Зарядка аккумуляторных батарей через USB порт

USB (Universal Serial Bus - с англ. «универсальная последовательная шина») - последовательный интерфейс передачи данных, который был введен в 1996 году и стал одним из самых удобных и распространенных интерфейсов для электронных устройств. В его развитие внесли свой вклад такие компании как Compaq, DEC, IBM, Intel, NEC и Nortel. Разработка USB позволила упростить взаимосвязь периферийных устройств и ПК, а также обеспечить большую скорость передачи данных, чем это было возможно с более ранними интерфейсами. Порт USB также может быть использован для зарядки устройств, но с ограничением силы тока в 500 мА в начальных спецификациях, позже сила тока возросла до 5 А.

Стандартная схема подключения через USB состоит из хоста, чаще всего это компьютер, и периферийного устройства, такого как принтер, смартфон или камера. Поток данных происходит в обоих направлениях, а электропитание всегда однонаправленное, и протекает от хоста к устройству. Хост не может получать электропитание от внешнего источника.

USB 1.0 и 2.0 имеют напряжение 5 В и силу тока 500 мА (USB 3.0 имеет 900 мА), что позволяет производить зарядку небольшого одноэлементного литий-ионного аккумулятора. Существует, однако, опасность перегрузки USB концентратора при подключении к нему слишком большого количества устройств. Зарядка устройства, которое потребляет 500 мА вкупе с другими нагрузками, приведет к падению напряжения и возможному отказу системы. Для предотвращения перегрузок некоторые хосты могут включать в себя специальные токоограничивающие механизмы, которые предотвращают коллапс системы.


Зарядные устройства Blue Power (Голландия)

 

Blue Power IP20 Blue Power IP65 Blue Power IP67
Зарядное устройство для гелевых аккумуляторов Бестрансформаторное зарядное устройство водонепроницаемое зарядное устройство
12/24В, 15-40А 12/24В, 5-40А 12/24В, 5-15А
Профессиональные портативные зарядные устройства для транспорта и энергетики с интеллектуальным адаптивным алгоритмом заряда. Также могут применяться как источники питания.

С помощью стандартного USB порта можно зарядить только небольшой одноэлементный литий-ионный аккумулятор. Зарядка 3,6 В аккумулятора стартует применением постоянного тока с пиковым значением напряжения 4,2 В; далее следует постепенное снижение зарядного тока и напряжения. (Смотрите BU-409: Зарядка литий-ионных аккумуляторов). Из-за падения напряжения в кабеле и разъемах, составляющее примерно 350 мВ, и потерь в цепи зарядки, 5 В USB порта может оказаться недостаточно для полной зарядки аккумулятора. Но это не особо значительная проблема, так как аккумулятор в любом случае зарядится примерно до 70 процентов, хотя по времени автономной работы и будет уступать заряженному с режимом насыщения. Но хоть время автономной работы и будет меньше, такой недозаряд увеличивает общую долговечность литий-ионного аккумулятора.

Два типа USB разъемов - тип А и тип В, показанные на рисунке 1, имеют по четыре контакта (pin). Pin 1 и pin 4 отвечают за обеспечение электропитания напряжением 5 В, а pin 2 и pin 3, также обозначаемые как D+ и D-, отвечают за перенос данных.

Зарядка аккумуляторных батарей через USB порт

Рисунок 1: Конфигурация контактов (pin) на USB разъеме типа А и В. Pin 1 - напряжение 5 В (красный провод), pin 4 - “земля” (черный провод). Корпус соединяется с “землей” и обеспечивает защиту. Pin 2 (D-, белый провод) и pin 3 (D+, зеленый провод) отвечают за перенос данных.

Помимо стандартных разъемов типа А и В с четырьмя контактами существуют форматы Mini-A, Mini-B, Micro-A и Micro-B, которые имеют специальный согласующий контакт, помогающий обнаружить, с какого конца провода находится хост, а с какого – периферийное устройство. Pin 1 и pin 4 по умолчанию во всех форматах являются отвечающими за электропитание. Как правило, все USB кабели имеют тип А на одном конце и тип В на другом (или Mini-A и Mini-B и т. д.). Развитие USB не стоит на месте - уже существует новый разъем типа С, имеющий целых 24 контакта и отвечающий спецификациям USB 3.1.

Мощностные характеристики

Зарядка производительного смартфона или планшета посредством USB 2.0 имеет некоторые ограничения. Может возникнуть ситуация, когда при одновременной эксплуатации и зарядке устройства, эффект от зарядки будет отсутствовать ввиду превышения разрядных мощностей над зарядными. Существуют также такие устройства, например, внешние подключаемые жесткие диски, для электропитания которых мощности USB в 500 мА мало, и будет требоваться дополнительное подключение источника питания.

В 2009 году была введена спецификация USB 3.0, в которых мощность порта была повышена до 900 мА. Может показаться, что и этот показатель мощности не особо велик, но разработчикам пришлось ограничивать его, так как при больших значениях возникали бы искажения при высокоскоростной передаче данных.

Необходимость обеспечения большей мощности привела к созданию в 2007 году отдельной спецификации - Battery Charging, позволяющей более быструю зарядку от USB-хоста. Суть заключалась в создании зарядного устройства, известного сейчас как “USB зарядка”, которое было бы способно обеспечить силу тока в 1500 мА и быть совместимым со стационарными электросетями и системой электрообеспечения автомобиля. В таких зарядных устройствах, по сути имеющих свой USB порт, контакты D- и D+ соединены друг с другом через сопротивление 200 Ом или меньше. Этот нюанс отличает их USB порт от оригинального, предназначенного для переноса данных. В некоторых гаджетах компании Apple зарядный ток может ограничиваться изменением сопротивления между контактами D- и D+.

USB зарядное устройство может комплектоваться Y-образным кабелем, с помощью которого можно и заряжать устройство, и выполнять обмен данными. Это решение выглядит довольно логичным, но в спецификации соответствия USB говорится о запрете использования Y-образного кабеля периферийными устройствами - “если периферийное USB устройство требует больше энергии, чем допускает спецификация USB, к которому оно подсоединено, то у такого устройства должно быть автономное питание”. Но на практике Y-образные кабели и так называемые вспомогательные зарядные адаптеры используются без видимых трудностей.

Может возникнуть вопрос - не приведет ли к повреждению устройства использование USB зарядного устройства с силой тока, большей номинальных 500 и 900 мА? Ответ будет отрицательным, так как устройство возьмет ровно столько энергии, сколько ему будет необходимо. Аналогией может служить пример подключения к розетке переменного тока лампочки и тостера. Будучи подключенными к одинаковому источнику электроэнергии, эти приборы, тем не менее, имеют разную мощность — лампочка – довольно небольшую, тогда как тостер довольно значительную. Большая мощность зарядного устройства USB в нашем случае даже позволит сократить время зарядки.

Зарядка в спящем режиме

В большинстве случаев выключение компьютера приводит и к отключению USB портов. Но в некоторых компьютерах реализована функция зарядки в спящем режиме, которая подразумевает сохранение напряжения на USB порту и при выключенном состоянии. Такие USB порты могут быть красного или желтого цвета, единого стандарта не существует. Разные компании могут называть эту функциональность по- своему, например Dell назвал свою технологию “PowerShare”, и такие USB порты отмечены значком молнии. Toshiba использует термин “USB Sleep-and-Charge” и маркирует такие порты аббревиатурой USB над рисунком батарейки.

USB 3.1 - разъем типа С

Как и большинство других успешных технологий, USB за время своего существования породил несколько версий разъемов и кабелей. USB зарядные устройства не всегда показывают ожидаемые результаты производительности и время зарядки может быть долгим. Существует и проблема несовместимости между конкурирующими системами, возникающая как случайно, так и осознанно.


Зарядные устройства Victron Energy (Голландия)

 

Phoenix Charger Skylla-i Skylla-TG
Зарядное устройство для свинцово-кислотных AGM аккумуляторов Зарядное устройство для яхты, катера и судна Skylla-i Victron Energy Профессиональное зарядное устройство для гелевых аккумуляторов
12/24В, 16-200А 24В, 80-500А 24/48В, 30-500А
Мощные профессиональные зарядные устройства для яхт, катеров и другого вида транспорта. Предлагаются однофазные и трехфазные зарядные устройства высокой мощности. Многостадийный адаптивный заряд с возможностью ручного управления.

Компании, столкнувшиеся с проблематикой технологии USB, разработали свой собственный разъем и кабель, основанный на стандарте USB 3.1. Вместо использования четырех контактов, как в классических разъемах типа А и В, тип С имеет 24 контакта и является двусторонним, то есть у него нет разной геометрии разъемов для хоста и периферии. Разъем типа С поддерживает как и стандартные 900 мА, так и может обеспечить 1,5 А и даже 3,0 А через шину питания 5 В при потоковой передаче данных. Это приводит к возможности поддержания мощности 7,5 и 15 ватт соответственно, что несколько интереснее стандартных 2,5 ватт. Существуют дальнейшие усовершенствования типа С, экспериментально способные обеспечить силу тока 5 А при напряжении 12 В или 20 В (60 Вт и 100 Вт соответственно).

Несмотря на присутствие на рынке устройств с USB-C и USB 3.1, потребители пока более ориентированны на USB 3.0. В то время как USB 3.1 обратно совместим с более старыми форматами, для USB-C необходимы специальные переходники и адаптеры, которые ограничивают скорость передачи данных.

Последнее обновление 2016-02-25


Рейтинг и отзывы: 1 1 1 1 1 4/5 на основе 3 голосов