導体と「導電パス」

電気回路や電子回路で最も一般的に使用される部品は何ですかと尋ねられると、一般的な答えは「もちろん、誰もがその抵抗を知っています」または「それはコンデンサに違いありません」、さらには「トランジスタなしでは何も動作しません」ということもあります。 実際、これらの答えはどれも正しくありません。 本当の答えは、導体が最も一般的なタイプのコンポーネントであるということです。

明らかに、導体がなければ回路などというものは存在しません。 導体は電気回路の基本コンポーネントであるにもかかわらず、導体に関係する物理学については驚くほどほとんど考慮されておらず (教科書以外では)、導電構造 (「シャーシのアース」など) の特性を考慮することはさらに重視されていないようです。これらの導体および導電性アセンブリが回路内の臨界電流リターンパスに使用される場合。 おそらくこれは、ワイヤーがそれほど魅力的ではないと思われるためです。 皮肉なことに、EMC エンジニアリングを成功させるには、まさにそのような理解が必要です。

この記事では、次のような多くのトピックを検討することで、導体と導電パスの主要な側面について読者の知識と理解を新たにします (またはおそらく開始します)。

指揮者の歴史

導電性材料 (鉄や銅など) で作られたワイヤーはおそらく数千年にわたって使用されてきましたが、機械部品として使用されていました。 電流の経路を定義する方法として初めて使用されたのは、数百年前 (1700 年代) のことです。 それらの最初の電気利用のいくつかは、植民地時代のアメリカで、建物の上に置かれた鉄の「棒」に導線を取り付け、落雷が地面に安全に伝わる経路を提供することで、木造建築物を保護するためのものでした。建物全体に広がります（何度も火災を引き起こしました）。 この目的でのワイヤーの使用 (および関連する避雷針の発明) はベンジャミン フランクリンによるものとされています。

19 世紀初頭、「電気の流れ」に対する関心と世界的な関心が高まる中、マイケル ファラデーは導体の特性を理解するために実証実験を行った最初の人物の 1 人でした。

1800 年代が進むにつれて、配電や通信 (電信システム) など、電気の用途がさらに開発されました。 これらのシステムがより複雑になり、物理的に大規模になり、資本集約型になるにつれて、これらの相互接続方法をより完全に理解したいという要望が高まってきました。 その結果、オリバー・ヘヴィサイドは、伝送線理論や今日見られる「同軸」スタイルのケーブルなど、1880 年代に多くの重要な概念や発明を開発しました。

図 1: 指揮者の使用の先駆者、ベンジャミン フランクリン、マイケル ファラデー、オリバー ヘヴィサイド

指揮者の目的は何ですか?

雷保護用のワイヤの進化から電力と信号の分配、そして今日に至るまで、導体の目的は 1 つだけであることがわかります。 その目的は、電磁エネルギーの伝播に意図した経路を提供することです。

したがって、導体は次の目的で使用されます。

マクスウェル教授が説明するように、電磁エネルギーの意図された経路は「伝導」を経由するものです（コンデンサを「流れる」電流などの「変位電流」の理論に加えて）。

エネルギーがソースから負荷にどのように伝導されるかを理解するために、「理想的な」エネルギー伝達ループの概念から始めます (図 2 を参照)。

図 2: 基本または「理想的な」エネルギー伝達ループの概略図

「理想的な」エネルギー伝達ループ

図は、「発電機」によって代表される電力 (または信号) の源を示しています。 図の反対側は負荷 (インピーダンスで表すことができます) です。 エネルギーをソースから負荷に伝達するプロセスは、図の実線で定義される伝導経路を介して行われます。 この伝達は通常、一方の導体に沿って「電流の流れ」があり、もう一方の導体が「電流の戻り」として機能するという点で、水の中の流れに似ていると説明されます。 この見方は間違っていませんが、場合によっては、エネルギーを発生源から負荷まで導かれる電磁波として視覚化した方がよい場合があります。

接続経路のインピーダンス

理想的なエネルギー伝達ループを使用すると、(残念ながら) システムおよび回路設計において、導電パスは常に単純なゼロ インピーダンス接続によって特徴付けられるという仮定が生じます。 問題は、実際の回路構築では、導電性材料が使用されているにもかかわらず、実際にはこれらの材料の物理パラメータ (厚さ、幅、材料の抵抗率など) が「ゼロではない」ことです。 導体の物理的サイズに応じて、実際には、図 3 に示すように、関連する体積または表面抵抗率を持つものとして定義する必要があります。体積抵抗率については、等しい立方体などの単位体積を使用するのが一般的です。 X、Y、Z 方向の寸法。 表面抵抗率 (材料の厚さが他の寸法より大幅に薄い場合) には、X および Y 寸法が使用されます。

図 3: 導体の実際の関連体積と表面抵抗率の定義

通常、電源から負荷までの導電経路を確立する方法は、さまざまな直径のワイヤ (「ゲージ」と呼ばれる) を使用することです。 図 4 は、さまざまなワイヤ形状とワイヤ直径を識別するための一般的な方法を示しています。 ワイヤの抵抗は、その材質と物理的寸法の両方の関数です (通常、直径は「MIL」で表され、0.001 インチに相当します)。

図 4: ワイヤのさまざまな形状とゲージを決定する方法

物理的寸法と材料特性を使用することで、ワイヤの抵抗を決定する簡単なプロセスになります。 これを以下に示します。

ワイヤの抵抗の計算

この例では、1,000 フィートのワイヤの抵抗は 1 オームです。 長さが2倍になれば抵抗も2倍になることがわかります。 意味あり。 ただし、この時点で興味深い観察ができます。つまり、ワイヤの断面積が減少する (小さくなる) と、ワイヤの抵抗が増加するということです。

ワイヤ サイズ (「ゲージ」) ワイヤの選択と用途に一貫性を持たせるために、通常、米国ワイヤ ゲージ (AWG) テーブルに従って番号付けされたサイズで製造されます。 これらの表は、0000 ゲージ (ソリッド ワイヤの直径 460.0 ミル) から 40 ゲージ (ソリッド ワイヤの直径 3.1 ミル) までのワイヤ サイズを示しています。 特に注目すべきは、これらの表によれば、ワイヤは引き抜かれた金属の単一のロッドまたはフィラメントであるという事実です。 もちろん、別の種類のワイヤは、実際には、単一のワイヤとして機能するように束ねられた多数の単線です。 これは、より正確には、より線導体またはケーブルとして知られています。 表 1 に、さまざまな AWG サイズの代表的なケーブルの DC パラメータを示します。 図 5 は、単導線とより線導体の「ワイヤ」の違いを示しています。

表 1: ゲージと直径ごとのさまざまなワイヤの DC 抵抗を示す表

なぜ単線と撚り線の両方の「ワイヤ」(導体)があるのでしょうか? それぞれに独自の利点があり、特定の用途に最適なものを選択できることがわかりました。

ソリッド ワイヤの場合、次の属性があります。

一方、より線は、次の特性が必要な場合に使用されます。

単線のサイズを定義するのと同じ方法で、より線導体の物理的寸法も定義します。 興味深い点は、「ゲージ相当」の単線導体と撚線導体の直径が同じではないということです。 これは、より線が 1 つの束に含まれるときに、より線の間にある程度の空きスペースがあるという事実によるものです (ワイヤが円形であるため)。 これは、図 5 の撚線導体の断面図で見ることができます。

図 5: ワイヤとケーブルの導体の両方の図

単線と撚り線の両方の例を表に示します (表 2)。 テーブルは次のように使用されます。

表 2: 単線ゲージと撚線ケーブルを同等にする表

ワイヤーの EMC の側面

ワイヤの DC 特性は重要ではありますが、EMC 作業において主に懸念される特性ではありません。 考慮すべき重要な要素は次のとおりです。

非 DC 電流のワイヤ (または任意のタイプの導体) を使用する場合の重要な考慮事項は、表皮効果現象により周波数とともに増加する AC インピーダンスがあることです。 表皮効果により、電流が流れる断面積が減少します。前の式で見たように、抵抗が増加すると断面積が減少します。 同じ条件が AC インピーダンスの一因となります。 これは、次の図と式に示されています (図 6)。

図 6: 導体の AC インピーダンスは、DC 抵抗と AC 抵抗の 2 つの部分で構成されます (ワイヤの半径が約 2 表皮深さを超えると)

さらに、導体の AC 抵抗とリアクタンスは両方とも表皮効果の結果として周波数とともに変化し、抵抗比係数 (X) に反映されます。

DC抵抗、AC抵抗、誘導リアクタンス

AC 抵抗が DC 抵抗よりも優勢であるという事実が十分に悪くないとしても、ワイヤは電流ループの一部であるため、自己インダクタンスもあり、インピーダンスがさらに高くなります。

表 3 はこれらの効果をまとめたものです。 わずか 1 MHz で、AC 抵抗が DC 抵抗よりも 1 桁大きく、誘導リアクタンス (XL) が AC 抵抗の数百倍であることは驚くべきかもしれません。

表 3: さまざまなワイヤゲージの AC 抵抗、DC 抵抗、誘導リアクタンス (部分インダクタンスによる) の比較

表 3 はこれらの効果をまとめたものです。 「インダクタンス: 誤解、神話、真実」で説明されているように、わずか 1 MHz で、ワイヤの部分インダクタンスにより、AC 抵抗が DC 抵抗および誘導リアクタンス (XL) よりも 1 桁大きいことは驚くべきことですらあるかもしれません。 」はAC抵抗の数百倍です！

図 7 には、ワイヤの長さ、直径、およびその部分インダクタンスの関係も示されています。 「小さな」値のインダクタンス (数マイクロヘンリー) であっても、EMC 周波数では高いインピーダンスを持つことがわかります (X = jωL のため)。

図 7: ワイヤの長さ、直径、およびその部分インダクタンスの関係

単線の特性を調べたところで、今度はより線の特性を見てみましょう。

撚り線の抵抗 (およびある程度の自己インダクタンス - 相互インダクタンスの影響を無視) は、各撚り線の抵抗 (インダクタンス) を数値で割ったものとしてモデル化できるという近似ができることがわかりました。ストランドの数（各ストランドが他のストランドと実質的に平行であるため）。 興味深いことに、これは回路内で生成される「火花」を単純に観察したマイケル・ファラデーによって初めて経験的に観察されました。 同じ平行ワイヤを広げた場合、ワイヤ束の長さは変化せずに、「火花」は減少しました。 もちろん、「スパーク」が少ないほど直列インダクタンスが少ないことを意味することがわかっています。 ファラデーの観察は次のように記録されています。

通信用配線

1800 年代が進むにつれて、「最先端の」通信システムは電信システムになり、後に電話システムになりました。 これらのためのインフラストラクチャが開発および構築されるにつれて、導体 (現在では伝送線路と呼ばれています) の物理学を詳細に理解する必要が生じました。 長距離通信路には、これまでに見られなかった独特の特性があることが判明しました (図 8)。 これは、これらの設備が相互接続導体 (配線) を利用した大規模システムの最初の広範な開発であったためです。 これが、伝送線路理論の基礎となる「電信方程式」（後述）の開発につながりました。

図 8: 初期の電子通信の要件により、導体についての新たな理解がもたらされた

…そしてそれは起こりました – 最初の (そして今でも唯一の) 正しいアース接続です!

1800 年代の電気通信ブームが続くにつれ、システムを構築するためにより多くの電線が必要になりました。 この必要性から、すべての電気工学手順の基本の 1 つが生まれました。それは、アースを電流の戻り経路として使用することで、必要なワイヤの量が半分だけで済むという発見です。 したがって、「アース」という用語は電気接続を表す造語です (図 9)。

図 9: 「グランドリターン」という用語の初期の言及

グランドリターンの解析

この長距離電話および電信接続の実践は、地球の幾何学的形状と導電率の独特の物理的関係により可能でした。 インピーダンスが大幅に変化するリターンパスではなく、抵抗が 4 オームをわずかに超える漸近限界に達していることがわかります (図 10)。

図 10: 接地接続における抵抗の平準化を示すグラフ

これは、電流が流れることができる広い領域 (平行ワイヤと同様) と、皮肉なことに、グランド接続の抵抗が長い信号ワイヤよりもはるかに低かったためです。 これにより、グランド接続は (他の回路と比較して) 低インピーダンスの経路であるという信念がさらに確立されました。

ヘビサイドの発見: 電信技師の方程式

その後、(電信) メッセージ信号の速度が増加するにつれて、興味深い現象が発生しました。 一部の伝送路により、信号が受信側で影響を受け、送信側の本来の特性から変化してしまうことが判明しました。

その後、ヘビサイドはファラデーのインダクタンスの観察を調査し、マクスウェルの研究を参照し、その研究から回線特性が信号伝播にどのように影響するかを明らかにする「電信の方程式」を開発しました。 これがすべての伝送線工学の基礎となりました。

これは驚くべき洞察でした。 ヘヴィサイドは、電信伝送線路に 2 つの導体を使用すると、線路に容量性と誘導性の特性が生じることに気づきました。 (これは以前は認識されていませんでした。)彼は、キャパシタンスとインダクタンスは一対の導体の長さに沿って連続的であるため、伝送線路に沿った集中成分または分布成分として表すことができることを正しく理解しました (図 11)。

図 11: ヘヴィサイドは、キャパシタンスとインダクタンスは一対の導体の長さに沿って連続的であり、「集中」または「分布」として表すことができることに気づきました。

ここで、Heaviside の研究を送電線モデルの発見と呼びます (図 12)。 最も重要なことは、この発見により、特性インピーダンス (Zo) の観点から伝送を記述することが可能になったことです。特性インピーダンス (Zo) は、線路に沿った分布インダクタンスとキャパシタンスの関数であり、線路の長さに依存しません。

図 12: 伝送線路モデルの図と式

伝送線路モデル

伝送線路の信号伝播伝送線路理論の鍵は、「電力」であれ「信号」であれ、エネルギーがどのように線路に沿って伝播するかを理解する能力です。 これを非常によく視覚化したものを図 13 に示します。

図 13: エネルギーが線に沿って伝播する様子を示す図 (Henry Ott 提供、『Electromagnetic Compatibility Engineering』218 ページ)

見てわかるように、本質的な伝播は、線路直列インダクタンスを流れる電流と実効並列コンデンサの「充電」によって行われます。 コンデンサの充電には時定数があるため、空気/真空中を通る従来の「光速」の電磁波伝播に比べて伝播速度が遅くなります。 この伝播速度の低下の影響は「速度係数」で知られており、インダクタンスとキャパシタンスの値に基づいて変化します（これらは、伝送線路の形状と伝送線路の構造に使用される材料の両方によって決まります）。

一般的な伝送路の例

今日の伝送線は通常、同軸または「ツイスト ワイヤ ペア」（TWP）のいずれかです（図 14）。 同軸ケーブルは電界をシールドするために使用され、TWP は伝送線からの放射または外部干渉からの磁界をシールドするために使用されます。

図 14: 同軸線が上に示され、ツイストペア線が下に示されます。

他のタイプの導電パス

一般的な方法は、金属シャーシまたはエンクロージャを信号または電力リターンの導電パス (通常は「ケース接地」と呼ばれます) として利用することです。 これが行われる理由は次のとおりです。

残念ながら、「接地」経路のインピーダンスが不明であるという事実により、実際のエネルギー伝達ループは「理想的な」もの (前述) とは大きく異なります。 実際のループを図 15 に示します。

図15

実践の意味

この図から、シャーシまたはエンクロージャを電気リターン パスとして使用すると、「グランド」インピーダンスが未定義になり、想定されるゼロ (0) オーム以外になることが容易にわかります。 このインピーダンスは、抵抗 (材質と周波数による) とインダクタンス (形状による) の 2 つの項で構成されます。 残念ながら、これはシステムの回路図を見ても明らかではありません。この方法で得られた等価回路を図 16 に示します。

図16

まさに「グラウンディング」！

シャーシの導電パスは (アースと比較して) 非常に小さいため、パス インピーダンスが大きくなり (図 16)、原因不明の「グランド シフト」状態が発生する可能性があります。

信号「接地」

信号リターンを導電性シャーシに接続すると、信号電流経路のインピーダンスや他のリターン電流の存在により、望ましくない結果が生じる可能性があります (図 17)。

図 17: 信号リターンの回路図

シグナルリターン – ベストプラクティス

最善の解決策は、十分に制御されていない、または干渉電流が流れる可能性のある導電パスから信号の戻りを分離することです (図 18)。

図 18: 導電パスからの信号リターンの絶縁

まとめ

回路を扱うときに意識する必要がある導体には、次のような否定できない現実があります。

そして、教訓は、どんな導電パスもただ仮定するだけではなく、評価する必要があるということです。

参考文献

この記事は、2011 年の IEEE EMC シンポジウムの「基礎」ワークショップで行われたプレゼンテーションに基づいており、基礎セッションで議論された種類の資料の一例です。

導電性導体パス導体マーク・ステフカ

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