マスターの独り言

 Twin driveの彼方へ（iPhone‐充電器の自作他）

【2009/10/05(月)】

 [グッズ]

ここで述べている事柄について、当方は責任を負えません。実行する際は自己責任にてお願い致します。

　※図面を一部修正（2009/10/14）

色々と実験をしているうち、iPhoneの充電に関して大まかな事が分ってきました。

まずは、"笑"撃の事実（?）。左の図を見てください。

Ni-MH充電池×４本（またはアルカリ乾電池×３本）とUSBタイプAメスを使用したiPhoneの簡易充電器です。

3端子レギュレーターはおろか、抵抗すらも使用していません。材料は単3または単4電池4本が入る電池ボックスとUSB端子、それに導線くらい。これでしっかりとiPhoneに充電できちゃいます(^-^;

論より証拠。次の写真は簡易充電器のテストです。

電池ボックスがなかったので自作（というか改造）充電器の電池ボックスを使用しています。回路等が見えますが、この実験では利用しておらず、電池をiPhoneにダイレクトに接続しているだけです。

写真下に見えるものは、USBタイプA延長アダプタの中間にディップスイッチをつけたものです。

 単3形充電式エボルタを4本直列につないでいますから2A位は余裕で流せるはずですが、iPhone側で制御して480〜490mAの電流で安定して充電されています（定電流充電）

DC−DCアップコンバーターを使用していませんから効率も100%近いはずで、4.6V2000mAh（≒3.7V2486mAh）の容量がありますから、少なくとも1回以上、恐らく1.7回程、iPhoneをフル充電できるはずです（テストはしていませんが）

この簡易充電器について解説する前に、まずはiPhoneの充電に関して実験していて判明（?）したことを述べてみたいと思います。

※データはiPhone3G OS3.1のもので、iPod/iPhoneコネクタはセリア（100均）で購入したものを使用しています。
なお、USB端子のD+/-の名称は、解説してあるページによって逆だったりしますが、当ページでは最初の図の通りとさせて頂きます。
また、電圧等の数値に関しては、データロガーも無い状態での計測であり、状況によって変わることがあった為、およその数値と思ってください。

○iPhoneに接続したコネクタのUSB端子において、VBUS−GND間に約4.3V以上の電圧を掛けると、D+端子に3.0Vの電圧が（勝手に）印加される。

○この状態で、D-端子に約1.2V以上の電圧を印加すると、充電トリガーが入り、iPhoneは充電モードになる。

○NC（未接続）のD+端子には3.0Vの電圧が印加されているので、D-端子と短絡することで充電トリガーを入れることが出来る。

○一旦充電モードに入れば、VBUS−GND間に十分な電力が掛かっている限り、D-端子をNCにしても充電モードは続く（D+端子はNCにしてもiPhone側から3.0Vの電圧が掛かっている）

iPhoneの充電モードが解除される条件については下記のような感じになるようです。

○D+端子とD-端子の電圧の合計が2.0V未満（不確定）

○D+端子の電圧がほぼ0V（800mV未満?）

○VBUSの電圧が約4.3V（?）未満の時、D-端子の電圧が1.0V未満。
　→どうも、これは怪しいようです（追記：2009/10/07）

○VBUSの電圧が約4.0V未満（?）

例えば、Panasonicのポケパワー（BQ-PP10）を用い、自作充電アダプタを使用せずにiPhoneの電池が20%未満の時に充電した場合、テスタで電圧を測ると、

D+端子の電圧がほぼ0Vになる→充電モードから通電モード→コンデンサでチャージされてたD-端子の電圧が1.0V（?）を切る→通常モード→以後繰り返し

※上記、D-端子のコンデンサによるチャージは間違いかもしれません
（追記：2009/10/07）

となるようです。

前述のディップスイッチをつけたUSBケーブルでD+端子をNCにして試すとほんの少し充電モードになりますが、D-端子の電圧が安定しない為に、すぐに通電モード、通常モードになってしまいます。

なお、D+端子をNCにし、自作充電アダプタを使用して試すと問題なく充電できます。つまり、自作充電アダプタを作製する際は、D+端子はNCでも構わないということになりますね(^-^;

（って、いうか、どうもポケパワーの不安定状態のデータが怪しくなって来たような・・・）

ま、実のところ、D+/-端子の電圧、VBUSの電圧の変化によるiPhoneの充電制御に関しては、まだよく分っていないというのが正直なところです。

※充電に入る条件はほぼ確定ですが、充電器の出力が低下した際、【充電モード→通電モード→通常モード】になる条件（特に通電モードから通常モード）が良く分りません。（追記：2009/10/07）

 

さて、簡易充電器の説明にもどりますと、Ni-MH充電池4本を直列に繋ぎ、VBUS−GNDに接続するとD+端子にはiPhone側から3.0Vの電圧が印加されます。

この状態でD-端子とD+端子を短絡しておけば充電モードに入るのですが、これはあまりお勧めしません。

というのも、iPhoneの場合、充電モードになっていても、VBUSの電圧（というより電力？）によっては全く電流が流れず、ただiPhoneのバッテリーを消費してしまうことがあるからです。

そこで、D-端子の電圧を電池１コのところから取ることにより、Ni-MH充電池が完全放電する前に充電モードから通電モードへ切り替える事が出来るようになるわけです（たぶん・・・）

もしかしたら電池１コ（1.28V）では充電トリガーが入らないかも知れませんが、その場合は電池２コのところからとるか、D+端子と短絡すれば良いでしょう。

回路図ではD+端子はNCにしてありますが、もしかしたらD-端子と短絡して電池１コ、あるいは電池２コのところへ接続した方が良いかも知れません。

※追記（2009/10/14）
DC-DCアップコンバータの場合、電池の電圧が下がり出力が足りなくなっても充電器の回路が発振を続けて電圧を維持しようとする為、iPhoneの充電モードがなかなか解除されずに電池の電圧が1.0Vを切ってしまうこともあります。
しかし、簡易充電器の場合は電池の残量に合わせて電圧も下がるわけですから、電圧がトータルで4.0Vくらいまで下がればiPhoneはごく自然に充電モードを解除するはずで、過放電にはならないと考えられますね。
従って、単純にD+/-端子を短絡させておくのが一番良いと思われます。

アルカリ乾電池を使用する場合、４本だと6Vを超えてしまうので3端子レギュレータか抵抗を使って電圧を落としてやる必要があります。

私の行った実験ではオキシライド乾電池３本を用い、D-端子を1.5V、D+端子を3.0Vの所に接続して問題なく充電できました。充電電流はNi-MH充電池と同じ480〜490mAです。

※いずれにしましても、ご自分で自作等される場合は、くれぐれも自己責任で行うようにしてください。当方は一切責任を負いません。

 

ちなみに、私はこの簡易充電器を作ってはいません。というのも、TS201、202という電池4本を使用する充電器が1000円程度で市販されていると言う事もありますが、Ni-MH４本で3.7Vのリチウム・イオン充電池に充電できるというのは当たり前すぎて面白くないからです(;^_^A アセアセ・・・

私の興味はあくまで、Ni-MH２本でiPhoneを充電する事にあるのです。

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ということで、ここからが本題。

前述したディップスイッチ付きUSBケーブルを作った理由なのですが、自作というか改造した充電器をiPhoneに繋いだ時、充電モードに入るのに、さっぱりインジケーターが増えないどころか減ってしまう事があった為、『ちゃんと電流は流れているのかな?』と疑問に思ったからです。

で、その自作（改造）充電器というが、

『市販の携帯電話用充電器の回路を２コ使えば、Ni-MH充電池２コでもiPhoneを充電できるのんじゃないの?』

という考えから、回路を２コ、パラレルに接続したものです。

乾電池式携帯電話用充電器の出力は約5V380mAですから、電池の内部抵抗によって効率が落ちるとしても、２回路を使えば5V600mA位はだせるだろうと。

２つのUSB充電器をY字型USBケーブルで繋ぐという発想から、いっそのところINPUTを同じ電源からとってOUTPUTも繋いじゃえ、っていう、まあなんというか、乱暴なアイディアなわけです(^-^;

というわけで、はるか昔に購入したTopland製のPDC用とFOMA 3G用のものを再分解し、Vout、GNDをそれぞれ同じUSBコネクタに接続してみました。INPUTは同じNi-MH充電池２本から取っています。

始めは互いの回路が発振してしまい出力が安定しなかったのですが、0.1μFのセラミックコンデンサをVout−GND間に繋げることにより、安定するようになりました。

さて、この充電器を充電アダプタを用いてiPhoneに繋いだところ、iPhoneのバッテリーが少ない状態では充電モードにはなるものの、全く充電が進みません。

VBUSに電流計を挟み込んで電流を測ってみると、全く電流が流れてはいないではないですか。

『もしかしたら、これでも電力が足りないのでは？』

と、6Vで駆動する電球（SureFire）に繋いでみたところ、3.8V890mA程の出力があります。無負荷時の電圧は5Vありますから、どう考えても電力は足りているはずです。

念の為に、この充電器を用いてポケパワーを充電したところ、490mAの電流できちんと充電できました。

それぞれの回路のVout側に整流ダイオードを繋いだり、片側だけダイオードをつけたりしましたが、全くダメ（確か、充電モードにならなかったような・・・）

試行錯誤をして、唯一、Vout−GNDに470μFの電解コンデンサを繋いだ時だけ、10〜20mAの電流が流れました。

某アニメでは理論値の300%を超える出力を発揮したツインドライブですが、これはダメだったようです(;^_^A アセアセ・・・

 

で、ここで簡単に諦めるような私ではありません。『人生諦めが肝心』という時もありますが、『諦めたら全ておしまい』というのもまた事実です。

ある時、コンビニに立ち寄った際、使い捨て携帯充電器が半額で売っているのを見つけました。アリスティ製のPDC用で１個305円也。

実はToplandの製品は携帯に電流が流れなくなると回路の発振をやめるように作られており、これはこれで良くできているのですが、そうした構造がツインドライブにおいては邪魔になるのではないか、と思ってたのです（後に関係ないと分る）

アリスティのものは単純に出力を出すだけですから、『もしかしたら・・・』と思い、店頭にあった２個を買って帰り、さっそく試してみました。

結果は・・・

・・・Toplandのものと同じ(T^T)

いやー、泣きました（嘘）

どうにも納得の行かない私。

アリスティのものとToplandのものの組み合わせを試してみるも惨敗。

殆ど諦めかけてた時にふと閃きました。

『２コでダメでも、３コなら・・・』

と(笑)

試しにアリスティPDC×２にToplandのものを繋いでみたところ、なんと、iPhoneに電流が流れるではありませんか!!

ケースに収める関係からアリスティのものをもう一個買いに走り、USB端子を２コと強制電源用のスイッチを付けて、Triplet Driveを完成させました。

自作（?）のTriplet DriveでiPhoneと携帯電話を同時に充電
充電している携帯電話（910SH）で撮影しているので携帯電話は写っていませんが、iPhoneに380mA、携帯電話には240mAの電流が流れています。

iPhoneがバッテリー0の時からでも充電できますし、iPhoneのバッテリーが20%以上なら、携帯電話と同時に充電も可能です。

でもねぇ・・・、なんか納得いかないのですよ。だって、回路３つ使ってようやくじゃないですか。しかも、結構ケースが大きいし・・・。

これじゃあ、「マスターの独り言」にアップするのもなんだし・・・。

そんなこんなで暫くはTriplet Driveの充電器を使っていたのですが、やはり、回路2つで充電できないというのは納得がいきません。

『電力は足りているはずなのに・・・』

Twin Driveの充電器の回路を何気なく眺めながら「ボケー」っと考えていたある日、ふと気が付いた事がありました。

携帯電話充電器の回路には携帯電話の充電回路保護（出力制限？）の為か、Voutに1Ωの抵抗がついているのですが、もしかしたらこれが邪魔をしているのではないかと。

たかが1Ωですから今まで気にも留めていなかったのですが、ダメもとでジャンパしてみたところ、

 

ぬわーーーんと、

 

バッテリーがある程度少ない状態でもiPhoneにきっちり電流が流れるではないですか!!

片方の回路だけでも良いのかと思いましたが上手く行かない事もあった為、結局２つの回路共1Ωの抵抗を外してそれぞれジャンパさせる事にしました。

ツインドライブでバッテリー20%未満のiPhoneを充電。
負荷のかかるGPSを使用中でも490mA前後の電流が安定して流れています。

結果、iPhoneのバッテリーが10%未満でも、バッチリOKでした(o^∇^o)ノ

※追記（2009/10/14）：
iPhoneのバッテリーが0（電源が落ちて立ち上がらない状態）からでも、セリア（100均）のiPodケーブルを用いて問題なく充電できました。

写真のものはテスト中のものであり、最終的にはUSBコネクタのD+端子をNCにして、充電トリガーとなるD-端子を電池１コのところから取るようにしました。

これでNi-MH充電池の負荷電圧が1.0Vになれば充電モードを終了する"はず"で、Ni-MH充電池の過放電を防止できるのではないかと思っています。

※充電モードから通電モードに切り替わっても、通常モードにはなかなか切り替わりません。他に良い方法がないか検討中です。まさか、充電をやめさせるのに苦労する事になるとは・・・。充電器のランプが点滅し始めたら接続を解除するしかないのかな？（追記：2009/10/07）

ちなみに、Twin DriveでiPhoneを充電した際の電力を測って見ると、Vin 2,27V/1.16A、Vout 4.57V/490mAでしたから、効率は大体85%となります。

電流計が一つしかないため、Vinを計ってからVoutを計りましたので、逆に計るともう少し良い数字が出ます。

 

ポケパワー（BQ-PP10）、トリプレットドライヴ、ツインドライヴ大きさ比較。
厚さはこんな感じ↓

実際に充電中の充電器を触ってみても、回路自体の発熱は殆ど無く、高効率で動いていることが分ります。電池に関しても、ポケパワーの充電に使用してみたところ、1Ωの抵抗があった時に比べ発熱が少ないように感じられました。

iPhoneのバッテリーが8%の時に充電してみたところ、１時間４０分くらいで約70%まで充電できましたから、ポケパワーとどっこいどっこいといったところでしょうか。

もっとも、ポケパワーにはNi-MH充電池への充電機能もついていますから、さすがはPanasonicといったところですか。

ま、いずれにしても、DC−DCアップコンバーターでこれだけの出力をだすのに効率が85%というのはなかなかのものですから、結果的には満足ですね。

てなわけでして、ポケパワーとTwin Driveで身の回りの外部充電はバッチリOKとなりました。充電しながら移動できるので、最近ではACアダプタを使わずにこちらで充電する事が多かったりします。

でも、Triplet Driveの立場は・・・。

ま、いいか。

ということで、結論。

素直にアイパワーなどの市販品を買っとけ、ってことですな(^-^;

あー、忙しいのに何やってんだろ、俺・・・。

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追記（2009/10/14）

ツインドライブの電池が少なくなってiPhoneの充電が進まなくなった際、iPhoneの充電モードを解除させる方法を色々試して見ましたが、結局良い方法が見つかりませんでした。

２コのNi-MHの電圧が合わせて2.0V（負荷時）を下回ったら充電器の電源を落とす、というのが一番良い方法なのは分っているのですが、そのための回路を組むスペースがありません。

ケースを大きなものに替えるのは避けたいところなので。

なんとかiPhoneの方で素直に充電モードを解除してくれる方法を見つけようと頑張ったのですが・・・。

 

iPhoneが充電モードを解除する確実な条件は、VBUSの電圧が0、または、D+端子の電圧が0の場合です。VBUSに電圧が掛かっている限りD+端子にも電圧が印加されますから、VBUSをそのままでD+端子の電圧を0Vにするには、GNDと一瞬短絡させてやるしかありません（あるいは容量の大きな電解コンデンサなどに一気にチャージさせる）。

D+端子とGNDを短絡して充電モードが解除されると一旦VBUSの電圧を開放しない限り再び充電モードには入りません。これはNi-MHの電圧が低下した際にD+端子を瞬間的にGNDへ落とすようにすれば、たとえNi-MHの電圧がわずかに回復してもそのままでは充電モードに入りませんから好都合なのです。

あまり良い事とは思えないですが、そのための回路をバイポーラトランジスタ2石と抵抗数個で仮組みしてみたものの、どう考えてもケースに収まりません。iPhoneに悪影響があるかもしれませんし、この方法も諦める事にしました。

結局のところ、USB2.0（だったかな）の規格にある充電器の仕様にのっとって、D+/-端子を短絡させる、という方法が一番簡単で無難なようです。

ただ、D+/-端子をそのまま短絡させただけですと充電器の出力が落ちてもiPhoneはなかなか充電モードを解除してくれません。

抵抗などを組み合わせて色々と接続を試してみた結果、D+端子とD-端子を10μFの電解コンデンサで繋ぐ、という方法にしぶしぶながら落ち着く事にしました（上記写真）。

充電器の出力が低下した際、他の方法よりも比較的早めに通電モードに移行するようですし、一旦通電モードになれば再び充電モードになり難いように"感じ"ます。

まあ、そのかわり、一旦充電をやめてすぐに充電を再開した場合、充電モードに入らない時もありますが・・・。

せっかくですので、D+/-端子の接続について、主な例をのせておきます。

 

	D+端子、D-端子を短絡、あるいは適当な抵抗で繋いだもの。 D+端子とD-端子が短絡しているのは気分的に良くない、という方は、数kΩ〜数十kΩの抵抗で繋ぐと良いかも。 抵抗の値を変えても、充電の動作に殆ど変化が無い。 USBの規格で充電器にあたる（?）
	D+端子、D-端子を10μF程度の電解コンデンサで繋ぐ。 比較的早く通電モードになり、再充電モードになり難い（と思う） 現在のTwin driveはこれ。 USB仕様の対象外（?）
	D+端子とD-端子、D-端子とGNDをそれぞれ適当な抵抗で繋ぐ。 R2は約8kΩ〜数十kΩ。充電トリガーとなるD-端子の電圧は分圧抵抗で決まるので、R1:R2＝1:1〜1：2程度で。 抵抗の組み合わせ次第では、比較的早めに充電モードが解除される。 R1をD-端子ではなくGNDに接続（プルダウン）すればUSBの規格ではパソコンの類（?）になるはずだが、D-端子に電圧が印加されないので充電トリガーが入らない（と思う）
	D+端子、D-端子をそれぞれ適当な抵抗（10kΩ〜数十kΩ）でプルアップしたもの。 充電モードがなかなか解除されない。 USBの規格で充電器にあたる（?）
	D+端子、D-端子とVBUS、GNDをそれぞれ分圧抵抗で繋いだもの。 抵抗はいずれも数十kΩ。 （R3、R4の記述を忘れていた；） iPod対応と謳っているUSB充電器はこのパターンが多いみたい。

 

とりあえず、現時点はこれ以上の労力をかけても無駄だと思いますので、Twin drive充電器のLEDが点滅しはじめたら充電を止めるという初歩的な方法を取ることにしました。

ポケパワーなら電池の容量が少なくなれば自動的に電源が切れるのでそちらを使えば良いのですが、取り回しの良さは当たり前としてどうも変換効率もTwin driveの方が上のような感じですから、ついついこちらを使ってしまいます。

最後に、私達のお出掛け外部電源セットの集合写真(^-^;

車のシガープラグからUSBの電源を取り出せるものはセリアの商品で105円。D+/-端子はNCでしたので適当な抵抗で繋いであります。

リールコード式のUSB延長ケーブルはダイソーの商品で420円。リールコード式のケーブルでは充電が出来ないという話もあるようですが、USB2.0に準拠してあれば大抵は大丈夫のようです。

iPodコネクタ、DSLiteコネクタはこれまたセリアのもの。全く問題なく使えています。

後は写真に写っていませんが、予備の電池が数本。

もちろん、これらを全て持ち運んでいるのではなく、状況にあわせて使い分けています。

ということで、おしまい。

最終更新日：2009/10/14(水) 03:15:34
Posted by マスター