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EMC の起源

by Ken Javor, EMC Compliance, Huntsville AL, USA

電気工学の一部門である電磁両立性はおおよそ60年の歴史を持ち、黎明期と比較して多くの点でかなり複雑化している。最初期の規定と規格は、接地、接続、フィルタ、そしてシールドを扱った。回路設計を議論するハンドブックが徐々に発展した。今日、元々のEMI規格によって保護されていた無線の範囲よりも上の周波数で動作する非RF信号が極めて高精度にモデル化されている。

その過程で、特にFCCやCEの要求への適合のための設計の世界では、設計テクニックの洗練化は、 EMI規格の背後にある動機への関心の欠如あるいは無頓着と手を携えてきたようである。

それらが目的のための手段であった元来の意図に反して、多くのEMC専門家にとって、これらの要求とその規格や限度はそれ自身が目的となっている。

これは非常に一般的な言明のつもりである。規格の更新と改善のために継続的に働いている多くの技術者がいる。だが、規格の作成は比較的専門化された特殊技能となっているように見える。我々がどこにおり、どのようにしてここまで来たかについてのこの簡単な調査は、規格作成コミュニティをユーザーコミュニティに近づけることを目指す、非常に簡単な勧告に至る。

EMI vs. EMC

指摘したように、規格は、目的のための手段であった元来の意図に反して、それ自身が目的となっている。

EMI規格を機器のレベルでの調達に、あるいは市販品の販売の前にクリアするハードルとして適用する総合的な意図は、意図された設備において費用効果良くEMCを達成することである。設置された機器を直すことは、設置前の機器に正しい設計を作り込むことよりも遥かにコストと時間を要するということが、非常に長く前から知られている。ここで言う設備は、機器の種類に依存して、特定のプラットフォームや車両、あるいは住居やオフィスや工場を意味し得る。定量的なEMI規格と、より定性的なEMCのデモンストレーションのあいだのこの関係は、 EMI に関係する 47 CFR Part 15 に対して評価されたそれぞれの機器に示すために用いられる言い回しに反映されている：「このデバイスは FCC 規則のパート15に適合する。運用は以下の２つの条件の対象となる： 1. このデバイスが有害な干渉を引き起こしてはならない、かつ 2. このデバイスは、望ましくない動作を引き起こすかも知れないものを含む、それが受ける任意の干渉を受け入れなければならない。」そのデバイスが機器レベルの要求に適合するとしても、それは全てのあり得る設備内の全てのあり得るシナリオのもとでの両立性のある動作を完璧に保証するものではない。現場でEMI問題が生じた時のEMCの達成のために誰が優先権を持つかを述べるガイドラインが与えられている。

ここで、最初の重要なレッスンに辿り着いた。 EN 61000-4-X 全て、そして EN 55022 や類似の CISPR EMI 要求は、その通りのものである： EMI 要求。それらは、それらが現場で干渉を引き起こさず、また干渉を受けもしないであろう見込みを高めるために、機器が発生できる、あるいは影響されるEMIの程度を、きっちりと管理された定量的な方法で制限する。 EMI試験施設で検証されたEMI規格は、現場でのEMCの達成を助ける。これは、事前にEMIの評価が行なわれた機器の集合体である完成した設備に対して実際のEMC試験が行なわれる、軍事、航空宇宙、そして自動車の世界では非常に明確である。だが、住居、オフィス、そして工場への設置が意図された機器の生産者にとっては、そのEMI試験がそのデバイスが受けるであろう最後の評価であるので、このレッスンはほとんど失われている。

そして、それは、最新で最高の「EMCレシーバ」と「EMC試験機器」を売り込む EMI試験機器製造業者による広告に爆撃され続けることの助けとはならない！ EMIを受信できることは確かであり、これがその管理が必要な理由である。 EMCを受信することはできない。 EMI受信のレベルが通信リンクの劣化を引き起こすレベルよりも低い時、 EMCが達成される。そして「EMCイミュニティ試験」は矛盾語法である。 EMCに対するイミュニティをではなく、EMIに対して評価する。残念ながら、これは「単なる記号論」ではない。多くの技術者の一部にとって、これは我々の専門分野全てに関する誤解を象徴する。

何との干渉？

干渉を引き起こした、あるいは干渉を受けたならば、止めなければならないのは、 Part 15 デジタルデバイス (非意図放射器) であることに注意されたい。何との干渉？そして何との干渉？今日、残念ながら、多くのEMC技術者は「近くの他の任意の機器」と答えることだろう。だが、そうではない。そうではなく、そうであったこともない。歴史の中で失われた単純な真実は、無線と無線放送がEMI要求の発端であり、今日も依然として主要動因であるということである。今は、無線に関係するものではない追加の要求があることは明らかである。 EN 61000-4-2、-4、及び -5 は、様々な種類の伝導性や放射性のトランジェントを扱う。これらの規格は全て時間ドメインで規定されている。そして、現場で近傍のアーク溶接機の使用から生じ得るシャワリングアークに対する試験は例外であり得るが、その他の要求は特定の環境に対して保護する： ESD と雷。 EN 61000-4-3、及び -6 は無線放送に伴う放射電磁界からの所定のイミュニティを要求し、 EN 55022 や類似の CISPR の規定は評価されたアイテムによる干渉から無線放送受信を保護する。これは一部の読者にとっては明らかな陳述であるが、この議論は彼らを対象としたものではない。

残りの人々のために、伝導性や放射性のEMIの管理の起源を検討する。

伝導性エミッションは 150kHz から 30MHz まで管理され、放射性エミッションは 30MHz から少なくとも 1GHz まで、そして 6GHz 以上まで管理される。最初に注目すべきものは、その値ではなく、単位である。これらは周波数ドメインの要求である。どの種類の機器が周波数ドメインで動作するか？無線。周波数の下限の 150kHz はどこから来たものか？欧州におけるAM放送周波数帯の下限は150kHzである。 USAが欧州との整合化を行なう前、FCCのEMI要求は450kHzから始まっていた。その値はどこから来たものか？ USAにおいては、AM放送周波数帯の下限は530kHzである。 AM周波数帯の中間周波数(IF)は455kHzである。開始周波数を450kHzとすることは、USAのAM周波数帯とIFを保護した。伝導と放射の区切りには良い理由があるが、それはその要求の背後にある論拠であり、ここでの主題には関係しない。

上限は1GHzとされてきたが、 1GHz以上の様々な無線サービスの出現によってその限度は6GHzまで押し上げられ、新たな無線サービスによるマイクロ波スペクトラムの利用の増加に応じてさらに押し上げられそうである。

次に興味を引くのは、その測定帯域幅である。 150kHzから30MHzの範囲では、9kHzの測定帯域幅が用いられる。 30MHzから1000MHzでは、120kHzの帯域幅が要求される。欧州においては、AM放送局は9kHzで分離される。 USAにおいては、それは10kHzである。 FM周波数帯においては、チャネル間隔は200kHzで、信号占有帯域幅は100kHzを超える程度に制限されている。

従って、要求される測定帯域幅と放送周波数帯のスペクトラム占有のあいだには、極めて密接な関係がある。

そして、そうあるべきである：通信理論の基本教義の１つは、信号と受信機の帯域幅が等しい時、最大の信号対雑音比が達成されるというものである。そして、その帯域幅が食い違うと、良くないことが起こり得る。

適例：その高調波のスペクトラム占有が120kHzよりも広いディザリングされたクロック。その高調波はレシーバの通過帯域幅の内と外を「さまよう」ため、これらのデバイスは、120kHz帯域幅を用いて測定されたEMIを顕著に低減する。これは、(準尖頭値検波は通過帯域幅内に常にいなかった高調波の値を平均化するので) 限度への適合における固定周波数のクロック高調波に伴うマージン不足の解消を助ける。だが、VHFやUHFのテレビ放送周波数帯においては、映像信号の帯域幅は4MHzであり、そのディザリングされたクロックは常に帯域内に留まる。ディザリングされたクロックが固定のクロック周波数よりも多くの干渉をテレビ受像に引き起こし得ることが報告されている。

おっと！

そして、準尖頭値検波についてはどうだろうか？それはどこから来たものか？それは様々な種類の干渉の音声通信に対する迷惑度に基づいており、オンとオフの時間が準尖頭値検波の時定数に対して短い限り、変調の包絡線のピークに対する関係が干渉のデューティー比に依存する振幅を、レポートが後押しする。

エミッション限度が無線周波数帯と放送のパラメータに密接に関係しているという、かなり明確な状況証拠が得られた。だが、単なる経験的データ以上のものがある。実際、決定的な情況証拠、あるいはロゼッタストーンがある。

実際には一組のものが。

全てはどこから始まったか

実際、車両やプラットフォームのEMCの世界を長々と議論する必要はない。車両／プラットフォームEMCは、軍事、航空宇宙、及び自動車を含む。人々は往々にして民生と軍事のEMCを区別するが、それは組織的や経済的な区別であり、技術的なものではない。 FCC、及び／もしくはCEのラベルを付けようとする機器と、特定のプラットフォーム／車両での使用が予定された機器とのあいだの技術的な区別は、犯人と被害者(アンテナ)のあいだの非常に近い距離と、車両の明確な接地面の存在である。

これらの特徴の双方は、住居／オフィス／工場環境では存在しない。

MIL-I-6181B、「干渉限度、試験及び設計の要求、航空電気／電子機器」は、 1953年にリリースされた、現代的なプラットフォームEMI規格全ての祖先である。それ自身はこの読者にはあまり関係がないものであるが、その規格の放射干渉の部分の背後にある論拠を文書化するレポートが書かれた。 NADC-EL-5515、「最終レポート、無線干渉検出デバイスの評価と、規定 Mil-I-6181B の手法と限度の説明」は1955年に発行され、アンテナの選択、アンテナの分離、そしてその選択の背後にある物理を説明する。そして、無線を干渉から保護することがその全てである。

写真1: 1950年台初期に、その時代の航空無線の応答を測定し、 MIL-I-6181B の放射性エミッション限度の決定のためにそのサセプティビリティを用いた、NADC-EL-5515 のセットアップの再現。
左から右へ： BC-348Q 航空LW-MW-SW無線、インパルス(ノイズ)発生器、 Stoddart Aircraft Radio Company NM-20 / AN/PRM-1 EMI レシーバ、 EMIレシーバ用電源。
(写真は EMC Compliance と Museum of EMC Antiquities の好意による)

いずれにしても、MIL-STD-461 の論拠附属書は、それぞれの要求の目的を明示的に述べている。電界放射性エミッション管理はアンテナが接続された受信機をRFIから保護し、電界放射性サセプティビリティ要求は機器を高出力無線／レーダー送信機の影響から保護する。その２種類の要求は互いに無関係であることも述べられている。

民生の世界では、 Computer and Business Equipment Manufacturer's Association (CBEMA) によって1977年に書かれたレポート、レポート番号 ESC5/77/29 がある：「電子式データ処理及びオフィス用機器からの電磁放射の限度と測定方法」。このレポートは、後に Code of Federal Regulations の Title 47 Part 15 として成文化された伝導性と放射性のエミッション要求、そして ANSI C63.4 に収められた試験方法の背後にある論拠を説明する。これらは非意図なRFエネルギー放射器に対する要求である。

その伝導性エミッション要求は、中波や短波のラジオの、その主電源入力に現れるノイズに対する感受性に基づいた。その Class B の 48dBμV が、元々の作業が行なわれてから丸20年後、この作業からもたらされたことが確認できている。¹ その放射性エミッション限度は、 TV放送やその他の種類の無線受信に関するEIA規格に基づき、所定のレベルの受信品質のためのレベル以下に非意図的な放射を管理することに基づく。

Figure 1: 高品質受信のために必要な信号レベル(左)とそれらの周波数のFCC限度(右)²。

そのレポートは伝導性と放射性のエミッション限度／試験の 30MHzの周波数の区切りも説明する。

この記事をUKの出版物で読む誰かが、米軍やFCCの規制と限度は CISPRやIECの要求と規格と無関係であると言うのは確かである。そうではない。

ANSI C63.4 と CISPR 22 の強い類似性、そして非常に似通った限度は、 USAとEUのプラクティスの整合化を可能とした。 FCC規制がCISPRとは異なる基準に基づいていれば、整合化は可能ではなかったことだろう。

典型的な反論

上で述べたエミッション限度は実際に無線放送受信の保護に起源を持つものの、もはやそれは唯一の目的ではないと言われている。同様に保護を必要とする他のタイプの敏感な機器がある。

しばしば医用機器が例として示される。

これは明らかに誤っている。医用機器の保護のために２種類の管理が用いられており、いずれも非意図放射の管理ではない。第一のタイプの管理は、機器製造業者に対する、適切なRFイミュニティの検証のための推奨されるテクニックとしての、 EN 61000-4-3、及び 61000-4-6 の適用である。これらの２つの要求は、1、3、あるいは 10V/m のいずれかのレベルの、 0.15～1000MHz の無線周波電磁界に対して保護する。

これらのレベルは EN 55022 のエミッション限度よりも桁違いに高い。 EN 61000-4-3、及び -6 に対して評価された医用機器がその付近で最も敏感な被害者であったならば、 EN 55022 の必要性は全くないことだろう。

それ自体はスペック信者の論法であり、決定的となる筈である。だが、それ以上のものがある。敏感な医用機器は、EKG や EEG のように、身体機能を監視する。これらの信号は微小であるが、それらは時間ドメインであり、フーリエ変換を行なったならば、その信号のスペクトラムは全てオーディオ帯域以下の基本成分を持ち、高調波成分の一部がオーディオ帯域に入り込むかも知れないが、確実に全ての情報が 1kHz 以下に含まれるであろう。

医用機器の時間ドメインの特性、そしてそのような信号のスペクトラムから、 150kHz から始まる周波数ドメインの限度がそのような測定の性能に何らかの関係を持つと考えることができるだろうか？どのような数学的、あるいは物理的理由を用いれば、オーディオ帯域以下の時間ドメインのデバイスの感受性を、 150kHz 以上の μV や μV/m の特定のレベルと関連付けられるだろうか？工学、数学、そして物理の分野には、これに対する解答は存在し得ない。もし工学的な理由以外で解答があれば、それがEMCが時に「黒魔術」と呼ばれる理由である。しばしば受信機である医用機器の別の保護手段は、その近傍での意図的な送信機の使用の制限である。

病院や診察室では、しばしば携帯電話の使用やその他のRF送信が制限されている。

エミッションとイミュニティ／サセプティビリティの要求を EMCの達成の総合的なゴールの中に共に収めた全景は、１枚の絵の中でうまく要約される。

Figure 2: EMCを確かとするための放射性エミッション、及びサセプティビリティ／イミュニティ要求の使用 ³

「Susceptibility」というラベルが付けられた関係は、高電力RF照射の影響から非意図的な受信機器(アンテナの接続されていない通常の電子機器)を保護するサセプティビリティ／イミュニティ要求が存在することを示す。「Emissions」というラベルが付けられた関係は、アンテナの接続された受信機を非意図的RF放射器から保護するエミッション要求が存在することを示す。 RF送信機出力は特定の仕事 (規定された範囲での通信や検出の確立) のために選択されたので、被害者となるかも知れない非意図的レセプタの保護のために RF送信機出力を制限することはない。同様に、RFIに対する保護のために、無線受信機の感度を落とすことはない；その感度は、高出力送信機との通信リンクの確立のために必要なものである。「Major area of concern」の関係は、もし送信機と受信機を隣接させなければならないならば、それらのあいだのEMCは何らかの物理的分離、及び／もしくは運用管理によって保証しなければならないことを示す ―― これら２つを同一の周波数で同時に運用する自由はない。これは、送信周波数の低次の高調波で受信機を運用しようとする時にも、真となりそうである。「Major area of concern」は、典型的な住居／オフィス／工場の配置ではなく、アンテナが接続された多くの機器が互いに近くで動作させられるプラットフォームEMC状況に関係する。最後に、「No test method; no history of problems」は、アンテナの接続されていない似通った電力レベルの機器は互いに干渉せず、従って特別な管理を行なう必要がないことを示す。これは、EMIがどのように発生するかを示す、この最も基本的な図の直接の帰結である。 Figure 3 で、犯人と被害者の間の経路は常に非常に高損失であり、その経路の損失を埋め合わせるために犯人と被害者の電力レベルには大きな不一致がある筈である。

Figure 3: EMIの犯人と被害者の関係

結論

ここで同定された起源の問題には、非常に単純な解決が存在する。その解決は、それぞれのEMI規格、仕様、あるいは要求に対して、その試験方法の同様の背景とともに、その限度の背後にある論拠、そしてその限度を導いた仮定、計算、そして妥協を説明する追加の情報的附属書を設けることである。これは、1993年から、MIL-STD-461での標準的プラクティスとなっている。

もう１つの原始的な解決策は、昔に戻り、かつてやっていたように試験することである。試験機機が明らかにラジオそのものである時、無線関連の測定を行なっているということを誤解するのは難しい！

写真2: 過去からの照射 ―― 1970年の伝導性エミッション試験。
EMIレシーバにヘッドセットが差し込まれていることに注意 ―― これはラジオである！
(写真は Ed Price の好意による)

供試品 (電動工具) は机の中央の丸い台の上にあり、グランドプレーンの遠くの方のLISNに差し込まれている。グランドプレーン上のその他の全てのものは試験機器である。左から右に、Stoddart Aircraft Radio Company NM-22 EMI レシーバとその後ろのEMIレシーバの電源、レシーバの隣には Empire Devices SU-105 同軸スイッチ、そして Stoddart Aircraft Radio Company 91263-1 インパルス発生器がある。

測定は置換によって行なわれた：レシーバを手で同調させてLISNポートの信号を見付けた時、メーターの読みは紙に手で記録され、同軸スイッチが校正されたインパルス発生器に切り替えられ、レシーバのメーターがLISNの時と同じ応答を与えるように調整される。その後、トランスジューサ係数があれば(LISN測定の場合にはない)、紙の上で手で適用しなければならない。

この全ては、そもそも測定された信号が広帯域であったことを仮定する。狭帯域／広帯域の区別は、それぞれの信号に対して試験員によって行なわれた。機敏な試験員がその判定を行なうことを、しばしばヘッドセットが助けた。

ラジオをチューニングし、ヘッドセットで聞いている時、自分が何をやっているのかの見通しを失うことは難しい！

昔の試験方法に戻りたいと思う人は多くはないであろうから、情報的附属書の追加は、より趣味の良い解決となりそうである！

Footnotes

1. Investigation Into the Susceptibility of Radio Receivers to Power-Line Conducted Noise. Technical committee presentation and demonstration at 1998 IEEE EMC Symposium, Denver

2. Data culled from the Computer and Business Equipment Manufacturer's Association (CBEMA) report number ESC5/77/29: "Limits and Methods of Measurement of Electromagnetic Emanations from Electronic Data Processing and Office Equipment," published in 1977

3. Introduction to the Control of Electromagnetic Interference; A Guide to Understanding, Applying, and Tailoring EMI Limits and Test Methods.

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: 2009-05-09