信号回路用シールドケーブル（パート1）
この2つのブログのセットでは、信号回路用のシールド（シールドとも呼ばれる）ケーブルの使用について説明しています。このテーマは私のEMCブログで参照されており、さらに詳しく再検討することを約束しました。
後のブログで、ACVSDをモーターに接続するために推奨されるスクリーン付き電源ケーブルについて説明します。どちらの場合も、スクリーンの目的は、スクリーン内部の回路と外部の他の回路との間の不要な電磁結合を防ぐことです。主な違いは、モーターケーブルスクリーンが外部回路を保護するためにあるのに対し、信号ケーブルスクリーンは、外部の電気ノイズによる干渉から内部の回路を保護するためのものであるということです。
遮蔽ケーブルは電子システムでは一般的であり、一般的に当然のことと見なされています。ただし、見た目ほど単純ではなく、誤用されたり誤解されたりすることがよくあります。幸いなことに、最近の電子回路は一般に電気ノイズに対する耐性が高いため、システムは通常、ケーブル管理の悪い慣行にもかかわらず機能します。ただし、可変速ドライブを使用する場合、インバーターは非常に高レベルの電磁ノイズを生成し、適切に配置されていないと関連する制御回路に障害を引き起こす可能性があるため、正しい方法を使用することがかなり重要になります。
パート1では、遮蔽された信号ケーブルの一般的な原理について説明し、パート2では、より具体的な実用的な詳細について説明します。
いくつかの一般的な質問
正当な理由で生じた遮蔽ケーブルの管理のために推進されているさまざまな規則がありますが、それらは矛盾して混乱する可能性があります。ここに私が答えたいと思ういくつかの一般的な質問があります：
- 画面の両端を接続する必要がありますか？
- 私はしてはいけない 画面の両端を接続しますか??
- 画面をアース（アース）に接続する必要がありますか？
- グラウンド（アース）ループについて心配する必要がありますか？
- すりつぶしたおさげ髪の長さはどれくらいですか？
- 端子台を介して接続するにはどうすればよいですか？
- 平衡（差動）アナログ回路を接続するにはどうすればよいですか？
- イーサネットはどうですか？遮蔽されていないケーブルは機能しますか？
いくつかの重要な用語
次の説明で：
地面 は、主電源接続システムの安全アースまたはアース（PE）であり、最終的には建物の保護ボンディングネットワークとその下の物理的なアース（アース）に接続されます。信号回路がアースに接続されていて、安全上の理由で接続されていない場合、これは安全アースとは異なり、機能アースと呼ばれることがあります。
システム内の信号リターンまたはコモン接続またはリファレンス接続は、ここでは「リファレンスポール」と呼ばれます。 」。制御技術機器では、これは「0V」接続と呼ばれます。多くの場合、これはアースに接続されていますが、そうである必要はありません。一部の平衡データ回路には、基準極がない場合があります。
電気パネルでは、金属構造の主要な塊は「シャーシ」と呼ばれます。 」。これは通常、安全上の理由からアースに接続されていますが、電気的ノイズを考慮すると、周囲に異なる電位が存在する可能性が低い広範囲の導電性表面を含むことがより重要です。
平衡信号回路またはプッシュプル信号回路では、信号線はA+およびA-と呼ばれます。設計によっては、関連する0Vまたはシャーシ接続がある場合とない場合があります。
「高周波 」とは、広く無線通信範囲内の周波数を意味し、ケーブルのカットオフ周波数をはるかに上回ります。約50kHz以上。可変速ドライブでは、このような高周波は、パワー半導体の非常に高速なスイッチングの副作用として発生します。
電気的ノイズ（干渉？）とは
ここでの電気的ノイズとは、電気回路の不要な相互作用の影響を指します。すべての電気的活動は、近くの回路に不要な電気信号を誘発する可能性のある電磁界をもたらします。電圧と電流の急激な変化が不要な結合を強化するため、一般に、影響は無線範囲の周波数で最悪になる傾向があります。信号回路は、高周波自体を使用するため（シリアルデジタルデータリンク、エンコーダデータなど）、または意図した帯域幅をはるかに超える高周波に対して意図しない感度を持っているため（アナログ入力など）、高周波干渉に敏感な場合があります。適切に設計された信号回路は、アプリケーションの要件に合わせて帯域幅が調整されるため、急速に変化する外乱に不必要に敏感になることはありません。ただし、意図した帯域外の高レベルの外乱は、非線形性のためにエラーを引き起こす可能性があります。これが、たとえば、携帯（携帯）電話によって引き起こされるサウンドシステムでの干渉を聞くことが非常に一般的である理由です。
この種のノイズの重要な特徴は、非常に広い範囲の周波数をカバーできることです。干渉は、50/60 Hzの主電源周波数源から、携帯電話やその他の約2〜5GHzの無線周波数領域まで発生する可能性があります。これは8桁の範囲であり、一部の周波数で適切に機能するルールは、他の周波数では効果がないか、逆効果になる場合があります。これが、EMCとシールドケーブル管理のルールが矛盾しているように見える場合がある理由です。これらのルールは、特定の周波数範囲の脅威を対象としている可能性があります。
別の種類の電気ノイズは、0 Kを超える温度ですべての回路に本質的に存在する熱的に生成されたランダムノイズであることに注意してください。これは、高感度の無線受信機器にのみ関係し、ここでは取り上げません。
遮蔽ケーブルのしくみ
シールドケーブルには、連続したシールド導体で囲まれた1つまたは複数の信号コアがあります。同軸ケーブルは、スクリーンで囲まれた単一の内部コアを備えており、主に無線周波数アプリケーションに使用されます。スクリーンは、最も一般的には細いワイヤーの編組でできており、導電性のホイルで補うことができます。あまり一般的ではありませんが、スクリーンは固体金属である場合があり、フェライトなどの磁性材料が含まれている場合があります。
スクリーンの目的は、外部の電磁エネルギーが信号回路に不要な信号を誘導するのを防ぐことです。電磁界は、関連する磁場と電場を一緒に含みます。その動作を理解するために、最初に電界と磁界への影響を別々に検討することができます。 回路が電磁干渉の影響を受けないようにするには、電界と磁界の両方の影響を受けないようにする必要があります。
電界スクリーニング
これは理解するのに最も簡単なメカニズムです。図1は、信号源を信号負荷に接続する単純な単線（不平衡）信号回路のシールドケーブルに衝突する外部ノイズ源からの電界Eを示しています。フィールドはスクリーン導体で終端し、内部導体に浸透しないため、干渉は発生しません。
スクリーンがない場合、電界は信号回路が変化するたびに信号回路に電流を誘導します。これにより、回路のインピーダンスに応じた量の過渡エラー、つまり受信電圧のノイズが発生します。インピーダンスが高いほど、エラーは大きくなります。通常、ソースは、電界の侵入によって引き起こされるエラー電圧を最小限に抑えるために、低インピーダンスになるように設計されています。
図1：電界スクリーニングメカニズム
アース接続は、原則として画面が機能するために必要ないため、図1ではオプションとして示されています。重要なのは、信号電圧がスクリーンに対して内部導体に存在するように、ソースと負荷の基準極をスクリーンに接続する必要があるということです。
実際には、電源と負荷の設計によっては、基準極の電位に耐えられない場合があるため、スクリーンをアースに接続するのが一般的な方法です。図1では、アースへの接続が1つしかないことに注意してください。単純な電界スクリーニングでは、接続がどこで行われるかは重要ではありません。ただし、電界Eが時間とともに変化すると、電荷の変化により電流がグランドに流れます。電流が流れたら、磁場の影響も考慮する必要があります。周波数が高くなると、電界に関連する電流も大きくなるため、図1の配置は、50/60Hzの主電源などの低周波電界干渉を排除する場合にのみ実際に成功します。
磁場スクリーニング
シールドケーブルの磁場スクリーニング効果は、理解するのが少し難しいですが、同様に重要です。電流が流れるところにはどこでも関連する磁場があり、それらが変化すると回路に電位を誘導する可能性があります。図2は、外部の通電回路から発生し、図1と同じ回路をリンクしている磁束Bを示しています。
図2：磁場スクリーニングメカニズム
磁場が変化すると、導体によってリンクされた磁束の変化率に比例する電位が導体に誘導されます。ここでは、E B1として示されています。 画面とEB2 内部導体用。
誘導電位は、図2に示されている事実を除いて、受信信号の一時的なエラー、つまりノイズを表します。
まったく同じ電圧が内部（スクリーン）導体と外部（スクリーン）導体の両方に誘導されます。したがって、E B1 =E B2 。
これは、スクリーン導体をつなぐ磁束が本質的に内部導体もつなぐためです。
電圧EB1 およびEB2 赤で示されているのは、信号回路では等しいが反対であるため、負荷でキャンセルされます。
2つの誘導電圧の不均衡が発生しない場合、キャンセルは非常に正確であり、シールドケーブルは変化する磁場からの優れた保護を提供します。
図2では、ソースも負荷も他の回路に接続されていないことに注意してください。つまり、それらは電気的に絶縁されています。この場合、画面に電流を流すことはできず、E B1間でエラーを引き起こす可能性のあるものは何もありません。 およびEB2 。
実際には、ガルバニック絶縁を使用しても、浮遊容量があるため、一部の電流がより高い周波数で流れる可能性があります。ただし、画面に流れる電流によって磁束が変化し、信号導体も接続されます。キャンセルメカニズムは引き続き機能します。
低周波スクリーン電流
図2では、外部磁場によって誘導される電圧が、内部導体と外部導体の両方で同一であることが示されています。等しく誘導されない別の電圧源は、単純な抵抗性電圧降下です。図3は、送信側と受信側の両方がローカルシャーシまたはグランドに接続されており、グランド差電圧E Dがある状況を示しています。 現在のIDを引き起こします 画面に流れます。差電圧は、システム全体のさまざまな影響によって引き起こされる可能性があります。基本的には、あらゆる種類の電磁波の受信アンテナのように機能するケーブルスクリーンによって収集されるさまざまなノイズ電圧と、電圧降下の合計です。主電源周波数などの循環漂遊電流によって引き起こされます。
モーターシャフトエンコーダーを使用する駆動システムには、特定の接地差電圧源もあります。遮蔽されたモーターケーブルを使用しているにもかかわらず、モーター巻線とモーターケーブルのPWMパルスが速いため、モーター本体にはアースに対してかなりのノイズ電圧がかかる場合があります。シャフトエンコーダの金属ボディがモーターボディに直接固定されている場合、エンコーダケーブルスクリーンの接地差電圧を回避することは困難です。
図3：画面電流の影響
現在のID 2つのコンポーネントで、画面に電圧降下が発生します：
- 誘導性コンポーネントIjwL（Lはケーブルスクリーンのインダクタンス）
- 抵抗膜方式のコンポーネントIR。ここで、Rはケーブルスクリーンの抵抗です。
誘導成分は、電流によって誘導される磁場によって引き起こされます。磁場は内部導体にもリンクしているため、E B1に等しく寄与します。 およびEB2 受信信号を妨害しません。[1]
抵抗成分はEB2には表示されません 、信号と直列に表示され、エラーが発生します。
電界によって誘導電流が発生するのに対し、その影響は回路のインピーダンスに比例することに注意してください。ここには誘導電圧があります。信号源のインピーダンスを低くしても、エラーは減少しません。磁界誘導が干渉の主な原因である場合、最良の手法は電流信号を使用することです。これが、信号ケーブルが非常に長いプロセス制御システムで4〜20mAの電流源方式が広く使用されている理由です。
ケーブルのインダクタンスがインピーダンスを支配する高周波では、IRは比較的小さくなります。また、表皮効果のため、電流は主に画面の内側ではなく外側に流れるため、高周波では実効抵抗が低くなります。これの結果は、より低い周波数でケーブルスクリーンの効果が低下することです。これは、画面のカットオフ周波数として測定でき、それを下回ると効果がなくなります。一般的に使用されるケーブルの場合、1 kHz〜10kHzの範囲になる傾向があります[たとえば、リファレンスの62ページを参照]。
図3は、「ピグテール」の効果、つまり画面の戻り接続に使用されるワイヤの長さも示しています。現在のID ピグテールに流れ、ピグテールインダクタンスの電圧降下は信号と直列に現れます。ここでのポイントは、これは両方の導体に現れない誘導電圧降下であるため、シールドケーブルによってキャンセルされないということです。ピグテールは、より高い周波数でのケーブルのスクリーニング機能に有害です。
ケーブルスクリーンの種類
従来のケーブルスクリーンは細い銅線の編組であり、被覆率は100％に近づいています（つまり、編組の最小限の「窓」）。一部のデータケーブルは、金属箔または金属化プラスチック箔を単独で、または編組とともに使用します。
広範囲の周波数で効果を発揮するには、画面のカバレッジが最大で、抵抗が低く、編組間の縦方向の導通が良好である必要があります。これにより、電流は、電圧降下を最小限に抑え、内部の電流との混合を最小限に抑えて、外部に沿って流れることができます。フォイルだけでは抵抗がかなり高くなる傾向があり、効果的ではありませんが、ブレードと組み合わせると、内側と外側の導電面を分離するのに役立ちます。
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
[1]これを正しく理解するには少し考えが必要です。スクリーン電流によって引き起こされるすべての磁場は、内部導体をリンクする必要があります。内部導体電流によって引き起こされるすべての磁場が画面をリンクする必要があるわけではありません。
産業技術