信号回路用シールドケーブル：第1部－ベストプラクティス

この2部構成のブログでは、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考察します。このテーマは私のEMCブログで言及され、より詳細に再訪することを約束していました。

後のブログで、AC VSDをモータに接続するための推奨シールド付き電力ケーブルについて議論します。両方の場合、シールドの目的は、シールド内の回路と外部の他回路との間の望ましくない電磁結合を防止することです。重要な違いは、モータケーブルのシールドが外部回路を保護するのに対し、信号ケーブルのシールドは外部の電気ノイズから内部回路を保護することです。

シールドケーブルは電子システムで一般的であり、当たり前のように扱われています。しかし、見た目ほど単純ではなく、頻繁に誤用・誤解されています。幸い、現代の電子回路は一般的に電気ノイズに対する優れた耐性を持つため、ケーブル管理の悪習があってもシステムは通常動作します。しかし、可変速ドライブを使用する場合、インバータがかなり高レベルの電磁ノイズを生成するため、関連制御回路が適切に配置されていないと擾乱を受ける可能性があり、正しい実践がより重要になります。

第1部ではシールド付き信号ケーブルの一般原理を、第2部ではより具体的な実践的詳細を見ていきます。

よくある質問

シールドケーブル管理には、正当な理由から生まれた様々なルールが提唱されていますが、それらは矛盾し、混乱を招くことがあります。ここでは、私が回答を試みるよくある質問を挙げます：

1. シールドの両端を接続しなければならないか？
2. シールドの両端を接続してはならないのか？
3. シールドをアース（大地）に接続しなければならないか？
4. アース（大地）ループを心配しなければならないか？
5. アース用ピグテールはどの程度の長さまで許容されるか？
6. 端子ブロックをどう通せばよいか？
7. バランス（差動）アナログ回路をどう接続すればよいか？
8. Ethernetはどうか？非シールドケーブルで動作するか？

いくつかの重要な用語

以下の説明では：

アース（大地/グラウンド）は、商用電源接続システムにおける安全アース（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物理的な大地（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、それが安全理由でない場合、これは安全アースと区別して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、コモン、または基準接続は、ここで「基準極」と呼びます。Control Techniques機器では「0V」接続と呼ばれます。これは多くの場合アースに接続されますが、必須ではありません。一部のバランスデータ回路には基準極がない場合があります。

電気盤内では、金属構造の主要部分を「シャーシ」と呼びます。これは通常安全上の理由でアースに接続されますが、電気ノイズの観点では、広範な導電面を構成し、周囲で異なる電位を持たないことがより重要です。

バランスまたはプッシュプル信号回路では、信号線をA+とA-と呼びます。設計により、関連する0Vや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、広くケーブルカットオフ周波数より十分高い無線通信帯域の周波数、例えば約50kHz以上を指します。可変速ドライブでは、パワー半導体の超高速スイッチングの副作用として、このような高周波が発生します。

電気ノイズ（干渉）とは？

ここでの電気ノイズとは、電気回路間の望ましくない相互作用の効果を指します。すべての電気的活動は電磁界を生成し、近くの回路に望ましくない電気信号を誘導します。一般的に、電圧と電流の急速な変化が望ましくない結合を強化するため、無線周波数帯域の周波数で影響が最も悪化しやすい傾向があります。信号回路が高周波干渉に感受性を持つのは、自ら高周波を使用する場合（シリアルデジタルデータリンク、エンコーダデータなど）や、意図しない帯域外感受性を持つ場合（アナログ入力など）です。適切に設計された信号回路は、アプリケーション要件に合わせて帯域を調整し、不必要に高速変化擾乱に感受性を持たないようにします。しかし、意図した帯域外の高レベル擾乱でも、非線形性によりエラーを引き起こす可能性があります。例えば、携帯電話によってオーディオシステムに干渉音が入るのはこのためです。

この種のノイズの重要な特徴は、極めて広い周波数範囲をカバーし得ることです。商用電源周波数50/60Hzから、携帯電話などの無線周波数帯域約2〜5GHzまで、8桁の範囲で干渉が発生し得ます。特定周波数帯域でよく機能するルールが、他の帯域では無効または逆効果になることがあります。これがEMCやシールドケーブル管理のルールが時に矛盾して見える理由です。特定の周波数帯域の脅威を意図したものだからです。

なお、もう一つの電気ノイズは、0K以上の温度で本質的にすべての回路に存在する熱的に生成されるランダムノイズです。これは高感度無線受信機器のみで関心事となり、ここでは扱いません。

シールドケーブルの働き

シールドケーブルは、1本以上の信号芯線を連続したシールド導体が包んでいます。同軸ケーブルは単一の内部芯線をシールドで囲み、主に無線周波数用途で使用されます。シールドは一般的に細線の編組で、導電箔で補強されることもあります。まれにソリッドメタルで、フェライトなどの磁性材料を含むこともあります。

シールドの目的は、外部電磁エネルギーが信号回路に望ましくない信号を誘導するのを防止することです。電磁界は関連する磁界と電界で構成されます。動作理解のため、まず電界と磁界の効果を個別に考察します。回路が電磁干渉に対して免疫を持つには、電界と磁界の両方に対して免疫でなければなりません。

電界シールド

これが最も理解しやすいメカニズムです。図1は、外部ノイズ源からの電界Eが、シンプルな単線（非バランス）信号回路で信号源と信号負荷を接続するシールドケーブルに入射する様子を示します。電界はシールド導体で終端し、内部導体には到達しないため、干渉は発生しません。

シールドがない場合、電界が変化するたびに信号回路に電流が誘導されます。これにより、回路のインピーダンスに依存した量（インピーダンスが高いほどエラー電圧大）で、受信電圧に過渡的エラー、つまりノイズが生じます。通常、信号源はエラー電圧を最小化するため低インピーダンス設計されます。

図1：電界シールドメカニズム

図1ではアース接続を任意としています。なぜなら、原理的にはシールドの動作にアース接続は不要だからです。本質的なのは、信号源と負荷の基準極がシールドに接続されており、信号電圧がシールドを基準として内部導体上に存在することです。

実際には、信号源と負荷の設計によっては、基準極の電位を許容できない場合があり、シールドをアースに接続するのが一般的です。図1にはアース接続が1箇所しかなく、単純な電界シールドでは接続位置はどこでも構いません。しかし、電界Eが時間変化する場合、電荷の変化によりアースに電流が流れます。電流が流れれば磁界効果も考慮しなければなりません。周波数が上がると電界に伴う電流も増加するため、図1の配置は実際には、50/60Hz商用電源などの低周波電界干渉排除にのみ成功します。

磁界シールド

シールドケーブルの磁界シールド効果は、理解しにくいですが同等に重要です。電流が流れる場所には必ず関連する磁界があり、変化時に回路に電位を誘導します。図2は、外部電流回路から発生する磁束Bが、図1と同じ回路とリンクしている様子を示します。

図2：磁界シールドメカニズム

磁界が変化すると、導体がリンクする磁束の変化率に比例した電位が誘導されます。ここではシールド側をE_B1、内部導体側をE_B2で示します。

この誘導電位は、受信信号の過渡的エラー、つまりノイズを表します。しかし図2に示す事実により例外があります：

内部導体と外部（シールド）導体に、まったく同じ電圧が誘導されます。すなわちE_B1 = E_B2です。

理由は、シールド導体をリンクする磁束は、本質的に内部導体もリンクしなければならないからです。

赤で示した電圧E_B1とE_B2は信号回路では等しいが逆向きなので、負荷で打ち消し合います。

2つの誘導電圧をアンバランスにする要因がなければ、打ち消しは非常に正確で、シールドケーブルは変化する磁界から優れた保護を提供します。

図2では、信号源も負荷も他の回路に接続されていません（ガルバニック絶縁）。この場合、シールドに電流は流れず、E_B1とE_B2の間にエラーを生じさせるものは何もありません。

実際にはガルバニック絶縁でも浮遊容量があるため、高周波では多少電流が流れます。しかし、シールドに流れる電流が生じる磁界の変化も信号導体をリンクするため、打ち消しメカニズムは依然として働きます。

低周波シールド電流

図2では、外部磁界による誘導電圧が内部導体と外部導体で同一であることを示しました。もう一つ、等しく誘導されない電圧源は、単純な抵抗電圧降下です。図3は、送受信側の両方がローカルシャーシまたはアースに接続され、アース電位差E_Dによりシールドに電流I_Dが流れる状況を示します。この電位差は、システム全体の様々な効果の総和であり、本質的にはケーブルシールドがあらゆる種類の電磁波を受信するアンテナのように働いて収集する様々なノイズ電圧、および商用周波数などの循環迷走電流による電圧降下の合計です。

ドライブシステムでモータシャフトエンコーダを使用する場合、特有のアース電位差源があります。シールド付きモータケーブルを使用しても、モータ巻線とモータケーブルの高速PWMパルスにより、モータボディがアースに対してかなりのノイズ電位を持つことがあります。シャフトエンコーダが金属ボディを持ち、モータボディに直接固定されている場合、エンコーダケーブルシールドのアース差動電圧を避けるのは困難です。

図3：シールド電流の効果

電流I_Dはシールドに電圧降下を生じさせ、2つの成分を持ちます：

• 誘導成分 I·jωL （Lはケーブルシールドインダクタンス）
• 抵抗成分 I·R （Rはケーブルシールド抵抗）

誘導成分は、電流による磁界が原因です。この磁界も内部導体をリンクするため、E_B1とE_B2に等しく寄与し、受信信号を擾乱しません。[1]

抵抗成分はE_B2に現れないため、信号と直列に現れてエラーとなります。

電界の場合は誘導電流を生じるため効果は回路インピーダンスに比例しましたが、ここでは誘導電圧です。信号源インピーダンスを下げてもエラーは減りません。磁界誘導が主な干渉源の場合、電流信号を使用するのが最良の手法であり、これが非常に長い信号ケーブル配線を持つプロセス制御システムで4-20mA電流源方式が広く使われる理由です。

高周波ではケーブルインダクタンスがインピーダンスを支配するため、IRは相対的に小さくなります。また、スキン効果により、電流はシールドの外側を主に流れるため、実効抵抗は高周波で低くなります。結論として、低周波ではケーブルシールドの効果が低下します。これはシールドカットオフ周波数として測定可能で、一般的なケーブルでは1kHz〜10kHzの範囲になります（参考文献p.62参照）。

図3は「ピグテール」、つまりシールド返還接続に使用されるワイヤの長さの影響も示しています。電流I_Dはピグテールを流れ、ピグテールインダクタンスでの電圧降下が信号と直列に現れます。重要な点は、これは誘導電圧降下であり、両導体に現れないため、シールドケーブルによる打ち消しが効かないことです。ピグテールは、高周波でのケーブルシールド能力を損ないます。

シールドの種類

伝統的なケーブルシールドは、細い銅線の編組で、カバレッジは100%に近い（編組の「窓」が最小）です。一部のデータケーブルでは、金属箔やメタライズドプラスチック箔を単独で、または編組と組み合わせて使用します。

広い周波数帯域で効果を発揮するには、シールドに最大カバレッジ、低抵抗、編組間の良好な長手方向連続性が必要で、電流が外側を最小電圧降下で流れ、内側の電流と最小限に混合できるようにする必要があります。箔のみは抵抗が比較的高く効果的ではありませんが、編組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

[1] これを正しく理解するには多少の考察が必要です。シールド電流による磁界のすべてが内部導体をリンクしなければなりません。内部導体電流による磁界のすべてがシールドをリンクするとは限りません。