Ｍｅｍｏｒａｎｄｕｍの小部屋
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ＵＳＢケーブル、なんじゃこりゃ！ ＵＳＢケーブルチェッカの製作
ＵＳＢが登場する以前は周辺機器毎に様々な仕様のインターフェースや太いケーブルを引き回してパソコンを利用していました。 少しでも高速にと、当時は比較的高価であったＳＣＳＩの導入もしました。 その後、ＵＳＢが登場してケーブルの引き回しや電源供給についても相当改善されています。 しかし、時間とともにＵＳＢの規格も 進化して、ＵＳＢと一言で称しても乱立ＵＳＢインターフェース状態になっています。 物理的なコネクタ・ケーブルについても何種類も存在しており、いろいろな種類のＵＳＢケーブルが必要となっています。
そのような状況で、ＵＳＢケーブルを接続したものの外付けＤＶＤなどの 負荷電流の大きい周辺機器の動作不安定、電源給電の不安定（断続）、通信不可などのＵＳＢケーブルに関わるトラブルが増えてきました。 時には充電専用のＵＳＢケーブルのため＋Ｄ・−Ｄ信号線が無いケーブルとは気付かずに、ＵＳＢ接続できないと無駄な確認作業をして時間を浪費したこともあります。
コネクタを切断して初めて充電用ケーブルと気付きました。
【 充電専用ＵＳＢケーブル 】
そのようなケーブルの購入当時は充電専用である仕様を認識していたかもしれませんが、何年も経過すると「なんじゃこのケーブルは！」となってしまいます。 当然、半断線に起因したトラブルも多々経験しています。 そもそもは００円均一の安価なＵＳＢケーブルを利用するのが間違いだと思いますが、やはり価格優先となります。
ＵＳＢケーブルのトラブルに見舞われる度にケーブルの導通確認、電圧確認などをして「ＵＳＢケーブルなんじゃこりゃ！」とおとなしく冷静に呟くことが増えてきました。 特に判断が難しいのは重負荷機器の動作不安定関連でした。 と、いうことで、この度、ＵＳＢケーブルチェッカを製作しました。
− 目次 −
今回製作するるＵＳＢケーブルチェッカではＵＳＢケーブルの断線と電源供給ラインの電圧降下を測定できるようにしました。 電圧降下測定は電流を５００ｍＡ流して電圧降下を測定するつもりでしたが、電圧降下の大きいケーブルがありましたので 初期品製作・動作確認後に急遽、小電流の測定もできるように改造することになりました。 その結果、最終的な仕様は以下のようになりました。
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項目 |
仕様 |
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適合ケーブル |
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電圧ライン 電圧降下測定 |
Ｃａｓｅ２ ： ３．３Ｖ （電圧計最大表示電圧。 電線抵抗６．６Ωに相当。） |
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電線接続チェック |
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電源 |
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上記仕様を元にして以下の回路図で製作しました。
上記回路図をクリックすると原寸大の回路図にアクセスできます。
（回路図作図にはＫｉＣＡＤを利用しています。）
【 ＵＳＢケーブルチェッカ 回路図 】
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部品 |
内容 |
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測定電流供給側 ＣＮ１・ＴＢ２ |
ＣＮ１コネクタは何度も抜き差しをすることになりますので、接続部の劣化が想定されます。 そのため、交換用コネクタを追加できるように外付け用の端子台ＴＢ２を設けました。
外付けコネクタを利用した際に、電圧検出専用の配線を接続する端子台ＴＢ１を設けています。 電圧検出に際しての測定誤差を低減するために＋側検出回路のみですが、検出用配線を明示して記載しています。（１点接続するように配線を斜めに引き出しています。） |
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ケーブル他端側 ＣＮ２・ＰＢ１・ＰＢ２・ |
ケーブル他端側にも外付け用の端子台ＴＢ３を設けました。 これはＣＮ２コネクタの劣化対応と、基板実装以外のコネクタにも対応するためです。
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定電流用デバイス |
新日本無線のＮＪＭ３１７Ｆを利用しました。 このＩＣのピン番号割り付けは古いデータシートと現時点のデータシート（Ｗｅｂ掲載）で異なっていました。 試作時に古いデータシート を参照して回路図を作図しましたが、製作時には最新のデータシートを参照しながらで 製作をしました。 その際、ピン配列が記憶と参照データシートで異なるために確認をしたところピン番号割り付け変更に気づきました。 混乱を避けるために回路図にピン配列を記載しました。
秋月電子通商でＮＪＭ３１７Ｆを購入した際に添付されていたデータシートです。 【 古いデーターシート 】
本Ｗｅｂページ作成時点でのデータシート（NJM317_j.pdf）です。 【 現在のデーターシート 】
電圧降下測定時にはＩＣ２には５００ｍＡ程度流れますのでＩＣ２には放熱板が必須です。 ＩＣ２損失［Ｗ］ ＝ ＮＪＭ３１７入出力電位差 × ０．５Ａ ＡＣアダプタ電圧５Ｖ時 ： ２．６Ｖ × ０．５Ａ ＝ １．３Ｗ
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電圧計 ＤＶＭ１ |
ａｉｔｅｎｄｏの「極小電圧表示器（緑） (VM3D-30V-036(緑))」を改造して０．３Ｖ／３．０Ｖの２レンジ電圧計として利用しました。 これを選定したのは小型であること、入力レンジ改造ができることを確認できていたことが理由です。 改造方法は ４．電圧計改造 を参照願います。 |
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可変抵抗 |
電圧計表示の校正用に可変抵抗を３個利用します。 ３桁表示の調整をしますので、１０回転以上の多回転ＶＲを推奨します。 今回は秋月電子通商でＢＯＵＲＮＳ社高精度多回転ボリュームを購入して利用しました。
調整の順番はＶＲ３→ＶＲ２→ＶＲ１です。 詳細は ２．製作・動作確認 に記載します。 |
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電線接続チェック |
ＬＥＤの種類・ロットによってＬＥＤ用電流制限抵抗の抵抗値を変更する必要があります。 今回は秋月電子通商で購入して余っていたＯＳ５ＹＡＡ５１１１Ａ（I-04771）を利用しました。 電流制限抵抗Ｒ２・Ｒ３・Ｒ４は試作回路で調整・輝度確認をしました。
それでも調整不足でしたので、まだ見直しが望まれます。 定電流ダイオードを利用するなどの方法も考えられますが、今回は ５．まとめ（
４） に記載の方法で対応しました。 |
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定電流設定抵抗 Ｒ７・Ｒ８・Ｒ９・Ｒ１０ Ｒ１３・Ｒ１４ |
定電流設定抵抗には測定電流が流れますので、電力用の抵抗を利用する必要があります。 今回は約５００ｍＡと約１００ｍＡの２種類を設定しますので、約５００ｍＡ用は２．５Ω（定格電力３Ｗ以上）、約１００ｍＡ用は１２．５Ω（定格１Ｗ以上）となります。 この値を目標にして手持ちの抵抗を利用しました。 ５００ｍＡレンジ ： １Ωの抵抗を４本利用して２．５Ωとしました。
１１０ｍＡレンジ ： ５．６Ωを２本直列接続して１１．２Ωとしました。 |
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逆方向電流防止ダイオード Ｄ１・Ｄ２・Ｄ３・Ｄ６ |
Ｄ１・Ｄ２・Ｄ３・Ｄ６ は順方向電圧降下の小さいショットキーバリヤダイオードを利用します。 Ｄ１は電池動作時に電源ライン用の電線接続チェック 確認用ＬＥＤ３がＩＣ２を経由した漏れ電流（回り込み回路）によって僅かに光ることを低減するために設けました。 根本対策にはなりませんでしたが、設けることで若干輝度が低下しま した。 利用するＬＥＤが漏れ電流でほとんど光らないならばＤ１は不要です。 Ｄ１の電圧降下は電源ラインの電圧降下測定範囲を狭くする原因となりますので、Ｄ１を無くす方がベターです。
Ｄ２とＤ３は電池動作、ＡＣアダプタ動作時の逆方向電流を防止するために設けています。 |
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増設用コネクタケーブル 製作例 |
ＵＳＢ延長ケーブルやＵＳＢ２分配（ＨＵＢ）ケーブルの利用頻度も高いため、増設用端子台を利用してＴｙｐｅ−Ａレセプタクル 増設ケーブルを製作しました。
【 Ｔｙｐｅ−Ａレセプタクル増設ケーブル 回路図 】
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電池切り離しＳＷ ＳＷ２ |
リチウム電池を回路から切り離すためにＳＷ２を設けました。 主要因は不明ですが、ＵＳＢケーブル未接続でもＬＥＤ３が僅かに発光する現象が確認されました。 発光を低減するためにＲ１＋ＶＲ１抵抗の高抵抗化、Ｄ１追加（ショットキーバリヤダイオードなのでリーク電流激減を期待する事自体無理があります。）などの対策を行いましたが、発光輝度は低下するものの未発光にすることができませんでした。 リチウム電池電池動作時の回り込み対策がうまくいきませんでしたのでＳＷ２を設けて物理的に遮断することにしました。 ちょっと悔しい思いです。
【 電池回り込み回路によるＬＥＤ３発光状態 】
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オペアンプ |
オペアンプには入出力レール・トゥ・レールのＬＭＣ６４８２ＡＩＮを利用しました。 なお、Ｄ６で電源０Ｖ（ＧＮＤＰＷＲ）に対して信号０Ｖ（ＧＮＤ） にはＤ６順方向電圧降下分の電位差を持たせていますので、必ずしも入出力レール・トゥ・レールのオペアンプにする必要はないようにはしています。 ただし、他型式での動作確認はしていません。 |
前記回路図で製作したＵＳＢケーブルチェッカの製作例を下記に掲載します。 なお、製作に際して電圧計の改造が必要です。 電圧計の改造は ４．電圧計改造 を参照願います。
【 ＵＳＢケーブルチェッカ製作例１ 】
【 ＵＳＢケーブルチェッカ製作例２ 】
【 ＵＳＢケーブルチェッカ製作例３ 】
【 ＵＳＢケーブルチェッカ製作例４ 】
【 ＵＳＢケーブルチェッカ製作例５ 】
【 ＵＳＢケーブルチェッカ製作例６ 】
【 Ｔｙｐｅ−Ａレセプタクル増設ケーブル製作例 】
利用に際して電圧計ＤＶＭ１の調整が必要です。 調整作業にはテスター電圧計、約０．３Ｖ〜３Ｖ付近の電圧設定可能な可変電源が必要です。 調整の手順を以下に掲載します。
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Ｓｔｅｐ１ |
ＵＳＢケーブルチェッカのＪＰ１をのジャンパーピンを取り外して、電流設定抵抗をＣＮ１（ＴＢ２）から切り離します。 |
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Ｓｔｅｐ２ |
可変電源＋側をＴＢ２のＶＢＵＳに、−側をＴＢ２のＧＮＤ端子を接続します。 |
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Ｓｔｅｐ３ |
テスター電圧計の＋端子をＩＣ１（回路図ＩＣ１Ｂ）の７番ピンに、−端子をＴＢ２のＧＮＤ端子に接続します。 |
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Ｓｔｅｐ４ |
テスター電圧計測定値が３００ｍＶとなるように可変電源電圧を調整します。 測定電圧が下がらない場合は、ＳＷ１を×１００ｍＶレンジにしてＶＲ１を調整することで測定値を低下することができます。 |
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Ｓｔｅｐ５ |
電圧計ＤＶＭ１の表示が３０．０となるようにＶＲ３を調整します。 |
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Ｓｔｅｐ６ |
テスター電圧計の＋端子をＴＢ２のＶＢＵＳ端子に、−端子をＴＢ２のＧＮＤ端子に接続します。 |
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Ｓｔｅｐ７ |
テスター電圧計測定値が３００ｍＶとなるように可変電源電圧を調整します。 ３００ｍＶを設定できない場合は、抵抗や可変抵抗を利用して可変電源出力を分圧するなどの工夫が必要です。 |
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Ｓｔｅｐ８ |
ＳＷ１を×１０ｍＶレンジにします。 |
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Ｓｔｅｐ９ |
電圧計ＤＶＭ１の表示が３０．０となるようにＶＲ２を調整します。 |
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Ｓｔｅｐ１０ |
テスター電圧計測定値が３．００Ｖとなるように可変電源電圧を調整します。 |
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Ｓｔｅｐ１１ |
ＳＷ１を×１００ｍＶレンジにします。 |
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Ｓｔｅｐ１２ |
電圧計ＤＶＭ１の表示が３０．０となるようにＶＲ１を調整します。 |
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以上で終了です。 ＪＰ１を５００ｍＡ側（もしくは１００ｍＡ側）に接続して終了です。 |
上記の調整結果を下記に掲載します。
【 ×１０ｍＶレンジ 調整結果比較 】
【 ×１００ｍＶレンジ 調整結果比較 】
上記結果のように若干調整の追い込み不足がありますが、電圧計ＤＶＭ１で電圧降下電圧を測定することはできそうです。 ただし、３００ｍＶ以下では×１００ｍＶレンジでは０点シフトが目立ちます。 本来はこのオフセットをキャンセルする回路を追加する構想でした。 しかし、キャンセル回路を設けると調整が難しくなる、部品点数・調整部位が増えるなどに加えて、０点シフト補正はそれほど重要ではないと思い直して、０点シフト補正しない現在の回路になりました。
次に電圧降下測定時の電流を測定した結果を下記に掲載します。 ほぼ設計通り実測５００ｍＡ／１１１ｍＡとなっていました。 ＩＣ２の基準電圧や電力用抵抗の抵抗値誤差は思ったより小さいようです。
【 測定電流５００ｍＡ設定時 】
【 測定電流１１０ｍＡ設定時 】
手持ちのＵＳＢケーブルを測定した例を掲載します。
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ケーブル仕様 |
チェック結果 |
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ＵＳＢ Ｔｙｐｅ−Ａ〜Ｍｉｃｒｏ−Ｂ ケーブル長さ １８０ｍｍ |
Ｔｙｐｅ−Ａ〜Ｍｉｃｒｏ−Ｂ 長さ１８０ｍｍ 【 ＵＳＢケーブル外観 】
電線接続は正常でした。 【 電池動作による電線接続チェック結果 】
【 電圧ライン 電圧降下測定結果 】
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ＵＳＢ Ｔｙｐｅ−Ａ〜Ｍｉｃｒｏ−Ｂ ケーブル長さ ９８５ｍｍ |
Ｔｙｐｅ−Ａ〜Ｍｉｃｒｏ−Ｂ 長さ９８５ｍｍ 【 ＵＳＢケーブル外観 】
【 電池動作による電線接続チェック結果 】
【 電圧ライン 電圧降下測定結果 】
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ＵＳＢ Ｔｙｐｅ−Ａ〜Ｍｉｎｉ−Ｂ ケーブル長さ ８０５ｍｍ |
Ｔｙｐｅ−Ａ〜Ｍｉｎｉ−Ｂ 長さ８０５ｍｍ 【 ＵＳＢケーブル外観 】
【 電池動作による電線接続チェック結果 】
【 電圧ライン 電圧降下測定結果 】
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ＵＳＢ Ｔｙｐｅ−Ａ〜Ｔｙｐｅ−Ｂ ケーブル長さ １８４０ｍｍ |
Ｔｙｐｅ−Ａ〜Ｔｙｐｅ−Ｂ 長さ１８４０ｍｍ 【 ＵＳＢケーブル外観 】
【 電池動作による電線接続チェック結果 】
【 電圧ライン 電圧降下測定結果 】
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ＵＳＢ Ｔｙｐｅ−Ａ延長ケーブル ケーブル長 ７７０ｍｍ |
Ｔｙｐｅ−Ａ延長ケーブル 長さ７７０ｍｍ 【 ＵＳＢケーブル外観 】
【 電池動作による電線接続チェック結果 】
【 電圧ライン 電圧降下測定結果 】
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ＵＳＢ Ｔｙｐｅ−Ａ延長ケーブル ケーブル長さ ２０３０ｍｍ |
Ｔｙｐｅ−Ａ〜Ｍｉｃｒｏ−Ｂ 長さ２０３０ｍｍ 【 ＵＳＢケーブル外観 】
【 電池動作による電線接続チェック結果 】
【 電圧ライン 電圧降下測定結果 】
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ＵＳＢＨＵＢ ２分岐ケーブル ケーブル長さ ３２５ｍｍ |
ＵＳＢＨＵＢ ２分岐ケーブル 長さ３２５ｍｍ 【 ＵＳＢＨＵＢ ２分岐ケーブル外観 】
【 電池動作による電線接続チェック結果 】
【 Ａ側電圧ライン 電圧降下測定結果 】
【 Ｂ側電圧ライン 電圧降下測定結果 】
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ＵＳＢ Ｔｙｐｅ−Ａ〜Ｔｙｐｅ−Ｃ ケーブル長さ １８０ｍｍ |
当初、Ｔｙｐｅ−Ｃのケーブルを所有していませんでしたので確認は後回しにする予定でした。 その後、１００円均一ショップに出かけた際にＴｙｏｅ−Ｃのケーブルを見かけたので思わず購入しました。 このようにして使い道のない周辺機器が増殖していくのでした。
【 Ｔｙｐｅ−Ｃケーブル 外観１ 】
【 Ｔｙｐｅ−Ｃケーブル 外観２ 】
Ｔｙｐｅ−Ａ〜Ｍｉｃｒｏ−Ｂ 長さ１８０ｍｍ 【 Ｔｙｐｅ−Ｃケーブル 外観３ 】
【 電池動作による電線接続チェック結果 】
【 電圧ライン 電圧降下測定結果 】
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ＵＳＢケーブルチェッカに用いた電圧計ＤＶＭ１としてａｉｔｅｎｄｏの「極小電圧表示器（緑） (VM3D-30V-036(緑))」を利用しましたが、そのままではＬＥＤ数値がとても読みづらくなっていました。 また、測定結果の校正のために若干調整が必要なようでした
【 テスター電圧表示５．００Ｖ測定時 照明有り 】
今回、ＬＥＤ輝度改善と測定結果校正対応のために本表示器の回路を改造しました。 まずは、７セグメントＬＥＤを取り外して基板回路の確認をしました。
【 ＬＥＤ取り外し後の基板外観１ 】
【 ＬＥＤ取り外し後の基板外観２ 】
電源ラインには逆電圧防止用のダイオードとＩＣ過電圧防止を兼ねた７８Ｌ０５相当の３端子レギュレータが設けられていました。 ＬＥＤを取付けた状態（０．００表示）では、供給電圧５．０３Ｖ時に３端子レギュレータ入力電圧は４．７５Ｖ、３端子レギュレータ出力電圧は３．３２Ｖでした。
この結果よりダイオードと３端子レギュレータを取り外して、ＩＣに直接給電することにしました。
【 ダイオード・３端子レギュレータ 取り外し 】
【 電源ライン直結状態 】
この状態で基板供給電圧とＬＥＤ輝度の関係を確認しました。 改造することで３Ｖ以上あれば数値を読み取ることができそうです。
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電源供給電圧 |
左側 改造後表示状態 |
右側 標準品表示状態 |
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２．５Ｖ |
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３．０Ｖ |
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３．５Ｖ |
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４．０Ｖ |
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４．５Ｖ |
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５．０Ｖ |
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また、入力回路はスパン微調整用と思われる３種類の抵抗と調整用ＰＡＤが設けられています。 今回、ＫｉＣＡＤ用に本品の部品シンボルを作成しましたが、その際、入力回路をシンボルに含めましたので参照願います。 下記回路の１２０ｋΩの抵抗値を調整することでスパン調整を行うことにしました。 測定範囲は０〜０．３Ｖとなるように前記回路図のＶＲ３（２０ｋΩ）で調整します。
【 ＫｉＣＡＤ用 極小電圧表示器 （VM3D-30V-036） シンボル 】
これらの調査・確認結果より下記のＰＡＤから４本の電線を取り出て改造を終えます。
【 改造後の電圧計ＤＶＭ１ （表側） 】
【 改造後の電圧計ＤＶＭ１ （裏側） 】
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電線色 |
用途 |
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赤色 |
電源＋側。 |
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黒色 |
電源−側、測定電圧−側。 |
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緑色 |
標準入力。 電源＋側と分離するため、電源＋側と短絡するＰＡＤを未接続にする必要有り。 |
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黄色 |
ＩＣのアナログ入力。 |
なお、おまじないのため電源ラインに１００μＦの積層セラミックコンデンサを追加しています。
（１） 手持ちＵＳＢケーブルの断線をすぐに判別できるようになりました。
（２） ＵＳＢケーブルの電圧降下を直読できるでためＵＳＢケーブルの良否を容易に判断できるようになりました。
（３） 機能を限定すればＵＳＢケーブルチェッカをコンパクトにまとめることができます。
信号線の逆接続検出は無駄なのでＤ４，Ｄ５を無くすことができます。
電圧計ＤＶＭ１もテスターで計測すると割り切れば電圧測定関連の回路が不要になります。
（４） ＬＥＤの輝度調整がまだ不足しています。 本来は回路見直し、使用部品見直し、定数見直しなどが必要です。
以下、この対応について記載します。
最近のＬＥＤは輝度が高いため 点灯状態によってはＬＥＤ発光がとてもまぶしくなることがあります。 この対応として、キャップを付けて光を減衰／拡散しました。
また、ＬＥＤの見る向きによっては、隣接するＬＥＤの発光が消灯しているＬＥＤに入り込んで、あたかも点灯しているかのように誤認識しそうになりました。 下記２例ともに中央のＬＥＤは消灯していますが隣接ＬＥＤ点灯によってあたかも点灯しているように見えます。
【 誤認識例１ 】
【 誤認識例２ 】
なお、このような場合でもＬＥＤの頂上側から見た場合は、ＬＥＤの点灯／消灯を誤認識することはありません。
現物はもっとあっきり点灯／消灯の識別ができます。
【 ＬＥＤ頂上側から発光をみた場合 】
この対応として遮光用キャップを設けて対策することにしました。 遮光用キャップはアルミテープを円筒 形に丸めて、表面にセロハンテープを貼り付けて製作しました。
【 遮光用キャップ単体外観 】
これをＬＥＤに差し込んで利用しました。
【 遮光用キャップ実装状態 】
キャップを取付けることで横、斜めからのＬＥＤ発光状態を確認できなくなりましたので、発光状態はＬＥＤの頂上側かしか確認できなくなりました。 これで誤認識の可能性を低減することができそうです。
【 キャップ取り付け後のＬＥＤ点灯状態 】
End of This Page.
