一定電圧を供給する充電機を使った場合の電流と抵抗の関係

Question

USBはDC5Vの一定電圧を供給してくれますので、USB充電機を
改造して、いろんなことに使ってみようと思っています。
ただ、電流は装置上、最大値が決まっています。
今、使おうとしている充電機に内蔵のスイッチングレギュレータは1.5Aが上限というものです。

この場合、以下のようなことをするとどのようになるのでしょうか？

(1)3.33オームの抵抗をつないで電流を測定
　この場合は　E=IR　から　5=I×3.33　I=1.5
　充電機の最大電流が測定できると思っています。
　この考えは正しいのでしょうか？

(2)2.5オームの抵抗をつないで電流を測定
　この場合、式では　5=I×2.5　I=2
　ただし、充電機は1.5Aが上限です。そうすると固定値は
　抵抗と電流の値になりますから、電圧が下がらざるを得ない？
　E=1.5×2.5　E=3.75
　でもUSB充電機は5V一定に出力すると思っています。
　この場合はどのようになるのでしょうか？
　USB充電機の電圧が強制的に下がり、装置に負担がかかるのでしょうか？

mtaka2 · Accepted Answer

電源側の回路構成にもよりますが、保護回路が入っている場合、
定格を超えた電流を取りだそうとした場合、保護回路によって出力電圧は0Vになります。

保護回路が無い場合は、電源の能力を超える電流を取りだそうとした場合は、電圧が下がっていくことになります。

> 2Aは流れたけれども、電圧降下が起こって5Vを供給できなかった、と考えるのが普通なのですね。

いや、おそらく2Aも流れていないでしょう。
「5Vで2Aが流れる機器」は、「抵抗2.5Ω」に相当しますが、
2.5Ωの抵抗を繋いだ場合、オームの法則的に、
5Vより低い電圧では、流れる電流は2Aよりも小さくなります。

例えば、電圧が4.5Vに下がれば、流れる電流は1.8Aになります。

> ただし、充電機は1.5Aが上限です。そうすると固定値は
> 　抵抗と電流の値になりますから、電圧が下がらざるを得ない？

スイッチング電源は(効率を抜きにすれば)「電力(=電圧×電流)」は一定のまま「電圧を下げ、電流を増やす」ような回路です。
その上で、負荷変動に対し電圧が一定になるように制御をかけています。

おおざっぱな計算というか推測になりますが、
「5Vで1.5Aを取り出せる電源」は、「7.5Wの電力供給能力がある」と言えるでしょう。
7.5W電源に2.5Ωを繋ぐと、「電圧が4.3V・電流が1.7Aで、電力7.5W」といった感じになるのではないかと。

あとは、使用したい機器次第ですが、
電子回路系の機器は、そもそも「電圧が5Vより下がった」時点でまったく動作しなくなるものがそれなりに多いと思います。

rnakamra · Answer

USBをバスパワーから給電を受ける場合、電流の最大値は500mAです。
1.5Aとることはできません。

aokisika · Answer

どんな電源装置にも必ず内部抵抗があります。内部抵抗が生じる理由はいろいろあります。

たとえばスイッチングレギュレーターというのは、スイッチング回路を使って直流を交流に変換した上で、トランスで電圧を欲しい電圧にし、これを整流して直流にします。
この場合、トランスの中の銅線の電気抵抗はゼロではありませんし、整流するためのダイオードの電気抵抗もゼロではありません。こういう部品の抵抗により電源回路に内部抵抗が生じます。

いまかりに、スイッチングレギュレーター内のトランスで電圧を６Vにしたとします。そして内部抵抗が１Ωあったとすると、１Aの電流を流すと内部抵抗により１Vの電圧降下が生じますから、外に取り出せる電圧は５Vになります。
０.５Aの電流を流すと、内部抵抗による電圧降下は０.５Vになりますから、外に取り出せる電圧は５.５Vになります。
しかしこのとき何らかの方法で内部抵抗を２Ωに変化させることができたら、電圧降下は１Vになりますから、外部に取り出せる電圧は５Vになります。
内部抵抗が１Ωで２Aの電流を流すと、内部抵抗による電圧降下は２Vですから、外に取り出せる電圧は４Vになります。しかし、内部抵抗を０.５Ωに変化させることができると、電圧降下は１Vになり、外に取り出せる電圧はやはり５Vになります。

このように、電源回路の内部抵抗を変化させることで（トランジスタなどの半導体回路を使います）流す電流が変化しても外へ取り出す電圧が変化しないようにしたものが定電圧電源なのです。
質問者さんのUSB充電器は、内部の電圧がどのくらいかはわかりませんが、内部抵抗を変化させて、出力電圧が５Vになるように制御しているのです。


さて、電流が増加しても内部抵抗を小さくすれば外へ取り出す電圧は一定になるのですが、トランスの銅線の抵抗はゼロにはできませんから、内部抵抗を小さくしようとしてもこれ以上小さくできない限界があるわけです。
すると一定以上の電流を流すと、内部抵抗をそれ以上小さくできないため、内部抵抗による電圧降下が増加して出力電圧が低下してしまいます。

停電圧電源の最大電流というのは、これ以上電流を増加させると内部抵抗をそれ以上小さくできないために電圧が低下してしまうような電流を指します。


ところで、どんなに精密に作った機械にもバラツキというものがあります。最大電流が１.５Aになるように設計し製造したとしても、１００台製造すると、中には１.４Aで電圧が低下し始めたり、１.６Aまで電圧が低下しないものなどが何台かできてしまいます。１.６Aまで電圧が低下しないのなら良いのですが、１.４Aで電圧が低下してしまうと困ります。出荷してしまうと不良品として戻ってくるかもしれません。そこで１.７Aとか１.８Aとかまで電圧が低下しないように設計をします。すると、中には品質が悪くて１.５Aを超えると電圧が低下するようなものがでてきます。でもこれを最大電流１.５Aと称して売る分には全く問題ありません。これが定格最大電流です。

質問者さんの１.５Aというのは定格最大電流、要するに保証値であって設計値ではありませんから、もしかすると２A流しても５Vを保つかもしれませんし、低下するかもしれません。どのくらい余裕を見込んで設計しているか、によります。



というわけで、
（１）
これは単に定格電流を測定しているだけです。本当にその電流が最大電流であるかどうかは、より多くの電流を流してどのくらい流すと電圧が低下し始めるかを調べなければなりません。

（２）
これもやはり本当の最大電流がどのくらいなのかわかりませんから、この計算どうりになるとは限りません。

一定電圧を供給する充電機を使った場合の電流と抵抗の関係

電源側の回路構成にもよりますが、保護回路が入っている場合、

USBをバスパワーから給電を受ける場合、電流の最大値は500mAです。

この回答への補足

どんな電源装置にも必ず内部抵抗があります。

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