USB PDで電源アダプタの整理

早いもので、今年も1月が終わろうとしています。
昨年の暮に、床や水回り、窓などの大掃除はしました。
でも、趣味の部屋は、なかなか片付きません。(多少の自己嫌悪)

Arduino UNO R4の話題が続いたので、これから、自分でやる気を出すためにも整理・整頓の内容をブログに書き残します。

現状把握

「ラボ」と呼んでいる作業部屋には、壁面書庫を入れて扉を閉めれば、きれいに見えるようにしています。
(たまの来客の際には客室になります。)
壁面書庫の一番上には、普段使わないジャンク品などを入れています。
中央の棚には、普段使いの部品や工具があります。
そして、最下段には重たいものが入っています。と言っても、引っ越しの際にかさばるジャンク計測器や重たいトランス類などの在庫は処分したので、余裕のはずでした。
(下図は、壁面書庫のイメージ(実際には、さらに上段があります。))

しかし、最近になって入れる場所に困る物が出てきました。
何とかしなければ、それ、やってみよう!

電源アダプタ

今回は、電源アダプタを片付けます。
現状は、無差別にプラの箱に入っています。
(写真を撮るために整理しています。他にもあります。)

3 V、3.3 V、5 V、8 V、9 V、10 V、12 V、15 V、16 V、19 V、20 Vなどなどの電圧に加えて、色々な用途ごとに端子の種類も違うので捨てられません。

変換プラグ

そういえば、以前(10年以上前?)、変換アダプタとケーブルを自作しました。
当時は関東地方に住んでいたので、秋葉原で色々な種類の電源端子を購入して作りました。

作った時には、わかりやすいように一覧表をケーブルに付けたのですが、今となってはどれがどの端子なのかわかりません。
また、アマチュアとはいえ反対側は使ってはいけない端子でつないでいますね。

今では、AmazonやAliexpressで良いものが売っています。
34種類DCプラグのセットです。(実際には、電圧切り替え式の電源が付属していました。)

それぞれの端子の反対側は、一番良く見るタイプのDCプラグ(外形5.5 mm、内径2.1 mm)に統一されています。
個別の種類は、販売店のデータではこの様になっています。(10年以上前にコレがあれば・・・)

  • Lenovo square Tip – Yellow – for Lenovo
  • 4.5*3.0 mm – Blue – center pin inside, for HP
  • 7.9*5.5 mm – Yellow – for Lenovo IBM Thinkpad
  • 7.4*5.0 mm – Black – for Dell, HP Compaq Pavilion
  • 4-hole Toshiba Tip – Black- for Toshiba
  • 3-hole Dell Tip – Black – for Dell
  • 6.3*3.0mm DC – Green – for Toshiba Satellite, Lenovo IdeaCentre
  • 5.5*2.5mm Tuning Fork – Black – for ASUS, Toshiba, HP, MSI, IBM, Panasonic, Lenovo
  • 5.5*2.1mm Tuning Fork – Black – for HP, Sega
  • 5.5*1.9mm DC – Black – for Asus
  • 5.5*1.5mm DC – Black
  • 5.0*2.5mm DC – Black
  • 5.0*2.1mm DC – Black
  • 4.0*1.35 Tuning Fork – for Asus Zenbook
  • 6.0*1.4mm Core pin – Black – for Samsung, Fujitsu, Sony
  • 6.3*3.0mm Tuning Fork – Green – for Toshiba, Lenovo
  • 5.5*2.5mm DC – White – for Lenovo, Asus, Acer, MSI, BenQ, Toshiba, IBM, Gateway, Haier
  • 5.5*2.1mm DC – Blue – for Acer, Toshiba, HP
  • 5.5*1.7mm Tuning Fork – Yellow – for Hasee, Acer, Lenovo, Asus, BenQ, Toshiba
  • 5.0*1.1mm Core Pin – Yellow
  • 4.8*1.7mm Tuning Fork – Yellow – for HP Pavilion, Sony, Asus Eee, NEC, Delta, Compaq
  • 4.0*1.7mm Tuning Fork – Yellow – for Asus, BenQ, acer, SonyPSP, HP(mini), GPS Navigator
  • 3.5*1.35mm DC – Red – for Fujitsu, Dell, Sharp
  • 3.0*1.1mm DC – Black – for Samsung
  • 5.5*2.5mm Tuning Fork – Yellow – for Lenovo, Asus, Acer, MSI, Toshiba, IBM
  • 5.5*2.5mm DC – Black – for Lenovo, Asus, Acer, MSI, BenQ, HEDY, Toshiba, IBM, Gateway, Haier
  • 5.5*1.5mm DC – Black
  • 5.5*1.7mm Tuning Fork – Yellow – for Gateway, Acer, Delta
  • 4.8*1.7mm J-CAM – Black – for HP, Asus, lenovo, NEC, Delta, Compaq
  • 3.5mm Mono – for Classic Radio
  • 2.5mm Mono – for Audio
  • 2.5*0.7mm Tuning Fork – Yellow – for Dell, Samsung, Sharp, Power Supply, Android Tablet
  • 2.35*0.8mm Tuning Fork – Yellow
  • 2.0*0.5mm Tuning Fork – Black

USBの種類とUSB PD

USBは、パソコンのレガシーポート(プリンタやキーボードなどの接続用)を置き換えるためにNEC、IBM、インテル、マイクロソフトなどが1974年に開発し、1976年にUSB 1.0として規格化されました。
日本国内では、Windowsの販売拡大やNECのPC-9821などで採用されることで普及しました。(もちろんMACも)
その後、USB 2.0(2000年、高速化)、USB 3.0(2008年、さらなる高速化と青コネクタ)と規格が拡張されて現在に至っています。
ちなみに、2014年頃までのパソコンのUSBポートに青コネクタ(USB 3.0)が最大で2個しか付いていないのは、当時のコントローラICの制限だそうです。

小型で裏表のない「USB Type-C」は、2014年にUSB 3.1が出来る時に誕生しています。
(私は勘違いしていましたが、「USB Type-C」形状で動作はUSB 1.0や2.0もありなのですね。)

USB4は2019年に規格化された最新のUSBです。
コネクタは、USB Type-CのみでUSB 1.0~USB 3.0と違って「USB」と数字の間の空白がなくなり、小数点以下のバージョンも廃止になりました。(ややこしい!)

さて、給電のメインとなるUSB PDは、USB端子を利用した給電方法の規格です。
USB 3.0の規格の一部として2012年に制定されました。
USB 2.0までは、500 mA、USB 3.0で900 mA、USB Type-Cでは1.5 A(3 A)となった電流の制限ですが、電流を消費するハードディスク・DVDなどのモーターや画像処理装置をUSBでまかなうには足りないために拡張されました。
現在のUSB PD 3.2では、(大まかですが)5 V、9 V、15 V、20 Vに加えて28 V、36 V、48 Vと15 Vから最大電圧までの可変モードが追加されています。
(Universal Serial Bus Power Delivery Specification Revision:3.2, 2023-10)

世界的に普及したUSB規格ですが、沢山の規格ができた上に規格外の製品も多数販売されたために混乱しています。(私だけ?)
規格のロゴも乱立していたため、2021年に統一・改正されました。
今後発売されるUSB機器には、ロゴに付いていた「SuperSpeed」という文字は廃止になったのですが、まだ、一部では古い情報が掲載されています。
ただし、(また、ややこしい。)今後も販売されるUSB 2.0規格の製品には「SuperSpeed」と付くようです。
(出典「USB-IF 認証」)

2012年までの古い情報

OLD LOGO

新しいロゴ

ケーブル用の新しいロゴ

前置きが長くなりましたが、USB PDの電源を使えば、在庫の電源アダプタは在庫整理が出来そうです。

USB PDの電源

USB PDの電源アダプタ

USB PDの電源アダプタは、色々なところで販売されています。
現在では、「百均」でも入手可能です。
ダイソーやセリアでも税抜き700円でUSB PDの電源アダプタが販売されていて評判が良いようです。
今回は、市内のパソコンショップで購入したUSB PDの電源アダプタ(入手当時400円)で検証します。(百均の物と同等に感じます。)

写真では見づらいですが、5 Vで3A、9 Vで2A、12 Vで1.5Aが取れるようです。多摩電子工業株式会社(「出川哲朗の充電させてもらえませんか?」のスポンサー)という日本の企業で、各種モバイル用電子機器やペット用品まで作っていますが、訪問してみたらHPは独特の操作性です。

トリガ・ボード

この電源アダプタとUSB PDのトリガ・ボードを組み合わせます。
(Arduino UNO R4互換機(「コアボード」)と共にAliexpressで注文しました。)
実験のために、2種類準備しました。
スイッチで出力電圧を切り替えるタイプ(5 V、9 V、12 V、15 Vと20 V出力)と

電源設定は半田付けですが、ケースがついているタイプです。(9 V、12 V、15 Vと20 V出力)

どちらも、基板上の制御ICの詳細はわかりませんでした。
ちなみに、届いてわかったのですが、ケース付きの方は、ケースと言っても黒いアルミ製の筒が付いているだけで固定も何も出来ません。(ボードを中に入れても傾けると出てきます。どうやって固定しよう?)

さて、つないで実験しようとして、失敗に気づきました。
USB PDの電源アダプタにトリガーボードをつなぎ、その先にDCプラグ(外形5.5 mm、内径2.1 mm)を付けようと思っていたのですが、電源アダプタもトリガーボードもどちらもメスじゃあないですか。
次に買うときは、USB端子に気をつけてオスのトリガボードを買います。

Type-Cケーブル(電源供給用)

しかたがないので、USB Type-Cのケーブルも準備します。
信号線のない、電源供給用のケーブルです。
長さは、約1mでコネクタに「PD」の刻印があります。(確かセリアで購入)

Type-Cケーブル(USB 2.0)

USB 2.0相当の信号線も結線されたケーブルです。
これも長さ、約1mです。(多分ダイソーで購入)

Type-Cケーブル(USB 3)

そして、USB 3の信号線を含むデータケーブル(外付SSDケース付属)です。
長さは、約25cmですが固くて短いです。

これらの3種類で違いがあるかを見てみます。
(このUSBケーブル・テスタ(ADUSBCIM USB CABLE CHECKER 2)は大変便利です。一家に一台!おすすめです。)

トリガボードの機能確認

トリガボードは出力にUSB PD 3.0の5 V、9 V、12V、15 V、20Vが選べますが、残念ながら電源アダプタ側の設定した出力しか出せません。
今回用意できた電源アダプタは、5 V、9 Vと12Vしか出せないので、その電圧で確認を行います。
(ダイソーとセリアの物も同様です。)

試験前に使用する機材を確認します。
デジタル・マルチメータ(SANWA CD-751)は、中古のジャン測なので、せめて使う前に自作の標準機で確認します。
(校正ではありません。)

Pa-Lab3号機の自作 電圧・電流・抵抗標準機です。

一応、標準機の出力電圧が5 Vで4.98 V、10 Vで10.01 Vを示したので、デジタル・マルチメータの示す電圧は信用できそうです。

USB PDの電源アダプタにType-Cケーブルでトリガボードをつなぎ、出力電圧はデジタル・マルチメータでみながら、自作の負荷試験装置で負荷を掛けてみました。

自作の負荷試験装置

5 V給電

最初に、スイッチ切り替え式のトリガボードで、5 Vに設定した状態です。
青点が「外付SSDケース付属Type-Cケーブル」
オレンジが「USB 2.0相当のType-Cケーブル」
灰色が「電源用Type-Cケーブル」

9 V給電

次に、スイッチで9 Vに切り替えます。

12 V給電

続いて、12 Vで見てみます。

トリガボードによる違い

最後に、12 Vの状態でトリガボードを交換してみました。
青点が切り替え式のトリガボード
オレンジがケース付きのトリガボード

評価

実際に見て見る前は、トリガボードに入る前のType-Cケーブルの長さで違いが出るとは思いませんでした。
また、信号線のない電源用のType-Cケーブルは、もっと成績が悪いか電圧が取れ出せないのでは?と考えていましたが違いました。

結果的には、通常のアナログ回路と同じで短いケーブルがより良い値を出しました。
定格電圧にこだわるならば、長いケーブルは使うべきでは無いようです。
USB PDで給電に使うなら、電源用で短いものが良さそうです。
次回は、(入手できれば)オス・コネクタのトリガボード直差しとType-Cのオス-オスのコネクタによる結果も見てみたいですね。

負荷は、各電圧の上限 +0.5 Aまで試しましたが、5 Vは3.5 A(+0.5)まで、9 Vは2.3 A(+0.3)まで、12 Vは1.8 A(+0.3)まで動作しました。
これは、トリガボードの上限(5 A)以下なので、電源アダプタ側の制限が効いているのだと思われます。
なお、3 Aを出力しても電源アダプタは若干暖かかくなりましたが、トリガボードや配線の温度変化(触ってわかるほど)はありませんでした。

オシロスコープの写真がありませんが、ノイズも思ったよりは少ないので、十分に今在庫で持っている電源アダプタの替わりになりそうです。
(結局、USB PDの資材が増えただけで、今までの電源アダプタと自作の変換コネクタは、まだ捨てられないことは内緒です。)

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