グランドループ現象について

どなたかグランドループについての
詳細なメカニズムについてご存知の方いらっしゃいますでしょうか？

グランド間に電位差がある場合に、グランド間に電流が流れ
色々な機器に対して障害が発生するまでは分かるのですが
その回り込んだ電流がどの様なループを描き流れるのかが
知りたいのですが

どなたかご存知の方教えていただければ助かります。

No.1 回答者： ir-led 回答日時： 2001/03/03 20:09

こんにちは。

No.128778「質問：スピーカからでるノイズ」に似た回答をしています。
この質問はＡＶ機器の場合ですが，モニター，モデム，パソコンなどの情報家電にも
そのまま当てはまります。音声ケーブルがRS232C等のFG線を持つI/Fケーブルに置き換わるだけです。

一般論を書くと長くなるので，どういった機器についての質問なのか補足して頂けると，詳細
（かどうかは？）な説明が出来ると思います。

この回答への補足

早速の回答有難うございました。
お言葉に甘えて補足させていただきます。
今回、私が悩んでいるグランドループ現象はモデム
についてです。I/FはV.35　回線側はG.703となります。
このモデムはAC電源を直接受けて動作するモデムとなっておりますので、
グランドレベルはそのフロア内にある商用電源が基準となります。
そこで、AフロアとBフロアの間にこのモデムを置き通信を指せようとした場合
電源レベルが下記の様に違うとします。

　Aフロア　　　　　　　Bフロア
　R-S　 100[V]　　　　R-S　100[V]　
　R-E　　50[V]　　　　R-E　100[V]
　S-E　　50[V]　　　　S-E　　0[V]

※　R(コンセントの長い方)
　　S(コンセントの短い方）
　　E(コンセントR-S中間下にある丸い穴)

すると、S-E間がモデムのグランドレベルと
等しくなるため、フロアA、フロアBのグランド
レベルが相違となるためグランドループ現象が発生すると
言葉の意味は理解できるのですが、どのような電流の流れ
になるのかが理解理解できないでいます。
当然　AフロアからBフロアに対して電流が流れるまでは
分かるのですがそっから先の電流の流れ、電圧の変化が
分からないのです。

大変恐縮ではございますがご返答頂ければ幸いです。
何卒、宜しくお願い申し上げます。

補足日時：2001/03/03 21:39

No.2 回答者： ir-led 回答日時： 2001/03/04 03:58

こんにちは。

エンジニアか営業技術の方でしょうか？
実践的なことみたいですので，補足して頂いて，完全に墓穴掘っちゃってます。（泣）
泣いていてもしょうがないので，分かる範囲で・・。

先ず，確認させて下さい・
＞Aフロア
＞R-S　 100[V]
＞R-E　　50[V]
＞S-E　　50[V]
不勉強で，すみません。この電源はＵＰＳみたいなものですか？

＞すると、S-E間がモデムのグランドレベルと等しくなるため
モデムのグランドレベルは「Ｅ」です。
機器の"FG"とか"GND"で表現される接地用端子はＡＣプラグの「Ｅ」に接続されています。
そうゆう意味で書かれたんですよね？

＞フロアＡ、フロアＢのグランドレベルが相違となるため
上記の事からグランドレベルは同じです。
厳密に言うと数Vの電位差はあるでしょうが，何十Vもの差はありません。
余談になりますが，火力発電所や石油精製所などのプラントでは，何百Vもの電位差を持つ
装置間でデジタル／アナログ信号を伝送します。そう言う次元から言うと「同電位」と見なせます。


それでは本題に・・
グランド電位の違いによる弊害を絵本仕立てで・・（説明の為ですので，お気を悪くされないよう・・）
「Ｅ」（接地電位）と言う海抜0m地点にtomo_chanさんが座っています。
横を見ると，同じ海抜にＡフロア／Ｂフロアに一台ずつ機器が見えます。
ところがＡフロアの機器は落ち着きがないのか，数十cmの浮き沈みをしています。
一方，Ｂフロアの機器は大人しく海抜0mに座っていいます。
tomo_chanさんは二人（機器）に会話をしてもらおうと，糸電話を渡しました。
ところがＡフロアの機器が暴れるので，糸が張ったりゆるんだりしてまともに会話に
なりません。しまいには糸につられてＢフロアの機器まで上下動する始末。
・・・既にこういうのはイメージされている事と思います。

●「Ｅ」につながれている機器のグランド電位が揺れる理由
通常「高周波的に動揺している」と言う表現を使います。
情報機器は内部にデジタル回路を搭載していますので，それ自信で高周波ノイズを出します。
また商用電源といえども結構ノイズは混じっていて，これも機器に流入します。
これらノイズは機器内部で基準電位「Ｅ」に落とし込まれるように設計されています。
特に最近の情報機器なら「VCCI規格」にクリアするため，入出力端子等はコンデンサなどを使って
高周波的に「Ｅ」にショートされるように設計されている事が多いので，より徹底しています。
・VCCI規格：外来高周波ノイズに強い，あるいはまき散らさないと言う規格
また電源部からの漏電による感電防止のため，金属パネル等も「Ｅ」に接続されています。

要するに，「Ｅ」って汚水を流す下水路みたいなものと考えて良いと思います。
でも，下水に流して一件落着とは行きません。広い海に流すのならともかく，小さな下水路
に流すと水面が波だってしまい，その水面に浮いている色んな物も一緒に揺れてしまいます。
・汚水の量＝ノイズの量
・下水路の太さ＝「Ｅ」のラインの電線の抵抗
・下水路の水面に浮いている物＝機器のグランド電位
を例えています。
機器を極太の線で接地出来れば良いのですが，現実問題出来ませんよね。
だから，グランド電位が揺れるわけです。絶対値は何とも言えませんが数Ｖ程度は発生しても
おかしくないと思います。
高周波ノイズの面から書きましたが，商用周波数が機器のシャーシに漏電している場合でも，
同様の考え方で良いと思います。
（古い冷蔵庫なんかさわると，チリチリ来るアレです。）

●どのようなループを流れるかについて
上記で既にお分かりになったかも知れませんが，ループは
建物の接地電位「Ｅ」←←←←←←←←←←←←←←←←
→Ａフロアコンセント「Ｅ」　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　↑
～Ａフロア機器の「Ｅ」→同機器Ｉ／ＦコネクタのＦＧ端子　　↑
→Ｉ／Ｆケーブルシールド線　　　　　　　　　　　　　　　　　　　↑
→Ｂフロア機器の「Ｅ」→同機器Ｉ／ＦコネクタのＦＧ端子　　↑
～Ｂフロアコンセント「Ｅ」　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　↑
→建物の接地電位「Ｅ」→→→→→→→→→→→→→→→
となります。「→」は物理的に導通があること。「～」は高周波的に導通と見なせる
ことを表しています。ノイズは交流なので，方向性はありません。

●ループが形成される弊害について
上記のループは，いわゆるフレームグランドのループなんですが，これ自体大した問題ではありません。
問題なのは，信号グランドのループです。これがループを形成すると，情報機器だとデーター化け
音響機器だとハム音等ノイズが発生します。（質問の核心はここかな？）
信号グランドにノイズが混入する理由は，No.128778「質問：スピーカからでるノイズ」に
書いた通り，主に電源トランスの一次～二次巻き線の高周波的な結合が主な原因ですが，
先に述べた「VCCI規格」にクリアするため，信号グランド～フレームグランド間をコンデンサで
ショートしている場合，こちらも原因になります。
Ｉ／Ｆケーブルの信号グランド経由で機器に流入したノイズは，電源回路に向かって，
機器内のプリント基板のグランドパターンを走り抜けます。この基板の銅箔の厚さですが
一般的には35ミクロン，薄いやつは15ミクロンと紙より薄いのです。テスターで当たると
数ミリΩとほぼショート状態なのですが，これは直流での話。基板のパターンって
基板上を十センチ程度這わせただけで，Ｌ（インダクタンス）分を持つので，高周波
的に抵抗を持ってしまいます。下水路の例えとダブりますが，上流からノイズと言う
電流が下流の電源に流れるとき，水面に浮かぶ回路はすべて揺すられてしまいます。
これが機器の誤動作になります。
Ｉ／ＦはV.35とのことですので，ツイストペア線による作動信号なのでノイズに強そうですが
除去出来る同相ノイズにも限度がありますし，それ以前に内部データバス等で先に問題が出そうです。

以上，核心部分を端折ってしまったような・・と思いながら書きました。
「説明が足らん！」でしたらその旨，指摘下さい。再度説明させて頂きます。

では。

No.3 回答者： ir-led 回答日時： 2001/03/04 04:45

こんにちは。

ir-ledです。

訂正します。下記の行，間違ってました。

（正）
建物の接地電位「Ｅ」←←←←←←←←←←←←←←←←
→Ａフロアコンセント「Ｅ」　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　↑
→Ａフロア機器の「Ｅ」～同機器Ｉ／ＦコネクタのＦＧ端子　　↑
→Ｉ／Ｆケーブルシールド線　　　　　　　　　　　　　　　　　　　↑
→Ｂフロア機器Ｉ／ＦコネクタのＦＧ端子～同機器の「Ｅ」　　↑
→Ｂフロアコンセント「Ｅ」　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　↑
→建物の接地電位「Ｅ」→→→→→→→→→→→→→→→

では。