GNDの配線方法  4、外部接続時の問題点
 
GND問題に関して、ここでは機器間のGND電位差による影響(外部インターフェース)の問題を取り上げます。

●外部機器を通じてのAC電源からのノイズ流入

理想的には、接続する全ての機器のGND電位は大地アースと等しく、相互に接続してもGND-GND間に信号リターン以外の電流は流れないのが望ましいのですが、実際は交流100Vで動作するので各機器のGNDにはAC100Vからの浮遊容量を通じた漏れ電流が流れ込んでいます。

古典的なオーディオ機器では、電源に50/60Hzのトランスを使い、巻線は1次と2次で絶縁されているのでACとの結合容量は数100pF程度であり、漏れ電流も非常に小さいのであまり問題はありませんでした。(この小さな漏れ電流でさえ音質に与える影響はあり、ACプラグ極性で音の差は存在する。)

ところが、映像機器の場合はコストダウンのために1次ダイレクトのスイッチング電源を使うのが当り前で、100Vラインとは0.01uF程度のコンデンサ(Yコンと呼ばれる)で直接繋がっています。これが1個だけなら漏れ電流は規制値の0.5mA以下に納まるのですが、レコーダー、HDD, DVD, TV, PC, ゲーム機・・と繋がっていると、電流はどんどん増えます。

全部の機器が同じコンセントならGND電位がAC50Vになるだけですが、家庭用のACは単相3線式で逆位相のコンセントもあり、これと繋いだ機器とのGND電位差はAC100Vになります。(小容量のCを通じてなので、感電はしない)


●映像機器など、複数のケーブルが同時接続される時の問題点

例えば、AVアンプの映像端子にTV、音声入力にDVDプレーヤーをつないだ状態で、両者のコンセントの極性が異なると、ACからの漏れ電流はTVの映像ケーブルからAVアンプを通り、DVDプレーヤーの信号ケーブルのGNDを通っていきます。
信号ケーブルのGND側の抵抗値が0.1Ωとして、1mAの電流が流れると0.1mVのノイズ電圧がDVDプレーヤーの信号に加わります。(安物の簡易シールドのケーブルだともっと悪化)この値は小さいですが、ボリュームを上げると聞こえるかも知れません。

さらに、TVアンテナなど通信ケーブルが接続される機器は、家の中全部の繋がれた物のAC漏れ電流が流れてきます。アンテナのケーブルが共聴だと他人の家の家電までGNDを共有する事になってしまいます。試しに家のアンテナケーブルと受信機器のアンテナ端子GNDを暗くした部屋で接触させてみてください。結構な火花が飛ぶのが観測されます。


●基本的な対策法

・AC極性を合わてGND電位を平均化する
 何も信号線を繋がない状態で、大地アース(アルミサッシの窓枠など)とシャーシGNDの電圧をデジタル式のテスター(ACレンジ)で計ります。プラグの極性を変えてみて電圧の小さい方を選ぶ。(1次ダイレクトの場合はどちらも同じことが多いが、トランス式の場合は変化する)

大地アースの基準が取れない時は、自分の体を基準(テスターの一方を手で掴む)にしても良いが、立つ位置で電圧が変化するので注意。

・映像機器とHiFi音声機器とを分ける
 1次ダイレクトのスイッチング電源を使うのは大抵が映像関連機器なので、音質重視するHiFi機器とはシステムを分ける(音声ケーブルを接続しない)のも効果があります。

・AC絶縁トランスを使う
 映像系の機器の電源をひとまとめにして、100V-100Vの絶縁トランスから取ることでGNDへのAC漏れ電流を遮断する。大型TV以外なら100VA程度の小容量のトランスで済みます。


●分離が困難な場合(共聴アンテナや映像機器と接続)の対処法

TVも含めて映像系の機器とAVレシーバーでシステムを組む場合など、GNDを分離するのが困難な場合は「全部つながった状態のGND電位」を基準にするしかありません。
対地電圧がAC50Vになったとしても、「それがGND」なのです。

コンセントのアース端子に繋げば対地電圧を大地アースと同電位に出来そうに思いますが、そうするとACラインから大地アースに対して漏れ電流が流れます。
国内の漏電ブレーカーの最低動作電流は5mA以上なのですぐにブレーカーは落ちませんが、電気設備の点検の人から「少し漏電していますよ」と指摘されてしまいます。

映像機器のGNDからの電流を遮断できない場合の対処方法として、太いワイヤで機器の端子GNDポイント近くのシャーシからアースを出し、相手のシャーシと接続する方法があります。
低インピーダンスでバイパスすることにより、信号線のGNDに流れる電流を低減します。全ての接続機器のアースを繋げなくても、音声を増幅するアンプと最も重視する音源機器だけを繋いでも効果は十分あります。

この方法は、本来の接続ケーブルと外部アースワイヤで新たなGNDループを作るので場合によっては危険なやり方です。でも、映像機器は音声LRだけでなく映像信号など多数のケーブルを同時に接続するので、すでに多数のGNDループは発生しており、追加したアースラインと接続ケーブルで形成するループの面積を小さくすれば問題ありません。

前提として、映像信号ケーブルと音声ケーブルで形成されるGNDループの面積を小さくしておくのは大原則。


●どの機器のGNDを基準とするべきか

言うまでもなく、「最も音質を重視する機器」の信号送り出し側のGND電位を基準とすべきです。相互接続によるAC電流流入の影響が及ばないように、信号ケーブルの接続を配慮する。

例えば、DVDプレーヤーの出力をAVアンプに入力する時は映像出力もAVアンプに通してからTVに繋ぐ。(映像出力をTVに直接繋ぐとTVからノイズが流入してしまう。)
GNDループの面積を最小にするには、核となる機器から放射状に配線して枝から枝への直接の接続は避けます。3つ以上の機器をループで接続すると、非常に大きな面積のGNDループが発生してしまうのです。
さらに、機器間のケーブルは1台あたり1束にまとめてループ面積を減らすと良い。


●信号の差動伝送(差動入力)が最終解となるか?

様々な機器が混在している中で、信号を正確に伝えるにはバランス伝送が最適です。
(GND電位差が発生しても信号の±が正しく伝わっていれば除去される。)

全ての機器をバランス接続できればそれで完了ですが、アンバランスの出力しかない機器も多数存在します。その場合、「送り出し」側はアンバランスでも「受け側」でバランス受けすれば十分に「差動伝送」になり、GND電位差は除去可能です。

いわゆる「準・差動接続」は、次のような形で実現できます。

2芯のシールドケーブルの外皮をGND電位接続に使い、送り出し側の信号とGNDの2点からそれぞれ配線を使って伝送し、差動で受けます。
(図はシングルエンド変換だが、信号源抵抗でCMRRが劣化しないように計装アンプ式の差動受けが最良)

ケーブルの外皮でGNDループが出来るが、ここに電流が流れて電圧降下が発生してもキャンセルされるので全く問題ない。
要は「送り出し側」の信号が正しく伝われば良いのです。

接続ケーブルの形状としては、送り出し側はRCAピン(ケーブルの外皮と信号-をここでショート)で、受け側はキャノン(バランスタイプ)でもRCAピン(ケーブルの外皮と信号-を分けて個別に接続できるように加工した特別仕様)でも良い。

このような接続形態であれば、シャーシ間に流れるACからの電流も信号に影響しないので機器間接続でのGNDループ問題を考えなくても良くなります。


ややトリッキーな応用ですが、次の図のように差動受けなしでも「準・差動接続」は可能。

「複数CHでGNDを共有する場合の設計法」で説明した、”主信号ラインにバッファアンプを追加しない方法”を併用し、まずは信号源側のGND基準で増幅し、GND電圧差のキャンセルを信号源側と最終出力GND側の差分へ拡張することで、入・出力の両方のGND問題を一気に解消出来る。(信号源GND電位を固定する為にS-GNDの配線が追加必要。)

この方法ではNFB抵抗のリターン電流を信号源近くまで戻すので、長く引き回す事は出来ません。近距離で太い線で配線できる7.1chのAVアンプの内部伝送のような用途が最適。

伝送距離が長い場合はGND電位伝送ラインに電流を流さない為に、このようになります。

ここまで追加アンプが増えると、本格的な計装アンプ構成での完全差動受けとあまり変わらない規模になってしまいますが、対策としての効果はほぼ同じ。

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