10月9日と10日の EMC-UK 2012 での EMC Academy トレーニング・セッションの参加者からのフィードバックの中に、 HDMI 接続の EMC での問題があると言っているものが多くあった。
オランダの Oce-Technologies B.V. の研究開発部門で
画像処理、シグナル・インテグリティ及び EMC を任されている Wim Ophelders も、
最近、HDMI 接続からの過大なエミッションの原因を調査し、
注釈を付けた写真を 2012年11月12日に送った。
Wim は、巻きつけられた銅箔を正しく、 すなわちケーブルの両端のコネクタ・シェルの全周ではんだ付けすることが、 HDMI 接続された彼の製品の他の側面によって引き起こされていると考えていたエミッションを EMC 試験に合格するのに充分に低減したことに気付いた。
もしこの良くないケーブル・アセンブリが購入品の HDMI ケーブルの典型的なものであれば、 それがこのタイプの接続の良くない EMC についての苦情の多くの原因であるかも知れない。
ほとんどの EMC 試験所のマネージャは、 両端のコネクタ・シェルに接続されてさえないシールドを含むものもある、 「シールド」型として売られている、組み立ての良くないケーブルの長い経験を持つ。
特に問題なのは、購入したケーブルが試作の製品で用いた時に良いシールド性能を持っていたとしても、 量産のために購入した将来のバッチは正しくない組み立てによるシールドの劣化を生じているかも知れない ---だが、勿論、ケーブル・コネクタの接続部は不透明なプラスチックでモールドされているので、 それを目視検査で告げることはできない--- ということである。
透明なモールドのケーブルを購入できるのでない限り、製品の EMC 性能 (そして法的な適合性) が 購入したケーブルの良くない品質によって大きく損なわれていないことを確かとする方法は:
- EMC クリティカルなケーブルの品質を自分で管理できるように、
ケーブルを購入せず、自分で組み立てる。
- 供給されたそれぞれのバッチからのケーブルのランダムなサンプルを、
倉庫への受け入れに先立ってX線撮影し、内部の組み立てが正しいことを確認する。
コストを要する解決策であるが、そのX線装置は生産のために供給された
任意の/全ての他のコンポーネントやアセンブリの正しい組み立ての検査のために使用でき、
また偽造の部品での組み立ての防止でも大きな助けとなるので、
最も費用効果が良いかも知れない。
- 製品が EMC 試験に合格することを確かとすることを助けるために、 トラッキング・ジェネレータ付きのスペクトラム・アナライザ、 2つのクランプ式電流プローブ、そして2つのHDMIコネクタの付いたケーブル終端ボックスを用い、 供給されたそれぞれのバッチからのケーブルのランダムなサンプルが 同じケーブルの「良いとわかっている」サンプルと同じ測定結果を示すことを確認する。
背景: 現代の植え込み型心拍デバイスは無線周波テレメトリを用いて複数の複雑なデータを一斉に送信する。 通信への干渉はそれを潜在的な劣化のリスクにさらし、臨床的な悪影響をもたらし得る。
手法と結果: 我々は、デジタル・メディア・プレーヤ (iPod photo、及び 3G) によって引き起こされる、 ワンドとペースメーカのあいだの アップリンク (リアルタイム・エレクトログラム、マーカー・チャネル、そして保存されたヒストグラム) と ダウンリンク (下限心拍の変更、ペーシング・モード、そして心室リードの構成のプログラムの試み) のデータ通信への干渉の特性を、50人の患者で調査した。 データ伝送で用いられる変調テクニックと安全プロトコルを理解するために、 ワンド (≦ 0.4μT)、ペースメーカ (≦ 0.004μT)、及び iPod (≦ 0.05μT) からの テレメトリ中の最悪条件磁界放射 (MFE) も測定した。
テレメトリ干渉 (TI) は、プログラマの画面上の警告を伴う、 高周波スパイク (24.4%)、ブランキング (17.7%)、 そして伝送の中断 (22.2%) あるいは遅延 (17.6%) として現れた。 TI は、iPod が「オン」の時に 25.6%、そして iPod が「オフ」の時でさえも 13% の患者で生じた。 ダウンリンク通信が成功した時、ダウンリンクされたデータの誤りはなかった。 ワンド式テレメトリは、 持続的な「ハンドシェーク」によって保護された「シーケンシャル」データ伝送のために、 低い周波数 (30〜300kHz) の電波と比較的低速な単純な変調テクニックを用いる。 その帯域での iPod からのエミッションはテレメトリ・リンクを切るが、 重要なデータの汚染によってペースメーカの誤動作を引き起こすには弱すぎる。
結論: iPod からの低出力 MFE はテレメトリ・リンクの確立と維持への干渉を、 そしてリアル・タイム・データの伝送への TI を引き起こし得るが、 持続的な検証プロトコルのため、保存されたデータと重要なダウンリンク・データの汚染は生じない。
(PACE 2009; 1-9)
(From "Characteristics of Telemetry Interference with Pacemakers Caused by Digital Media Players"
by ASHOK J. SHAH, M.D. *, JOSEPH D. BRUNETT, PH.D. *, JAY P. THAKER **,
MEHUL B. PATEL, M.D. *, VALDIS V. LIEPA, PH.D. *,
KRIT JONGNARANGSIN, M.D. **, and RANJAN K. THAKUR, M.D.***
* Thoracic and Cardiovascular Institute, Sparrow Health System,
Michigan State University, Lansing, Michigan;
** Department of Electrical Engineering and Computer Science; and
*** Division of Cardiovascular Medicine, University of Michigan, Ann Arbor, Michigan,
PACE 2009, Wiley Periodicals, Inc., www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/20059718.)
ごく少数のスマート・メータリング・プロバイダの1つである Kamstrup A/S (Skanderborg, Denmark) は 彼らのスマート・メータリング・システムで RF 通信を提供しており、10年以上そうしてきた。 Kamstrup の観点では、スマート・グリッド技術に対するワイヤレス技術の優位の理由は明らかである: RF は機能する --- 世界中の多数の高性能の RF ベースのシステムによって確証された単純な事実。 過去においては、Kamstrup は RF と PLC の双方のソリューションを提供していたが、 RF が極めて速やかに遥に説得力のある結果を示し始めたため、今は PLC 計画を終結させている。 その証拠は豊富である。 スウェーデンは国家規模でスマート・メータを開始した最初の国のひとつであり、 今、スウェーデンのケース・スタディは学ぶべき経験を提供する。 最初は PLC を選択した多くのユーティリティが、 PLC が、その 60〜90% がグリッドの妨害に起因する、メータの読み取りでの低性能を示したため、 後に RF のソリューションに切り替えた。 一部は、高価なフィルタの設置によってその問題を改善することを選んだ。
このため、一部の PLC プロバイダは 100% 性能の保証に際してグリッド妨害を留保し、 妨害を対処すべき個別の問題であると主張し、ユーティリティに差し戻した。 だが、事実は、ケーブルは単に通信のためには厳しい環境だということである。 スウェーデンで多くの PLC 網を駄目にしたグリッド内の増加した妨害レベルは、 大部分、白熱電球の節電電球への大規模な置き換えに起因するものだろう。 グリッドに接続された全ての電子デバイスも、 グリッドから電力を消費するだけではなく、電磁妨害を戻しもするため、 グリッド妨害の潜在的な発生源である。 電磁両立性 (EMC) 指令は、電子デバイスがどれだけの妨害を生じても良いかを規制する。 だが、今スウェーデンで問題を引き起こしている機器が EMC 指令に適合しているかも知れないとしても、 メータ内の通信ユニットは家屋に設置された全ての機器の発生する妨害の総量の影響を受けるため、 依然として PLC ベースのメータ読み取りシステムに影響し勝ちである。 従って、白熱電球の急減のような大きな変化が同時に起きるとき、 そのメータ読み取りシステムは、個々の製品の法的適合性にもかかわらず影響され得る。
(Taken from "Smart Grids turn to wireless systems" by Gert Skriver, in Electronic Engineering Times Europe, October 2012, page 51, www.eetimes.com/design/smart-energy-design/4398388/Smart-grids-turn-to- wireless-systems)
最初の月面着陸から43年の経過、そして最近の Neil Armstrong の死に伴い、 成功したアポロ計画での電磁干渉の逸話を語りたいと思った。 アポロ7号計画は3人の乗員での試験飛行で、サターン1Bロケットが初めて使用された。 ランデブー・レーダーとテレメトリ・システムで問題が生じ、計画を遅れさせた。 ケネディ宇宙センターに供給されたフィルタはその問題を解決しなかった。 レーダー・ディッシュと電子機器とのあいだの同軸接続の調整の試みは テレメトリ・システムの干渉を減少させたが、 補助誘導システムへの新たな干渉をもたらした。
アポロ12号から14号の計画のあいだ、 素晴らしい性能とは言えないカラー・カメラが導入された。 Ground Commanded Television Assembly に用いられた新しい代替のカメラには、 ビデオ帯域の中程の音声/テレメトリ副搬送波から発する干渉があった。 最終的に、月着陸船ダウンリンクから犯人の音声/テレメトリ副搬送波を取り除く キャンセル・プロセスが実装された。
上の例は EMC が多くの重要な試みにとって重要なものであったことを示す。 宇宙計画では、最前線のプロジェクトでの EMC は技術者が限界に挑むことを強いるであろう。 それらの任務で示された挑戦は、技術者を駆り立てるものである。
(Mark Mifsud, "Message from the Chairman", EMC Society of Australia Newsletter, issue 58, September 2012.)
家庭、工場、店舗、病院、大学、研究所、そして倉庫で用いられている 最も一般的な光源の1つは、低圧ランプである。 一例は、エネルギと光度に関してより高い効率を示す小型蛍光ランプ (CFL) である。 だが、照明産業への非線形電子回路の導入は、電磁干渉 (EMI) インシデントも増加させた。 広く用いられている CFL と同様、それらの照明器具は、 高周波成分とともに、電流と電圧の高調波のレベルを顕著に増大させる。 それは結果的に機器と回路に干渉と劣化をもたらす。 CFL から VHF テレビ [5]、リモート・コントロール [6]、 そして変電所のリレーへの干渉が報告されている。 最後の事例では、リレーの不意の動作が引き起こされた。
[5] J. Rajamaki, "Lighting Interferences - An Ever Increasing Threat! Will the Proposed Changes in CISPR 15 Correct the Situation?" in EMC’05, 2005, p. 7- 12.
[6] W.A. Anderson, E. E. Hammer and A. Serres, "The Interaction of Infra-Red Controls and Electronic Compact Fluorescent Lamps" in IAS’95, p2066- 2068, vol. 3.
(Taken from "Conducted Interference reduction from Compact Fluorescent Lamps" by P.I.L. Ferreria, G. Fontgalland, G.F. Aragao, A.R.Z. Nascimento, R.C.S. Freire, and S.E. Barbin, 2010, Asia-Pacific International Symposium on Electromagnetic Compatibility, April 12-16, 2010, Beijing, China, ISBN: 978-1-4244-5263-9.)
宇宙線が電子回路を通過する時、そのエネルギーは過渡的なエラーを引き起こすかも知れない。 これは、衛星、宇宙機、そして航空機の電子回路でさえも問題となり得る。 宇宙線は 2008年に Quantas の航空機の飛行制御システムを誤動作させたかも知れない。 その航空機は数百メートルを急降下し、乗客の多くを負傷させたが、安全に着陸した。
その後、航空機のソフトウェア・システムは、宇宙線が引き起こすかも知れないような 突然のパワー・スパイクを平均化によって除くように再設計された。 宇宙線は、1977年に発射されたボイジャー2宇宙機の2年前の異常を引き起こしたと信じられている。
(Taken from "Electronic Damage", in New Scientist Issue 2885, 6 October 2012, www.newscientist.com.)
今は一般的に Cat 6 (またはそれ以上) が設置されている銅線は、 しばしば低レベルの電磁干渉 (EMI) の区域に配備される。 サーバー、ワークステーション、そして PLC インターフェースを含む local equipment room (LER) が、 典型的な用途である。 だが、LER のあいだのように、ネットワークがその境界を超えて延びる時、 銅のネットワークの動作に著しい影響を持つかも知れない、 リンクのあいだの距離、ケーブルが曝されるかも知れない EMI のレベル、 そして電気的絶縁が望ましいかも知れない施設間の接地電位を考慮しなければならない。
銅とファイバーのいずれの媒体を使うかの決定が行なわれそうなのは、この時である、 と Mr Jones は言う。 光ファイバーは銅の配線の欠点の多くを取り除く。 それは銅よりも長い距離を可能とし、本質的に EMI への耐性を持ち、 異なる接地電位にある施設間の電気的絶縁を可能とし、 近年の著しい銅の価格の増加もあって価格競争力を増している。
(Taken from "Network media: economic and technical selection issues", in the Industrial Ethernet Book, September 2012, www.iebmedia.com/ethernet.php?id=8900&parentid=74&themeid=255&hft=72&showdetail=true&bb=1)
高電圧の架空や地下のケーブル・システムの有名な製造業者が、 新しいタイプのケーブルのために新しい生産ラインを設置した。 その新しいラインは、ケーブル素材 (2台の1馬力ASD)、加熱/押し出し加工 (2台の400馬力ASD)、 そしてケーブル巻取リール(2台の1馬力ASD)の制御のために、 様々な可変速ドライブ(ASD)を利用した。 そのラインの大きさは、ASD間の距離が相当なものとなるようなものであった。 加熱/押し出し加工の制御に用いられている2台のASDは、 その生産ラインに給電している大きな分電盤に最も近かった。 素材の送り出しを制御する2台のASDが次で、巻取リールを制御するASDが次であった。 2台の大型ASD (400馬力) のための電力はコンジットに通されておらず、 天井のケーブル架台から引き下ろされていた。 従って、それらのケーブルは長く、シールドされていなかった。
リールに巻き取られた完成したケーブルを顧客に発送する前、 ケーブルは部分放電試験にかけられる。 部分放電試験は、ケーブルの全長にわたる何らかの漏洩を同定するために用いられる。 もし部分放電試験が 5pC 以上の電荷の流れを明かにすれば、そのケーブルは試験に不合格となる。 もし試験がそれよりも低い量の流れを明かにすれば、そのケーブルは試験に合格となる。 その工場での部分放電試験セットアップの能力は、 ケーブル・リールが期日通りに出荷されることを確かとする重要な部分である。
この新しい生産ラインの立ち上げに際して、
部分放電試験セットアップの使用が問題を明かにした。
Figure 1 に示すように、その部分放電試験システムは
5pC よりもかなり大きい漏洩を明かにした。
実際、試験は、許容限度の 8倍の、ほぼ 40pC の漏洩を示した。
プラント技術者らは部分放電試験システムが正しく動作していないと結論し、
その受け入れられない試験結果の理由を誰かが同定するまで
このシステムは使用できないと判断した。
その問題への対応として、工場のスタッフは その試験モニタの誤った読みの原因を探し始めた。 機器への接続が調査された。 この部分放電試験システムは工場内の他のものと入れ替えられ、 新しい生産ラインの近くで同じ問題が再現した。 部分放電システムへのプローブも検査された。 問題の場所で試験に不合格となったケーブル・リールが 他の部分放電試験システムのところに運ばれ、そこでは試験に合格した。 部分放電試験システムの製造業者が呼ばれたが、誤った読みの原因を同定できなかった。 部分放電試験の専門家も呼ばれたが、問題は解決されないままであった。 数ヶ月の調査の後、プラント技術者は何か助けを得られないかと地方電力会社に頼った。 その地方電力会社は、問題を調査して問題の原因を同定するために EMC 技術者を呼んだ。
部分放電試験システムに最も近い ASD の入力線の位置で測定が行なわれ、 カスタム設計のフィルタを作って設置しなければならないということになった。 EMC 調査員が去った後で、電気設備業者によって降圧変圧器の場所にそのフィルタが設置された; だが、干渉問題は依然として発生した。 フィルタ設置の再調査によって、EMC 調査員は、 電気設備業者が彼らが示したガイドラインに従っていないことにすぐに気付いた。 放射性と伝導性のエミッションの管理のために、 フィルタは ASD に直接 (入力端子のできる限り近くに) 設置されなければならず、 適切なエミッション低減を確かとするため、その次に変圧器を置かなければならない。 是正処置が行なわれた後、干渉は低減し、 Figure 7 に示すように全システムが動作している状態で許容できることがわかった。 15馬力ドライブの接地線への 5A グランド・ノイズ・フィルタの適用は、 Figure 8 に示すように接地線へのノイズのエミッションの低減をもたらした。 最大 30dB のそのエミッション低減は、部分放電システムの背景雑音も低減させた。
要約
工場内のそれぞれのドライブからの放射性と伝導性の複合的なエミッションが 部分放電システムの背景雑音レベルに影響した。 そのノイズ・レベルは、 それら2つが何らかの緩和手段なしに共存するためには高すぎた。 部分放電システムに最も近い 15馬力ドライブの元々の設置に ドライブの近くの絶縁変圧器と第2のパワー・ライン・フィルタが含まれていたとしても、 他のドライブからのノイズが試験システムを使用できなくさせたことだろう。 新しいケーブル生産組み立てラインの設置に先立っての、 部分放電試験システムを含む、工場のそのエリアの調査は、 この問題を明らかにしたことだろう。 また、この問題の回避を助けたかも知れない重要な要因は、 部分放電システムがドライブのようなデバイスからのエミッションに かなり敏感であるという基本的な理解であろう。 ドライブへの短い主電源導体も、助けとなることだろう。
グランド・ノイズ・フィルタの技術
グランド・ノイズ・フィルタは、 実質的に、特別に設計されたコアとそのコアに数回巻かれた銅の単線、 そして並列の抵抗とから成る、特許取得済みの技術である。 そのコアと巻線はフィルタに接続されたグランド・インピーダンスに誘導性インピーダンスを与える。 そのフィルタの技術は単純であるが、 接地に関連した EMI 問題を解決することが多くの例で示されている。
(Taken from: "Case 1" in "Case Studies of EMI elimination and ground noise reduction using ground noise filters", by Philip F Keebler and Kermit O Phipps of EPRI Electromagnetic Compatibility Laboratory, Knoxville, Tennessee, published in Interference Technology EMC Directory and Design Guide 2009, pages 102-118.)
高周波電子式照明安定器システムは、 エネルギー効率の良い蛍光灯や HID (高輝度放電灯) 照明を与えるために、 商業や工業の施設でより頻繁に用いられるようになっている。 ランプと安定器の製造業者はそのシステムの多くを高効率の照明システムを与えるために設計してきた。 最近、同僚が、バスケットボールの試合が行なわれる体育館に、 ユニバーサル電圧電子式 HID 安定器を設置した。 これらの高効率電子式 HID 安定器は、 既存の 400W 高圧ナトリウム磁気安定器を置き換えるために設置された。 コンポーネントに関係する安定器の故障の緩和のための 100% の交換の後、 安定器は故障し続けた。 コンサルティング機関による限定的な電力品質監視の試みの後、 器具製造業者と安定器製造業者は、その施設内の配線と接地の問題を疑った。 その体育館の器具と安定器の故障は、照度が低くなりすぎれば、 バスケットボール・コートを使用できなくし得た。 器具と安定器の修理が毎週のバスケットボールの試合を始める前の日常業務となり始めた。
我々の目標は、この故障がそのような頻度で発生する大学の施設に 配線と接地の問題があるかどうかを同定するための詳細な現地調査を行なうことであった。 安定器への給電に用いられる照明用分岐回路に電力を与える配線と接地のシステムの、 2日間の現地調査を行なった。
照明用分電盤でのエミッションの低減
盤内の接地の伝導性エミッションのレベルが高かったため、 調査員は盤の主接地導体に 5A グランド・ノイズ・フィルタを設置することを選んだ。 このフィルタの設置は、このエミッションのレベルを低下させ、 照明盤の接地と ASD 盤の接地を分離することを助けるであろう。 Figure 11 は、5A フィルタの設置の前 (上のグラフ)、 そしてフィルタの設置の後 (下のグラフ) の、 照明盤の接地線上の伝導性エミッションのレベルを図示する。 見て取れるように、エミッションの低減は、周波数に依存して、おおよそ 20〜30dB であった。 フィルタの設置は、電子式安定器が用いられていた照明器具の接地線上のノイズ・エミッションを低減した。 安定器の故障は止まった。
(Taken from: "Case 2" in "Case Studies of EMI elimination and ground noise reduction using ground noise filters", by Philip F Keebler and Kermit O Phipps of EPRI Electromagnetic Compatibility Laboratory, Knoxville, Tennessee, published in Interference Technology EMC Directory and Design Guide 2009, pages 102-118. For details of the technology of the ground noise filter, see Banana Skin number 737.)
状況: ある大きな建設資材供給企業は、建設産業の大きな部分に建設プロジェクトを供給している。 実際、この組織は、アメリカ西部の環境対策、建設、包装、営繕製品の最大の供給源となっている。
その建設資材企業は、エンド・ユース電気/電子機器と 様々なサイズのブレーカと無停電電源 (UPS) のような配電機器の、 深刻で奇妙な、説明できない誤動作を経験した。 そのような誤動作は、建物の負荷への電力、通信、インターネット・トラフィック、 サーバーの動作、そして火災警報システムの動作を中断させた。
要約: 顧客が推奨された変更 (グランド・ノイズ・フィルタの設置を含む) を その配線と接地のシステムに対して行なった後、 機器の誤動作、そして電話、ネットワーク、そしてインターネットの接続の停止は除去された。 これらのフィルタと、配線と接地の変更とは、 外部の電磁環境からのノイズからの顧客の設備と機器の分離を助けた。
(Taken from: "Case 3" in "Case Studies of EMI elimination and ground noise reduction using ground noise filters", by Philip F Keebler and Kermit O Phipps of EPRI Electromagnetic Compatibility Laboratory, Knoxville, Tennessee, published in Interference Technology EMC Directory and Design Guide 2009, pages 102-11. For details of the technology of the ground noise filter, see Banana Skin number 737.)