故障を物理で読む ── 症状は、回路が書いた診断書

章の最後は、壊れた話をしよう。

不思議に聞こえるかもしれないけれど、故障診断はこの章の総復習にいちばん向いている。動いている回路は物理を隠すのがうまい。壊れた回路は、どの物理が効いていたかを白状する。 症状は運の悪さの記録ではなくて、起動利得・ボルト秒平衡・Q・境界条件・内部モード——この章で積んできた概念のどれかが書いた、診断書だ。

7つの典型症状を、順番に読んでいく。

症状1 発振しない

いちばん多くて、いちばん候補が広い。でも第2回の一行——発振は、ループ一周の利得が1を超えた微小な種が育った結果——を握っていれば、候補は全部「ループのどこで利得が死んだか」に整理できる。

帰還極性が逆：正帰還のつもりが負帰還。種は育つどころか消される。巻線の巻き方向・接続を最初に疑う
起動バイアスの不足または過大：種を蒔く役の起動抵抗が仕事をしていない
負荷が重すぎて起動時利得が1未満：損失が注ぎ足しに勝っている
チョークが小さすぎて、電源がタンクをクランプ：第4回の「山を隔離する」仕事の放棄。タンクが揺れようとするたび低インピーダンスの電源に押さえ付けられる
ほか、巻線の誤接続、素子の破壊(BJTの逆ベース破壊など)、意図モードのQ不足

ひとつ実務の注意を。この手の回路には、発振が止まると入力電流がむしろ増えるものがある(スイッチが半導通で居座るから)。診断は必ず電流制限のかかった電源で。

症状2 片側だけ発熱する

第2回の終わりに置いた伏線——「続けるためには対称が要る」——の回収だ。左右の半周期でトランスに掛かるボルト秒 $\int v_p\,dt$ に差があると、磁束が一周期ごとに完全には戻らず、毎周期少しずつ片側へ歩いていく(フラックスウォーク)。コアが片側で飽和に近づくと、その半周期だけ電流が跳ね、その側の石だけが熱くなる。

原因は非対称ならなんでもいい。BJTの蓄積時間差、ゲート抵抗差、巻線抵抗差、帰還結合の差、コアの残留磁束、レイアウトの寄生差。測るべきはコレクタ電圧だけじゃない——左右のベース(ゲート)電流と、半周期ごとの $\int v_p\,dt$ を比べる。電圧波形が綺麗でも、面積の差は静かに磁束を歩かせる。

症状3 無負荷で壊れる

直感は「負荷が軽い＝楽」と言う。共振回路では逆になり得る。

負荷はこの系の主要な減衰源だ。外れれば Q が上がる(第3回——内側で回る量はQ倍)。二次電圧が跳ね、巻線内部の電圧も跳ね、一次に反射するインピーダンスが変わって(第5回)、主発振モードが別のモードへ移ることさえある。高圧共振系では、開放が最悪条件になり得る。 「負荷電流が小さいから安全」は、この系では通用しない。

症状4 短絡で壊れる

逆に短絡は Q を殺す。帰還電圧が不足して発振が崩れる——ここまでは「止まるだけ」に見える。問題はその後だ。発振が止まっても起動バイアスは生きていて、スイッチを半導通のまま保つ。すると入力からチョークを通って大電流が流れ続ける。

第4回で言ったとおり、チョークは電流の上昇を遅らせるだけで、定常的な短絡電流は止めない。 $L$ は $di/dt$ の係数であって、 $i$ の上限ではない。保護(電流制限・遮断)は発振の物理とは独立に成立させておくものだ。

症状5 周波数が二通りある

日によって、個体によって、温度によって、発振周波数が2つの値のどちらかに飛ぶ。これは第6回のモードの話がそのまま実機に出た症状だ。複数のモードが起動利得を持ってしまっている。どちらが勝つかは、負荷・入力の立ち上がり・残留磁束・温度が決める初期条件レースで、毎回同じ勝者とは限らない。

対策の考え方が大事だよ。「どちらが勝つかを予測して合わせ込む」のは筋が悪い。不要なモードのQを下げ、帰還がそのモードを読まない位置に結合を置く——競争者をレースから降ろすのが正道だ(第6回の「帰還巻線の位置はどのモードの声を聞くかの選択」)。

症状6 筐体へ入れると変わる

基板単体では完璧。筐体に組み込んだら周波数がずれ、波形が変わり、最悪発振しない。呪いではなく、第6回の言葉で一行で読める——筐体・反射板・シールドは、二次側の容量と共通モード経路を変える。つまり境界条件を変える。 境界条件が変わればモードが動く。プローブ1本で共振がずれるのと同じ物理の、大きい版だ。

だから高圧の共振系では、基板単体と組込み後を別の回路として扱う。組込み状態での測定を省略した設計は、まだ終わっていない。

症状7 端子電圧は正常なのに、巻線が壊れる

いちばん不気味で、この章のいちばん深い伏線の回収。端子で測る電圧は教科書どおり、なのに巻線の内部で絶縁が焼ける。

第6回の3次モードの図を思い出してほしい——巻線の途中に立つ、端子からは見えない電圧の腹。内部高次モードが励振されていれば、端子波形が正常でも、内部のある層間には設計を超えた電界が立つ。部分放電が始まれば、絶縁はゆっくり、しかし確実に削られていく。三倍共振(第7回)のように意図的に $3f_0$ を使う設計では、内部モードとの距離をなおさら測っておく必要がある。

端子電圧だけで、内部の最大電圧は決まらない。 この一文が、第6回をまるごと書いた理由だよ。

処方箋の書き方 ── ストレス予算

7つの症状に共通する態度を、ひとつの言葉にしておきたい。第1回で釘を刺した「耐圧は $\pi V_{\mathrm{in}}$ の何倍、という暗記則にしない」——あれの一般形だ。

素子のストレスは、倍率の暗記ではなく予算として積む。

ストレス予算の考え方。理想値は予算の最初の一項にすぎない。リンギングは実測、故障過渡は最悪条件（症状3の無負荷を含む）で見積もる。「πVinの何倍」という暗記は、この積み上げの結果を丸めた影でしかない。

電圧だけでなく、電流も温度も同じ形で積める。そして予算の各項は、この章のどれかの記事が担当している——理想値は第1回、リンギングは第5回の漏れインダクタンス、無負荷の跳ね上がりは第3回のQと今回の症状3。

式には全部、前提が付いていた

最後に、この章で使った主要な式を「適用範囲つき」で並べておく。式は暗記の対象ではなくて、前提つきの約束だ。約束の範囲を出たら、黙って嘘をつく。

式	成り立つ前提	破る主な要因
$f_0 = 1/2\pi\sqrt{LC}$	単一モード・線形・集中定数	負荷変化、多モード、非線形なC・L
$V_{\mathrm{pk}} = \pi V_{\mathrm{in}}$	理想電流給電・対称・定常・正弦半波	巻線抵抗、スイッチ降下、リンギング
$\Delta I_{\mathrm{ch}} \propto V/(f_0 L_{\mathrm{ch}})$	理想 $\pi V_{\mathrm{in}}$ コレクタ波形	非対称、周波数変動、電源リップル
$L_{\mathrm{sc}} = L_1(1-k^2)$	二巻線・線形・理想短絡・抵抗無視	周波数依存損失、容量、多巻線
$Z \to Z/n^2$	理想トランス・密結合・単一モード	漏れL、巻線容量、高次モード
$f_k = (2k-1)\,v_p/4\ell$	一様・無損失・短絡-開放の線路	有限終端、非一様、損失
$I_3/I_1 = 1/9$	同相の基本波＋3次・中央曲率ゼロ	位相ずれ、高次成分、別の設計目的

見出しの式が同じでも、前提の列が違えば別の約束だ。故障診断とは結局、「いまこの回路は、どの約束の範囲の外に出たのか」を探す仕事なのだと思う。

遊び場 ── 故障カルテ

下の遊び場は、この記事の7症状を逆引きできる診察室だ。症状を選ぶと、因果チェーンの図解・容疑者リスト(チェックで切り分けメモになる)・測るべき量・関連記事が出る。実機の前で開いておく用に作ってある。

高圧回路の実診断は、電流制限・絶縁・一人でやらない、をいつも守ってほしい。

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章の終わりに

9回かけて、ジャンク基板一枚を歩いてきた。スイッチしかないのに正弦波が出る理由から始まって、起動の因果、共振の二つの顔、チョークの言い分、トランスの中身、巻線の中の波、1/9のさじ加減、定電流の神話、そして故障の読み方。

振り返ると、全部が一つの文に畳める。高圧トランス、共振コンデンサ、チョーク、スイッチ、帰還、負荷、筐体を、別々の部品ではなく、一つのエネルギー伝送系として読む。 この視点さえ持てば、CCFLインバータは終わった技術ではなくて、誘導加熱もワイヤレス給電も圧電駆動もLLCコンバータも、同じ言葉で読み始められる入口になる。

ジャンク箱の細長い基板は、やっぱり小さな教科書だったよ。

（章「共振と電源」・完）