(データは Ferroxcube の好意による)
(SMD ビーズのデータは Wurth Elektronic の好意による)
(Wurth Elektronic の好意による)
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翻訳: T.Sato
これらのコンポーネントは何かが起きるように、あるいは起きるのを止めるように設計できる。 この促進と阻止の能力は、 その臨界周波数以下ではフェライトは低損失磁芯であって効率的なトランスの作成を可能とし、 臨界周波数以上では損失が非常に大きくなってインダクタンスが低下するために生じる。 そうなると、そのコアは不要な高周波電力の効果的な吸収装置となる。 数百 kHz から数十 MHz の範囲の臨界周波数のフェライトが入手可能であり、 多くの EMC の局面でいずれかの機能を果たすために利用できる。
これらの材料は、試験環境の規定を助けることで (非反射性の壁を与えるためのタイル、 規定されたチャンバー出口インピーダンスをケーブルに与えるためのフィルタ)、 そしてエミッションとイミュニティの評価のための結合トランスや インダクタ - コンデンサ回路網 (結合クランプ、CDN、LISN) を可能とすることで、 EMC 試験で何かを起こすことができる。 機器の設計においては、それらは、おそらくは意図された周波数範囲外で起きることに対する 不充分な注意のもとで設計されたかも知れない回路に抵抗性制動を磁気的に結合させることができる。 おそらく、フェライトの最も重要な用途は、「電気的に長い」 ――これは関心のある何らかの周波数における波長の少なくとも十倍を意味する―― ケーブルからの放射や拾い上げの低減であろう。 これについてはまた後で触れる。 勿論、その臨界周波数よりも下では、 フェライト・コアは電力と信号のトランスとインダクタのために重要であるが、 これらはこの記事の範囲から外れる。
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| Fig. 1: フェライトの磁気性能 (データは Ferroxcube の好意による) |
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| Fig. 2: フェライトは「強磁性共鳴」よりも上では抵抗性制動される (SMD ビーズのデータは Wurth Elektronic の好意による) |
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| Fig. 3: コア材の選択 (Wurth Elektronic の好意による) |
それぞれの場合の「強磁性共鳴」の周波数よりも上での急激な低下に、 そしてこの周波数が最低の低周波透磁率の組成で最大となることに注意されたい。 ニッケル/亜鉛フェライトで最大の透磁率が得られ、 これらのグラフは左上の角から始まるが、それは比較的低い周波数で現れるだけである。 最良の高周波性能はマンガン/亜鉛材から得られ、その2つのグラフは左側では低い範囲にある。
だが、透磁率は唯一の重要なパラメータではない: 「強磁性共鳴」の周波数の近くやそれよりも上では、その素材内の抵抗性損失は鋭く上昇し、 エネルギー蓄積デバイスのように振る舞う代わりに、コアはエネルギー吸収装置となる。 ほとんどの EMC の目的のために理想的であり、ほとんどのトランスの用途のために破滅的である。
Fig. 2 は、ある SMD フェライト・インダクタのインダクタンス、レジスタンス、 そして合成インピーダンス (= √(R2 + XL2)) の組み合わせのグラフを示す。 もしこのインダクタを低損失が重要な電源や通信の回路で用いるのであれば、 1MHz 以下の周波数に制限されるであろう。 追加されたインピーダンスが誘導性でも抵抗性でも問題ない抑制機能では、 それは例えば 10MHz から 1000MHz までで有用である。 だが、誘導性成分が無価値な電気的に長いケーブルのような状況では、 このインダクタは 30MHz から 1000MHz でのみ有用かも知れない。 この二重の効果 ――低い周波数でのトランス、高い周波数での EMC 抑制―― は、 アマチュア無線家がテレビ用ライン出力トランス・コアを アンテナに給電する同軸ケーブルの外側の電流の抑制のために使用できるようにし、 フェライトの一片が EMC フィルタとして働くという概念をもたらしたが、 Fig. 1 の多様な特性はこれが真実からほど遠いことを示す。 EMC の用途のために推奨されるのは主にその透磁率のグラフの高い周波数のカーブした領域であることが、 様々なコアで示されている。
短いケーブルの抑制のためのフェライトの正しい選択の概観を Fig. 3 に示す。
主電源フィルタ、LISN、そしてサージ試験用回路網を含む高電力の用途のために重要な、 その他のフェライトの特性は:
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| Fig. 4: スリーブ・コアと2つのトロイド (Wurth Elektronic の好意による) |
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| Fig. 5: 一回巻きと三回巻きのインピーダンス |
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| Fig. 6: スーパートロイド |
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| Fig. 7: データ・ケーブル・チョーク |
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| Fig. 8: 分割トロイド (Wurth Elektronic の好意による) |
規格に適合させるため、安全性を最大とするため、環境を尊重するため、 あるいは単に評価を上げるために可能な最良の高周波性能を得るという圧力がほぼ常にある。 良い HF 性能は入力と出力の巻線のあいだの静電容量を最小とすることで達成され、 これは分離を最大とすることを必要とする。 我々は皆、入力と出力の配線が丁寧に束ねられた主電源フィルタを見たことがある!
ほとんどの抑制の用途で、漏洩インダクタンスは単にケーブルのインピーダンスで吸収される。 だが、コアの経路長が小さくなると、ある断面積に対するインダクタンスは大きくなり、 従って密着するコアの使用には経済的な利点がある。 漏洩インダクタンスは試験機器のためのコンポーネントで重要な要素となるかも知れず、 ここではコンパクトなコンポーネント設計を最小のリード長と組み合わせる必要がある。 300MHz においては自由空間での波長は 1m であり、従って 1cm のケーブルが 波長の少なくとも 1/100 の伝送線路のインピーダンスを示すことを覚えておいて欲しい。
必要なものがそれであれば、それで良い。 だが、もし UHF での悪化 ――この例では 400MHz 以上―― が許容できないならば、 トロイド・コアは巻線の端が互いに遠く離れるようにできるだろう。 有用な巻き方の1つは、最初に Gross [3] によって述べられた、 Fig. 6 の「スーパートロイド」巻きである。
その巻線は巻きの中間で中央の穴を横切る。 これは浮遊容量のほとんどが巻線の半分のみにわたる形とするが、 容量的に近接する箇所が2つあり、その総合的な利益は寸法上の多くの細部に依存する。 この巻き方は、容易に緩まない整然とした配置としてのみ見るのが最良かも知れない。
両端にコネクタが付いた既存のケーブルの改修のためには、上のいずれも好都合ではない: 分割クリップ式フェライト・スリーブはその評判に値するが、 複数の巻きが用いられない限り、数十 MHz 以下でのその性能は通常は充分ではなく、 最小の浮遊容量での複数の巻きを可能とする Fig. 8 のような分割リング・コアが入手できるのは幸いである。
EMC 試験機器の多くの要素のように、広帯域のインピーダンスが本当に重要な場合、 1つは低周波、もう1つは高周波のための2つのフェライト・チョークを直列に用いる動機がある。 LF チョーク・インピーダンスが下降して容量性リアクタンスを持ち、 HF チョークが誘導性となる遷移周波数がありそうであるので、 この構成で滑らかな減衰を達成することは困難である。 そうなると、これらの2つの要素は低インピーダンスを持つ直列共振回路を形成し、 これは望んだものではない! その効果は、共振を制動する抵抗の導入により、いくらかの困難とともに克服できる。 だが、それは可能である: Fig. 7 のデータ・ケーブル・チョークは一例で、150kHz から 250MHz での減衰は 15dB を超える [4]。
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| Fig. 9: 導体共振: 一端開放 |
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| Fig. 10: ケーブル共振の制動 |
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| Fig. 11: ケーブルの両端が「接地」された時の共振 |
その上端で電流がゼロとならなければならないことは容易にわかる: ここから先に行く場所はない。
EMC 技術者として、我々は共振が基本の 1/4 波長の周波数のおおよそ 3倍、5倍、7倍、... でも生じることに気付く必要がある: 3/4 波長の場合がその図の右側に示されている: この場合も電流は下端で最大で上端でゼロであるが、下から 1/3 にもう1つゼロの点が生じる。
フェライト・チョークは比較的小さい直列抵抗を加えるので、 電流が最大の場所で最大の効果を与えるであろう。 上のアンテナの場合、それは大地のレベルとなろう。 Fig. 10 に示すように、 トラッキング・ジェネレータを備えたスペクトラム・アナライザに2本の同じ長さの同軸ケーブルを挿し、 これを実証する EMC の状況に一致するようにスケールした実験を行なうことは容易である。
ここで、それぞれのケーブルの開放端で露出した長さ 12mm の同軸ケーブル内部導体の グランドに対する静電容量がコモン・モード電流の注入と検出を行なう。 それぞれのケーブルの根元のフェライト・スリーブが それぞれのスリーブについて結合を 15dB 低下させるが、 上端のスリーブが些細な効果しか持たないことがわかるであろう。 これは、例えば、電話加入者端末器具の中波感受性を 器具のケーブルにフェライト・スリーブを取り付けることで改善することが困難であることを示す。
よりありふれた状況では、電気的ケーブルが、 その双方がアンテナの用語でグランド・マットとして見られるかも知れない 2つの比較的大きな物体のあいだに引かれる。 この場合、その共振は、上で述べた2つのアンテナがその先端で接続されたもののそれである。 その一次共振と三次共振における電流分布を Fig. 11 に示す。
共振はケーブルが半波長の何倍かと等しい電気的長さを持つ時に生じる。 それぞれの共振においては電流はそれぞれの端で最大となるが、 様々な周波数では様々な場所で他の極大が生じる。 ケーブルの絶縁の誘電率のため、 ケーブルの電気的長さがその物理的長さよりも長いことに注意すべきである。 一般に、全ての共振周波数で電流の最大を見ることに確信を持てるかも知れない唯一の場所は 大きな物体への低インピーダンス接続の近くである。 フェライト・チョークは然るべく配置されるべきであり、 電気的絶縁 (例えばフォトカプラの使用) は 近くのフェライト・チョークの効果を無効とするかも知れないことを認識すべきである。 だが、ケーブル上の特定の位置のフェライト・チョークは、 データ送信クロック周波数のような特定の周波数での共振への対処のために有効かも知れない。
EMC 試験環境におけるケーブルの扱いについては、[5]、[6]、及び [7] でより詳細に述べている。
ケーブルが他のケーブルに近接している、あるいはダクトやケーブル・トレー内にある時、
コモン・モード特性インピーダンス (あるいは電圧/電流比) は小さくなるであろうものの、
上で述べた共振効果は定性的に似ている。
その放射効率はアンテナと比較してかなり低くなるであろうが、
それ自身が放射するかも知れない他のケーブルへのエネルギーの移行の可能性が高い。
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| Fig. 12: 電流補償チョーク |
ラインとニュートラルに独立したチョークが付けられた主電源フィルタは古典的な事例である:
50/60Hz 電流の流れはそれらのコアを飽和させ、
主電源電流波形の頂上で伝導性エミッションのバーストを通過させ得る。
(タイムベースが主電源周波数にロックされたオシロスコープでエミッションを調べることは、
しばしば興味深く、また啓発的である。)
この問題に対する古典的な対処は、それらの独立したインダクタを、
ラインとニュートラルの巻線が単一の磁芯を共有するが
結果的なコアの磁化が相殺されるように構成された「電流補償チョーク」で置き換えることである。
これは、コアが差動モード電流に影響しないという通常の利点を与える
「コモン・モード・チョーク」となる。
この用途では、DM 電流は関係する負荷への電力入力であり、
飽和の何らかの危険をもたらす通常は LF や DC の電流である。
だが、ラインとニュートラルの電流のバランスは重要である:
私はゲート制御整流器がニュートラル入力にしっかりと接続された電力制御装置を見たことがある。
その整流器のゲートはニュートラル入力と負荷側のニュートラルの双方に接続された
時限駆動回路で制御され、従ってチョークのニュートラル巻線を短絡させて
そのライン側巻線をコアを飽和させられる不平衡電流に曝させた。
これはその何頁にもわたる回路図では容易に起き得たが、チョークを役立たずにした。
Fig. 12 は電流補償チョークのいくつかの例を示す。
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| Fig. 13: フラット・フェライト・コア
(Wurth Elektronic の好意による) |
これは理想的な構成ではない: そのコアは必然的に重く、複数回の「巻線」は不可能である。 これは減衰を制限し、設計段階でグランド・リターン経路に適切な注意を払う方が遥かに良い。
次の号では、 ケーブル上のコモン・モードと差動モードの電流のための高品質広帯域トランスジューサを含む、 EMC 工学における磁芯の他の用途を述べたいと思う。
[2] www.design-emc.co.uk product family B03x
[3] Gross T A O, 1976,“Super toroids with zero external field made from regressive windings”, Electronic Design, September 1st 1976
[4] www.design-emc.co.uk product BSF5U
[5] Marshall R C, “Equipment Cabling and EMC Testing”,
EMC Compliance Journal, May 2002 pp28-34.
和訳: 機器のケーブルと EMC 試験
[6] Marshall R C, 2003,“Reducing errors due to resonances in radiated and conducted EMC testing”, Paper 4F1, Industrial Forum, Zurich EMC Symposium, February 2003
[7] Marshall R C, 2003,“Cable resonance in EMC test chambers”, EMC - it’s nearly all about the cabling: IEE Colloquium, London, 22nd January 2003
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: 2013-04-21