グランドループ（電気）

電気システムでは、回路の2つのポイントが同じ接地基準電位を持つように意図されているが、実際にはそれらの間の電位が異なる場合に、グランドループまたはアースループが発生します。 ^[1]これは通常、2つのグランドポイント間の接続に十分な電流が流れ、電圧降下が発生し、2つのポイントが異なる電位になる場合に発生します。電流は、電磁誘導によってグランドループに発生する可能性があります。

グランド ループは、オーディオ、ビデオ、およびコンピュータ システムにおけるノイズ、ハム、干渉の主な原因です。グランド ループを防ぐ配線方法には、すべての脆弱な信号回路が 1 点のグランドを参照するようにすることが含まれます。差動信号を使用すると、グランドによる干渉を排除できます。グランド ループを排除するために機器へのグランド接続を削除すると、安全グランド接続が提供するはずの保護も失われます。

グラウンドループ 50 Hz サウンド

オーディオ機器でキャプチャされた 50 Hz のグランド ループからのノイズ。

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グランド ループは、電気機器の相互接続によって複数の接地経路が生じ、グランド接続を介して閉じた導電ループが形成されることによって発生します。一般的な例としては、安全のために保護グランド導体を含む 3 導体ケーブルとプラグによって主電源コンセントにそれぞれ接続された 2 つの電気機器が挙げられます。信号ケーブルが両方の機器間に接続されている場合、信号ケーブルのシールドは通常、両方の機器の接地されたシャーシに接続されます。これにより、建物の配線を介して接続された電源コードのグランド導体を介して閉じたループが形成されます。

電力配線の近くには、特に50 または 60 ヘルツで振動するユーティリティ ラインからの漂遊磁場が常に存在します。これらの周囲の磁場がグランド ループを通過すると、電磁誘導によってループ内に電流が誘導されます。グランド ループは、変圧器の 1 巻きの二次巻線として機能し、一次巻線は近くにあるすべての電流を運ぶ導体の合計になります。誘導される電流の量は、近くの電流の大きさと距離によって異なります。産業用モーターや変圧器などの高出力機器が存在すると、干渉が増加する可能性があります。グランド ループを構成する導体の抵抗は通常非常に低く、多くの場合 1オーム未満であるため、弱い磁場でも大きな電流を誘導できます。

2 つのデバイスを接続する信号ケーブルの接地導体はケーブルの信号パスの一部であるため、ケーブルを流れる交流接地電流が信号に電気干渉を引き起こす可能性があります。ケーブル接地導体の抵抗を流れる誘導交流電流により、ケーブル接地全体で小さな AC 電圧降下が発生します。これは、次のステージの入力に適用される信号に追加されます。オーディオ機器では、50 Hz または 60 Hz の干渉がスピーカーからハム音として聞こえる場合があります。ビデオ システムでは、歪みや同期の問題が発生する可能性があります。コンピューター ケーブルでは、データ転送の速度低下や障害を引き起こす可能性があります。

グランド ループは、設計上の欠陥として、電子機器の内部回路内に存在することもあります。

機器筐体がすでに接地されているシステムに信号相互接続ケーブルを追加すると、接地ループが発生する可能性があります。このようなシステムを適切に設計すると、安全接地要件と信号整合性の両方が満たされます。このため、レコーディングスタジオなどの大規模なプロフェッショナル設備では、機器ベイに完全に独立した 2 つの接地接続を提供する場合があります。1 つは露出した金属部分に接続する通常の安全接地で、もう 1 つはケーブル スクリーンなどの技術的接地です。^[2]

回路図は単純なグランド ループを示しています。回路 1 (左) と回路 2 (右) は、抵抗 のグランドへの共通パスを共有しています。理想的には、このグランド導体には抵抗がなく ( )、その両端に電圧降下がなく ( )、回路間の接続点が一定のグランド電位に保たれます。その場合、回路 2 の出力は単純に になります。 ${\displaystyle \scriptstyle R_{G}}$${\displaystyle \scriptstyle R_{G}=0}$${\displaystyle \scriptstyle V_{G}=0}$${\displaystyle \scriptstyle V_{\text{out}}=V_{2}}$

ただし、この接地導体に抵抗 ( ) がある場合は、と電圧分割器を形成します。その結果、回路 1 から電流( ) が流れると、の両端で電圧降下が発生し、共有接地接続が実際の接地電位ではなくなります。接地導体の両端の電圧は回路 2 に適用され、その出力に追加されます。${\displaystyle \scriptstyle R_{G}>0}$${\displaystyle \scriptstyle R_{1}}$${\displaystyle \scriptstyle I_{1}}$${\displaystyle \scriptstyle R_{G}}$${\displaystyle \scriptstyle R_{G}}$${\displaystyle \scriptstyle V_{G}\;=\;I_{1}R_{G}}$$${\displaystyle V_{\text{out}}=V_{2}-V_{G}=V_{2}-{\frac {R_{G}}{R_{G}+R_{1}}}V_{ 1}.\,}$$

したがって、2 つの回路は互いに分離されなくなり、回路 1 が回路 2 の出力に干渉を引き起こす可能性があります。回路 2 がオーディオ システムで、回路 1 に大きな AC 電流が流れている場合、干渉はスピーカーで 50 Hz または 60 Hz のハム音として聞こえる可能性があります。また、両方の回路の接地部分には電圧があり、接触すると感電の危険が生じる可能性があります。これは、回路 2 がオフになっている場合でも当てはまります。 ${\displaystyle \scriptstyle V_{G}}$

グランド ループは電気機器のグランド導体で最も頻繁に発生しますが、2 つ以上の回路が共通の電流経路を共有する場所でも同様のループが発生する可能性があり、十分な電流が流れると導体に沿って同様の問題のある電圧降下が発生する可能性があります。

一般的なタイプのグランドループは、実験室やレコーディングスタジオの機器、または家庭用コンポーネントのオーディオ、ビデオ、コンピュータシステムなどの電子部品間の相互接続の不具合が原因で発生します。これにより、接地配線回路に意図しない閉ループが作成され、50/60 Hzの漂遊AC電流が誘導され、信号ケーブルの接地導体を流れる可能性があります。^{[3] [4] [5] [6]}これらの電流によって引き起こされる接地システムの電圧降下が信号パスに追加され、出力にノイズとハムが導入されます。複数のコンポーネントが電源コードの保護アース（3番目のワイヤ）を介して接地されている場合、ループには建物のユーティリティ配線接地システムが含まれる可能性があります。

電気機器のグランドループ、グランドノイズ、ハムの症状は、ケーブルのグランドまたはシールド導体に流れる電流によって引き起こされます。図1は、一般的なラインドライバとレシーバアンプ（三角形）を含む2つの電子部品をリンクする信号ケーブルSを示しています。^{[5]ケーブルには、各コンポーネントのシャーシグランドに接続されたグランドまたはシールド導体があります。コンポーネント1} （左） のドライバアンプは、ケーブルの信号導体とグランド導体の間に信号V _{1を適用します。宛先端}（右）では、信号導体とグランド導体は差動増幅器に接続されています。これにより、信号電圧からシールド電圧を減算してコンポーネント2への信号入力が生成され、ケーブルが拾った コモンモードノイズが除去されます。$${\displaystyle V_{2}=V_{\text{S2}}-V_{\text{G2}}\,}$$

別のソースからの電流Iが接地導体を流れる場合、導体の抵抗Rによってケーブルの接地IRに沿って電圧降下が発生し、接地導体の目的の端はソース端とは異なる電位になります。 差動増幅器は高インピーダンスであるため、信号線にはほとんど電流が流れず、電圧降下はありません。接地電圧は信号電圧V ₁ と直列になり、信号電圧V 1に加算されます。 $${\displaystyle V_{\text{G2}}=V_{\text{G1}}-IR\,}$$${\displaystyle V_{\text{S2}}=V_{\text{S1}}\,}$$${\displaystyle V_{2}=V_{\text{S1}}-(V_{\text{G1}}-IR)\,}$$ $${\displaystyle V_{2}=V_{1}+IR\,}$$

Iが AC 電流の場合、コンポーネント 2 の信号パスにノイズが追加される可能性があります。

このセクションの図は、接地された電子部品C1とC2 を接続する信号ケーブルSによって発生する典型的な接地ループを示しています。ループは、部品の金属シャーシを介して電源コードの接地線Pに接続された信号ケーブルの接地導体で構成され、電源コードは、建物のユーティリティ接地線システムGを介して接続されたコンセントの接地に差し込まれています。

接地経路内のこのようなループは、主に次の 2 つのメカニズムによって信号ケーブルの接地に電流を引き起こす可能性があります。

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  グランドループ電流は、交流電気配線の周囲に常に存在する漂遊交流磁界^{[5] [7]} (B、緑)によって誘導されることがあります。グランドループは、数平方メートルの大きな面積を持つ導電性ワイヤループを構成します。ファラデーの電磁誘導の法則によると、ループを通過する時間変動磁束はループ内に起電力(EMF) を誘導し、時間変動電流が流れます。ループは短絡した単巻変圧器巻線のように動作し、近くの変圧器、電動モーター、または隣接する電力配線からの交流磁束は、誘導によってループ内に交流電流を誘導します。一般に、ループが張る面積が大きいほど、またループを通過する磁束が大きいほど、誘導電流が大きくなります。その抵抗は通常非常に低く、多くの場合 1オーム未満であるため、誘導電流は大きくなります。

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  グランド ループ電流のもう 1 つのあまり一般的ではない発生源は、特に高出力機器の場合、電力線のホット側からグランド システムへの電流の漏れです。^{[3] [8]}抵抗性漏れに加えて、低インピーダンスの容量性または誘導性結合によっても電流が誘導されます。これらの電流による電圧降下により、異なるコンセントの接地電位は 10 ～ 20 ボルトも異なる場合があります^{[4] 。この図は、電気モーター}Aなどの機器からの漏れ電流が、建物のグランド システムGを通ってサービス パネルのユーティリティ グランド ボンディング ポイントにある中性線に流れている様子を示しています。コンポーネントC1とC2 の間のグランド ループにより、電流の 2 番目の並列パスが作成されます。^[8]電流は分岐し、一部はコンポーネントC1、信号ケーブルS のグランド導体、C2 を通過し、コンセントを通ってグランド システムGに戻ります。この電流によるケーブルのグランド導体での AC 電圧降下により、コンポーネントC2にハムまたは干渉が発生します。^[8]

グランド ループ ノイズの解決策は、グランド ループを切断するか、電流が流れないようにすることです。いくつかの方法があります。

• グランドループに関係するケーブルを束ねたり、蛇行させたりします。^[3] グランドループは依然として存在しますが、ループの両側が接近しているため、漂遊磁場によって両側に等しい電流が誘導され、相殺されます。

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  信号ケーブルのシールド導体に切れ目を入れます。^[5] 切れ目は負荷端で行う必要があります。これはしばしばグランドリフティングと呼ばれます。これは最も簡単な解決策で、グランド電流がループのもう一方のアームを流れるようにします。サウンドシステムコンポーネントの中には、入力にグランドリフティングスイッチがあり、グランドを切断するものがあります。この解決策の問題点は、コンポーネントへのもう一方のグランドパスが削除された場合、コンポーネントが接地されなくなり、漂遊漏れ電流によって出力に大きなハム音が発生し、スピーカーが損傷する可能性があることです。

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   負荷端のケーブルシールド導体に約10 Ωの小さな抵抗器を配置します。 ^[5] これは、磁場誘導電流を減らすのに十分な大きさですが、他の接地パスが削除された場合でもコンポーネントを接地したままにできるほど小さいです。高周波システムでは、この解決策はインピーダンスの不整合とシールドへの信号の漏洩につながり、そこから放射されてRFIが発生する可能性があります。または、同じメカニズムを通じて対称的に、外部信号またはノイズがシールドによって受信され、目的の信号に混合される可能性があります。

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  ケーブルにグランドループ絶縁トランスを使用します。 ^{[4] [5]} これは、コンポーネント間の DC 接続を切断しながらライン上の差動信号を通過させるため、最良の解決策と考えられています。 1 つまたは両方のコンポーネントが接地されていない場合でも、ノイズは発生しません。 より優れた絶縁トランスは、2 セットの巻線の間に接地シールドを備えています。 トランスは一般に、周波数応答に歪みをもたらします。 関連する周波数範囲用に特別に設計されたトランスを使用する必要があります。オプトアイソレータはデジタル ラインに対して同じタスクを実行できますが、信号遅延が発生します。
• コンピュータ部品などの高周波ノイズを発生する回路では、次の機器 (コンピュータなど) への終端の直前のケーブルの周りにフェライト ビーズ チョークを配置します。これらは高周波でのみ高インピーダンスを示すため、無線周波数およびデジタル ノイズを効果的に阻止しますが、50/60 Hz ノイズにはほとんど効果がありません。
• C1 と C2 を接続する信号ケーブルのシールドを強化するために、シールドに平行に厚い銅導体を接続します。これにより、シールドの抵抗が低減され、不要な信号の振幅が低減されます。
• レコーディング スタジオで使用される手法では、すべての金属シャーシを銅ストリップなどの太い導体で相互接続し、建物のアース線システムに1点で接続します。これは、スター接地またはシングル ポイント接地と呼ばれます。ただし、家庭用システムでは、通常、複数のコンポーネントが 3 線式電源コードを介して接地されるため、マルチポイント接地になります。
• 1 つまたは複数の回路にバッテリー電源を供給すると、デバイス全体が主電源から切断されるため、グランド ループを回避できます。

アマチュアが時々使用する危険な手法は、プラグのアースピンを取り外したり、チータープラグを使用したりして、コンポーネントの電源コードの3番目のワイヤアース導体Pを切断することです。これにより、コンポーネントの1つが接地されていない状態になり、感電の危険が発生します。^{[4] [5]}

より包括的な解決策は、差動信号方式を採用した機器を使用することです。グランド ノイズは、グランドまたはシールド導体が信号パスの片側として機能するシングルエンド信号方式でのみ信号パスに入り込みます。信号が 1 組のワイヤに沿って差動信号として送信され、そのどちらもグランドに接続されていない場合、信号ラインに誘導されるグランド システムからのノイズは、両方のワイヤで同一のコモン モード信号になります。宛先端のライン レシーバーは差動信号、つまり 2 つのライン間の電圧差にのみ応答するため、コモン モード ノイズはキャンセルされます。したがって、これらのシステムは、グランド ノイズを含む電気ノイズの影響を非常に受けません。プロフェッショナルおよび科学機器では、多くの場合、平衡ラインで差動信号方式が使用されます。

たとえば、家庭用HiFiシステムで、接地されたターンテーブルと接地されたプリアンプがフォノ コネクタを使用して薄いシールド ケーブル (ステレオ システムの場合は複数のケーブル) で接続されている場合、ケーブル シールドの銅の断面積は、ターンテーブルとプリアンプの保護接地導体の断面積よりも小さくなる可能性があります。そのため、ループに電流が誘導されると、信号グランド リターンに沿って電圧降下が発生します。これは必要な信号に直接加算され、不快なハム音が発生します。たとえば、ローカル電源周波数で 1 mA の電流がグランド ループに誘導され、信号ケーブルのシールドの抵抗が 100 mΩ の場合、電圧降下は = 100 μV になります。これは、ムービング コイルピックアップ カートリッジの出力電圧のかなりの部分を占め、カートリッジ出力に不快なハム音を生じさせます。^[a]${\displaystyle I}$${\displaystyle R}$${\displaystyle V=I\cdot R}$

音響強化システム、拡声システム、楽器用アンプ、レコーディング スタジオ、放送スタジオ機器などのより複雑な状況では、主電源機器に多数の信号源があり、他の機器に多数の入力を供給しているため、相互接続によってハム問題が発生する可能性があります。保護接地導体を取り外してこれらの問題を解決しようとすると、感電の危険が生じます。ハム問題の解決は信号の相互接続で行う必要があり、これは主に 2 つの方法で行われ、これらを組み合わせることもできます。

絶縁は、ハムの問題を解決する最も迅速で、最も静かで、最も確実な方法です。信号は小型のトランスによって絶縁され、ソース機器と宛先機器はそれぞれ独自の保護接地接続を保持しますが、信号パス内で一方から他方へのスルー接続はありません。トランスがすべてのアンバランス接続を絶縁することにより、アンバランス接続がバランス接続に変換されます。オーディオなどのアナログ アプリケーションでは、トランスの物理的制限により、帯域幅が制限され、歪みが追加され、信号が劣化します。

バランス接続では、信号が差動である間、グランド ループ電流によるスプリアス ノイズがコモン モード干渉として認識され、宛先で高いコモン モード除去比を持つ回路によって分離されます。この除去は、トランスフォーマーまたは半導体出力ドライバーとライン レシーバーを使用して実行できます。

オーディオ信号のデジタル処理と伝送の傾向が高まるにつれて、小型パルストランス、オプトカプラ、光ファイバーによる完全な絶縁がより有用になってきています。S /PDIF、AES3、TOSLINKなどの標準プロトコルは比較的安価な機器で利用でき、完全な絶縁が可能なので、特にオーディオ システムとコンピューターを接続するときに、グラウンド ループが発生することはありません。

計測システムでは、測定対象パラメータに対する誘導AC信号の影響を最小限に抑えるために、コモンモード除去比の高い差動入力が広く使用されています。電源周波数とその低調波に狭いノッチフィルタを導入することも可能ですが、オーディオシステムでは、必要な信号に不快な可聴効果を与えるため、これを行うことはできません。

アナログ ビデオでは、電源ハムは、画面を垂直にスクロールするハム バー(わずかに異なる明るさの帯)として表示されます。これは、ディスプレイ デバイスのケースが 3 ピン プラグを介して接地され、他のコンポーネントがCATV同軸に接続されたフローティング グラウンドになっているビデオ プロジェクターでよく見られます。この状況では、ビデオ ケーブルはプロジェクター側で家庭の電気システムに接地され、もう一方の端はケーブル テレビのアースに接続されているため、ケーブルに電流が流れ、画像が歪んでしまいます。この問題は、CATV RF フィードに絶縁トランスを使用することで最も効果的に解決できます。これは、一部の CATV ボックス設計に含まれている機能です。

テレビの同軸ケーブルのグランド ループの問題は、受信機などの接続されたオーディオ デバイスに影響を及ぼす可能性があります。たとえば、ホーム シアター システムのすべてのオーディオおよびビデオ機器が同じ電源コンセントに接続され、同じアースを共有している場合でも、テレビに入る同軸ケーブルはケーブル会社によって家の電気アースとは異なるポイントにアースされている可能性があり、グランド ループが発生し、システムのスピーカーで不要な電源ハム音が発生します。

一般的にデータをシリアルで伝送するデジタル システム ( RS-232、RS-485、USB、FireWire、DVI、HDMIなど) では、信号電圧は接続ケーブル スクリーンに誘導される電源周波数 AC よりもはるかに大きくなることがよくあります。リストされているプロトコルのうち、RS-232 だけがグランド リターン付きのシングルエンドですが、これは通常 + および - 12V の大きな信号であり、その他はすべて差動です。

差動信号では、信号が放射されないように、またグランド ループから誘導されるノイズがコモン モード信号であり、差動受信機で除去できるように、バランス ラインを使用する必要があります。

イーサネット10BASE-T、100BASE-TX、1000BASE-Tなどの多くのデータ通信システムでは、マンチェスター コードなどのDC バランスエンコーディングが使用されます。ほとんどの設備で発生するグランド ループは、信号絶縁トランスを使用することで回避されます。

他のシステムでは、接続ケーブルの両端付近または機器の境界のすぐ内側に小さなフェライト コアを取り付けることで、データ周波数でのグランド ループを遮断します。これにより、差動信号に影響を与えることなく、不平衡電流の流れを抑制する コモン モード チョークが形成されます。

無線周波数で使用される同軸ケーブルは、フェライト コアに数回巻き付けられ、有効な量のコモン モード インダクタンスが追加されることがあります。これにより、ケーブル シールドに沿った不要な高周波コモン モード電流の流れが制限されます。

電力を伝送する必要がなく、デジタル データのみを送信する場合、光ファイバーを使用すると、多くのグラウンド ループの問題、場合によっては安全性の問題も解消できます。光アイソレータまたはオプトカプラは、グラウンド ループの分離、および多くの場合は安全性の分離を提供するために頻繁に使用され、障害の伝播を防ぐのに役立ちます。

一般的に、回路のアナログ部分とデジタル部分は PCB の別の領域にあり、それぞれにグランド プレーンが設けられ、必要な低インダクタンス グランドを実現し、グランド バウンスを回避します。これらは、慎重に選択されたスター ポイントで結ばれます。アナログ/デジタル コンバータ(ADC) が使用されている場合、スター ポイントは ADC のグランド ターミナルと同じか、非常に近くに設定する必要があります。位相ロック ループ回路は、ループがロックされているときにVCOループフィルタ回路がサブマイクロボルトの信号で動作し、何らかの障害が発生すると周波数ジッタが発生し、ロックが失われる可能性があるため、特に脆弱です。

接地とグランド ループの可能性も、回路設計において重要な考慮事項です。多くの回路では、グランド プレーンに大電流が流れ、回路のさまざまな部分でグランド基準の電圧差が生じ、ハムやその他の問題が発生する可能性があります。グランド ループを回避し、適切な接地を保証するための手法があります。

• 外部シールドとすべてのコネクタのシールドは一緒に接続する必要があります。
  • 設計内の電源が分離されていない場合は、この外部シャーシ グランドをPCBのグランド プレーンに1 点で接続する必要があります。この 1 点接続により、PCB のグランド プレーンを流れる大電流を回避できます。
  • 設計で絶縁電源を使用する場合、この外部グランドは、2 kV で 2200 pF などの高電圧コンデンサを介して PCB のグランド プレーンに接続する必要があります。
  • コネクタが PCB に取り付けられている場合、PCB の外周にはコネクタのシールドに接続する銅ストリップが必要です。このストリップと回路のメイン グランド プレーンの間には銅の切れ目が必要です。この 2 つは 1 点のみで接続する必要があります。こうすることで、コネクタ シールド間に大電流が流れても、回路のグランド プレーンを通過することはありません。
• ループを避けるために、地上配線にはスター トポロジを使用する必要があります。
• 高電力デバイスは電源に最も近い場所に配置し、低電力デバイスは電源から離れた場所に配置するとよいでしょう。
• 信号は可能な限り差動にする必要があります。
• 絶縁電源では、入力電源またはコネクタに存在する AC がグランド プレーンまたはその他の内部信号に渡される可能性がある寄生、コンポーネント、または内部 PCB 電源プレーンの容量を慎重に考慮する必要があります。AC は、I/O 信号を介してソースに戻るパスを見つける場合があります。

• 地球の電位上昇
• ファントムサーキット
• シース電流
• 漂遊電圧
• 地電流

• Whitlock, Bill. 「Signal Purity」。Sound & Video Contractor。2004 年 9 月 17 日時点のオリジナルよりアーカイブ。

 この記事には、連邦規格 1037Cのパブリック ドメイン マテリアルが組み込まれています。一般調達局。2022 年 1 月 22 日にオリジナルからアーカイブされました。