電磁両立性

電磁両立性（EMC）とは

電磁両立性（Electromagnetic Compatibility: EMC）とは、電子機器が電磁的なノイズを発生させず、かつ外部からの電磁ノイズの影響を受けても正常に動作する能力を指します。これは、現代の電子機器が相互に干渉することなく、安定した性能を発揮するために不可欠な要素です。EMCは、電磁共存性、電磁的両立性、電磁環境両立性、または電磁適合性とも呼ばれます。

EMCの概要

EMCは、主に二つの側面から構成されています。

EMI (Electromagnetic Interference)：機器が放出する電磁波ノイズ（エミッション）
EMS (Electromagnetic Susceptibility)：外部からの電磁波ノイズに対する耐性（イミュニティ）

EMC対策とは、これらの両方の側面に対処すること、つまりノイズの発生源を抑制し、同時に機器がノイズの影響を受けにくいように強化することです。また、ノイズ発生源と影響を受ける機器間の経路において、ノイズを効果的に減衰させる対策も重要です。EMIとESD（静電気放電）はエネルギー的に可逆性があり、その対策は共通する部分が多いです。

EMI（エミッション）

EMIとは、機器から放出される電磁ノイズのことです。直流電流は絶縁しやすいですが、交流電流は電磁波を発生させ、特に高周波では絶縁をしても漏洩します。スイッチング電源回路やインバーターなど、大電流を高速にスイッチングする回路では、高周波の強力なスイッチングノイズが発生しやすいため、適切な対策が必要です。また、高調波もEMIの原因となり、電子機器の誤動作や寿命低下、大規模な障害を引き起こす可能性があります。さらに、EMIが発生している線路では、行き線路と戻り線路の電流の大きさに差が生じ、漏電していなくても漏電遮断器が誤動作することがあります。

EMS（イミュニティ）

EMSとは、外部からの電磁ノイズに対して、機器が誤動作せずに耐える能力です。例えば、信号線に直流4-20mAの電流が使用されるのは、長距離伝送でもノイズに強いとされていますが、インバーターモーターなどの電力線が近くにあると、誘導ノイズにより信号が乱れることがあります。

EMCトラブルのメカニズム

EMCトラブルは、以下のような要因によって発生します。

電源投入時の突入電流
電源切断時の逆起電力
パワー半導体のスイッチング動作
モーターの整流
非線形負荷による高調波
落雷

これらの要因で発生するノイズには、高い周波数成分が含まれており、電磁波として放出されます（エミッション）。この電磁波は、近くの導体に静電誘導や電磁誘導によって結合し、クロストークなどの現象を引き起こします。誘導によって電荷を帯びた導体が、適切な接地やボンディングがされていない場合、新たなEMIの発生源となり、機器の誤動作や破壊につながる可能性があります。

また、導体が接地されていない場合、あるいはニュートラル側が断路された場合、電荷は残留し、低いインピーダンス経路を探して大地へ向かおうとします。このとき、意図しない経路を通るとジュール熱が発生し、発熱や変形を引き起こすことがあります。さらに、寄生容量に電荷が蓄積し、静電気放電（ESD）を引き起こすことがあります。ESDは、素子の誤動作や破壊を引き起こす可能性があり、時間経過とともに顕在化することがあります。

EMCトラブルは、電磁波だけでなく、帯電、放電、コモンモード電流、コモンモード電圧など、様々な形態で現れるため、原因の特定や対策が複雑になりがちです。

EMC対策

EMC対策は、トラブル発生後に対処するよりも、設計段階や設置段階で確実に行うことが重要です。以下に主なEMC対策をまとめます。

機能接地: 電磁エネルギーの残留電荷を大地へ逃がすための最も基本的な対策です。機器のフレームやシャーシを接地することで、孤立導体をなくし、静電気放電を防ぎます。
中性線接地の維持: 単相機器では、中性線の接地を維持することで、高調波エネルギーを大地へ逃がし、EMIの発生を抑えます。
電子基板の設計: 回路の外周をベタGNDで囲むことでシールド効果を得たり、素子のレイアウトを最適化することでEMC特性を改善することができます。
静電シールド内蔵フォトカプラ: フォトカプラの寄生容量による誤動作を防ぐために、静電シールド内蔵のフォトカプラを使用します。
スナバ回路: スイッチング時に発生するスパイク電圧を抑制し、回路を保護します。
PFC回路: 高調波を抑制し、力率を改善します。
ツイストペアケーブル: 電磁結合を強め、外部ノイズの影響を受けにくくします。
シールド線: 外部ノイズから信号線を保護します。
ファラデーケージ: 部品や基板、機器を電磁遮蔽し、機能接地します。
CRフィルター: 高周波ノイズをバイパスさせ、抵抗で熱として消費させます。
フェライトコア: 高周波ノイズのエネルギーを熱に変えて消費させます。
Yコンデンサ: ノイズのエネルギーを大地へ逃がします。
差動・バランス線路: 逆位相の信号を用いることで、ノイズを打ち消し、S/N比を改善します。
バリスタ: ESDなどの過渡的なノイズに対応します。
ラインフィルター: 複数のEMC対策部品を組み合わせたもので、ノイズを効果的に抑制します。

日本のAC電源極性とEMI

日本のAC100Vプラグは無極性ですが、IEC60950-1では「中性線が明確に識別できる場合には、片切遮断装置により活線導体の遮断を行うことができる」と規定されています。しかし、実際にはプラグの極性を意識しないと、コンセントの極性と合わず、リーク電流が増大する可能性があります。特に非線形制御の大電力機器では注意が必要です。米国では極性プラグが使用されていますが、それでも配線ミスにより逆極性になることがあります。EMCトラブルを防ぐためには、早期のAC100Vプラグの3ピン化や、接地側マーキングの明瞭化が求められます。

漏電遮断器の誤動作

漏電遮断器は、商用電源周波数で漏電を検出するように設計されているため、高周波のEMIには感度が低いですが、閾値を超えると誤動作することがあります。特に電力線路が長い場合や、非線形負荷の接続が間違っている場合には、誤動作しやすくなります。インバーター対応形漏電遮断器を使用することで、この問題を軽減することができます。

コモンモード電流とコモンモード電圧

コモンモード電流は、線路と大地との間に流れる電流で、コモンモード電圧は、線路と大地との間に発生する電圧です。コモンモード電流は、接地インピーダンスが高い場合、制御されないリターンパスを通って大地に戻ろうとし、EMIの原因となります。EMC対策では、コモンモード電流を抑制することが重要です。

EMCの歴史

以前は、EMC問題はあまり重視されていませんでしたが、デジタル回路の普及やスイッチング電源の増加に伴い、電磁妨害の問題が表面化してきました。このため、各国でEMCに関する基準が制定され、国際的な標準規格も整備されるようになりました。国際電気標準会議（IEC）は、EMCに関するいくつかの委員会を組織し、標準化に取り組んでいます。

関連規格・団体

電気用品安全法
VCCI協会
MIL-STD-461

参考文献

木下敏雄『EMCの基礎と実践―電磁障害とノイズ対策』日刊工業新聞社、1997年。

外部リンク

CEND -EMC・ノイズ対策ポータルサイト

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