信号回路用シールドケーブル（パート2）
第1部では、電界および磁界からの干渉を回避するために遮蔽ケーブルがどのように機能するかの原理について検討しました。ここで、より実用的な詳細をいくつか見ていきます。
遮蔽ケーブルの接続方法
基本
パート1で説明したように、非常に広範囲の脅威の頻度に対してスクリーニングを有効にする必要があります。遮蔽ケーブルを高周波で有効にするには、送信側と受信側の両方でスクリーンを基準極（「0V」など）に直接接続することが不可欠です。
スクリーンを接続するためにピグテールを使用すると、スクリーン内のノイズ電流が信号回路にノイズ電圧を注入できるようになるため、スクリーニングの有効性が低下します。真にガルバニックに絶縁された回路の場合、これは重要ではない可能性があります。これは、絶縁により、ピグテールを循環して流れるノイズ電流が最小限に抑えられるためです。ただし、一般的にピグテールは最小限に抑える必要があります。広帯域データ回路の場合、ピグテールは避ける必要があります。これは、ケーブルスクリーンをシャーシまたは基準点または接地点に直接クランプすることで実現できます。
画面の両端を接続しないのはなぜですか？
ケーブルスクリーンを一方の端だけに接続することを推奨するガイドラインが流通しています。上記から、これがスクリーンの高周波スクリーニングの利点を打ち負かすことは明らかであるはずです。過去には、これらのガイドラインは、グランドループを回避するために、本質的に高周波干渉の影響を受けないある種の単純な電気制御回路に適用されていました。以下を参照してください。また、電力システムの障害電流がケーブルスクリーンを循環するのを防ぐこともできますが、これは、電力システムで適切な等電位ボンディングを確保することによって適切に達成する必要があります。
配電システムでは、障害や落雷時の潜在的な危険に触れることを避けるために、電源ケーブルのシールドを両端に接続してはならない特定のアプリケーションがあります。 TT配電システムのように。これは、可変速ドライブのモーターケーブルには適用されません。
信号ケーブルが建物の外および等電位ボンディングエリアの外を通過する場合は常に、潜在的に危険な差動接地電位が存在する可能性がある場合の電気的障害および落雷時の安全性を考慮する必要があります。
片面アナログ回路
図4：シンプルなシングルエンドアナログインターフェースの接続
最も単純な種類のアナログインターフェイスを図4に示します。これは多くの一般的なアプリケーションに適しています。前述の説明から、この配置にはいくつかの弱点があることがわかります。これは、高精度で広い帯域幅での制御が必要ない場合に許容できる可能性があります。
コントローラとドライブの破線は、コントローラとドライブの0V接続が通常、直接かつ意図的に、またはシステム内の一部の機器の0Vとグランドが内部で接続されているためにグランドに接続されていることを示します。この場合、次のソースからの妨害のリスクがあります：
- 高周波ノイズ電流により、ピグテール接続のインダクタンスのノイズ電圧降下がアナログ信号に結合されます。アナログ回路が影響を受けやすい場合、これによりエラーが発生する可能性があります。ピグテールをできるだけ短くしてインダクタンスを最小限に抑えることで、ピグテールを最小限に抑えることができます。両端のケーブルスクリーンに直接接地クランプを使用してシャーシに固定すると、これを完全になくすことができます。これは、図4に青色で示されています。
- 低周波ノイズ電流により、ケーブルスクリーンの抵抗（およびピグテールでもノイズ電圧降下が発生しますが、通常、ケーブルの抵抗は高くなります）。このノイズの周波数がアナログ回路の帯域幅内にある場合、それは妨害されます。たとえば、50/60 Hzでのピックアップは、50/60Hzでのサーボドライブの振動を引き起こします。これは「グラウンドループの問題」であり、治療がより困難です。考えられる解決策は次のとおりです。
- 電圧降下を減らすために、両端の0Vまたは接地端子を低抵抗の電源接地ケーブルで接続します。
- 平衡（差動）アナログ信号回路を使用します（以下を参照）。これが最良の方法です。
- 画面に電流が流れないように、アナログ出力または入力回路をガルバニック絶縁します。
バランスの取れたアナログ回路
高精度アナログ回路は、多くの場合、差動入力を提供し、場合によっては差動出力を提供します。これらは通常、サーボドライブなどの高精度コントローラー、およびsin/cosシャフトエンコーダーに提供されます。これらを正しく使用すると、低周波干渉の優れた抑制が得られます。シールドケーブルと組み合わせることで、ノイズスペクトル全体にわたって耐性を実現できます。図5に、差動アナログ入力の使用方法を示します。信号コアは通常ツイストペアであることに注意してください。これにより、2つの導体のルートを可能な限りバランスよくすることで、ノイズ耐性がさらに向上します。
図5：差動アナログ入力の接続
この場合、シングルエンドのコントローラー出力と差動入力があります。シールドケーブルの2つのコアを使用することにより、反転入力をコントローラーのアナログ出力の基準極に直接接続できます。したがって、ケーブルスクリーンに誘導された低周波電圧は入力によって除去されますが、スクリーンは依然として優れた高周波除去を提供します。差動入力は、ケーブルスクリーンが最適に機能する帯域幅を超える高周波でコモンモード電圧を除去できません。 2つの手法を組み合わせると、スペクトル全体でノイズ除去が可能になります。
図4のような接地クランプを使用して、ピグテールによって引き起こされる高周波ノイズ結合を回避することもできます。
コントローラが差動出力も提供している場合は、AIコアをコントローラの0VではなくAO端子に接続できます。特殊なケースは、コントローラーが「仮想アース」出力を提供する場合です。この場合、AO端子は出力ではなくセンス入力です。その場合、AO-ラインは一方の端またはもう一方の端で0Vに接続する必要があり、「フロート」させてはなりません。
デジタル回路
デジタル回路は、グランドループによって引き起こされる種類の低レベルの低周波エラーによる妨害の影響を受けません。データリンクでの高周波干渉は、通常は検出および拒否されるビットエラーを引き起こす可能性がありますが、頻繁に発生すると、チャネルが閉じたり、パフォーマンスが低下したりする可能性があります。速度/位置フィードバック用のシャフトエンコーダ回路は、高周波ノイズの存在下でノイズと振動を引き起こす傾向があります。どちらの場合も、ケーブルスクリーンを正しく管理することが不可欠です。
データリンクは多くの場合、高いビットレートを使用します。約1Mb/ sを超えるレートの場合、反射によるデータエラーを回避するために、ケーブルをその特性インピーダンスで正しく終端する必要があります。マッチングを維持するために、露出したケーブルコアの短い長さのみを許容できます。
基本的なローカルデータ伝送に最も広く使用されているデジタルインターフェースは、差動送信機と受信機を備えたRS422およびRS485規格に基づいています。ケーブルの種類は直接指定されておらず、正しい特性インピーダンスがあれば、原則としてシールドされていない可能性がありますが、通常はシールドケーブルが推奨されます。
平衡回路を使用すると、注入されたノイズはコモンモードであるため、かなりの程度まで除去されます。つまり、両方のラインに等しく影響し、信号として表示されません。ただし、送信機と受信機にはコモンモード範囲の制限があるため、ノイズ電圧が高すぎるか、変化が速すぎる場合、および非対称性によってコモンモードノイズが直列モードに結合される場合、エラーが発生します。ほとんどのポートで使用されている標準のラインドライバーチップのコモンモード範囲は約5Vであり、これを超えると大きなエラーが発生します。これは、電気的に絶縁されたポートを使用することで増やすことができますが、コストがかかります。
図6は、基本的なRS485ポート接続を調整する方法を示しています。
図6：基本的なRS485データ接続（2つのノードのみが表示されています）
制御技術機器では、基準端子は図6に「0V」として示されています。他の機器では、アースを表す「G」または「GND」、画面を表す「SC」、または「基準」とさまざまに呼ばれることがあります。接続されていない場合や、提供されていない場合もあります。これは、短いリンクの場合、またはポートが適切に設計されたガルバニック絶縁を備えている場合に成功する可能性があります。一般的に、ケーブルスクリーンに0Vを接続することがはるかに望ましいです。
RS485は、複数のポートのマルチドロップ接続を可能にします。各ポートでのマイナーなインピーダンスの不一致の影響と、各ピグテールから注入されたノイズにより、ポートの数が増えるにつれて、配置は外乱に対してますます敏感になります。 Profibusなどの高データレートを使用する完全な通信プロトコルでは、定義済みのハードウェアを使用します。この場合、ピグテールを回避するためにコネクタのケーブルスクリーンを直接クランプし、エンドノードでのみ接続する正しい終端インピーダンスネットワークを使用する必要があります。
>端子とコネクタ
多くの産業用コネクタは、高周波での使用を目的としていないため、ケーブルスクリーンの管理を適切に行うことなく設計されています。一般的なアプリケーションでは、通常、短いピグテールを介して画面をコネクタピンに接続することが許容されます。ただし、無線周波数コネクタの場合と同様に、スクリーン接続をコネクタの導電体に通して、信号導体を取り囲み続けることがはるかに望ましいです。信号回路が複数のコネクタを通過し、それぞれにピグテールのペアがある場合、各コネクタに注入されたノイズが蓄積されます。
スクリーン接続を管理する1つの方法は、スクリーンを一緒に、または共通の金属部品に固定することです。このためのハードウェアは、ネジ留め式端子台のサプライヤから入手できます。アイデアを図7に示します。
図7：端子台またはコネクタでの接続画面
クランプの目的は、ピグテールスクリーンの接続を回避することであり、したがって、ピグテールに現れるノイズ電圧の注入を回避することです。これは、最小の浮遊インダクタンスで画面をリンクします。ここの端子にある露出した非遮蔽導体の小さな領域は、ピグテールほど重要ではありません。その理由は、シールドされていない導体は端子のすぐ近くの電磁界にのみさらされるのに対し、ピグテールはシールドされたケーブルの全配線に沿って収集されたノイズ電流を運ぶためです。
通常、クランプは接地された金属部品に固定されますが、これは主に安全上の理由からです。 EMCの利点は、2つのケーブルスクリーン間のインダクタンスリンクが非常に低いことです。
イーサネット
イーサネットは、上記のすべての例外です。最新のイーサネットはシールドケーブルを必要としませんが、非常にバランスの取れた非シールドツイストペアケーブルと、ガルバニック絶縁された平衡トランス結合を使用して、優れたコモンモードノイズ耐性を実現します。また、マルチドロップ構造を使用していないため、複数のノードでノイズ電流が蓄積する傾向も回避されます。
グラウンドループ
図3の抵抗効果を見て、一部のアプリケーションでケーブルスクリーンを両端で接続しないことが推奨される理由を理解するのに十分な位置にあります。画面に電流が流れない可能性があるため、画面の一端のみが接続されている場合、エラー電圧IRは表示されません。このアドバイスは、「グランドループを回避する」ために提供される場合があります。ただし、ケーブルはすべての磁場スクリーニング機能を失います。つまり、高周波スクリーニング機能が失われます。このアドバイスは、これらすべてが当てはまる非常に特定の状況でのみ正しいです：
- 低周波数（主電源など）での差動接地電圧、または主電源周波数での漂遊磁界が存在します。
- 回路は、主電源周波数での小さな摂動に敏感なアナログ信号を使用します。
- 画面は、低周波数での電界結合から保護するためにのみ必要です。
これの最も一般的なケースは、アナログオーディオシステム内であり、メインピックアップのレベルが小さい場合でも、刺激的な「ハム」が発生します。アナログインターフェースを備えたサーボコントローラーにも適用できますが、上記で説明したように差動インターフェースを使用することをお勧めします。
二重シールドケーブル
二重シールドケーブルが推奨される場合があります。特に、ペアとしてスクリーニングされるデータコアの3つの平衡ペア、場合によっては一部の電源コア、および全体的なスクリーンが存在するシャフトエンコーダインターフェイスでは特にそうです。
原則として、データペアごとに必要な画面は1つだけで、画面全体または個々の画面のいずれかになります。ただし、二重シールドケーブルの利点は次のとおりです。
- 外部スクリーンはモーターとエンコーダー本体に固定できるため、スクリーンに高ノイズ電流が発生し、エンコーダーインターフェース回路の0V端子に入らずにドライブでグランドに戻すことができます。
- 0V端子は、システム設計で必要な場合は、アースに接続された全体的な高周波スクリーンを提供しながら、アースから分離しておくことができます。
- グランドループ電流は、外部画面のみに制限できます。
- 個々のペアのインピーダンスは、個々の画面のために適切に制御されています
図8は、これがどのように接続されるかを示しています（わかりやすくするために2つのチャネルが示されています）。
図8：二重スクリーンエンコーダケーブルの接続
参照
Henry W Ott：電磁互換性エンジニアリング：Wiley：ISBN 978-0-470-18930-6
別のおすすめの本
ティムウィリアムズとキースアームストロング：システムと設置のためのEMC：ニューンズ：ISBN 9780750641678
産業技術