JP2011145944A - Method and device for calculating numerical value for solving electric circuit - Google Patents

Method and device for calculating numerical value for solving electric circuit Download PDF

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潤平 城野
Katsuhiro Watabe
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a technology for solving an electric circuit including a CPE within a time area with respect to an arbitrary circuit configuration and an arbitrary input voltage. <P>SOLUTION: A computer executes: an acquisition step for acquiring input voltage applied to the electric circuit at least as a boundary condition; a first calculation step for calculating a branch current flowing into the CPE based on the boundary condition; a second calculation step for calculating a branch current flowing into a circuit element other than the CPE based on the boundary condition; and a step for determining an unknown variable in a time area from the boundary condition and calculation results obtained by the first and second calculation steps by using Kirchhoff's current law and Kirchhoff's voltage law. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明はConstant Phase Element(CPE)を含む電気回路を時間領域で解くための数値計算方法、数値計算装置、プログラム、及び、プログラムを記憶した記録媒体に関するものである。   The present invention relates to a numerical calculation method for solving an electric circuit including a constant phase element (CPE) in the time domain, a numerical calculation device, a program, and a recording medium storing the program.

近年では、電気製品のような電気で駆動又は制御される装置を設計する際に、装置に組み込む回路・モジュール・材料等の電気的な挙動を数値計算(シミュレーション)によって予測することにより、開発の効率を向上させることが行われている。
数値計算を行うためには、まず、解析対象となる物の電気特性を正確に把握する必要がある。電気特性を調査する方法として、例えば、交流インピーダンス測定が知られている。交流インピーダンス測定とは、周波数を変えながら交流電圧を印加し解析対象のインピーダンスを測定する方法であり、その測定結果から等価回路の同定と回路素子の物性値の決定を行うことができる。
In recent years, when designing an electrically driven or controlled device such as an electrical product, the electrical behavior of circuits, modules, materials, etc. incorporated in the device is predicted by numerical calculation (simulation). Efficiency is being improved.
In order to perform numerical calculations, it is first necessary to accurately grasp the electrical characteristics of an object to be analyzed. As a method for investigating electrical characteristics, for example, AC impedance measurement is known. AC impedance measurement is a method of measuring the impedance to be analyzed by applying an AC voltage while changing the frequency, and from the measurement result, identification of an equivalent circuit and determination of physical property values of circuit elements can be performed.

交流インピーダンス測定では等価回路同定のためにいくつもの回路素子を用いてフィッティングを行うが、その中のよく知られた回路素子としてConstant Phase Element(CPE)がある。CPEは抵抗と容量の中間的性質を持つ回路素子であり、そのインピーダンスは次の式(1)で表わされる。

CPE=1/{(iω)αT} (1)

ここでZCPEはCPEのインピーダンスであり、iは虚数単位であり、T及びαはフィッティングパラメータでかつCPEで表現される物質の物性値である。
In AC impedance measurement, fitting is performed using a number of circuit elements to identify an equivalent circuit, and a well-known circuit element is Constant Phase Element (CPE). CPE is a circuit element having an intermediate property between resistance and capacitance, and its impedance is expressed by the following equation (1).

Z CPE = 1 / {(iω) α T} (1)

Here, Z CPE is the impedance of CPE, i is an imaginary unit, T and α are fitting parameters and physical property values of the substance expressed by CPE.

数値計算の対象となる等価回路がCPEを含むものである場合には、以下に述べるような課題が生じる。   When the equivalent circuit to be numerically calculated includes CPE, the following problems arise.

入力波形を周波数展開して数値計算する時にはCPEを式(1)のままの形で解くことができる。しかし周波数展開が可能なのはあくまでも線形の範囲内であり、実際の物質では物性値はしばしば電界依存性など非線形な振る舞いを示すため適用できない。非線形な振る舞いを示す物質を数値計算する際、一般的には時間発展の時間刻み幅を小さくすることで、区分的には線形に振る舞うとして数値計算を行う。そのため時間領域の方程式に書き換える必要がある。
また電気回路などでは入力電圧として矩形波を用いることが多く、周波数展開すると無限大の周波数成分を必要とし、計算コストが非常に多い。よって任意の入力波形に対応するためには周波数ではなく時間領域での方程式に書き換える必要がある。
When calculating the numerical value by expanding the frequency of the input waveform, the CPE can be solved in the form of Equation (1). However, frequency expansion is possible only within a linear range, and physical properties cannot be applied to actual materials because they often exhibit nonlinear behavior such as electric field dependence. When numerically calculating a substance exhibiting non-linear behavior, the numerical calculation is generally performed in such a manner that the time evolution of the time evolution is reduced to behave piecewise linearly. Therefore, it is necessary to rewrite the equation in the time domain.
Also, in an electric circuit or the like, a rectangular wave is often used as an input voltage, and infinite frequency components are required when the frequency is expanded, and the calculation cost is very high. Therefore, in order to cope with an arbitrary input waveform, it is necessary to rewrite the equation in the time domain instead of the frequency.

非特許文献1によれば、CPEに流れる電流Iは分数階微分を用いて式(2)のように書くことができる。

Figure 2011145944
ここでdα/dtαは分数階微分を示す記号であり、ΔVはCPEの両端にかかる電位差である。また、非特許文献1では、CPEもしくは抵抗が2つ直列に並んだ回路に対して
特定の種類の入力電圧を印加した場合に、回路素子間の電位がMittag-Leffler’s functionを用いて書くことができると述べている。しかしながら、非特許文献1で述べられている数値計算方法は、特定の回路構成と特定の入力電圧に限定されており、この方法を任意の回路構成、任意の入力電圧の場合に汎用的に適用することは難しい。 According to Non-Patent Document 1, the current I flowing through the CPE can be written as in Equation (2) using fractional differentiation.
Figure 2011145944
Here, d α / dt α is a symbol indicating fractional differentiation, and ΔV is a potential difference applied to both ends of the CPE. In Non-Patent Document 1, when a specific type of input voltage is applied to a circuit in which two CPEs or resistors are arranged in series, the potential between circuit elements is written using Mittag-Leffler's function. You can do it. However, the numerical calculation method described in Non-Patent Document 1 is limited to a specific circuit configuration and a specific input voltage, and this method is generally applied to an arbitrary circuit configuration and an arbitrary input voltage. Difficult to do.

また実際の物質では物性値はしばしば電界依存性を持つ。即ち物性値Tは電界の関数であり、電界が時間に伴い変化する場合、物性値Tは時間に依存する。
さて普通のコンデンサでは静電容量Cは式(3)のように定義される。

Figure 2011145944
回路の方程式を導く場合、この関係はいかなる時刻によっても成り立つと考える。そのため電流は式(4)のようになる。
Figure 2011145944
Cが時間に依存しないならば式(5)のようになる。
Figure 2011145944
以上の事柄とαが1の時にCPEはコンデンサと一致する必要があることとの両者から推察するとCPEの電流の表式(2)は物性値Tが時間に依存するときには適切ではなく、このままでは物質の電流電圧特性を正確に再現することができない。 Moreover, physical properties often have electric field dependence in actual materials. That is, the physical property value T is a function of the electric field, and when the electric field changes with time, the physical property value T depends on time.
Now, in an ordinary capacitor, the capacitance C is defined as shown in Equation (3).
Figure 2011145944
When deriving circuit equations, this relationship is considered to hold at any time. Therefore, the current is as shown in Equation (4).
Figure 2011145944
If C does not depend on time, equation (5) is obtained.
Figure 2011145944
From the above facts and the fact that when α is 1, CPE needs to coincide with the capacitor, the expression (2) of the CPE current is not appropriate when the physical property value T depends on time. The current-voltage characteristics of a substance cannot be accurately reproduced.

なお、分数階微分に関する参考文献としては、非特許文献2〜4があげられる。非特許文献2では均質な粘弾性体を対象として時間領域で分数階微分の方程式を解いている。また非特許文献3では分数階微分の定義等が示されており、非特許文献4では分数階微分の数値計算をする時の離散化手法について幾つか紹介されている。また、一般的な電気回路の数値計算(シミュレーション)については、非特許文献5に詳しい。   In addition, nonpatent literatures 2-4 are mention | raise | lifted as a reference literature regarding fractional differentiation. Non-Patent Document 2 solves a fractional differential equation in the time domain for a homogeneous viscoelastic body. Non-Patent Document 3 shows the definition of fractional differential, etc., and Non-Patent Document 4 introduces some discretization techniques when performing numerical calculation of fractional differential. Further, non-patent document 5 describes in detail numerical calculation (simulation) of a general electric circuit.

S. Westerlund, “Capacitor Theory”, IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation 1 5 (1994) 826-839.S. Westerlund, “Capacitor Theory”, IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation 1 5 (1994) 826-839. L. B. Eldred, W. P. Baker, A. N. Palazotto, “Numerical Application of Fractional Derivative Model Constitutive Relations for Viscoelastic Matericals”, Computer & Structures 60 6 (1996) 875-882.L. B. Eldred, W. P. Baker, A. N. Palazotto, “Numerical Application of Fractional Derivative Model Constitutive Relations for Viscoelastic Matericals”, Computer & Structures 60 6 (1996) 875-882. I. Podlubny, “Fractional Differential Equations”, Academic Press, (1999) ISBN0-12-558840-2.I. Podlubny, “Fractional Differential Equations”, Academic Press, (1999) ISBN0-12-558840-2. K. B. Oldham, J. Spanier, “The Fractional Calculus”, Dover Publications Inc. (2006) ISBN0-486-45001-5.K. B. Oldham, J. Spanier, “The Fractional Calculus”, Dover Publications Inc. (2006) ISBN0-486-45001-5. 浅井秀樹、渡部貴之, 「電子回路シミュレーション技法」, 科学技術出版 (2002) ISBN4-87653-200-1.Hideaki Asai and Takayuki Watanabe, "Electronic Circuit Simulation Technique", Science and Technology Publishing (2002) ISBN4-87653-200-1.

本発明は上記実情に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、CPEを
含む電気回路を、任意の回路構成及び任意の入力電圧に対して、時間領域で解くことのできる技術を提供することにある。
The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to be able to solve an electric circuit including a CPE in an arbitrary circuit configuration and an arbitrary input voltage in a time domain. Is to provide.

本発明の第1態様は、回路素子としてCPE(Constant Phase Element)を含む電気回路を時間領域で解くための数値計算方法であって、コンピュータが、境界条件として少なくとも前記電気回路に印加される入力電圧を取得する取得ステップと、コンピュータが、前記境界条件に基づいてCPEに流れる枝電流を計算する第1の計算ステップと、コンピュータが、前記境界条件に基づいてCPE以外の回路素子に流れる枝電流を計算する第2の計算ステップと、コンピュータが、前記境界条件と前記第1及び第2の計算ステップでの計算結果とから、キルヒホッフの電流則及びキルヒホッフの電圧則を用いて時間領域で未知変数を求めるステップと、を有することを特徴とする数値計算方法である。   A first aspect of the present invention is a numerical calculation method for solving an electric circuit including a CPE (Constant Phase Element) as a circuit element in a time domain, wherein a computer inputs at least the electric circuit as a boundary condition An acquisition step of acquiring a voltage; a first calculation step in which a computer calculates a branch current flowing in the CPE based on the boundary condition; and a branch current flowing in a circuit element other than the CPE based on the boundary condition. And the computer calculates an unknown variable in the time domain using the Kirchhoff's current law and Kirchhoff's voltage law from the boundary condition and the calculation results in the first and second calculation steps. A numerical calculation method characterized by comprising:

本発明の第2態様は、回路素子としてCPE(Constant Phase Element)を含む電気回路を時間領域で解くための数値計算装置であって、境界条件として少なくとも前記電気回路に印加される入力電圧を取得する取得手段と、前記境界条件に基づいてCPEに流れる枝電流を計算する第1の計算手段と、前記境界条件に基づいてCPE以外の回路素子に流れる枝電流を計算する第2の計算手段と、前記境界条件と前記第1及び第2の計算手段での計算結果とから、キルヒホッフの電流則及びキルヒホッフの電圧則を用いて時間領域で未知変数を求める手段と、を有することを特徴とする数値計算装置である。   A second aspect of the present invention is a numerical calculation apparatus for solving an electric circuit including a CPE (Constant Phase Element) as a circuit element in a time domain, and acquires at least an input voltage applied to the electric circuit as a boundary condition Obtaining means, first calculating means for calculating a branch current flowing in the CPE based on the boundary condition, and second calculating means for calculating a branch current flowing in a circuit element other than the CPE based on the boundary condition; And means for obtaining an unknown variable in the time domain using Kirchhoff's current law and Kirchhoff's voltage law from the boundary condition and the calculation results of the first and second calculation means. It is a numerical calculation device.

本発明の第3態様は、上記数値計算方法の各ステップをコンピュータに実行させることを特徴とするプログラムである。   According to a third aspect of the present invention, there is provided a program that causes a computer to execute each step of the numerical calculation method.

本発明の第4態様は、上記プログラムを記録したことを特徴とするコンピュータ読み取り可能な記録媒体である。   According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a computer-readable recording medium on which the program is recorded.

本発明によれば、CPEを含む電気回路を、任意の回路構成及び任意の入力電圧に対して、時間領域で解くことが可能である。   According to the present invention, an electric circuit including a CPE can be solved in a time domain for an arbitrary circuit configuration and an arbitrary input voltage.

本発明の実施形態に係る数値計算方法のフローチャート。The flowchart of the numerical calculation method which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施形態に係る数値計算装置の構成例。The structural example of the numerical calculation apparatus which concerns on embodiment of this invention. 実施例1、5及び6で計算対象とする回路。Circuits to be calculated in the first, fifth, and sixth embodiments. 実施例1での計算結果。The calculation result in Example 1. FIG. 実施例2で計算対象とする回路。A circuit to be calculated in the second embodiment. 実施例2での計算結果。The calculation result in Example 2. 実施例3で計算対象とする回路。A circuit to be calculated in the third embodiment. 実施例3での計算結果(α=1の時のものとα=0.5の時のもの)。Calculation results in Example 3 (when α = 1 and when α = 0.5). 実施例4で計算対象とする回路。A circuit to be calculated in the fourth embodiment. 実施例4での計算結果(α=1の時のものとα=0.5の時のもの)。Calculation results in Example 4 (when α = 1 and when α = 0.5). 実施例5で計算対象とする回路。A circuit to be calculated in the fifth embodiment. 実施例5及び6での印加電圧を示すグラフ。The graph which shows the applied voltage in Example 5 and 6. FIG. 実施例5での計算結果。The calculation result in Example 5. 実施例6での計算結果(Tが時間依存しない場合と時間依存する場合)。The calculation result in Example 6 (when T is not time-dependent and time-dependent).

本発明の実施形態は、回路素子としてCPE(Constant Phase Element)を含む電気回路を時間領域で解くための数値計算方法を提供するものである。回路素子としては、CP
E以外に、抵抗、コンデンサ、コイルなどがあるが、本方法は任意の回路素子を含む任意の回路構成に適用することができる。このとき、各種物性値(CPEの物性値α及びT、抵抗値、キャパシタンス、インダクタンスなど)が回路素子ごとに異なっていてもかまわない。また、本方法は、解析対象自体が電気回路であることに限定されない。物の電気的な振る舞いが等価な電気回路(等価回路)で近似できる場合には、本方法は、そのような等価回路の数値計算にも好ましく適用できる。
An embodiment of the present invention provides a numerical calculation method for solving an electric circuit including a CPE (Constant Phase Element) as a circuit element in a time domain. As a circuit element, CP
In addition to E, there are resistors, capacitors, coils, etc., but this method can be applied to any circuit configuration including any circuit element. At this time, various physical property values (CPE physical property values α and T, resistance value, capacitance, inductance, etc.) may be different for each circuit element. Moreover, this method is not limited to the analysis object itself being an electric circuit. When the electrical behavior of an object can be approximated by an equivalent electric circuit (equivalent circuit), the present method can be preferably applied to numerical calculation of such an equivalent circuit.

図1に、本実施形態に係る数値計算方法のフローチャートを示す。本方法は、概略、計算に必要なデータを取得するステップ(S100)、CPEに流れる枝電流を計算するステップ(S101)、CPE以外の回路素子に流れる枝電流を計算するステップ(S102)、未知変数を求めるステップ(S103)からなる。後述するが、これらのステップはコンピュータにより実行されるものである。以下、各ステップについて説明する。   FIG. 1 shows a flowchart of a numerical calculation method according to this embodiment. This method roughly includes the step of acquiring data necessary for calculation (S100), the step of calculating a branch current flowing through the CPE (S101), the step of calculating a branch current flowing through circuit elements other than the CPE (S102), unknown The step includes a step of obtaining a variable (S103). As will be described later, these steps are executed by a computer. Hereinafter, each step will be described.

(1)ステップS100(取得ステップ)
ステップS100では、数値計算に必要な各種のデータが取得される。例えば、回路素子の物性値や接続関係などの回路構成、電気回路に印加する入力電圧などの境界条件、計算終了時刻や時間刻みなどの計算条件、などのデータが取得される。なお、これらのデータをユーザに都度入力させてもよいし、記憶媒体に記憶されているデータを読み込んでもよい。
(1) Step S100 (acquisition step)
In step S100, various data necessary for numerical calculation are acquired. For example, data such as circuit configuration such as physical property values of circuit elements and connection relations, boundary conditions such as input voltage applied to an electric circuit, calculation conditions such as calculation end time and time increment, and the like are acquired. These data may be input by the user each time, or the data stored in the storage medium may be read.

(2)ステップS101(第1の計算ステップ)
ステップS101では、ステップS100で得られた境界条件に基づいてCPEに流れる枝電流を計算する。
(2) Step S101 (first calculation step)
In step S101, the branch current flowing through the CPE is calculated based on the boundary condition obtained in step S100.

前述のように、CPEのインピーダンスZCPEは下記式(1)で表わされる。

CPE=1/{(iω)αT} (1)

ここで、α及びTはCPEの物性値であり、iは虚数単位であり、ωは角振動数である。但し当然のことながらこの式は線形の範囲内の表記である。例えばTが電界依存性を持つ場合には、線形性が保てる程度の微小交流を用いなければ式(1)を用いることができない。Tの電界依存性の値を求めるためには直流バイアスをかける必要がある。
上記特性を持つCPEが、電位がVである端子0と電位がVである端子1との間に存在するとした場合、時刻tにおけるCPEの枝電流Iは、分数階微分 αを用いて下記式(6)もしくは下記式(7)のように求める。どちらの式を用いたかは各実施例で異なるため、各実施例で述べる。

I=T α(V−V) (6)

I= α{T(V−V)} (7)

ここで、aは計算開始時刻であり、端子0から端子1に流れる向きを正とする。
As described above, the impedance Z CPE of CPE is represented by the following formula (1).

Z CPE = 1 / {(iω) α T} (1)

Here, α and T are physical property values of CPE, i is an imaginary unit, and ω is an angular frequency. However, as a matter of course, this expression is a notation within a linear range. For example, when T has an electric field dependency, Expression (1) cannot be used unless a minute alternating current that can maintain linearity is used. In order to obtain the electric field dependence value of T, it is necessary to apply a DC bias.
When a CPE having the above characteristics exists between a terminal 0 having a potential V 0 and a terminal 1 having a potential V 1 , the branch current I of the CPE at time t is a fractional differential a D t α Is obtained as in the following formula (6) or the following formula (7). Which formula is used is different in each embodiment, and will be described in each embodiment.

I = T a D t α (V 0 −V 1 ) (6)

I = a D t α {T (V 0 −V 1 )} (7)

Here, a is the calculation start time, and the direction from terminal 0 to terminal 1 is positive.

分数階微分の定義には幾つか種類があり、ここではGrunwald-Letnikovの定義を元にし
て非特許文献4に示されるG1アルゴリズムを用いて計算することとした。詳細を以下に示す。
Grunwald-Letnikovの分数階微分の定義では関数fに作用するα階の微分を式(8)と
定義する。

Figure 2011145944
但しαは実数、aは計算開始時刻、tは現在の時間、mΔt=t−aであり、mは整数で、Δtは時間刻み幅である。また式(9)の定義を用いている。
Figure 2011145944
上記の定義を元に離散化を行い、数値計算を行った。具体的にはGrunwald-Letnikovの
分数階微分の定義で極限をとらずにそのまま計算した。つまり以下の実施例では式(10)のように数値計算を行った。
Figure 2011145944
There are several types of definitions of fractional differentials. Here, calculation is performed using the G1 algorithm shown in Non-Patent Document 4 based on the definition of Grunwald-Letnikov. Details are shown below.
In the definition of Grunwald-Letnikov's fractional differential, the α-order differential acting on the function f is defined as equation (8).
Figure 2011145944
Where α is a real number, a is a calculation start time, t is a current time, mΔt = ta, m is an integer, and Δt is a time step. Also, the definition of equation (9) is used.
Figure 2011145944
Discretization was performed based on the above definition, and numerical calculations were performed. Specifically, Grunwald-Letnikov's definition of fractional derivative was used as it was without taking the limit. That is, in the following examples, numerical calculation was performed as shown in Expression (10).
Figure 2011145944

このように本実施形態では、CPEの枝電流を分数階微分を用いて時間領域で計算することとしたので、任意の波形の入力電圧に対し、少ない計算コストで精度良い計算結果を得ることができる。なお、分数階微分の離散化手法には上記したものの他にも様々な計算手法が考えられる(例えば非特許文献4参照)が、ステップS101の計算にはいずれの手法を用いてもよい。   As described above, in this embodiment, the branch current of the CPE is calculated in the time domain using the fractional differential, so that an accurate calculation result can be obtained with a small calculation cost for an input voltage having an arbitrary waveform. it can. Note that various calculation methods other than those described above can be considered as the discretization method for fractional differentiation (see, for example, Non-Patent Document 4), but any method may be used for the calculation in step S101.

(3)ステップS102(第2の計算ステップ)
ステップS102では、ステップS100で得られた境界条件に基づいてCPE以外の回路素子に流れる枝電流を計算する。CPE以外の回路素子(抵抗、コンデンサ、コイルなど)に流れる枝電流の計算方法は公知であり(例えば非特許文献5参照)、ステップS102ではそれらの計算方法を利用すればよい。
以下、抵抗とコンデンサに流れる枝電流の計算方法を例示する。
抵抗値Rを持つ抵抗が、電位がV0である端子0と電位がV1である端子1との間に存在するとした場合、時刻tにおける抵抗に流れる枝電流Iは、下記式(11)のように求まる。

Figure 2011145944
但し端子0から端子1に流れる向きを正とする。
静電容量Cを持つコンデンサが、電位がV0である端子0と電位がV1である端子1との間に存在するとした場合、時刻tにおけるコンデンサに流れる枝電流Iは、下記式(12)のように求まる。静電容量が時間依存性を持つことを想定しているので、静電容量は時間の関数である。
Figure 2011145944
但し端子0から端子1に流れる向きを正とする。 (3) Step S102 (second calculation step)
In step S102, the branch current flowing in the circuit elements other than the CPE is calculated based on the boundary condition obtained in step S100. Methods for calculating branch currents flowing in circuit elements (resistors, capacitors, coils, etc.) other than CPE are known (see, for example, Non-Patent Document 5), and these calculation methods may be used in step S102.
Hereinafter, a method of calculating the branch current flowing through the resistor and the capacitor will be exemplified.
When a resistor having a resistance value R exists between a terminal 0 having a potential V0 and a terminal 1 having a potential V1, the branch current I flowing through the resistor at time t is expressed by the following equation (11). I want to.
Figure 2011145944
However, the direction from terminal 0 to terminal 1 is positive.
When a capacitor having a capacitance C exists between a terminal 0 having a potential V0 and a terminal 1 having a potential V1, the branch current I flowing through the capacitor at time t is expressed by the following equation (12). It is obtained as follows. Since it is assumed that the capacitance is time-dependent, the capacitance is a function of time.
Figure 2011145944
However, the direction from terminal 0 to terminal 1 is positive.

(4)ステップS103
ステップS103では、ステップS100で得られた境界条件とステップS101及び
S102での計算結果とから、キルヒホッフの電流則及びキルヒホッフの電圧則を用いて時間領域で未知変数を求める。回路構成や数値計算の目的などにより未知変数は変わるが、例えば、回路の各節点における電位、回路全体に流れる枝電流などが未知変数となる。
(4) Step S103
In step S103, an unknown variable is obtained in the time domain using Kirchhoff's current law and Kirchhoff's voltage law from the boundary conditions obtained in step S100 and the calculation results in steps S101 and S102. Although the unknown variable varies depending on the circuit configuration and the purpose of numerical calculation, for example, the potential at each node of the circuit, the branch current flowing through the entire circuit, and the like are unknown variables.

(装置構成)
図2に、上述した数値計算を実行する数値計算装置の構成例を示す。数値計算装置は、CPU202、入力装置203、一次記憶装置204、出力装置205、通信装置206、二次記憶装置207などを備えるコンピュータにより構成される。CPU202は、演算及び制御を担う処理装置である。入力装置203は、マウス、キーボード、スキャナなどの情報入力装置である。ステップS100の境界条件や計算条件の入力などに利用される。一次記憶装置204は、メモリ(RAM)などの一時的な記憶装置である。出力装置205は、ディスプレイ、プリンタなどの情報出力装置である。数値計算の結果の表示やプリントアウトに利用される。通信装置206は、LANボードなどであり、他のコンピュータやネットワーク機器との間で有線又は無線による通信を可能にする装置である。二次記憶装置207は、ハードディスク、フレキシブルディスク、CD−ROM、DVD−ROMなどのデータ保存のための装置を指す。符号208はバスラインであり、コンピュータ内の装置群間の情報を伝達する役割を持つ。符号209はLANケーブルであり、異なるコンピュータ間の通信装置に接続し、情報を伝達する。
(Device configuration)
FIG. 2 shows an example of the configuration of a numerical calculation apparatus that performs the numerical calculation described above. The numerical calculation device is configured by a computer including a CPU 202, an input device 203, a primary storage device 204, an output device 205, a communication device 206, a secondary storage device 207, and the like. The CPU 202 is a processing device responsible for calculation and control. The input device 203 is an information input device such as a mouse, a keyboard, or a scanner. This is used for inputting boundary conditions and calculation conditions in step S100. The primary storage device 204 is a temporary storage device such as a memory (RAM). The output device 205 is an information output device such as a display or a printer. Used for displaying and printing out the results of numerical calculations. The communication device 206 is a LAN board or the like, and is a device that enables wired or wireless communication with other computers and network devices. The secondary storage device 207 indicates a device for storing data, such as a hard disk, a flexible disk, a CD-ROM, a DVD-ROM. Reference numeral 208 denotes a bus line, which has a role of transmitting information between device groups in the computer. Reference numeral 209 denotes a LAN cable, which is connected to a communication device between different computers and transmits information.

上述した数値計算方法を実現するためのプログラムは、二次記憶装置群207に保存されている。当該プログラムが一次記憶装置群204に読み込まれ、CPU202で実行されることにより、上述したステップS100〜S103の処理が実現される。なお、このプログラムを利用者に提供する場合には、フラッシュメモリ、CD−ROM、DVD−ROMなどのコンピュータ読み取り可能な記録媒体にプログラムを記録して提供してもよいし、ネットワークを通じてプログラムを提供してもよい。   A program for realizing the above-described numerical calculation method is stored in the secondary storage device group 207. The program is read into the primary storage device group 204 and executed by the CPU 202, thereby realizing the above-described processing of steps S100 to S103. When this program is provided to the user, the program may be recorded on a computer-readable recording medium such as a flash memory, a CD-ROM, a DVD-ROM, or provided through a network. May be.

[実施例1]
実施例1として、図3に示すような抵抗とCPEが並列に並んだ回路の数値計算例を示す。本実施例では式(6)を用いた。端子301にVsin(2πft)[V]なる電位を
かけるものとする。V=100とする。fは振動数であり、本実施例ではCole-Cole Plot(コールコールプロット)を作成するために約30[Hz]から1×10[Hz]の範囲で振って計算するものとする。Cole-Cole Plotとは、周波数毎のインピーダンスの実数成分と虚数成分を複素平面にプロットしたグラフである。端子302の電位は0[V]で固定とする。符号303は抵抗を示し、抵抗値R=1[Ω]とする。符号304はCPEを示し、T=1.59×10−3[F/sec0.5]、α=0.5とする。電流は端子301から端子302へ流れる向きを正とする。
[Example 1]
As Example 1, a numerical calculation example of a circuit in which a resistor and a CPE are arranged in parallel as shown in FIG. 3 will be described. In this embodiment, the formula (6) is used. It is assumed that a potential of V A sin (2πft) [V] is applied to the terminal 301. Let V A = 100. f is a frequency, and in this embodiment, in order to create a Cole-Cole Plot (Cole-Cole plot), it is calculated by shaking in the range of about 30 [Hz] to 1 × 10 8 [Hz]. Cole-Cole Plot is a graph in which real and imaginary components of impedance at each frequency are plotted on a complex plane. The potential of the terminal 302 is fixed at 0 [V]. Reference numeral 303 denotes a resistance, and a resistance value R = 1 [Ω]. Reference numeral 304 denotes CPE, where T = 1.59 × 10 −3 [F / sec 0.5 ] and α = 0.5. The direction in which the current flows from the terminal 301 to the terminal 302 is positive.

本実施例の場合には全ての電位は境界条件として与えられているため、ステップS103では回路の枝電流(つまり、抵抗303に流れる枝電流とCPE304に流れる枝電流の和)を求めるだけでよい。   In this embodiment, since all potentials are given as boundary conditions, it is only necessary to obtain the circuit branch current (that is, the sum of the branch current flowing through the resistor 303 and the branch current flowing through the CPE 304) in step S103. .

上述した数値計算方法を用いて図3に示す回路の枝電流を計算し、インピーダンスを求め、Cole-Cole Plotを求めたものを図4に示す。Cole-Cole Plotの計算に際して、電流は303及び304を流れる枝電流の和を取った。本方法の計算結果は図4のプロット(黒丸)で示される。
ここで、計算結果の検証のために、インピーダンスの理論式による予測を行った。抵抗とCPEが並列に並んだ回路のインピーダンスは、下記式(13)のように書くことができるので、これを用いて理論値を計算した。

Figure 2011145944
図4に示すように理論予測と計算結果はよい一致をしており、本方法を用いて図3に示す回路が適切に計算できていることがわかる。 FIG. 4 shows the result of calculating the branch current of the circuit shown in FIG. 3 by using the above-described numerical calculation method, obtaining the impedance, and obtaining the Cole-Cole Plot. In calculating Cole-Cole Plot, the current was the sum of branch currents flowing through 303 and 304. The calculation result of this method is shown by the plot (black circle) in FIG.
Here, in order to verify the calculation results, a prediction was made using a theoretical formula of impedance. Since the impedance of the circuit in which the resistor and the CPE are arranged in parallel can be written as the following equation (13), the theoretical value was calculated using this.
Figure 2011145944
As shown in FIG. 4, the theoretical prediction and the calculation result are in good agreement, and it can be seen that the circuit shown in FIG. 3 can be calculated appropriately using this method.

[実施例2]
実施例2として、図5に示すような図3の回路が2つ直列に並んだ回路の数値計算例を示す。本実施例では式(6)を用いた。端子501にVsin(2πft)[V]なる電位
をかけるものとする。V=100とする。fは振動数であり、本実施例ではCole-Cole Plotを作成するために約1[Hz]から1×10[Hz]の範囲で振って計算するものとする。端子503の電位は0[V]で固定とする。符号504、506は双方とも抵抗を示し、双方とも抵抗値R=1[Ω]とする。符号505、507は双方ともCPEを示し、CPE505はT=1.59×10−3[F]、α=1.0とし、CPE507はT=1.59×10−3[F/sec0.5]、α=0.5とする。電流は端子501から端子503へ流れる向きを正とする。
ステップS103ではまず節点502の電位を変数として求め、その後に回路全体の枝電流を求める。
[Example 2]
As Example 2, a numerical calculation example of a circuit in which two circuits of FIG. 3 as shown in FIG. 5 are arranged in series is shown. In this embodiment, the formula (6) is used. A potential of V A sin (2πft) [V] is applied to the terminal 501. Let V A = 100. f is a frequency, and in this embodiment, it is assumed that the Cole-Cole Plot is swung in the range of about 1 [Hz] to 1 × 10 8 [Hz] and calculated. The potential of the terminal 503 is fixed at 0 [V]. Reference numerals 504 and 506 both denote resistances, and both are set to a resistance value R = 1 [Ω]. Reference numerals 505 and 507 both indicate CPE, CPE 505 has T = 1.59 × 10 −3 [F] and α = 1.0, and CPE 507 has T = 1.59 × 10 −3 [F / sec 0. 5 ], α = 0.5. The direction in which the current flows from the terminal 501 to the terminal 503 is positive.
In step S103, the potential of the node 502 is first obtained as a variable, and then the branch current of the entire circuit is obtained.

上述した数値計算方法を用いて図5に示す回路の枝電流を計算し、インピーダンスを求め、Cole-Cole Plotを求めたものを図6に示す。電圧は端子501と端子503の差をとり、電流は抵抗504及びCPE505を流れる枝電流の和を取ってインピーダンスを求めた。本方法の計算結果は図6のプロット(黒丸)で示される。また計算結果の検証のために理論式による予測結果を図6の実線で示す。図5の回路のように2つの回路が直列に並んでいる場合の合成インピーダンスは、2つの回路のインピーダンスの和となる。   FIG. 6 shows the Cole-Cole Plot obtained by calculating the branch current of the circuit shown in FIG. The voltage is the difference between the terminals 501 and 503, and the current is the sum of the branch currents flowing through the resistor 504 and the CPE 505 to obtain the impedance. The calculation result of this method is shown by the plot (black circle) in FIG. Moreover, the prediction result by a theoretical formula is shown by the continuous line of FIG. 6 for verification of a calculation result. The combined impedance when two circuits are arranged in series as in the circuit of FIG. 5 is the sum of the impedances of the two circuits.

図6に示すように理論予測と計算結果はよい一致をしており、本方法を用いて図5に示す回路が適切に計算できていることがわかる。つまり本方法を用いることで、αやTの値が異なる複数のCPEが存在し、さらに抵抗などCPE以外の素子が含まれる回路を解くことができることが示された。   As shown in FIG. 6, the theoretical prediction and the calculation result are in good agreement, and it can be seen that the circuit shown in FIG. 5 can be calculated appropriately using this method. That is, by using this method, it was shown that a plurality of CPEs having different values of α and T exist and a circuit including elements other than the CPE such as resistors can be solved.

[実施例3]
次に実施例3として時間領域で解いていることが分かりやすい例を示す。本実施例では式(6)を用いた。解くべき回路は図7に示すようなCPE一つからなるものとする。端子701には、時刻0[sec]≦t<3[sec]では電位0[V]であり、時刻3[sec]≦t≦10[sec]では電位100[V]となる電位をかけるものとする。端子702の電位は0[V]で固定とする。符号703はCPEを示す。電流は端子701から端子702へ流れる向きを正とする。
本実施例の場合には全ての電位は境界条件として与えられているため、ステップS103では回路の枝電流を求めるだけでよい。
開始時刻はt=0[sec]とし、終了時刻はt=10[sec]とする。時間刻みはΔt=1.0×10−2[sec]とする。
[Example 3]
Next, as Example 3, an example in which it is easy to understand that the problem is solved in the time domain is shown. In this embodiment, the formula (6) is used. The circuit to be solved is composed of one CPE as shown in FIG. Terminal 701 is applied with a potential of 0 [V] at time 0 [sec] ≦ t <3 [sec] and a potential of 100 [V] at time 3 [sec] ≦ t ≦ 10 [sec]. And The potential of the terminal 702 is fixed at 0 [V]. Reference numeral 703 indicates CPE. The direction in which the current flows from the terminal 701 to the terminal 702 is positive.
In this embodiment, since all potentials are given as boundary conditions, it is only necessary to obtain the branch current of the circuit in step S103.
The start time is t = 0 [sec], and the end time is t = 10 [sec]. The time increment is Δt = 1.0 × 10 −2 [sec].

CPE703をT=0.318[F]、α=1.0とした時の数値計算例を図8Aに示す。図8Aの横軸は時刻[sec]であり、縦軸は電流[A](変位電流と導電電流の和)である。
CPE703をT=0.318[F/sec0.5]、α=0.5とした時の数値計算例を図8Bに示す。図8Bの横軸と縦軸は図8Aと同様である。
ここで計算結果の検証のために、理論式による予測を行った。f(t)がヘビサイト関
数H(t)の時、式(14)と書くことができるのでこれを用いた。但しΓはガンマ関数を示す。

Figure 2011145944
本方法の計算結果をプロット(黒丸)で示し、式(14)を用いた理論式による予測結果を実線で示す。 FIG. 8A shows an example of numerical calculation when CPE 703 is T = 0.318 [F] and α = 1.0. The horizontal axis of FIG. 8A is time [sec], and the vertical axis is current [A] (sum of displacement current and conduction current).
FIG. 8B shows an example of numerical calculation when CPE 703 is T = 0.318 [F / sec 0.5 ] and α = 0.5. The horizontal and vertical axes in FIG. 8B are the same as those in FIG. 8A.
Here, in order to verify the calculation results, predictions were made using theoretical formulas. When f (t) is a snake site function H (t), it can be written as equation (14), which is used. Where Γ represents a gamma function.
Figure 2011145944
The calculation result of this method is shown by a plot (black circle), and the prediction result by the theoretical formula using the formula (14) is shown by a solid line.

αが1の時にはCPEは普通のコンデンサと一致する。よって本実施例のような入力電位を与えると電流はデルタ関数となる。数値計算では時間刻みが離散化されているために、厳密にデルタ関数と一致するわけではないが、図8Aに示す電流はデルタ関数と似た形状をしており、正しく計算されていることがわかる。
それに対してαが0.5の時には分数階微分によって電流はデルタ関数とならず、テールを引くことが予想される。図8Bでは予想どおり、電流がテールを引いている計算結果が得られている。また、理論予測と計算結果はよい一致をしており、正しく計算されていることが分かる。
このように本方法を用いることによって、入力波形がヘビサイト的な振る舞いをする場合、即ち周波数領域で解く場合には非常に多くの周波数成分を必要とするような場合にも簡単に解が得られることが示された。
When α is 1, the CPE matches a normal capacitor. Therefore, when an input potential is applied as in this embodiment, the current becomes a delta function. In the numerical calculation, since the time step is discretized, it does not exactly match the delta function. However, the current shown in FIG. 8A has a shape similar to the delta function, and is calculated correctly. Recognize.
On the other hand, when α is 0.5, the current is not a delta function due to fractional differentiation, and a tail is expected. In FIG. 8B, as expected, a calculation result in which the current has a tail is obtained. Moreover, the theoretical prediction and the calculation result are in good agreement, and it can be seen that the calculation is correct.
By using this method in this way, a simple solution can be obtained even when the input waveform behaves like a heavisite, that is, when a very large number of frequency components are required when solving in the frequency domain. It was shown that

[実施例4]
実施例3では電位を求める必要が無かったが、実施例4では電位を求める必要がある場合を示す。本実施例では式(6)を用いた。解くべき回路は図9に示すようなCPEと抵抗の直列回路とする。端子1001には、時刻0[sec]≦t<3[sec]では電位0[V]であり、時刻3[sec]≦t≦10[sec]では電位100[V]となる電位をかけるものとする。端子1003の電位は0[V]で固定とする。1004は抵抗を示し、抵抗値R=1[Ω]とする。1005はCPEを示す。電流は端子1001から端子1003へ流れる向きを正とする。
ステップS103ではまず節点1002の電位を変数として求め、その後に回路の枝電流を求める。
開始時刻はt=0[sec]とし、終了時刻はt=10[sec]とする。時間刻みはΔt=1.0×10−2[sec]とする。
[Example 4]
In Example 3, there was no need to obtain the potential, but Example 4 shows a case in which the potential needs to be obtained. In this embodiment, the formula (6) is used. The circuit to be solved is a series circuit of a CPE and a resistor as shown in FIG. Terminal 1001 is applied with a potential of 0 [V] at time 0 [sec] ≦ t <3 [sec] and a potential of 100 [V] at time 3 [sec] ≦ t ≦ 10 [sec]. And The potential of the terminal 1003 is fixed at 0 [V]. Reference numeral 1004 denotes a resistance, and a resistance value R = 1 [Ω]. 1005 indicates the CPE. The direction in which current flows from the terminal 1001 to the terminal 1003 is positive.
In step S103, the potential of the node 1002 is first obtained as a variable, and then the branch current of the circuit is obtained.
The start time is t = 0 [sec], and the end time is t = 10 [sec]. The time increment is Δt = 1.0 × 10 −2 [sec].

CPE1005をT=0.318[F]、α=1.0とした時の数値計算例を図10Aに示す。図10Aの横軸は時刻[sec]であり、縦軸は電流[A](変位電流と導電電流の和)である。本方法の計算結果をプロット(黒丸)で示し、理論式による予測結果を実線で示す。αが1の時にはCPEは普通のコンデンサと一致する。単なる抵抗とコンデンサの直列回路であり、時定数τ=RTの振る舞いを示す。これを用いて理論式による予測を行った。理論予測と計算結果はよい一致をしており、正しく計算されていることが分かる。   FIG. 10A shows an example of numerical calculation when CPE 1005 is T = 0.318 [F] and α = 1.0. The horizontal axis of FIG. 10A is time [sec], and the vertical axis is current [A] (sum of displacement current and conductive current). The calculation result of this method is shown by a plot (black circle), and the prediction result by the theoretical formula is shown by a solid line. When α is 1, the CPE matches a normal capacitor. It is simply a series circuit of a resistor and a capacitor, and exhibits a behavior with a time constant τ = RT. This was used to make predictions based on theoretical formulas. The theoretical prediction and the calculation result are in good agreement, and it can be seen that the calculation is correct.

CPE1005をT=0.318[F0.5/Ω0.5]、α=0.5とした時の数値計算例を図10Bに示す。図10Bの横軸と縦軸は図10Aと同様である。αが0.5の時には分数階微分によって、電流はα=1の場合と比べてテールを引くことが予想される。図10Bでは予想どおり、電流がテールを引いている計算結果が得られ、正しく計算されていることが確認できた。
このように本方法を用いることによって、入力波形がヘビサイト的な振る舞いをする場合、即ち周波数領域で解く場合には非常に多くの周波数成分を必要とするような場合にも、簡単に解が得られ、かつ抵抗などCPE以外の素子が含まれる回路を解くことができる
ことが示された。
FIG. 10B shows an example of numerical calculation when CPE1005 is T = 0.318 [F 0.5 / Ω 0.5 ] and α = 0.5. The horizontal and vertical axes in FIG. 10B are the same as those in FIG. 10A. When α is 0.5, the current is expected to have a tail as compared with the case where α = 1 by fractional differentiation. In FIG. 10B, as expected, a calculation result in which the current has a tail is obtained, and it can be confirmed that the calculation is correct.
By using this method in this way, even when the input waveform behaves like a heavisite, that is, when solving in the frequency domain, a very large number of frequency components are required, a solution can be easily obtained. It was shown that a circuit including an element other than CPE such as a resistor can be solved.

[実施例5]
本実施例では式(6)と式(7)の違いについて示す。本実施例では図3に示すような抵抗とCPEが並列に並んだ回路と、図11に示すような抵抗とコンデンサが並列に並んだ回路を用いる。端子301及び端子1301には図12で示されるようにV301=10t[V]なる電位をかけるものとする。端子302及び端子1302の電位は0[V]で固定とする。303及び1303は抵抗を示し、抵抗値R=1[Ω]とする。304はCPEを示し、Tは両端にかかる電位差の関数となっているものとし、T=exp(0.01ΔV304)[F]、α=1.0とする。但しΔV304はCPE304にかかる電位差の絶対値である。
1304はコンデンサを示し、静電容量Cは両端にかかる電位差の関数となっているものとし、C=exp(0.01ΔV1304)[F]とする。但しΔV1304はコンデンサ1304にかかる電位差の絶対値である。
電流は端子301から端子302へ流れる向き及び端子1301から端子1302へ流れる向きを正とする。
本実施例の場合には全ての電位は境界条件として与えられているため、工程Cでは枝電流を求めるだけでよい。
開始時刻はt=0[sec]とし、終了時刻はt=10[sec]とする。時間刻みはΔt=1.0×10−2[sec]とする。
[Example 5]
In this embodiment, the difference between Expression (6) and Expression (7) will be described. In this embodiment, a circuit in which a resistor and a CPE are arranged in parallel as shown in FIG. 3 and a circuit in which a resistor and a capacitor are arranged in parallel as shown in FIG. 11 are used. Assume that a potential of V 301 = 10 t [V] is applied to the terminals 301 and 1301 as shown in FIG. The potentials of the terminal 302 and the terminal 1302 are fixed at 0 [V]. Reference numerals 303 and 1303 denote resistances, and the resistance value R = 1 [Ω]. 304 indicates CPE, T is a function of the potential difference applied to both ends, and T = exp (0.01ΔV 304 ) [F], α = 1.0. However, ΔV 304 is an absolute value of a potential difference applied to the CPE 304 .
Reference numeral 1304 denotes a capacitor, and the capacitance C is assumed to be a function of a potential difference applied to both ends, and C = exp (0.01ΔV 1304 ) [F]. However, ΔV 1304 is the absolute value of the potential difference applied to the capacitor 1304.
The direction in which the current flows from the terminal 301 to the terminal 302 and the direction in which the current flows from the terminal 1301 to the terminal 1302 is positive.
In the case of the present embodiment, all potentials are given as boundary conditions, so that only the branch current needs to be obtained in step C.
The start time is t = 0 [sec], and the end time is t = 10 [sec]. The time increment is Δt = 1.0 × 10 −2 [sec].

式(6)を用いた場合と式(7)を用いた場合のそれぞれについて、上記条件の元で図3に示す回路の数値計算例を図13に示す。また上記条件の元で図11に示す回路の数値計算例も同時に図13に示す。図13の横軸は時刻[sec]であり、縦軸は電流[A](変位電流と導電電流の和)である。
既に考察したようにCPEはα=1の時にはコンデンサと一致する必要がある。図13を見ると、式(7)を用いた場合にはコンデンサと一致するが、式(6)を用いた場合にはコンデンサと一致しない。従ってTが両端にかかる電位差の関数となっている場合、即ち時間に依存する関数となっている場合には式(7)を用いた方がより正確に電流を計算することができることがわかる。
FIG. 13 shows an example of numerical calculation of the circuit shown in FIG. 3 under the above conditions for each of the cases where the expression (6) and the expression (7) are used. An example of numerical calculation of the circuit shown in FIG. 11 under the above conditions is also shown in FIG. The horizontal axis of FIG. 13 is time [sec], and the vertical axis is current [A] (sum of displacement current and conduction current).
As already discussed, CPE needs to match the capacitor when α = 1. Referring to FIG. 13, when the equation (7) is used, it matches the capacitor, but when the equation (6) is used, it does not match the capacitor. Therefore, when T is a function of the potential difference applied to both ends, that is, when it is a function depending on time, it can be understood that the current can be calculated more accurately by using the equation (7).

[実施例6]
本実施例ではαが1ではない場合についての、式(6)と式(7)の違いについて示す。基本的には実施例5で述べたような回路構成と計算条件を用いるものとするが、CPEの物性値を変えて計算することとする。
[Example 6]
In this embodiment, the difference between Expression (6) and Expression (7) when α is not 1 will be described. Basically, the circuit configuration and calculation conditions described in the fifth embodiment are used, but the calculation is performed by changing the physical property values of the CPE.

まず、CPE304の物性値をT=1.0[F/sec0.2]、α=0.8とする。式(6)を用いた場合と式(7)を用いた場合のそれぞれについて、上記条件の元で図3に示す回路の数値計算例を図14Aに示す。図14Aの横軸は時刻[sec]であり、縦軸は電流[A](変位電流と導電電流の和)である。
図14Aに示されるようにTが時間に依存しない場合には式(6)と式(7)の計算結果は一致し、どちらを用いて計算してもよいことがわかる。
First, the physical property values of CPE304 are T = 1.0 [F / sec 0.2 ] and α = 0.8. FIG. 14A shows an example of numerical calculation of the circuit shown in FIG. 3 under the above conditions for each of the cases using Equation (6) and Equation (7). The horizontal axis of FIG. 14A is time [sec], and the vertical axis is current [A] (sum of displacement current and conductive current).
As shown in FIG. 14A, when T does not depend on time, the calculation results of Expression (6) and Expression (7) coincide with each other, and it can be understood that either may be used for calculation.

次にCPE304の物性値をT=exp(0.01ΔV304)[F/sec0.2]、α=0.8とする。式(6)を用いた場合と式(7)を用いた場合のそれぞれについて、上記条件の元で図3に示す回路の数値計算例を図14Bに示す。図14Bの横軸は時刻[sec]であり、縦軸は電流[A](変位電流と導電電流の和)である。
図14Bに示されるようにTが時間に依存する場合には式(6)と式(7)の計算結果は異なり、α=1の時の場合を参考にすれば、式(7)を用いた方がより正確に電流を計算することができると思われる。
Next, the physical property values of CPE304 are set to T = exp (0.01ΔV 304 ) [F / sec 0.2 ] and α = 0.8. FIG. 14B shows an example of numerical calculation of the circuit shown in FIG. 3 under the above conditions for each of the cases where Expression (6) and Expression (7) are used. The horizontal axis of FIG. 14B is time [sec], and the vertical axis is current [A] (sum of displacement current and conduction current).
As shown in FIG. 14B, when T depends on time, the calculation results of Expression (6) and Expression (7) are different. If reference is made to the case where α = 1, Expression (7) is used. It seems that the current can be calculated more accurately.

303、504、506、1004、1303:抵抗
304、505、507、703、1005:CPE
1304:コンデンサ
303, 504, 506, 1004, 1303: Resistor 304, 505, 507, 703, 1005: CPE
1304: Capacitor

Claims (8)

回路素子としてCPE(Constant Phase Element)を含む電気回路を時間領域で解くための数値計算方法であって、
コンピュータが、境界条件として少なくとも前記電気回路に印加される入力電圧を取得する取得ステップと、
コンピュータが、前記境界条件に基づいてCPEに流れる枝電流を計算する第1の計算ステップと、
コンピュータが、前記境界条件に基づいてCPE以外の回路素子に流れる枝電流を計算する第2の計算ステップと、
コンピュータが、前記境界条件と前記第1及び第2の計算ステップでの計算結果とから、キルヒホッフの電流則及びキルヒホッフの電圧則を用いて時間領域で未知変数を求めるステップと、を有することを特徴とする数値計算方法。
A numerical calculation method for solving an electric circuit including CPE (Constant Phase Element) as a circuit element in a time domain,
An acquisition step in which a computer acquires at least an input voltage applied to the electric circuit as a boundary condition;
A first calculation step in which a computer calculates a branch current flowing in the CPE based on the boundary condition;
A second calculation step in which a computer calculates a branch current flowing in a circuit element other than the CPE based on the boundary condition;
The computer has a step of obtaining an unknown variable in the time domain using the Kirchhoff's current law and Kirchhoff's voltage law from the boundary condition and the calculation results in the first and second calculation steps. Numerical calculation method.
請求項1に記載の数値計算方法において、
CPEが、電位がVである端子0と電位がVである端子1との間に存在し、物性値α及びTを持つ場合に、
前記第1の計算ステップにおいて、aを計算開始時刻とし、端子0から端子1に流れる向きを正として、時刻tにおけるCPEに流れる枝電流Iを分数階微分 αを用いて、
I= α{T(V−V)}
と計算することを特徴とする数値計算方法。
The numerical calculation method according to claim 1,
When CPE exists between a terminal 0 having a potential of V 0 and a terminal 1 having a potential of V 1 and having physical property values α and T,
In the first calculation step, a is the calculation start time, the direction flowing from the terminal 0 to the terminal 1 is positive, and the branch current I flowing through the CPE at the time t is expressed using the fractional differential a D t α .
I = a D t α {T (V 0 −V 1 )}
A numerical calculation method characterized by calculating.
請求項1に記載の数値計算方法において、
CPEが、電位がVである端子0と電位がVである端子1との間に存在し、物性値α及びTを持つ場合に、
前記第1の計算ステップにおいて、aを計算開始時刻とし、端子0から端子1に流れる向きを正として、時刻tにおけるCPEに流れる枝電流Iを分数階微分 αを用いて、
I=T α(V−V
と計算することを特徴とする数値計算方法。
The numerical calculation method according to claim 1,
When CPE exists between a terminal 0 having a potential of V 0 and a terminal 1 having a potential of V 1 and having physical property values α and T,
In the first calculation step, a is the calculation start time, the direction flowing from the terminal 0 to the terminal 1 is positive, and the branch current I flowing through the CPE at the time t is expressed using the fractional differential a D t α .
I = T a D t α (V 0 −V 1 )
A numerical calculation method characterized by calculating.
請求項1〜3のうちいずれか1項に記載の数値計算方法の各ステップをコンピュータに実行させることを特徴とするプログラム。   A program for causing a computer to execute each step of the numerical calculation method according to claim 1. 請求項4に記載のプログラムを記録したことを特徴とするコンピュータ読み取り可能な記録媒体。   A computer-readable recording medium on which the program according to claim 4 is recorded. 回路素子としてCPE(Constant Phase Element)を含む電気回路を時間領域で解くための数値計算装置であって、
境界条件として少なくとも前記電気回路に印加される入力電圧を取得する取得手段と、
前記境界条件に基づいてCPEに流れる枝電流を計算する第1の計算手段と、
前記境界条件に基づいてCPE以外の回路素子に流れる枝電流を計算する第2の計算手段と、
前記境界条件と前記第1及び第2の計算手段での計算結果とから、キルヒホッフの電流則及びキルヒホッフの電圧則を用いて時間領域で未知変数を求める手段と、
を有することを特徴とする数値計算装置。
A numerical calculation apparatus for solving an electric circuit including CPE (Constant Phase Element) as a circuit element in a time domain,
Obtaining means for obtaining at least an input voltage applied to the electric circuit as a boundary condition;
First calculating means for calculating a branch current flowing in the CPE based on the boundary condition;
Second calculation means for calculating a branch current flowing in a circuit element other than the CPE based on the boundary condition;
Means for determining an unknown variable in the time domain using Kirchhoff's current law and Kirchhoff's voltage law from the boundary conditions and the calculation results of the first and second calculation means;
A numerical calculation device comprising:
請求項6に記載の数値計算装置において、
CPEが、電位がVである端子0と電位がVである端子1との間に存在し、物性値
α及びTを持つ場合に、
前記第1の計算手段が、aを計算開始時刻とし、端子0から端子1に流れる向きを正として、時刻tにおけるCPEに流れる枝電流Iを分数階微分 αを用いて、
I= α{T(V−V)}
と計算することを特徴とする数値計算装置。
The numerical calculation device according to claim 6,
When CPE exists between a terminal 0 having a potential of V 0 and a terminal 1 having a potential of V 1 and having physical property values α and T,
The first calculation means uses a fractional differential a D t α to calculate the branch current I flowing in the CPE at time t, where a is the calculation start time, the direction from terminal 0 to terminal 1 is positive,
I = a D t α {T (V 0 −V 1 )}
A numerical calculation device characterized by calculating.
請求項6に記載の数値計算装置において、
CPEが、電位がVである端子0と電位がVである端子1との間に存在し、物性値α及びTを持つ場合に、
前記第1の計算手段が、aを計算開始時刻とし、端子0から端子1に流れる向きを正として、時刻tにおけるCPEに流れる枝電流Iを分数階微分 αを用いて、
I=T α(V−V
と計算することを特徴とする数値計算装置。
The numerical calculation device according to claim 6,
When CPE exists between a terminal 0 having a potential of V 0 and a terminal 1 having a potential of V 1 and having physical property values α and T,
The first calculation means uses a fractional differential a D t α to calculate the branch current I flowing in the CPE at time t, where a is the calculation start time, the direction from terminal 0 to terminal 1 is positive,
I = T a D t α (V 0 −V 1 )
A numerical calculation device characterized by calculating.
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