¿Cómo construir una ecuación diferencial a partir de este circuito RLC?

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Estoy tratando de averiguar cómo construir una ecuación diferencial para la respuesta natural del siguiente circuito y estoy teniendo problemas. El condensador se carga inicialmente con una tensión \ $ v_0 \ $ y quiero resolver \ $ v (t) \ $, la tensión en el condensador.

simular este circuito : esquema creado usando CircuitLab

Aquí está mi intento hasta ahora:

Por las leyes de Kirchhoff, \ $ v_L = v_2 \ $, \ $ v = v_1 + v_L \ $, y \ $ i_1 + i_2 + i_3 = 0 \ $. Las corrientes y voltajes se definen de manera que \ $ i_1 = - \ frac {v_1} {R_1} = C \ frac {dv} {dt} \ $, \ $ i_2 = \ frac {1} {L} \ int {v_Ldt } \ $, y \ $ i_3 = \ frac {v_2} {R_2} = \ frac {v_L} {R_2} \ $. $$ C \ frac {dv} {dt} + \ frac {1} {L} \ int {v_Ldt} + \ frac {v_L} {R_2} = 0 $$ Y no puedo encontrar una ecuación para la cual resuelve exclusivamente \ $ v \ $. ¿Existe incluso una solución para este problema?

    
pregunta mjtsquared

2 respuestas

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Solo necesitas agregar una ecuación más

$$ v_1 = -i_1 R_1 $$ $$ v_1 = -CR_1 \ frac {dv} {dt} $$

Así $$ v_L = v - v_1 = v + C R_1 \ frac {dv} {dt} $$

Ahora puedes sustituir en tu ecuación integro-diferencial para obtener una ecuación con una sola variable

$$ C \ frac {dv} {dt} + \ frac {1} {L} \ int _ {- \ infty} ^ t (v + CR_1 \ frac {dv} {dt}) dt + \ frac { v + CR_1 \ frac {dv} {dt}} {R_2} = 0 $$

Desde aquí puede reorganizar los términos y tomar derivadas hasta que alcance una ecuación diferencial en una variable, que se puede resolver con los métodos habituales (reconociendo una forma conocida, la transformada de Laplace, etc.)

    
respondido por el The Photon
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Solo para que tenga mi enfoque a considerar, también. (Sé que ya ha seleccionado una respuesta). Aquí está el esquema rediseñado que prefiero:

simular este circuito : esquema creado usando CircuitLab

Aplico el análisis nodal y obtengo estas dos ecuaciones de los dos nodos:

$$ \ begin {align *} \ frac {V_ \ text {C}} {R_1} + C \ frac {\ text {d} V_ \ text {C}} {\ text {d} t} & = \ frac {V_ \ text {L} } {R_1} \ label {n1} \ tag {node $ V_ \ text {C} $} \\\\ \ frac {V_ \ text {L}} {R_1} + \ frac {V_ \ text {L}} {R_2} + \ frac {1} {L} \ int V_ \ text {L} \: \ text {d } t & = \ frac {V_ \ text {C}} {R_1} \ label {n2} \ tag {node $ V_ \ text {L} $} \ end {align *} $$

Simplemente resuelva la ecuación \ $ \ ref {n1} \ $ para \ $ V_ \ text {L} \ $:

$$ \ begin {align *} V_ \ text {L} & = V_ \ text {C} + R_1 \: C \ frac {\ text {d} V_ \ text {C}} {\ text {d} t} \ label {n3} \ tag {resuelto por $ V_ \ text {L} $} \ end {align *} $$

, y luego sustitúyalo por lo anterior por \ $ \ ref {n2} \ $:

$$ \ begin {align *} \ frac {V_ \ text {C} + R_1 \: C \ frac {\ text {d} V_ \ text {C}} {\ text {d} t}} {R_1} + \ frac {V_ \ text {C } + R_1 \: C \ frac {\ text {d} V_ \ text {C}} {\ text {d} t}} {R_2} + \ frac {1} {L} \ int \ left [V_ \ text {C} + R_1 \: C \ frac {\ text {d} V_ \ text {C}} {\ text {d} t} \ right] \: \ text {d} t & = \ frac {V_ \ text {C}} {R_1} \\\\ \ frac {V_ \ text {C}} {R_1} + \ frac {V_ \ text {C}} {R_2} + C \ left (1+ \ frac {R_1} {R_2} \ right) \ frac {\ text {d} V_ \ text {C}} {\ text {d} t} + \ frac {1} {L} \ left [\ int V_ \ text {C} \: \ text {d} t + R_1 \: C \ int \ text {d} V_ \ text {C} \ right] & = \ frac {V_ \ text {C}} {R_1} \\\\ \ frac {V_ \ text {C}} {R_2} + C \ left (1+ \ frac {R_1} {R_2} \ right) \ frac {\ text {d} V_ \ text {C}} {\ text { d} t} + \ frac {1} {L} \ left [\ int V_ \ text {C} \: \ text {d} t + R_1 \: C \ int \ text {d} V_ \ text {C} \ right] & = 0 \ end {align *} $$

, ahora toma todo con respecto al derivado del tiempo:

$$ \ begin {align *} \ frac {1} {R_2} \ frac {\ text {d} V_ \ text {C}} {\ text {d} t} + C \ left (1+ \ frac {R_1} {R_2} \ right) \ frac {\ text {d} ^ 2 V_ \ text {C}} {\ text {d} t ^ 2} + \ frac {1} {L} \ left [V_ \ text {C} + R_1 \: C \ frac {\ text {d} V_ \ text {C}} {\ text {d} t} \ right] & = 0 \\\\ C \ left (1+ \ frac {R_1} {R_2} \ right) \ frac {\ text {d} ^ 2 V_ \ text {C}} {\ text {d} t ^ 2} + \ left (\ frac {1} {R_2} + \ frac {R_1 \: C} {L} \ right) \ frac {\ text {d} V_ \ text {C}} {\ text {d} t} + \ frac {V_ \ texto {C}} {L} & = 0 \\\\ \ end {align *} $$

Usted puede poner eso fácilmente en forma estándar y resolverlo utilizando el método habitual de diferencias de segundo orden o, si no, usar Laplace.

    
respondido por el jonk

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