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翻訳: T.Sato
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| Figure 1: 伝導イミュニティ試験の原理 (初版に基づく) |
この試験の原理は、それに入る特定の選択されたケーブルに
接地基準面 (GRP) に対してコモン・モードでストレスを印加することによって、
EUT 内に妨害電界と妨害磁界の双方を励起することである (Figure 1)。
このストレスは 150Ω の規定された信号源インピーダンスを通して印加され、
これは EUT に接続された他のケーブルのインピーダンスともなる。
従って、我々はこのインピーダンスを安定化、あるいは減結合し、
従って余計な変動が試験に小さい影響しか持たないようにするために、
回路網を用いなければならない；
また、浮遊結合に伴う変動が最小限となるように
試験の配置が管理されていることを確かとしなければならない。
この規格の７章は、これらの点をカバーしている。
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| Figure 2: 様々な種類の EUT の終端 |
ここでの問題は、上記の３番目の場合において、 ２つ以上の試験されないポートを終端する必要があるかどうかである。 初版の Figure 9 は、「全ての非励起の結合/減結合回路網 (CDN) は、 50Ω 負荷によって終端しなければならない」と示しており、 複数の終端された CDN が使用されたならば RF 還流経路が低いインピーダンスを持ち得るように、 それぞれのケーブルを 150Ω 終端することを暗示する。 第２版では、これは、「いずれの試験においても、２つの 150Ω 回路網のみが必要である ―― 試験されるポートに１つの CDN を接続し、 他のポートに 50Ω 終端された１個の CDN を接続しなければならない。 ケーブルが取り付けられる他の全てのポートには、減結合回路網が取り付けられねばならない。 この方法では、 それぞれの端で 150Ω で終端された１つのループのみがある」 (新しい 7.1.2、7.2) と要求するように変更された。
その試験されないが終端されたポートが RF 電流を EUT を通過させる唯一のものとなることから、 この変更は主に複数のポートを持つ小さいデバイスに影響するであろう。 他のポートは全て減結合されるが、終端されない。 この変更は、容量結合した電圧ストレスを増加させ、 磁気結合した電流の影響を減少させるであろう。 減結合回路網は高い直列インピーダンスを与えるだけである； それらは通常はクランプ式フェライト吸収体であるが、 高いインピーダンスを 150kHz から与える吸収体を使用していることを確かとしなければならない。 それを作成し、あるいは購入することは可能であるものの、 これは EMC 試験所においてさえもありふれたアイテムではない。
金属のエンクロージャに入れられた大きな EUT については、EUT のグランドへの静電容量は
典型的には電流を非励起ポートからバイパスするのに充分であろうことから、
この第２版の変更された方法は小さな違いしか生じないであろう。
この記事は、ベスト・プラクティスのための注意事項と共に、 それぞれの方法についてそれらの利点と欠点を議論する。 これを変更したならば初版を引用することもできるものの、 該当するパラグラフについては第２版を参照している。
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| Figure 3: 「M3」 結合/減結合回路網の回路図 |
Figure 3 は、主電源３線 (M3) 回路のための CDN の回路図を示す。 それは、AE 側の分流 RF フィルタ・コンデンサ CD と EUT 側の注入結合素子と共に、 EUT ケーブルに直列に挿入するための多巻コモン・モード・チョークを備える。 通常、n 本のワイヤがあれば、それぞれは n×R Ω の抵抗と 適切なブロッキング・コンデンサ CC を直列にしたものを通して試験器に接続される。 R は、この規格の規定では 100Ω である。
チョーク内での漏洩インダクタンスと伝送線路共振は、
それら双方の影響は CDN を通過する個々のワイヤにそれぞれのインピーダンスを呈させる
――回路条件がそれを許すならば、それらが異なった RF 電圧を持ち得る――
ので、いずれも重要であるが規定されていない誤差の原因である。
これは、EUT が主電源ケーブルの２本のワイヤに接続された絶縁変圧器巻線を持つが、
そのシャーシ ――そして、従ってその回路の大部分と他の任意のケーブル――
が３本目に接続されている、 Figure 3 から理解できるかも知れない。
基準点において CDN から EUT を見たインピーダンスは、上の２本のワイヤについては、
変圧器巻線とその周囲との浮遊容量の効果に支配され、非常に高い。
下の (接地) ワイヤのインピーダンスは、EUT からその下の接地面、
そして EUT に接続された他の任意のケーブル (この単純化された図には示されていない)
の静電容量に依存し、非常に低いかも知れない。
もし減結合インダクタが３つの結合していないチョークを含むならば、
信号源抵抗 3 R のために、EUT に注入されるイミュニティ試験電圧は
下の１本よりも上の２本のワイヤで明らかに高くなるであろう。
マルチ・ワイヤ・チョークが
これらの３本のワイヤの電圧を均等にするための有効な変圧器として振る舞わない限り、
トランスジューサ・エラーがあるであろう
―― だが、もしそのチョークがこの面で完璧であれば、
変圧器動作と単一の注入抵抗を持つ一次回路のみを使用する、
遥かに侵襲性の低い CDN をこのイミュニティ規格で規定できたであろう。
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| Figure 4: 不平衡負荷による CDN の試験 |
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| Figure 5: M3 CDN 「B」を通した損失 |
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| Figure 6: M3 CDN 「A」を通した損失 |
Figure 5、及び 6 は、標準的な M3 CDN の２つの異なった実装について、 その出力が周波数によってどのように変わるかを示す。 それぞれのチャートで、「0dB」座標は 50Ω 信号源と 50Ω 負荷のあいだの 100Ω 抵抗の理論的な損失を示す。 点線の「3 of 3」のプロットは規格で示されているようなワイヤの均等な装荷を表現し、 通常の 150Ω 負荷の校正セットアップで部分的に校正されるであろう 1dB 未満の追加の損失を示す。 それぞれの場合の「1 of 3」の線は、アナライザに１本の線のみが接続された場合に対応する。 Figure 5 にプロットされたそれは 15〜50MHz 前後の広範囲の周波数にわたる 5〜6dB の低下を示しているが、 Figure 6 のものは約 67MHz の狭い周波数範囲で 9dB の低下を示している。
CDN 「B」では、それぞれのワイヤはコアの周囲の分離された区画を占めている。 それによって生じる大きな漏洩インダクタンスは浮遊容量とで共振を生じるが、 それは Figure 5 で見られるようなブロードな共振帯域を生じるコア損失によって制動される。
対照的に、CDN 「A」は巻く前に互いに撚り合わされた３本のワイヤで作られたチョークを含む。 これは漏洩インダクタンスを最小化する ―― だが、それでも測定されるワイヤが 他の２本のワイヤからほとんど完全に切り離される狭帯域の共振が 67MHz にある。 それはそれ自身の 3 R 注入抵抗のみを「見る」ことができる。 この周波数において、その CDN チョークを形成するワイヤの長さは電気的 1/4 波長である。 それらのワイヤは、コンデンサ CD によって AE 端で RF に対して短絡される (Figure 3、及び 4 を参照)。 この短絡は、その 1/4 波長によって EUT 端で非常に高い相互インピーダンスに変換される。 これは、フェライト・チョーク・コアが磁気パートを演じない、 純粋な差動モード効果である。 関係する損失はワイヤの周囲とコンデンサ CD 内の誘電体のもののみであるので、 この共振の「Q」係数は高い。
上で述べたように、これら双方の CDN は EUT 回路がそれぞれのワイヤに対して同一のインピーダンスを与える時には良く機能するが、 その他の場合には定量化できない誤差を与える。 ３ワイヤ主電源リードの事例を例として用いたが、 他の重要な事例は、同一のケーブル内に様々な回路を持つプロセス制御ケーブル、 そして、一部のペアが平衡データのために用いられ、 残りが不平衡電源のために用いられるか全く使用されない、 「カテゴリー 5 UTP」のような４ペア・データ・ケーブルである。
この問題に対する CDN 設計上の解決は２つしかない； チョーク内のワイヤの長さを共振を試験の最大周波数よりも上に押しやれるだけ短くする、 あるいはその共振を AE 側の追加の抵抗性インピーダンスの導入によって制動する。
ワイヤの長さの短縮は一部の種類の低電力 CDN については可能であるが、
IEC 61000-4-6 第２版 Annex B は
同相インピーダンスの規定を 80MHz から 230MHz に拡大しているので、
この方法の適用範囲は限られている。
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| Figure 7: 抵抗 X が CDN 内の伝送線路共振を制動する |
制動コンポーネント X が、伝送線路チョークの AE 側の
CD で与えられる RF 短絡回路の近傍に適用されていることに注意されたい。
この点において RF 電流は最大となり、制動抵抗は最大の影響を持つであろう。
そのワイヤとメイン・チョークのあいだの結合はより効率的なものとなるので、
この解決は単一の CDN を、
関係する電圧や制御回路を持つ、あるいは持たない、 100A までの
ほぼ任意の考えられる AC や DC の単相や３相の用途に使用できるようにし、
電力用途に関して上記の CDN の欠点全てを乗り越える。
EM クランプは、被試験ケーブルへの
RF ストレスの容量性と誘導性の結合の双方を与えるクランプ式デバイスである。
それは Swiss PTT の Bersier と Ryser によって、主にこの試験のために考案された。
電流注入プローブ (あるいは Bulk Current Injection; BCI プローブ) は
当初の方法の一部ではなかったが、
それを既に軍用規格試験のために使用していたいくつかの試験所の主張によって
その規格が出版される前に追加された。
それは、被試験ケーブルをその２次巻線とする電流変成器として振る舞う；
それは誘導性結合のみを与える。
従って、もしある試験所が特定のポートについて CDN が適切であると判断してそれを使用し、 別の試験所はそう判断せず EM クランプを使用し、 ３番目は電流注入プローブを採用したならば、 それら３つの試験所全ての結果が等価であると見倣される。
参考文献 [1] は、この等価性を評価し、以下のように結論している：
いずれの場合でも、トランスジューサと EUT のあいだの距離が 10〜30cm であるべきであると言っている規則を尊重しなければならない。 これよりも長いものは、規格に違反する。 それは周波数範囲の上端で共振性となるであろうし、 1/4 波長においては EUT が与える同相インピーダンスはその逆に変換されるであろう： 高インピーダンスはトランスジューサにおいて低インピーダンスとして現れ、 またその逆となるだろう。 これは、接地基準面よりも 30cm よりも上にケーブル導入部を持つ EUT に問題をもたらす。
これらの問題は第２版に対する A1 [5] で扱われている。 これは情報的附属書 F、「大きな EUT のための試験セットアップ」を追加する。 この変更されたセットアップは、CDN が接続され、 CDN - EUT ケーブル長を 30cm 以下の最小限に維持できるようにする、 持ち上げられた水平接地基準面、 あるいはこれも CDN を接続するために用いられる垂直接地基準面のいずれかを用いる。 垂直接地基準面、例えば遮蔽室の壁は、 そのケーブル導入部の実際の高さにかかわらず全ての種類の EUT のために使用できるので、 試験所にとってより魅力的となりそうである。 それは、それ自身の静電容量と 主接地基準面への誘導性接続によって引き起こされる共振に影響され勝ちな 持ち上げられた水平基準面よりも、再現性の高い結果を与えるであろう。
いずれの場合でも、トランスジューサを通る DC や低周波の電流経路は、 フェライトの飽和を防ぐように管理されねばならない。 これは、全ての回路について、給電、及び還流導体が 単一のトランスジューサを通ることを必要とする。 例えば、ある高電力 DC 電源がその正と負のワイヤとして独立したケーブルを用いているとしても、 それら双方は単一の M2 CDN を通るべきである。
しかし、このクランプの 10MHz よりも上での方向性は、この要求がほとんど消滅し、 ZAE が管理されなくても良くなることを意味する。 ZAE の管理の主な困難は高い周波数 ――AE から接地面への浮遊容量、 そして AE への不可避に長くなるケーブルにおける共振がほとんどの問題を引き起こす―― にあるので、これは実際に幸いな結果である (但し、[2] を参照)。 低周波インピーダンスが 150Ω に維持されている ――これは、AE がその入力に主電源 CDN を付けて主電源から給電され、 被試験ケーブル以外の全てのポートがフローティングのままとされている場合に 最も容易に達成される―― 限り、高周波インピーダンスは放っておくことができる。
これから、このプローブは短いケーブル ――望ましくは 60cm 以下、最大でも 1m 以下―― に対してのみ適用すべきであるということになる。 これよりも長いケーブルには、EM クランプを使用する。 一部の試験所は、クランプと AE のあいだの非常に長いケーブル (＞ 5m) は AE に印加される信号をある程度「減衰」させると信じている。 これはナンセンスである； 生じるのは、再現性のさらに大きな欠如をもたらす、 ケーブル共振効果が顕著となる周波数の恣意的で余計な低下だけである。
試験所における現実の条件では、それぞれの試験セットアップに対して その周波数範囲における AE 同相インピーダンスを検証することは非実際的である。 スペクトラム・アナライザ、トラッキング・ジェネレータ、小さい結合治具、 そしてある種のデータ処理ソフトウェアを用いて そうするための手続きを考えることはできる [7] が、 これは既に潜在的に長々とした試験の完了までの時間を著しく長くするであろう。 EUT ポートの同相インピーダンスを検証することも、同様に非実際的である。 従って、現実の制約のもとでは、試験所は AE の同相インピーダンスが EUT ポートの同相インピーダンスと等しいかそれよりも低いことを確かめない傾向にある。 電流制限法は EUT ポート・インピーダンスがゼロに近付いた場合には 過剰試験としないことを確かとするが、 それは AE ポート・インピーダンスが実際に 150Ω 未満に維持されている場合にのみ 不足試験としないことを確かとするであろう。 試験所は試験のこの肝心な側面でほとんどガイダンスを持たないままとされており、 規格が要求しているような AE 同相インピーダンスの管理に充分に注意を払わないことになり易い。
その危険は、主として、もし AE がフローティングのままとされた ――例えば、それがバッテリー電源やパッシブのものであり、 接地抵抗を接続する箇所がないために―― ならば、ストレスの還流経路は AE から接地面への浮遊容量のみによって与えられ (Figure 8)、 低い周波数においては高いインピーダンスにあるということである。 双方の種類のクランプ・デバイスは低い周波数においては主に電圧ではなく電流を注入するので、 その EUT が低い周波数において不足試験されることは避けられない。 最小注入レベルを管理するという要求がないので試験所はこれを無視するであろうし、 その顧客は彼らの機器が合格したならば抗議しないであろう。 高い周波数においては、大きな AE の浮遊容量は実際の試験が行なわれるのに充分に低くなるので、 この状況は改善される。
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| Figure 8: フローティングの AE の問題 |
正しく実施された試験のためには、
AE 同相インピーダンスがほぼ 150Ω であることを確かとするための
何らかの方法を見付けることが必須である。
数種類のインターフェースのみを日常的に試験する製造業者のラボは
この目的のための治具を作ることができるが、
毎日多様な製品を目にし得る一般の試験所にとっては、これは大きなオーバーヘッドである。
EMC Compliance Journal の以前の号の記事 [2] は、
EM クランプとプローブの双方に対するこの問題のための１つの解決を提案している。
[2] A non-invasive Coupling-Decoupling Network with inherently good balance, Honkala, Repo, and Marshall, EMC and Compliance Journal, January 2005, pp14-18
[3] Reducing errors due to resonances in radiated and conducted EMC testing, Richard Marshall, 15th Intl. Zurich Symposium on EMC, February 18-20 2003, paper 4F1 pp 267-272
[4] IEC 61000-4-6 second edition 2003, EMC: Testing and measurement techniques - Immunity to conducted disturbances, induced by radio-frequency fields
[5] Amendment 1 to IEC 61000-4-6 second edition, Define a new set-up for large EUTs, 77B/426/FDIS
[6] A new approach to Coupling / Decoupling Networks for EMC testing,, Richard Marshall, EMC York 1999, UK July 1999. See also www.design-emc.co.uk
[7] Use of a tee attenuator for VHF and UHF impedance measurement, Richard Marshall, to be published in the May issue of the EMC & Compliance Journal.
これは、EMC+Compliance Journal に掲載された記事を、 その許諾を得て T. Sato が翻訳したものです。 この翻訳については、原著者らはいかなる責任も持ちません。 これについての意見、質問などは VEF00200@nifty.com (T.Sato) 宛にお送り下さい。
Last update: 2005-04-23