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応用例

平行平板コンデンサの全波電磁界シミュレーション

プロジェクトファイルのリクエスト

この簡単な例では、XFdtdで基本的な空気入り平行平板コンデンサを作成し、サイズ20x20 mmの2枚の完全な導電板を2 mmの隙間で隔てて作ります。この2枚のプレートは、図1に示すようにループ状のワイヤーで接続されます。ループの上部と下部には、回路内の過渡電流を消散させるために50Ωの抵抗が取り付けられている。ループの側面には、ガウスパルス波形で励磁された1Aの電流源があります。この電流源はシミュレーションで起動され、その結果ワイヤーに流れる電流が定常状態に達するまでプレートを充電します。

Figure 1The structure of the air-filled parallel plate capacitor as modeled in XF7.

図1:XFdtdでモデル化した空気入り平行平板コンデンサの構造。

シミュレーションの過渡応答は、電界をいくつかのインスタンスで見ることで示すことができます。図2では、電流源がパルスを開始したところで、電流源の周囲にベクトル状の電界が見られます。図3では、電流がプレートに到達し、プレート間で電界が成長しているのがわかります。図4では、プレート間の電界が強さを増し、他の電界が回路から放射されている間に、電流はソースの周りに戻っている。図5では、すべての過渡電流が消滅し、プレート間の静磁場はプレート間で約5000 V/mの強度で確立されている。

図2電源から電流が流れ始めたばかりのシミュレーションの初期段階における、コンデンサの平面を通る過渡電界のベクトル表示。

図2:電流がソースから流れ始めたばかりのシミュレーションの初期段階における、コンデンサーの平面を通る過渡電界のベクトル表示。

図3電流が平行平板に到達した直後の、コンデンサーの平面を通る過渡電界のベクトル表示。

図3:電流が平行平板に到達する直前の、コンデンサーの平面を通る過渡電界のベクトル表示。

図4電流が循環してソースに戻り、過渡電界が放射・消滅するときのコンデンサーの平面を通る過渡電界のベクトル表示。

図4:電流が循環してソースに戻り、過渡電界が放射・消滅する際の、コンデンサーの平面を通る過渡電界のベクトル表示。

図5回路が定常状態に達し、プレートが完全に充電された後、コンデンサーの平面を通る過渡電界のベクトル表示。この図では、スケールがdBではなくボルト/メートルに変更されている。

図5:回路が定常状態に達し、プレートが完全に充電された後、コンデンサーの平面を通る過渡電界のベクトル表示。この図では、スケールがdBスケールではなく、ボルト/メートルに変更されている。

あるいは、XFdtdのスタティック・ソルバを使用して、この充電シミュレーションを設定することもできます。このソルバーでは、ジオメトリのさまざまな部分にプリセットの電圧レベルを適用することができます。そして、定常状態の静電場は、ジオメトリの各 FDTD メッシュエッジでラプラス方程式を解くことによって求められます。この例では、コンデンサの上部には+5 Vの電圧が印加され、底部プレートには-5 Vの電圧が印加されています。ラプラス解に従うと、確立されたフィールドは、電流源シミュレーションによって生成されたフィールドとほぼ同じであることがわかります。これは、図5(定常状態での電流源シミュレーション)と図6(ラプラス静的解)を比較することで確認できます。別のアプリケーションでは、シミュレーションの前に静的場を求め、その後過渡場を適用することがあります。

図6

図6


上下のプレートにそれぞれ+/- 5 Vを印加した場合の、ラプラスソルバーによって計算された静磁場のベクトル表示これらの場は、過渡シミュレーションによるプレート上の定常場を示す図5の場と比較する必要があります。

 

プロジェクトファイルのリクエスト

このアプリケーション例にご関心をお寄せいただき、ありがとうございます。平行平板コンデンサの全波電磁界シミュレーションのプロジェクトファイルをダウンロードするには、以下のフォームにご記入ください。