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翻訳: T. Sato
これらの６個の論文でカバーするトピックは：
これらの EMC テクニックは、以下のものを含む、 大半の地上のシステムや施設に適用できる：
特別なシステムや施設 ――例えば： 発電； 病院； 軍事施設； AM 放送局； 全ての種類の乗物 (鉄道、地上、海上、航空宇宙など)； 石炭、石油、ガス、及び鉱物の探査や抽出； 危険な領域 (例えば石油化学プラント) など―― は、いくつかの異なった EMC テクニックを必要とするかも知れない。 これらの多くは、通常は従わなければならない、 独自の EMC プラクティスの規定を持っている。 しかし、いくつかの EMC プラクティスの規定はかなり古く、 今それを適用しようとしている 現代的な電子技術と用途のためには適切ではないかも知れない。 既存の EMC 規定が このシリーズで説明されているテクニックと矛盾することがわかったならば、 その既存の規定がまだ正しいかどうかを判断するための、 資格のある EMC 専門家によるアセスメントが推奨される。 Defence Standard 59-41 Part 7[2] は 軍用のシステムや施設のための EMC プラクティスに関する比較的最近の規定であり、 このシリーズで説明されているものとほぼ同じテクニックを採用している。
このシリーズのテクニックのいくつかは、 規定された、あるいは伝統的なプラクティスと矛盾するかも知れないが、 これら全ては、執筆の時点において、充分に証明された、 国際的に標準化された現代的なベスト・プラクティスであり、 プロの技術者はその仕事に常に最良の知識とプラクティスを適用する明白な (職業的な、倫理的な、そして法的な) 義務を持つ。
安全性は常に至上であり、EMC の達成を助けることを意図した いかなるテクニックによっても損なわれてはならないことを忘れないこと。 これは、EMC の決定に際して資格のある安全性専門家の関与を必要とするかも知れない。
EMC 指令に適合することは、 多数の安全規制 (機械指令のような) によって要求されているような 機能的安全性の達成のための充分な EMC 作業ではないことに注意すること。 電子デバイスの誤動作が機能的安全性リスクを増加させ得る場合 (例えば全てのロボットや、ある種の機械やプロセス制御) には EMC は安全性の論点として分類しなければならず、 単に EMC 指令や対応する整合 EMC 規格に適合することは充分ではないかも知れない。 このトピックはこの論文のシリーズでは特にカバーされないが、 EMC と機能的安全性に関する IEE Professional Guidance の出版から 遅れ過ぎることなくこのジャーナル がレポートすることが期待される。
これらのテクニックの使用は 施設が最小のコストで EMC 指令 (89/336/EEC 追補) に適合することも助け、 また施設が作られた後の干渉の苦情に対する 「充分な注意 (due diligence)」防衛を行なうことを助けるであろう。 過去にいくつかの工場が EMC 執行機関によって閉鎖させられているので、 干渉事故の防止を助けるために良い EMC プラクティスを用いることを 商業的リスク防止戦略として見ることも最良である。
この技術的な論文のシリーズは、新しいシステムや施設のプロジェクトにおける 工学的、及び商業的なリスクを低減すること、 そして新しいシステムや施設が高い信頼性と良好な動作品質を持つことを助ける ことを意図している。 問題がそう認知されることは多くないものの、 多くのシステムや施設のプロジェクトは EMC への配慮の欠如に伴う遅延や追加費用を被っている。 例えば、ある化学処理プラントの製造業者は、 インバーター・モータ・ドライブからのノイズがある状態で 流量計が正しい読みを示すようにするためだけに、 新しいプラント (それぞれ £10,000,000 程度) のそれぞれに ３〜５日を費している計算になると語ったことがある。
３日間の工学的活動と必要となる追加の材料 (遮蔽ケーブル、フィルタなど) を除いても、そのプラントが金を稼ぎ始める時期を高々１週間遅れさせることは、 おそらく失われた生産のために £300,000 程度を、 そして £10,000,000 の借金の利息のためにさらに £20,000 程度 (非常に控え目な 10%／年の利率を仮定) を費すことになる。 良く知られた、容易に学べる、そして材料費に高々数百ポンドを加えるであろう EMC テクニックを無視するための支払いとしては £320,000 は高すぎる。
一部の技術者は、彼らのプロジェクトの費用 (彼らの給料を含む) が、 利息を支払わなければならない銀行への借金と 実質的に等しいことを理解しないかも知れない。 その金は彼らの会社の銀行口座の預金から来ているように見えるかも知れないものの、 財務担当重役はそれを 工事に費していなかったならば利息を稼ぐことができた金として勘定し、 従って彼が (そして株主が) 関心を持つ効果は それを銀行から借り入れたものとほとんど同一である。 もし株主が彼らの現金を建築業界に投資することで より多くの金を稼ぐことができ、かつ／もしくは リスクを下げられると感じたならば彼らはそうするであろうし、 この態度は部分的には今日のイギリスにおける工業分野への投資の欠落を引き起こしている。
劣悪な EMC が遅延、費用、そして罰則条項の発効を引き起こす可能性がある、 より多くの例については、 このジャーナルの別の箇所にある 「Banana Skins」の項目を読まれたい。 この項目は1998年2月から続いているシリーズの一部であり、 実際にいくつかの非常に恐ろしい話を含んでいる。
この章で議論する内容は、 以降のパートで説明する EMC プラクティスに強く関係する。
(電磁的) 事象の制御のための適切な接続と接地設計のためには、 その電磁的事象に関連する電流が実際にどこを流れるかについての知識が必要である。 そのような分析の結果は、 ある種の電磁的事象はそのような接続に強く影響されるが、 ある種のものはそうでないことを示す。 決して EMC のために安全性を損なうべきではないと言うことを除き、 安全性はここではカバーされない。 保護導体を取り除くことによって EMC が改善される (例えば、計装やオーディオのシステムにおけるハム雑音を低減するために、 これは依然として一般的なプラクティスである) としても、 安全性要求に違反する可能性があるのであれば決してそうしてはならない。
「接地」や「接地する」は、設計者や設置業者によってやりとりされる、 かなり誤用され、濫用されている用語であり、 その結果として様々な EMC 問題の原因となっている。 例えば、設置手順書がケーブル遮蔽を接地するように言っているとすると、 これは実際には何を意味しているのだろうか？ その遮蔽からキャビネットの壁面のシャーシ・スタッドへの 2m の緑／黄の導線は おそらくその遮蔽が数百 Hz よりも上で正しく機能することを妨げるであろうから、 それは要求されたものではないだろう。 従って、我々は使用している単語を理解していることを確認し、 また他の人とやりとりする際に正しい用語を用いる必要がある。 残念ながら多くの規格は「接地」という単語を用いるべきでない箇所で用いており、 悲しいことに著者自身もしばしばこの同じ誤りについて有罪である。
厳密に言うと、接地とは地球の大地への接続のみを、 特に雷防護システム (lightning protection system; LPS) の接地電極や AC 主電源配電変圧器のいずれかの主電源端子 (通常は「中性線」) に接続される接地電極を意味するべきである。
保護導体は、主電源から給電される二重絶縁テクニックを採用していない機器の 露出した金属部への、安全上必須の接続である。 この保護導体は典型的には主電源コードに含まれる緑や緑／黄の導線であり、 これは建物の共通接続ネットワーク (common bonding network; CBN) に接続しなければならない。 これらの導体は「保護接地」、「保護接地導体」、「安全接地」、 あるいは単に「接地」と呼ばれることがあるが、 それらは CBN に接続されるので「接地」という単語は不適切である。
CBN は、施設の中の、相互に接続された 保護導体や金属構造、水道やガスの配管などの集合である。 現代的な配線規則は、建物の CBN を構成するために、 ほとんど全ての導電性のものを保護導体のネットワークに接続することを要求している。 それらは、安全上の理由から、 導入される主電源の接地された中性線と 雷防護システム (それが設置されている場合) の接地電極によって その CBN を大地に接続することも要求している。 CBN は大地に接続されるので、それはしばしば「接地ネットワーク」、 「接地接続ネットワーク」、あるいは単に「接地」と呼ばれるが、 これは正しくない。 この点は学術的なものに見えるかも知れないが、 CBN や大地接地と様々な電磁的現象との相互作用に影響することがわかるであろう。
Figure 1 はこれらの異なった「接地」の関係を示す。
建物の外の配電システムは、通常は主電源中性線と接地電極への接続の双方に、
しばしば PEN 導体と呼ばれる１つの導体を用いている。
建物によっては PEN 導体を内部で用いており、
従ってその主電源中性線は CBN でもある。
そのような建物は EMC 問題の影響を強く受けることがあり、
従って最近の多数の規格においては、
電子機器が設置される場合には建物内での PEN 導体は推奨されていない
(すなわち、IEC 364 section 546.2.1、HD 384.5.54 S1:1980、
あるいは BS7671:1992 546-02 のオプションは使用すべきではない)。
残念ながら、大半の電子設計者は この点では非常に不利な位置からスタートする ―― 電子工学の伝統的な教科書や教材 (そして大半の回路シミュレータ) は 還流電流を完全に無視し、 さもなくば還流経路の長さやインピーダンスはゼロであると仮定している。
全ての導線、ケーブル、そしてその他の金属構造などの導体は、 おおまかには同様の影響を受ける。 高周波における実際のインピーダンスは、その材質、形状 (特に断面積)、 長さ、そして他の導体や絶縁体との近さに依存する。 一般的には、導体の幅広の面 (第２部 の Figure 2F を参照) は導線よりも高い周波数まで低いインピーダンスを保ち、 その幅が広くなるとそのインピーダンスは低下する。
典型的な保護導体は普通は単なる細い導線であり、 しばしば CBN に接続されるまでに数メートル引かれる。 この種の保護導体は高周波では高い、あるいは不定のインピーダンスを持ち、 従って高周波の電磁的事象の制御のためにはあまり有効ではない。
CBN は、導線と、鉄筋、梁、鉄骨、配管、ダクト、ケーブル・トレイ、 コンジット、ケーブルの保護外装や遮蔽などの「自然」金属構造とから構成される。 これら全てを相互にメッシュ状に接続することにより、 CBN のインダクタンスを低減する (そして高周波でのその有用性を高める) ことができる。 メッシュ状の導体は、メッシュの寸法が小さくなるほど導体の連続な面に近付き、 従ってメッシュの寸法を小さくするとそのインダクタンスは低下して より高い周波数の電磁的事象をより良く制御できるようになる。
高導電率の土の中の良く設計された電極は (電極自身の位置で測定したならば) 数 MHz まで主として抵抗性を示すかも知れないものの、 接地電極もインダクタンスを持つ。 勿論、接地電極への接続はインダクタンスを持ち、 これは実際の大地への接続の周波数応答の重要な要素となるかも知れない。 現代的な接地電極システムは、高周波電磁的事象のより良い制御を助けるため、 サイト全体での低インダクタンスを達成するために、 環状電極群とコンクリート基礎中の鉄筋や、それに類似したものを用いている。
いかなる導体も他の全ての導体や導電性のものに対する 浮遊 (寄生) 容量やインダクタンスを持つ。 DM 電圧や電流は、これらの浮遊成分を介して、 意図した導体から他の導体や導電性のものに漏洩する。 個々の信号や電源導体に対して 多数の異なった浮遊容量や浮遊インダクタンスがあり、 従って個々の導体は様々な程度の漏洩を生じる。 もしそれぞれの DM 導体からの漏洩を同一とできるのであれば、 それらは打ち消し合って、その全体としての影響はゼロとなる。 しかし、実際にはこの理想には近付けられるだけであり、達成はされない。 結果としての全体の漏洩はコモン・モード (CM) と呼ばれる。 CM の代わりに用いられることのある表現は「非対称」である。
DM の信号や電力の導体からの浮遊漏洩と同様、個々の導体のインピーダンスや、 信号源と負荷の双方の機器の内部での基準電位 (例えばシャーシ) にも 相違があるであろう。 これらの不平衡も DM から CM への変換に影響する。
Figure 2 は CM の発生に寄与する別々のインピーダンス全ての 総体的な効果を表現する少数のインピーダンスを示している。
CM 漏洩が他の信号や電源の導体に影響する場合、 これは通常はクロストークと呼ばれる。 重要な EMC 事象の１つではあるものの、これはこの論文の対象ではない。 我々は、保護導体、CBN、そして大地に関係する CM の電流や電圧に関心がある。
信号ケーブルが DM を CM に変換する、長さ 1m あたりの程度は、 不平衡減衰量 (longitudinal conversion loss; LCL) として知られている。 カテゴリー３データ通信ケーブルは、 典型的には 1.5〜30MHz の周波数範囲にわたって 50〜25dB の LCL を持ち、 この LCL は周波数の上昇に伴って低下する。 カテゴリー５ケーブルは、同じ周波数範囲で 60〜35dB の LCL を与えるために、 その撚り込み率に対するより厳しい管理のもとに作られている。 60dB という値は、ケーブル 1m ごとに DM 信号の 0.1% が CM に変換されることを意味する。
Figure 2 は撚り合わされていないシールドなしの信号ケーブルを示しているが、
ケーブル外部との誘導性や容量性の結合を低減するために
信号導体が撚り合わされたりシールドされたりしている場合でも、
これと同じコモン・モード漏洩メカニズムが発生する。
撚り合わせやシールドは 100% の効果を持つことはなく、
組み立てや設置に際しての劣悪な終端テクニックによって
さらに効果が低くなることがある。
Figure 3 は、信号導体に対する DM 電流は 大きさは等しいが極性が反対 (+IDM と -IDM) であり、 それぞれの出力端子で観察される CM 電流の極性は同一で それぞれがその合計の半分 (双方が +ICM /2) であることを示している。 ３本の導体上の DM 信号や電力ケーブルにおいては 出力される CM 信号はそれぞれ合計の 1/3、 ４本の導体上の DM 信号や電力ケーブルにおいては 1/4 といった具合になる。
Figure 3 の CM 還流電流 (-ICM) は、
信号源自身と CBN のあいだの、
インピーダンス ZBS で表現されている
何らかの接続や浮遊インピーダンスを介して
(キルヒホッフ氏を満足させるために) 信号源に還流する。
たとえ CBN への意図的な接続 (保護導体のような) がないとしても、
依然として CBN と機器のあいだに浮遊容量や浮遊インダクタンスが存在するので、
ZBS は依然として存在する。
主電源から機器への CM 電流が Figure 4 の主題である。 AC/DC コンバータは、整流器とスイッチング・トランジスタを主な源とする、 不連続な、かつ／もしくは非線形な負荷インピーダンスによって DM ノイズ電流を発生する。 その機器が保護導体によって CBN に接続されているならば ２組の漏洩インピーダンスがあり、 従って CM 還流電流の２組の可能な経路がある： １つはその保護接地導体 (ZPC として表現されている) を介したもの、 もう１つ (実際にはいくつもの経路) は CBN (ZBN として表現されている) を介したもの。 機器が二重絶縁されている場合には ZPC はない。
上の図は CM 電流とインピーダンスのみを示しているが、
CM 電流がその電流経路にある様々なインピーダンスを通って流れる以上、
CM 電圧が存在する。
CM を低減する２つの方法 (その機器の回路設計を変更することを含めずに) がある：
CM の電圧や電流は DM よりも遥かに長い距離と大きなループ面積で働くため、 ある大きさの CM の電圧や電流は同じ大きさの DM のものよりも 遥かに大きな電界と磁界のエミッションを生じる。 従って、非常に小さい CM でさえも エミッションに関する大きな問題を生じることがある。
以降の簡単な分析は、基本的に、 その機器が典型的な床置きの工業用キャビネットよりも大きくなく、 その信号ケーブルが高インピーダンス負荷を駆動する 30m よりも長くないものであり、 その機器とケーブルの双方の全体が１つの建物の中にあるものと仮定している。
DM の電流や電圧は意図された導体に閉じ込められるので、 保護導体、CBN、そして大地のいずれも顕著な影響を持たない (対象となる電流はそれらを含む経路を持たない)。
1MHz という周波数は、機器の大きさ、ケーブルの長さ、 そして負荷インピーダンスに強く依存する。 例えば、誘導モーターを駆動する周波数変換器において、 モーターの巻線とその金属構造とのあいだの大きな静電容量が 1MHz よりも遥かに低い周波数で高レベルの CM 電流を引き起こすことがある。
CM 面積は、CBN への接続のインピーダンスを低減し (より短い、より大きな断面積のもの)、 ケーブルを CBN の近くに敷設し (さらにはケーブルの遮蔽を所々露出させて CBN に接続し)、 メッシュの大きさを小さくすることによって CBN のインピーダンスを低減し、 CBN 導体の断面積を大きくし、 そして電源や信号導体と CBN のあいだにコンデンサを取り付けることによって 減少させられるかも知れない。
通常、上記のテクニックは同時に適用される： 例えば、銅のケーブルの代わりに光ファイバーを用い、 また残りの銅のケーブルに CM チョークを追加することによって CM インピーダンスを増加させ、 それと同時に主電源端子と CBN のあいだに“Y”コンデンサを取り付け、 機器と CBN のあいだの接続のインピーダンスを低減し、 そしてケーブルを CBN の近くに敷設することによって 残りの CM が作用する面積を低減する。
この例から、エミッションの制御のためには 機器と CBN のあいだの接続 (保護導体を含む) が重要であるが、 時にはその接続を除去するかインピーダンスを増加させた方が良く、 時には接続を追加するかその CBN へのインピーダンスを低減させた方が良い ということがわかる。 対象となる電流の経路はそれを通らないことから、 大地への接続は顕著な効果を持たない。
機器やそのケーブルに関連する CM と DM の電流全てが流れる経路は変わらず、 従って連続 RF に対するイミュニティを改善するために用いられる 「接地絡み」のテクニックはエミッションに対しても同様となる。 所定の周波数における、イミュニティの改善のための保護導体、 CBN、そして大地の関係に関する結論は、 エミッションに関するもの (上を見よ) と同一である。
「相間」外乱は信号や電源の導体のみに関係し、 従って通常は「接地」は影響を持たないが、 「対地」外乱はその電流経路に 保護導体や CBN への全てのインピーダンスを含む。 機器の「対地」トランジェントに対するイミュニティは、 機器と CBN のあいだのインピーダンスを増加させ、 あるいは減少させることによって改善されることがあり、 CBN 自身のインピーダンスの増加や減少も影響することがある。 (上で示した 1MHz 以上のエミッションの改善と全く同様に。) しかし、使用する手法は安全性を損なってはならない。
サージ防護デバイス (SPD) は、 理想的には通常の動作のあいだは回路に対する影響を持たないが、 通常の範囲を超える電圧に曝された時には そのトランジェントを転流して回路を損傷から保護するために抵抗値を急激に低下させる 非線形抵抗である。 回路を同一のモードのトランジェントから保護するために、 SPD は相間、あるいは「相 ― グランド間」のいずれに取り付けることもできる。 SPD に関連する大きすぎるインダクタンスは、 トランジェント電圧をクランプする効果を弱める。 「相 ― グランド間」に接続された SPD の効果的な使用のためには、 保護導体や、その他の CBN への接続のインダクタンスの低減が必要かも知れない。
上の他の電磁的事象全てにおいて、 トランジェントに対するイミュニティは 保護導体やその他の CBN への接続にかかわるテクニックによって 改善できるかも知れないが、 時には CBN への接続を除去するかインピーダンスを増加させた方が良く、 時にはそのインダクタンスを低減するために CBN への接続を改善した方が良い。 関係のある電流経路はそれを通らないので、大地への接続は重要ではない。
上で議論したように、エミッション、及び／もしくはイミュニティは、 CM 電流を低減するために大地へのインピーダンスを増加させる (CM チョーク、光ファイバー、より良い LCL のケーブルなど) ことによって改善できることも、 CM の電圧や電流の影響する面積を低減するために 大地へのインピーダンスを低減する (接地電極への低インピーダンス接続、低インダクタンスの電極、 ケーブルの大地の近傍や地中への敷設など) ことによって改善できることもある。 上と同様、現実的な解決策はしばしば双方の種類のテクニックの適用を伴う。 しかし、雷防護が重要となることがあり、 エミッションやイミュニティの改善のために用いられる手法の組み合わせは 建物の中でのものとは異なったものとなるかも知れない。
「接地」への接続が EMC 問題を改善する方向となるかどうかを分析するためには、 差動モードとコモン・モードの双方の電流に対する 関係する電流経路の分析が必要となる。 EMC と保護導体、共通接続ネットワーク、そして大地との関係は 関係のある電磁的事象に依存するが、 多くの電磁的事象は共通接続ネットワークへのインピーダンスの低減かその増加、 もしくはその双方の組み合わせによって制御できる。 大地への接続のインピーダンスは ケーブルや機器が建物の外に設置される場合にのみ重要となる。
これは、Keith Armstrong 氏が EMC+Compliance Journal 上で発表した文書を、 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: 2000-07-22