信号回路用高度シールドケーブル：実践的接続技術（後編）

前編では、シールドケーブルが電界と磁界からの干渉を防ぐ原理を解説しました。ここでは、より実践的な詳細を見ていきます。

シールドケーブルの接続方法

基本

前編で説明した通り、非常に広い脅威周波数帯域でシールドを効果的に機能させる必要があります。高周波でシールドケーブルを効果的に機能させるには、シールドを送信側と受信側の両端で、基準極（「0V」など）に直接接続することが不可欠です。

ピグテール（シールドを一本の線にまとめて接続する方法）を使用すると、シールド内のノイズ電流が信号回路にノイズ電圧を注入することになり、シールド効果が低下します。真にガルバニック絶縁された回路であれば、絶縁により循環・流入するノイズ電流が最小限になるため、これは重要でない場合があります。しかし一般的にピグテールは最小限に抑えるべきです。広帯域データ回路ではピグテールを避けなければならず、これはケーブルシールドをシャーシや基準点、アースポイントに直接クランプすることで達成できます。

なぜシールドの両端を接続しないのか？

シールドを片端のみ接続するよう推奨するガイドラインが存在します。前述の通り、これは高周波でのシールド効果を無効にします。過去には、高周波干渉に本質的に耐性がある単純な電気制御回路に対して、グランドループを避けるために適用されていました（後述）。また、電力系統故障電流がケーブルシールドに循環するのを防ぐ目的もありますが、これは電力系統の適切な等電位ボンディングを確保することで本来解決すべきです。

配電システムでは、故障時や落雷時の接触電圧危険を避けるため（TT配電システムなど）、電力ケーブルシールドを両端接続してはならない用途があります。これはVSDのモータケーブルには適用されません。

信号ケーブルが建物外や等電位ボンディングエリア外を通る場合、電気故障や落雷時に危険な差動アース電位が存在し得るため、安全性への配慮が必要です。

片側アナログ回路

図4：シンプルな片側アナログインターフェースの接続

最もシンプルなアナログインターフェースを図4に示します。これは多くの一般的な用途で十分です。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が、高精度・広帯域の制御が不要な場合は許容されます。

コントローラとドライブの破線は、両者の0V接続が通常アースに接続されていることを示しています。直接的・意図的に、またはシステム内の何らかの機器で0Vとアースが内部接続されているためです。この場合、以下のソースからの擾乱リスクがあります：

• 高周波ノイズ電流が、ピグテール接続のインダクタンスにノイズ電圧降下を生じさせ、アナログ信号に結合する。アナログ回路が感受性を持つ場合、エラーの原因となる。ピグテールを可能な限り短くしてインダクタンスを最小化することで軽減可能。ケーブルシールドを両端でシャーシに直接固定する接地クランプを使用すれば、これを完全に排除できる。図4の青色で示す。
• 低周波ノイズ電流が、ケーブルシールド抵抗（ピグテールも含むが、通常ケーブルの方が抵抗大）にノイズ電圧降下を生じさせる。このノイズ周波数がアナログ回路の帯域内にある場合、擾乱を受ける。例えば、50/60Hzのピックアップによりサーボドライブで50/60Hzの振動が発生する。これが「グランドループ問題」であり、解決がより困難。解決策として：
  • 両端の0Vまたはアース端子を、低抵抗の電力用接地ケーブルで接続し、電圧降下を低減する。
  • バランス（差動）アナログ信号回路を使用する（後述）。これが最良の方法。
  • アナログ出力または入力回路のどちらかをガルバニック絶縁し、シールドへの電流流入を防ぐ。

バランス（差動）アナログ回路

精密アナログ回路では差動入力が提供されることが多く、差動出力も提供されることがあります。これらはサーボドライブなどの精密コントローラや、シン/コスシャフトエンコーダで一般的です。正しく使用すれば、低周波干渉を優れたレベルで抑制できます。シールドケーブルと組み合わせると、ノイズスペクトラム全体にわたる耐性が得られます。図5は差動アナログ入力の使用方法を示します。信号芯線は通常ツイストペアであり、2本の導体の経路をできるだけバランスよくすることで、さらなる耐ノイズ性向上に寄与します。

図5：差動アナログ入力の接続

ここでは、片側出力のコントローラと差動入力を持つドライブです。シールドケーブルの2芯を使用し、反転入力をコントローラのアナログ出力基準極に直接接続することで、ケーブルシールドに誘導される低周波電圧を入力側で除去しつつ、シールドによる優れた高周波除去効果を維持できます。差動入力は、その帯域を超える高周波でのコモンモード電圧を除去できませんが、そこではケーブルシールドが最もよく働きます。この2つの技術を組み合わせることで、スペクトラム全域でノイズ除去が可能です。

図4の接地クランプも、ピグテールによる高周波ノイズ結合を防ぐために使用できます。

コントローラが差動出力も提供する場合、AI-芯線をコントローラ側の0VではなくAO-端子に接続できます。特殊なケースとして、コントローラが「バーチャルアース」出力を提供する場合、AO-端子は出力ではなくセンス入力となります。この場合、AO-ラインはどちらか一端で0Vに接続し、「フロート」状態にしてはなりません。

デジタル回路

デジタル回路は、グランドループによって生じる低レベル・低周波エラーによる擾乱を受けません。データリンクでの高周波干渉はビットエラーを引き起こし、通常検出・除外されますが、頻発するとチャネルがクローズしたり性能不足になったりします。速度/位置フィードバック用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誘発しやすいです。いずれの場合も、ケーブルシールドの正しい管理が不可欠です。

データリンクでは高ビットレートが使用されることが多々あります。約1Mbps以上のレートでは、反射によるデータエラーを防ぐため、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。整合を維持するため、露出したケーブル芯線は短い長さしか許容されません。

基本的なローカルデータ伝送で最も広く使用されるデジタルインターフェースは、RS422およびRS485規格に基づくもので、差動送信機と受信機を持ちます。ケーブルタイプは直接指定されておらず、原則として正しい特性インピーダンスを持てば非シールドでもよいですが、通常シールドケーブルが好まれます。

バランス回路の使用により、注入ノイズはコモンモード（両線に等しく影響）であるためかなりの程度除去されます。しかし、送受信機にはコモンモード範囲の限界があり、ノイズ電圧が高すぎたり、変化が速すぎたり、非対称性によりコモンモードノイズがシリーズモードに結合したりするとエラーが発生します。ほとんどのポートで使用される標準ラインドライバチップのコモンモード範囲は約5Vで、これを超えると重大なエラーを生じます。ガルバニック絶縁ポートを使用すれば拡張可能ですが、コストがかかります。

図6は基本的なRS485ポート接続の配置を示します。

図6：基本的なRS485データ接続（2ノードのみ表示）

Control Techniques機器では、図6で基準端子を「0V」と表示しています。他社機器では「G」「GND」（グラウンド）、「SC」（スクリーン）、「リファレンス」など様々な名称が使われます。未接続のまま、あるいは端子自体が提供されていない場合もあります。これは短距離リンクや、ポートが優れたガルバニック絶縁設計の場合は成功することがあります。一般的に、0Vをケーブルシールドに接続することがはるかに望ましいです。

RS485では複数ポートのマルチドロップ接続が可能です。各ポートでの微小なインピーダンスミスマッチと各ピグテールから注入されるノイズの影響により、ポート数が増えるにつれて擾乱感度が高まります。Profibusなどの高データレート完全通信プロトコルでは、定義されたハードウェアを使用し、コネクタでのケーブルシールド直接クランプ（ピグテール回避）と、両端ノードのみへの正しい終端インピーダンスネットワーク接続が要求されます。

端子とコネクタ

多くの産業用コネクタは、高周波用途を想定していないため、ケーブルシールド管理の適切な規定がない設計です。一般的な用途では、短いピグテールでコネクタピンにシールドを接続しても許容されることが多いです。しかし、無線周波数コネクタのように、コネクタの導電性ボディを通じてシールド接続を通し、信号導体を包み込み続ける方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、各コネクタでの注入ノイズが蓄積します。

シールド接続を管理する一つの方法は、シールド同士をクランプするか、共通の金属部品にクランプすることです。このハードウェアはねじ端子ブロックのサプライヤから入手可能です。図7に概念を示します。

図7：端子ブロックまたはコネクタでのシールド接続

このクランプの目的は、ピグテールシールド接続を避け、ピグテールに現れるノイズ電圧の注入を防ぐことです。2本のケーブルシールドを最小限の漏れインダクタンスでリンクします。ここでの端子部分の小さな露出非シールド導体領域は、ピグテールほど重要ではありません。理由は、非シールド導体は端子直近の電磁界にのみ曝されるのに対し、ピグテールはシールドケーブル全長にわたって収集されたノイズ電流を流すからです。

通常クランプは接地金属部品に固定しますが、これは主に安全上の理由です。EMCメリットは、2本のケーブルシールド間の極めて低いインダクタンスリンクにあります。

Ethernet

Ethernetは上記すべての例外です。最新のEthernetはシールドケーブルを必要とせず、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バランス変圧器結合を組み合わせ、優れたコモンモード耐ノイズ性を実現します。またマルチドロップ構造を使用しないため、複数ノードでのノイズ電流蓄積傾向も回避されます。

グランドループ

図3の抵抗効果を見てきたので、なぜ一部の用途でケーブルシールドを両端接続しないよう助言されるのか理解できます。シールドを片端のみ接続すれば電流が流れないため、誤差電圧IRは発生しません。これは「グランドループを避けるため」と助言されることがあります。しかし、ケーブルは磁界シールド能力、つまり高周波シールド能力をすべて失います。この助言が正しいのは、以下がすべて当てはまる非常に特定の状況のみです：

• 低周波（商用電源等）の差動アース電圧や、商用周波数の迷磁界が存在する。
• 回路がアナログ信号を使用し、商用周波数での微小擾乱に感受性がある。
• シールドが低周波での電界結合防護のみを目的としている。

最も一般的なケースはアナログオーディオシステムで、わずかな商用電源ピックアップでも耳障りな「ハム」を生じます。サーボコントローラのアナログインターフェースでも適用される可能性がありますが、前述の通り差動インターフェースを使用するのがベターです。

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ことがあります。特にシャフトエンコーダインターフェースでは、通常3組のバランスデータ芯線ペアがペアごとにシールドされ、さらに全体シールドがある構成が典型的です。

原則として、各データペアには1つのシールドのみ必要で、全体シールドでも個別シールドでも機能します。しかし、二重シールドケーブルのメリットは：

• 外側シールドをモータとエンコーダボディに固定できるため、シールドに流れる高ノイズ電流をドライブ側でアースに返し、エンコーダインターフェース回路の0V端子に入れないようにできる。
• システム設計で必要な場合、0V端子をアースから絶縁したまま、全体高周波シールドをアースに接続できる。
• グランドループ電流を外側シールドのみに制限できる。
• 個別シールドにより、各ペアのインピーダンスが適切に制御される。

図8に接続例を示します（明確化のため2チャネルのみ表示）。

図8：二重シールドエンコーダケーブルの接続

参考文献

Henry W Ott: Electromagnetic compatibility engineering: Wiley: ISBN 978-0-470-18930-6

もう一冊の推奨図書

Tim Williams and Keith Armstrong: EMC for Systems & Installations: Newnes: ISBN 9780750641678