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USBの5V電源とUSBケーブル 作成日:2016/01/15、最終改訂日:2016/01/15

§DC5V-01:良い充電ケーブルと、悪い充電ケーブル(microUSB)

タブレットを充電する時のケーブルは、充電器に刺す側がUSB(オス)で、タブレットに刺す側が、microUSB(オス)になっている。

USB ケーブルでデータをやりとりするだけならば、「太くて短いケーブル」でも「細くて長いケーブル」でも、データが化けなければ、どれを使っても同じである。

ところが、充電用のケーブルとして使う場合は、話が違ってくる。
ケーブルの抵抗値は、長さに比例し、太さの二乗(=断面積)に反比例する。

つまり、長いケーブルや細いケーブルを使うと、ケーブルによる電力ロスが大きくなる。結果、ケーブルによっては、タブレットの充電時間が延びてしまう。


「流れる電流が少ない時」、あるいは「負荷の抵抗値が大きな時」には、「電線の内部抵抗」は無視しても構わない(粗悪ケーブルでも影響は少ない)けれど、2A近い電流を流すとなると、「ケーブルの抵抗値」が無視できないレベル」になってくる。

USBの5Vの電源で、2Aの電流を流して、タブレットを充電する場合、
タブレット(負荷)の抵抗値は、2.5Ωになる。(オームの法則)。
負荷の消費電力(充電に使う電力)は、10Wになる。

ところが、細くて長い、粗悪ケーブルの場合は、ケーブル(電線)の内部抵抗値が大きくなるので、負荷(タブレットに掛かる電圧が小さくなってくる)

仮に、USBケーブルの抵抗値が1.25Ωだったとしたら、往復で2.5Ωになるので、電流は1Aしか流れなくなる。
更に、半分が、ケーブルによる電力ロスになるため、負荷の消費電力(充電に使う電力)は、2.5Wに減ってしまう。

(粗悪ケーブルを想定した)このケースでは、「単純計算では、充電時間が4倍掛かる」ことを意味する。
無視できるレベルを超えている。。。というか、「粗悪ケーブル、恐ろしや!」の世界。

どうして、ケーブルによって、こんな極端な差が出るのか?


もともと、USBは、0.5A。
5Vで、最大0.5Aということは、負荷(USBデバイス)の抵抗値が、10Ω以上あるということなので、電線の内部抵抗があったとしても、負荷の抵抗値と比べると、たいした影響は出ない。

もしも、USBの電圧が12Vくらいあれば、電線の内部抵抗の影響は、かなり軽減できるのですが、USBは5Vという低い電圧なので、そこに大きな電流を流そうとすると、どうしても、ケーブルの太さ、長さが大きく影響してくることになります。

想像以上ですね。

■ 早速、実験してみよう!

じゃぁ、「充電用ケーブル」を変えると、どのくらい、流れる電流が変わってくるのか?
比較してみることにする。


タブレット用の充電器(5V、2.4A対応)に、充電用のケーブルを繋ぐ。
負荷はタブレットの変わりに、固定抵抗を繋ぐ。
(ジャンク品として売られていた47Ωの抵抗を114個利用)


ケーブルの抵抗値がゼロ(圧倒的に太くて、圧倒的に短いケーブル)ならば、計算上(理論上)は、約3Aの電流が流れるはず。
でも、実際には、ケーブルにも抵抗値があるため、ケーブルによって、流れる電流が変わってくるはずである。


とりあえず、ケーブルに電流を流すと、(抵抗器の両端に掛かる)電圧がどれくらい下がるか、測ってみましょう。

○ 太くて短いケーブル


まずは、無負荷の時。つまり、電流を流さないときの電圧。 5.04V


「充電用ケーブル」に電流を流すと、電圧降下が起きるので、抵抗の両端の電圧は下がる。 1.94Aの電流を流すと、4.29Vまで下がりました。

※microUSB(メス)~ミノムシクリップまでの電線は「細い」ので、こちらの電圧降下の方が大きいと思われます。 USBケーブル(USB~microUSB)の電圧降下は、それほど大きくないはずなので、注意してください。

○それなりに短いけれど、細いケーブル

では、粗悪なケーブル(細いケーブル)を使うと、どうなるか?


無負荷の時。 つまり、電流を流さないときの電圧。 5.04V


「細いケーブル」、実際には「抵抗値の大きな充電ケーブル」を使うと、トータルの抵抗値が増えるので、流れる電流が減る。ほぼ半分。

抵抗の両端の電圧は、たったの2.32V。
ということは、ケーブルによる電圧降下は、2.7Vを超えている。

抵抗で消費される電力(=タブレットに充電される電力)よりも、ケーブルでの電力ロスの方が大きいという、なんとも酷い話。
こういうケーブルは、データ転送用には使えるけど、充電用に使うと、充電に時間が掛かりそうです。

○ 電流が半分になれば、充電時間は4倍に伸びる。

電力P[W]=電流I[A]^2 × 抵抗R[Ω]
になります。

つまり、粗悪なケーブルを使うことによって、負荷(タブレットなど)に流れる電流が
半分(1/2)になれば、充電に使われる電力は、半分の二乗、つまり1/4になり、充電時間は4倍に伸びるはずです。

同じような「充電ケーブル」でも、これだけ流れる電流が違うのであれば、
いろんな「充電ケーブル」で、どれくらいの電流が流れるか、あらかじめ調べておいた方が良さそうです。

さっそく、いろんなケーブルを、調べてみましょう!

《  5Vで2A流すと、10W 》

USBの規格では、最大0.5A(USB 3.0では 0.9A)

しかしならが、タブレットなどの microUSBの充電時には2Aを超える物もある。
電圧が低いので、僅かな電力のように感じるけれど、計算してみると、2Aの電流を流すと、10Wとかになってしまう。

ケーブルによるロスもかなり大きいですね。

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