Pinbelegung und Verschaltung
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USB-Ladekabel
Hallo,
ich versuche grade, mich über USB-Ladekabel und -Ladegeräte schlau zu machen. Wenn man erstmal anfängt, nach solchen Informationen zu suchen, bekommt man erscheckend viele verwirrende Angaben, teilweise offensichtlich völliger Quatch von Laien, teilweise widersprüchliche und sehr oft unvollständige Angaben.
Konkret möchte ich für Reisen den Geräte- und Kabelbedarf minimieren oder bei Defekt eines Teils wissen, wodurch ich es ersetzen kann/darf. Ich habe ein Smartphone, mehrere Ladegeräte und einen Lade-Akku mit USB-Ausgang. Dazu mehrere Kabel. Mangels geeigneter USB-Mechanik kann ich die Geräte und Kabel derzeit nicht selbst vermessen. Ansonsten hätte ich ein Multimeter da.
Die Erkennung von AC-Ladern (im Gegensatz zu PC-USB-Buchsen) scheint also über die Verschaltung der Datenleitungen zu laufen, während die Stromleitungen immer 5 V liefern. Die Datenleitungen können im Kabel dabei 1:1 verschaltet sein, oder nicht verbunden, oder gegeneinander kurzgeschlossen, oder gegeneinander mit einem Widerstand von ca. 100 Ω verbunden sein, oder mit anderen Widerständen als “Spannungsteiler” auf bestimmte Pegel gegenüber V+ oder GND gebracht sein. Jeder Smartphone-Hersteller scheint da was anderes zu machen.
Eine grundlegende Frage, die ich nicht verstanden habe, ist schonmal: Wer legt die Stromstärke fest, die Stromquelle oder der Verbraucher? Wenn ich das Smartphone dazu bringe, einen AC-Lader zu erkennen, zieht es dann gnadenlos 1000 mA aus der Stromquelle, und wenn sie daran verreckt? Oder liefert die Stromquelle dann überhaupt erst 1000 mA und das Smartphone nimmt was es kriegt? Was ist mit AC-Adaptern, die nur 700 oder 900 mA liefern, oder 2000 mA? Da sind ja überall stabilisierte Schaltnetzteile drin. Sinkt bei Überstrom die Spannung, bis das Smartphone aufgibt, oder brennt das Netzteil irgendwann durch, oder wird der Strom eben einfach begrenzt und es dauert nur länger? (Als Hintergrund: Spannungsbegrenzer befinden sich knapp an der Grenze meines elektrischen Vorstellungsvermögens; DC-DC-Spannungswandler und Strombegrenzer sind mir völlig unerklärlich…)
Dann gibt es wohl unterschiedliche Kabelqualitäten. Zu lange Kabel mit zu dünnem Leitungsquerschnitt verschwenden wohl einiges an Strom, was die Ladezeit aufgrund des Spannungsabfalls (?) verlängert.
Und eine weitere interessante Frage ist, was passiert, wenn ich ein Kabel mit kurzgeschlossenen Datenleitungen an den PC anschließe? Oder sind die Leitungen auf Steckerseite dann offen?
Das sind jetzt einige Informationsfetzen, die ich so aufgeschnappt habe, zusammen mit ein paar Fragen. Auch auf Websites, wo man von qualifiziertem Personal ausgehen könnte (z. B. mikrocontroller.net – das hab ich nur leider grade kaputtgemacht mit meinem Login-Versuch, jetzt isses offline), steht viel Stuss. Nun versuche ich es einfach mal hier. Kennt sich jemand ausreichend in der Materie aus, um mir (und anderen) eine umfassende Übersicht zu dem Thema zu geben? Oder gibt es die schon und ich kenne nur die richtigen Suchbegriffe nicht?
Also ein paar Sachen kann ich wohl noch beantworten.
Der Verbraucher „legt fest“, wie viel Strom er braucht. Deswegen kannst du an eine Steckdose ja einen Kühlschrank oder eine LED-Lampe anschließen. Beide laufen mit der gleichen Spannung, aber natürlich völlig anderen Strömen.
Die Netzteile haben aber eine Obergrenze, welche Ströme sie liefern können. Liefern sie nicht mehr kriegt der Verbraucher im Idealfall einfach zu wenig Strom. Sieht man z.B. wenn man einen Raspberry Pi mit nem 900 mA-Netzteil betreiben will. Der kackt einfach ab.
Im Fall des Smartphones kann es den Akku einfach nicht mit dem idealen Ladestrom beliefern, also dauert das Laden länger.
Der el. Widerstand ist abhängig vom Querschnitt der Leitung. Schmaler Draht → höherer Widerstand.
Ich stelle mir Strom immer wie Wasser vor (oder habe es zum Verstaendniss, bin ja kein Elektrotechniker). Bitte verbessert mich, wenn ich es falsch verstanden habe.
Du hast einen Speicher mit wasser. (Bei steckdose ist er unendlich gross 
). Da ist ein gewisser Druck (Spannung). Du hast dann ein Wasserrohr (Leitung) wo du einen Verbraucher hast. Der Verbraucher (Heizung, Klo, … ) Bestimmt natuerlich selbst ob und wie viel Wasser (Strom) fliessen soll. Wenn du bei dem Speicher aber den Druck(Spannung) erhoehst kann die Leitung beim Verbraucher ja platzen. Jedoch hat diese Erklaerung auch seine graenzen. Ich habe keine Ahnung wie sich der Verbraucher verhaelt, wenn du wriklich viel Strom fliessen lassen willst.
Zur USB:
Laut spezifikation kriegt jeder Usb Port 100mA. Da die Usb Ports alle Parallel in einem Pc versorgt werden, kann ja ein Einziger auch mehr ziehe. Keiner sollte aber mehr als 500mA verbrauchen. So wieso will Raspberry, und Handys dann mehr? Weil sich die Hersteller nicht an die Spezifikation halten. Die Hersteller der Mainboards haben da auch schon laengst reagiert und arbeiten auch nicht mehr nach den Spezifikationen. Wenn man aber hoehere Stroeme durch den Kabel jagt, koennen die warm/heiss werden (allerdings scheint da auch Luft nach oben zu sein). Deswegen hat man sich jetzt auf den Usb3 Typ C geinigt, dessen Spezifikation hoehere Stroeme erlaubt. Was die Kabellaenge angeht, ich glaub bei Usb duerfen es nicht mehr als 5m sein, aber das ist ja fuer die Daten.
Was passirt wenn ein Verbraucher zu wenig Strom bekommt? Nun kommt drauf an. Beim Akku dauert das Aufladen vor allem dann Laenger. Das ist auch der Grund wieso die Hersteller hoehere Stroeme wollen. Beim Raspberry kann es dann zu spontanen Reboots kommen. Gesund ist es eher nicht.
Wenn du also schon die Spezifikation nicht einhalten kannst, wuerde ich versuchen so wenig wie moeglich Kontakte zu haben. Also am besten ein Ladegeraet, dass direkt ein Mini-Usb-A hat, weil damit lassen sich die meisten Geraete aufladen. Da es ja Usb sein soll sollte es 5V haben. Wie viel Strom es liefern kann, das ist die Angabe die dich interessiert. Mir reichten aber 1000mA bis jetzt immer, allerdings ist auch schon eins kaputt gegangen, also hier Luft nach oben zu lassen ist anscheinend auch nicht schlecht.
Strombegraenzer keine Ahnung :). Ich nehme mal an, dass die sich beim groesseren Stromflluss erhitzen und so weniger Strom durchlassen.
DC-DC-Wandler, da ist die Theorie recht einfach. Du kennst bestimmt die Leistung (Leistung [W] = Stromstaerke [A] * Stromspannung[V]). Ein DC-DC (das steht fuer Gleichstrom)-Wandler versucht also bei gleicher Leistung die Stromspannung anzupassen. Die Stromstaerke aendert sich dann automatisch (es kann ja kein Strom aus dem nichts enstehen). Jeder DC-DC-Wandler (und eigentlich sollten sie nicht Wandler heissen wie ich gestern erfahren habe) hat eine Verlustleistung.
Was die Kabel angeht. Keine Ahnung. Ich weiss nur dass wenn Silber (Kupfer ist nr 2. (also zumindest von den elementaren Stoffen. Die haben ja vor kranke dinge mit Graphen zu tun usw. )) am besten Leitet und Gold benutzt man an den Kontakten, da es nicht Rostet.
Irgendeine $magic passiert aber doch beim Laden. Ich habe mir extra ein leistungsfähiges USB-Ladeteil gekauft, weil mein Originalladeteil einen australischen Stecker hat. Es lädt aber trotzdem sehr langsam.
Dann habe ich auch beobachtet, dass (wieder in Australien) mein Ladegerät von einem Samsung-Handy schlichtweg ignoriert wird (als wenn nicht eingesteckt), das Ladegerät jenes Handys aber meines sehr schnell auflädt.
An was kann das liegen?
$magic ist da Ueberall wenn sich die Hersteller nicht an Spezifikation halten
Ich habe keine Ahnung. Ich konnte bis jetzt alles Kombinieren (Bis auf mein Tablet, da er keinen Usb-Stecker zum aufladen hat und anscheinend hoehere Strome aber auch Spannung will.).
Vll will Sammsung doch die Datenleitung benutzen und das Ding antwortet ihm nicht, da wird er beleidigt und mag nicht mehr aufladen ???
Au weia. Viel Text, sehr wenig Info. “Keine Ahnung” hab ich leider schon selber…
Ich hätte mir auch gedacht, dass der Verbraucher den Stromfluss festlegt. Aber wie funktionieren dann Labornetzteile, bei denen man sowohl Spannung als auch Strom konstant einstellen kann, und zwar unabhängig vom Verbraucher? (Die Stromeinstellung verstehe ich mal als Begrenzung, die Spannung als fix. Da ich so ein Gerät nie benutzt habe, weiß ich es aber nicht.) Ich kann z. B. an meinem AA-Ladegerät den Ladestrom einstellen, die Spannung muss aber vermutlich trotzdem irgendwie dazu passen. Hier legt der Akku nicht fest, wieviel Strom er abnimmt.
Letztlich muss ich ja nur wissen, wie das USB-Netzteil und -Kabel verschaltet sein muss, damit ich ein Smartphone am Netzteil schnell und am PC (langsam) aufladen kann, ohne irgendwelche Schäden am Netzteil oder PC zu verursachen. Möglichst mit einem einzigen Kabel.
Das Kabel, das bei dem Lade-Akku dabei war, ist z. B. konfigurierbar. Es geht von USB-A auf einen 2-poligen Rundstecker und dann weiter auf Micro-USB-B. Da werden auf keinen Fall alle 4 Adern durchgeleitet. Was mit den Datenleitungen passiert, kann ich nicht nachmessen. Am PC oder Netzteilen anderer Hersteller möchte ich das Kabel so nicht anschließen. Das Netzteil ist aber leider nicht so kompakt wie es sein sollte (sehr klein, passt aber nicht in eine Euro-Steckdose). Mit einem normalen Kabel lädt das Smartphone am Originalnetzteil schnell, aber am Akku langsam.
Du stellst eine Obergrenze für Spannung und eine Obergrenze für Strom ein (d.h.: So ein Labornetzteil kann i.d.R. sowohl im konstante Spannung als auch konstanten Strom liefern, je nach Einstellung). Die niedrigere der beiden wird konstant gehalten. Welche das ist, hängt natürlich vom Verbraucher ab.
USB-Datenleitung kurzschliessen sollte harmlos sein, ich hab auch schon versehentlich Kurzschluesse zwischen Masse und +5V gebaut und das Mainboard vom Thinkpad hat halt einfach den Port abgedreht und nix boeses is passiert. Koennte mir aber vorstellen, dass Leute an der entsprechenden Elektronik sparen.
Eigentlich sollte bei USB konstant +5V (mit bischen Toleranz natuerlich) rausfallen, das muss die Elektronik des Netzteils sicherstellen, d.h. das Netzteil muss eigentlich geregelt sein. Gleichzeitig hat USB eine Strombegrenzung, die den Port abschaltet, sobald das genehmigte Strombudget ueberschritten wird. Bei einem Rechner sieht man dann tatsaechlich, dass im ‘dmesg’ eine Nachricht vom USB-Controller landet wo er sich ueber das boese Geraet beschwert. Die Kennlinie eines derartigen USB-Netzteils, das “intelligent” ist, also auf den Datenleitungen mit dem Verbraucher redet, ist rechteckig: Von Strom 0 mA bis x mA ist die Spannung konstant 5V, ab >x mA ist die Spannung 0V. Das bedeutet auch, dass so ein Netzteil wenns sich an die Spec haelt nicht kaputtgehen kann. Der Grenzstrom x wird zwischen Netzteil und Verbraucher ausgehandelt: Der Verbraucher bekommt initial 100mA Budget, startet den Uebertragungsteil fuer die Datenleitungen damit, bestellt sich seinen Wunsch-Strom x, den dann das Netzteil genehmigt oder evtl. ablehnt oder in niedriger genehmigt. Der Strombegrenzer wird dann auch idealerweise auf diesen Strom x konfiguriert.
Bei “normalen” ungeregelten Netzteilen ist die Kennlinie ein fallendes Dreieck von Leerlaufspannung zu Kurzschlusstrom. Steigung ist der Innenwiderstand des Netzteils. Labornetzteile mit Strom- und Spannungsbegrenzung schnippeln von diesem Dreieck dann noch nach Einstellung die Spitzen horizontal oder vertikal ab. Im (idealen, USB-konformen) Extremfall kommt man dann auf das Rechteck was ich oben beschrieben hatte. Es kann aber durchaus bei billigen Frickelnetzteilen passieren, dass die zuviel Spannung liefern, wenn ma nicht genug Strom abnimmt oder dass die Spannung abfaellt wenn man zuviel Strom zieht. Beides kann das angesteckte Geraet beschaedigen. Beides kann auch das Netzteil und das Kabel beschaedigen.
Fuer billige USB-Ladegeraete gibts dann noch die Sache mit den 100Ohm zwischen den Datenleitungen und mehr Strom uebers Kabel schieben machen auch viele. Das ist teilweise spezifiziert: http://komposter.com.ua/documents/BC1.2_FINAL.pdf
Aber wer sich da woran haelt und wieviel damit an Geraeten und Kabeln funktioniert ohne abzufackeln haengt sehr von Glueck und ausprobieren ab, das sieht man den Geraeten meistens nicht an.
Also so langsam versteh ich nicht mehr, was du eigentlich wissen willst. Das ist wohl auch der Grund, warum hier so viel Text steht.
Prinzipiell: wenn du nach Australien möglichst wenige Kabel mitnehmen willst, dann schnapp dir das Netzteil mit dem höchsten Nennstrom und packs ein. Die Netzspannung ist down under ja in etwa gleich.
Vermessen kannst du die Kabel nur mit nem Multimeter nicht, weil du ja keinen Verbraucher hast, der den Strom zieht. Das Multimeter zeigt also nichts (sinnvolles) an. Willst du das doch machen, dann wende dich am besten an den Elektrotechniker deines Vertrauens 
Danke arw für den Link zur Spezifikation! Nachdem ich die interessant erscheinenden Stellen mal grob gelesen hab, meine ich, dass es für Smartphones in Ordnung ist, auf Geräteseite die beiden Datenleitungen kurzzuschließen. Auf PC-/Netzteilseite sollten die besser offen (nicht verbunden) bleiben. Danach hab ich mal etwas weiter getestet, mit einem USB-Port, der mir nicht wichtig ist.
Die Ladegeräte von Smartphone-Herstellern (hier: HTC und Motorola) haben wohl geräteseitig die Datenleitungen kurzgeschlossen (direkt oder mit einem Widerstand, in der Spec steht 200 Ω, im Web liest man von 100 Ω). Deshalb kann man hier jedes Kabel verwenden, auch die 1:1-beschalteten. Der Lade-Akku und dessen Netzteil (irgendwo aus eBay) haben diese Verschaltung wohl nicht, dafür übernimmt das das mitgelieferte Kabel. Nur deren Kabel lädt hier mit dem hohen Strom. Dieses Kabel funktioniert auch an den anderen Netzteilen erwartungsgemäß. Am PC führt es dazu, dass dieser als Ladegerät erkannt wird. Ob der USB-Port 1 A aushält, bleibt offen. Manche Notebooks bieten ja konfigurierbar so einen Anschluss an.
Ich nehm jetzt einfach das spezielle Kabel mit. Das geht an Netzteilen, dem externen Akku und (nach Konfiguration?) auch am Notebook-Ladeport. Dazu ein kleines Netzteil und den besagten Akku (falls keine Stekdose zu finden ist). Das sollte passen. Es mag aber auch Smartphone-Hersteller geben, für die das nicht funktioniert…
Wenn ich das Multimeter an das spezielle Kabel anschließen könnte, würde ich vermutlich auf Micro-USB-B-Seite den Kurzschluss (oder Widerstand, wer weiß) der Datenleitungen finden; auf USB-A-Seite hoffentlich keine Verbindung. Die Strommessung beim Laden sollte auch 0,5 bzw. 1 A anzeigen, bei längeren Kabeln vllt. weniger. Das könnte man schon messen, aber die Pins sind mir viel zu klein. Vllt. bestell ich nächstes Mal ein paar USB-Stecker mit Schraubanschlüssen mit.
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