フェライト・コア・トランスの風変わりな応用

by Richard Marshall, MA, CEng., FIEE, FIET, FInstP, Richard Marshall Limited

翻訳: T.Sato

この記事で、Richard は、以前の2つの記事 [8][10] の手法を用いた、フェライト・トランスのやや風変わりな応用を4つ述べる。

最初のものは「切換型インピーダンス」の作成と使用について示す。第2のものは管理された広帯域インピーダンスを与える。その後、広帯域電流イミュニティ試験ツールを述べる。高周波性能を最大とするために、それぞれの場合で特別な巻線設計が用いられた。

最後の例はフェライト・コアの低周波性能を拡大し、低損失のインダクタンスを与える低い周波数でフェライトを使用する際にあり得る落とし穴を示す。

この記事は論理的に以前のものの続きであるので、章、図、そして参照番号も EMC Journal の5月号のものの続きとなっている。

19) EMC 試験における自動「ケーブル配置」

Fig. 22: switched cable decoupler の動作原理

Fig. 23: FAR 測定での switched decoupler の効果 (データは NPL の好意による)

Fig. 24: switched cable decoupler の設置前の、全無響室内の「ダミー EUT」に接続された2本のケーブル (NPL の好意による)

Fig. 25: 他の試験の状況でのスペクトラム・アナライザの表示へのパルス駆動 SCD の影響を示し、 2つの異なるエミッション測定レベルを明らかに識別できる。

Fig. 26: 試作の SCD (左)、コントローラ (右)、及び接続用のプラスチック光ファイバー

ケーブルが接続された被試験装置 (EUT) の放射パターンは、 EUT 自身からのエミッションとアンテナとして振る舞う接続されたケーブルからのエミッションとの相互作用によって複雑となる。その影響は2つの接続されたケーブルがある場合に特に明らかとなる。測定アンテナに向かうエミッションの同相での加算によるいくらかの増加と、それらのエミッションが同じ振幅で逆相である時の鋭い低下がある。これらはケーブルの配置にクリティカルに依存し、測定の正確さと繰り返し性を低下させる。このため、EMC 試験規格は、測定値が最大となるように試験技術者がケーブルの配置を調整することを求める。だが、最良の位置は周波数によって異なるであろうため、これはひどく困難である。

Fig. 22 のように、短絡できる二次巻線を持つフェライト・スリーブから、「switched cable decoupler」 (SCD) を作ることができる。

このデバイスを用いることで、ケーブルを動かすことに頼らずに最悪条件に近い測定を行なえることが示されている。参考資料 [11] [12]、そして下の Fig. 23 を参照されたい。

Fig. 23 は全無響室内の「ダミー EUT」からのエミッションを示す。その EUT には2本のケーブル ――主電源、及び 0.7m の「アクセサリ」ケーブル―― が接続されていた。後者は、EUT の近くに SCD が取り付けられ、EUT のケースに接続されていた。双方のケーブルは、Fig. 24 で見られるかも知れないように、EUT から垂直に垂れ下げられていた。

青いプロットは、フェライトの高インピーダンスによってアクセサリ・ワイヤが EUT からほぼ分離されるように SCD スイッチを開いた時のエミッションである。

赤いトレースは SCD を低インピーダンス状態とした時のエミッションを示す。この時、アクセサリ・ケーブルは 120MHz 前後で 1/4 波長共振を示す ―― 結果的な放射は主電源リードからのエミッションをほぼ相殺し、そのグラフで見られる顕著なノッチを生じる。低い周波数では、アクセサリ・リードは EUT のグランドへの静電容量を増加させ、主電源リードの干渉電流を増加させて総エミッションを増加させるだけである。

SCD は、EUT ケーブルのあいだの相互作用から生じる、測定結果の相当の変化をもたらした。 Fig. 23 から、最悪条件の単一の構成はないことがわかる: 114MHz 以下では一方が悪く、この周波数よりも上ではその逆となる。

Fig. 22 の SCD のスイッチは、光ファイバーを介して遠隔で切り替えられる PIN ダイオードとすることができる。測定用受信器の検波器を「ピーク」に設定して、SCD を2つの状態のあいだでパルス駆動することで、全体としての最悪条件が自動的に選ばれるであろう。

この SCD の「巻線」は粘着式の銅テープであり、可能な最小の漏洩インダクタンスの達成のため、その巻線とスイッチング・ダイオードは分割型フェライト・コアのもう一方にも置かれている。

SCD とそのコントローラを Fig. 26 に示す。

左側のユニットは SCD 本体である: EUT ケーブルは左端の穴から通される。右側の箱はパルス発生回路と選択スイッチを含む。

この新機軸は広く採用されていない ―― だが、フェライト・スリーブのインピーダンスの制御の原理は、次に述べるように、広い周波数範囲にわたって一定のインピーダンスを維持するコンポーネントを与えるために拡張された。

20) フェライト・チョークのインピーダンス/周波数特性の調整

Fig. 27: トランス結合コンポーネントを用いることで広い周波数範囲で規定されたインピーダンスを得ることができる。

Fig. 28: 広帯域インピーダンス安定化デバイスの構造

試験エリアを離れる箇所で EUT ケーブルのインピーダンスを規格化する多くの試みが行なわれてきた。例えば: LISN, AMN, CDN, CMAD, CDNE, そして吸収クランプ。そのようなデバイスの規定や設計はいくらかの論争の対象となるが ([13] 参照)、ケーブルに容易に取り付けられる規定されたコモン・モード直列インピーダンスがしばしば有用であることは指摘できる。このシリーズの最初の記事で、Fig. 1 と 3 はフェライト・コアのインピーダンスが周波数によってどれほど顕著に変わるかを示した。だが、 switched cable decoupler の原理はインピーダンスの管理が改善されたクリップ式フェライト・デバイスを与えるために拡張できる。 Fig. 27 参照。

黒いプロットはフェライト・スリーブのインピーダンスを示し、青いプロットはシャント抵抗によってそれをどのように安定化できるか ――低い値にであるが―― を示す。赤いプロットは、抵抗と直列にコンデンサを追加することで、インピーダンス安定化をどのように低い周波数へ拡大し得るかを示す。

Fig. 28 は以前の図で示したように装荷された分割フェライト・コアを示す。高周波で可能な最良の結合の達成のため、負荷はそれぞれの半分のコア上の巻線に分割される。

二次導体は表面実装部品を挿入できるように鋭いナイフで切断された自己接着型錫めっき銅テープである。 1つの抵抗は、コアの右側の片割れの上、背面の中央に見える。同様に、テープは表面実装コンデンサのために巻線の端の近くで切断されている。

勿論、インピーダンスと帯域幅のあいだにはトレードオフがある。だが、これらのデバイスは 50～75Ω のインピーダンスで 30～300MHz の周波数範囲をカバーするようにできる。 75Ωデバイスを2つ直列にすれば、一般にコモン・モード・ケーブル共振の制動に最良とみなされている 150Ωを与えられる。参考資料 [14] と [15] を参照。

21) 伝導性イミュニティの広帯域試験

Fig. 29: 広帯域電流注入試験機

Fig. 30: 50Ω への低周波帯エミッション

Fig. 31: 50Ω への高周波帯エミッション

Fig. 32: クランプ式二重トランス。明確にするため EUT ケーブルは省略した。

電流注入イミュニティ試験は広く知られているテクニックである。だが、多くの異なる周波数の同時注入の結果としてもたれされ得るより高い現実性と短縮された試験時間の利益の可能性にもかかわらず、公式な試験法は本質的に単一周波数の注入について標準化されてきただけである。複数周波数注入は、既知の注入レベルやその他の試験条件を広い周波数範囲にわたって達成する必要があることから、技術的に挑戦的である。

だが、風変わりなフェライト・コア・トランスによってこれらの問題をほぼ克服した電流注入試験機が作られている [16]。これは Schaffner Instruments が NSG420 として製造/販売したもので、 EC 規格に従うことが今日ほど厳格でなかった時、開発試験やトラブルシューティングのための使用でのメリットがあることがわかった。その製造は 1999年に終了したが、この試験機は今でもレンタルや中古での購入が可能で、いくつかの試験所で利用できる。専門家向けオーディオ機器の試験のための適用に特に関心が持たれたことがある [17]。

Fig. 29 は初期の試作品である。

この試験機は、EUT ケーブルの周囲をクランプし、擬似ランダム・シーケンス発生器からの広帯域の「コム」信号を注入する、電流トランスを中心として作られている。注入されるスペクトラムを Fig. 30、及び 31 に示す。残されたギャップを埋め、EUT の他の故障モードを励起するために、さらに低周波での AM や FM の変調を行なうことができる。

測定帯域幅の変更のため、それらの2つのチャートは 30MHz で滑らかに繋がらないことに注意されたい: これは広帯域エミッションである!

その試験機の主要な要素は、Fig. 32 に詳述したフェライト電流トランス・アセンブリである。

EUT ケーブルへの結合は、その一方はケーブルと直列に電圧を印加し、他方は結果的な電流の流れをモニタする、 2つの分割コア・トランスを介して行なわれる。この注入トランスは低い周波数で必要な電力定格の達成のために複数のコアを用い、強磁性共鳴 (2013年3月の記事の第2章を参照) よりも上の周波数での応答の最大化のために銅テープの一次巻線をそれぞれの片割れに重複して配置する。その単巻の一次巻線は、矩形駆動波形の可能な最速の遷移時間を達成するように、並列のデジタル・バス・ドライバ回路でプッシュ・プル駆動される。

モニタ・トランスはその出力が整流されて dBmA で校正された LED バー・ディスプレイに印加される多巻の二次回路を持つ。そのトランスの設計上の要求は、この用途では分割コアが必須であったことを除き、 2013年5月号の第15章で述べた電流トランスに対するものと似ている。

これらの2つのトランスの組み合わせは、実は、著者が時折有用と感じている非接触インピーダンス測定デバイスを作り出している!

22) 同調フェライト・チョークによる中波や短波の干渉の抑制

3月号で、Fig. 5 は数 MHz から有用なチョーク効果を与えるために多巻の巻線を使用できることを示した。だが、非常に大きいコアと非常に多くの巻数を用いることなしにはこの方法で抑制できない、長波や中波の放送局からの干渉の事例がある。この状況では、同調フェライト・チョークを検討する価値がある。これは、ある特定の周波数でのインピーダンスを増やすためにその「Q」値を使用できるような行儀の良いインダクタを作るために、フェライトを強磁性共鳴よりもかなり下の周波数で用いる。

著者のオフィスは、そこで 200kW 「Radio 5 Live」送信機が中波 909kHz で強力な信号を発生している Brookmans Park から直線距離で 17km ほどのところにある。それはここで唯一の強い信号ではないが、以下の、長さ 15m の架空線の下端に挿入された同調チョークの例のためには良い候補である。

その評価は Fig. 33 のようにセットアップされた。

Fig. 33: 同調フェライト・チョークの評価

青いトロイドとバリコンの設置の前、架空線 (右上から来ている灰色のワイヤ) は電流トランス (3月号の Fig. 21 で示した) を通してローカルなグランド・バスまで引かれた。「Radio 5」変調の除去のために深くフィルタされたスペクトラム・アナライザでのバックグランドは 909kHz で 10kHz 当たり 62dBμV を記録した。この読みは、42dBμA、あるいは 126μA に相当する。以下の 24章を参照。

1MHz で誘導性となるグレードのフェライトは 3F3 材である (3月号の Fig. 1 を参照)。この材料の 36/23/15 トロイドが入手可能であり、電流プローブの近くで「架空線」が 6ターンさせられた。アナライザの読みは 71dBμV に増加した!

これはあまり良く認識されていないが、フェライト装荷が状況を悪化させるのは非常にありふれた状況である。

架空線は 909kKHz での 1/4 波長よりも著しく短く、従って容量性の信号源リアクタンスを呈する。追加されたトロイド巻線の誘導性リアクタンスはこれから差し引かれ、より低いインピーダンスを、従ってより高い電流をもたらす。格言は、「遠端がグランドから分離されたケーブル上のコモン・モード・インダクタの低い周波数での利益を信じないこと」。

だが、この問題は、インダクタを並列共振回路にするためにシャント・コンデンサを追加することで解消する。架空線への直結を避けるため、白いワイヤがそのあいだに巻かれ、 Fig. 33 で示した同調コンデンサに接続された。コンデンサが後で 390pF と測定された値に調整された時、アナライザの読みは 45dBμV に低下した。これはフェライト・コアや巻線の細部を最適化するための真剣な取り組みなしでのそのデバイスからの 17dB の改善を示す。

同調フェライトは他の外的な手法では全く解決不能であったであろう著者の問題を解決した。

23) まとめ

EMC におけるフェライトとケーブルのこのレビューは、このトピックで終わりとなる。

24) 補遺

5月号 [10] の Fig. 19、20、及び 21 は電流プローブの校正係数を示した。これらの係数は、入力電流が 50Ω 抵抗を介した電圧源として測定された校正試験 (Fig. 18) によるものであるので、単に dB と表現された

実際の使用では、測定された出力電圧から入力電流を求める必要がある。この変換は以下のように行なえるであろう。一次「巻線」を通る 1mA (= 0dBmA) の入力電流を仮定する。二次巻線は 5ターンであるので、誘起電流は 1/5 mA となるであろう。出力電圧測定デバイスは 50Ω の入力インピーダンスを持つであろうから、その読みは 50 × 1/5 = 10 mV (= 20 dBmV) となるだろう。従って、dBmV 出力から dBmA 入力への変換は出力値から 20 を引くことで得られる。 dBμV から dBμA への変換も同様である。

25) 参考

[10] Marshall R C, “Ferrite-cored transformers and their application in EMC design and test”, EMC Compliance Journal, May 2013 pp 27-30
翻訳: フェライト・コア・トランス、そして EMC 設計/試験におけるその応用

[11] Gonzales D, Alexander M, Lee J & Marshall R C, “Switched Cable Decoupler Measurements”, York EMC Conf., 2000, 10-11 July.

[12] Marshall RC,“Equipment Cabling and EMC Testing”, EMC Compliance Journal, May 2002 pp 29-34
翻訳: 機器のケーブルと EMC 試験

[13] Marshall RC,“Rationale supporting the introduction of unbalanced CDN/LISN/AMN networks for mains cables”, EMC-UK Conference, Newbury, October 9th-10th 2012

[14] Marshall R C,“Chamber exit filters for radiated EMC testing”, EMC York 2000, 10-11 July.

[15] www.design-emc.co.uk product family 16Xx

[16] Marshall R C, “Convenient Current Injection Testing”, 7th International Conference on EMC, York, 28/31 August 1990. pp 173-176

[17] Armstrong, K, & Williams, T, “EMC testing; Conducted Immunity”, EMC Compliance Journal, October 2001 pp 19-24

放送アンテナのアナロジー
中波アンテナ送信塔はワイヤ・アンテナを支持しているわけではない: 鉄塔自身がアンテナである。それは、大地端でエネルギーを最も効率的に供給できるように、 1/4波長の寸法とされ、同調が取られている。もしアンテナが短か過ぎればそのインピーダンスは容量性となる: もしそれが長過ぎればそれは誘導性となる。
塔は図の下側の写真にあるように絶縁の上に立てられる。低電位側の送信機端子は大きなアース・マットに接続される。
非実用的な物理高を用いずに必要な電気長を達成するために、真中の写真にあるように、塔はしばしば絶縁された頚部にインダクタを含む。同じ理由のため、右上の写真にあるようなロッドとワイヤによる鉄塔の頂部での容量性の装荷が行なわれるかも知れない。
原理的に、ここで示すように、送信塔の電流分布は頂部でゼロで下端で最大である。
EMC のコモン・モードの状況とはそのスケールのみが異なる。アンテナを等価回路に変換したものは、コンピュータに差し込まれたマウスのものと似ている。マウス自身は「頂部装荷」で、カール・ケーブルは塔と誘導性装荷で、コンピュータの導電性の部材はアース・マットを与える。
マウス・ケーブルはおそらくは送信アンテナの 1/100 の長さであり、従って最も効果的に放射する周波数は 100倍程度高い: 1MHz ではなく 100MHz。
マイクロホン・ケーブルはアンテナの 1/10 倍の長さとなるかも知れず、従って最良の受信周波数 ――イミュニティが最悪となる周波数―― は 10MHz のオーダーとなるかも知れない。
このアナロジーはいくつかの EMC 上の規則を容易く導く。フェライト制動は電流が最大となるであろう場所に加える。レジスタンスの代わりにインダクタンスを加えることは良いかも知れず悪いかも知れない。アクセサリ・ケーブルは、「頂部装荷」と同様、測定結果の相当の違いを引き起こし得る。

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: 2013-11-04