UPS回路完全解説：無停電電源装置の仕組みと自作ガイド

Statistaによると、2019年に10カ国が最高品質の電力供給で首位タイでした。しかし、一流の電力供給インフラを持つ国でも、バックアップを用意しておくことは常に良いことです。メンテナンスや設備損傷により停電が発生する可能性があります。そこに登場するのが、無停電電源装置（UPS）回路とユニットです。これは非常灯回路を持つようなものです。以下のガイドでは、UPS回路とは何か、どのように役立つかを探ります。

UPSとは？その仕組み

UPSは、シームレスで中断のないバックアップ電力を提供する電気デバイスです。UPSは、商用電源の停止や入力電源への割り込みがあるとすぐに作動します。したがって、パーソナルコンピューターと併用すると便利です。本質的に、UPSはデスクトップコンピューターにノートパソコンと同じ利点を与えます。データ損失とPCへの損傷から守ってくれます。

出力電力への割り込みがあるとすぐにUPSが作動するため、機器を安全にシャットダウンする十分な時間があります。しかし、通常UPSは短期間の一時的な使用となります。その結果、データが失われることはありません。

あるいは、組織はバックアップジェネレーターが動作し始めるまで電気機器を稼働させるためにUPSを使用することもあります。UPSユニットは、電圧歪みとサージに対するサージ保護も提供します。したがって、組織は通常のバックアップソリューションとともにUPSソリューションを統合する必要があります。

UPSには複数のバッテリーが含まれています。電力損失や電圧低下を検出すると、負荷をバッテリーに移します。また、インバーターを使用してDC電圧をAC電圧に変換し、出力デバイスに供給します。

UPSの主な種類

テーブル上のバックアップ電源UPS（バッテリー分離）

UPSユニットと回路にはさまざまなシステムと設計があります。しかし、主に3つのタイプがあります。このセクションではこれらのバリエーションについて説明します。

単一変換システム

単一変換システムは、最もシンプルで最も一般的なUPS回路タイプです。そのため、個人も組織もITインフラストラクチャとシステムで使用する傾向があります。電力は単一変換UPSを通り、電気機器に供給されます。

UPSは入力電圧を監視します。電力障害やAC入力が電力要件を下回ることを検出すると、UPSはインバーターを通じてバッテリーから電流を引き出し始めます。また、バックフィードを防ぐためにAC電力入力を切断します。これは接続された機器への損傷を引き起こす可能性があります。

それでも、UPSはバッテリーが切れるか、AC商用電圧が使用可能な状態に戻るまで、電子機器に非常用電力を供給し続けます。

単一変換システムには2つの主要なタイプがあります：

スタンバイ/オフラインUPS： これらは最も標準的な単一変換UPSユニットです。この構成では、電気機器が商用電源から直接着信電力を受け取りながら、UPSがそれを監視します。電力サージや障害が発生すると、スタンバイUPSは機械的にバッテリー電源に切り替え、出力電圧を電気機器に供給します。切り替え時間はほぼ不可視です。最大25ミリ秒程度です。本質的に、スタンバイUPS回路は基本的なサージ保護とバックアップバッテリー電力を提供します。

オフラインUPS回路

ラインインタラクティブ/オンラインUPS： これらのタイプのUPSは、オフラインUPSよりもより洗練された機能を提供します。電力状態を監視し、機器が適切な電力供給を引き出せないときに電圧を調整します。トランスを使用して実際の商用電力を昇圧または降圧し、センシティブな機器に一定電圧を供給します。トランスに加えて、充電式バッテリーバックアップも備え、停電から守り、無停電電源を確保します。

ラインインタラクティブUPS図

二重変換システム

二重変換UPSシステムは電流を2回変換します。最初に、これらの優れたデバイスは入力整流器を使用してAC入力電源をDC電力に変換します。次に、UPSは現在を出力インバーターに供給します。インバーター段が電流をAC出力に変換し、電子機器に供給します。このプロセスにより、機器はクリーンで信頼性が高く、中断のない電力を受け取ります。これはセンシティブな機器にとって不可欠です。

これは商用電源からAC入力を受信している間のみ行われます。着信ユーティリティ電力の電流定格が完全に低下した場合、UPSは内部充電式バッテリー電力を機器に使用します。したがって、商用電力が正常に戻るか、内部バッテリーが切れるまでこれを行います。UPS回路構成のタイプは通常、ラインインタラクティブ（オンライン）タイプのみです。

二重変換UPS図

出典：Commons Wikimedia

マルチモードシステム

これらの構成は、両方のシステムタイプ（単一変換と二重変換）の機能と特徴を組み合わせています。しかし、いくつかの改善も提供します。

通常の状況では、マルチモードUPSは通常のラインインタラクティブUPSとして機能します。入力電力が設定定格を下回るか上回ると、UPSは二重変換モードに切り替わります。電力が故障するか、二重変換方式で処理できる範囲を超えると、バッテリーモードに切り替わります。

マルチモードシステムは機器に最大の保護を提供します。しかし、AC入力電力とバッテリー電力の間の切り替え時間がかなり長くなる可能性があります。しかし、ほとんどの場合、依然としてほぼ瞬時の保護を提供します。

デルタ/マルチ変換UPS図

出典：Commons Wikimedia

独自のUPS回路を作るには？

トランス付きUPS回路

出典：Commons Wikimedia

電子工作愛好家の方なら、UPSを購入する必要はありません。代わりに、カスタム応答時間で独自のUPSとインバーター回路を作成できます。このセクションではその方法を紹介します。初心者に最適なシンプルなUPS回路です。

部品リスト

• BD139 NPNバイポーラ中電力トランジスタ 100V 1.5A (Q1)
• 1K 0.5W抵抗 ×2 (R1, R2)
• 1000µF, 25V ミニチュアラジアル電解コンデンサ (C1)
• 100µF, 25V ミニチュアラジアル電解コンデンサ (C2)
• 8.2V 0.5W ツェナーダイオード (ZD1)
• 1000V 1A 2ピン DO-41 ダイオード 1N4007 ×5 (D1, D2, D3, D4, D5)
• 0.5A 10V トランス (T1)
• 1.5V 単3電池 ×5 (B1)
• 0.5A ヒューズ (F1)

原理と手順

前述の通り、このプロジェクトは小規模でシンプルです。PCBの製作は不要です。したがって、はんだ付けも不要です。ブレッドボードでこのUPS回路を構築できます。5個の単31.5V電池を使用すれば、5V〜7Vのバックアップを提供します。

この回路は2つの異なる電源を使用できます。AC入力とバッテリーを使用します。ただし、入力電力用のアダプターを追加する必要があります。バッテリーは第5の1N4007ダイオード（D5）と直列に接続されます。これにより、バッテリー電圧が6.8Vに低下します。

AC入力電力構成では、4個の1N4007ダイオードを使用してブリッジ整流器（ダイオードブリッジ）を作成します。AC入力はヒューズと直列のスイッチに接続します。次に、両方をトランスに配線し、ダイオードブリッジに接続します。

次に、ダイオードブリッジの出力を直列に1000µFコンデンサ（C1）と1k 0.5W抵抗（R1）に接続します。トランジスタとともに、100µFコンデンサ、ツェナーダイオード、第2の抵抗を持つ集積回路に接続します。

UPSはこの部分の構成を使用して充電式バッテリーに電力を供給します。また、トランジスタは7ボルト、500ミリアンペアで出力電流を出力します。

設計で実験や工夫ができます。さらに、コンポーネントを追加または削除してシンプルにできます。それでも、このプロジェクトはかなりシンプルだとお分かりいただけるでしょう。

独自のUPS回路を構築するベースとして使用できる、いくつかのシンプルなUPS回路図を紹介します：

UPSとインバーターの違いは？

インバーターは、DC電気をAC電気に変換する電気装置です。前述の通り、UPSユニットはインバーターをその機能の不可欠なコンポーネントとして利用します。しかし、インバーターは単体デバイスまたはコンポーネントとして見つけることもできます。

よくある質問

UPSはインバーターより優れていますか？

UPSユニットとインバーターは、全く異なる機能を果たす完全に異なるデバイスです。したがって、UPSがインバーターより優れているとは言えません。しかし、ほとんどのUPSユニットはインバーターをコンポーネントとして使用しています。

UPSはどのくらいの時間動作しますか？

UPSが動作する時間は、バッテリーの容量と必要な負荷に依存します。しかし、UPSは停電への一時的な解決策であることを覚えておくことが重要です。また、停電以外の入力電力割り込みに対する追加保護も提供します。しかし、発電機が稼働するまで、機器に数分間の電力を提供することを目的としています。

UPSは何ワット消費しますか？

一般的に、これはUPSの電力定格に依存します。ほとんどの場合、UPSはフルロードで最大200ワットまで使用できます。

UPSはACをDCに変換しますか？

UPSにはDCをAC電力に変換するインバーターがあります。しかし、バッテリーを充電するために、UPSはAC電力をDC電力に変換することもあります。

テーブル上のバックアップ電源UPS（バッテリー分離）

結論

UPSはあらゆる組織にとって定番のテクノロジーです。このガイドのこの地点までお読みいただければ、それらを会社のインフラストラクチャに組み込むことがなぜ不可欠か理解していただけるでしょう。しかし、一般の方も家電製品やコンピューターを保護するために使用できます。いずれにせよ、このガイドをお楽しみいただけたことを願っています。いつもお読みいただき、ありがとうございます。