Mały test ładowarek USB – obciążamy 7 modeli do granic ich możliwości!

Liczba urządzeń mobilnych na świecie powiększa się z każdym rokiem, a samych użytkowników takich sprzętów przybyło prawie 30% w okresie od stycznia 2016 do stycznia 2017 roku. Każdy z nas posiada w domu nie jeden sprzęt zasilany niewielkim akumulatorem, który trzeba ładować nawet codziennie, aby sprostać naszym multimedialnym zachciankom. Cała ta masa elektroniki potrzebuje odpowiedniej ładowarki, aby napełnić swój akumulator energią. Nas najbardziej interesuje, aby proces ładowania odbywał się szybko, stabilnie i bezpiecznie. Nie bez znaczenia jest wiec jakość i wydajność ładowarki, która musi podołać coraz większym obciążeniom. Postanowiłem więc przeprowadzić kilka testów "ładowarek" USB znajdujących się w moich zasobach, ale od początku...

Ładowarka USB do smartfona/tabletu - co to jest?

W ostatnim zdaniu poprzedniego akapitu, celowo umieściłem słowo "ładowarka" w cudzysłowie, ponieważ nie jest to (w większości przypadków) poprawne określenie, a jedynie potoczna nazwa tego urządzenia elektrycznego. Przyjęło się takie nazewnictwo trochę z upraszczania i stosowania skrótów myślowych, a trochę - a może przede wszystkim z marketingowego bełkotu. W każdym razie nie jest to określenie poprawne z punktu widzenia czysto technicznego. Czym więc jest ta nasza "ładowarka"? Może nie jest to zaskakująco szokujące, ale jest to najzwyklejszy (pod względem podstawowej funkcji) ZASILACZ - urządzenie elektryczne dostosowujące napięcie wejściowe do określonego napięcia na wyjściu i zdolności dostarczenia odpowiedniej ilości energii, jakiej potrzebuje zasilane urządzenie.

Podstawowym zadaniem zasilacza, jest zatem dostarczenie odpowiedniego napięcia (wyrażonego w woltach [V]) oraz zapewnieniu wymaganej mocy, z czym wiąże się odpowiednia wydajność prądowa (wyrażona w amperach [A]). Tak więc nasza "ładowarka" USB zasila nasze urządzenie mobilne, w którym znajduje się faktyczna ładowarka połączona z akumulatorem (często błędnie nazywanym baterią - z tego samego powodu co nasza ładowarka). Zasilacz posiada określoną moc wyrażoną w watach [W], która dla napięcia stałego (jak w naszym przypadku) jest określona jako iloczyn prądu i napięcia: P=I*U, gdzie P‑moc w watach, I‑prąd w amperach oraz U‑napięcie w woltach. Na każdym zasilaczu producent podaje przynajmniej napięcie jakie jest na wyjściu oraz maksymalny prąd jakim można go obciążyć np. 5V/2A - co daje nam maksymalną moc 10W (wat).

Powyższy akapit może wydawać się niepotrzebny, ale przyda się to drobne wyjaśnienie w dalszej części. Podsumowując: zasilacz dostosowuje napięcie sieciowe z gniazdka do wymaganego napięcia dla naszego telefonu, w którym znajduje się odpowiedni układ (ładowarka), zajmującym się ładowaniem akumulatora. To stwierdzenie jest istotne, ponieważ panuje dość powszechne stwierdzenie, że "ładowarka" USB (czyli nasz zasilacz) odpowiada bezpośrednio za proces ładowania akumulatora w naszym urządzeniu. Zasadniczo jest to stwierdzenie błędne, zasilacz ma oczywiście znaczenie, ale ma on pośredni wpływ na proces ładowania - co nie znaczy, że nie istotny.

Zasilacz będzie miał wpływ na szybkość ładowania, jeśli nie będzie posiadał wystarczającej wydajności prądowej, to akumulator będzie ładował się wolniej. W skrajnych przypadkach zasilacz może się wyłączyć z powodu przeciążenia. Jakość wykonania i konstrukcja będzie miała znaczenie dla stabilności pracy i bezpieczeństwa użytkowania.

Z uwagi na przyzwyczajenia w nazewnictwie, w dalszej części będę używał określenia ładowarka USB, choć już będziemy pamiętać czym jest w rzeczywistości.

Technologie i parametry

Podstawowym parametrem naszych ładowarek USB jest napięcie, które w zależności od technologi w jakiej pracują wynosi przeważnie od 3,6V do nawet 20V. Obecnie standardowym trybem pracy (dla większości urządzeń) w świecie smartfonów i tabletów jest dostarczenie napięcia 5V do ładowanego urządzenia. Jak łatwo można policzyć, dostarczenie tych 5V oraz wydajność 1A da nam maksymalną moc 5W. Jeśli nasz akumulator w telefonie ma pojemność 2000mAh (mili ampero godzin) oraz zakładając jego nominalne napięcie (dla ogniwa litowo jonowego) 3,7V - mamy maksymalną, teoretyczną ilość zgromadzonej energii o wielkości 7,4Wh (wato godziny). Wartość ta wynika z iloczynu pojemności i napięcia (2000mA=2A). Jak łatwo policzyć, nie da się naładować takiego akumulatora szybciej niż w ok. 1,5 godziny (z użyciem ładowarki o mocy 5W). W rzeczywistości należy uwzględnić straty na złączach, przewodzie zasilającym oraz kontrolera ładowania w telefonie, a dokładniej sprawności takiego układu. Przy założeniu, że ładowanie odbywa się przy wyłączonym urządzeniu i sprawności elektroniki ładującej akumulator około 90%, teoretyczny czas ładowania może dochodzić do 2 godzin. Pomijam w tych obliczeniach stopień zużycia akumulatora i jego zdolność do przyjmowania energii oraz nieliniowości charakterystyki ładowania - wraz ze zwiększaniem poziomu naładowania, spada prędkość ładowania. Warto też dodać, że podczas procesu ładowania napięcie na ogniwie wynosi ok. 4,2V - czyli jak widać spadki napięcia zasilającego będą nam nie na rękę.

Typowa pojemność naszych akumulatorków jest coraz większa i raczej jest to średnio 3000mAh, a spotkać można nawet 4000mAh lub więcej. Tablety posiadają ogniwa o dwu lub trzy krotnie większej pojemności. Jak więc przekazać więcej energii, aby ładowanie nie trwało wielu godzin? Najprostszym rozwiązaniem będzie zwiększenie maksymalnego prądu jaki może "dać" ładowarka. Jeśli tylko elektronika i akumulator będą mogły przyjąć więcej energii, to ładowanie będzie szybsze. W praktyce im większy prąd popłynie od ładowarki USB do elektroniki odpowiadającej za ładowanie akumulatora, tym większe będą straty energii na złączach i przewodach. Przewód zasilający musiałby być bardzo gruby aby ograniczyć straty, które występują również na stykach złącz. Same złącza również muszą być dobrze wykonane i dostosowane do większego prądu, pod wpływem którego będą się bardziej nagrzewały. Dlatego w praktyce prąd nie przekracza 2A w takich rozwiązaniach ze standardowym kablem zakończonym wtykiem micro USB, zazwyczaj bywa to ok.1,5A. Aby podołać zapotrzebowaniu energetycznemu pojemnych akumulatorów, powstały technologie szybkiego ładowania, w których podnosi się napięcie z 5V do nawet 20V. Tylko co to nam da? Jak łatwo policzyć, aby przesłać 10W energii przy napięciu 5V, musielibyśmy utrzymać prąd o wartości 2A, ale jeśli podniesiemy napięcie do 9V to wystarczy prąd tylko 1,11A. A jak już wiemy, im mniejszy prąd płynący w obwodzie, tym mniejsze straty i więcej energii dopłynie do akumulatora. Przy napięciu 12V, wystarczy już tylko prąd 0,83A. Z kolei im wyższe napięcie dociera do układu ładowania w smartfonie, tym przetwornica konwertująca dostarczoną energię, musi być bardziej zaawansowana. Musi ona zapewnić odpowiednio wysoką sprawność układu. Bez tego mielibyśmy sporo strat energii, która będzie się wydzielać w postaci ciepła.

Najpopularniejszym obecnie standardem szybkiego ładowania jest Quick Charge, który właściwie od wersji 2.0 wprowadza małą rewolucję w ładowarkach, dając możliwość wyboru napięcia 5V, 9V oraz 12V. Wersja QC3.0 umożliwia płynną regulację napięcia od 3,6V do 20V z krokiem co 0,2V. Aby wykorzystać tą technologię, zarówno ładowarka USB jak i ładowane urządzenie muszą obsługiwać technologię szybkiego ładowania. Zapewne zastanawiacie się co się stanie jak podłączymy smartfon bez jej obsługi do "szybkiej ładowarki" - właściwie nic. Takie urządzenie będzie się ładowało jak ze zwykłej ładowarki USB. Jest to możliwe, ponieważ inteligentna ładowarka poda wyższe napięcie jedynie w tedy gdy otrzyma zezwolenie od ładowanego urządzenia, poprzez odpowiednie stany sygnałowe na pinach danych D+ i D- przewodu USB. Płynna zmiana napięcia jest przydatna do jego wyrównania do wartości nominalnej, gdy nastąpi jego spadek na przewodzie i złączach.

Procedura testowa

Do eksperymentu zebrałem 7 ładowarek USB kilku producentów (kolejność alfabetyczna):

1. Asus PA-1070-07 (5.2V/1.35A)
2. Lenovo C-P63 (5V/1.5A)
3. Motorola 5006ABV0500115 (5V/1.15A)
4. Samsung EP-TA20EWE (5V/2A; 9V/1.67A) QC2.0
5. Samsung ETA-P10XBE (5V/2A)
6. Voxlink CEHC0377 (5V/3A; 9V2A; 12V/1.5A) QC3.0
7. Voxlink HMCG0007 (5V/3.1A)

Testy jakie postanowiłem przeprowadzić, powinny wykazać czy ładowarki posiadają parametry podane przez producenta i jak się zachowują podczas obciążenia oraz ile możemy z nich wycisnąć ponad to co na nich napisane. Poniżej lista testów:

1. Obciążenie prądem od 0 do maksymalnej wartości (w krokach co 0.1A), przy której deklarowane napięcie nie spadnie o więcej niż 5%. Pomiary napięcia w funkcji prądu wykonane dla każdego napięcia bazowego jakie było obsługiwane przez ładowarkę.
2. Pomiar mocy pobranej z sieci elektrycznej oraz oddanej na wyjściu w celu obliczenia sprawności ładowarki - pomiar dla obciążenia 1A oraz maksymalnego deklarowanego.
3. Pomiar mocy pobranej z sieci elektrycznej bez obciążenia.

Do przeprowadzenia powyższych pomiarów został wykorzystany cyfrowy tester z elektronicznie regulowanym obciążeniem marki ZKE EBD‑USB+, o mocy 35W i maksymalnym prądem 4A. Wyjście podłączone zostało do komputera, a dane zbierane przez oprogramowanie EB Tester Software V1.8.5. Do pomiaru energii elektrycznej z sieci użyty został miernik Perel E305EM5, do którego to były podłączane ładowarki USB.

Wyniki testów

Pierwszy test polegał na sprawdzeniu jaką rzeczywistą wydajność ma dana ładowarka i czy deklaracje producenta są prawdziwe. Pomiar odbył się automatycznie dla każdej ładowarki od 0 do wartości prądu, przy którym napięcie utrzymało założoną tolerancję. Test kończył się gdy napięcie spadło o więcej niż 5% lub zostało odłączone przez układ zasilający.

Po zapoznaniu się z wynikami, ładowarki możemy podzielić na dwie kategorie. Te których napięcie spada im większe obciążenie zostanie do nich dołączone oraz te, których napięcie nieznacznie wzrasta wraz z obciążeniem. Do pierwszej grupy można zaliczyć ładowarkę Samsung EP‑TA20EWE, w której prawie liniowo następował spadek, jednak nawet po obciążeniu blisko dwukrotnym nominalnym prądem, nie spadło poniżej 5,1V. Choć spadek wyniósł -0,13V to należy zaznaczyć, że początkowo wynosiło 5,25V. Asus oraz Motorola zaliczyły niewielkie spadki, ale ich obciążalność pozostała dokładnie na granicy deklarowanej przez producenta. Dodatkowo Asus nominalnie powinien wykazać napięcie 5,2V jednak najwięcej (bez obciążenia) uzyskał 5,14V (średnio ok.5,1V).

Druga grupa to Samsung ETA‑P10XBE, Lenovo C‑P63 oraz oba modele marki Voxlink. Samsung i Lenovo nieznacznie przekroczyły deklarowaną wydajność prądową, ale też napięcie podskoczyło najbardziej - odpowiednio do 5,32V(+0,29V) i 5,25V(+0,21V). Voxlink natomiast nieznacznie podnosił napięcie pozostając blisko 5,1V. Voxlink CEHC0377 miał w niewielkim zakresie skok do 5,22V jednak blisko prądu 3A wartość ta została zredukowana do 5,1V.

Pytanie jakie się nasuwa, to dlaczego ładowarki podnoszą napięcie? Odpowiedź jest dość prosta - mianowicie jest to zabieg niwelujący spadki napięcia na przewodzie oraz złączach. Daje nam to możliwość np. skorzystanie z dłuższego kabelka do ładowania smartfona, bez obawy o zbyt duże spadki i spowolnienie ładowania.

W trybie Quick Charge, Samsung podawał napięcie poniżej 9V, nieznacznie spadało ono z 8,82V do 8,73V (‑0,09V), prąd maksymalny jaki udało się wycisnąć był o 49,7% (ok. 2A) większy od deklarowanego. Voxlink natomiast podawał napięcie cały czas lekko ponad nominalną wartość zarówno dla 9V jak i 12V. Maksymalna obciążalność wyjścia doszła do 2,6A (dla 9V/2A) oraz 2A (dla 12V/1,5A). Widać więc, że mamy spory zapas w tych ładowarkach dla prądożernych urządzeń.

Drugi z przeprowadzonych testów dotyczył oszacowania sprawności ładowarki USB. Sprawność określa ile energii zostaje tracona w urządzeniu na przekształcenie energii zgodnie z założeniami. W naszym przypadku energii z sieci elektrycznej ~230V na napięcie 5‑12V na wyjściu. Sprawność obliczymy ze stosunku mocy oddanej do pobranej. W poniższej tabeli zestawiono obliczone sprawności dla każdej ładowarki i ułożone od tej, która uzyskała największą sprawność. Im większa sprawność, tym mniej energii jest tracone we wnętrzu ładowarki. Mniej strat, to mniej wydzielanego ciepła, a przez to mniej zużywające się wewnątrz elementy elektroniczne.

Z powyższych wyników widać, że największą sprawnością wykazały się ładowarki marki Voxlink, a najniższą Motoroli, gdzie różnica wyniosła 11,8 pp.

Ostatni test miał na celu sprawdzenie czy podczas braku obciążenia ładowarki, pobiera ona z sieci elektrycznej prąd. Pomiar we wszystkich urządzeniach wykazał 0, czyli na tyle mały, że można go przyjąć za pomijalny i nie będzie nam "nabijał" rachunku.

Wnioski

Posumowanie powyższych analiz, będzie zawierało następujące wnioski - można uznać, że wszystkie testowane ładowarki spełniają swoje zadanie, a producenci nie mijali się w deklarowanych parametrach. Spora część testowanych urządzeń wykazała się wydajnością o wiele większą od deklarowanej, a dodatkowo można zauważyć, podciąganie napięcia, które pomoże utrzymać odpowiednio wysokie napięcie na końcu kabelka zasilającego urządzenie końcowe. Na uznanie zasługuje chińska marka Voxlink, której producent wykonał solidne i wydajne ładowarki, które znalazły się w czołówce pod względem przekazywanej mocy, jak również osiągnęły najwyższą sprawność elektryczną. Model Voxlink CEHC0377 zapewnia również wsparcie dla technologii szybkiego ładowania Quick Charge w wersji 3.0, a dodatkowo nie wydamy na nią majątku. Cena tego modelu to ok. 30zł na oficjalnym stoisku Voxlink na platformie Aliexpress. Z kolei Voxlink HMCG0007 to standardowa ładowarka 5V, ale o bardzo solidnej budowie i nominalnym deklarowanym prądzie aż 3,1A z dwoma gniazdami USB 2.0. Jej waga jest prawie dwa razy większa od konkurencji (72g), a obudowa jest wykonana z aluminium z podświetlanym na niebiesko gniazdem.

Przeprowadzone testy odbyły się na markowych ładowarkach i można było się spodziewać przyzwoitych wyników, a jak zachowałyby się tanie zasilacze NoName? Z pewnością byłoby to pouczające doświadczenie dla wszystkich amatorów "elektrycznych gniazdek USB za 5zł". Temat zasilania/ładowania urządzeń mobilnych nie kończy się na ładowarkach/zasilaczach, są one bowiem tylko pierwszym ogniwem w podróży energii do akumulatora. Drugim etapem do pokonania jest przewód zasilający od którego zależy bardzo wiele, a jego marna jakość może nawet uniemożliwić całkowicie ładowanie - ale to już temat na kolejny artykuł.