シールド線とは何ですか?

シールド線とは何ですか: 直接の答え

シールド線は、電磁干渉 (EMI) および無線周波数干渉 (RFI) をブロックするように設計された 1 つ以上の導電性材料層で包まれた電気導体 (または導体のグループ) です。シールドは、内部の信号を運ぶ導体の周りのファラデーケージとして機能し、不要な電気ノイズの方向を変えて、送信信号を歪ませるのではなくグランドに転送します。実際には、これは、ワイヤを通過するデータ、オーディオ、ビデオ、または電力信号が、シールドされていない代替手段を経由する場合よりもクリーンかつ正確に目的地に到着することを意味します。

シールド線は、信号の完全性を損なうことができない環境の基本要件です。 — 産業オートメーションフロア、医療機器、航空宇宙キャビネット、放送スタジオ、高速データセンターはすべて、毎日それらに依存しています。シールドがないと、敏感な導体が近くのモーター、スイッチング電源、蛍光灯、さらには並行して走る他のケーブルからの放射エネルギーを吸収してしまい、性能が低下し、規模が大きくなるとエラー率が増大します。

シールド被覆率はパーセンテージで表されます。フォイル シールドは通常 100% のカバー率を達成しますが、編組シールドは編組角度とストランド密度に応じて 85% ～ 98% の範囲になります。 ほとんどの産業用信号ケーブルでは、エンジニアは少なくとも 90% のカバー率を目標としています。 ケーブル直径やコストを不必要に増加させることなく、IEC 61000 および MIL-DTL-17 の要件を満たすことができます。

シールド層の構築方法

シールド自体は単一の標準化された層ではありません。メーカーは、予想される干渉の周波数範囲、ケーブルの柔軟性要件、設置環境に基づいてシールド アーキテクチャを選択します。それぞれの構造タイプを理解すると、新しいプロジェクトのケーブルを指定したり、既存の設備を評価したりするときに役立ちます。

フォイルシールド

フォイルシールドは、ポリエステルフィルムキャリアに接着されたアルミニウムまたは銅の薄い層で構成されます。箔は、電気的連続性を維持するために、規定のオーバーラップ (通常は 10% ～ 25%) で導体束の周囲に巻き付けられます。フォイルシールドは 100% の表面被覆率を実現し、100 kHz を超える高周波 EMI に対して非常に効果的です。軽量で追加直径が最小限に抑えられ、マルチコア計装ケーブルやデータ ケーブルにとってコスト効率が優れています。その代償として、フォイル シールドは比較的壊れやすく、使用中に継続的に曲がるケーブルには適していません。

編組シールド

編組シールドは、錫メッキ銅線、裸銅線、または銀メッキ銅線の細いストランドを絶縁導体の周囲に織りパターンで織り交ぜることによって形成されます。編組の適用範囲は、キャリアの数、インチあたりのピック、およびワイヤのより線の直径によって異なります。低周波数減衰（たとえば 10 MHz 未満）用に最適化された編組では、95% のカバレッジで 36 キャリア、16 ストランド構成が使用される場合があります。編組シールドは優れた機械的強度を提供し、ケーブルが繰り返し曲げられた場合でもカバレッジを維持し、低周波数でのシールド効果の重要な指標である低い伝達インピーダンスを提供します。

スパイラルシールドとサーブドシールド

スパイラル (またはサーブ) シールドは、ストランドを絡み合わせるのではなく、ケーブル コアの周りにらせん状に巻き付けます。この構造により、ケーブルに最大限の柔軟性が与えられ、シールド設計の中で最も低い曲げ半径が得られます。そのため、使用中に常に移動するマイク リード線、ヘッドセット ケーブル、および医療用患者監視リード線でスパイラル シールド ケーブルが主流となっています。同じ導体数の編組よりも被覆率がわずかに低く、屈曲サイクルが高くなると接触抵抗が増加するため、スパイラル シールドは通常、RF または高周波データ アプリケーションには指定されません。

コンビネーションシールド

広い周波数スペクトルにわたって干渉がある環境では、フォイルと編組を重ねたシールドを組み合わせます。ホイルは高周波保護のためにあらゆる隙間を密閉し、編組は機械的堅牢性を提供し、低周波シールド効果を向上させます。このアーキテクチャは、Cat 7 および Cat 8 ネットワーク ケーブル、および放送および RF 伝送アプリケーションで使用されるハイエンド同軸ケーブルの標準です。 組み合わせシールドにより、1 メートルあたり 5 ミリオーム未満の伝達インピーダンス値を達成できます これは、要求の厳しい設置において測定可能な信号品質の向上に直接つながります。

の役割 ワイヤーとケーブルのテーピング シールドケーブルアセンブリ内

導電性シールド層を適用する前に、ワイヤとケーブルのテーピングという重要な中間ステップが行われます。このプロセスでは、完成したシールド ケーブルの性能に直接影響するいくつかの構造的および機能的目的を達成するために、導体の束または個々の絶縁導体の周囲に特殊なテープを巻き付けます。

ワイヤとケーブルのテーピングは、内部絶縁体と外部シールドの間のセパレータとして機能します。この分離がないと、フォイルまたは編組が絶縁導体に直接押し付けられ、屈曲中に機械的摩耗が生じ、シールドと信号導体の間に容量結合が生じます。一貫した滑らかなテープ層により、両方の問題が防止されます。また、このテープはケーブル コアの真円度を維持するため、シールドが全周にわたって均一に適用されます。コアの表面が不規則であると、フォイルの重なりが不均一になり、編組被覆が不均一になり、どちらもシールド効果が低下します。

多芯シールド ケーブルでは、個々のペアまたはグループのシールドは、機械的な完全性を確保するためにワイヤとケーブルのテーピングに完全に依存しています。 スクリーン ツイスト ペア (STP) またはフォイル ツイスト ペア (FTP) 設計の各ツイスト ペアは、シールド全体が適用される前に、独自のフォイル テープ ラップを受け取ります。これにより、外側の編組がケーブル全体のコモンモードノイズ除去層として機能しながらも、ペア間のクロストークが防止されます。内側のテーピング手順がないと、ケーブル配線プロセス中に各ペアの形状が変化し、ケーブルのデータ速度能力を定義するインピーダンスの一貫性が損なわれてしまいます。

ケーブル製造で使用されるテープの種類

すべてのテープ素材が互換性があるわけではありません。ケーブルメーカーは、動作温度、誘電要件、柔軟性の要件、およびテープ自体がシールドに寄与する必要があるかどうかに基づいてテープのタイプを選択します。

ワイヤとケーブルのテーピング時のオーバーラップ率も制御変数です。結合層として使用されるポリエステルフィルムテープでは、50% のオーバーラップが標準です。シールド機能を発揮するアルミニウム - ポリエステル フォイル テープの場合、フォイル自体が 100% をカバーするため、25% というよりきつめのオーバーラップが一般的です。オーバーラップする必要があるのは、ケーブルが曲がったときに隙間が開かないことだけです。メーカーはプロセス管理文書でオーバーラップ許容差を定義しており、品質管理された生産環境では±5%を超える偏差には再作業のフラグが立てられます。

シールド線とシールド線なし: 違いが実際に重要になる場合

シールド付きワイヤとシールドなしワイヤ間の性能差は理論上のものではなく、アプリケーションに応じて測定可能な形で現れます。シールドが必要な場合と不必要な場合を理解することは、ケーブルの過剰仕様 (コストと設置の複雑さの増加) や過小仕様 (実際の運用上の問題の原因) を回避するのに役立ちます。

ほとんどのオフィス イーサネット設置の標準である非シールド ツイスト ペア (UTP) ケーブルは、EMI 発生源が最小限で、ケーブル配線が約 90 メートル以下に保たれる環境で完全に機能します。ペアのツイストにより、中程度のコモンモード ノイズ除去が実現されます。これは、一般的な商業ビル内の 10/100/1000Base-T イーサネットには十分です。 これらのケーブル配線が、可変周波数ドライブ、大型モーター、または電力ケーブルと信号ケーブルを一緒に運ぶ高密度の導管配線を備えた産業環境に入ると、UTP のパフォーマンスは目に見えて低下します。 ビット エラー レートが上昇し、リンク速度が低下して自動ネゴシエーション レートが低下し、パケットの再送信が増加します。

シールド付きツイストペア (アーキテクチャに応じて STP、FTP、または S/FTP) は、信号をシールド内に閉じ込め、外部結合ノイズが導体に到達する前に阻止することで、これらの問題を解決します。産業環境で UTP に苦労する同じ 90 メートルの配線でも、適切にシールドされたケーブルを使用すると、シールドの両端がアースに正しく終端されていれば、ギガビット速度で確実に動作します。

シールド線が必要な環境

• 1 kHz スイッチング周波数を超えるサーボ ドライブと可変周波数ドライブ (VFD) を備えた製造および組立ライン
• センサーリード上の低振幅ノイズでも診断データを歪める医用画像機器
• 電力インフラからの 60 Hz ハムにより信号品質が低下する放送およびオーディオ制作
• 計装は、ケーブル トレイが熱電対信号配線と 480 V 電源を混合する化学工場で稼働します。
• CAN バスおよび LIN バス通信との干渉を防ぐためにシールド付き HV ケーブルが必要な高電圧 EV プラットフォームの自動車エレクトロニクス
• 25G および 100G 銅線接続を実行しているデータセンターでは、パッシブ DAC ケーブルが 10^-12 未満の BER 目標を満たすために効果的なシールドに依存しています。

シールドされていないワイヤが依然として正しい選択である場合

• クリーンな電気環境における 1 Gbps 未満の標準的なオフィスおよび住宅用イーサネット
• エンクロージャ自体が EMC 保護を提供する、適切に設計されたシールド エンクロージャ内の内部配線
• 伝導ノイズが許容される低電流での重要ではない DC 配電
• カップリングの長さが重大な干渉を拾うのに不十分な良好な環境では、短い信号が 1 メートル未満で伝送されます

シールド線を正しく接地する

適切に接地されていないシールド線は、保護をほとんどまたはまったく提供しません。シールドには、収集された干渉エネルギーを排出するために、アースへの低インピーダンス経路が必要です。不適切な接地は、シールド ケーブルを使用するシステムにおける EMC 障害の最も一般的な原因の 1 つであり、正しいアプローチを理解することで、設置後の高価なトラブルシューティング サイクルを回避できます。

ほとんどの信号ケーブルの用途では、シールドは一方の端 (通常はソース端) のみで接地する必要があります。 この単一点接地アプローチは、シールドに電圧を誘導してその目的を果たさないシールド電流がケーブルの長さに沿って流れるのを防ぎます。シールドが長いケーブルの両端で接地されている場合、2 つの終点間の接地電位の差 (異なるパネルの接地バスが 1 ～ 5 V 異なる可能性がある産業施設ではよく発生します) により、シールドを介して電流が発生し、信号導体に直接ノイズを誘導します。

例外は、約 1 MHz を超える高周波アプリケーションです。これらの周波数では、一点接地によりシールドに沿って 4 分の 1 波長の共振が発生し、実際に高周波ノイズの拾いが悪くなる可能性があります。 RF および高速データ ケーブルのシールドは、両端と複数の中間点で接地され、シールドが全長にわたって一貫した電位に保たれるようにします。このため、RF 用の同軸ケーブルには必ず二重接地シールドが付いています。

避けるべき一般的な接地の間違い

• シールドの一方または両方の端を接続しない (フローティング) ままにすると、シールドがバリアではなくアンテナに変わります。
• 長いピグテール リードを介した接地 - 50 mm ピグテール ワイヤでも測定可能なインダクタンスが発生し、数百 kHz を超えるシールド効果が制限されます。
• メイン システム グランドに結合されていない専用のシールド グランドを使用すると、異なる電位で絶縁されたグランドにより、グランドがまったくない場合と同じ問題が発生します。
• コネクタを介した不連続シールド接続 - シールドされたケーブル配線に沿ったすべてのコネクタは、小さなピグテール接点ではなく、360 度のシールド終端を提供する必要があります。
• 明確な設計理論がないまま、同じケーブル配線上で単一点接地と多点接地を混在させると、予測できない共振動作が発生します。

ワイヤーとケーブルのテーピングがインピーダンスと信号品質に与える影響

ケーブル製造におけるテーピングのステップは純粋に機械的なものではなく、完成したケーブルのインピーダンス特性に直接的な電気的影響を与えます。インピーダンスは、ケーブルがデータを損なう反射なしに高速信号をどの程度伝送できるかによって決まります。テープ素材の誘電率は、導体の直径や間隔と並んでインピーダンスを決定する変数の 1 つです。

50 オームの同軸ケーブルの場合、中心導体とシールドの間のすべての絶縁材料 (テープ層を含む) の誘電率を形状計算に考慮する必要があります。ポリエステルフィルムテープの誘電率は約 3.2 ～ 3.4 です。 PTFEテープは約2.1です。ケーブル設計者が導体の直径や間隔を再計算せずにテープ材料を切り替えると、目標インピーダンスを満たさないケーブルが作成され、完成したケーブルでリターンロスの障害が発生することになります。

ツイストペアデータケーブルでは、ワイヤとケーブルのテーピングステップによって、各ペアを囲む実効誘電体が決まり、これによりペアの特性インピーダンスと伝播速度が直接制御されます。 たとえば、カテゴリ 6A ケーブルでは、500 MHz の全周波数範囲にわたって、個別のペアのインピーダンスを ±2 オーム以内に制御する必要があります。この公差を達成するには、テーピングの段階でテープの種類、厚さ、張力、オーバーラップ率を正確に制御する必要があります。テープの厚さが 10% 変化すると、ペアのインピーダンスが高周波で 1 オームも変化する可能性があります。これは許容範囲内ではありますが、許容範囲に近い値です。

伝播速度（光速のパーセンテージ、略称 NVP で表されます）もテープ誘電体の影響を受けます。ポリエステルテープを使用したケーブルは、誘電率が高く信号伝播が遅くなるため、PTFE テープを使用した同じ設計よりも NVP が低くなります。構造化ケーブル システムにおけるタイム ドメイン反射率測定 (TDR) テストと時間遅延補償の場合、設置者は、実稼働で使用される特定のテープを考慮した、ケーブル メーカーが公開している NVP 値を必要とします。

特定の業界用途におけるシールド線

シールド線に依存する各業界は、環境上の課題、信号の種類、設置上の制約など、さまざまな課題に直面しています。シールド線の指定と設置方法はそれに応じて異なります。これらの違いを理解すると、新しい設計に適したケーブルを選択したり、既存の設置のトラブルシューティングを行ったりすることが容易になります。

産業オートメーションとプロセス制御

PROFIBUS、PROFINET、DeviceNet、および Modbus TCP フィールドバス ネットワークはすべて、それぞれの物理層規格でシールド ケーブルを指定しています。たとえば、PROFIBUS の設置には、3 ～ 20 MHz で特性インピーダンスが 135 ～ 165 オームの単一ツイスト シールド ペアが必要です。シールドは、すべてのコントロール パネルおよびフィールド デバイスのジャンクション ボックスで、低インピーダンス接続を介して接地する必要があります。通常、360 度のシールド終端を提供するケーブル グランドを使用して実現されます。 150 ～ 200 台の溶接ロボットを備えた一般的な自動車車体工場では、不適切にシールドされたフィールドバス ケーブルが通信障害の最も一般的な原因となっています。 生産ラインを停止させることになる。

医療およびヘルスケア機器

ECG リード、EEG 電極ケーブル、および超音波トランスデューサーの接続にはすべてシールド線が必要ですが、医療用ケーブルの設計では、基本的な EMI 除去以上の要件が追加されます。ケーブルは、患者と接地の間に大きな静電容量を生じさせてはならず（患者の安全を確保するため）、数百回のコイル巻きサイクル後も柔軟性を維持する必要があり、強力な化学薬品による繰り返しの消毒に耐える必要があります。多くの医療信号ケーブルは、中心導体、内部シールド、外部シールドの 3 軸構造を採用しており、内部シールドは中心導体と同じ電位にアクティブに駆動され、容量性信号負荷が排除されます。駆動シールドまたはアクティブ シールドと呼ばれるこの技術により、2 ～ 3 メートルの長さでもケーブルの実効静電容量が非常に低くなります。

航空宇宙と防衛

MIL-DTL-27500 および MIL-DTL-17 は、航空宇宙プラットフォームで使用されるシールド線を管理します。これらの規格では、PTFE の温度定格 -65 °C ～ 260 °C が空気中の環境の全範囲をカバーするため、ケーブル アセンブリのテーピング手順で PTFE テープを使用することが義務付けられています。アビオニクス配線のシールド要件は、雷の間接的な影響にも対処しています。高高度の航空機は、機体全体のワイヤリング ハーネスに結合する 200 kA の落雷に遭遇する可能性があります。航空電子工学バンドル内のシールド線は、結合エネルギーの 1% 未満を内部導体に伝達する必要があり、これにより伝達インピーダンスの目標が非常に低く設定されます。これらのアセンブリのワイヤとケーブルのテーピングは、シールドが適用される前に 100% のカバレッジが検証される厳密なプロセス管理の下で行われます。

オーディオとブロードキャスト

プロフェッショナル向けバランスオーディオケーブルは、スパイラルまたは編組シールドで囲まれた一対の導体を使用します。平衡差動信号は、両方の導体に均等に現れるコモンモード ノイズを除去します。これには、照明インフラストラクチャ、HVAC システム、並列する電力配線からの 60 Hz ハムが含まれます。シールドは、コモンモード信号として現れるノイズ源に対する追加のバリアを提供します。何百もの音声フィードが長距離にわたって並行して流れる放送スタジオでは、バランス配線とシールドの組み合わせにより、グランド ループを増幅することなくクリーンな信号伝送が可能になります。たとえば、標準のマイク ケーブルは、-90 dBu 未満のノイズ フロアで 50 メートルを超える距離でも信号の完全性を維持します。

マーキングと構造によってシールド線を識別する方法

ケーブルを検査する場合、いくつかの視覚的および印刷インジケーターによってケーブルがシールドされているかどうかが確認され、使用されているシールドの種類が説明されます。これらのマーキングを理解すると、交換用ケーブルを調達したり、取り付けられたケーブルが仕様を満たしていることを確認したりするときに時間を節約できます。

ケーブル ジャケットの印刷には、通常、シールドのタイプを識別する指定コードが含まれています。一般的な名称は、IEC 60228 および UL の命名規則に従います。

• F/UTP — 全体的にフォイルシールド、内側はシールドされていないツイストペア。 Cat 5e および Cat 6 のシールドされた設置で一般的です。
• U/FTP — 全体的なシールドはなく、個々のフォイルでシールドされたツイストペア。 Cat 6A および Cat 7 でペア間のクロストークを低減するために使用されます。
• S/FTP — 編組全体シールドと個別のフォイルシールドペア。 Cat 7 および Cat 8 アプリケーションで最高のパフォーマンスを発揮します。
• SY、CY、YCY — 鋼線外装および/または銅編組シールドを備えた遮蔽電源および制御ケーブルの欧州指定コード。
• RG（ラジオガイド） — 同軸ケーブルを示します。特定の RG 番号 (RG-58、RG-6、RG-213) は、元の MIL-C-17 仕様で定義されたシールドのタイプと構造を意味します。

ケーブルの断面を物理的に切断すると、シールド層が直接現れます。フォイル シールドは、外側のジャケットの下にある明るい反射金属層として表示され、通常はドレイン ワイヤがそれに沿って走っています。編組シールドには、目に見える編み線パターンが表示されます。両方が存在する場合、ケーブルは組み合わせシールドを使用します。ワイヤとケーブルのテーピング層が存在する場合、シールド層のすぐ内側に滑らかなフィルムが巻かれているように見えます。多くの場合、ポリエステル テープの場合は半透明またはオフホワイト、個々のペアを包むホイル テープの場合は銀色です。

アプリケーションに適したシールド線の選択

シールド線を正しく指定するには、利用可能な最高のシールド範囲を選択するだけでは済みません。過剰な仕様を指定すると、ケーブルのコスト、直径、重量、設置時間が増加します。過少仕様を指定すると、システムが干渉に対して脆弱になります。構造化された選択プロセスでは、実際の干渉環境、信号の種類、周波数範囲、機械的要件、設置上の制約が考慮されます。

まず、環境内の干渉源を特徴付けることから始めます。 8 kHz での可変周波数ドライブのスイッチングでは、最大数百 kHz の高調波が生成されるため、その周波数範囲で伝達インピーダンスが低いフォイルまたは編組シールドが必要になります。近くの無線送信機またはレーダー設備は 30 MHz を超える干渉を生成します。この場合、編組角度よりもフォイルのカバレージが重要です。両方のタイプの干渉が存在する場合、組み合わせシールドが正しい出発点になります。

多くの場合、ケーブルの屈曲寿命要件が、フォイルと編組のどちらを採用するかを決定する要因になります。 フォイル シールドは、比較的少ない屈曲サイクル (動的用途では通常 10,000 回未満) の後に亀裂が入り、隙間が生じます。編組シールドは、カバレッジが著しく低下する前に、数十万回の屈曲サイクルに耐えることができます。スパイラル シールドは数百万回の屈曲サイクルに耐えることができますが、高周波シールドの効果は低下します。シールドのタイプを使用中に予想されるフレックスサイクルに一致させると、断続的なシールドの劣化や予測できない信号品質の問題として現れる早期のケーブル障害が防止されます。

温度定格は、動作環境と短期間の異常の両方を包含する必要があります。動作温度が 75°C と定格されているケーブルは、90°C に達するのが短時間であっても、生産サイクル中にピークが 90°C に達する熱源の近くに設置するのには適していません。ワイヤおよびケーブルのテーピング工程で使用されるテープ材料は、多くの場合、温度定格の制限要素になります。ポリエステル テープは 125°C まで対応しますが、PTFE テープは高温用途の範囲を 260°C まで拡張します。

最後に、ケーブルの選択を確定する前に、終端方法を確認してください。編組シールドには、ピグテールではなく、円周方向のシールド接触を提供するバックシェルまたはケーブル グランドが必要です。ドレイン ワイヤを備えたフォイル シールドには、ドレイン ワイヤのピン割り当てに対応するコネクタが必要です。間違った終端方法でケーブルを取り付けると、ケーブル自体がどれほど適切に仕様化されているかに関係なく、シールドの効果がほとんどなくなります。