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6話では、ノイズを定義するために、波形と波形の持つ周波数成分をスペクトラムという概念で説明しました。スペクトラムの概念はこれからノイズを理解する上で重要となります。

結局、ノイズは意図しない変化により生じた、意図しない周波数成分 (不要輻射) ということになります。しかし、不要輻射の中には、意図した信号波形にもかかわらず、必然として含まれていることを忘れてはいけません。高次高調波が様々な寄生成分に共振することで、目立ってしまう (課題になるくらい強調される) 事態になった周波数成分だけでなく、矩形波のスペクトラムに含まれる高次高調波そのものもノイズとなってしまう場合があるということです。
少し、概念的な話になってしまいましたが、具体的な波形 (現象) でみてみます。

理想の波形が方形波だとして、回路の実波形を観測すると図の様に、様相が異なる波形となっている場合、実際の波形のひずんだ部分が理想波形に混入してしまった、不要なノイズということが言えます。スペクトラムでみると、方形波を構成する基本周波数と整数倍の高調波に加え、歪みの周波数成分が現れます。理想方形波を前提にフィルターなどの回路定数やマイコンのフィルタリングアルゴリズムを設計した場合、想定外のノイズはスルーしてしまい、誤動作や伝導雑音増加の原因となり得ます。

電磁誘導とノイズ

さて、このようなノイズ成分がなぜ理想信号に混入してしまうのかについて考えてみたいと思います。
ノイズ ＝ 歪みとした場合、歪みが発生する原因はいくつか考えられます。一つは自ら発生してしまう場合、もう一つは外乱の侵入です。今回は外乱の侵入を紐解いてみます。外乱そのものの発生も、雷などの外的要因、内部回路素子のスイッチング等による内的要因がありますが、ここでは言及しません。いずこかで生じた外乱が回路に侵入していく様を考えた場合、はっきり見えないので『輻射ノイズ』と都市伝説のように先輩諸氏から教わった方も多いと思います。
確かに、高周波源が接続されたワイヤーは放射アンテナとして作用すると思います。ここはアンテナ理論を紐解けば解の一つとなると思いますが、今回は電磁誘導という現象で考えてみます。外乱 ＝ ノイズ源が接続されたワイヤーがあった場合、ワイヤーにはノイズ源からの高周波電流が流れることになります。
無限大の直線に電流が流れる様を想像してみてください。どこかで見た図が思い起こされますね。そうです、第3話でお話しした下記の図です。電流が流れるとアンペールの法則により磁界が発生します。

いかがでしょうか、電磁誘導により高周波信号 (ノイズ) が伝搬していく入り口がなんとなく想像できてきたでしょうか。

上手な説明とはどういうものか

なかなか理解してくれない相手に説明したり、説得したりするのは骨の折れる作業です。
うまく相手に話が伝わらない原因は、大きく以下二つの側面があるのでは無いかと思います。

1. そもそも自分が良く理解していないので適切な説明になっていない。
2. 理論 (式) ばかりの羅列で、そもそも専門外の相手は理解できない。

私も、商品開発に従事していた頃 1. 2. いずれの場合もあったように思い起こされます。 1. は専門書などで勉強したり、経験値を積み上げることで理解度は増していきますが、 2. の場合はもしかしたら、持って生まれた物 (性格) が支配的かもしれません。いくら理論式の間の言葉を選んで丁寧に説明したところで焼け石に水のようにも思えます。どうすれば良いか、諸説あるかもしれませんが、私の場合、相手がイメージできる現象に置き換えたりします。例えば、本稿で書いた、ノイズの電磁誘導現象の解説のように、です (これもよくわからんという諸兄もおられるでしょうが) 。イメージ戦略も説明する相手のレベル (理系、文系によってなど) により言葉を選ぶ必要があるでしょう。

次回はノイズの伝搬について考え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。