信号結合：電話ケーブルにおけるACノイズの理解

部品と材料

• 6V電池
• 0.22µFコンデンサ（Radio Shack #272-1070または同等品）
• 0.047µFコンデンサ（Radio Shack #272-134または同等品）
• 小型ホビーモーター、永久磁石タイプ（Radio Shack #273-223または同等品）
• ヘッドホン付きオーディオ検出器
• 数フィートの電話ケーブル（Radio Shack #278-872）——非シールド多芯ケーブルなら何でも可；細い導体（約24AWG）ほど効果が顕著

電話ケーブルはホームセンターで広く入手可能。非シールド多芯ケーブルなら何でも使えますが、導体が細いほど観察される結合効果が大きくなります。

参考文献

• 『Lessons In Electric Circuits』第2巻 第7章：「Mixed‑Frequency AC Signals」
• 『Lessons In Electric Circuits』第2巻 第8章：「Filters」

学習目標

• AC信号が結合される一方でDCが測定デバイスから遮断される様子を実演
• ケーブル内での迷い結合の発生メカニズムを示す
• ケーブル間結合を低減する実用的技術を特定する

回路図

イラスト

手順

1. モーターを電池に接続し、電話ケーブルの4芯のうち2芯を使用。モーターは正常に回転するはずです。

2. オーディオ検出器をモーター端子間に接続し、図示のように0.047µFコンデンサを直列挿入：

3. ヘッドホンからブーンまたはヒューヒューという音が聞こえるはずです——これはブラシが整流子と接触する際に生成されるACノイズです。

直列コンデンサはハイパスフィルタとして働き、ACのみを検出器に通しDC成分を遮断します。オシロスコープもAC結合で同じ原理を用います：プローブに直列コンデンサを挿入。

4. 理論上、モーター端子は電池と直接並列なので純粋なDCを見るはずです。しかし、内部電池抵抗とケーブル導体抵抗により、モーターが電流パルスを引くとき電圧ディップが発生。これらがモーター端子にACノイズとして現れます：

5. 検証のため、オーディオ検出器で電池端子間のノイズ電圧を直接測定。点間抵抗が小さいほど検出ノイズは低くなります：

6. 単一電話ケーブル導体の両端間に検出器を接続して、導体に沿ったノイズも測定可能。このノイズは、その導体の抵抗を流れる電流パルスに起因します：

7. 次に、ACノイズが隣接ワイヤーにどう結合するか探ります。モーター端子の一方と未使用ケーブル導体間の電圧を測定。これらの点間にDCは存在しないため、直列コンデンサは不要です：

検出電圧は、隣接導体間の迷い容量に由来し、キャパシタ自体には電荷が流れないのに交流電流のパスを提供します。

迷い結合は、未使用導体を伝送される信号を汚染する可能性があり、特にその信号が誘導ノイズに敏感な場合に問題となります。

容量性結合は高周波で強くなるため、高周波のACノイズほど強く結合されます。

DC信号上のノイズを軽減するには、2導体間に大きなコンデンサを追加します。0.22µFコンデンサはデカップリングコンデンサとして働き、ACに低インピーダンスを呈しながらDCを不変に保ちます：

7. もう1つの効果的な戦略は、回路間で共通導体を共有しないことです。2つの未使用導体間のノイズを測定；迷い容量がほぼ同一のノイズ電圧を両導体に結合するため、差分を取るとキャンセルされ、はるかに低くなるはずです：