電子工作の電源の選び方｜乾電池・電池ボックス・USB給電の違いと、電圧と電流の考え方
電子工作の電源を、乾電池・充電池・電池ボックス・USB給電・ACアダプターに分けて比べました。電圧と電流と容量の意味、回路に合う電圧の決め方、電池の本数の数え方、USBから取れる電流の目安、逆接続やショートを防ぐ工夫まで、低い電圧の工作に限って順に紹介します。
ブレッドボードにLEDをさし、マイコンボードに簡単なプログラムを書き込めるようになると、次に迷うのが電源です。パソコンのUSBにつないでいるあいだは動いていたのに、電池に替えたら動かない、モーターを足したら途中で止まる、ということがよく起こります。原因の多くは、部品そのものではなく、電圧や電流の選び方にあります。
この記事では、電子工作でよく使う電源を、乾電池・充電池・電池ボックス・USB給電・ACアダプターに分けて、それぞれの向き不向きを比べます。電圧と電流と容量の意味から始め、回路に合う電圧の決め方、電池の本数の数え方、USBから取れる電流の目安、逆接続やショートを防ぐ工夫まで順に見ていきます。扱うのは、乾電池やUSBで動く低い電圧の工作に限ります。
電圧・電流・容量の意味をそろえておく
電源を選ぶ前に、よく出てくる三つの言葉をそろえておきます。
電圧（V、ボルト）は、電気を押し出す力の大きさです。水にたとえると、タンクの水位の高さにあたります。部品やマイコンには「この範囲の電圧で動く」という決まりがあり、低すぎると動かず、高すぎると壊れることがあります。電源選びでは、まず電圧を合わせることが最優先です。
電流（A、アンペア。電子工作ではmA、ミリアンペアをよく使います）は、実際に流れる電気の量です。水の流れる量にあたります。電流は電源が勝手に押し込むものではなく、つないだ回路が「これだけ使う」と決める量です。電源側に書かれた電流の数字は「ここまでなら出せる」という上限だと考えます。
容量（mAh、ミリアンペアアワー）は、電池にためられている電気の量です。2000mAhの電池なら、計算のうえでは200mAを流して10時間ほど使える、という見方をします。実際には、流す電流が大きいほど、また寒い場所ほど、取り出せる量は少なくなります。
この三つを分けて考えると、「電圧は合っているのに、モーターを回すと止まる」のは電流が足りないから、「最初は動くのにすぐ止まる」のは容量が少ないから、というように、困りごとの原因が見当をつけやすくなります。
回路に必要な電圧と電流を調べる
電源を選ぶときは、手持ちの電源から考えるのではなく、回路の側から決めていきます。
動作電圧を確かめる
マイコンボードやセンサー、モーターなどには、動作電圧が決まっています。部品の販売ページやデータシートに「動作電圧」「電源電圧」として書かれていることが多いので、まずここを確かめます。電子工作でよく出てくるのは、次のような値です。
- 5Vで動くもの：昔からある多くのマイコンボード、USBで給電する前提の部品など
- 3.3Vで動くもの：新しいマイコンや無線モジュール、多くのセンサーなど
- 幅のあるもの：「3〜6V」のように範囲で書かれた小型モーターなど
3.3Vの部品に5Vをかけると壊れることがあるので、混在する回路では特に注意します。マイコンボードの多くは、5Vを入れると基板上の部品で3.3Vを作る仕組みを持っていますが、どの端子に何Vを入れてよいかはボードごとに違います。説明書や公式の資料で、入力してよい端子と電圧を確認してください。
消費電流を足し算する
次に、回路全体で流れる電流を見積もります。部品ごとの消費電流を足し算するのが基本です。
| 部品の例 | 電流の大きさの感覚 | 電源選びへの影響 |
|---|---|---|
| LED（表示用） | 数mA〜20mA程度 | 本数が増えると効いてくる |
| マイコンボード | 数十mA程度のものが多い | 待機と動作で差がある |
| 小型のセンサー | 数mA以下のものが多い | ほとんど気にならない |
| 小型モーター | 数百mA以上になることも | 起動の瞬間に大きく流れる |
| サーボモーター | 動くときに大きく変動 | 別電源にすることが多い |
表の数字は大まかな目安で、部品によって大きく変わります。とくにモーターは、回り始める瞬間に普段より大きな電流が流れます。この瞬間に電源の電圧が下がり、マイコンがリセットされて止まる、というのがよくある失敗です。
見積もった電流の合計に対して、電源の上限には少なくとも2〜3割ほど余裕を持たせると安心です。マルチメーターがあれば、実際に流れている電流を測れます。測り方はテスター（マルチメーター）の使い方でまとめています。
乾電池と充電池の違い
電池は、配線がいらず、どこにでも持ち運べる手軽な電源です。ただし、種類によって電圧と性質が違います。
電池の種類ごとの電圧
アルカリ乾電池やマンガン乾電池は、1本あたり1.5Vが公称の電圧です。新品のときは少し高めで、使うにつれてゆっくり下がっていきます。ニッケル水素の充電池は1本1.2Vが公称の電圧で、使っているあいだはこの近くを長く保ち、残りが少なくなると急に下がるのが特徴です。
この違いは、本数が増えると効いてきます。単三を4本直列にすると、アルカリなら公称6V、ニッケル水素なら公称4.8Vです。5Vで動く回路にアルカリ4本の6Vをそのままかけると、高すぎることがあります。逆に、ニッケル水素4本なら5Vに近いので、使いやすい組み合わせになります。
角形やボタン形の電池
9Vの角形電池は、1本で高い電圧が得られる一方、容量が小さく、マイコンボードを長時間動かすとすぐに減ってしまいます。短い時間だけ使う道具や、消費電流の少ない回路に向いています。
CR2032などのボタン形のリチウム電池は、1個で3Vが目安です。小さく薄いので、LEDを光らせる名札や、待機中ほとんど電流を使わない小さな回路に向いています。大きな電流を流すと電圧が大きく下がるので、モーターなどには向きません。
電池の端子どうしを金属でつなぐと、ショートして電池が熱くなり、液漏れや発熱の原因になります。使わない電池はケースに入れ、鍵や硬貨と一緒にポケットやかばんに入れないようにしてください。ボタン電池は子どもが飲み込むと大変危険なので、手の届かない場所で保管します。
電池を混ぜて使わない
直列につなぐ電池は、同じ種類・同じ銘柄・同じくらいの残量でそろえます。新しい電池と古い電池を混ぜると、古いほうが先に空になり、残りの電池から逆向きに電気を押し込まれる形になって、液漏れの原因になります。アルカリとニッケル水素を混ぜることも避けます。
