USB 1.0
USB это последовательный интерфейс передачи данных для периферийных устройств в вычислительной технике
Стандарт USB 1.0, получивший широкое распространение, был представлен в ноябре 1996 года. Версия v1.1 практически почти не используется по причине слишком низкой скорости передачи данных (12 Мбит/сек), поэтому применяется только для совместимости.
USB 2.0
Стандарт USB 2.0, получивший широкое распространение, был представлен в ноябре 1996 года.
Как и в случае спецификаций USB 1.0 и USB 1.1, в спецификации USB 2.0 для подключения периферийных устройств используется кабель, состоящий из двух пар проводов: одна витая пара проводов для приема и передачи данных, а другая — для питания периферийного устройства.
Напряжение питания по шине USB равно 5 В при силе тока до 500 мА. Этого, конечно, недостаточно для периферийных устройств со высоким энергопотреблением, например таких как принтеры. Поэтому они комплектуются собственными блоками питания, которые подключаются непосредственно к электрической розетке. Кабели USB ориентированы, то есть имеют физически разные наконечники «к устройству» (Тип B) и «к хосту» (Тип A). Возможна реализация USB устройства без кабеля, со встроенным в корпус наконечником «к хосту».
Компьютеры и ноутбуки, выпущенные после 2003 года, как правило, оснащены портами USB 2.0.
Устройств USB 2.0 поддерживают три режима работы:
- Low-speed, 10—1500 Кбит/c (клавиатуры, мыши, джойстики, геймпады)
- Full-speed, 0,5—12 Мбит/с (аудио-, видеоустройства)
- High-speed, 25—480 Мбит/с (видеоустройства, устройства хранения информации)
Интерфейс USB 3.0 – стандарт SuperSpeed USB
Спецификация USB 3.0 появилась в 2008 году.
В спецификации USB 3.0 разъёмы и кабели совместимы с USB 2.0, причём для однозначной идентификации разъёмы USB 3.0 изготавливают из пластика синего или (у некоторых производителей) красного цвета.
Спецификация USB 3.0 повышает максимальную скорость передачи информации до 5 Гбит/с — что выше скорости передачи данных устройств USB 2.0. (максимально 480 Мбит/с.)
31 июля 2013 года USB 3.0 Promoter Group объявила о принятии спецификации следующего интерфейса, USB 3.1, скорость передачи которого может достигать 10 Гбит/с. Разъём USB 3.1 Type-C является симметричным.
Типы возможных разъемов и кабелей
Количество возможных разъемов USB 3.0 стало больше. Самый популярный разъём, которым все пользовались — USB Type-A классического размера: он расположен на флешках, USB-модемах, на концах проводов мышей и клавиатур. Чуть реже встречаются полноразмерные USB Type-B: обычно таким кабелем подключаются принтеры и сканеры. Мини-версия USB Type-B до сих пор часто используется в кардридерах, цифровых камерах, USB-хабах. Микро-версия Type-B стала самым популярным разъёмом в мире: все актуальные мобильники, смартфоны и планшеты (кроме продукции одной фруктовой компании) выпускаются именно с разъёмом USB Type-B Micro.
Прочитав много источников, находил везде одну и ту же информацию: порт USB 2.0 способен выдавать не более 500мА, обеспечивая мощность не более 2.5Вт. Однако некоторые вещи заставляют усомниться в этом.
Прежде всего, о полезном. Если в диспетчере устройств выбрать свойства "USB Root Hub" (не помню, как там по-русски, все устройства посмотрите), то на второй вкладке "Питание" отразится информация о подключенном устройстве: сколько для него необходимо миллиампер. Значение берется из начинки подключаемого устройства, это не фактический ток потребления на текущий момент:
— часть флешек требует 500мА (Kingston, Transcend), а часть 200мА (Toshiba). Причем опытным путем доказано, что флешка от Toshiba работает на любом удлинителе USB 1.8 метра, даже выполненном не по стандарту. Получается, чем меньше потребляет устройство — тем больше у него шансов заработать на удлинителе USB или некачественных передних разъемах корпуса;
— и действительно: оптическая мышка, потребляющая 100мА, без проблем работает на 3-метровом USB-удлинителе (а все флешки там уже "тю-тю");
— кабель USB A-B, идущий к принтеру, отразился рекомендованным значением 98мА;
— USB-HDD "Silicon Power" на 320ГБ показал значение 2мА (подключен к одному порту USB и успешно функционирует). Выяснилась причина: под значение миллиампер в ОС отведен всего 1 байт, и максимальное значение этого счетчика 255. Каждое значение счетчика равно 2мА. Это значит, USB-HDD вышел за пределы возможного максимального числа, и счетчик обнулился +1 (соответствуя числу 514мА или 1026мА). Но это больше, чем 500мА, заявленных в стандарте!
Это было первым сомнением в истинности Iмакс = 500мА для порта USB.
Второе: один концентратор обслуживает сразу несколько USB-портов, при этом написано, что максимум 500мА на порт. Значит, в моем случае, концентратор способен отдать 2.5А (т.к. отвечает за 5 портов). Если он способен выдать в сумме 2.5А — что же ему должно мешать выдаче, например, 2.5А на один порт, а 4 других просто заблокировать.
Третье: данные разобранного USB-HDD по питанию составляют 5В/0.85А. Это уже больше 0.5мА. Мало того, опытным путем было установлено, что для запуска HDD (реактивная нагрузка) требуется гораздо больший ток, чем указано на HDD.
Четвертое: запитал роутер через USB-провод, и уже тогда я откуда-то знал про значение 1200мА. Вот она, борьба парадигм: там услышал, здесь увидел, там сказали, здесь написали.
Все предпосылки к эксперименту есть, чтобы получить реальные числа силы тока этого HDD. На протяжение месяца врежусь в кабель USB A-miniB высокоточным амперметром за 20000 рублей — и сниму с него показания. Глазами или телеметрией — как получится.
(добавлено 07.04.2015): эксперимент с USB-разъемом прошел успешно, и мои догадки подтвердились. Использовалось следующее оборудование:
— мультиметр DT838 (вот тебе и "высокоточный". );
— активная нагрузка: внешний HDD Samsung Momentus ST320LM001, USB-подогреватель кофе Orient W1002B;
— пассивная нагрузка: 4 резистора С5-16В-8вт 1Ом ±1%;
— штекер USB;
— материнские платы EliteGroup G31T-M7 и Gigabyte C51-MCP51.
В процессе отдельного и параллельного подключения активной нагрузки стало известно:
— предельная сила тока для HDD (0.85А) является предельно точной, она была получена при раскрутке диска и при его инициализации после загрузки Windows (доли секунды). Сила тока в режиме простоя: 0.28-0.35А, в режиме передачи со скоростью 28МБ/с: 0.56-0.63А;
— подогреватель потребляет постоянные 0.6А, в том числе и во время пуска: нет реактивной нагрузки. Подогреватель кофе с мощностью всего 3Вт не может рассматриваться как серьезный бытовой предмет;
— при параллельном подключении нагрузки удалось получить значение 1.19А. Это значение превышает заявленное в стандарте USB 2.0 в 2.38 раза.
Далее встал вопрос: а каков корректный предел? Неопытный техник устроил КЗ, когда я ему доверил вопрос пайки, — однако техника не пострадала, и КЗ не пропало зря: амперметр зафиксировал постоянное прохождение через него 3.3А, значит в материнской плате есть некий ограничитель по амперам (например, в контроллере). Причем ограничение сработало и при выключенном ПК.
Чтобы избежать повреждения активной нагрузки, было решено отказаться от нее в пользу пассивной, переводящей всю энергию в собственный нагрев: резисторы. Как ни странно, резисторы высокой мощности и малого сопротивления оказались в дефиците, и удалось найти всего 4. Причем им лет 25-30, а срок сохраняемости данного типа составляет 15 лет. Какое же было удивление, когда после окончания экспериментов выяснилось, что сопротивление одного из них увеличилось на +50%, до 1.5Ома. Тогда стали понятны все "погрешности" в эксперименте.
Сначала было получено 1.45А, которые успешно нагревали резисторы несколько минут. Далее, понижая сопротивление, было достигнуто значение тока 3.05А. И именно при этом значении автоматика (материнской платы или Windows?) отключила USB-разъем, но каким-то необычным способом: уменьшив значение силы тока не до 0, а до 0.4А.
Итак, предельное значение силы тока для USB-разъема висит в диапазоне [2.66;3.05)А, что превышает значение стандарта в 5-6 раз. Но для каждого разъема этот диапазон, или это суммарная величина разъемов контроллера USB? Единственный способ узнать это — подключить к двум портам USB нагрузку, вызывающую силу тока более 3.05А.
(добавлено 10.04.2015): поступил проще, отказавшись от поиска дополнительных резисторов. Взял USB-провод с двумя входами типа "A" и выходом miniUSB. Выход отрезал, припаял резисторы на примерно 1.5Ом. В итоге получил 3.1А (менее 3.33А, опять что-то подъедает: просроченные резисторы что ли разного номинала, несмотря на маркировку). 3.1А были применены в двух (пока) комбинациях:
— если за пару разъемов USB считать соседние друг с другом (горизонтальные пары), то сначала оба входа были подключены к одной паре USB. Сработала защита, и ток 3.1А успешно опустился до 0.4А. Не до 0.8А (т.к. разъема 2) — из этого следует, что есть нечто, контролирующее именно пару USB;
— далее каждый из разъемов был воткнут в соседние пары. В итоге ток 3.1А не оборвался, успешно продержавшись все время, пока не раскалились резисторы (далее отключил).
Пока выводы следующие:
— Windows неправильно показывает количество портов USB, отведенных контроллеру;
— контроллеров USB несколько, и вероятность того, что контроллер управляет лишь одной парой USB, — присутствует;
— получение больших значений тока способствует подключению к ПК USB-устройств, потребляющих более 50Вт. Если взять стандартную материнскую плату с восемью парами USB, значит без последствий можно получить ток в диапазоне [10.64;12.2)А, что даст мощность [50,32;61)Вт;
— подчиненные стандартизации, большинство USB-гаджетов являются бесполезными именно потому, что должны потреблять не более 0.5А. При корректных 2.66А можно было бы получить подогреватель кофе в 5 раз мощнее, а USB-лампу — в 5 раз ярче.
Осталось:
— уточнить допустимый диапазон максимальной силы тока для пары USB [2.66;3.05)А;
— узнать, есть ли проседание напряжения на нагрузке;
— проверить, потянет ли 2.66А по одному USB_разъему нетбук;
— подключить в USB активную нагрузку хотя бы на 2.5А — и использовать ее на протяжение нескольких часов, чтобы убедиться, что такие токи безопасны для материнской платы в течение продолжительного времени.
(добавлено 13.04.2015): результаты на материнской плате Asus P5Q SE2 получились не очень хорошими. Такое же поведение, как и у прочих плат: если контроллер контролирует какое-то количество USB — то при превышении ампер ограничивает ток до 0.4А. При подключении нагрузки в разные USB выяснилось, что контроллера всего 2, причем один отвечает только за одну заднюю пару USB, а второй — за вторую заднюю пару и все "косички". В итоге мне из платы более 5.2А выжать не удалось (дальше просто не стал экспериментировать).
Завтра воткну в нее нагрузку 2.66А и оставлю всю эту конструкцию на максимальное время, пока на резисторах нельзя будет жарить яичницу, или они просто не сгорят. В итоге оценю способность разъема, штекера, проводов и контроллера держать ток больше 2А длительное время.
(добавлено 20.04.2015): тест 2.6А на протяжение 6 часов длился на материнской плате Asus M2A-VM. Никаких дефектов не замечено, температура разъема USB не более 38 градусов. Падение напряжения было незначительным — списал на внутреннее сопротивление амперметра. Тестовый стенд был разобран, к нетбуку не подключал.
Столкнулся с проблемой нехватки питания при подключении коммуникатора на Android — при одновременной работе GPS навигатора и видеорегистратора, аккумулятор разряжается быстрее, чем идет зарядка. При изначальном 100% заряде аккумулятора, даже подключенный к бортовой сети автомобиля садится в ноль за несколько часов эксплуатации в таком режиме.
Сначала решил, что в используемом мной зарядном устройстве нехватает ампер на выходе. Купил несколько более мощных (на 1000мА и на 2100мА) — но результат не оправдал ожидания, картина не изменилась.
В электронике познаний не имею, поэтому хотелось бы услышать комментарии знающих людей.
Погуглив немного, нашел следующие заинтересовавшие меня утверждения:
Максимальный ток зарядки — это ток, который в принципе способна выдать зарядка. А выдаст она ровно столько, сколько сожрёт потребитель. Если нужно устройству 100мА при 5А, то оно 100мА при 5В и будет потреблять, даже если источник этих 5В будет способен выдать 100500А.
Как я понимаю, из этого следует, что дело даже не в зарядном устройстве. Коммуникатор сам потребляет от зарядки меньше, чем тратит на работу в данном режиме.
Что также интересно — в свойствах телефона, при зарядка от одного из устройств отображается статус "Зарядка USB" при другом заряднике "Зарядка AC" Предполагаю, что в режиме USB телефон должен потреблять не более 500мА, так как в USB2.0 максимальный ток составляет 500мА, хотя дело может быть и не в этом. Возможно телефон определяет тип зарядки не по количеству ампер, а например по замкнутым контактам по которым в USB передается информация, или что-то подобное.
Всего в проводе USB пять жил идет: черный и красный — питание, белый и зеленый — данные, ну и пятый — оплетка с фольгой по периметру.
Еще видел комментарий, что для повышения тока зарядки свыше номинального для USB 500мА некоторые производители подают питание на разъем MiniUSB дополнительно на 4-й контакт(по которому обычно данные передаются). И что странно, разобрав несколько штекеров увидел сам, что в одном из них минус подключен через какой-то транзистор еще и к соседнему контакту. В самом проводе автозарядки идет две жилы, а в разъеме они выходят на три контакта MiniUSB. В других подключены на два — красным и черным проводом. В общем эта история тоже неясна.
Разобрал все приобретенные мной зарядники чтобы оценить качество начинки.
Хотелось бы услышать ваши комментарии по устройству данных зарядок. Получить совет, как добиться достаточного для зарядки коммуникатора питания.
Кандидаты на роль мощной зарядки:
Ginzy GA-4212UB/S3 — 520руб.
Характеристики:
Output: 5V 2500мА суммарно на 2 USB
Причем нигде не нашел информации, сколько ампер и на какой разъем подается. Написано лишь что один USB для зарядки Apple, второй для Galaxy Tab. Были бы они одинаковыми по Амперам, думаю их не стали бы подписывать. Предполагаю, что один из них на 1000мА второй на 1500мА, но кто есть кто — видимо могут показать только измерения, я пока не разобрался.