EMC村の民
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EMC規格

静電気放電試験【IEC61000-4-2】の概要紹介

 

イミュニティ試験の定番「静電気放電試験」。

ESD(Electro Static Discharge)試験とも呼ばれる試験です。

 

静電気放電は、わたしたちの生活で最も体験すること多いイミュニティの現象ですね。

「IEC61000-4-2」で規定されている静電気放電試験は、高速な立ち上がりノイズによって、多くの誤動作を引き起こす厄介な試験です。

 

そんな静電気放電試験「IEC61000-4-2」の概要について紹介します。

 

 

静電気の発生メカニズム

みなさんも身近で体験しているので、おおよそのイメージは付くかと思います。

人体に帯電する静電気(電荷)は多くの場合、衣服と他の物質の摩擦によって生じます。

例えば、車のシートとの摩擦や、衣服を重ね着した場合には衣服同士の摩擦です。

 

パチっと感じる静電気放電は、衣服に帯電した電荷が人体を通じて他の導体へ流れるときに発生します。

人体は「導体」です。

帯電した導体が、帯電していない他の導体に接触したときに平衡状態になろうとして電流が流れます。

これがパチっと感じる電気の正体です。

 

静電気放電の種類

接触放電

先ほど紹介した、導体に接触した時の放電現象のことを「接触放電」と呼びます。

IEC61000-4-2試験においては、放電ガンの先端を導体部に接触させた状態で電圧を印加します。

接触放電試験 出典:マイクロウェーブファクトリー

一般的な電子機器の場合、筐体の固定に使用しているビス、筐体の未塗装の箇所、インターフェースコネクタの金属シェルなどに対して接触放電試験を実施します。

 

なお、IEC61000-4-2はシステムレベルで規定された規格であるため、基板上の部品や伝送線路上に直接静電気を印加することはありません。

システムレベルの接触放電試験 出典:マクニカ

半導体の静電気耐性に関しては、JEDEC規格などで規定されています。

https://www.oeg.co.jp/esd/ESD.html

 

気中放電

静電気は帯電していない導体には近づくだけでも、空気で絶縁破壊して電流が流れることがあります。

この放電現象のことを「気中放電」と呼び、IEC61000-4-2試験でも試験が行われています。

気中放電試験は金属筐体の塗装部分、液晶画面の全面、筐体の隙間など表面が絶縁されている箇所に対して行います。

気中放電試験の様子 出典:マイナビニュース

気中放電試験では、絶縁破壊させる必要があるため、毎回離れた箇所からできるだけはやく静電気ガンを近づけて試験を行います。

近づける速さや方向によって絶縁破壊したり、しなかったりするため、あまり再現性の良い試験ではないと言われています。

 

接触放電と気中放電は静電気ガンの先端の形状も異なります。

静電気ガンの形状 出典:ノイズ研究所

先端の尖ったタイプが「接触放電用」、先端の丸いタイプが「気中放電用」です。

 

間接放電

これまで説明した「接触放電」と「気中放電」は大きな括りとして「直接放電」と呼ばれる試験になります。

これは供試品に対して、静電気を直接印加することからこのように呼ばれます。

一方の「間接放電試験」では、他の導体に静電気が印加された時の耐性を評価します。

間接放電試験 出典:T.Sato

IEC61000-4-2では、垂直結合板(VCP:Vertical Coupling Plane)と水平結合板(HCP:Horizontal Coupling Plane)に対して静電気を印加します。

この結合板に静電気が印加されると、電圧が誘起されることで電界が生じ、グランドプレーンに対して電流が流れることで磁界が生じます。

供試品には、これらの電磁界に晒されたときの耐性が求められます。

 

試験波形

静電気放電試験では印加する「電流波形」が規定されています。

放電電流波形 出典:ノイズ研究所

波形の特徴としては、立上り時間が非常に早いことです。

1ns以下の立上り時間となるため、1GHz以上の周波数帯域幅を持つことになります。

これは供試品に対して「広帯域」「高電圧」のノイズが印加されることを意味します。

これが「静電気放電試験」で誤動作が多く、ノイズ対策を難しくさせる原因です。

 

静電気発生回路

静電気発生回路 出典:ノイズ研究所

「IEC61000-4-2」では「150pF」のコンデンサに帯電させて、人体の接触抵抗を模擬した「330Ω」の抵抗を介して放電します。

 

試験電圧

試験電圧 出典:ノイズ研究所

静電気放電は電圧は非常に高いですが、容量は非常に小さいのでエネルギーの総量は大きくなく、痛いですがパチっとする程度で済みます。

一方、雷サージは電圧は同じくらいですが、容量が非常に大きいため、もし触ってしまったら確実に感電して意識を失うでしょう。

いずれにしても高電圧を扱う試験になるため、安全には十分注意を払って試験を実施する必要があります。

 

試験配置

卓上機器の試験配置 出典:ノイズ研究所

グランドプレーンから高さ0.8mの木製机に水平結合板を乗せます。

水平結合板とグランドプレーンは470kΩの抵抗を2個介して接続します。

垂直結合板も同様に、470kΩの抵抗を2個介してグランドプレーンに接続します。

床置き機器 出典:ノイズ研究所

床置き機器は、グランドプレーンの上に高さ0.1mの絶縁支持台を置き、その上に供試品を乗せます。

床置き機器の場合は、水平結合板はなく、垂直結合板のみを使用して間接放電試験を実施します。

いずれの配置においても、放電ガンのリターンケーブルは可能な限りグランドプレーンの近い位置にに確実に接続する必要があります。

またリターンケーブルは、周囲の金属物から0.2mより遠ざけて配線することにも注意が必要です。

 

おわりに

静電気放電試験「IEC61000-4-2」の概要について紹介しました。

規格の詳細については 「kikakurui.com」から確認できます。

 

他の「IEC61000-4シリーズ」の試験については、下記のリンクからチェックできます。

IEC61000-4シリーズの要点をまとめてチェックIEC61000-4シリーズで規定されているイミュニティ試験について、各試験ごとに要点を紹介しています。...

 

静電気放電は身近な現象なだけに、厳しく評価しなければ市場でのクレームに繋がります。

静電気対策に関する情報は少ないですが「電気機器の静電気対策」などが参考になるかと思います。

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今回は以上です。

最後まで読んでいただき、ありがとうございました。

 

ABOUT ME
エンジャー
EMCやノイズ対策に関する情報発信を日々行っています。 ( iNarte EMC Engineer、第一級陸上無線技術士)

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