電気通信大学 情報理工学研究科 機械知能システム学専攻 2020年8月実施 選択問題6 電気回路学
Author
祭音Myyura (co-authored with GPT 6 Astra)
Description
内部抵抗0、起電力 E E E [V] の直流電源、スイッチ S S S 、インダクタ L L L [H] を直列に接続し、その先に抵抗 R R R [Ω \Omega Ω ] とキャパシタ C C C [F] の並列回路を接続する。電源負端へ両枝が戻る。インダクタを電源から流れる電流を i 1 i_1 i 1 、抵抗枝に流れる電流を i 2 i_2 i 2 とする。t = 0 t=0 t = 0 にスイッチを閉じ、キャパシタの初期電荷は0である。
t ≥ 0 t\ge0 t ≥ 0 の回路方程式を i 1 , i 2 i_1,i_2 i 1 , i 2 で表せ。
十分時間が経過したときの定常電流 i 2 ( ∞ ) i_2(\infty) i 2 ( ∞ ) を求めよ。
R = 1 Ω R=1\ \Omega R = 1 Ω 、α = 1 / ( 2 C ) , β = 1 / L C \alpha=1/(2C),\ \beta=1/\sqrt{LC} α = 1/ ( 2 C ) , β = 1/ L C とし、α = β \alpha=\beta α = β のとき i 2 ( t ) i_2(t) i 2 ( t ) を α , E , t \alpha,E,t α , E , t で表せ。必要なら L [ e − k t ] = 1 / ( s + k ) \mathcal L[e^{-kt}]=1/(s+k) L [ e − k t ] = 1/ ( s + k ) 、L [ t n e − k t / n ! ] = 1 / ( s + k ) n + 1 \mathcal L[t^ne^{-kt}/n!]=1/(s+k)^{n+1} L [ t n e − k t / n !] = 1/ ( s + k ) n + 1 を用いてよい。
抵抗値がすべて 4 Ω 4\ \Omega 4 Ω の電球10000個を、m m m 個直列の列を n n n 列並列に接続した配列にする。全電球を使い、内部抵抗 1 Ω 1\ \Omega 1 Ω 、起電力 E E E [V] の直流電源で給電する。配列全体の明るさは全消費電力に比例するとして、最大となる自然数 m , n m,n m , n を求めよ。
题目描述
问1:理想直流源 E E E 经开关和电感 L L L 后接电阻 R R R 与电容 C C C 并联支路,i 1 i_1 i 1 为电感电流、i 2 i_2 i 2 为电阻电流,电容初始无电荷,t = 0 t=0 t = 0 合闸。写回路方程,求稳态电阻电流;在 R = 1 Ω R=1\ \Omega R = 1 Ω 、α = 1 / ( 2 C ) = β = 1 / L C \alpha=1/(2C)=\beta=1/\sqrt{LC} α = 1/ ( 2 C ) = β = 1/ L C 的临界阻尼条件下求 i 2 ( t ) i_2(t) i 2 ( t ) 。问2:将10000只相同的 4 Ω 4\ \Omega 4 Ω 灯泡组成每列 m m m 只串联、共 n n n 列并联的阵列,接内阻 1 Ω 1\ \Omega 1 Ω 的电源;求使总功率最大的整数 m , n m,n m , n 。
Kai
問1 (1), (2)
並列枝の電圧が等しく、キャパシタ電流は i 1 − i 2 i_1-i_2 i 1 − i 2 なので
L d i 1 d t + R i 2 = E , R i 2 = 1 C ∫ 0 t ( i 1 − i 2 ) d τ . \boxed{L\frac{di_1}{dt}+Ri_2=E},\qquad
\boxed{Ri_2=\frac1C\int_0^t(i_1-i_2)\,d\tau}. L d t d i 1 + R i 2 = E , R i 2 = C 1 ∫ 0 t ( i 1 − i 2 ) d τ .
初期条件は i 1 ( 0 ) = 0 , i 2 ( 0 ) = 0 i_1(0)=0,i_2(0)=0 i 1 ( 0 ) = 0 , i 2 ( 0 ) = 0 。第二式は R C i ˙ 2 = i 1 − i 2 RC\dot i_2=i_1-i_2 RC i ˙ 2 = i 1 − i 2 とも書ける。定常状態では微分が0となるので i 1 = i 2 i_1=i_2 i 1 = i 2 、したがって i 2 ( ∞ ) = E / R \boxed{i_2(\infty)=E/R} i 2 ( ∞ ) = E / R 。
問1 (3)
零初期値でラプラス変換すると L s I 1 + R I 2 = E / s LsI_1+RI_2=E/s L s I 1 + R I 2 = E / s 、I 1 = ( 1 + R C s ) I 2 I_1=(1+RCs)I_2 I 1 = ( 1 + RC s ) I 2 。R = 1 R=1 R = 1 を代入して
I 2 ( s ) = E s ( L C s 2 + L s + 1 ) = E β 2 s ( s 2 + 2 α s + β 2 ) . I_2(s)=\frac{E}{s(LCs^2+Ls+1)}
=\frac{E\beta^2}{s(s^2+2\alpha s+\beta^2)}. I 2 ( s ) = s ( L C s 2 + L s + 1 ) E = s ( s 2 + 2 α s + β 2 ) E β 2 .
β = α \beta=\alpha β = α のとき
I 2 ( s ) = E [ 1 s − 1 s + α − α ( s + α ) 2 ] , I_2(s)=E\left[\frac1s-\frac1{s+\alpha}-\frac\alpha{(s+\alpha)^2}\right], I 2 ( s ) = E [ s 1 − s + α 1 − ( s + α ) 2 α ] ,
したがって
i 2 ( t ) = E { 1 − ( 1 + α t ) e − α t } ( t ≥ 0 ) . \boxed{i_2(t)=E\{1-(1+\alpha t)e^{-\alpha t}\}\quad(t\ge0)}. i 2 ( t ) = E { 1 − ( 1 + α t ) e − α t } ( t ≥ 0 ) .
初期値0、最終値 E E E となり、R = 1 R=1 R = 1 の定常値とも一致する。
配列抵抗は R a = 4 m / n R_a=4m/n R a = 4 m / n 、m n = 10000 mn=10000 mn = 10000 である。全消費電力は
P = E 2 R a ( 1 + R a ) 2 = E 2 R a + 2 + 1 / R a . P=\frac{E^2R_a}{(1+R_a)^2}
=\frac{E^2}{R_a+2+1/R_a}. P = ( 1 + R a ) 2 E 2 R a = R a + 2 + 1/ R a E 2 .
R a + 1 / R a ≥ 2 R_a+1/R_a\ge2 R a + 1/ R a ≥ 2 より最大は R a = 1 R_a=1 R a = 1 、すなわち n = 4 m n=4m n = 4 m 。これと個数条件を連立して
m = 50 , n = 200 . \boxed{m=50,\qquad n=200}. m = 50 , n = 200 .
この組は自然数の制約を満たすので、連続変数としての最大値 P max = E 2 / 4 P_{\max}=E^2/4 P m a x = E 2 /4 がそのまま達成される。
Reference