◆ 静電気が帯電した物体は、他の電気の導体を介して、大地に放電します。これを、静電気放電 といいます。このときの放電電流がサージ源になります。
また、放電によって放射ノイズが発生します。
◆ 最近は、半導体素子として、C-MOS が多く使われています。C-MOS の入力は、高絶縁された電極です。この絶縁された電極に薄い高絶縁の膜を介して別の電極があり、コンデンサを形成しています。したがって、C-MOS の入力は、非常に帯電 し易いのです。
この帯電は、とくに、素子を保存しているときに発生します。保存時には、包装に導電性の材料を使用して、帯電を防止する必要があります。
◆ 組み立てのときは、さらに、一層の対策が必要です。
作業机は、作業面に導電性シートを敷きます。床も作業部分は導電性にします。作業者は、金属の腕輪をはめます。そしてこれらを、高抵抗(1MΩ程度)を介して接地します。
接地は、大地に電荷を逃がすことによって、帯電を防止する(電位をゼロにする)ことが目的です。しかし、既に帯電している場合には、接地するときに、大電流が流れて、逆に素子を破壊する恐れがあります。高抵抗を介して接地することによって、大電流を防ぎます。
◆ 電子機器組立て時の対策を、まとめて、図 17 に示します。基本的には、人体を含み、電気の導体は、全て接地し、浮いたところを、作らないようにします。浮いたところは、帯電します。また、空気をイオン△化して、導電性を持たせます。これによって、万一帯電したところがあっても、放電させます。
◆ 素子は、配線すると、その配線によって高絶縁された入力端子が、他に接続されます。他が全て、入力と言うことは、ありえません。接続先には、出力端子があるはずです。出力端子のインピーダンスは、低いので、配線後には、高絶縁部は解消されます。
ただし、未接続の入力端子は、対策を立てなければ、高絶縁のままです。
◆ 高絶縁部分が残る第 1 は、回路中の、使用素子の未使用端子 です。未使用端子は、その論理にしたがって、ハイかローに接続する必要があります(図 18)。
◆ 図に示すように、AND の入力はハイに、OR の入力はローにします。
この、使用素子における未使用端子の処理は、素子がC-MOS 以外のときにも、素子を正しく動作させるために必要な処理です。
素子がTTLのときは、入力端子は、高絶縁ではありませんから、帯電防止の意味はありません。
TTLは、入力端子が未接続のときは、ハイとして動作します。論理的にハイで良いときは、未接続でも、正しく動作します。
◆ しかし、ノイズに弱いという欠点があります。TTL であっても、ノイズに強くするために、ハイに接続してください。
[注] その場所の、インピーダンスが高いほど、ノイズに弱く、インピーダンスが低いところは、ノイズに強いという性質があります(1.(3-E-b)参照)。
◆ C-MOS素子の入力が、コネクタの場合、コネクタを接続すれば、高絶縁が解消されます。
しかし未接続のときは、高絶縁です。図 19のように処理します。
図の抵抗は、高抵抗(たとえば 1MΩ)を使用します。
◆ 同一パッケージに複数の素子が入っているときは、未使用素子が存在することがあります。
素子がC-MOSの場合には、未使用素子であっても、入力端子をオープンにしておいてはいけません。
未使用入力が、オープンだと、素子を破壊する恐れがあります(14.(2-C)参照)。未使用素子は、破壊されても差し支えないわけですが、その破壊が、他の使用素子を、巻き添えにする可能性があります。
◆ 電子機器に加わる、静電気放電は、ほとんどが、帯電した人体からの放電です。
人体の静電気放電モデルを図 20に示します。
ここで、コンデンサは帯電体(人体)の等価キャパシタンス、抵抗とインダクタンスは放電経路の等価抵抗と等価インダクタンスです。
[注] 複雑な回路の特性が、簡単な素子、またはその簡単な組み合わせの特性で表現できるとき、等価であるといいます。抵抗で表わされるときは、等価抵抗です。
◆ 放電は、接触ないしは、接近によって起こります。図では、これをスイッチで表わしています。
のときは、放電波形が減衰振動となり、
のときは、放電波形は非振動の指数関数になります(図.21)。図で、赤、青は、減衰振動、緑、水は、非振動の指数関数です。
[注]
波形の詳細は、自動制御WEB講座 3.1.3.(2)を参照してください。
また、3.1.3.(2)のための予備知識が必要なときはさらに3.1.2.を参照してください。
◆ 人体は、放電モデルに当てはめると、C=150〜250pF、R=100〜500Ωです。人体からの放電の放電電流と放電電圧の関係を、図 22に示します。
人体の帯電電圧は、環境条件によりますが、容易に数kVに達します。その放電エネルギーは、小さいのですが、半導体を破壊するには、十分な値です。
◆ 人体からの放電電流波形は図 23の通りです。
◆ 図には 2 つのピークがあります。最初のピークは、手や腕の部分からの放電で、第 ２ のピークが胴体からの放電です。
放電を防止する対策は、帯電させないことです。
帯電は、絶縁体を摩擦することによって発生します。したがって、摩擦電気 △とも呼んでいます。
この、帯電の大きさを支配するのが、絶縁体の絶縁度 です。絶縁度が高いほど、帯電が多くなります。
絶縁の程度は、抵抗値で表わし、絶縁抵抗と呼んでいます。絶縁抵抗は、一般の抵抗と同じで、その物体の内部を流れる電流に関する抵抗値です。
しかし、絶縁物の場合は、表面を伝わる漏れ電流などを無視できないことがあります。
これらを総合して、ここでは絶縁度と表現しています。
◆ 空気の湿度 を高くすることは、絶縁体の絶縁度を低下させる有効な手段です。乾燥した空気は、優れた絶縁体ですが、湿度が高いと、空気自体の絶縁度が下がります。また、空気の湿分を、絶縁体が吸収すると、絶縁体の表面漏れ電流が大きくなります。
以上から、気中の湿度が低いと、帯電電圧が高くなります。この関係を、図 24 に示します。
◆ 静電気中和装置 (イオン化送風機 )を使用すれば、イオン△によって、その場所の空気の絶縁度を、下げることができます。
また、導電性の物質は、それが周囲から絶縁された状態であれば、帯電しますが、接地されていれば、帯電を防ぐことができます。
◆ 人体の帯電は、主に履物と床との摩擦が原因です。したがって、導電性の履物は、人体の帯電を防ぎます。靴底を導電性にした、帯電防止用の導電靴 (静電靴 )があります。
ただし、導電靴の抵抗が低過ぎると、感電の危険があります。導電靴の抵抗値は、0.1〜100MΩ程度になっています。
◆ 床は、普通の絨毯は、摩擦電気を発生しやすいので、最も悪く、避ける必要があります。導電性の床、または敷物を使用し、それを接地します。
◆ 電子機器内部に、帯電 する個所を作らないことが肝要です。帯電すること、それ自体は、ノイズ要因にはなりません。しかし、帯電した電荷が放電することによって、大きなノイズを発生します。
浮いた(他から絶縁された)金属の部分は、帯電しやすく、しかも、それが放電するときに、大きな放電電流が流れて、ノイズになります。
浮いたところを作らないように、接地する必要があります(12.(2-C)参照)。
また、尖ったところは放電し易いので、浮いていなくても、角を丸くします。
避雷針は、逆に放電し易いように、先を尖らせ、かつ錆びないように、金メッキしてあります。
◆ 開閉サージ はスイッチのオンオフに伴なって発生するサージで、人工的なサージの代表例です。
開閉サージは、接点のスイッチだけでなく、半導体スイッチでも発生します。ただし、発生するサージの性質は異なります。
また、負荷の種類によっても発生するサージの性質が異なります。
負荷が、抵抗のときは、原理的にはサージは発生しません。負荷がキャパシタンスのとき、とくに、インダクタンスのときにサージが発生します。
◆ キャパシタンス負荷 のときは、スイッチがオンするとき、コンデンサに大きな電圧変化が掛かり、大きな突入電流 が発生します(図 25)。
◆ スイッチングによる電圧変化 dV/dt が大きいので、大きな電流 I が発生します。
[注]
図の回路には明示されていませんが、導線には抵抗があります。その抵抗によって、電流が制限されて、図の波形になります。
次のインダクタンス負荷についても同様です。
突入電流の、代表的な例が、電源回路などの平滑コンデンサです。交流電源を整流して、直流電源を作るときに、波打った電圧を、平滑コンデンサで、平滑にします。この平滑コンデンサは、キャパシタンスが大きいので、大きな突入電流が発生します。
対策としては、直列に、抵抗またはインダクタを挿入して、突入電流を制限します。
◆ 開閉サージの大部分は、このインダクタンス負荷 です。モータなど、大きなインダクタンスを持つ電気機器が多数使用されています。
インダクタンス負荷では、スイッチをオフするときに、大きな電流変化が生じ、この電流変化によって大きなサージ電圧が発生します(図 26)。
◆ スイッチングによる電流変化dI/dtが大きいので、大きな電圧Vが発生します。
最近は半導体スイッチが多く使用されています。半導体スイッチは、スイッチイグ速度が速いので、大きなサージを発生します。
また、接点スイッチでは、発生する高電圧によって接点間で、火花放電 が起こります。火花放電は、大きなサージ源であると同時に、大きな放射ノイズを出します。
直流電源における、放電を伴なうサージの波形を、図 27に示します。
サージ電圧は、負荷電圧の20倍に達することがあります。交流電源では、直流電源よりは小さくなります。
◆ スイッチ開閉における大きなサージの原因は、スイッチングによる電流の急変です。
電流を押さえないで、電流をバイパス させて逃がしてやれば、高電圧は発生しません。
各種の電流バイパス方法を図 28に示します。
★ 雷の被害は、多くが誘導雷です。直撃雷を受けたら、一たまりもありませんが、直撃雷を受ける確率は、かなり低く、まず心配はありません。ただし、避雷針は、避雷針自身に落雷する可能性は、高くなります。避雷針への直撃雷については、ここをクリックして、さらに、リンク先の「アニメーション」をクリックしてください(戻るときは、ブラウザの「戻る」をクリック)。
★ 下図左は、落雷の写真です。右は、誘導雷の落雷地点からの距離と電圧の関係を示します。
★ 落雷は、夏季のほうが多い傾向があります。
★ 雷は、大きなエネルギを持っています。この意味では、一般の、静電気帯電と大きく異なります。人体が静電気に帯電したときの電圧と、それが放電するときの、ショックの大きさは、下図のようになります。帯電電圧だけを見れば、雷と同等のものもあります。
★ 屋外で、雷に遭遇したときは、付近に建物があれば、その中に避難するのが最も安全です。なお、山地では、平地よりも、いきなり雷に遭遇することが多いので、注意が必要です(下図左)。高い樹の下は、危険といわれていますが、高い樹は、避雷針の役割をしてくれます。ただし、その保護角の中で、少なくとも、樹から 2 m 離れたところに避難します(下図右)。付近に何も無いときは、しゃがんで、姿勢を低くします。時計など金属のものを身に付けていると危険だと言われていますが、そのようなことは、ありません。
★ 誘導雷や、開閉サージなどで発生するサージを吸収するのが、サージアブゾーバです。パソコンなどの雷対策として、下図左のように指示しているものがあります。趣味でパソコンを使っているなら、これでも良いでしょうが、仕事で使っている場合は、これでは困ります。サージアブゾーバを使って、雷対策を講じ、使用し続けます。サージアブゾーバは、下図右に示すような、テーブルタップに内蔵された、簡便なものもあります。
★ 各種のサージアブゾーバを下図に示します。
