Computer Power Protection

信頼性の高い安定したAC電源がなければ、どんなに優れた電源装置も無力です。システムを壁のコンセントに差し込んで運を天に任せるだけでは、遅かれ早かれ必ず惨事を招きます。電源保護について学ぶ前、私たちは停電で何時間もの作業を無駄にし、落雷で複数のシステムを破損しました。適切な電源保護を導入していれば、これらはすべて防げたはずです。電源保護には2つのタイプがあります。

受動的電源保護は、システムの破損やハングアップの原因となり得る電圧スパイクやその他の電源異常からシステムを防御しますが、停電を防ぐことはできません。最も一般的な受動的電源保護は、よく知られたサージプロテクター付き電源タップです。

能動的電源保護は、停電時でもシステムを稼働し続けるためのバックアップ電源を提供します。最も一般的な能動的電源保護は、バッテリー内蔵のバックアップ電源装置です。ほとんどの能動的電源保護装置は、最小限の受動的保護も備えています。

このセクションでは、両方の保護タイプについて簡単に説明します。

コンピュータを商用電源ラインのサージ、電圧スパイク、その他のノイズから保護するための最良の第一歩は、何らかの受動的電源保護を導入することです。受動的電源保護装置には、ハードウェア店で販売されている5ドルの電源タップから、専門店で販売されている500ドルの電源コンディショナーまで、非常に多くの種類があります。予想通り、高価な装置ほど信頼性、保護レベル、および損傷に対する耐性が優れています。

受動的電源保護に500ドルも費やす必要はありませんが、すべてのシステムに高品質のサージプロテクターを使用することをお勧めします。APC (http://www.apc.com)、Belkin (http://www.belkin.com)、またはTripp Lite (http://www.tripplite.com) のハイエンドモデルを選べば間違いありません。基本的なAC保護機能を備えた高品質のサージプロテクターには少なくとも40～50ドル、ビデオポートやブロードバンドインターネットポートなどの追加機能を備えた同等の品質のものには最大100ドルを予算として見込んでください。図16-17は、90ドルのTripp Lite HT10DBSサージプロテクターを示しています。これはホームシアターシステム用に設計されていますが、コンピュータ室の保護にも同様に適しています。

図16-17：Tripp Lite HT10DBSサージプロテクター（画像提供：Tripp Lite）

QUIS CUSTODIET IPSOS CUSTODES?（誰が監視者を監視するのか？）

古代ローマ人は「誰が監視者を監視するのか？」という問いを投げかけました。サージプロテクターに関しては、「何がプロテクターを保護するのか？」という問いになります。答えは「多重防御」です。最初の最良の防衛線は、家屋全体のサージサプレッサーです。これらの比較的安価な装置は、商用電力網と住宅のブレーカーパネルの間、つまり電気が家屋に入るサービスエントランス部分に設置されます。優れた家屋全体のサージサプレッサーは、近隣への落雷などによって発生する大規模な過電圧や過電流を安全に放散します。家屋全体のサージサプレッサーは、敏感な機器に個別のサプレッサーを使用することに代わるものではありませんが、個別のプロテクターが容易に対処できるレベルまでスパイクやサージを低減します。

ほとんどの管轄区域では、これらの装置は資格のある電気技師が設置する必要があります。お住まいの地域でそれが必須でなくても、有資格者に依頼することをお勧めします。さもなければ、間違った配線を掴んでしまった場合に備えて、配偶者に角材、除細動器、火傷キットを用意してもらう必要があります。

裏口を開けたままにしない

電源保護装置を設置する際は、システムに接続されているすべてのケーブルを保護するようにしてください。ファックス回線、ケーブルテレビ回線、ケーブルモデム回線を保護せずに、AC電源ラインだけを保護しても意味がありません。スパイクやサージは、直接的または間接的にコンピュータに接続されているあらゆる電線を通じて侵入する可能性があります。

企業にとって、能動的電源保護には待機発電機や代替電力網などが含まれます。しかし、家庭や小規模オフィス（SOHO）環境では、能動的電源保護はバックアップ電源装置を指します。

UPSと言えばBPS

無停電電源装置（UPS）と待機電源装置（SPS）には明確な違いがありますが、一般的な用法ではSPSと呼ぶべき装置をUPSと呼んでいます。私たちは、この用語の問題をうまく回避するために、どちらのタイプもバックアップ電源装置（BPS）と呼んでいます。

BPSは、バッテリーとサポート回路で構成されており、停電時に一定時間PCに電力を供給するように設計されています。この一時的な猶予により、作業を保存し、PCを正常にシャットダウンできます。BPSは、供給する電力の質、供給量、供給可能時間において異なります。BPSはまた、スパイク、サージ、電圧低下、瞬時電圧低下、電気ノイズから機器を保護するために商用電源を調整します。

すべてのBPSには、停電に備えて電気エネルギーを蓄えるバッテリー、バッテリーから供給されるDC電圧を負荷に必要なAC電圧に変換するインバーター、および主電源のACをバッテリー充電に必要なDC電圧に変換する充電回路という3つの共通要素があります。IEEEは、BPSを3つのカテゴリーに分類しています。

オンラインUPS（SPSと区別するため、真のUPSやデュアルコンバージョンUPSとも呼ばれます）は、負荷をインバーターに直接接続します。インバーターは、バッテリーから供給されるDC電圧を標準のAC電圧に変換します。UPSの稼働中、充電回路は常にバッテリーを充電し、機器は常にインバーターから供給されるバッテリー電源で動作します。オンラインUPSは、後述するSPSよりも高価ですが、2つの利点があります。PCが常にバッテリー電源で動作するため、切り替え時間がなく、故障するスイッチもありません。また、PCが商用電源に接続されていないため、ACラインの問題から実質的に絶縁されています。

ラインインタラクティブUPS（シングルコンバージョンオンラインUPSとも呼ばれます）は、商用電源が利用可能な限り、負荷は主に商用電源で動作するという点でオンラインUPSと異なります。商用電源をDCに変換してバッテリーを充電し、それを負荷用にACに再変換する（「デュアルコンバージョン」）のではなく、ラインインタラクティブUPSは通常の条件下で商用電源を直接負荷に供給します。商用電源のわずかな変動は、バッテリー電源を使用したインバーターによって平滑化されます。ラインインタラクティブUPSを定義する特徴は、インバーターが常に稼働しており、負荷がインバーターと商用電源の間で常に動的に共有されることです。通常の稼働中、商用電源が負荷の99%を支え、インバーターは1%のみを支える場合があります。電圧低下時、インバーターが負荷の10%以上を支えることがあります。停電時のみ、インバーターが負荷の100%を引き継ぎます。真のラインインタラクティブUPSには切り替え時間がありません。なぜなら、インバーターと商用電源が常に動的に負荷を共有しているため、停電は単にインバーターが瞬時に負荷の100%を引き継ぐことを意味するからです。ラインインタラクティブユニットは、オンラインUPSほどACラインから負荷を完全に絶縁するわけではありませんが、負荷に対してクリーンで安定したACを維持する能力は非常に高いです。ラインインタラクティブUPSはデータセンターでは一般的ですが、PC環境では一般的ではありません。

PCで使用される最も一般的なBPSはオフライン電源であり、待機電源装置（SPS）とも呼ばれます。BPSの販売者は「待機」という言葉を嫌い、「オフライン」を非常に嫌うため、オフライン電源は常に「無停電」電源として説明されますが、実際にはそうではありません。SPSを定義する特徴は、スイッチがあり、インバーターが常に稼働しているわけではないことです。通常の稼働中、スイッチは商用電源を負荷に直接ルーティングします。商用電源が停止すると、スイッチが負荷を商用電源から切り離し、即座にインバーターへ再接続します。インバーターはバッテリーから機器への電力供給を継続します。SPSは、比較的安価なインバーター（低デューティサイクルおよび短時間の稼働向けに定格化されたもの）を使用できるため、オンラインおよびラインインタラクティブユニットよりも安価です。

少々お待ちください

ほとんどのPC電源装置には、SPSがバッテリー電源に切り替わるまでの数ミリ秒間、システムへの電力供給を継続するのに十分な「ホールドアップ時間」があります。電源アダプター（電源ブリック）で駆動される外部機器の場合は必ずしもそうではなく、SPSがバッテリー電源に切り替わるまでの間、外部機器を駆動し続けるのに十分な「慣性」がない可能性があります。スピーカーのような重要でない外部電源機器の場合、これは問題になりません。しかし、外付けハードドライブの場合は非常に重要になる可能性があります。電力が一瞬でも途切れると（照明がちらつかないほどの短い停止であっても）、データが破損する可能性があるからです。

読者から指摘されるまで、私たちはこの問題について考えたことがありませんでした。振り返ってみると、これが外付けUSBハードドライブが明らかな理由なく破損するという不可解な報告の数々を説明している可能性があります。

オンラインおよびラインインタラクティブユニットとは異なり、SPSは商用ACを負荷に供給する前に調整や再生成を行いません。代わりに、通常のサージプロテクターと同様の受動的フィルターを通して商用AC電源を渡すため、SPSが提供する電力はオンラインやラインインタラクティブユニットほどクリーンではありません。理論上、SPSにはオンラインおよびラインインタラクティブユニットと比較してもう一つの欠点があります。実際の切り替え時間は、長引く低電圧状態やバッテリー残量が少ない状態で、公称値よりもかなり長くなる可能性があります。PC電源装置のホールドアップ時間はわずかな低電圧状態で減少するため、理論上、SPSの切り替え時間がPC電源装置のホールドアップ時間より長くなり、システムがクラッシュする可能性があります。実際には、優れたSPSの一般的な切り替え時間は2～4ms、最大でも10ms以下であり、優れたPC電源装置のホールドアップ時間は定格電圧で20ms以上、持続的な低電圧状態でも15ms以上あるため、これが問題になることはほとんどありません。一般的に2種類のSPSがあります：

マーケティング用語

現在では、トップメーカーでさえ、自社のラインブーストモデルを「ラインインタラクティブ」ユニットと説明しています。「ラインインタラクティブ」という用語はデルタ変換オンラインUPSのために取っておきたいところですが、それを主張しても勝てないでしょう。優れたラインブーストユニット自体に問題はありません。実際、ほとんどの家庭やSOHO用途にとって最良の選択です。私たちはFalcon Electricのラインブーストユニットを使用して、自社の複数のシステムを保護しています。

標準SPSには、完全商用電源モードと完全バッテリー電源モードの2つしかありません。商用電源がしきい値電圧範囲内（多くのユニットで設定可能）にある限り、SPSは商用電源をそのまま機器に渡します。商用電源がしきい値を下回ると、SPSは負荷を100%商用電源から100%バッテリー電源に転送します。標準SPSの中には、商用電圧が上限しきい値を超えたときにバッテリーに転送するものもあります。つまり、サージ、サグ、電圧低下が発生するたびにSPSはバッテリーに切り替わるため、非常に頻繁に発生する可能性があります。この「すべてか無か」のアプローチではバッテリーが頻繁にサイクルし、バッテリー寿命が短くなります。さらに重要なことに、小さな電源問題で頻繁にアラームが鳴ると、多くの人はアラームをオフにしてしまい、実際の停電の認識が遅れてバッテリーが切れてしまい、作業が失われる可能性があります。ほとんどのエントリーレベルのSPSモデルは標準SPSです。例えば、American Power Conversion (APC) のBack-UPSシリーズは標準SPSです。

ラインブーストSPSは、標準SPSの2つのモードにラインブーストモードを追加したものです。ラインブーストSPSはラインインタラクティブUPSとして宣伝されることがありますが、そうではありません。バッテリー電源を使用してAC出力電圧を公称値まで引き上げるラインインタラクティブユニットとは異なり、ラインブーストユニットは単に追加のトランスタップを備えており、入力電圧がしきい値を下回ったときにこれを使用して出力電圧を固定の割合（通常12%～15%）で増加させます。例えば、AC入力が100VACに低下したとき、ラインインタラクティブユニットはバッテリー電源を使用して15V引き上げ、115VAC公称値にします。95VAC入力の場合、ラインインタラクティブユニットは20V引き上げて115VAC公称値にします。100VAC入力の場合、ラインブーストユニットは追加タップを使用して出力電圧を固定の割合（12%と仮定）で引き上げ、112VAC出力を生成します。95VAC入力の場合、ラインブーストユニットは同じ固定の割合で引き上げ、この場合は106.4VACになります。つまり、ラインブーストユニットでは出力電圧が入力電圧に追従するため、インバーターがオン・オフする際に負荷側に過渡現象や電流サージが発生します。ほとんどの中級～高級PC用SPSモデルはラインブーストSPSです。例えば、American Power Conversion (APC) のBack-UPS ProおよびSmart-UPSシリーズはラインブーストSPSです。

BPSの最も重要な特性を以下に示します：

BPSのVA定格は、そのユニットが供給できる最大電力を指定するもので、インバーターの容量によって決まります。VA定格は、公称AC出力電圧とインバーターの最大アンペア定格の積です。例えば、120V 650VAユニットは約5.4A (650VA/120V) を供給できます。インバーターのアンペア定格を超える負荷を接続すると、BPSに電流制限回路がない限りインバーターが過負荷になり、すぐに破損します。ワットがVAと等しくなるのは、負荷が100%抵抗負荷（例：電球）の場合のみです。PCの電源装置のように容量性負荷または誘導性負荷が含まれる場合、VAでの消費量はワット数を負荷の力率（PF）で割った値と等しくなります。PFCなしのPC電源装置の力率は通常0.65～0.7です。例えば、私たちのSPSの1つは1000VAですが670Wとしか定格されていません。これはメーカーがこのユニットのワット数を定格する際、0.67の力率を想定していることを意味します。

BPSの稼働時間は、バッテリーの種類と状態、アンペア時容量、充電状態、周囲温度、インバーター効率、負荷率など、多くの要因によって決まります。その中でも負荷率は最も変化しやすい要因です。バッテリーが供給できるアンペア時数は、そこから引き出すアンペア数によって異なるため、負荷と稼働時間の関係は線形ではありません。例えば、600VAのSPSは600VAを5分間供給できるかもしれませんが、300VA（負荷の半分）であれば20分間（4倍長く）供給できる可能性があります。負荷を倍にすると稼働時間は半分以下になり、負荷を半分にすると稼働時間は2倍以上に延びます。

VA定格と稼働時間の関係

VA定格と稼働時間は何らかの形で関連していると多くの人が信じていますが、そうではありません。ただし、より大きなVA定格を持つユニットは通常より大きなバッテリーを搭載しており、バッテリー自体が大きいこととユニットが定格最大値よりも少ないアンペア数を供給していることの両方の理由で、特定の負荷に対してより長い稼働時間を提供します。しかし、非常に高いVA定格と小さなバッテリーを持つBPSを構築したり、その逆を行ったりすることは十分に可能です。

商用AC電圧は名目上純粋な正弦波であり、電源装置やその他の機器はこの波形を使用するように設計されています。BPSが生成する出力波形はさまざまです。望ましい順（価格も高くなる順）に、出力波形には方形波、のこぎり波、修正方形波（マーケティング担当者が「正弦波」という言葉をどうしても使いたがるため、近似正弦波、ステップ近似正弦波、修正正弦波などと誤解を招く呼び方をされることが多い）が含まれます。最も安価なユニットは方形波出力を生成します。これは本質的に、ACを装うことを可能にするゼロに近い立ち上がり時間と立ち下がり時間を持つ双極DC電圧です。中級ユニットは通常疑似正弦波出力を提供します。これは正弦波に近いものから、未修正の方形波と大差ないものまでさまざまです。出力波形はインバーターによって決定されます。インバーターはBPSの最も高価なコンポーネントです。より優れたインバーター（正弦波またはそれに近い波形を生成するもの）ほど高価であるため、出力波形の品質は一般的にユニット価格と密接に関連しています。驚くべきことに、あるノーブランドのBPSの仕様書で、出力波形が「純粋な方形波」と記載されているのを見たことがあります。おそらく「純粋」（良いこと）と「方形波」（悪いこと）という言葉で買い手を混乱させようとしたのでしょう。

SPSでサージプロテクターを使用する際の注意

BPSとPCの間にサージプロテクターを接続したことが原因で火災が発生したという報告を聞いたことがあります。検証はできていませんが、正弦波入力を想定して設計されたサージプロテクターに方形波の電力を供給すれば過熱する可能性があるというのは理にかなっています。一方で、BPSと壁のコンセントの間にサージプロテクターを使用することに問題はありません。実際、PCに達するスパイクに対する保護を強化し、BPS自体を保護するためにも、これをお勧めします。

BPSを選択する際は、以下のガイドラインに従ってください：

現在では、大型量販店で40ドルのBPSを購入できます。非常に優れたBPSとは言えませんが、何もないよりはましです。新品のときは、安価なBPSでも1～2分の稼働時間しか得られないかもしれません。バッテリーが古くなると、稼働時間は数秒にまで落ちる可能性があります。それでも、停電の大半は1秒以下で終わるため、5秒の稼働時間であってもある程度の保護になります。

次のステップは、APC Back-UPSやBack-UPS ProユニットのようなコンシューマーグレードのSPSです。これらのユニットは、ローエンドのユニットよりもはるかに優れた保護と長い稼働時間を提供します。私たちはこれらのユニットを「本格的な」電源保護の最小限の基準と考えており、二次的なシステムの一部で使用しています。さらに優れているのは、APC Smart-UPSやFalcon Electric (http://www.falconups.com) のSMPおよびSUPシリーズのようなラインブーストユニットであり、私たちはこれを重要なシステムにとって許容できる最小限の基準と考えています。最後に、Falcon ElectricのSGおよびSSGシリーズユニットのような真のUPSがあり、これらはサーバーや主要なデスクトップシステムで使用しています。

BPSを保護する

40ドルの安価なUPSであれ、1,000ドルのオンラインUPSであれ、それ単体で使用しないでください。必ず壁のコンセントとBPSの間にサージプロテクターを設置してください。40ドルのユニットはスパイクやサージに対する保護能力があまり高くないため、機器を保護するためにサージプロテクターが必要です。1,000ドルのUPSはコンピュータを保護する優れた仕事をしますが、それ自体も保護を受ける価値があります。巨大なスパイクやサージが電線を伝ってきた場合、1,000ドルの新しいUPSを買うよりも、50ドルの新しいサージプロテクターを買う方がはるかに安上がりです。

VAの要件は、PC電源装置およびUPSが電力を供給する他の各コンポーネントに記載されている最大アンペア数をチェックすることで計算できます。これらの最大アンペア数を合計し、公称AC電圧を掛けてVA要件を決定します。この方法の問題点は、時間がかかることと、実際に必要な値よりもはるかに高いVA値になってしまうことです。より良い方法は、ほとんどのBPSメーカーがWebサイトで提供しているサイズ選定ツールを使用することです。例えば、APC UPS Selector (http://www.apc.com/sizing/selectors.cfm) を使用すると、システムの構成、必要な稼働時間、拡張のための余裕を指定できます。その情報に基づいて、適切なAPCモデルのリストと、それぞれの推定稼働時間が提示されます。

近くにある複数のPCを保護する必要がある場合は、安価な小型ユニットを複数買うのではなく、1つの大型ユニットを購入することを検討してください。大型ユニットの方が、同じ累積VAと稼働時間でもコストが低くなる可能性が高く、優れた機能（ラインブーストや優れた波形など）を提供する可能性が高いです。

最も安価なユニットは方形波出力ですが、これはPC電源装置が短期間であれば破損せずに使用できる波形です。しかし、方形波電力でコンピュータを長期間稼働させると電源装置に負担がかかり、最終的に破損する可能性があります。また、方形波ユニットは他の電子機器には全く適しておらず、すぐに損傷を与える可能性があります。方形波ユニットを購入するのは、他にBPSを買う余裕がない場合のみにしてください。一般的な用途では、シャットダウンする前にバックアップ電源でPCを10分以下しか稼働させない予定であれば、疑似正弦波を提供するユニットを購入してください。PCをバックアップ電源で長期間稼働させる予定がある場合、または正弦波以外の電力に不寛容な機器（一部のディスプレイなど）に電力を供給する予定がある場合は、真の正弦波ユニットを購入してください。

では、私たちは実際に何を使っているのでしょうか？長年、私たちはAPCユニットを独占的に使用し、推奨してきました。しかし、ある時、私たちのAPC Smart-UPSユニットの1つが時期尚早に故障しました。それは運が悪かったと片付けました。しかし数ヶ月後、Back-UPS Proが故障しました。次にBack-UPSが、さらに別のSmart-UPSが故障しました。これらはバッテリーの故障ではなく（バッテリーの故障はどのUPSでも起こり得ることですが）、インバーターまたは制御回路の故障であり、故障したユニットのほとんどは2年以内の新しいものでした。

明らかに、4回の故障は統計的宇宙ではありませんが、考えさせられるには十分でした。その時、読者からも同じような経験をしたという連絡を受け始めました。彼らも私たちと同じように、何年も問題なくAPCユニットを使用してきましたが、最近になって新しいAPCユニットで早期故障率が高くなっていることに気づいていました。当然、それだけで何かが証明されたわけではありませんが、私たちは非常に懸念を抱くようになりました。

そんなある日、20年以上にわたって『BYTE』誌の「Chaos Manor」コラムを執筆している友人であり同僚のジェリー・パーネルと話す機会がありました。私たちはAPCユニットの故障率に対する懸念を伝えました。「Falcon Electricと話してみろ」とジェリーは言いました。「私は彼らのUPSを何年も使っている。彼らの製品は防弾並みに頑丈だ。私のUPSの1つは地震で倒れたが、一度も機能が途切れることはなかった」。

私たちはジェリーの言葉を信じて、Falcon Electric (http://www.falconups.com) のユニットをいくつか注文しました。調査とテストの結果、私たちはジェリーが正しかったと判断しました。Falcon Electricは最高品質のUPSを製造しているため、私たちは彼らの製品に標準化しました。Falconの顧客リストは軍事、産業、電気通信、医療機関に偏っており、それが私たちの決定に少なからず影響しました。彼らは堅牢で信頼性の高い電源保護を必要としており、NATO、Lucent、General Atomicsに十分なものであれば、私たちにとっても十分です。

ロバートは、図16-18に示すFalcon Electric 2 kVA SGシリーズUPS Plusを使用して、オフィス全体のサーバーとデスクトップシステムを保護しています。これらのユニットは、標準的なミニタワーPC（冷却ファンを含む）と似ています。一番下のユニットは、すでに推測されているかもしれませんが、停電の95%を乗り切るのに十分な稼働時間を延長する外部バッテリーバンクです。バーバラもオフィスで同様のFalcon ElectricオンラインUPSを使用しており、私たちはほとんどの二次的なシステムをFalcon Electric SMPおよびSUPシリーズのラインブーストユニットで稼働させています。Falcon Electricユニットに切り替えてから、数え切れないほどの雷雨や数回の停電を経験しましたが、一度もわずかな不具合さえ発生していません。

図16-18：外部バッテリーバンクを備えたFalcon Electric SGシリーズ 2 kVAオンラインUPS

コンピュータの電源装置と保護