バッテリーバックアップ回路: 信頼性の高い電源ソリューション構築の完全ガイド

停電を経験したものの、自動的に別のバッテリー電源に切り替わった経験がある可能性が高いです。バックアップバッテリーは、主電源または外部電源がないシステムに電力を供給します。バックアップバッテリーは、無停電電源装置（UPS）用の大規模なバッテリールーム施設から、コンピュータ内の単一セルまで多岐にわたります。応用例としては、ソリッドステートドライブ、サーバー、目覚まし時計、医療アプリケーション、電力が保証される必要のあるいくつかのシステムがあります。この記事では、バッテリーバックアップ回路プロジェクトを紹介し、主なものは12V電源を用いたものです。

バッテリーバックアップ回路とは？

バッテリーバックアップ回路は、メイン電源がないときに負荷を即座にバッテリーに切り替える回路タイプです。しかし、メイン電源がある場合、負荷は電源に移行し、バックアップバッテリーは充電モードに入ります。

バッテリーバックアップ回路は、アラーム動作などの監視システムを構成するアプリケーションで最もよく見られます。したがって、コースのメインが故障すると、バッテリーバックアップが即座に負荷を引き受けます。

バッテリーバックアップ回路の回路図

図はバッテリーバックアップのシンプルな回路を示しています。機能面では：

• 7812 ICが回路に電力を供給する12Vの安定化DCを提供します。また、充電池を充電します。
• 次に、LEDが電源ステータスを表示します。
• メイン電源が利用可能な場合、D1が順方向バイアスとなり、R2を介してバッテリーに電流を流します。この場合、R2の値はゆっくり充電するために90mAの電流を与えるべきです。
• しかし、メイン電源がない場合、D2が順方向バイアスとなり、D1が逆バイアスとなります。その結果、回路をバックアップします。

バッテリーバックアップ回路を作成

以下の例を使用して、バッテリーバックアップ回路を作成しましょう。

バッテリーバックアップ付き12V電源

最初のDIYプロジェクトでは、12V電源を使用してバッテリーバックアップ回路を作成します。電源電圧があるとき、負荷はそのメイン電源に移行し、バッテリーは自動充電モードになります。しかし、メイン電源がないとき、回路は自動的に電流負荷をバッテリーに移行させます——バックアップ方法です。

準備する材料

回路のハードウェアコンポーネントには以下が含まれます：

• バッテリー – 12V 7.2Ah
• ツェナーダイオード – 9.1V または低電圧用ショットキーダイオード（0.4V）

• LM7812 IC（注: 原文のLM812は誤記の可能性、一般的なのはLM7812）
• リレー – 12V
• グリーンLED
• 降圧トランス – 110Vまたは230V ACから12V/1mA
• ブリッジ整流器 4個 – 1N4007
• コンデンサ – 1000µF/50V, 330µF, 100nF
• 抵抗 – 1kΩ (3個), 10kΩ, 470Ω
• スイッチ
• トランジスタ – 2N4401, 2N4403
• ダイオード 2個 – 1N4007と1N4148それぞれ

回路図

動作原理の説明

上記の回路は、12V電源の高度なスイッチモード技術の3つの部分で構成されます。

• 第一部は、バッテリーバックアップ回路に電力を供給する降圧トランスです。
• 第二部は、自動バッテリー充電器、12V 7.2Ahです。あるいは、より長いバッテリーバックアップのために12Ahまたは10Ahを使用できます。25または20Ahのシールド鉛蓄電池も推奨されますが、充電に時間がかかるためバックアップ時間が減少します。例えば、放電した20Ahバッテリーは完全充電に最大20時間かかることがあります。

バッテリーが完全に充電されると、回路は即座に動作を停止します。また、ここでのグリーンLEDはバッテリーが完全に充電されたかどうかを示します。

• 第三部は電圧レギュレータです。平滑コンデンサとIC LM7812を使用して、クリーンで固定された12Vのバックアップ電圧を提供します。

この回路は1Aの出力電流を生成し、1A未満の電流で動作するデバイスに適しています。

適切なダイオードと高アンペアトランスを使用して回路を改造することで、さらに高い電流を得ることができます。また、ICトランジスタで出力電流を変更できます。最終的に、回路はより高いアンペアのバッテリーをより速く充電します。

回路調整に関する注意点

回路を使用する前に、いくつかの調整が必要です。

• まず、回路を14.4Vの可変電源に接続します。
• 次に、トランスとバッテリーを取り外します。その後、最初にバッテリーがあった場所に電源を接続します。
• グリーンLEDが光るまで10kΩ可変抵抗を調整し続けます。
• 4番目のステップでは、可変電源を元のトランスとバッテリーに置き換えます。回路は充電モードに入ります。
• 充電中、バッテリー電圧が14.4Vに達したときにLEDが光るか確認します。マルチメータで電圧をチェックすることもできます。LEDが光らない場合、光るまで10kΩ可変抵抗を調整します。

• これで回路は使用準備完了です。

シンプルな5Vバックアップバッテリー回路

シンプルな5V回路は、中断のない電流源を維持する必要があるマイクロコントローラプロジェクトで適用可能です。

その動作は以下の通りです：

メインが故障すると、バッテリーが自動的に負荷を引き受けます。その後、メインが動作し始めると、バッテリーは充電モードに切り替わります。

バックアップの代替形態

バッテリーバックアップは、メイン電力が失敗するとスタンバイ状態になります。しかし、システムのアラームセクションまたはクリティカルな揮発性メモリのみが電力を受け取ります。したがって、長時間の停電でデータを保持するには、大容量バッテリーが必要です。

逆に、コンデンサベースのバックアップシステムは、メイン電力が失敗したときに継続的な電力を提供します。そのようにして、システムは短期バックアップ電力を使用して揮発性データをフラッシュメモリに転送します。しかし、充電モードでコンデンサが最大電圧を超えないことを保証するために、追加の安全機能が必要です。

結論

バックアップバッテリーは、充電モードからバックアップ方法へ切り替えることで動作します。適切なケア（適温、湿度管理など）があれば、バックアップバッテリーはバックアップ電力として3〜5年持続できます。

プロジェクトを実施予定ですか？ 技術的な質問があれば、行き詰まったときのさらなるガイダンスのためにご連絡ください。喜んでお手伝いします。