多个线性时不变电容元件串联或并联,从端口而言,可以用一个线性时不变电容元件来等效,等效电容元件的电容量与初始电压,可依据端口关系相同的等效原则来确定。
假定串联(或并联)操作发生在时刻,串联(或并联)前各电容元件已具有的电压用表示,串联(或并联)操作后,各电容元件的初始电压用表示。
由线性时不变电容元件的性质可知,如果在串联(或并联)瞬间(即时刻),电容上没有冲激电流,则电容的电压应连续,即。
【串联】 图6-2-4为n个电容串联,有
(=1,2,…,),
根据KVL,有
其中:为等效电容的初始电压,为等效电容的电容量。
若(=1,2,…,),则电容分压关系为
当时,
【并联】 图6-2-5为n个电容元件并联,由于元件在并联前可以具有不同的电压,而并联后各元件电压应相同,因此在时刻,元件的电压出现跳变,即
(=1,2,…,)
【电荷守恒原理】时刻电容上通过冲激电流,冲激电流使各电容的极板电荷瞬刻重新分配,但相联极板电荷总量不变,称为电荷守恒原理。在包含多个电容的割集中,电容电压与割集方向一致时,该电容的电荷取正值,得到电荷守恒方程
(等效储能)
再应用KCL,有
等效电容元件的电容量为
(等效电容)
【例6-2-2】 图示电路,在时电容的电压已达到稳定值,电容已被充电到。时开关合上,求和并联后的等效电容量以及等效电容的初始电压。
解 时电容的电压已达到稳定值,即,根据电容元件的特性,。而,时开关合上,两电容的电压将发生跳变。由电荷守恒原理,注意到相联极板电荷异号,有
且
代入、的数值,解得
因此等效电容的初始电压为;等效电容量。