USB充電 電力計

充電容量チェッカーの動作

元ネタはこちらの商品です。 株式会社 ビット・トレード・ワン USB接続 充電容量チェッカー この機器は、充電が必要なUSBデバイスと電源の間に接続して使います。 現在何mAの電流が流れているか、また、これまでに何mAの電流がどれだけの長さ（時間）流れたかを表示します。 充電池の容量は「電流(mA)×時間(h)」で表されます。例えば500mAhなら、500mAの電流が1時間流れることになります（充電／放電どちらとしても）。または、250mAで2時間か、100mAで5時間か、あるいは1000mA(1A)で30分などです。 大電流なら短時間で充電でき、小電流の放電なら長時間持つという充電池の性質は、つまり充電容量(mAh)のことを説明しているのです。 この機器の中心となる機能は電流計です。マイコンで電流計を作り、経過時間をカウントし、掛け算した値を刻々と累積し、表示します。

設計と回路図

回路図 電流計の作り方は「LM317使用 可変電圧レギュレータ（簡易電圧計・簡易電流計付き）」で詳しく説明しています。 今回は電源が可変ではなく5V固定で、大電流は流れないものとして設計します。 電流の最大値 PCのUSB給電は500mAまでです。最近はスマホなどの充電目的で1000mA(1A)出力できるマザーボードもあります。USB-ACアダプタでは定格1Aや2Aが一般的です。よって、本機では1000mAまで測定できるものとします。 シャント抵抗 電源は5V固定。シャント抵抗の電圧降下分を引いた電圧がUSBデバイスにかかります。USBデバイス側としては5Vがかかることを想定しているので、シャント抵抗の電圧降下は極力小さい方がよいことになります。 入手性も考慮して0.1Ωの酸化金属皮膜抵抗とします。 この抵抗に最大1000mA(1A)流れるとき、消費電力は P = 0.1Ω * 1A^2 = 0.1W 。よって1W品で十分です。 A/Dコンバータの基準電圧とOPアンプの増幅率 シャント抵抗の電圧降下は最大で Vs = 0.1Ω * 1A = 0.1V 。 マイコン(AVR)のA/Dコンバータは10bit（1024段階）。内部基準電圧1.1Vを利用すると1段階は約1mVを表すので、シャント抵抗にかかる電圧を1024段階中100段階目程度までで測定することになります（0.1V / 1mV = 100段階）。 ということは、電流を 1A / 100段階 = 10mA単位 で測定することになります。これでは粗いです。 そこで測定電圧をOPアンプで増幅し、基準電圧のレンジに合わせることにします。どうせ増幅するなら基準電圧は単純に電源電圧(5V)にします。※誤差が出る内部基準電圧より、電源装置の精度と安定性をあてにしようという考えもあったりなかったり。 OPアンプの増幅率は 5V / 0.1V = 50倍 必要です。 OPアンプの非反転増幅回路を構成する抵抗は一般的に、接地側は数kΩ、帰還側は数百kΩまでで決めます。 1kΩと47kΩでちょうどよい増幅率になります。A = 1 + 47kΩ / 1kΩ = 48倍 。 OPアンプは単一電源で動作し、レール・トゥ・レールのものを選びます。定番のLM358でよいと思います。 誤差を少なくするため、抵抗は金属被膜抵抗を推奨します。 [2013/09 追記] 勘違いしていました。LM358はレール・トゥ・レールではなくVCC-1.5Vまでの出力です。ここでは 5-1.5=3.5V。OPアンプの入力は 3.5V/48倍=73mVまで可。従って測定可能な電流は 73mV/0.1Ω=730mA。これを超えない範囲で使用する限り、測定値に影響はありません。 根本的な解決策として、LM358の代わりにLMC662、NJU7062、NJU7072といったOPアンプを使うことで元の設計通り1000mAまで測定できます。いずれも5V単電源で動作するレール・トゥ・レール（出力フルスイング）のOPアンプです。ピン互換なので回路図に変更はありません。 A/Dコンバータは1段階あたり 5V / 1024 = 約5mV を表すことになります。この値はOPアンプで48倍に増幅した値なので、測定対象の電圧としては 5mV / 48 = 約0.1mV を測定できることになります。 逆に0.1mVと測定できたとき、シャント抵抗を流れる電流は 0.1mV / 0.1Ω = 1mA のはずです。 本機は1mA以上の電流を1mA単位で測定できることになります。正確さはともかく細かさは十分です。 表示デバイス マイコンを活かし、[mA]や[mAh]だけでなく単位換算した[Wh]や経過時間も表示しようと思います。多くの情報が一度に見られるようLCDモジュールを使います。LCDモジュールのバックライトは案外電流を食うので（例：100mA）、必要なときだけ点灯するよう工夫します。 LCDモジュールのピンアサインは機種によって様々です。マイコンとの配線は基板上のレイアウトの都合に合わせ、ソフト側で決めた方がよいかもしれません。※回路図のバス配線になっている部分のことです。図の接続対応は一例です。 答え合わせのつもりで 商品の「USB接続 充電容量チェッカー」はオープンソースプロジェクトであり、回路図が公開されています。見比べてみると、ほとんど同じものになりました。見ながらパクったわけではありません（と弁解しておきます）。

実験の様子

ブレッドボード上で実験中の様子。7セグ時計を接続しています。表示内容の説明は後述。

配線図

LCDモジュールにSC162A(DigiTron)を使用する例 LCDモジュールにSD1602(SUNLIKE)を使用する例 共通説明 16ピンのピンソケットでLCDモジュールを接続します。マイコン側のピンアサインはファームウェア次第なので、配線は途中までしか書いてありません。 タクトスイッチはLCDモジュールのバックライト点灯用です。半固定抵抗は同じくコントラスト調整用です。どちらも基板の空いているところに取り付け（使いやすい位置に）、被服線などでLCDモジュールと配線します。 今回、マイコン(AVR)はATtiny20を使いました。SOP-14ピンのICです。ピッチ変換基板によりDIP-600milのICとして扱っています。ISPに対応しています。TPIプログラミングに使うピンを空けてあります。 USBオス／メス端子のD+線／D-線はそれぞれ直結します。※図のオレンジ色の線。1本にまとめて書いてあるが、実際は2本の線。

完成

完成基板の様子 LCDモジュールにSC162Aを使い、基板に仕上げたものです。 AVRとLCDの接続対応 ATtiny20 SC162A PA0 RS PA1 E PA2 〜 PA5 DB4 〜 DB7 ※回路図通り。 変換基板はダイセンのD014がお勧めです。写真ではズタボロのD016ですが、これはワケありです。別件で使用後にICを引っぺがして保存していたものを再利用しました。裏面がSSOPのピッチ変換になっていて、そちらを使うときのために取っておいたのですが、まさか引っぺがした面を再利用することになるとは。 中央下部、タクトスイッチを立てて取り付けています。今回のお気に入りポイントです。 USBオス側はコネクタではなくケーブルを直付けしました。 左：7セグ時計を接続して使用中。 右：スイッチ・オンでバックライト点灯。 　電流制限抵抗（回路図のR4）は 　10Ωにしました。 使用方法 本機にUSBデバイスを接続します。その状態で本機を電源に接続すると直ちに測定開始します。 測定値をリセットするには本機を電源から抜いてください。※AVRのRESETピンを使用してもよいです。 表示の説明 位置 内容 備考 1行目：左 電源電圧「5V」を表示。 固定表示。 1行目：中 現在の電流値。1000mAまで。 0mA〜1000mAと表示。 1秒ごとに更新。 1行目：右 経過時間。1000時間まで。 100時間未満は00:00〜99:59と表示。 100時間以上は100h〜1000hと表示。 何時間：何分。 2行目：左 電流量（充電容量）。10000Ahまで。 測定値 表示 0mAh <= n < 100mAh → 0.0mAh 〜 99.9mAh 100mAh <= n < 10000mAh → 100mAh 〜 9999mAh 10Ah <= n < 1000Ah → 10.0Ah 〜 999.9Ah 1000Ah <= n <= 10000Ah → 1000Ah 〜 10000Ah 1000mAhオーダーの表記は 電池容量でよく見かけるので、 そこを境にmAh/Ahの表記を 分けている。 10000mAh = 10Ah 2行目：右 電力量。50000Whまで。 測定値 表示 0Wh <= n < 100Wh → 0.00Wh 〜 99.99Wh 100Wh <= n < 1000Wh → 100.0Wh 〜 999.9Wh 1000Wh <= n <= 50000Wh → 1000Wh 〜 50000Wh 電流量[Ah]×電圧5[V]の値。 表示の上限について 本機は1000mAまで測定可能ですが、A/Dコンバータの都合上、1000mAを少し超えた値までは正しく表示されます。 それ以上の充電電流が流れても本機に影響はありません。もちろん、電源の定格電流を超えてはいけません。 経過時間が上限に達しても電流量が上限に達していない場合、測定は継続されます。時間の表記は変わらず、電流量が更新されます。 電流量が上限に達しても経過時間が上限に達していない場合、測定は継続されます。電流量の表記は変わらず、時間が更新されます。 どちらの状態でも電力量は更新されることになります。 経過時間と電流量が共に上限に達した場合、現在の電流値以外の表示は変化しなくなります。もはや充電容量を測定する意味はありません。 ※電流量(Ah)が上限値に達することはまずないでしょう。充電電流が最大の1000mA(1A)流れ続けても10000時間（417日）かかります。 ※正直なところ、高い上限値と細かい段階分け表示はやりすぎたと思います。

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マイコンを使った電流計の作り方を知っていれば簡単に作れます。 気軽にチャレンジしてみてはどうでしょう。使ってみると面白いです。 オリジナル商品は7セグを使っているところが格好いいと思います。 2012/10 追記 その後の様子。7セグ時計を接続して2週間経過。 電流は52mAを示していますが、7セグがダイナミック ドライブで、字形も頻繁に変化しているので、電流値 も常時変化しています。 12.8Ah / 347h = 平均37mAのようです。 ※ということが分かったりするわけですね。