Задачи › Переходные процессы в RL- и RLC-цепях, диод и катушка

Светодиоды

  1. Светодиоды

    Эстонская 2024/25, заключительный этап, 9-11 кл. · №26108

    Комната освещается множеством светодиодов. Для их работы используется источник постоянного тока, который подаёт в пару проводов, ведущих к диодам, постоянный ток силой \(I_0=2\) А при условии, что напряжение между проводами не превышает \(U_0=24\) В. Если напряжения \(U_0\) не хватает для достижения силы тока \(I_0\), то напряжение между проводами равно \(U_0\). Светодиоды соединены последовательно, и их суммарная мощность в рабочем режиме \(P_0=38\) Вт. От источника к диодам ведёт пара медных проводов длиной \(l=10\) м, диаметр провода \(d=1\) мм, расстояние между осями двух проводов — \(a=5\) мм. Для расчёта индуктивности пары проводов единичной длины можно использовать формулу \(\lambda=\dfrac{\mu_0}{\pi}\ln a/d\), где \(\mu_0=4\pi\cdot10^{-7}\ \text{Гн/м}\). Для светодиодов можно использовать упрощённую модель: пока напряжение на диоде меньше так называемого напряжения открывания, ток через диод не идёт; когда через диод идёт ток, напряжение на диоде равно напряжению открывания.

    Вначале система выключена. Сколько времени пройдёт после подключения источника питания, прежде чем диоды достигнут полной мощности? Изобразите на графике, как зависит мощность источника тока от времени после замыкания ключа цепи. (10 баллов)

    ▶ПодсказкаСкрыть: подсказка
    Подсказка

    Пока ток не достиг \(I_0\), источник держит на проводах максимальное напряжение \(U_0\); та его часть, что не падает на диодах, идёт на нарастание тока в индуктивности проводов.

    ▶ОтветСкрыть: ответ
    Ответ

    \(t_0\approx2{,}57\) мкс; мощность источника линейно растёт до 48 Вт, затем падает до 38 Вт и остаётся постоянной.

    ▶РешениеСкрыть: решение
    Решение

    Из соотношения \(P=UI\) находим сумму напряжений открывания диодов: \(U_a=P_0/I_0=19\) В. Поэтому на индуктивности проводов \(L=\lambda l\) падает напряжение \(U_0-U_a\) — до тех пор, пока не достигнута сила тока \(I_0\). В этот момент напряжение на проводах падает до нуля, и ток больше не растёт. Итак, \(U_0-U_a=L\dfrac{dI}{dt}\), откуда видно, что ток растёт с постоянной скоростью \(\dfrac{dI}{dt}=(U_0-U_a)/L\). Поэтому время достижения полной мощности \[t_0=I_0L/(U_0-U_a)=2{,}57\text{ мкс}.\] График мощности источника тока таков: до момента \(t=t_0\) мощность линейно растёт до значения 48 Вт, затем падает до 38 Вт и остаётся постоянной.

    Прочитали решение — спросите себя, как можно было до этого додуматься. А через день-два решите задачу заново, не подглядывая.

    Вся олимпиада на сайте

Похожие задачи