電磁干渉 (EMI) は、電磁波が電子機器の通常の動作に干渉するときに発生する現象です。これは、電子システムの性能、信頼性、安全性に影響を与える、不要な電磁放射によって引き起こされる妨害を指します。 EMI はノイズ、歪み、信号損失として現れ、電子機器の性能低下や完全な故障につながる可能性があります。
EMI は家庭内と産業の両方のさまざまな環境で発生する可能性があり、自然発生源と人工発生源の両方から発生する可能性があります。 EMI の自然発生源には、落雷、太陽フレア、大気擾乱などがあります。一方、人工発生源には、高周波 (RF) 送信機、送電線、電子機器、電子回路から放出される電磁放射線が含まれます。
EMI の影響は、特に医療機器、航空宇宙システム、通信機器、自動車エレクトロニクスなどの敏感な用途において重大となる可能性があります。これらの業界では、信号の整合性がわずかに乱れただけでも、壊滅的な結果につながる可能性があります。したがって、電子システムが適切に機能するためには、EMI の影響を理解し、軽減することが重要です。
EMI によってもたらされる課題に対処するために、電磁両立性 (EMC) の分野が登場しました。 EMC は、電磁障害の存在下でも効率的に動作し、過剰な電磁放射の放出を防止できる電子システムおよびコンポーネントの設計に重点を置いています。
適切な EMC 技術を導入することで、メーカーは EMI に関連するリスクを最小限に抑え、自社製品がさまざまな業界標準や規制に確実に準拠できるようになります。これらの技術には、EMI シールド、接地、フィルタリング、特殊なコンポーネントと材料の使用が含まれます。
エレクトロニクスにおいて EMI が重要なのはなぜですか?
EMI は、電子機器やシステムの正常な機能を妨害する可能性があるため、エレクトロニクスの分野では最も重要です。 EMI を理解し、軽減することは、次のような理由から非常に重要です。
1. パフォーマンスと信頼性: EMI は電子システムに干渉や混乱を引き起こし、パフォーマンスの低下や信頼性の低下につながる可能性があります。 EMI による電気ノイズや信号の歪みは、電子機器のデータエラー、通信障害、誤動作を引き起こす可能性があります。これは、信頼性と精度が最優先される医療機器、航空宇宙システム、自動車エレクトロニクスなどのアプリケーションでは特に重要です。
2. 安全性: 医療や航空などの特定の業界では、電子システムの安全性は人命に直接関係しています。たとえば、航空機で使用される医療機器や通信システムにおける EMI による誤動作は、患者や乗客の健康を危険にさらす重大な結果をもたらす可能性があります。 EMIを効果的に管理することで、安全上の問題のリスクを最小限に抑えることができます。
3. 規制の遵守: 多くの業界には、電子機器の電磁放射と感受性のレベルを管理する厳しい規制と基準があります。さまざまな電子システムの互換性と共存を確保するには、これらの規制に準拠する必要があります。メーカーは、法的問題、罰則、および他のデバイスへの潜在的な損害を回避するために、自社の製品がこれらの要件を満たしていることを確認する必要があります。
4. 市場競争力: 競争の激しい市場では、製品の信頼性とパフォーマンスが成功に不可欠です。 EMI に強い電子デバイスを設計および製造することにより、メーカーは競争力を得ることができます。消費者は EMI 関連の問題をますます認識しており、干渉を受けにくい製品はより信頼できるものとして認識されることがよくあります。
5. コストと時間の節約: 電子システムの設計および開発段階で EMI 問題に対処すると、長期的には大幅なコストと時間を節約できます。製造段階後に EMI 関連の問題を修正するには、時間と費用がかかり、再設計と再テストが必要になる場合があります。早い段階で EMI 軽減戦略を検討することで、メーカーはよりスムーズな生産プロセスを確保し、コストのかかる遅延を回避できます。
EMIはどのようにして発生するのでしょうか?
EMI は、電磁波と電子デバイスおよびシステムの相互作用によって発生します。 EMI は、伝導 EMI と放射 EMI の 2 つのタイプに分類できます。
1. 伝導EMI: 伝導性 EMI とは、電源コード、信号ケーブル、プリント基板 (PCB) 配線などの電気導体に沿った不要な電磁エネルギーの伝達を指します。これは、内部または外部の発生源によって生成された電磁ノイズがこれらの導体に結合し、システム内を伝播するときに発生します。この不要なエネルギーは送信される信号に干渉し、電子機器の性能低下や誤動作につながる可能性があります。
2. 放射EMI: 放射 EMI は、電磁波または高周波 (RF) 放射の形での電磁エネルギーの放射を指します。これは、電子機器やシステムが通常の動作または外部要因の結果として電磁場を生成するときに発生します。これらの電磁波は自由空間を伝播し、近くの電子機器に干渉し、不要な妨害や信号劣化を引き起こす可能性があります。
EMI が発生するメカニズムはいくつかあります。
1. 電磁誘導: このメカニズムには、電子デバイスによって生成される磁場の変化により、近くの導電性要素で不要な電流が生成されることが含まれます。これらの誘導電流は干渉を引き起こし、影響を受ける回路の通常の動作を妨害する可能性があります。
2. 容量性結合と誘導性結合: 容量結合は、不要な電磁エネルギーが寄生容量を介して導体間で伝達されるときに発生します。同様に、エネルギーが寄生インダクタンスを介して伝達されるときに誘導結合が発生します。どちらのタイプの結合でも、不要なノイズや干渉が発生する可能性があります。
3. グランドループと共通インピーダンス結合: 複数のデバイスが共通のグランドに接続され、電流が流れる経路が複数ある場合、グランド ループが発生する可能性があります。異なるグランド接続間の電位差により、不要な電流が発生し、EMI が発生する可能性があります。共通インピーダンス結合は、2 つ以上のデバイスが同じインピーダンス パスを共有し、それらの間で干渉を引き起こす場合に発生します。
4.クロストーク: クロストークとは、隣接する導体間の信号の意図しない結合を指します。これは、1 つの信号によって生成された電磁場が隣接する導体に影響を及ぼし、干渉や信号の歪みを引き起こすときに発生します。
5. 電磁感受性: 電子機器は、その設計、不適切なシールド、または不適切な接地が原因で EMI の影響を受ける可能性もあります。外部の電磁エネルギーを受け取り、その影響を拒否したり軽減したりすることができず、性能の低下や誤動作を引き起こす可能性があります。
EMI が発生するメカニズムを理解することは、効果的な EMI 軽減戦略を実施し、電子デバイスとシステムの適切な機能を確保するために不可欠です。
EMIの一般的な原因
EMI は、自然および人工の幅広い発生源から発生する可能性があります。これらの発生源は、さまざまな形や周波数で電磁エネルギーを放出し、電子システムに干渉や障害を引き起こす可能性があります。 EMI の一般的な原因を理解することは、その影響を効果的に管理および軽減するために重要です。最も一般的なソースのいくつかを次に示します。
1. 無線周波数 (RF) 送信機: ラジオ局やテレビ局、無線通信装置、レーダー システムなどの RF 送信機は、近くの電子機器に干渉する可能性のある電磁波を放射します。 RF トランスミッターは高出力で周波数範囲が広いため、EMI の重大な発生源となります。
2. 電力線および電気配線: 電力線、電気配線、電気機器には大電流が流れるため、EMI が発生します。電力負荷の切り替え、接地の問題、電気的故障により、電磁ノイズや障害が発生し、近くの電子機器に影響を与える可能性があります。
3. 電子デバイスと回路: 電子デバイスや回路自体が EMI を発生する可能性があります。スイッチング電源、デジタル回路、高周波発振器などのコンポーネントは、近くにある他のデバイスに干渉する電磁放射を放出する可能性があります。不適切な接地、不適切なシールド、不適切な回路レイアウトは、電子機器によって発生する EMI を悪化させる可能性があります。
4. 電磁場: 近くの機器または外部ソースによって発生する電磁場は、導電性要素に不要な電流を誘導し、EMI を引き起こす可能性があります。一般的な例には、変圧器、モーター、高圧線、蛍光灯などがあります。
5. 雷と静電気: 落雷は非常に高レベルの電磁エネルギーを生成し、広い周波数範囲にわたって EMI を引き起こす可能性があります。静電気の蓄積と放電により、局所的な EMI が発生し、近くの電子機器の通常の動作が妨害される可能性があります。
6. 他の電子機器からの干渉: 異なる電子機器間の相互作用も EMI を引き起こす可能性があります。たとえば、複数の電子デバイスが近接している場合、1 つのデバイスから発せられる電磁放射が別のデバイスの動作に干渉する可能性があります。これは、混雑したオフィス環境や、電子機器が集中している人口密集地域でよく見られます。
7. 環境要因: 大気条件、温度変化、自然発生源からの電磁ノイズなどの環境要因が EMI の原因となる可能性があります。太陽フレア、磁気嵐、宇宙放射線は、電子システムに影響を与える電磁障害を引き起こす可能性があります。
特定の環境における EMI の特定の発生源を特定し、その影響を最小限に抑えるために適切な措置を講じることが不可欠です。これには、適切なシールド、フィルタリング技術、接地を適用し、一般的な EMI 源からの干渉を減らすための適切な設計慣行の実装が含まれます。
電子機器に対する EMI の影響
EMI は、電子機器の性能、信頼性、安全性に重大な影響を与える可能性があります。 EMI によって引き起こされる干渉は、小さな信号の歪みから電子システムの完全な障害に至るまで、さまざまな問題を引き起こす可能性があります。 EMI の潜在的な影響を理解することは、その影響を軽減する戦略を立てる上で非常に重要です。電子機器に対する EMI の一般的な影響の一部を以下に示します。
1. 信号の劣化: EMI は、電子デバイス内またはデバイス間で送信される信号を妨害し、信号の劣化を引き起こす可能性があります。これにより、データ エラー、情報の損失、通信の信頼性の低下が発生する可能性があります。医療機器や航空宇宙システムなどの繊細なアプリケーションでは、信号のわずかな歪みでも重大な結果を招く可能性があります。
2. 故障またはシャットダウン: 場合によっては、EMI に強くまたは長期間さらされると、電子機器の誤動作や完全なシャットダウンが引き起こされる可能性があります。たとえば、電磁干渉によって引き起こされる電力変動は重要なコンポーネントの動作を不安定にし、システム障害や予期しないシャットダウンにつながる可能性があります。
3. エラー率の増加: EMI は、電子システム、特にデータ送信および記憶装置のエラー率を増加させる可能性があります。電磁ノイズの存在によりデータが破損し、不正確または不完全な情報が得られる可能性があります。これは、金融取引や医療診断など、高いデータ精度が必要なアプリケーションでは悪影響を及ぼす可能性があります。
4. パフォーマンスの低下: EMI は、遅延、遅延、または処理速度の低下を引き起こし、電子デバイスのパフォーマンスに影響を与える可能性があります。これは、オーディオ/ビデオ ストリーミング、ゲーム、産業用制御システムなどのリアルタイム アプリケーションで特に問題となる可能性があり、中断や遅延がユーザー エクスペリエンスの低下や運用の非効率につながる可能性があります。
5. 安全上のリスク: EMI は、電子機器とそれを使用する個人の安全を損なう可能性があります。たとえば、医療機器や自動車エレクトロニクスでは、EMI による誤動作により、誤った診断、治療の失敗、または危険な動作状態が発生する可能性があります。さらに、EMI は緊急対応や航空などの重大な状況で使用される通信システムに干渉し、人命に危険をもたらす可能性があります。
6. 規格への違反: 電子機器の電磁放射と感受性の許容レベルを指定するさまざまな国際規制と業界標準があります。過度の EMI によりこれらの基準を満たさない場合、コンプライアンス違反の問題、法的影響、および製造業者に対する評判の悪影響が生じる可能性があります。
全体として、電子機器に対する EMI の影響は重大であり、その範囲は、軽微なパフォーマンスの低下から、完全なシステム障害や安全上の危険に至るまで多岐にわたります。効果的な EMI 軽減技術の実装は、さまざまな用途で電子デバイスの最適な動作、信頼性、安全性を確保するために不可欠です。
電磁両立性 (EMC)
電磁両立性 (EMC) は、電磁干渉 (EMI) の存在下で電子デバイスが共存し、適切に機能することを保証することに焦点を当てた研究分野です。 EMC の目標は、電子システムとコンポーネントを設計、開発、テストして、不要な電磁放射と感受性を防ぐことです。
相互接続がますます進む今日の世界では、多数の電子デバイスが近接して動作しており、EMC はこれらのデバイスの効率的かつ信頼性の高い動作を保証する上で重要な役割を果たしています。 EMC の主な目的は次のとおりです。
1. 排出ガス制御: EMC は、電子機器から放出される電磁エネルギーの量を制限することを目的としています。放出を削減または制御することにより、他のデバイスへの干渉の可能性が最小限に抑えられます。これには、適切なシールド、フィルタリング、および接地技術を使用した回路とシステムの設計、および確立された排出基準と規制の遵守が含まれます。
2. EMIに対する耐性: EMC は、外部電磁干渉に対する電子デバイスの耐性を強化することにも重点を置いています。これには、RF 送信機、電力線、その他の電子デバイスなど、さまざまな発生源からの EMI の影響を受けにくいようにデバイスやシステムを設計することが含まれます。 EMI の存在下でもデバイスが確実に動作する能力を向上させるために、適切な接地、シールド、信号フィルタリングなどの技術が採用されています。
3. 互換性テスト: EMC の分野には、電子機器の電磁適合性を評価するための標準化されたテストと手順の開発が含まれます。これらのテストでは、デバイスの放射と感受性を評価して、業界の標準と規制への準拠を確認します。互換性テストには、放射および伝導放出テスト、静電気放電 (ESD) テスト、およびさまざまな EMI 発生源に対するイミュニティ テストが含まれます。
4. システム統合: EMC は、電子システム全体の電磁両立性も考慮します。これには、システム内のさまざまなコンポーネントやサブシステム間の相互作用と潜在的な干渉の評価が含まれます。 EMC は、システム レベルで互換性の問題に対処することで、すべてのコンポーネントが相互に悪影響を与えることなく調和して動作することを保証します。
5. 教育と啓発: EMC は、エンジニア、設計者、製造業者の間で電磁適合性に関する教育と意識を促進します。電子機器の設計および開発段階で EMC 原則を考慮することの重要性を強調しています。 EMC は、意識を高め、教育とトレーニングを提供することにより、EMI を最小限に抑え、デバイス全体のパフォーマンスを向上させる技術と実践の導入を奨励しています。
電磁両立性は、今日の相互接続された世界において電子機器を信頼性が高く効率的に動作させるために不可欠です。 EMC は、放射への対処、耐性の向上、互換性テストの実施、教育の促進により、電子デバイスが電磁干渉の存在下で共存し、適切に機能できるように支援します。
EMIシールド技術
EMI シールドは、電子機器に対する電磁干渉 (EMI) の影響を軽減するための重要な側面です。電磁放射線の望ましくない送信または受信を防ぐために、さまざまな技術と材料の使用が含まれます。シールド技術は、EMI の影響を最小限に抑え、電子システムの信頼性の高い動作を保証するのに役立ちます。一般的に使用される EMI シールド技術をいくつか示します。
1. 導電性エンクロージャ: 最も効果的なシールド技術の 1 つは、電子デバイスまたは回路を導電性の筐体内に密閉することです。エンクロージャはバリアとして機能し、内部の電磁場が漏れたり、外部の EMI が侵入したりするのを防ぎます。金属（アルミニウム、銅、鋼など）などの導電性材料は、導電性が高いため、エンクロージャによく使用されます。
2.ファラデーケージ: ファラデーケージは、電磁波の方向を変えて散逸することによって電磁シールドを形成する、導電性材料で作られた密閉構造です。これらのケージは、敏感な電子機器を外部 EMI 源からシールドするためによく使用されます。ファラデーケージは、機器のサイズに応じて、大きな部屋から小さな箱までさまざまです。
3. シールドガスケットとシール: シールドガスケットまたはシールは、導電性材料が埋め込まれたゴムまたは発泡ストリップです。これらは、エンクロージャ カバーやコネクタ インターフェイスなどのさまざまなコンポーネントの間に配置され、完全かつ連続的な導電パスを確保します。これらのガスケットは電磁波の伝達を効果的に遮断し、EMI 漏洩箇所を防ぎます。
4. 導電性コーティング: 電子デバイスまたは筐体の表面に導電性コーティングを適用すると、効果的なシールド ソリューションを提供できます。導電性塗料やメッキなどのこれらのコーティングは、電磁放射を反射または吸収する導電層を作成します。導電性コーティングは、特定のコンポーネントや高周波用途をシールドするのに特に役立ちます。
5. シールドフィルムとテープ: シールド フィルムおよびテープは、金属箔や金属化フィルムなどの導電性材料の薄い層と、裏面に粘着剤が付いているもので構成されています。電子デバイス、ケーブル、回路基板の特定の領域や表面をカバーするために簡単に適用できます。シールド フィルムとテープは、シールド用途に柔軟性と多用途性をもたらします。
6. 接地と接着: 適切な接地と接着は、シールドの有効性において重要な役割を果たします。導電性の筐体またはシールドコンポーネントを共通のアースに接続することにより、不要な電磁エネルギーを敏感な電子機器から効果的に遠ざけることができます。接地と接着を適切に実施することで、シールドが EMI 電流を確実に迂回させるのに効果的になります。
7. フィルタリングとフェライト材料: フィルタとフェライト材料は、ケーブルや導電経路上の電磁放射と EMI を抑制するために使用されます。フェライト ビーズまたはフェライト コアをケーブルの周囲に配置すると、高周波ノイズを吸収して低減できます。同様に、ローパス フィルターまたはハイパス フィルターを取り付けて特定の周波数範囲を減衰し、敏感な回路に対する EMI の影響を軽減できます。
これらの EMI シールド技術を採用することで、設計者や製造者は EMI の影響を最小限に抑え、電子デバイスの電磁両立性を強化できます。使用される具体的なシールド方法は、周波数範囲、サイズ、デバイスまたはシステムに関連する特定の EMI 発生源などの要因によって異なります。
EMIフィルタリングと抑制方法
EMI フィルタリングおよび抑制方法は、電子機器に対する電磁干渉 (EMI) の影響を最小限に抑えるために不可欠です。これらの技術には、フィルター、コンポーネント、回路設計を使用して、不要な電磁ノイズを抑制または減衰することが含まれます。一般的に使用される EMI フィルタリングおよび抑制方法をいくつか示します。
1. パッシブフィルター: パッシブフィルターは、特定の周波数範囲の電磁ノイズを減衰するために使用されます。これらのフィルタは、コンデンサ、インダクタ、抵抗などの受動部品で構成されています。フィルタリングしたい周波数範囲に応じて、ローパス、ハイパス、バンドパス、ノッチ フィルタなどのさまざまなフィルタ構成を使用できます。パッシブ フィルターは、EMI を抑制するために電源ライン、信号ライン、または入出力インターフェイスでよく使用されます。
2. フェライト ビーズとコア: フェライト ビーズまたはフェライト コアは、高周波アプリケーションにおける EMI 抑制に広く使用されています。これらのコンポーネントは、電磁エネルギーを吸収および散逸するフェライト材料で作られています。フェライト ビーズは一般に、高周波ノイズを減衰し、他の回路への結合や EMI としての放射を防ぐために、ケーブルまたは導電経路上に配置されます。
3. デカップリングコンデンサ: デカップリング コンデンサは、電子部品または集積回路 (IC) によって生成される高周波ノイズをフィルタリングするために使用されます。これらのコンデンサは電源とグランドの間に接続され、高周波ノイズが他のコンポーネントに干渉するのではなく、効果的にグランドにバイパスします。デカップリング コンデンサは、デジタル回路または混合信号システムにおいて特に重要です。
4. シールドケーブル: シールドケーブルは、内部導体を囲む、通常は金属箔または編組シールドで作られた導電層で構成されます。シールドは、ケーブル内外への電磁放射の伝達を防ぎます。シールド ケーブルは、オーディオ/ビデオ伝送、データ通信、高速デジタル信号などのアプリケーションの接続に一般的に使用されます。
5. 接地と接着: EMI を抑制するには、適切な接地および接合技術が不可欠です。グランドへの低インピーダンス経路を確立することにより、不要な電磁エネルギーを敏感な電子部品から遠ざけることができます。シャーシ、シールドされたエンクロージャ、およびさまざまなコンポーネントを接地することは、効果的な EMI 抑制を確保し、システム全体の電磁両立性を向上させるために非常に重要です。
6. 電力線のフィルター: 電力線にフィルタを取り付けると、電源を介して結合される EMI を抑制できます。これらのフィルタは通常、電力線上の高周波ノイズを減衰する誘導性要素と容量性要素で構成されます。電力線フィルタは、電子機器に対する EMI の影響を軽減するために、家庭環境と産業環境の両方で使用できます。
7. EMI抑制材料: EMI を抑制するには、導電性フォーム、テープ、吸収材などのさまざまな材料を使用できます。これらの材料をエンクロージャまたは特定の領域に適用して、電磁エネルギーを吸収または反射し、EMI を低減できます。 EMI 抑制材料を使用すると、全体的なシールド効果が向上し、EMI 発生源によって引き起こされる干渉を軽減できます。
これらの EMI フィルタリングおよび抑制方法を組み込むことにより、設計者と製造者は電子デバイスに対する EMI の影響を効果的に軽減できます。適切な方法の選択は、特定の EMI 発生源、周波数範囲、アプリケーションに必要な EMI 抑制レベルなどの要因によって異なります。
EMI規格と規制
EMI 規格および規制は、電子デバイスおよびシステムの電磁両立性 (EMC) を保証するために確立されています。これらの規格は、電磁放射と感受性の許容レベル、および試験方法と準拠要件を定義します。メーカーにとって、製品の性能、信頼性、安全性を確保するには、これらの規格を遵守することが極めて重要です。以下に、重要な EMI 規格と規制をいくつか示します。
1. 国際電気標準会議 (IEC) 規格: IEC は、電気および電子技術の国際標準を開発および発行する世界的な組織です。 IEC 61000 シリーズの規格は、電子デバイスおよびシステムのイミュニティおよび放射要件を定義します。これらの規格は、伝導性および放射性放出、静電気放電 (ESD)、電気的高速過渡現象、サージ耐性など、EMC のさまざまな側面に対応しています。
2. 連邦通信委員会 (FCC) 規制: 米国では、FCC が電磁スペクトルの規制と管理を担当しています。 FCC Part 15 規制は、電子機器からの電磁放射の制限を指定し、他の無線通信システムに干渉しないことを保証します。 Wi-Fi ルーター、Bluetooth デバイス、コンピューター周辺機器など、ライセンスのない周波数で動作するデバイスは、これらの規制に準拠する必要があります。
3. 欧州連合 (EU) 指令: EU は、加盟国内での電磁両立性を規制する指令を定めています。の EMC指令 (2014/30/EU) は、EU 内で販売される電子機器の電磁放射とイミュニティに関する要件を定めています。欧州市場に投入される製品には、この指令への準拠が義務付けられています。
4. 軍事規格: 軍では、電子システムの重要な性質のため、さらに厳しい EMC 規格を要求することがよくあります。米国の MIL-STD-461 および英国の DEF STAN 59-411 は、軍用電子機器の電磁放射および感受性要件を定義する軍用規格の例です。
5. 業界固有の標準: さまざまな業界には、独自の要件に合わせて調整された独自の EMC 規格があります。たとえば、医療業界は医療用電気機器に関する IEC 60601-1-2 などの規格に従っており、自動車メーカーは自動車の電磁適合性に関する ISO 11452-2 などの規格に従っています。
メーカーが自社製品の EMC 準拠を実証するには、これらの規格および規制に準拠することが不可欠です。違反すると、法的問題、罰則、リコール、または製品の市場性の制限が生じる可能性があります。メーカーは、対象市場における関連規格および規制への準拠を確保するために、認定試験所を使用して徹底的な EMC テストを実施し、適切な認証を取得する必要があります。