[ Home > 電気製品の EMC／安全適合性 > EMC+Compliance Journal より ]
翻訳: T.Sato
これは、実際的な EMC 工学の話題 ――そう呼びたいのであれば、EMC の「ナットとボルト」―― に関する短い技術的な記事の最初のものである。
この特定のトピックは、 私が製品設計者とシステム・インテグレータ向けの記事で、 常にケーブルの両端での 360°終端 ――時にケーブル遮蔽の外周接続と呼ばれる―― を推奨しているようであると、 John Woodgate が非常に親切に示唆したものである。
ここでは、このテクニックの細部に踏み込み、 あるいはその分派について議論するつもりはない。 興味があれば、[1] の 2.6章、[2] の 13.1.4章から 13.1.7章 (344〜352ページ)、 [3] の 3.7.5章から 3.8章、[4] の 7.2章 (164〜175ページ)、 あるいは [5] の 32-11 から 32-16 を見て欲しい。 これらの参考資料の多くは、終端された遮蔽を流れる 「グランド・ループ」電流と呼ばれるものの話題も議論する (結論： 正しく設計された電子機器、 そして均整のとれた遮蔽を持つケーブルにとっては問題ではない)。
|
|
| Figure 1: ケーブルの両端での 360°遮蔽終端 |
良い EMC 工学について書く時、私はいつも、 ケーブルが達成し得る最良のシールド性能を達成するためには、 その遮蔽は両端で RF 基準 (通常は、シャーシに電気的に接続された、機器のコネクタ・パネル) に 360°接続しなければならないことを指摘する。
だが、[4] の 173ページの 7.2.4.3章を別として、 両端での遮蔽の終端に伴って遮蔽電流が流れれば 既存の (設計の良くない) 機器が過剰なノイズの影響を被るであろう レガシーな設備において、ケーブル・シールド性能を どのように改善するのが最良であるかは、あまり述べてこなかった。
そのような問題は、ほとんど常に、 主に主電源周波数と数 kHz までのその高調波に関連して低周波で生じ、 これが「グランド・ループ」が「ハム・ループ」とも呼ばれる理由である。
この文脈では、低周波は、 その波長がケーブルの長さの6倍程度よりも短い周波数を意味する (例えば、10m のケーブルに対しては約 5MHz 以下の周波数)。 ケーブルが波長よりも長い周波数 (例えば 10m のケーブルについては 30MHz 以上) においては、片端での終端、両端での終端、 あるいは無終端のいずれであるかにかかわらず、大体同じ電流が遮蔽を流れる。
状況によっては、ケーブル遮蔽を
それぞれの端で RF 基準に終端するだけでは充分ではなく、
その途中の１箇所以上で RF 基準に接続する必要があるかも知れない
―― [5] の 32-11 から 32-16 を参照。
両端での 360°遮蔽終端が (設計の良くない) 機器に
「グランド・ループ」問題を引き起こす場合、
可能性のあるいくつかの解決策がある：
目に入る高いコストと遅延のため、これを行なう人は多くない。 だが、彼らは通常、必要な EMC が最終的に達成されてから振り返って、 それが実際には総合的に最小コストの解決であったであろうし、 相当早かったであろうことから、機器を交換すべきであったと認める。
これは問題となる入力や出力の絶縁を必要とする。 遮蔽ケーブルを光ファイバーで置き換えることは、 絶縁と EMC 性能のためのこれまでで最良の解決である。 複数の供給者が標準的なデジタル・インターフェースのための接続器を供給しているが、 インターフェースによってはカスタム設計が必要かも知れない。
その他の絶縁テクニックは、フォトカプラや絶縁変圧器の取り付け ――通常は別のシールド・ボックスへの―― を含む。 フォトカプラや変圧器を含むボックスから機器までの 360°シールド・インテグリティを維持しながら これを行なうことが可能かも知れないが、 これは通常は機器のコネクタやコネクタ・パネルを改造することを意味する。
勿論、機器の改造は製造業者の保証を無効とする。 だが、実際の設備でグランド・ループ問題に悩まされないように、 購入した全ての機器を (必要であれば) 改造する、 ロンドンに本拠を置くオーディオ／ビデオ機器レンタル会社 ――どれだけの規模の聴衆に対するロック・コンサートでも開けるような機器が詰め込まれた 10台以上の大型トラックを欧州のどこにでも用意できる類の企業―― を知っている。
劇場、オフィス、あるいは工業プラントのような施設と異なり、 現場にツアー・システムを組み立てる時、 「ハム・ループ」を追いかけて費す時間はない。 単に、特定のセットアップのための最良の解決を見付けようとして いじりまわすために使える時間はないので、 それは、組み立ててすぐ、受け入れられる品質で確実に機能しなければならない。 製造業者の保証は、そのような企業にとっては全く副次的な金銭上の関心事である。
|
| Figure 2: PEC の追加 |
そのような低い周波数においては、 PEC は非常に近接して引かれたケーブル遮蔽よりも遥かに低いインピーダンスを持ち、 主電源に関係する電流の大部分をケーブル遮蔽からそれへと逸らせる。 それは非常に低いレジスタンスを持ち、インダクタンスは数 kHz 以上で ケーブル・インピーダンスの支配的な要因となるだけである。
IEE 配線規則 BS7671 の第18版は、 PEC を「バイパス導体」と呼ぶ新たな EMC 要求の節を含めて、 2011年に出版されそうである。 だが、いずれよりも良い用語は、 John Woodgate が示唆した「並行接続導体」であろう。
レガシーな施設でこのテクニックを用いる際のありふれた問題の１つは、 必要な PEC 全てを追加するための物理的余裕が ケーブル・ダクトにないかも知れないことである。
上記の参考資料が幾分詳細に述べているように、
ケーブル・サポート・システム、鋼材などの「自然金属構造体」と呼ばれるものが、
非常に効果的な PEC となり得る。
適当な自然金属構造体が存在する場合、必要なことは、
ケーブル経路全体にわたって全ての部分を電気的に接続することだけかも知れない。
加えて、勿論、できあがった PEC を、
遮蔽ケーブルが接続される機器のフレームに両端で接続する。
|
| Figure 3: 環状コネクタによるハイブリッド終端 |
環状コンデンサを用いる時、等価直列インダクタンスは微小であるので、 非常に広い周波数範囲にわたって良いシールド効果が維持される。
残念ながら、ケーブル遮蔽と直列に環状コンデンサを接続する 遮蔽コネクタやグランドはかなり高価であり、 市販されているものは非常に少ない。
容量性遮蔽終端を用いるケーブルが 非常に長く (例えば 30m 以上) なり得る場合、通常、 コンデンサを数キロメートル以内の雷電流によって引き起こされた サージ過電圧からの保護が必要となる。
MOV サージ・アレスタは高レベルの静電容量を持つので、 生得的なサージ保護を与えるために MOV 材料から環状コンデンサを作ることが可能かも知れない。
その代わりに、PEC (上述) として用いられる金属性のケーブル・トレーやダクト
(理想的には円形の金属性コンジット) 内にケーブルを引くことは、
雷誘導に対する充分なシールドを与え得る。
|
| Figure 4: 2端子コンデンサによるハイブリッド終端 |
2端子コンデンサは、環状型のものと異なり、コンデンサとその接続に、 不可避的に高レベルの直列インダクタンスを持つ。 このインダクタンスはコンデンサと直列共振 (周波数 = 1 / 2π√LC) し、 遮蔽の終端 (そしてケーブルのシールド効果) を 限られた周波数範囲にわたってのみ効果的とする。
結果として、問題となる設備で、特定の時に、 最良の利益を与えるように共振を「チューニング」させるような コンデンサの値を選ぶことが、しばしば必要となる。
RF の脅威全てが同一の周波数前後にあるならば、 これは通常は難しすぎることではないが、 遮蔽終端の「チューニング」は常に実際に時間を要する。
勿論、後で新たな RF 発生源が生じ、妥当な総合性能の達成のために 遮蔽終端コンデンサ全ての再調整が必要となる可能性があるが、 周波数範囲が広ければ、これは不可能かも知れない。
|
| Figure 5: ピンとシャーシのあいだに接続された ディスクリートのコンデンサの挿入損失の例 (Quell, Inc. の EESeal™) |
Figure 5 は、コネクタのピンとシェルのあいだに接続された EESeal コンデンサの挿入損失 対 周波数を示す。
通常の家庭、商業、そして工業用途の多くのために適当な ケーブル・シールド効果のためには、 1Ω 以下の遮蔽終端インピーダンスを目標とするであろう。 Figure 5 は 50Ω の信号源インピーダンスで測定されたので、 1Ω のインピーダンスは 34dB の挿入損失に対応する。
その図は、Quell の 4.7nF のコンデンサでは、 41〜100MHz にわたって 1Ω 以下の遮蔽終端インピーダンスを 期待できるだけであろうことを示す。
非常に小さい多層セラミック・コンデンサは、勿論容易に入手できるが、 コネクタやグランドの内部にそれらを非常に短いリードを用いて組み込むことは 全く容易くも手早くもなく、 ほぼ確実に EESeal™ の性能を超えないであろう。
それはケーブルが入る箇所でエンクロージャの壁に適切に規定されたフィルタ
(理想的には「貫通」型の) を接続することで埋め合わせられるものの、
ディスクリートのコンデンサを用いたハイブリッド遮蔽終端は、
コンデンサで終端された側の機器のエンクロージャのシールド効果を悪化させる。
|
| Figure 6: 3つの2端子コンデンサによるハイブリッド終端 |
|
| Figure 7: 片側での遮蔽終端 |
携帯電話で話しながらケーブルの数メートル以内に近付く人は、 高周波数でのシールド効果の完全な欠如を素早く明るみに出せることだろう。
だが、RF 環境が比較的静かで、 システムや設備の中の他のケーブルや機器も RF 周波数では静かで、 携帯電話などが近傍で用いられない状況では、 OEO 遮蔽終端を受け入れられるかも知れない。
そのような状況は 50年以上前には世界中でありふれており、 OEO 遮蔽終端を、主電源配電網の静電 (浮遊容量) 結合から アナログ信号を保護するための完璧に良い方法とした。 無線送信器 ――当時は数も少なく互いに離れていた―― の近くで用いられていたケーブルのみが、 「正しい」 RF 終端 (両端での 360°終端) を用いる必要があった。
これが、何年も前に最初に書かれた EMC の教科書が、 それが運ぶことが意図されている信号に基づいて 「低周波」と「高周波」のケーブルを区別し、 それぞれのタイプに対して異なる遮蔽終端テクニックを推奨している理由である。
全ての製品が少なくとも 300MHz まで (IC の世代毎に上昇する) で有意なレベルの 連続性のコモン・モード・ノイズ・エミッションを持つデジタル・プロセッサを含み、 150kHz から少なくとも 2.45GHz までの RF 通信と工業／科学／医療 RF ノイズによる 環境の汚染が悪化している現代においては、 それらが運ぶことが意図されている実際の差動モード信号とは無関係に、 全てのケーブルを「高周波」タイプとして扱わなければならない。
勿論、たとえその時に OEO 終端が適切な総合性能を達成したとしても、 そのシステム、近傍のシステム、あるいは電磁環境の将来の変化は、 ケーブルのシールド効果が不充分となり、 おそらくは非常に高価なダウンタイムを引き起こすことを意味し得る。
OEO 遮蔽終端が、終端されていない側の機器のエンクロージャのシールド効果を 実質的に台無しにすることに気付くことが重要である。 これは、適切に規定されたフィルタ (理想的には「貫通」型の) を ケーブルが入る箇所でエンクロージャの壁に接続することで、埋め合わせられる。
これは理論的な気取りではない ―― 私はこれを10年以上にわたる個人的な経験から書いている: 1990年まで、私はそのような設計者そのものであった。
Figure 8 は、そのような機器を 機器が入れられているキャビネットのシールド効果を損なわずに 使用する１つの方法を示す。 次のいずれの方法も用いずに、 ケーブルをシールド・エンクロージャの壁を通すことは、 キャビネットのシールド効果を完全に損なうであろう ([7] の 4.3.17章、[3] の 3.10-1 から 3.10.3、 そして [4] の 148、153、154ページを参照):
|
| Figure 8: 両側での遮蔽終端が製造業者の設置指示への違反となる場合 |
シールド・エンクロージャのあいだで用いられる、そのケーブルは、 独立二重遮蔽タイプのものでなければならない。 これは、2つのシールド層の一方が他方の上に接触して重ねられている、 通常の二重遮蔽ケーブルと同じものではない。
絶縁された2つの遮蔽の外側のものはケーブルの一部である必要はなく、
1本以上の遮蔽ケーブルの上に適用されたシールド・コンジットであっても良い。
システムのコミッショニングの数日の遅れでさえも、 最初から両端でのハイブリッド終端や 360°終端を用いて システムを構築した時に要するであろうよりもかなり多くのコストを要し得る。
だが、両端での 360°ケーブル遮蔽終端を用いてシステム構築を始めるならば、 他の手法の１つを用いるように変更することは容易くて手早い。
これは、Rolls Royce Marine Ltd. の EMC 専門家であり、 全ての形の設備を熟知している Bob Plowman が、 1990年台初期の EMC セミナの休憩中に次のようにアドバイスした理由である: 両端での 360°終端を用いて設計し、 それを PEC として用いるために全てのケーブル外装を接続した方が、 通常は総合的な費用効果が遥かに良い。 そして、設置とコミッショニングに際して、必要に応じて、 ハイブリッド終端、あるいは片端のみでの終端を用いて、 ケース・バイ・ケースでケーブルのシールド効果を低下させる。
そのようなリスクが存在する場合、 その施設における設置上の困難のために ケーブルの設計上のシールド効果を低下させることは、 単に上記の遮蔽終端のオプションのリストの a) から f) から 請負業者が最も良いと思う方法を選ぶことを許すよりも かなり真剣な検討を必要とするであろう。
例えば、 DEF STAN 59-41 Part 7:1995 (DEF STAN 59-411 Part 5:2007 によって置き換えられた) は、軍艦の EMC のための良い設置プラクティスのガイドを与える。 1999年に、原子力潜水艦設計者らにそのトピックでのトレーニングを行なっていて、 ケーブル遮蔽を両端で 360°終端しなければならないと言った時、 彼ら全員が怖じ気づいたようであった！ いいや、(彼ら全員が、大きな声で言った)、 グランド・ループを防ぐため、ケーブル遮蔽は片端でのみ終端しなければならない。 知っているでしょう？ だが、以前にもこの反応に出会っていたので、用意はできていた！ そう、DEF STAN 59-41 Part 7:1995 が彼らのバイブルであると全員が認めた ―― そこで、RF 保護を与えるため、ケーブルの遮蔽は両端の機器に 全周 (すなわち 360°) で接続されなければならないと明確に述べている 70ページの 10.26節を彼らに見せた。 全員が明らかにショックを受け、しばらくは静かになり、 そして幾分考え深くなったように見えた。
遮蔽された Ethernet ケーブルは 「グランド・ループを防ぐため」に片端でのみ終端しなければならないと主張する 「産業用 Ethernet ハンドブック」の記事を、2008年に見た。
残念ながら、Ethernet 設置作業者が従うことが期待されている BS EN 50174-2 の要求は、両端での 360°遮蔽終端を要求する (2001年版の 15〜16ページの 6.3.2節を参照)。
一部の産業ガイドや規格は非常に良いが、 一部は今日必要とされる EMC 設置テクニックに関しての改定を大幅に必要とする。 従って、遮蔽ケーブル設置についての産業ガイドに従う時、 現在の良い設置プラクティスに注意し、 どのようなガイドにも無批判に従わないことが最良である。
この短い記事が興味深く、有用であると感じていただけることを期待する。
より良いアイデアが出ない限り、 次回はシールド電流に伴う「グランド・ループ」問題と呼ばれるものに 影響されないように I/O をどのように設計するかをカバーしようと思う。
[2] Tim Williams, "EMC for Product Designers, Edition 4" Newnes, 2007, ISBN: 0-7506-8170-5
[3] Keith Armstrong, "EMC for Systems and Installations",
at http://www.compliance-club.com/KeithArmstrong.aspx.
You will have to register, but it only takes a few seconds and access is immediate.
[4] Tim Williams and Keith Armstrong, "EMC for Systems and Installations", Newnes, 2000, ISBN: 0-7506-4167-3, RS Components Part No. 377-6463
[5] John R Barnes, "Robust Electronic Design Reference Book, Volume 1", Kluwer Academic Publishers, 2004, ISBN 1-4020-7737-8
[6] BS IEC 61000-5-2:1997, " Electromagnetic Compatibility (EMC) - Part 5: Installation and Mitigation Guidelines - Section 2: Earthing and cabling"
[7] Keith Armstrong, "Design Techniques for EMC, Part 4 - Shielding (screening)", at http://www.compliance-club.com/KeithArmstrong.aspx.
You will have to register, but it only takes a few seconds and access is immediate.
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: 2009-08-02