気中放電は接触放電ではない：湿度 40 パーセントでだけ成り立った合格

この製品と、なぜ気中でしか試験できなかったのか

密閉された民生製品で、樹脂ベゼルです。露出したねじも金属飾りもなく、ユーザーが手を伸ばせる範囲にコネクタシェルもありません。プローブの先端を当てる場所が本当にないのです。

これは設計の誤りではなく、よくあることです。ただし結果として、使える方法は気中放電だけになります。プローブを充電し、製品に近づけ、アークが自分で隙間を飛ぶ方式です。この製品はそれで認証されました。要求レベルまで、一点あたり十回、すべての合わせ目とボタンで。きれいなレポートです。

レポートは合格。市場は同意しなかった

ロックアップとリセットの報告が入り始めます。壊れた個体ではなく、電源を入れ直せば戻るソフト故障だという点が重要です。誰かがきちんと並べ直すと、二つのパターンがすぐ見えました。

• 冬に集中している。
• 乾燥した地域に集中している。

合格から返品までの間に設計は何も変わっていません。同じハードウェアが違う空気の中で違う振る舞いをし、そして認証は規定で一定に保たれた空気の中で行われていました。

接触放電が与えるもの：公差の付いた数値

接触放電では、何かが起きる前から先端が製品に触れています。放電の瞬間は発生器内部のリレーが決めるので、電流は空気ではなく発生器が決めます。

だから規格はその周りに表を置けます。IEC 61000-4-2 の表 3 が各レベルの波形全体を押さえています。レベル 4、つまり 8 kV では：

• 第一ピーク電流 30 A、±15 パーセント
• 立ち上がり時間 0.8 ns、±25 パーセント
• 30 ns での電流 16 A、±30 パーセント
• 60 ns での電流 8 A、±30 パーセント

はっきり書く価値があります。接触放電の合格は測定です。同じ製品を別の試験所に送っても同じ答えが出ます。加えられているものが、明記された公差の中で定義されているからです。

気中放電が与えるもの：アークと、アークが決めるすべて

気中放電では何も触れていません。プローブが近づき、先端と製品の間の電界が上がり、あるところで空気が絶縁破壊してアークが生じます。そのアークのすべては、空気と形状と近づける速度が決めます。

規格はこれを隠していません。火花について述べた附属書には、放電電流の立ち上がり時間は接近速度を変えると1 ns 未満から 20 ns 超まで変わりうると書かれています。そして意外な一文が続きます。

接近速度を一定に保っても立ち上がり時間は一定になりません。電圧と速度のある組み合わせでは、立ち上がり時間は最大 30 倍も揺らぎます。

つまりこれは作業者の腕の問題でも、よいロボットを買えば解決する問題でもありません。同じ試験レベル、同じ作業者、同じ製品でも、実際に加えられているものは一桁を超える範囲で動きます。

それが効いてくる理由：ダメージを与えるパラメータが動くから

立ち上がり時間がオシロ上の見た目だけを変えるなら、この記事を書く価値はありません。そうではありません。規格は電流の変化率を最も重要なパラメータと名指ししており、その変化率はほぼ立ち上がり時間だけで決まります。

上の数字で計算してみます。ピークを 30 A に固定すると、20 ns のアークはおよそ 1.2 A 毎ナノ秒、0.5 ns のアークはおよそ 48 です。四十倍の差が、基板に結合し放電経路上のあらゆる寄生インダクタンスに電圧を立てる、その量に付きます。

ここから二つの結論が出ますが、必ず並べて読む必要があります。どちらか片方だけを取ると危ないからです。

• 遅いアークは優しい試験です。同じ電圧の接触放電よりかなり優しくなりえます。気中で合格した製品が市場で故障するのはこれが理由です。
• 速いアークは接触より厳しいです。サブナノ秒の立ち上がりでは接触の基準を超えます。気中試験が、本当は問題のない製品をときどき落とすのはこれが理由です。

そして本当に厄介なのはここです。どちらを引いたかは選べず、レポートにも記録されません。8 kV 気中の合格は、8 kV 接触よりずっと厳しい試験だったかもしれず、ずっと易しい試験だったかもしれません。書類の見た目はどちらでも同じです。

しかも試験所の湿度は、お客様のところにはない

アークは空気の絶縁破壊なので、空気の状態に依存します。だから規格は 8.1.2 で気中放電試験の条件を定めています。周囲温度 15 から 35 ℃、気圧 86 から 106 kPa、相対湿度 30 から 60 パーセントです。

この範囲は試験を再現可能にするためにあり、実際に役立っています。同時にそれは、認証が調整された空気の中で行われ、製品は調整された空気の中で暮らさないということでもあります。

規格はさらに踏み込み、乾いた場合がどうなるかも書いています。試験レベルを選ぶための表 A.1 が、レベルを想定湿度と存在する材料に結び付けています。

湿度 10 パーセントの二点を、色の付いた帯と見比べてください。最も高い静電電圧を生む条件は、この試験が行われない条件そのものです。合成材のある乾いた部屋は 15 kV に達し、試験所は 30 から 60 パーセントに保たれています。

事件の全体がこの一枚に入っています。故障が冬に集中し乾燥地域に集中するのは、説明して片付ける偶然ではありません。レポートの中の空気と、お客様の居間の空気の差です。

これは試験所への批判ではありません

はっきりさせておきます。この手の話は誰かを責めていると読まれやすいからです。試験所は規格が求めることを正確に行いました。気中放電が IEC 61000-4-2 にあるのは理由があってのことで、金属を持たない製品も試験されなければならないからです。

規格自身が接触放電が推奨される方法だと述べており、ここまでの内容はその理由を規格が説明したものです。気中放電は推奨方法を使えない製品のための代替です。同じ重みの第二の見解ではありませんし、レポートはその下にある方法が語れる以上のことは語れません。

ではどうするか

1. 製品のどこかが接触放電を受けられるなら、そこは接触で行うこと。コネクタシェル、ねじ、金属飾り、露出したシールド。混在したレポートは普通で、実情報が入っているのは接触の行です。
2. 気中しか選べない場所では、試験ではなくマージンを買うこと。アークは制御できないので、制御しようとするのをやめて余裕を買います。要求の二倍を指定するのが実際的で、高速線ではほぼ無料です。
3. 気中の合格を、同じ電圧の接触の合格と同等に読まないこと。製品についてのより弱い主張であり、その差は換算できる固定値でもありません。
4. 故障が季節や地域を追うなら、そのパターンを信じること。湿度が機構であり、規格自身の附属書に書かれていて、調整された試験所で何度やり直しても再現しません。

二社を比べるとき、そして当社が印刷するもの

二つの保護部品を並べるときは、接触の数値どうしを比べてください。規格が再現可能にしているのはその数値なので、二つのデータシートの差が見た目どおりの意味を持つのはそこだけです。

気中の数値はたいてい高く、その理由はシリコンが優れていることとは何の関係もありません。一社の気中定格を別の社の接触定格と比べるのは、そもそも比較になっていません。

当社は両方を、一ページ目の別々の行として印刷します。どちらを手にしているのか読者が考えなくて済むようにです。PZ0303P-F10 では ±16 kV 接触と ±21 kV 気中。8 kV 要求に対して接触の数値だけで二倍あり、それを持つ代償は 0.45 pF です。