質問: ノイズ対策の基礎知識「emiって何?」
回答: gps魚探機器が混在するシステムでは配線が密になりノイズの問題が出ることがあります。ノイズの問題は機器をかえたりメーカーを変えたりして確実に治るというわけではなく、船体の機器設置環境の問題ですので解決が厄介です。またこれをすれば治るという問題でもなく各種方法を組み合わせてはじめてノイズを消せることがあります 複数の手段を予め準備して、現場で試して効果的な方法を現場で見つける事になります。 今回はノイズ対策の基礎知識について、「emiって何?」という部分から、各種ノイズ対策部品のはたらき、使い方にわたって解説させていただきます。 引用 ノイズ対策plaza 【はじめに】 「emi」というのはelectro magnetic interference の頭文字をとったもので、日本語では「電磁妨害」という意味になります。つまり、emiフィルタというのは電磁妨害を解消するためのフィルタを指します。ただ、こんなことを言っても難しいのでemiフィルタが生まれた背景を説明させていただきます。 最近は、身の回りに電子機器があふれるようになりました。これらの電子機器は中にデジタル回路が使われています。デジタル回路には高周波の電流が流れているため、この電流が基板パターンやケーブルの中を通ると、これらの経路がアンテナとなって電波が放射されます。近くに別の電子機器があった場合、この電波が別の電子機器に入り込んで悪影響を与えることがあります。たとえば、ラジオ受信機のすぐ近くにパソコンを持ってくると、ラジオの音に雑音が入ることがあります。 これは、パソコンのデジタル回路で発生したノイズが電波となってラジオ受信機のアンテナに入って、雑音となった例です。また、強い電波がデジタル回路に入り込むと、デジタル信号の波形が変わってデジタル回路が誤動作することもあります。ノイズの問題は空間を伝わる電波だけでなく、電源ケーブルなどでつながっている機器同士でも発生することがあります。 #### ノイズ障害発生の条件は? !noizutaisakuplaza_20100901_en_01.png 【ノイズ問題を解決するには?】 これらのノイズ問題を解決するためには2種類の方法があります。ひとつ目はノイズを出している機器がノイズを出さないようにすることです。これをエミッション対策といいます。 もうひとつはノイズを受ける機器にノイズが入っても雑音が入ったり誤動作したりということが起こらないよう、受ける側の機器で対策することです。これをイミュニティ対策といいます。「イミュニティ」とは「免疫」という意味です。病気に対する免疫と同様にノイズに対する免疫をつけて、ノイズが入ってきても問題ないようにするのがイミュニティ対策になります。 エミッション対策とイミュニティ対策の両方を合わせてemc (electro magnetic compatibility:電磁両立性)対策と呼びます。 #### ノイズ対策の2本柱 !noizutaisakuplaza_20100901_en_02.png 特別な場合を除き、エミッション対策とイミュニティ対策のどちらかを十分に行えばノイズの問題は解決します。 エミッション対策ではどこからどんなノイズが出るか分かっているためにピンポイントでの対策ができますが、イミュニティ対策ではどこからどんなノイズが入ってくるかわからないためエミッション対策よりも難易度が高くなります。このため、世の中では、エミッション対策でノイズ問題を解決するほうに重点を置いています。 各国ではこの考え方からノイズ問題を解決するために基準を設けており、一定量以上の電波や伝導ノイズを出さないように定めています。 (一部のイミュニティ耐性も求められます) emiフィルタは、これまで解説したような、電磁障害(emi)を防ぐために、エミッション対策やイミュニティ対策を行う際に使われるノイズ対策部品です。 【ノイズはなぜ出るの?】 前回は、電子機器の電磁ノイズが問題になり、ノイズ対策が必要だというお話をしましたが、まず思いつくことは、「そもそもノイズが出ないように設計すれば、ノイズ対策なんて必要なくなるのでは?」ということです。そういう設計ができればそれでよいのですが、実はそううまくいかない事情があります。その事情とは... 「デジタル回路では、信号の一部がノイズになる」 ということです。 デジタル回路では、一般に矩形波(一定時間ごとに2つの値の間を行ったり来たりする四角い波)の信号が使われます。ところが、この矩形波というのは、非常に多くの周波数成分を持っています。 矩形波の例 !noize_20101115_en_01.png 次の図は、正弦波の高調波(基本波の整数倍の周波数をもつ波)を重ね合わせていった例ですが、高調波の数が多いほど矩形波に近くなることがわかります。矩形波は、この高調波を延々と重ね合わせたものに相当します。 !noize_20101115_en_02.png つまり、デジタル回路で使われる矩形波には、非常に多くの周波数成分が含まれており、周波数の高い成分も多く含まれていることになります。 一方、導体を交流が流れると多かれ少なかれ電波として放射されますが、高周波の電流ほど電波として放射されやすくなります。このため、ノイズ規制では高周波の放射を規制しています。以上のことから、デジタル回路においては、回路を流れる矩形波の信号の一部がノイズとして規制されることがわかります。つまり、デジタル回路が動作する限り、ノイズ電波が放出されることになります。 ところで、先ほどの図をみると、高次の高調波を含んでいなくてもある程度矩形波に近くなっていることがわかります。このため、デジタル信号のうち周波数の高い部分だけを取り除けば、矩形波に近い波形を保ったままノイズとして問題になる高周波成分を除去できることになります。この理屈を使ったのがローパスフィルタとしてのemi除去フィルタです。この、「高周波部分だけ取り除く」という作業には加減が難しく、あまり低い周波数まで取り過ぎると信号波形が崩れてデジタル素子の動作タイミングが狂ったり、誤動作したりしまいます。逆に、あまり取らないと十分なノイズ対策ができなくなります。このため、さまざまなノイズ対策部品が用意されており、どの部品を使うかが重要になってきます。 【その他のノイズ源】 実際は、ノイズの原因となるのはデジタル回路の矩形波の高調波成分だけではありません。スイッチング電源のスイッチングノイズ、モーターのブラシノイズなど、別の要因によるものもいろいろあります。ただ、ノイズ規制がされているのが電波として飛びやすい高周波領域であるということから、デジタル回路のノイズ対策同様ローパスフィルタで対策するのが一般的です。 魚群探知機はは多かれ少なかれノイズを放射し、また外部から飛来する放射ノイズによる障害を受けています。しかし、金属ケースですっぽり電子機器を覆えば、電磁波として飛んでくる外来ノイズを防御できます。金属ケースはノイズ電波を受け入れて、内部に透過させないからです。これは「シールド」「反射」「バイパス」「吸収」というノイズ対策の4要素のうち、最もわかりやすいシールドの手法です。このとき、金属ケースを大地に接地(アース)しておくと、ノイズ電波のエネルギーは大地に吸収されてしまうのでより効果的です。 ■ノイズを出さないよう入らないようにするエミッション対策 1.配線を工夫する 配線にあたっては、「信号のケーブルが大きなループを描かないようにする」ということ 他のノイズを発生させる機器の電源ケーブルと離す ノイズを発生させる機器の信号ケーブルと離す がポイントとなります。このループがアンテナとなって、高レベルの放射ノイズが発生したりするからです。 具体的な対策 gps魚探/ヘディングセンサー/レーダー/の電源ケーブルをループさせないようにする ヘディングセンサー/レーダー/イーサネットの信号線gps魚探の魚探振動子ケーブルをループさせないようにする ノイズを発生させる機器の電源ケーブルと魚探の電源ケーブルを離す ノイズを発生させる機器の電源ケーブルと魚探の振動子ケーブルを離す 容量を大きくして電源ラインを引き直す 振動子線を引き直す 2.電源を分ける ノイズを発生する機器 受信する機器の電源線を別バッテリーから取る 3.ノイズを発生する機器の金属部分からから水または船体の接地点 電源マイナスにアースを取る。 4.機器同士の距離を離す ■ノイズを受ける機器にノイズが入っても雑音が入ったり誤動作したりということが起こらないよう、受ける側の機器で対策するイミュニティ対策 1.gps魚探背面にあるgnd端子から水または船体の接地点 電源マイナスにアースを取る。 2.フェライトコアでノイズを吸収する amazonで検索 ファエライトコアを電源/アンテナ線/振動子線/ネットワーク線に設置します。 フェライトコアの巻き方としてはフェライトコアに1周巻くことが正しいです コアの中を貫通させるだけでも効果は有りますが、コアの中を通る磁束を高めた方が効果が出ます。 ただし、実際の試験においては「常に巻けば巻くほど効果が上がるか?」というと、そうでは無いのが結論です。 ケーブルに乗っかっているノイズの周波数、ケーブルの長さ、 ケーブルのシールドの有無、ケーブルの引き回し・・・ 千差万別で一回一回確認しなければ、巻いたら良いのか、 巻かずに通しただけの場合が良いのか、直ちに判断は出来ません。 また、ケーブルによって、フェライトコアの大きさ、設置場所メーカーの変更も考慮するべきです。 3.ラインノイズフィルターでノイズ除去 amazonで検索 電源ライン用ノイズフィルタは別名、ノイズフィルタ、ラインフィルタ、emiフィルタとも呼ばれています。 電源ラインを伝わる伝導ノイズには、「スイッチングノイズ」「雷サージノイズ」等ありますが、 電源ラインノイズフィルタ(以下ノイズフィルタ)は、 一般的には高周波ノイズである「スイッチングノイズ」の除去を目的としています。 魚探画面に一定周期で表示されるノイズに効果的です。 ! [ ノイズフィルタの効力 ]