frac{1}{2\pi \sqrt{LC}}

在谐振时：总阻抗 (

Z = R

)（最小值），电流达到最大。

4. 并联 RLC 电路

4.1 电路特性

并联 RLC 电路中，电阻、电感、电容并联连接，电压相同，各支路电流相加。

电路图

总导纳

Y = \frac{1}{R} + j\left( \omega C - \frac{1}{\omega L} \right)

总阻抗

Z = \frac{1}{Y} = \frac{1}{\frac{1}{R} + j\left( \omega C - \frac{1}{\omega L} \right)}

4.2 微分方程

瞬态分析中，并联 RLC 电路的电压 (

V(t)

) 满足二阶微分方程：

C \frac{d^2 V(t)}{dt^2} + \frac{1}{R} \frac{d V(t)}{dt} + \frac{1}{L} V(t) = \frac{d I_s(t)}{dt}

其中 (

I_s(t)

) 是输入电流。

4.3 谐振频率

谐振发生在电纳为零时 ((

\omega C = \frac{1}{\omega L}

))：

f_0 = \frac{1}{2\pi \sqrt{LC}}

在谐振时：总阻抗 (

Z = R

)（最大值），总电流最小。

5. 电路响应

RLC 电路的瞬态响应由特征方程的根决定，特征方程形式为：

s^2 + \frac{R}{L} s + \frac{1}{LC} = 0 \quad (\text{串联})

s^2 + \frac{1}{RC} s + \frac{1}{LC} = 0 \quad (\text{并联})

根据根的性质，分为三种情况：

过阻尼
- 根为两个不相等的实数。
- 响应：无振荡，缓慢趋于稳定。
临界阻尼
- 根为两个相等的实数。
- 响应：无振荡，最快趋于稳定。
欠阻尼
- 根为一对共轭复数。
- 响应：振荡，振幅随时间衰减。

6. 基尔霍夫定律

6.1 基尔霍夫电流定律 (KCL)

定义：在任意节点，流入电流之和等于流出电流之和。
数学表达式：

\sum I_{\text{流入}} = \sum I_{\text{流出}}

6.2 基尔霍夫电压定律 (KVL)

定义：在任意闭合回路，电压升与电压降的代数和为零。
数学表达式：

\sum V_{\text{升}} = \sum V_{\text{降}}

7. 复频域分析

7.1 复频率 ( s )

复频率 (

s = \sigma + j\omega

)：

(

\sigma

)：衰减系数，决定信号衰减或增长。

(

\omega

)：角频率，决定振荡频率。

7.2 拉普拉斯变换

拉普拉斯变换将时域信号转换为复频域：

F(s) = \mathcal{L}\{f(t)\} = \int_{0}^{\infty} f(t) e^{-st} \, dt

7.3 元件复频域阻抗

电阻：(

Z_R = R

)

电感：(

Z_L = sL

)

电容：(

Z_C = \frac{1}{sC}

)

7.4 串联 RLC 电路复频域阻抗

Z(s) = R + sL + \frac{1}{sC}

7.5 并联 RLC 电路复频域导纳

Y(s) = \frac{1}{R} + sC + \frac{1}{sL}

7.6 传递函数

传递函数 (

H(s) = \frac{V_{\text{out}}(s)}{V_{\text{in}}(s)}

) 用于分析频率响应和稳定性。

8. 使用 LaTeX 绘制 RLC 电路图

以下是使用 circuitikz 包绘制的串联和并联 RLC 电路图代码，可在 LaTeX 环境中编译。

8.1 串联 RLC 电路

\documentclass{standalone}
\usepackage{circuitikz}
\begin{document}
\begin{circuitikz}
  \draw
    (0,0) to[acsource, l=$V_{AC}$] (0,2)  % 交流电源
    (0,2) to[R, l=$R$] (2,2)              % 电阻
    (2,2) to[L, l=$L$] (4,2)              % 电感
    (4,2) to[C, l=$C$] (6,2)              % 电容
    (6,2) to[short] (6,0)                 % 连接到地
    (6,0) node[ground]{}                  % 接地符号
    (0,0) to[short] (6,0);                % 闭合回路
\end{circuitikz}
\end{document}

8.2 并联 RLC 电路

\documentclass{standalone}
\usepackage{circuitikz}
\begin{document}
\begin{circuitikz}
  \draw
    (0,0) to[acsource, l=$V_{AC}$] (0,2)  % 交流电源
    (0,2) to[short] (2,2)                 % 上方节点
    (2,2) to[R, l=$R$] (2,0)              % 电阻支路
    (2,2) to[L, l=$L$] (4,2)              % 电感支路
    (4,2) to[short] (4,0)                 % 电感接地
    (2,2) to[C, l=$C$] (6,2)              % 电容支路
    (6,2) to[short] (6,0)                 % 电容接地
    (0,0) to[short] (6,0)                 % 下方连接
    (6,0) node[ground]{};                 % 接地符号
\end{circuitikz}
\end{document}

9. 应用领域

RLC 电路在电子工程中有广泛应用：

应用领域	作用
谐振电路	选择特定频率信号（如收音机调谐）
滤波器	低通、高通、带通、带阻滤波
振荡电路	产生稳定的交流信号（如振荡器）
无线通信	调制与解调信号
电源电路	降噪、稳定电压