EMIノイズと低信号問題を阻止する8つのヒント

電磁干渉（EMI）は、電子機器を混乱させる目に見えない力のようなものだ。あらゆる問題を引き起こす可能性がある。この記事では、私が学んだ8つの簡単なヒントを紹介します。これらのヒントは、EMIノイズを低減、あるいは止めるのに役立ちます。これらは本当に効果のあるシンプルなヒントです。自分のプロジェクトでこれらを使って、信号が良好で、電子機器が正しい方法で動作することを確認してください。

迷惑なEMIとは何か？

電磁干渉（EMI）とは、望ましくない電気的ノイズのことです。電子機器の動作を狂わせます。ラジオで静電気が聞こえるのと同じようなものです。この問題は、雷のように自然から発生することがあります。また、モーターや送電線など、人が作ったものから発生することもあります。EMIによる問題は、小さな不具合で済むこともあれば、システム全体を故障させてしまうこともある。すべてのエンジニアが対処しなければならない大問題なのだ。

EMIが発生すると、データが混乱してしまう。機材が正常に動作しなくなることもある。そして回路を不安定にします。この悪い信号は空気中を移動します。また、電源ケーブルや信号ケーブルに沿って移動することもあります。EMIの問題を解決するには、EMIがどこから来て、どのように移動するかを知る必要があります。その後、EMIを下げたり、止めたりすることができます。この点で、物作りの優れた方法が大いに役立つ。

コンポーネントを保護するためにシールドを使用するには？

EMIに対抗する最善の方法のひとつは、シールドを使うことだ。シールドとは、電磁界を阻止する壁のようなものだ。電子機器のファラデーケージと考えればいい。このシールドは金属製の箱でもいい。電気が流れるような特殊な塗料を塗ることもできる。要は、影響を受けやすいパーツを完全に覆うことだ。これにより、外部からのEMIから保護される。また、自分の部品が作るEMIが外部に漏れるのも防ぎたい。

シールドにはさまざまな種類の素材を使うことができる。銅、アルミニウム、スチールなどだ。どの素材を選ぶかは、止めたいEMIの速度に基づくべきである。シールドがうまく機能するためには、穴や開口部がないことを確認する必要がある。小さな穴でもEMIの出入りを許してしまう。特殊なガスケットやシールを使うことで、シールドを強固に保つことができる。

EMIを最小化するためにシステムをアースする最善の方法とは？

EMIを低減するためには、良好な接地が非常に重要です。アースは、重要な回路から流れて欲しくない電気ノイズを簡単に逃がす道を提供します。悪いアース線は、EMI問題をさらに悪化させます。グランドループと呼ばれるものを作る可能性がある。このループは、EMIのアンテナのような働きをします。

アースが良好であることを確認するため、低速回路にはシングル・ポイント・アースを使用する必要があります。これは、すべてのアース線が1カ所に接続されていることを意味します。高速回路の場合は、マルチポイント・アースを使用した方がよい場合が多い。アース線をできるだけ短くすることも非常に重要です。これはインダクタンスと呼ばれるものを下げるのに役立ちます。また、回路基板上に大きな接地面積を確保することで、安定したポイントを確保し、EMIを低減することができます。

適切なケーブルは本当にEMIの影響を軽減できるのか？

選ぶケーブルによってEMIは大きく変わる。シールドのないケーブルはアンテナのように機能します。電気的なノイズを拾って発信してしまうのだ。そのため、主に影響を受けやすい信号にはシールド付きケーブルを使うことが非常に重要です。シールド・ケーブルには、EMIを阻止する壁のような働きをする特殊な層がある。

ここでは、EMIを下げるためのケーブルに関するヒントをいくつか紹介する：

• ツイストペアケーブルを使用する： 2本のワイヤーをねじることで、侵入するEMIを打ち消すことができる。
• 電源ケーブルと信号ケーブルは離してください： パワーケーブルとシグナルケーブルを別のチューブに引き込めば、パワーケーブルからのノイズがシグナルケーブルに入るのを防ぐことができる。
• シールドの接続が良好であることを確認する： ケーブルのシールドは、片端または両端がグラウンドに接続されていないとうまく動作しない。
• ケーブルは短く： 短いケーブルはEMIを拾いにくい。

EMI問題を最小化するための部品の選択と配置方法とは？

どの部品を選び、回路基板上のどこに配置するかで、EMI対策は大きく変わります。スイッチング電源や高速デジタル回路など、一部のパーツはEMIの大きな発生源です。このようなノイズの多いパーツは、影響を受けやすいアナログ回路から離しておくのが賢明です。

回路基板を計画する際には、高速ラインをできるだけ短くするようにしよう。そうすることで、ループを小さくすることができ、アンテナのように機能させることができます。また、しっかりとした接地面積を確保することも非常に重要です。信号のためのシンプルなリターン・ロードを提供し、EMIを下げるのに役立ちます。適切なパーツを選ぶことも重要です。EMIをあまり発生させない部品を選べば、EMC規則を満たすことができます。

電源がEMIの発生源となる理由とその解決方法

電源はEMIの原因となることがあり、その多くはスイッチング電源である。これは、電源が非常に高速で動作し、大量の電気ノイズを発生させる可能性があるためです。このノイズは送電線に沿って伝わり、空気中に拡散します。これに対処するには、電源が電力を得たり送ったりする場所にフィルターを使用する必要があります。

EMIフィルターは、高速ノイズを阻止するために作られた部品である。同時に、必要な電源信号を通過させます。うまく作られたフィルターは、電源から来るEMIの多くを下げることができる。また、集積回路の近くにデカップリング・コンデンサーを使用するのも賢いアイデアだ。これらのコンデンサは、近くに電力を供給し、高速ノイズを除去するのに役立ちます。

EMIノイズを低減するためにコンポーネントを絶縁するには？

部品を別々にすることも、EMIを下げるための重要な計画だ。ノイズの多い部品と影響を受けやすい部品との間に空間を設けることで、これを行うことができる。また、部品を離しておくためにシールドを使うこともできる。もうひとつの方法は、絶縁トランスやオプトカプラを使うことだ。これらの部品は、2つの回路間の電気経路を遮断します。これにより、ある回路からのノイズが別の回路を混乱させるのを防ぐことができる。

設計にアナログとデジタルの両方の信号がある場合、それぞれに別々のグラウンドを用意するのがよい。こうすることで、ノイズの多いデジタル信号が繊細なアナログ信号を混乱させるのを防ぐことができます。その後、2つのグラウンドを1カ所で結合すればよい。この方法によって、システムの動作と信頼性が格段に向上します。

私のデザインにおけるトランスミッターとEMIの問題とは？

トランスミッターはエネルギー波を発信するように作られている。この事実は、近くにある他の電子機器のEMI源になる可能性があることを意味します。こうしたEMIの問題を軽減するには、よくできたアンテナを使うことが重要です。また、トランスミッターが適切なスピードとパワーレベルで動作していることを確認する必要があります。

また、送信機とそのアンテナをどこに置くか、他の敏感な部品をどこに置くかについても考える必要があります。トランスミッターと他の電子機器の間に十分なスペースを確保することで、問題が発生する可能性を低くすることができます。また、トランスミッターからのエネルギー・フィールドを内部にとどめ、他の機器を安全に保つためにシールドを使用することもできます。

エンジニアが使える特別な設計のコツはあるのか？

エンジニアとして、最初からEMIを減らすために使える設計方法がいくつかあります。重要なルールのひとつは、電力を運ぶワイヤーのループ面積を小さくすることです。ループを小さくすれば、電磁エネルギーを送り出す量は少なくなる。信号のリターン・ロードを信号線の真下に置くことでこれが可能になります。

もうひとつのトリックは、差動信号と呼ばれるものを使うことだ。つまり、プラスとマイナスの2本のワイヤーで信号を送るのだ。信号を受け取った部分は、2つの信号の差を調べます。この方法は、EMIの大部分を占めるコモンモード・ノイズをブロックするのに非常に適しています。差動信号でツイストペアワイヤーを使用すると、ノイズからさらに保護することができます。

EMI問題のない設計を保証するには？

設計にEMIの問題が生じないようにする最善の方法は、最初からEMIについて考えておくことです。EMIに対処するために、設計がほぼ完了するまで待つべきではありません。最初からEMC（電磁両立性）を考慮した設計を行う方がはるかに簡単で、コストもかかりません。つまり、正しいアース、シールド、適切な場所に部品を配置するなど、良い設計習慣に従うべきです。

EMIをチェックするのも賢明なアイデアです。これは、電磁信号をチェックするために作られた特別な部屋で行うことができます。設計をチェックすることで、起こりうるEMIの問題を見つけることができます。そして、製品が販売される前にそれらを修正することができます。こうすることで、製品がうまく機能し、すべての規則に従うことを確認することができます。

まとめると、こうだ：

• シールドは大きな助けになる： EMIを防止するため、金属製の箱と特殊なガスケットを使用する。
• グラウンディングはとても重要だ： 1点接地または多点接地を使用し、ノイズが消えやすい環境を整えましょう。
• ケーブルは重要だ： シールドされたツイストペアケーブルを使用し、長すぎないこと。
• パーツをどこに置くかは重要だ： ノイズの多い部品は、影響を受けやすい部品に近づけない。
• 電源にフィルターをつける： EMIフィルターやデカップリング・コンデンサーを使用して、電力をクリーンにする。
• 回路を離す： スペースと特別なパーツを使い、ノイズの移動を止める。
• 最初からEMCを想定しておく： 土壇場でEMIについて考えてはいけない。