TP4056の配線ガイド：18650充電モジュール、保護回路、ESP32

TP4056の配線は、1セルの18650やLiPo電池をUSBから安全に充電し、その電池でArduino、ESP32、Raspberry Pi Picoのプロジェクトを動かすいちばん安上がりな方法です。USBケーブルはモジュールの入力に、電池はB+とB-に、保護付きモジュールでは自分の回路をOUT+とOUT-につなぎます。モジュールは定電流・定電圧方式で電池を4.2 Vまで充電し、満充電になると自動で充電を止め、状態を2つのLEDで表示します。この爪ほどの大きさの基板は、持ち運べる気象観測装置、ロボット、充電式ライト、ワイヤレスセンサーなど、コンセントから離れて動くプロジェクトの心臓部です。

ただし、この安いモジュールにはいくつか落とし穴があります。保護付きと保護なしでは配線が違い、初期設定の1 Aという充電電流は小さな電池には大きすぎ、充電中に回路へ給電すると充電がいつまでも終わらないことがあり、直列につないだ2本の電池はこのモジュールでは絶対に充電できません。この記事では、各ピンの役割、LEDの意味、Rprog抵抗で充電電流を設定する方法、5 Vが必要なボードのためにMT3608昇圧モジュールを追加する方法、そしてESP32で電池電圧を測ってパーセントに変換する方法をステップごとに学びます。

TP4056とは？その仕組み

TP4056は、1セルのリチウムイオン（Li-ion）電池とリチウムポリマー（LiPo）電池用に作られたリニア充電ICです。リチウム電池は、適当なアダプターでは充電できません。決まった充電プロファイルが必要で、TP4056はそれを単独でこなします。電池が2.9 V未満なら、まずプリチャージ（トリクル充電）段階で、設定電流の約10分の1、1 A設定なら約130 mAでやさしく充電します。電圧が2.9 Vを超えると定電流（CC）段階に移り、設定電流をすべて流します。電池が4.2 Vに達すると定電圧（CV）段階が始まり、電圧を4.2 Vに保ったまま電流が徐々に減っていきます。電流が設定値の10分の1（1 A設定なら100 mA）まで下がると充電終了です。その後、電池が約4.05 Vまで下がると、モジュールは自動で充電を再開します。チップがとても熱くなると自分で充電電流を絞るので、充電中にモジュールが温かくなるのは正常です。

保護付き（DW01）と保護なしのTP4056モジュールの違い

同じ名前で2種類の基板が売られています。保護なしモジュールにはTP4056チップしかなく、接続点はIN+/IN-とBAT+/BAT-の4つです。電池の充電はしますが、放電中は何も監視しません。保護付きモジュールにはDW01A保護ICと8205AデュアルMOSFETが追加されていて、パッドはIN+/IN-、B+/B-、OUT+/OUT-の6つです。保護回路は、電池のマイナス端子と回路のマイナス端子（OUT-）の間にスイッチのように入っています。電池が過放電や過充電になったとき、回路が電流を流しすぎたとき、出力がショートしたときに、このスイッチを開いて電池を回路から切り離します。

18650電池：知っておきたい電圧

18650という名前はセルのサイズに由来します。直径18 mm、長さ65 mmです。公称電圧は3.6〜3.7 Vですが、これは平均値で、満充電のセルは4.2 V、空のセルは3.0 V前後です。実際の容量は2000〜3500 mAhで、6800 mAhや9900 mAhと書かれたセルは偽物で、1000 mAhも出ないことがよくあります。保護回路を内蔵した保護付き18650は数ミリ長く、すべてのホルダーに入るとは限りません。電池1本でプロジェクトがどれくらい動くかは電池寿命計算ツールで計算でき、容量の単位についてはmAhとWhで解説しています。

TP4056の配線：IN、B+/B-、OUT+/OUT-ピン

1. 電池ホルダーの赤い線をB+に、黒い線をB-にはんだ付けします。電池はまだ入れません。
2. 回路のプラス電源線をOUT+に、マイナス（GND）線をOUT-にはんだ付けします。5 Vが必要なボードに給電する場合は、間にMT3608昇圧モジュールを入れます。
3. はんだ付けした箇所を確認し、テスターでB+とB-の間がショートしていないことを確かめます。
4. 極性に注意して電池を入れます。保護付きモジュールの中には、最初は出力がオフになっているものがあります。USBを一度挿すと保護がリセットされ、出力がオンになります。
5. USBケーブルを挿します。赤いLEDが点灯すれば充電が始まっています。満充電になると赤いLEDが消え、青または緑のLEDが点灯します。
6. テスターでOUT+とOUT-の間に電池電圧（3.0〜4.2 V）が出ていることを確認したら、回路の電源を入れてかまいません。

TP4056のLEDの意味は？

電池が入っていないときに青LEDが点灯し、赤LEDがちらつくのは正常です。モジュールが、空いている電池端子にあるコンデンサの充電と放電を繰り返しているためです。充電時間は容量 / 電流 × 1.2でおおよそ見積もれます。2600 mAhのセルなら1 Aで約3時間です。最後の段階で電流が徐々に減るので、単純な割り算より少し長くかかります。

充電電流の設定：Rprog抵抗

充電電流は、TP4056のPROGピン（2番ピン）とGNDの間にある抵抗1本で決まります。ほとんどのモジュールでは、この抵抗にR3と記され、1.2 kΩを意味する122というコードが印字されていて、これで1 Aになります。こうした表示はSMDコード解読ツールで読み解けます。計算式はおおよそI (mA) = 1200 / Rprog (kΩ)です。電流を変えるには、SMD抵抗をはんだごてで取り外し、目的の値の抵抗をはんだ付けします。合うサイズのSMD抵抗が見つからなければ、小さなリード線付き抵抗を2つのパッドの間にはんだ付けしてもかまいません。

一般的な目安は、充電電流を電池容量の半分程度（0.5C）にすることです。500 mAhのLiPoなら250 mA、2600 mAhの18650なら1 Aが適しています。発熱も考慮しましょう。TP4056はリニア方式なので、入力と電池の電圧差がそのまま熱になります。5 V入力で3.6 Vのセルを1 Aで充電すると、チップは(5 − 3.6) × 1 = 1.4 Wを熱として消費します。そのためモジュールはかなり熱くなり、自分で電流を絞ることがあります。こうした電力の計算はオームの法則計算ツールでもできます。パソコンのUSB 2.0ポートは500 mAしか供給できないので、パソコンから充電することが多いなら、電流を500 mA前後に下げておくのが賢明です。

充電中に回路へ給電する（ロードシェアリング）

USBを挿している間もプロジェクトを動かし続けたいなら、いちばん簡単なのは回路をOUT+とOUT-につないだままにすることです。こうするとTP4056は電池の充電と回路への給電を同時に行います。しかしチップは、電池に流れる電流と回路に流れる電流を区別できません。回路が常に100 mAより多く消費していると、合計電流が充電終了のしきい値を下回らず、充電がいつまでも終わらないまま、電池が何時間も4.2 Vに保たれて寿命が縮みます。回路が1 A近く消費していると、電池は満充電にすらなりません。ディープスリープ中のESP32や数mAしか消費しない小さな回路なら、直接つないでも実用上問題はありません。常時動作するWi-Fiプロジェクト、モーター、LEDテープにはロードシェアリング（負荷分離）回路を組みましょう。

5 Vが必要なら：MT3608昇圧モジュールを追加する

18650の電圧は3.0〜4.2 Vの間で変わります。これでは、5 Vを必要とするArduino Uno、リレーモジュール、サーボモーター、WS2812B LEDには足りません。解決策は、電圧を上げる昇圧（ステップアップ）コンバーターです。最も一般的なのがMT3608モジュールで、2〜24 Vの入力から最大28 Vまでの調整可能な出力が得られ、1.2 MHzでスイッチングし、内部スイッチの電流制限は4 Aです。実際には、18650 1本から5 Vで安全に取り出せるのは0.5〜1 A程度で、それ以上ではモジュールが熱くなり効率も下がります。逆に電圧を下げたいときは、正反対の働きをするLM2596降圧モジュールを使います。

1. MT3608のVIN+とVIN-入力を、TP4056のOUT+とOUT-につなぎます。
2. 出力にはまだ何もつながずに、VOUT+とVOUT-の間にテスターを当てます。
3. 青い半固定抵抗（トリマー）を小さなドライバーで回し、出力を5.0〜5.1 Vに合わせます。多回転型なので、何回か回してからようやく電圧が変わり始めることがあります。根気よく回してください。
4. 調整が済んだら、ボードの5VピンをVOUT+に、GNDピンをVOUT-につなぎます。
5. 回路を動かした状態でもう一度電圧を測ります。負荷をかけたときに4.8 V未満に下がるなら、配線を短くするか、消費電流を減らしてください。

昇圧モジュールの出力をつないだまま、コードを書き込むためにボードをUSBに挿すと、2つの電源をつなぎ合わせることになります。最も安全なのは、書き込み中は昇圧モジュールの出力を外しておくことです。Arduinoにどのピンからどう給電するかはArduinoへの給電方法で詳しく解説しています。

直列の電池はTP4056では充電できない

TP4056が充電できるのは1セル（1S）を4.2 Vまでだけです。ロボットカーでよく使われる18650を2本直列にしたパック（2S）は公称7.4 V、満充電で8.4 Vです。これを1つのTP4056につないでも充電されず、モジュールやセルを傷めるおそれもあります。セルごとに別々のTP4056を付けてもうまくいきません。各モジュールのマイナス入力は同じUSB電源でつながり、上側のモジュールのマイナスが下側のセルのプラスに接続されているため、下側のセルがショートしてしまいます。終止電圧が4.2 Vに固定されているので、3.6 Vで充電を止める必要があるLiFePO4電池にもTP4056は使えません。

• 並列につなぐ（1S2P）：2本を並列にすると電圧は3.7 Vのままで容量が2倍になり、TP4056で充電できます。つなぐ前に、2本のセルの電圧がそろっていることを確認してください。
• 昇圧する：7〜12 Vが必要なら、並列にしたセルの出力をMT3608で昇圧します。
• 2S用の充電回路を使う：直列パックには、8.4 VのCC/CV充電器とバランス機能付きの2S BMS基板が必要です。
• セルを取り出して充電する：直列パックのセルをホルダーから外し、別の18650用充電器で1本ずつ充電する方法もあります。

電池電圧の測定：分圧回路の配線

電池がどれくらい残っているかを知るには、電圧を測れば十分です。ただし、4.2 Vの電池をESP32やPicoのアナログピンに直接つなぐことはできません。これらのADC入力は最大3.3 Vまでだからです。解決策は、同じ値の抵抗2本で作る分圧回路です。100 kΩ + 100 kΩなら4.2 Vを2.1 Vに下げ、電池から流れる電流もわずか21 µAです。値は分圧回路計算ツールで計算でき、回路の仕組みは分圧回路で解説しています。測定点とGNDの間に100 nFのコンデンサを追加すると、高い抵抗値を通した読み取り値がはっきり安定します。

Arduino UnoのADCは5 Vを基準にしています。分圧回路のおかげで4.2 Vの電池はA0では2.1 Vとして見え、10ビットの読み取りで0〜1023の値が得られます。ボードをUSBや昇圧モジュールから給電していると、5Vピンがちょうど5.00 Vとは限りません。テスターで測ってコードのVREFに入力すると、精度がはっきり上がります。

1// Arduino Uno: 18650 pil voltajı, A0'da 100k + 100k bölücü / battery voltage, 100k + 100k divider on A0
2const float VREF = 5.0;      // 5V pinini multimetreyle ölçüp yaz / measure the 5V pin and enter it
3const float DIVIDER = 2.0;   // bölücü oranı / divider ratio
4
5void setup() {
6  Serial.begin(9600);
7}
8
9void loop() {
10  long sum = 0;
11  for (int i = 0; i < 16; i++) {      // 16 ölçümün ortalaması / average of 16 readings
12    sum += analogRead(A0);            // 0-1023
13    delay(2);
14  }
15  float v = (sum / 16.0) * VREF / 1024.0 * DIVIDER;
16  Serial.print(F("Pil / Battery: "));
17  Serial.print(v, 2);
18  Serial.println(F(" V"));
19  if (v < 3.3) Serial.println(F("Pil zayif / Battery low"));
20  delay(1000);
21}

ESP32で電池電圧を測り、パーセントで表示する

ESP32のADCは完全に直線的ではなく、ボードごとにばらつきがあります。そのため、生のanalogReadではなく、チップの工場出荷時キャリブレーションを適用してミリボルト値を直接返すanalogReadMilliVoltsを使うほうが正確です。下のコードは16回の測定値を平均し、分圧比を掛けて電池電圧を求め、表を使ってパーセントに変換し、電池が3.3 Vを下回るとESP32を10分間ディープスリープさせます。

1// TP4056 + 18650: ESP32 ile pil voltajı ve yüzdesi / battery voltage and percentage with ESP32
2const int BAT_PIN = 34;          // ADC1 pini, Wi-Fi açıkken de çalışır / ADC1 pin, works with Wi-Fi on
3const float DIVIDER = 2.0;       // 100k + 100k bölücü: pil / 2 / 100k + 100k divider: battery / 2
4const float LOW_BAT = 3.30;      // bu değerin altında uykuya geç / go to sleep below this voltage
5
6// Yaklaşık gerilim-yüzde tablosu (dinlenen pil) / approximate voltage-percent table (resting cell)
7const float volts[]   = {3.30, 3.60, 3.70, 3.80, 3.85, 3.90, 4.00, 4.10, 4.20};
8const int   percent[] = {   0,    5,   12,   40,   55,   63,   78,   89,  100};
9const int POINTS = 9;
10
11float readBattery() {
12  uint32_t sum = 0;
13  for (int i = 0; i < 16; i++) {           // 16 ölçümün ortalaması / average of 16 readings
14    sum += analogReadMilliVolts(BAT_PIN);  // kalibre edilmiş mV / calibrated millivolts
15    delay(2);
16  }
17  return (sum / 16.0) * DIVIDER / 1000.0;  // pil gerilimi (V) / battery voltage (V)
18}
19
20int toPercent(float v) {
21  if (v <= volts[0]) return 0;
22  if (v >= volts[POINTS - 1]) return 100;
23  for (int i = 1; i < POINTS; i++) {
24    if (v < volts[i]) {                    // iki nokta arasında doğrusal / linear between two points
25      float k = (v - volts[i - 1]) / (volts[i] - volts[i - 1]);
26      return (int)(percent[i - 1] + k * (percent[i] - percent[i - 1]));
27    }
28  }
29  return 100;
30}
31
32void setup() {
33  Serial.begin(115200);
34  analogReadResolution(12);                // 0-4095 aralığı / 0-4095 range
35}
36
37void loop() {
38  float v = readBattery();
39  Serial.printf("Pil / Battery: %.2f V  %%%d\n", v, toPercent(v));
40
41  if (v < LOW_BAT) {                       // yazılımla derin deşarj koruması / software deep-discharge guard
42    Serial.println("Pil zayif, uyku / Battery low, sleeping");
43    esp_sleep_enable_timer_wakeup(10ULL * 60 * 1000000);  // 10 dakika sonra tekrar bak / check again in 10 min
44    esp_deep_sleep_start();
45  }
46  delay(5000);
47}

これらの値は、しばらく休ませて電圧が落ち着いたセルの場合です。ESP32がWi-Fiで送信するときに大きな電流を瞬間的に流すと電池電圧は少し下がり、充電中はTP4056が電圧を見かけ上押し上げます。そのため、最も正確な値が得られるのは、Wi-Fiをオンにする前で、充電器を外しているときです。電池を長持ちさせるには、数分ごとに測定し、その間はESP32のディープスリープを使いましょう。また、USBシリアル変換チップと電源LEDを搭載したDevKitボードは、スリープ中でも数mAを消費することも覚えておいてください。何か月も電池で動かすプロジェクトには、低消費電力のボードが向いています。

Raspberry Pi Picoで電池を測る（MicroPython）

この点でPicoは恵まれています。VSYSピンは1.8〜5.5 Vを受け付ける基板上の昇降圧（buck-boost）レギュレーターにつながっているので、18650 1本で昇圧モジュールなしに動きます。TP4056のOUT+をショットキーダイオード（1N5817）経由でVSYS（39番ピン）に、OUT-をGND（38番ピン）につなぎます。ダイオードは、USBを挿したときにPicoの5 Vが電池へ逆流するのを防ぎます。電池電圧は、GP26につないだ100k + 100kの分圧回路で測れます。標準のPicoではGP29がもともとVSYSの3分の1を測っていますが、その値はダイオードの電圧降下の分だけ低く出ます。Pico WではこのピンがWi-Fiチップと共用なので、外付けの分圧回路のほうが確実です。

1from machine import ADC
2import time
3
4adc = ADC(26)                  # GP26 = ADC0, 100k + 100k bölücü / divider
5CONV = 3.3 / 65535             # read_u16 değerini volta çevirir / converts read_u16 to volts
6DIVIDER = 2                    # bölücü oranı / divider ratio
7
8while True:
9    total = 0
10    for _ in range(16):        # 16 ölçümün ortalaması / average of 16 readings
11        total += adc.read_u16()
12        time.sleep_ms(2)
13    v = total / 16 * CONV * DIVIDER
14    print("Pil / Battery: {:.2f} V".format(v))
15    if v < 3.3:
16        print("Pil zayif / Battery low")   # projeyi durdur / stop the project
17    time.sleep(2)

read_u16は0〜65535の値を返します。3.3 / 65535を掛けるとピンの電圧に、さらに分圧比の2を掛けると電池電圧になります。Picoが初めてなら、Raspberry Pi Picoとは？でMicroPythonのインストール方法をステップごとに説明しています。

TP4056と18650を使ったプロジェクトのアイデア

• 持ち運べる気象観測装置：ESP32、温度センサー、OLEDディスプレイを18650 1本で動かし、画面の隅に電池残量（%）を表示します。
• ソーラー給電のセンサー：開放電圧が8 Vを超えない小型の6 VソーラーパネルをIN+/IN-につなぎ、ディープスリープを使ってESP32を何日も動かし続けます。
• SMSアラームボックス：SIM800Lは3.4〜4.4 Vが必要なので18650から直接給電でき、動きを検知するとSMSを送ります（日本ではGSM回線が使えないため、実際には技適を取得したLTEモジュールが必要です）。
• 充電式ナイトライト：LDRで暗くなると点灯し、USB-Cで充電できるライトを作ります。
• ロボットカー：並列にした18650 2本をTP4056で充電し、モーター用の電圧を昇圧モジュールで上げます。詳しくはArduinoロボットカーの作り方をご覧ください。
• スマホに電池残量の警告：電池が20%を下回ったら、ESP32からTelegramボットでメッセージを送らせます。

よくある失敗と対策

正しく配線すれば、TP4056はプロジェクトをケーブルから解放してくれる、信頼性が高く安価な部品です。電池をB+とB-に、回路をOUT+とOUT-につなぎ、電池に合わせて電流を設定し、5 Vが必要なら昇圧モジュールを追加して、電池電圧をソフトウェアで監視しましょう。BlueGraysアプリでは、ESP32のディープスリープによる省電力、LCDデジタル電圧計、温度ロガーなど、電池駆動に向いたプロジェクトを、回路図とすぐに使えるコード付きでステップごとに学べます。