USB直結5V電源で LEDを点灯させたい

質問

USB給電の5V電源で LEDを点灯したいのですが、うまくいきません

●回路
　USBケーブルで給電、USBメス型コネクタの4ピン中の2つ、5V＋端子、5Vー端子から線材をひっぱって、3．2V高輝度LEDに直結接続

●結果
・ 点灯はするがあきらかに弱い光源、少し点滅する感じもある
・ デスクトップトレイのバルーンで「認識できないUSBがみつかりました」云々の表示（当たり前だが）
・ テスタで事前測定したところ、5V+-間は「5V-220mA」の直流電流が計測されたが、弱い光を点灯させた後は、「2．5V」前後や「1．6V」前後の電圧で固定（弱々しい光になるのも納得）
LEDをはずした後も半減のまま、ケーブルをHUBコネクタ上でポートをいれかえたりすると5V回復、LED接続でまた2．5Vへ

？質問
・ 5V電源ピンから直結して5V電圧をとりだすのはできないのでしょうか？（類似でUSB to LED製品や電子工作作例をみかけたことがあるがどこがちがうのか）
・ その作例上は端子から（抵抗やCRDは媒介して）直結しているようにみえたが、残り2ピンの信号ライン上にダミー抵抗なりを挿入する必要があるのか
・ 手持ちの材料が一つしかないので、ケーブルやコネクタ側の問題の可能性？（ただ5V→2．6V測定はでているので）

USB給電を利用した小物（扇風機、ウォーマーetc）や、USB給電による充電回路は日常的ですが、それともどこがちがうのでしょうか

初歩的な質問ですが、アドバイスお待ちしております

似て非なるものでしょうが、キーボード内蔵LEDを高輝度のものへ交換したことはあります。トラブルは一切発生しませんでした。

回答No.2

geshon

十中八九、配線間違いです。
USBは４線あり、電源の +5V, GND, データ線の D+,D-です。
電源の +5,GNDに接続したのではなく、+5V と D-かD+に接続
しているのでしょう。

USBの電源を使用したところで、デバイスが接続されたような
誤認識は発生しません。USBハブはデバイスが接続されたことを
D-もしくはD+の電圧上昇（プルアップ）で認識します。

LEDが非常に暗かったり、点滅しているように見えるのは、
信号線に電流がほとんど流せないこと、0V,+3.3V の電圧で
信号が上下するので、それが点滅に見えているためでしょう。

USBの仕様と配線を確認して下さい。

あと、質問に回答すると以下のとおりです。

> ・ 5V電源ピンから直結して5V電圧をとりだすのはできないのでしょうか？
できます。

ただし、USBのネゴシエーション（デバイスの認識）前は デバイスの消費電流は
100mA以下に抑えるべきと USBの仕様にあります。
しかし、Hub側の電源設計で、ネゴシエーション前は 100mA以下の電流で制限する
ような設計は見たことがありません。むしろ、1ポート当たり 1A程度平気で
取れるような実装がほとんどです。（Bus Powered Hubを除く）

> ・ その作例上は端子から（抵抗やCRDは媒介して）直結しているようにみえたが、残
> り2ピンの信号ライン上にダミー抵抗なりを挿入する必要があるのか

D+,D-をショートもしくは 数kΩで接続すると、ネゴシエーションなしに 500mA程度の
電流を供給したり、ホストの電源が切れていても電源を供給するような仕様があることは
あるのですが、対応しているホストやHubが殆ど無いので、する必要も無いでしょう。

変に接続すると、誤認識の原因になります。絶縁しておけばおおよそ問題はありません。

> ・ 手持ちの材料が一つしかないので、ケーブルやコネクタ側の問題の可能性？（ただ
> 5V→2．6V測定はでているので）

発生した問題は、上に書いたとおり配線間違いでしょう。

回答No.1

sailor

電圧だけ注目してもダメなのですよ。確かにＵＳＢから+5Ｖの電圧は取れますが、そのインターフェースの供給できる最大電力（電流×電圧）より大きな電力は取り出せないのです。

それともうひとつＬＥＤは定電流で使うものです、ＬＥＤ毎に指定された電流値がありますが、その電流値を守らなければなりません。豆電球のように電圧が決まれば電流も決まるというものではありません。点灯させるにはある程度の電圧が必要ですが、単にその電圧を供給しただけではダメです。半導体は電圧/電流の関係が単純抵抗のように比例関係にはなりませんので、もし、電源を供給する側の電流容量十分に大きければ、点灯した（電流が流れ始めた）とたんに過電流となりＬＥＤは破損します。必ず電流制限をする回路が必要になりますが、最も簡単なものは抵抗で電流を制限するもので、そのほかにもＣＲＤを利用したものや本格的な定電流制御回路を使用したものもであります。ＬＥＤはある一定の電圧までは殆ど電流を流さない非常に抵抗値の高い状態にありますが、その電圧を超えたとたんに殆どショートさせたように急激に電流が流れ始めます。電流制限を掛けない状態のＬＥＤを接続するということはＵＳＢ端子をショートさせたのとあまり変りは無いということです。ＵＳＢ端子の電圧が不安定になったのは保護回路の働きで電圧が制限された結果でしょう。

扇風機やウォーマー（ヒーター）などではＬＥＤのような電流/電圧特性にはなりません。電圧と電流はほぼ比例（起動時やＰＴＣヒータの場合は除く）関係にありますが、ＬＥＤでは電流制限をしないと電流が流れ始めた（発光しだした）直後に短絡させたのと同じように急激に電流が流れ始め、ＵＳＢ側の保護回路が働いているということでしょう。キーボードなどの既存の回路では元からあるＬＥＤにあわせた電流制限がなされているので問題を起こすことは少ないのですが、この場合でも取り付けたＬＥＤの性能を十分取り出せているとはいえません。電流制限はもとのＬＥＤに合わせたもので新たに取り付けたＬＥＤにあわせたものではありませんから当然です。

ＬＥＤを購入されたのであれば当然、そのＬＥＤの特性を記載したデーターシートを見ていると思いますが、そこに記載されている数値やグラフの意味はわかりますか？電子部品を扱うのであれば、ある程度はそのような数値やグラフが読み取れて意味を理解しないと危険ですよ。場合によっては火災に当たる可能性もあります。

お礼

はじめまして、回答ありがとうございました。

一つ確認しますが、自分の目的とする「直結」は「キーボード内蔵のLED交換」や「USB小物」に対して「デバイスの一部ではないLED接続」という意味で、もっとも狭義の「”（抵抗やCRDは媒介し）”ないで0Ω接続」という意味ではないのですが。そこでお話というのはかわるのでしょうか。

（「抵抗、CRDを媒介して～」という記述をオミットしたのは意図的です。また普通（？）に読めば、「直結」=「抵抗なしの短絡接続」とうけとめられる、というのも否定しません。では、なぜオミットしたのか、というと、ここでは書ききれませんし、本題から逸脱するのは明白なので、ノータッチとさせていただきます。申し訳ありません）

当然ですが、一般的なLED抵抗計算式（5V電源→ 3．2VLED）から導かれる「90Ω」の抵抗をはじめ、その前後の値や、「kΩ」クラスや、CRD（定電流ダイオード）も5mAから20mAまで様々な数値で試行しております。もちろん、0Ω、抵抗なしの狭義の直結も試行しております。
結果、ほぼすべて事前測定は5v → 接続時は 2．6vという結果となりました。

それで、作例として
例えば、
ITmedia PCUPdate：第3回　USBからの電源で動作するパーツを作る (2/3)
http://plusd.itmedia.co.jp/pcupdate/articles/0408/10/news002_2.html
や
簡単取付！ＬＥＤマスター【自作キット】パソコンからＵＳＢ電源をとって簡単にプラモデルにＬＥＤを組込めます|ABRacadabraアブラカダブラ【おもしろＵＳＢメモリ＆パワーストーン専門店】
http://www.darumouse.com/led.php 【閉鎖中】でした

もしくは今回発見したのですがまさにコレという作例だと

バケさんの電子工作　: USBライトを作って見ました　
http://bake-san.com/bdenshi/2007/04/usb.html

とすさまじくシンプルな工程で、
これらの成功した工作と自分の工作の差異はどこなのだろう？というのが、疑問の詳細です。
これについて具体的に指摘・説明していただける方、是非お願いいたします。

ただ、省略したディティールの一つでいうと、
一瞬破裂？と思うぐらい（※）光った後に、交流のような明滅に近い不安定な状態になることもしばしば（くりかえしますが、0Ω直結だけではなく、かなり大きめの抵抗接続でも）なりした。USBって直流じゃなくて交流？（テスタのあて方の問題だと思うのですが、60Hzが測定されることがあるんです←これも疑問の一つ）と思ったぐらいで、後にオシロスコープ（生意気ですが所有しております、といっても本当のビギナーでこの測定もはじめの一歩でトレーニング兼用です）で直流（Y座標 5Vと2．6Vでの平行線）を確認できてホッとしたぐらいでした。
これはsailorさんの指摘された、過電流、ショート状態を想像させる症状ですので、省略しなかった方がよかったかな、と。

（※ 捨てLEDで実験として= LED本体も 複数用意していますし、高輝度ではないアンダー3vのLEDでもテストしております、また結果として故障・点灯不能になった固体はいまのところなし）

関連してこの「USBの保護回路」あるいはその「対策回路」の存在だけではなく、具体的な（拝見しても自分のスキルでは100%わからないと思いますが）、回路図なり、ユニット、仕様書のような資料を提示していただけるとありがたいのですが。

事故については、ご心配いただき本当にありがとうございます。無知なので、どこにリスクがひそんでいるか判別できないレベルなので、細心の注意と事前調査のもと作業したいと思います。

（と油断するとすぐに冗長な文になってしまうから、というのが「直結」と書いた理由の一つではあります）

補足

追記：
「保護回路」とUSBの仕様 ダミー抵抗 etc と関係して気になっているのは、

自分はiPodしか所有しておらず、USB経由での充電の際は、当然ですが、デジタルガジェット（リムーバブルメディア）としても認識されて、そのまま楽曲他のファイルの授受も可能な状態になります。

今回あげた、自作USB-LEDライトや、携帯ゲーム、携帯電話のUSB経由充電器、もしくは
USB扇風機のような、デジタルデータ送受が（見た目は）ないガジェットをPCに接続した経験がないので
どんな表示（認識）がされるのかも気になります。

自分のトラブルのときのように「不明なUSBデバイス云々」という表示がでるのでしょうか？
明日にでもダイソーからUSBライトみたいなもの買っきた方がすぐ確認できるか