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干渉から免れた現実的なオーディオ・システム ―― Part 1

by Tony Waldron

1 概要

私が一緒に働くことになるオーディオ技術者やシステム・インテグレータの大半は、彼らのシステムを、コンピュータ、プロセッサ制御式デバイス、そしてワイヤレス・サブシステムと共に動くように設計しなければならない。彼らは、電磁的な適合性を持つシステム・コンポーネントに自ずと関心を持ち、また現代的な電子システム全てに蔓延している様々な干渉現象の管理を助ける配線や接地のテクニックを議論することを強く望んでいる。しかし、彼らが向き合わなければならないさらに基本的な問題がある：

入手可能な、電磁的な適合性を持つオーディオ・コンポーネントはごく僅かである。実際、入手可能なそのようなオーディオ製品を数えるのに両手を必要とすることも珍しい (残念ながら、「CE」マークが付けられたあまりにも多数のコンポーネントは、それに合格することはもとより、EMC 試験に近付いたことさえない。)
全面的にメッシュ状となった接地導体配線を持つ建物は、そのような現場は存在しないと見倣しかねないほど僅かである。

これは、オーディオのための干渉から免れたシステムを設計することが不可能であることを意味するのだろうか？幸い、その答えは明確な否である。この記事の目的は、電磁的な適合性を持たない任意のコンポーネントに適用できる一連の比較的単純なテクニックと、オーディオ機器を使う必要がある任意の現場に埋め込まれたメッシュ接地アイランドとをレビューすることである。これらのテクニックのいずれも、特に新しいものではない。実際、以下で議論するテクニックの大半は、我々の歴史の半分以上にわたって知られ、試され、試験されてきた。これらのテクニックのいくつかが多くのオーディオ技術者にはエーリアンのように見える (これが、この産業界への EMC 設計法の浸透がこれほど遅い理由である) ことに疑いはないが、いずれも産業界のコンピュータ、計装、そして RF 分野で長いあいだ使われてきたものである。私には、世界中のオーディオ専門家が「だが、コンピュータ、計装、RF システムには、オーディオ・システムにあるような低周波ノイズ問題はないではないか！」と私に叫ぼうとして息を深く吸うのが聞こえるほどである。そう、私がここにいるのは、全ての電子システムは同一の低周波ノイズ問題を被り得るし、被っていると、あなたがたに告げるためである。実際、それを聞けるならば欠陥を追跡することは遥かに容易であるので、オーディオ技術者がその解決策を最初に見付けなかったことは驚くべきことである！その代わりに、オーディオ技術者らは、低周波ノイズ問題の原因をそのまま残して、一時しのぎの方法を見付けた [3]。

2 序論

今では、プロセッサ制御回路はオーディオ・システムの内部やその周辺で広範に使われている ―― アナログのデジタル制御；デジタル式オーディオ・レコーダ；デジタル式オーディオ処理；編集やオーディオ機器の制御のためのコンピュータ。ライブ音響における干渉問題は、コンピュータ制御式照明、動力飛行、そしてステージ機器によって悪化させられた。これらのコンポーネント全ては、極めて広い帯域幅の高レベルの無線周波干渉を発生させる能力を持つ。プロセッサのクロック回路の低次の高調波は相当のエネルギーを含んでおり、これはアナログ回路によって復調される可能性があり、システム内の全てのケーブルはアンテナとして振る舞う傾向があるので、我々は発生したいかなる干渉もシステムの他の部分を妨害し得ると仮定しなければならない。これは、サブ・システム間での干渉の可能性があることを意味する。 VHF/UHF ワイヤレス送信機からの外部干渉の問題も増加しつつあり、それに加えて今はほとんど全ての人が (明らかにほとんどの時間) 携帯電話を使っている。従って、常識は、コンポーネントやシステム配線を良い RF シールドを与えるように設計する必要があることを示唆するだろう。

ケーブルの効果的な RF シールドは、ケーブルの導通が連続であることを必要とする。多くのオーディオ技術者はその必要性を気にしていないかも知れないので、おそらくここでその理由を繰り返す価値があるだろう：

電磁シールドは、電流がシールド導体を流れられることを必要とする。
シールドのいかなる隙間や開口も無線周波エネルギーを「漏洩」させ、シールドを損なうであろう。

勿論、ケーブル・シールドが機器のエンクロージャ (ファラデー・ケージ) へ片端だけで終端されているのみであれば、それは縦電流を流すことはできず、またその終端されていない端は必然的にシールドに大きな隙間を生じるであろう。

我々オーディオ技術者が知るように、この指示は我々が「ハム・ループ」と呼んでいるノイズ問題の征服について学んだ全てのものに対立する。長年のあいだ、我々は「ハム・ループ」を生じさせるメカニズムをそのままにしていることに気付くことなく、ハムを止めるためにケーブル・シールドの片端を浮かせてきた (私が言った一時しのぎ)。さらに悪いことに、そもそも何故システムがハムを生じるのかを見付けるための適切な確認を行なう手間をかける人もいなかった。我々は、ハムを消すために何日も費した後で、我々が背を向けた瞬間にそれが突然再出現することに、常に驚かされてきた。そして、我々全ては、シールドの片端を浮かせることがせいぜい数百 kHz に対してケーブルのシールド効果を低下させることを気にかける人もいないほど、オーディオ周波数帯に焦点を当ててきた。

もう１つのあまり良く理解されていなかった事実は、交流電源インフラストラクチャが干渉の収集と分配の主な寄与者だということである。最近は、照明とステージ機械のためのスイッチング電力変換と位相角電力制御の使用の増加が、事態をさらに悪くしている。交流電源なしに済ませらることは滅多にないため、実質的に全てのシステム・コンポーネントが電力配線によって相互接続されているので、これに関連する問題を最も良く管理する方法を学んだ方が良い。

要員の安全と機器の保護という重要な局面もある。今は、全ての交流配電系に、安全接地導体の設置が要求されている。後で見るように、同一の接地導体系を全てのもの ――要員の安全；機器の保護；信号基準；雷からの保護―― のために使えばノイズと干渉の制御は遥かに効果的であるので、私はこれ以降はこれを保護接地と呼ぶ。

3 交流電源と保護接地のシステムを理解する

接地系の第一の目標は、要員の安全と、設備の損傷に対する保護である。所期の電気システムにおいて、その主役は電源系故障と雷として同定された。これらの状況のもとにおいて、安全と保護はそのような現象によって生じる電流のための大地への導電性経路を設けることによって達成された。電子システムの発展は、個々の回路の接地が大地への接続を必要とするとは限らないという事実によってこの論点を多少混乱させた。個々の電子回路の接地は、内部を流れる電流全てが還流する基準導体となる。システムのある部分は大地への接続を必要としたものの、他の部分は分離され、あるいはフローティングのままとされた場合に改善された性能を持った。今日では、我々は４つの概念的な接地要求を考慮する必要がある：安全、機能、雷防護、そして EMC。いかなるシステムにおいても、４つ全ての接地要求が関係を持つ。

安全、あるいは保護接地

接地は、故障状態において電流が流れられる低インピーダンスの経路があることを保証する。 IEE 配線規則 (BS 7671) は、「接地」を次のように定義している：設備の露出した導電性部分の、設備の主接地端子への接続。

ローカルな規制を優先しなければならないものの、故障に際してライブとなり得る、人が触れるかも知れない機器の露出した導電性部分を保護接地システムに接続すべきであるということは、国際的な規定の中で広く合意されている。この文脈においては、等電位ボンディングは、ある作業ゾーン内の露出した金属構造が通常動作や故障の状態において概ね同一の電位にあることを保証する手段である。そのような電圧は安全であるものと期待される (通常は 50V rms 未満であると考えられる) が、滅多にゼロにはならない。等電位ボンディングは人々を保護するように設計されているが、機器や配線を保護するとは限らない。大きな設備においては、複数の等電位ゾーンがあるかも知れない。ゾーン間の電圧は、大きく、不定であるかも知れない。潜在的に危険な電圧を引き込むことを防ぐために、そのようなゾーンを横切る信号配線 (LAN のような) には特別の注意が必要となる。

感電に対する保護全体は、接地と、故障時における電源の自動的な切断の組み合わせとなるであろう。従って、感電を防止できるだけ充分に早く切断が生じるように、保護の手段 (ヒューズ、サーキット・ブレーカー、RCD) を設備の地絡インピーダンスと協調させることが重要である。接地保護導体の物理的な寸法、従ってその抵抗は、システムの他の部分から生じることが予測される故障電流によって決定される。 PME (protective multiple earthing) スキームが用いられている場合、電源が切れている場合でさえも、その保護導体群は接続網内の循環電流の結果としての相当の連続電流を流す可能性があり、過剰定格を必要とするかも知れない。この場合、我々は、インダクタンスよりもレジスタンスが導体インピーダンスを決定する低周波の電流に関心を持つ。

機能接地

これは、１つの回路内の電圧と機器の他の部分の電圧との関連付けと、隣接しているが電気的に分離された回路が「フローティング」となることの防止の双方の働きを持つ導体のために用いられる用語である。そのような導体は、別のカラー・コードを用いることにより、保護接地導体から区別しなければならない。機能接地導体は安全規則に適合する必要はないが、異なったゾーン間での循環電流と電位差の脅威は、大きなシステムにおけるそのような導体の使用に実際上の制約を設けるかも知れない。機器の信号回路の仕様は、最大の同相電圧 ――これはゾーン間の電位差に等しいだろう―― に対して設計されるべきである。その実際の電圧が機器の同相電圧定格を超え得るならば、共通接続ネットワーク (common bonding network; CBN) を設けるべきである。これは既存の建物においては実際的ではないかも知れず、そのような場合には、電気的絶縁回路インターフェースが通常の解決策である。

雷防護用接地

電子システムを含む建物は、落雷によって誘起された電流のための、大地への低インピーダンスの接続を持たねばならない。最近の研究は、建物内に大地へのより直接的な接続が存在するならば、落雷は建物の壁を突き抜き得ることを示している。特にそのケーブルが大地と平行に引かれている場合には、雲間放電はケーブル・システム内に極めて大きい電圧サージを誘起させられる。従って、多層建築物においては、避雷針をその建物の構造に関連した他の接地導体に接続することによってより良い保護が達成され得る ([2] の Chapter 9 を参照)。世界中で雷防護のための様々な国内規格や国際規格が発行されているので、ローカルな規制を優先しなければならない。

EMC 接地

干渉電圧が所望の信号と較べて低く、正しくない動作や過剰なエミッションが生じないことを保証するために特に設計された導体系。明白な安全上や動作上の機能はなく、電磁干渉は極めて広い周波数範囲にわたって生じ得るので、 EMC 接地システムは既に建物内に存在している分散した構造要素 ――電子サブ・システムのシャーシ、機器のエンクロージャやパネル―― の利益を受けられる。その総合的な性能はその物理的なジオメトリに関係し、これは、その設計は、電気工学的原理と同様、その構造の機械的な設計や使用された設置テクニックに関係しなければならないことを意味する。

我々は、３つのほぼ階層的な接地の定義を示すことができる：

システム基準として用いられる良質の等電位の領域や面；
電流がその発生源に戻るための低インピーダンスの経路；
同相モード電流の差動モードへの変換を防ぐための、低い伝達インピーダンスの経路。

等電位領域

物理的に離れた任意の２点間に電位差がない完全に等電位の領域や面は、いかなる接地システムのためにも極めて望ましい。 EMC に関しては、それらの点のあいだにはノイズ電圧が存在せず、それらの２つの点に接地されたシステムに干渉が注入されないこととなろう。そのような領域の完全な実現は現実には不可能であるが、高導電性の面を用いることで良い近似が達成できる。機器のキャビネットのバックパネルとコンピュータ室のメッシュ・フロアは、 EMC の目的に関係する最高の周波数まで接地インピーダンスがレジスタンスに支配されるそのような面の２つの良い例である。

低インピーダンス還流経路

いかなる実際の構造物も任意の二点間にゼロでないインピーダンスを持ち、電流がそのようなインピーダンスを流れている場合にはそのあいだに電圧が生じている筈である。 EMC のためには、必要なことは、接地に生じる干渉電圧を最小限とすることである。従って、良い接地設計とは、干渉電流が流れるどこに対しても最小のインピーダンスを提供するものである。もし設計者がその接地を管理しているならば、それを回路のための機能的な還流経路のために使えるかも知れない。その低インピーダンス性に何らかの疑問があるならば、別の還流導体を組み込んで信号導体と組にし、総回路インダクタンスを最小とすべきである。その回路が接地を基準としなければならないならば、それを一点で行なうことで、その接地の信号導体による汚染、及びその逆を防止できる。どの点で接地に接続するかという問いは、些細なものではありそうにない。

信号と還流用導体とのペアに関係した接地構造は、低い伝達インピーダンス (Z_T) を与えるように設計すべきである。伝達インピーダンスは、被害者の回路に生じた電圧を接地経路を流れる干渉電流で割ったものとして定義される。低い Z_T は、接地を流れる干渉電流 ――実際的な理由から、これは不可避である―― が回路に伝達する干渉電圧が最小限となることを意味する。接地内のコンポーネントが受動で線形であることから、１つの方向で低い Z_T を持つ構造は他方でも良いであろう。

伝達インピーダンス

伝達インピーダンスは、回路と接地のジオメトリの関数である。近傍界においては、その値は回路とその構造のあいだの誘導性や容量性の結合に、そして分離、方向、そして結合面積によってこれらのパラメータがどのように変化するかに影響される。

Figure 1: 伝達インピーダンス

Figure 1 から、接地導体の物理的な寸法によって伝達インピーダンスがどのように変化するかを見られる。

回路単体： Z_T によって示すことはできない。
平行した接地線を持つ回路：比較的高い Z_T を持つ単純な構造。
金属板の近くに取り付けられた回路： Z_T は、回路が板に近づき、また板の幅が広くなると低下する。 Z_T は板のエッジからの結合によって支配される。
U 形のコンジット内の回路：エッジの影響が低減されることから、Z_T はさらに改善される。エッジの影響は蓋を付けることによってさらに低減でき、また蓋が連続的に接触するならば除去される。
円筒内の回路：可能な最低の Z_T。大抵の機器のためには実際的ではないが、同軸シールドはケーブルのためには容易である。ソリッドな外部シースは、最良の結果を与える。

接地構造

完全に新しい設備やツアー用システムを設計している時には、交流電源や保護接地の配電に影響を与えられるかも知れない。これをどのように効果的に行なうかの良い情報と、この章全体のトピックに関するさらに詳細な情報は、参考文献 [1] や [2] で見ることができる。しかし、ほとんどの時間、我々は既存の配電システムに関連した問題と格闘するであろう。既存の建物や現場の保護接地構造には３つの可能性がある：

独立接地
スター接地
メッシュ接地

独立接地

Figure 2: 独立接地

独立接地電極の使用は、今は安全上の危険を生じるものと理解されている。落雷に際して、あるいは中圧や高圧の配電系での地絡が発生した時、独立した地中電極は、過渡的には 10,000V を超える、大きく異なった電圧を持ち得る。これは、感電、シャワリング・アーク、有害な蒸気、発煙、機器の損傷、火傷、そして重大な火災を引き起こし得る。この種の接続は、干渉の制御の目的にも極めて不適切である。

(今日においては) この種の接地導体トポロジーに出会うことはありそうにないが、いくつかの状況でこの種のシステムに直面しなければならなかったことから、何故独立接地が大きな問題であるかの短い説明を含めた。システム内の異なった接地点間の大きな電位差は危険なだけではなく、低周波ノイズの制御においても大きな問題を引き起こし、高周波干渉の制御のためには完全に役立たずである。

スター接地

Figure 3: スター接地

これは既存の建物や設備で見られる最も一般的な種類の接地構造である。クリーンな電力、ダーティーな電力、そして雷防護のための分離された接地ネットワークは、単一の、あるいは一体化された接地電極で相互接続される。スター接地は独立接地電極システムの多くの安全上の危険を除去する。慎重に設置され、そのトポロジーが維持されている場合、スター接地システムは電源周波数における良好な安全性能を持ち得る。今日の計装、制御、コンピューティング、そして通信技術で用いられている周波数においては、スター接地システムはもはや専門家向け設備における干渉の制御のためには適切ではない。

多くの規定が大地への一点接地接続を安全のために要求しており、多くの製造業者が接地をシングル・エンド情報技術と通信信号のための基準電位として用いているので、通信機器のために「クリーン」接地システムを設けるという伝統的な概念はもはや生き続けられない。
実際的ないかなる長さの個々のケーブル、ワイヤ、そして構造金属材も、普通に用いられている周波数において効果的なアンテナと見倣さなければならない。これは、干渉の制御や何らかの形で EMC のために用いるためのスター接地テクニックの有効性に厳しい限界を設ける。
スター接地システムは、いずれも偶発的に、あるいは拙劣なメンテナンスによってあまりにも損なわれ易い。例えば、スターの異なった枝の異なった機器のあいだのデータ・ケーブルの設置 ――オリジナルのシステムの立ち上げから何年も後の―― を考えよう。接地と雷防護に関する知識を持つ要員によって正しく行なわれなかったならば、サージは機器への損傷、及び／もしくは火災や感電を引き起こし得る。同様の問題は、ある要素が新たな場所に動かされ、あるいは壁や仕切りが動かされた時にも起こり得る。

メッシュ接地

Figure 4: メッシュ接地

これは、今、建物内の安全のために要求されている接地接続手法であり、共通接続ネットワーク (common bonding network)、あるいは CBN とも呼ばれる (参考文献 [1]、及び [2] を参照)。

複雑な設備においては、 CBN は３次元的なメッシュとなった等電位システムを作るように拡張する必要がある。これは Mesh-BN (Mesh Bonding Network) として参照される。建物内のすべての構造金属材や非構造金属材は、相互に接続される。これは、最終的に雷防護システム (LPS) に接続される高度に相互接続されたシステムを作るために、コンクリート補強鋼材、梁、ケーブル・トレー、ダクト、デッキ・プレート、グレーティング、骨組み、上げ床の桁材、コンジット、リフト (エレベータ) 構造、窓や扉の枠、そしてガス、水、煙、空気などのために用いられている配管を含む。

この高度にメッシュ状とされた３次元システムは、さらに全ての電気ケーブルのシールドや外装、そして電気機器の各要素のフレームやシャーシと極めて高度に相互接続される。既存の金属構造材や導体がない場合には、垂直や水平のメッシュを完成させるために、大きな断面積の導体を追加しなければならない。施設の数マイル以内で発生した雷撃によって発生させられるパルス性磁界 (LEMP) からの電子機器の保護を助けるために、しばしば 3～4m (10～13フィート) の最小のメッシュ寸法が推奨される。建物へ引き込まれる電源の主接地端子は、Mesh-BN への複数の接続を必要とする。

Mesh-BN は、安全、機能、及び EMC 接地のためのインテグレーティッド接地接続システムとして用いられる。そのような高度に相互接続されたシステムにより、安全、信号インテグリティ、機器の信頼性、そして EMC といった様々な目的を、妥当なコストで、妥協することなく達成することが可能である。追加される利点は、そのシステムは将来の変更における制約が少なく、管理が遥かに容易なことである。

特に、シンガポールの新しい Esplanade コンプレックスのような高規格の専門家向けオーディオ・システムにおいては、幸運にもこのようなシステムのもとで作業できたならば、干渉やノイズの問題の解決は遥かに容易となる。この重要なプロジェクトにおけるシステム設計に関する記事を書くことをシアター・プロジェクト・コンサルタントに薦めているところである。

4 グランド・ループについて

メッシュ接地システムに対する最も普通の異議は、それが「グランド・ループ」 ――システム・ノイズに著しく寄与することに気付かれていた接地導体を流れる電流に、歴史的に関連付けられた用語―― を作ることである。

接地電位差が存在するシステムにおいては、そのような２つの接地点間でループを閉じることはその構造に電流が流れられるようにするであろう。存在している電位差が高いならば、大きな電流が流れ得る。ループ内の導体が信号や低勢力電源のケーブルの一部を形成するものを含み、あるいはそれと密に結合しているならば、そのケーブルに関係する回路に相当の干渉が誘起され得る。ループを開くと、その電流はもはや流れなくなり、その干渉は消滅する ―― しかし、その電位差は残り、ループがシステムの他の箇所で閉じられたならば類似の問題を引き起こせる。

全てのグランド・ループを除去し、接地システムの異なった部分間の高い電圧という結果を受け入れるという原理は、スター接地、あるいは一点接地体系で体系化された。この種の接地システムは比較的容易に実現でき、単純な低周波の応用では実にうまくいくものの、今はベスト・プラクティスからは排除されたものと見倣さねばならない。今日のシステムにおける干渉は、通常は Hz ではなく 10MHz、あるいは 100MHz を単位として計られる。スター接地、あるいは一点接地導体システムはそのような周波数では高いインピーダンスを与え、システムをそれに結合させるのではなく、それから分離させる。もう１つの深刻な問題は、大きなスター接地システムは時とともに偶発的にグランド・ループを持つシステムへと退化する傾向があることである。システムの各部には変更や更新が行なわれ、安全と機器の信頼性の維持のためにある程度の管理と統制を必要とし、これは現代的な技術部門の減少を続けている資源に対する重荷となる。

メッシュは極めて多数のグランド・ループを作るが、それらの面積は小さく、設計者の管理下にある。構造の部分間の電位差は最小限とされ、結果的な電流は小さく、干渉の可能性は僅かなものである。正しく実現された Mesh-BN システムの安全性、信頼性、EMC、そして使用の容易さという利点は、そのあり得る欠点よりも遥かに重要である。

5 メッシュ接地「アイランド」の使用による既存のシステムの改善

Figure 5: ディズニーの「ライオン・キング」の上演におけるミキシング・ポジション

敏感なコンポーネントを干渉源となる可能性がある機器とグループ化し、かつ／もしくは相互接続する必要がある設計状況においては、その全領域で接地導体を相互にメッシュ化することが費用効果が良い。良い例は、録音スタジオや、ライブ・サウンド・システムのためのミキシング・ポジションであろう。双方のケースで、ミキシング・コンソール (アナログやデジタルの) は敏感な「被害者」のコンポーネントと電磁的にホットな「加害者」のコンポーネントの混合を含む機器ラックに囲まれる可能性が高い。 Figure 5 は、ライブ・サウンドのための典型的な複合ミキシング・ポジションを示す。３フレームのデジタル制御アナログ・ミキシング・コンソールが、デジタル・オーディオ再生装置、デジタル・エコー／遅延ユニット、アナログやデジタルのイコライザ、アナログやデジタルのダイナミック・コントローラ、上演を進めるための３つの異なったコンピュータ・システムを含むラックに囲まれている。

このミキシング・コンソールはそのエリアのラック・マウントされたコンピュータ全てと高度に相互接続されているので、全ての I/O 配線 (オーディオ、デジタル、及び制御) に完全なシールドが必要となる。これは、そう聞こえるほど単純なことではないかも知れない。今日入手可能な多くのオーディオ・コンポーネントは、 1995年に Neil Muncy によって AES Engineering Report で示され、「ピン１問題」として知られるようになった設計上の欠陥 ――I/O ケーブル・シールドの接続がシャーシ／エンクロージャをバイパスする [4]―― と共に設計されている。私はこの方法で設計された機器をレガシー・コンポーネントと呼び、完全にシールドされた配線を使用する必要がある場合にこの問題にどのように対処するかに、後で章全体を費す (６章)。しかし、その基本原理は単純であり、これは Figure 6、及び 7 に示されている。

交流電源と保護接地配線

Figure 6: 保護接地導体メッシュ

Figure 6 は、全ての機器のキャビネットやエンクロージャの導電性の表面を交流電源の保護接地導体に接続することによって主な安全要求が満たされることを示す。さらに、IEC 61000-5-2 [1] は、機器のエリアを Bonding Ring Conductor (BRC) として知られている連続したヘビー・デューティの導体で囲むことによってある領域内の導電性表面間の電位差をさらに低減できることを示唆している。引き込まれた交流電源保護接地導体は、その領域への入口で BRC へ接続される。全ての金属エンクロージャも保護接地導体、及び BRC に接続された時、それらの機器エンクロージャは電源周波数において等電位ゾーンを形成する。これは安全のためには秀逸であるし、私はこれが干渉の制御のためのかなり良い出発点であることにも気付いた。

信号ケーブルとシールド

Figure 7: 信号ケーブルのシールド接続

典型的なサウンド・コントール・エリア内の全ての信号ケーブルは、あり得る干渉発生源 (プロセッサ・クロックやその高調波、LAN、無線サブ・システム、携帯電話など) の波長と比較して電気的に長いので、全ての信号や制御のケーブルは最大限のシールド能力を持つ必要がある。これは、単芯や多芯のシールド・ケーブル、及び／もしくはケーブルを通すための導電性コンジットを用いて行なえる。ケーブル・シールドは干渉電流がそのシールド導体内を流れられる場合に限って効果的なシールドを与えられることを忘れないこと。我々は既に安全上の目的のために良質の低インピーダンス局所接地メッシュを持っているので、我々が行なう必要があるのは全てのケーブル・シールドを両端でそれぞれのエンクロージャの金属構造に接続することである。

勿論、我々は今は多くの異なった場所でその保護接地を信号グランドに接続している。しかし、これは大きな利点である。それらの信号ケーブル・シールドはその領域に新たな接地メッシュを追加し、高周波干渉電流が使うための様々なインピーダンスの多数の異なったグランド経路を提供する。これらの電流がエンクロージャ内の機器の内部回路に入ることを許されない限り、局所的な干渉を制御するという問題の大半を解決したことになるであろう。しかし、完全にシールドされたケーブルから最良の利点を得るためには、ケーブルの接続部やコネクタ全てで 360°シールド接続 (全周接続と呼ばれることもある) を用いるように務めなければならない。大抵の専門家向けオーディオ機器で用いられている一般的な XLR コネクタは 360°シールド接続を許さず (今はそれが可能なものが何種類かあるが)、我々に可能な他の方法はこれを失敗させる。

メッシュ接地構造の RF 性能をさらに向上させる必要がある場合がある。私が使い、大きな成功をおさめた方法は、産業界のコンピュータ・システムの方から借りたものである。その基本的なコンセプトは：全ての機器エンクロージャを金属のグリッド上に置く；全てのエンクロージャをグリッドに接続する (少なくとも一箇所で)； BRC をグリッドの外周に接続する (多くの箇所で)；交流電源保護接地導体をグリッドに接続する。適切に設計された導電性グリッドが入手可能であり、これは「コンピュータ・マット」と呼ばれることがある。私は、あるシステムで、二層の金網 (chicken-wire) を用いて成功したことがある。

メッシュ「アイランド」の拡張

Figure 8: 拡張されたオーディオ・システム

システム全体の様々な部分が離れて置かれた多くのオーディオ・システムがある。これは、そのどれもが電源周波数においてさえも同一の電位の近くにはない複数の局所接地エリアがあることを意味し得る。この基本的な図は Figure 8 に示す。

遠隔場所１は録音機器と電源ユニットを含む機械室かも知れず、あるいは劇場やコンサート施設のステージを示しているかも知れない。遠隔場所２は、劇場内のアンプ・ラック、ライブ・コンサートにおける録音や放送のためのトラック、あるいは同一の建物内の他のスタジオかも知れない。ポイントは、同一のシステムの遠隔に位置する部分は制御ポジションから、かつ／もしくは互いに何百メートルものケーブルで離れているかも知れないが、全てが安全の目的のために交流電力電源を介した共通の保護接地接続を持つ (あるいは、少なくとも持つべきである) ということである。我々が確信できることは、これは、たとえ Hi-Fi 狂が使うメートル当たり数千ポンドを要するケーブルから作られていたとしてもいかなる周波数においても絶対にゼロとはならないであろう、保護接地導体のインダクタンスによる。我々が信号ケーブルを相互接続し、 (干渉の良い制御のために) そのシールドを両端で接続した時、ループが形成され、電流が流れるであろう。

そのループ電流は実に高いものとなり得る ―― 時には、シールド・ケーブルを暖かくするのに充分なほど高い。だが、多くのオーディオ・システムにおいては、それらの異なった場所を繋ぐ多数の信号や制御のケーブルがある。それらのケーブル・シールド全てが両端で接地導体に接続された時、２つのことが起こる：

任意の２箇所の間の電位差が低減される (それらの２点間のグランド・インピーダンスが追加の銅によって低減されるため)；
ループ電流の振幅は増えるかも知れないが、それは並列に接続されたそれぞれのケーブル・シールドで分担されるので、それぞれのケーブルのシールド電流は低くなる。もしその総ループ電流がまだ高すぎるならば、任意の２つの接地点間に１つ、あるいはそれ以上の導体を追加することによって、その電流をさらに低減できる。これは [1]、[2]、及び [3] でより詳細に述べられており、 並行接地導体 (PEC) として知られている。その PEC のインピーダンスが、１つ、あるいはそれ以上のケーブル・シールド導体のインピーダンスよりも低い場合、ループ電流はインピーダンスの比率に従って分配されるであろう。これは実際上は常に、ループ電流の大半が PEC を流れ、ケーブル・シールドには僅かな部分のみが流れることを意味する。 Keith Armstrong と私が [3] で示した仕事は、正しい接地を用いて設計されたコンポーネントに対しては 5A に達するシールド電流がノイズ問題を呈しないことを実証した。実際のシステムにおいては、ループ電流がこの手法で管理できないほど高くなることは極めて稀である。これまで、私は一度も出会ってもいない。

16本程度の独立したシールド・ケーブルを持つシステム相互接続においては、おそらく PEC を必要としないであろう。ケーブルが金属のコンジット内を通る場合には、そのコンジットを両端でグランドに接続し、そのコンジットを PEC として使用できる。しかし、私は並行接地導体の主な利点に気付いた ―― それは常に低周波における磁気結合を低減し、クロストークの低減を助ける ―― ともかく、わたしは常にそれを含める。そのコストは、システムが完成した後でノイズ問題の解決を試みることと較べて小さい。

6 レガシー機器への対処

私は、レガシー機器という用語を、不適切な、あるいは誤った接地手続きを用いて設計され、作られた機器を意味するために用いる。このテーマには多くのバリエーションがある。しかし、全てのケースにおいて、シールド・ケーブルを使うように意図された信号、及び／もしくは制御コネクタが、そのシールド接続が機器エンクロージャをバイパスし、ケーブル・シールド端末をプリント板上の 0V や信号コモン・トレースに直接接続するように設計されている。そのシールド導体を流れるいかなるノイズ電流も回路の接地還流導体に注入され、その回路はノイズを再発生するであろう。これが、「ハム」や「バズ」ノイズがオーディオ・システムに入り込む支配的なメカニズムである ―― そして、これがオーディオ技術者がケーブル・シールドの片端を浮かせるというプラクティスを採用した理由である。言い替えると、２つのシステム・ノード間を流れるループ電流によって引き起こされた「ハム」や「バズ」ノイズは、システム内の１つ以上のコンポーネントが正しくないシールド終端手法を用いている場合にのみ問題となる。もしケーブル・シールドが電子回路に電流を注入できるならば、数マイクロアンペアに過ぎない電流が大きな「ハム」や「バズ」を引き起こすであろう。しかし、ケーブル・シールドが、接地されたシャーシに直接接続されているならば、そのノイズが入力回路の自己ノイズのレベルに達するのにさえも流れている電流は異常に高くなければならない。これは、控えめな CMRR (同相信号除去比) しか持たない平衡入力レシーバに対してさえも真である。

その他の問題には、以下のものが含まれる：

接地されていないエンクロージャ；
非導電性のエンクロージャ；
内部回路の還流導体とエンクロージャとのあいだの接続がない；
信号や制御のための絶縁されたコネクタ；
電源と給電されているデバイスとのあいだに接地接続を持たない外部電源。

ここで、あなたは私が古い機器について語っているだけではないことを理解するだろう。実際、現在入手できる新しいオーディオ機器の 90% はこれらの欠点とともに設計されていることがわかる。他の人々は、正しくないシールド終端テクニックを用いて設計され、作られているのは、オーディオ機器だけではないことに気付くであろう。

シールドを片端で浮かせることは、たまたまハムやバズのノイズをうまく止めたかも知れないが、今度はそのケーブル・シールドはその波長がケーブル長の 10倍以下となる任意の周波数 (例えば、10m の長さのケーブルに対しては 3MHz 以上の周波数) に対する実に効果的なアンテナとなる。従って、無線周波電流はシールド導体の接続された側で回路の 0V トレースに注入され得る。この電流は回路内の任意の半導体や IC ――想定上の「低周波」オペアンプによってさえも―― によってあまりにも容易に復調され、そのノイズはドライバー・コンポーネントからの出力信号に再生成される。おそらく、この最良の例は彼の基地の呼び出しがクラブの PA システムで再生される、 (駐車場で待っている) ローカル・タクシー運転手であろう。

では、我々はレガシー機器にどのように対処するか？そして、我々は ――1970年台の「XYZ-72」コンプレッサと最後期の「ZYX-5nnn」エコー・ユニット３台を使うように我々の顧客が主張するために―― そうしなければならず、しかも我々は完全にシールドされたケーブル・システムを維持する必要がある。

RF 隔壁、あるいはバックプレート

基本的なコンセプトは：シールドされたシステム配線とレガシー・コンポーネントのあいだに RF 緩衝地帯を設けること。その最も単純な形態においては、これは必要な中継コネクタを取り付けるために充分に大きな金属板、適切なコネクタ１組、その金属板を機器のエンクロージャ、あるいは (シールドされていないプラスチックのエンクロージャのためには) メッシュ接続ネットワークに RF 接続する手段を含む。

その中継コネクタは、(理想的には) ケーブル・シールドを金属板のシステム側に 360°接続できる種類のものであるべきである。これが可能な良い多芯コネクタが多数あるが、既存の XLR コネクタの大半はいくらかの追加配線を必要とするであろう。しかし、我々は全てのケーブル・シールドを、金属板の同一の側に接続された、システム側の配線で片付ける必要がある。人によっては、これを「ダーティー」側と称する。

パネルの反対側のクリーン側からの配線は、 ――通常シールド・コネクタに割り当てられた任意のコネクタ・ピンへの配線を除いて―― レガシー・ユニットの所定の信号、及び／もしくは制御コネクタに直接行く。

Figure 9: コネクタの配線

Figure 9 は XLR コネクタについてのそれを示す ―― ピン１は繋がれておらず、平衡ペア導体のみが接続されている。しかし、信号のためにツイスト・ペアを使い、そのパネルからレガシー・ユニットの XLR コネクタまでそのツイストを維持することが最良であることに注意されたい。勿論、我々がここでしたことはレガシー・ユニットへのケーブル・シールド接続を「浮かせる」ことであるが、我々はシステム配線全体を完全にシールドされたままに維持した。

標準的な配線の XLR ― XLR ケーブル (シールドがピン１、ホットがピン２、コールドがピン３) を用いる場合には、 XLR インターフェース・コネクタのピン１をバックプレートに接続する必要がある。残念ながら、形成されたピッグテールはパネルのクリーン側にある。 25mm (1インチ) の長さのピッグテールでさえも、携帯電話の周波数でのアンテナとなり得る。このピッグテール・アンテナの長さは、ピン１をケーブル側 XLR の内部でシェルに接続することによって加減できる。しかし、全ての XLR ― XLR ケーブルを標準的な配線のままに保つことを好む人もいる。我々が本当に必要とするのは、シェルへ 360°シールド接続された XLR ライン・コネクタである。幸い、今はそのようなコンポーネントが少なくとも１つの XLR 製造業者から入手可能となっている。

我々が多芯ケーブルをレガシー・ユニットとインターフェースできる２つの方法がある：

全てのケーブル・シールド (多層金属箔シールド・ケーブルの全てのドレイン・ワイヤを含む) をシステムのケーブル・コネクタのシェルに接続する。バルクヘッド・コネクタからレガシー・ユニットへの個別の、あるいはツイスト・ペアの導体を用いる；
多層シールド・ケーブルの全体のシールドのみをシステムのコネクタ・シェルに接続する。バルクヘッド・コネクタからレガシー・ユニット・コネクタへ直接の個別のシールド付きペアを用いる。しかし、ファントム・パワーが必要な入力にのみ、その個別のシールドを所定のシールド・ピンに接続する。

上の (ii) の変形の１つが、レガシーなデータや制御の接続のために使用できる。この場合も、外部システム・ケーブルの全体のシールドのみが金属パネルのダーティー側に接続される。多層シールド・ケーブル内の他の導体全てはレガシー・ユニットで使用されている全てのピンへと繋がれる。多くのレガシーなデータや制御の I/O ポートがシングル・エンド情報伝送のために接地基準電位を用いていることから、これが必要である。これはデジタル版の「ピン１問題」である。従って、この二重シールド配線テクニックを用いることは、以前に同一のレガシー・ユニットを前のシステムで用いた時に経験したかも知れないものよりも遥かに良い信号インテグリティを与えるであろう。

必要なグランド分離を与えるために、不平衡オーディオ I/O ポートはトランスを用いてインターフェースする必要があるだろう。可能であれば、トランスはバックプレートのダーティー側に取り付けるべきである。

同相ノイズの除去を助けるために、入力トランスの一次巻線のセンター・タップはバックプレートに接続するべきである。その二次巻線は短いシールド付きツイスト・ペア・ケーブルを用いてレガシー・ユニットに直接接続され、そのシールドはバックプレートにのみ接続される。
出力トランスの一次巻線は短いシールド付きツイスト・ペア・ケーブルを用いてレガシー・ユニットから接続され、そのシールドはバックプレートにのみ接続されるべきである。
トランスのシールド端子はバックプレートに接続すべきである。

7 キャビネット、及びエンクロージャ

キャビネットやエンクロージャは、物理的な保護の提供と、機器を取り付ける機能という主な目的とともに、いくつかの目的を持ち得る。 EMC の観点からは、エンクロージャは以下のものを提供すべきである：

内部の機器のための局所接地基準；
電磁的保護の向上のための区分されたゾーン；
内部機器への、またそれからの放射性フィールド結合からのシールド。

これは、金属や導電性のキャビネットやエンクロージャについて言っていると暗示するであろう ――実際、これは干渉からの良い保護を与え得る。しかし、多くの既存のオーディオ設備やツアー用機器においては、ラック・ケースは往々にしてわずかなシールドしか与えない、あるいはシールドを全く与えない材料から作られている。金属キャビネットの伝統的な機能 ――シールドを提供する―― が、良い接地基準を与えるという仕事ほどには重要ではないことがわかっていることに注意されたい。その構造内の金属の集積が正しく設計され、使用されているならば、これは実質的にシールドされていないエンクロージャで達成し得る。良い EMC エンクロージャの鍵となるのは、導電性の構造の詳細、個々の構成部品に対して用いられている組み立て方法、そしてケーブル出入りの装備である。しかし、その組み立てがどのような種類のものであれ、全てのキャビネットやエンクロージャは接地メッシュに接続されなければならない。

キャビネットの隔壁／バックプレートの接地

Figure 10: バックプレートの接地

第３章で、我々は伝達インピーダンスが回路と接地のジオメトリの関数であることを示した。円筒や矩形のエンクロージャが非実際的である場合には、回路が取り付けられている箇所を覆う大きな平らな板が最良の伝達インピーダンスを与えられる。入手可能なエンクロージャの設計の多くは、良い EMC 接地として使用できる導電性のバックプレートやシャーシを提供している。信号ケーブルに関係した干渉電流を制御できるようにしたいのであれば、非導電性のラック・ハウジングのためには、この方法は必須である。連続した導電面上への、全ての電子モジュールの取り付けと、全てのケーブル・シールドと並行接地導体の終端は、達成可能な最低の伝達インピーダンスを与える。それが干渉電流を運ばねばならないことから、その板との接触を与える材料と方法の選択は非常に重要である。亜鉛めっきとクランプ式のケーブル・シールド接続が推奨される。その材料に適用される保護めっきやパッシベーションは抵抗計のテスト・プローブからの軽い圧力だけで導電性とならねばならない。

バックプレートやシャーシへのシールド・ケーブルの終端は、慎重に計画され、実施されねばならない。全ての同相干渉電流は、それに取り付けられている回路へではなく、その材料を通して直接流れねばならない。可能であれば、ピッグテールではなく 360°シールド終端が用いられるべきである。非導電性の 19インチ・ラック・エンクロージャを用いる時には、インターフェース接続のみがバックプレートの近くに置かれるだろう。しかし、可能であればラック・ユニット取り付けバーはバックプレートに接続されるべきである。

今はエンクロージャ製造業者は正しく設計された EMC キャビネットを提供できるものの、全てのパネルが相互に良い電気的接触を持つように注意すれば既存のエンクロージャを使用できることも多い。これは、塗装や、その他の陽極化処理などの絶縁仕上げは、接地やパネル間接触が行なわれる箇所では除去されねばならないことを意味する。

クリーン・ボックス／ダーティー・ボックス法

Figure 11: クリーン・ボックス／ダーティー・ボックス法

機器エンクロージャのための最も効果的な設計コンセプトの１つは、シールドによる利益を得る、あるいはそれを必要とする回路と、そうでない回路とのための、隔離された空間を与えることである。このシールドされた空間は「クリーン」ボックスとして、シールドされていない空間は「ダーティー」ボックスとして知られている。単一のキャビネットは、接続されたパーティション／隔壁／バックプレートを用いて２つの空間に分割でき、あるいは既存の「クリーン」エンクロージャの脇に追加の「ダーティー」エンクロージャを接続できる。

その「クリーン」コンパートメントは、入力、出力、制御、そして電源のコネクタに必要な全ての開口の厳しい管理のもとに、外部環境からシールドされていなければならない全ての電子回路を含む。クリーンな空間への全ての接続は、360°接地接続を与えるコネクタ、もしくは効果的に接地されたフィルタ (トランスを含む) を用いて行なわなければならない。対策されていないケーブルは許容されない。隔壁貫通フィルタは問題を生じないが、シャーシ取り付けフィルタを使う場合には、パーティション間の HF 「漏洩」を最小限とするために、隔壁貫通ワイヤは可能な限り短く保ち、またフェライト・スリーブで対策しなければならない。

この手法の主な利点は、現場で設置される接続の大半のために「ダーティー」空間を使用できることである。全ての内部接続は、システムが設置される前に事前配線し、試験できる。従って、議論したような良い設置プラクティスの大半は、設置作業者ではなく、システム設計者の管理下にある。

ケーブルの引き回し

外部のフィールドから内部ケーブルへの、そしてケーブル間での局所電磁界の結合は、ケーブルがそのシステムを回る経路に直接関係する。従って、導電性のキャビネットやエンクロージャを使える場合には、ケーブルが同相電流のための低インピーダンス経路として振る舞えるしっかりと接続された金属構造の近くを引かれるならば、ケーブルに結合する外部フィールドは最小限とできる。バックプレートやシャーシを離れなければならないケーブルは、そのバックプレートやシャーシに電気的に接続された導電性の構造に沿うべきである。それらの箇所の周辺の局所フィールドは極めて高くなり得るので、ケーブルをエンクロージャの開口の近くや接続の連続性の切断部の近くを走らせることを避けよ。

ケーブルの区分に関する後の章で述べるように、それらのあいだでの結合の可能性を最小限とするために、それが運んでいる信号や電力に応じてケーブルを異なったクラスに区分し、それらのあいだに少なくとも最小限の間隔を維持せよ。

シャーシとレガシー機器に I/O ケーブルのシールドを接続するコンポーネントを含むエンクロージャ

I/O ケーブル・シールドをシャーシに接続するコンポーネントとレガシー・ユニットとの混在に対処する最も効果的な方法は、上で述べたクリーン・ボックス／ダーティー・ボックス法を用いることである。個々の 19インチ・ラック・ユニットは「クリーン」空間で占められ、システムの外側への全ての接続は「ダーティー」空間で行なわれる。

既に議論したケーブル引き回しに関する注意を別として、シールド・ケーブルを両端で正しく終端すべきことを除き、バックプレート／バルクヘッド・コネクタと I/O ケーブル・シールドをシャーシに接続するコンポーネントに対する特別な規則はない。これは、その隔壁において、デバイスとラックの接地基準とのあいだに最大数の接地接続が存在することを保証するためである。メッシュ接地は高周波干渉の制御のためには常により良い。

レガシー・ユニットのためには、外部システム・ケーブルとバルクヘッド・コネクタ、バルクヘッド・コネクタとレガシー・ユニットとのあいだの接続は、以下の方法で行なうべきである：

外部ケーブルの全てのシールドは隔壁に 360°接続する。
バルクヘッド・コネクタとレガシー・ユニットのあいだの平衡 I/O 接続はシールドなしツイスト・ペア・ケーブルを用いて行なう。
オーディオ入力接続はフィルタされねばならない。
バルクヘッド・コネクタとレガシー・ユニットのあいだの不平衡オーディオ I/O 接続は、電子的に、あるいはトランスで平衡とされたインターフェースを介して行なわねばならない。
バルクヘッド・コネクタとレガシー・ユニットのあいだの不平衡のデータや制御の I/O 接続 (RS 232 など) は、可能であれば、全体のシールドを持たない多芯ケーブルを用いて行なうべきである。ある種の不平衡データ I/O 構成は、データ入力とデータ出力に別々のシールド・ケーブルを用いていることに注意されたい。そのような場合、一方のシールドをレガシー側で、他方のシールドをバルクヘッド側で終端することが必要である。どちらのシールドをどちらの端とするかの決定は、些細なことではありそうにない。これに関する情報は、製造業者から入手できる筈である。
不平衡のデータや制御の I/O ケーブルはフィルタされねばならない。
全てのシールドされていないフィルタ・コンポーネントは、隔壁の「クリーン」側、コネクタのできる限り近くに取り付けるべきである。そのフィルタ・コンポーネントの接地基準はその隔壁に接続されねばならない。

シールド

シールドは、EMC を達成した機器やシステムの設計における極めて重要な点である。残念ながら、理想的な配置状況においてさえもシールド性能に影響し得る実に多くの変数があり、最良のアドバイスは、特定のシールドによる解決のために知識に基づいた選択が行なえるように、実際の導電性バリアの制限に注意することである。

低周波 (100kHz 未満) においては、磁界からの効果的なシールドの達成は極めて困難である。高透磁率の材料のみが実際に効果的であり、これらの材料は通常はエンクロージャを作るために用いるには高価過ぎる。しかし、低周波電界は対処しやすく、ほとんどどのような金属材料も効果的なシールドを与えるであろう。

高い周波数 (100kHz 以上) においては、吸収のために、大抵の金属材料はフィールド発生源が何であっても効果的である。一般に、吸収はバリア材料の厚さに伴って増加するが、これは電界シールドのためにはそれほど重要ではない。

シールド・バリアは、バリア材料内、あるいは高い周波数においてはその表面近くを流れる電流に依存する。その電流の流れがシールドの機構を与え、従ってその電流のいかなる妨害もそのシールド効果に影響するであろう。全てのシールド・エンクロージャは、構造材やパネル、窓、そしてアクセス用ドアのあいだの継目に伴う、その電流の流れを妨害する不連続性を持つであろう。いかなる実際的な機器エンクロージャも、表示、コネクタ、制御、換気のための小さい開口を持つであろう。しかしながら、以下の注意が払われたならば、効果的なシールドが可能である。

不可避な開口

その最長の寸法が関係する最大の周波数の 1/10 よりも大きいならば、いかなる継目や不連続部も導電性ガスケットで処理すべきである。

内部の配線やモジュールの配置は、そのような開口や継目を避けるべきである。重要な、あるいは敏感な要素は、大きな開口から可能な限り離して配置すべきである。

構造的コンポーネントの接続

接続は、継目に沿って細かい間隔で、あるいは連続して、面と面とで行なうべきである。

部品間の接続は、いかなる塗装、陽極化処理、あるいはその他の絶縁仕上げも取り除くことを必要とする。

接続を行なうためには、加圧が必要である。２つの締結具間のギャップがその圧力の維持を許さない場合には、それを導電性ガスケットで埋める。

それをガス・タイトにし、水やその他の液体から保護することにより、接続を腐食から保護する。

ワイヤ接続よりは接続ストラップの方が良いが、いずれも金属と金属の面での直接の接触よりも非常に劣る。

接続されていない継目はシールド効果と伝達インピーダンスの双方を劣化させるであろうことに注意すること。

材料

アルミニウムと鉄は、良いシールド材となり得る。アルミニウム粒子を分散させたエラストマーは軍事向けシールド試験のためのパッシベーションとして素晴らしい結果を与える。アルミニウムと比較して、スチールは 100kHz 以下ではやや良いが、上ではやや悪い。

ガスケットのための最良の材料は、ニッケル、モネル、及びステンレス鋼を含む。腐食効果を低減するために、面とガスケットを材料の同一のグループから選択するのが最良である。例えば、アルミニウムと黄銅は一緒に使うべきではない。

電気的反応によって引き起こされる腐食が主要な問題である。電気化学的ポテンシャルの差は、300mV を超えるべきではない。

ケーブルの貫通

エンクロージャに出入りするケーブルは、そのシールドをエンクロージャの壁や隔壁に正しく終端しなければならない。これは、360°シールド接続を意味する。

シールドなしケーブルは、シールドが減衰する必要がある周波数において適切な水準の減衰を与える適当なフィルタを介して出入りすべきである。

カットオフ以下の導波路

カットオフ以下の導波管は、シールド効果を損なうことなく、エンクロージャの壁を通して非電気的なサービスや金属を使っていない光ファイバー・ケーブルを通すのに有用である。

正方形の断面の、媒体が空気のチューブについては、カットオフ周波数は次の式で与えられる (ここで、d はチューブの開口の一辺のメートルでの長さである)：

f_c = 150 / d MHz

f_c の 50% 程度よりも低い周波数においては、チューブのシールド効果は次の式で与えられる (ここで、l はチューブの長さ、 d は正方形の断面のチューブの開口の一辺である)：

SE = 27.3 × l / d dB

換気パネル

出来合いの換気パネルで最も効果的なものは、「ハニカム」タイプのものである。この設計は、カットオフ以下の導波路の原理の直接的な応用である。小さい直径の金属チューブの集まり ――その全体が、全周でエンクロージャ・シールドに電気的に接続される―― が、素晴らしい換気を与え、メッシュや単なる穴よりも遥かに良いシールドを与える。

シールド・ウィンドウ

表示のための開口は、往々にして機器の最大の穴となる。入手可能な最も効果的な種類のものは、そのメッシュが全周でエンクロージャ・シールドに接続される、ワイヤ・メッシュで覆ったガラスやポリカーボネートである。

フィルタ

一般に、EMC の文脈におけるフィルタの目的は、そのケーブル・インターフェースを介して機器に干渉が入り込み、あるいはそれから出ることを防止することである。伝導性結合は直接低減され、これは放射性結合の低減も助ける。インターフェースにおけるフィルタは完全に機器の設計者の責任であるが、システム・インテグレータ／設置者は、レガシー機器への接続を設計している場合や、機器への、あるいは機器からの干渉信号を運ぶテレコム、データ、あるいは信号ポートを扱う場合には、フィルタ設計を検討する必要があるかも知れない。幸い、広範囲の干渉周波数帯に適合する様々な応答特性の EMC フィルタが多数の製造業者から入手可能である。

基本的なフィルタ

常にそうであるとは限らないものの、不要な干渉は必要な信号よりも高い周波数であるものと仮定される。２つの構成要素 ――直列インダクタンスと並列コンデンサ―― から作られた、伝統的な低域通過フィルタ回路が用いられている。最も広く用いられる構成は、T、及び L フィルタである。フィルタ内のコンポーネントの種類の選択は減衰すべき周波数範囲によって決定される。フィルタは存在する干渉の正しいモード (差動モード、あるいは同相モード) のために設計されねばならないことに注意されたい。誤ったモードを減衰させているフィルタは、それが良いものであっても、有効ではないだろう ―― そして、この事実は有用な診断法となり得る。

単純な L フィルタは、差動モードと同相モードの干渉のために使用できる。差動モードの構成においては直列インピーダンスは１つのラインにのみ必要となり、並列コンデンサは２つのラインのあいだに接続される。同相モード干渉のためには、直列インピーダンスは双方のラインに必要となるが、今度は並列コンデンサ ――それぞれのラインに１つ―― は低インピーダンスを通して非常に良い RF 接地 ――通常はフィルタされる機器のシャーシ―― を基準としなければならない。もし良い RF 接地基準が使用できないならば、コンデンサを使うべきではない。

バイファラ・フィルタ

Figure 12: バイファラ・フィルタ

それぞれのラインの独立した直列インダクタは差動モードと同相モードの双方のノイズを減衰させるであろう。もしそれらの２つの巻線が共通のフェライト・コア上に巻かれているならば、それらは同相モード・ノイズのみを減衰させるであろう (そして同相モード・ノイズは通常は EMC における最大の問題である)。それらのインダクタ全てを共通のフェライト・コアに付けることは、２つの大きな利点を持つ：

差動モード電流に伴う磁束はコア内でキャンセルされ、ある大きさのコアがより大きな信号や電力の電流を飽和することなく扱え、より大きな減衰を与える。
その巻線は信号電流からは見えず、従って所望の信号に影響させることなく帯域内の同相モード干渉を減衰させるようにフィルタを構成できる。

コンデンサ ――インターフェースのクリーンな側でそれぞれのラインと接地とのあいだに接続される―― は、特性を改善し、あるいは変化させるために追加できるが、広帯域回路の高周波特性に大きな影響を与え得る。これは、その値が非常に小さい必要があることを、あるいは全く使うことができないことを意味するかも知れない。低周波の低インピーダンスの信号や電力の回路においては、そのような制約はない。バイファラ・フィルタ【訳註 ― ここでは、バイファラという言葉で、コモン・モード・チョーク全てを示しているものと考えられたい】は、入力や出力の回路に対して、そしてアナログやデジタルの信号のために使用できる。

電源フィルタ

市販の電源フィルタ ――典型的な直流電源の交流電源と AC/DC コンバータのあいだに組み込まれるタイプのもの―― の正しい選択は、大きな問題を明らかとし得る。いかなるフィルタの性能も、その端子から見たインピーダンスに依存する。交流電源のインピーダンスは、それに接続された負荷、電源変圧器の特性、そして電源コンセントへの配線に依存して、 2～2000Ω と変化する可能性がある。 AC/DC コンバータのインピーダンスは、数Ωから数百万Ω まで変動する。これは、その入力や出力のインピーダンスが 50Ω でない場合にその減衰性能が著しく悪化し得ることから、単一ステージ・フィルタの使用を排除し得る。実際、そのようなフィルタは減衰の代わりにゲインを与えることがある。２段、あるいはそれ以上のステージを持つフィルタは、内部の回路ノードのインピーダンスを入力や出力のインピーダンスに過度に依存しないように維持することができる。勿論、そのようなフィルタは、より大きく、より高価である。

高性能電源フィルタの信頼できる製造業者らは、CISPR 17 の要求に従った、「整合」と「不整合」の信号源と負荷の双方に対する差動モード (対称) 性能データを公表している。これらの性能値は、通常は、整合インピーダンスは 50/50Ωを意味し、「不整合」は 0.1Ω信号源と 100Ω負荷、及びその逆を意味するものとして、フィルタ減衰率対周波数として、図式的に示される。

フィルタの位置

フィルタは、常に、隔壁やバックプレートなどのような、ゾーンの境界に置かれるべきである。それには２つの理由がある：

フィルタは、ゾーン・バリアによって与えられる保護の一部である。もしフィルタがバリアから離れて置かれたならば、干渉はバリアを通り抜けるであろう。
良い高周波性能を達成するためには、フィルタは高インテグリティの接地基準を持たねばならない。ゾーン・バリアは、機器のエンクロージャの壁、エンクロージャ内の隔壁／バックプレート、接地メッシュへの入口、Mesh-CBN への接続のために用いられる大きな金属板、あるいはその他の類似の位置 ([2] を参照) にあり、従って接地への直接の接続となるであろう。

大抵の市販のフィルタは、フィルタの接地接続も形成する金属の容器に収められている。 IEC インレット・フィルタのような、入力コネクタが組み込まれたコネクタは、バリアを貫通して取り付けられる。入力端子と出力端子が付いているフィルタは、追加のシールド・ボックス (「ダーティー」ボックス) に入れられるべきである。

他のラインのためのフィルタ

テレコム、データ、及び信号のコネクタは、往々にして機器への、また機器からの干渉の媒体であることがわかる。今日の多くの製品で用いられている広帯域デジタル回路が、予期されるであろうものよりも遥かに高い周波数成分と振幅を持つ同相モード干渉として I/O ケーブルを介して出る傾向がある膨大な量の内部ノイズを発生することから、そのような問題は今はありふれている。所望の周波数スペクトル内の周波数に対して同相モード・フィルタ、及び／もしくはケーブル・シールドを適用できるが、もし伝導性や放射性の干渉が信号の必須のスペクトラムによって引き起こされているならば、差動モード・フィルタは実際的ではない。そのような問題の基本的なフィルタは機器製造業者の責任である筈だが、システム・インテグレータや設置者は必要な場合には改善を行ない、またレガシーや不適合のデバイスに対する変更を主導できるべきである。

Figure 13: フィルタ・アダプタ

今は、多くの一般的な種類のコネクタのためのフィルタ・アダプタが市販されている。アダプタの大多数のフィルタは、シェルを基準導体として用いた、それぞれのラインから接地への単純な並列コンデンサである。明らかに、そのようなフィルタ・アダプタは、機器がI/O コネクタのシェルをそのシャーシに正しく RF 接続している場合にのみ正しく働くであろう。そのような接続がない、あるいは機器がプラスチック・ケースを持っているならば、フィルタは行なわれず、それらのコンデンサはコネクタ内の全てのピンのあいだの高域通過相互接続を形成するであろう。

フィルタ・アダプタを指定し、正しく使うためには、機器の出力駆動回路とケーブルの静電容量に関する知識が必要である。フィルタ・コンデンサの最大許容容量を見出すためには、ケーブル長にシールドへの導体容量を乗じ、これをその機器の総駆動容量仕様から差し引けば良い。

フェライト・スリーブの使用

同相モード干渉電流のさらなる低減は、フェライト・スリーブの使用によって与えられる。導体の周囲に任意の磁性材料を置くと、あるフィールド強度に対する磁束密度が増加し、インダクタンスが増加する。低周波ではインダクタのように、高周波では直列抵抗のように振る舞うことから、「ソフト・フェライト」は特に適切な材料である。その損失を持つ抵抗性の挙動は共振を抑制し、結果としてその減衰をより確実なものとする。 6～10dB の減衰を期待できるので、フェライト・スリーブを取り付けることはその機器や干渉が限界付近にある場合の合格／不合格の差、及び／もしくは信頼できる信号／信頼できない信号の違いとなり得る。

ケーブル全体の周囲にフェライト・スリーブを付けることは、差動モード・ノイズや信号電流には影響を持たないであろう。しかし、単芯や多芯のケーブルや、シールド・ケーブルのシールドの同相モード電流は低減されるであろう。システム・レベルで特に関心があるのは、プラスチックの「クリップ式」ハウジングの付いた一連の分割チューブ・フェライト部品である。これらのコンポーネントは、丸型ケーブルやリボン・ケーブルと共に使うために多くの異なった寸法で入手できる。フェライトのインピーダンスは数百オームまでに限定されているものの、あるコア材に対するインピーダンスは外径と内径の比の対数に比例し、長さに直接比例する。これは、フェライト・スリーブがケーブルの近くに密着し、また可能な限り長いならば、最大の減衰が達成されるであろうことを意味する。フェライト・スリーブのための理想的な位置は、機器やコネクタの可能な限り近くである。

参考文献

[1] IEC 61000-5-2:1997 "Electromagnetic Compatibility (EMC) - Part 5: Installation and mitigation guidelines - Section 2: Earthing and cabling"
[2] "EMC for Systems and Installations", Tim Williams and Keith Armstrong, Newnes, 2000, ISBN 0 7506 4167 3 (http://www.newnespress.com)
[3] "Bonding cable shields at both ends to reduce noise", Keith Armstrong and Tony Waldron, EMC Compliance Journal, May 02 (http://www.compliance-club.com)
(日本語版はこちら)
[4] Journal of the AES: Volume 43, Number 6, 1995

Tony Waldron is Technical Manager for CADAC Electronics PLC. Sound Designer at The Royal Danish Theatre in Copenhagen (1979-81) and Head of Sound at The National Theatre, London (1983-89). www.cadac-sound.com

これは、EMC+Compliance Journal に掲載された記事を、その許諾を得て T. Sato が翻訳したものです。この翻訳については、原著者らはいかなる責任も持ちません。これについての意見、質問などは VEF00200@nifty.com (T.Sato) 宛にお送り下さい。

Last update: 2002-12-31