Electrical ＆ Magnetic EM上島Lab 代表

上島 敬人

【略歴】
総合家電メーカーにて42年間白物家電...もっと見る 【略歴】
総合家電メーカーにて42年間白物家電の設計開発部門にて下記業務に従事。
《商品設計（電気系）》
　ハードウェア設計・評価：アナログ設計、SW電源、インバーター等
　プリント基板設計：製造性、法規に熟知した実装パターン設計
　品質・信頼性評価：EMC、熱、電気系信頼性評価・対策
　開発マネジメント：FMEA、DR、法規等QMS管理・対内外折衝、VE推進
《電気系開発技術・システム開発》
　CAD/PDMを中心としたシステム開発・運用
　CAE：電磁界シミュレーションを活用したEMC検証、対策

【取得資格】
　iNARTE EMC Design Engineer

皆様、こんにちは。ＥＭ上島Ｌａｂ 上島です。
第5話では、電磁誘導とは何かについて考えてみました。おさらいをすると磁束の変化によって誘導電圧が発生し、以下の式 (1) で表現できると言うことでした。

ここで改めて式をながめてみると、二つのことに気づきます。一つは第4話でも注意を促したように、磁束の変化により誘起するということ、もう一つは『 － ：負記号』がついている点です。つまり電磁誘導は変化しなければ発生しないということと、磁束の増減に反する方向に誘起するということです。この現象は、スイッチング電源やモータなどに応用されますが本コラムは『ノイズ』が主題ですので、応用については別の機会に、ということで割愛させていただきます。

ノイズってなに

さて、ノイズです。電磁誘導とノイズを関連付ける前に、そもそも『ノイズってなに』ということに触れておきたいと思います。インターネットを検索すると『処理対象以外の不要な情報』と定義されており、電気工学に範囲を狭めると『電気信号の無作為な変動』とされています。つまり『意図していないもの』であり、『変動するもの』ということになります。
最初に、意図しないのに発生してしまうというのはどういうことなのか問題について考えてみます。信号がsin波 (正弦波) の場合は、その波形は以下の図1のように電位0と \(V\) を一定の周期 \(T\) で繰り返す安定波形をいい、その周波数は変動しません。

スペクトラムで見ると、単一の周波数成分 (必要な信号分) しかないことがわかります。
一方、矩形波の場合はどうなるでしょうか。

矩形波をスペクトラムでみると、図2のように単一の周波数だけではなく、高次の周波数成分が含まれていることがわかります。言い換えると、高次周波数の合成されたものが矩形波とも言えるわけですが、1と0の組み合わせで情報を構成するディジタル信号は高次高調波で構成された信号が故に、配線にディジタル信号による電流が流れる際、高次高調波による様々な物理現象が発生することになり、この意図しない物理現象がノイズと表現するということになります。さらに、デバイスのスイッチング特性や、配線インピーダンスの影響を受けるなどして、矩形波に歪みが生じると、そのスペクトラム (波形に含まれる意図しない周波数成分) はさらに複雑になり、そのノイズにより発生する物理現象はさらに複雑になってきます。
このように、必要な情報である自分自身 (矩形波) もノイズの片棒をかついでいることが明らかですので、ノイズ対策自体が自分自身を破壊している (かもしれない) ことを意識しながら、ノイズを物理現象として捉え適切な対策を考えなければなりません。

理解してくれない、の原因は自分自身にあり

第5話までは、構造設計といかに理論に基づいて協議を行い、商品を練り上げていくか、ということを失敗談などを織り交ぜて、ありがちなお話をしてきました。一方、今回の第6話では、改めて『そもそもノイズって何』からはじめてみると、何をいっているのか意味不明になってきましたね。電気系のわかってもらえない一番は文言が難しすぎて、『なんだかよくわからないけど何とかしといて』と自助努力に陥ってしまいがちなところでしょうか。
説明相手に、現象と対策を説明し協力を得るにはいかに相手の理解できる言語に変換できるかによります。そのためには説明者自身が、理論や物理現象を良く理解しておく必要があります。理解してもらえない＝説明の浅さは詰まるところ実は自分の技術力の浅さと自己反省をしっかりした上で、次回は電磁誘導とノイズ対策を関連付けていこうと思います。

最後までお読みいただきありがとうございました。