事例:乾電池式USB充電器を作る(前編)

今回は設計実例として、乾電池式USB充電機を作ってみます。

緊急時にあると便利かな、と思い簡単な部品構成で作れるものを前提に設計します。

今回は記事を前後編に分け、こちらの前編では事前準備と回路図エディターでの作業範囲についてご紹介します。

USB給電には5Vの電圧が必要

USB充電器は5Vをコネクタから出力する必要があります。

画像引用:Wikipedia「ユニバーサル・シリアル・バス」

給電する電源に乾電池を使用する場合、乾電池4本以上を直列接続して5Vを超える電圧を回路で調整する「降圧式」か、2本を直列して3V程度の電圧から5Vに調整して供給する「昇圧式」のいずれかを選択します。

今回は簡単かつ回路への負担も少ない設計で作ろうと思いますので、乾電池6本の電池ボックスを使用する「降圧式」で設計します。

スマートフォンの「充電モード」に対応する

USBで動く扇風機やLEDライトなど周辺機器は、単純に5Vが供給されていれば問題なく使用できます。ですが、スマートフォンやタブレットと言ったデジタル機器は接続されている対象がPCのUSBポートや充電器などいったい何の機器か?を認識しないと充電が開始されない様に機能が制御されています。この制御を利用してスマートフォン側に充電器と認識させる回路を設計の内部に追加します。

本格的なコントローラICを組み込む設計手法もありますが、今回は抵抗だけを使用した簡易回路で対応します。

  • 本記事で紹介する回路は事例として簡略化、単純化されています。実製作において何らかのトラブルや機器への不具合などが生じても当方は一切の責任を負いません。再現製作については全て自己責任の範囲内で作業して頂けます様お願い致します。

色々情報を調べてみると、Android端末とiPhone端末とでは充電モードの認識方法が異なる事が分かります。

Android端末では「D-端子とD+端子の間を200Ω以下の抵抗で接続する」事で充電器として認識させる事が出来ます。最近のタブレットなど充電に大電流を要する場合などは別の手法が必要になりますが、今回はこの方式を採用します。

また、iPhone端末の場合はUSBの2番ピン(D-)に2.8V、3番ピン(D+)に2.1Vが加わった状態にする事で充電モードに移行する事が出来る様になっています。

最新モデルでも同じ電圧の差で認識できるかどうかは未確認ですが、抵抗を使って分圧する方式で各ピンに電圧を印加したいと思います。

分圧の値はオームの法則を用いて、必要な電圧から各抵抗の値を導き出します。この際、合成抵抗の値をなるべく大きくして、充電コネクタに充分な電流量が流れる様にします。

計算値と全く同じ値の抵抗が入手できるとは限りません。規格表や調達する販売店のリストを確認して最も近い値又は近い組合せになる様に抵抗を選定して下さい。

今回は分圧のバランスがうまく取れそうなので、39kΩと51kΩの抵抗を使用します。

下図は回路図エディターを使用してiPhone対応の給電コネクタ部に抵抗を接続した図になります。

もう少し時間をかけて考えたら抵抗の組み合わせだけでも共用化出来そうです。が、今回は電池ボックス部分など面積に余裕がある事が予想できるのでこのまま2種類の給電コネクタを配置します。

電池ボックスから給電を受け、コネクタに5Vの電圧を供給する三端子レギュレーターには、日清紡マイクロデバイス(旧:新日本無線)のNJM7805FAを使用します。

三端子レギュレーターの代名詞ともいえる「TO-220F」パッケージの部品ですが、各社の電源ICでも同形状ながらピン配置が異なる機種も多いのが注意点です。必ずデータシートでピン配置を確認して回路図エディターのシンボルを確認してください。

NJM7805Aのデータシートはこちらをご覧ください。

今回使用する事を決めた「NJM78**」シリーズも、KiCAD Ver.6シリーズの標準ライブラリには登録されていませんでした。なので、シンボルエディタで類似したレギュレーターのシンボルを流用して新規に作図、登録した物を回路図エディタで使用しています。

電池ボックスのシンボルについては標準ライブラリのものを使って問題ありません。実装用のフットプリントのみ通販業者で選定した型番とデータシートを基に作図します。

今回使用する電池ボックス「BH-341-2P」のデータシートはこちら

PCBについてはハンダ付け用の部品で製作する「スルーホール実装」の基板にしたいと思います。

フットプリントの割り当て時はスルーホール部品で統一します。

回路記号のアノテーション、フットプリントの割付を実施したら、基板エディターを起動してPCBの設計に移ります。

続けて基板エディターによるPCB設計作業に移りますが、以降の分については後編に続きます。

後編ではPCB設計と、基板の固定部品を作る為に3Dモデルデータを出力する手順についてお話させて頂きます。

ABOUT KiCAD MASTER

KiCADの達人
KiCAD歴15年程度。雑誌記事や教育用テキストの執筆経験等複数あり。私大電気電子工学科での指導とフリーランスエンジニアを兼業しながらFab施設の機器インストラクターや企業セミナー講師を歴任し、KiCADの普及と現代の働き方に対応した技術者育成に務める。