[Перевод] Micro-USB-кабели и питание Raspberry Pi

На ресурсах, посвящённых Raspberry Pi, часто всплывает вопрос о том, почему в углу экрана появляется маленький значок молнии, причём — даже тогда, когда используемого блока питания более чем достаточно для обеспечения того, что нужно плате. Этот значок указывает на понижение напряжения и выводится даже в тех случаях, когда напряжение, выдаваемое источником питания, падает ниже 4,63±0,07В на очень короткий промежуток времени.

Пользователи разной интересной электроники (пару лет назад и я был таким) обычно не особенно задумываются о Micro-USB-кабелях, используемых для питания их систем. Я решил произвести некоторые измерения, направленные на выяснение того, как применение различных кабелей влияет на параметры питания. И надо сказать, что хотя всё больше и больше устройств оснащаются разъёмами USB Type-C, кабели для которых обычно более качественны, чем Micro-USB-кабели, Micro-USB-разъёмы всё ещё используются в подавляющем большинстве устройств.

Это касается не только Raspberry Pi, но и других подобных устройств, получающих питание по Micro-USB-кабелям (например — это мобильные телефоны, заряжаемые по Micro-USB).

Сразу поделюсь моим основным выводом, который заключается в том, что для подачи питания на различные электронные устройства и для зарядки телефонов лучше пользоваться USB-кабелями с проводниками, толщина которых, как минимум, соответствует AWG20.

Теория

Теория, на которой основано моё исследование, достаточно проста, но это нечто такое, о чём начинающие пользователи Raspberry Pi и «обычные» люди, как правило, не задумываются. Дело в том, что каждый проводник электричества характеризуется определённым сопротивлением (то есть — его можно представить себе в виде резистора). В соответствии с законом Ома напряжение зависит от сопротивления проводника и от силы тока. В результате для сигнальных кабелей, на которых не бывает (значительного) тока, сопротивление проводов особой роли не играет. А вот если говорить о силовых кабелях и о силе тока в несколько сотен миллиампер (или в несколько ампер), сопротивление проводников начинает играть заметную роль. Даже если оно невелико, при прохождении по проводнику тока большой силы произойдёт заметное падение напряжения. А падение напряжения на питающих кабелях — это попросту потери напряжения, которое не дойдёт до того места, где оно нужно. Если источник питания, например, выдаёт 5,0В, а из-за кабеля напряжение падает на 0,3В, то устройство получит лишь 4,7В.

Сопротивление проводников зависит от материала, из которого они сделаны, от площади их сечения (толщины) и от их длины. Сопротивление возрастает при увеличении длины проводника и уменьшается при увеличении его толщины. Для того чтобы уменьшить «просадку» напряжения — нужно уменьшить сопротивление кабеля, для чего надо либо использовать более толстый кабель, чем раньше, либо более короткий кабель, либо кабель, в котором сочетается и то, и другое. В описаниях к большинству Micro-USB-кабелей нет сведений о толщине используемых в них проводов. Обычно в них применяются, для всех линий, достаточно тонкие проводники. Но если речь идёт о более качественных кабелях, то в их описаниях обычно есть сведения об этом (и для линий питания в этих кабелях обычно используются провода, соответствующие AWG20).

Зарядные устройства

В качестве источников питания для Raspberry Pi и для других подобных штуковин часто используются зарядные устройства для телефонов. Существует много видов зарядных устройств. Я выбрал четыре штуки — просто потому что они оказались под рукой, и проверил, как их выходное напряжение зависит от тока, потребляемого подключёнными к ним устройствами. Речь идёт о следующих зарядных устройствах: Baseus FC67E (отличный зарядник), зарядное устройство, которое шло в комплекте с каким-то планшетом Lenovo, пара no-name-зарядников, которые прилагались к ещё каким-то устройствам. Насколько я знаю, где-то у меня были зарядные устройства на 1,5 А и на 2 А, но я не смог их найти.

Достаточно интересно то, что я обнаружил, что все эти зарядные устройства ведут себя довольно стабильно во всём поддерживаемом ими диапазоне силы тока (я, честно говоря, не ожидал, что они так хорошо себя проявят).

Зарядные устройства

Методика тестирования

Я использовал электронную нагрузку TENMA 72-13200, подключённую напрямую к USB-коннектору (male) кабеля, соединённого с источником питания. Некоторое падение напряжения происходит на выводах электронной нагрузки, и лучше было бы подключить мультиметр прямо к контрольной точке, но, так как измерительные выводы довольно массивны, я решил в это раз на данный факт внимания не обращать (я, на самом деле, забыл об этом, проверяя первые два зарядника, а потом мне просто не захотелось ещё раз проводить те же самые измерения). И, кроме того, это падение напряжения не играет особой роли, так как тут я стремлюсь лишь увидеть общую картину.

Электронная нагрузка TENMA 72-13200

Результаты испытаний зарядных устройств

▍Baseus FC67E (5В/3А, 9В/2,66А, 12В/2А)

▍Lenovo 5В/1А

▍Зарядное устройство no-name №1 5В/1А

▍Зарядное устройство no-name №2 5В/1А

▍Выводы по тестированию зарядных устройств

Я не ждал, что два no-name-зарядника хорошо, без падения напряжения, отработают на всём заявленном диапазоне силы тока. Кроме того, надо отметить, что зарядное устройство Lenovo смогло выйти за пределы номинальных показателей (возможно — ненадолго, так как я испытывал зарядники лишь в течение 10-20 секунд). В результате я могу сделать вывод о том, что протестированные мной зарядные устройства достаточно стабильны (правда, я проводил лишь статические испытания, я не тестировал динамические характеристики источников питания).

Кабели

Я отыскал в моей коробке с проводами несколько кабелей и взял ещё один — тот, которым обычно пользуюсь.

Для того чтобы протестировать кабели, я воспользовался моим любимым источником питания — Envox BB3. В роли электронной нагрузки выступил аппарат TENMA 72-13200, но в этот раз я ещё подключил к контрольной точке мультиметр (Brymen BM869S) для того чтобы получить точные результаты измерений. Выход BB3 подключён к USB-A-коннектору (female). TENMA и мультиметр подключены к Micro-USB-коннектору (female), а тестируемый кабель соединяет эти коннекторы во время испытаний.

Я протестировал 4 кабеля:

• Обычный короткий кабель (25 см), который, если я ничего не путаю, шёл с каким-то пауэрбанком.
• Обычный кабель длиной 90 см, которым была укомплектована какая-то плата для разработки и отладки ПО.
• Обычный кабель длиной 200 см, который я купил много лет назад для того, чтобы подавать питание на Raspberry Pi 1.
• Кабель Tronsmart длиной 180 см (с линиями питания, выполненными 20AWG-проводами). Похожие кабели есть у Anker.

В этот тест я мог бы включить и ещё один кабель — такой, который поставляется со смартфонами (особенно — с такими, которые поддерживают быструю зарядку). У меня есть такой кабель (с разъёмом Micro-USB), но он во время испытаний использовался в другом месте, поэтому его я не протестировал. Правда, он, если его проверить, должен показать хорошие результаты, так как сейчас он применяется для питания одного Raspberry Pi и предупреждение о падении напряжения при этом не выводится.

TENMA 72-13200 и Envox BB3

Мультиметр Brymen BM869S

Результаты испытаний Micro-USB-кабелей

▍Обычный кабель длиной 25 см

▍Обычный кабель длиной 90 см

▍Обычный кабель длиной 200 см

▍Кабель Tronsmart длиной 180 см (с линиями питания, выполненными проводом 20AWG)

В данном случае, если поднять входное напряжение до 5,2В (как сделано в официальном источнике питания для Raspberry Pi), то можно получить 4,37В при 1,2А, и 4,61В при 1,5А. В результате данный кабель очень хорошо подходит для подачи питания на Raspberry Pi 3/4 в том случае, когда нужен кабель подлиннее.

Итоги

Оказалось, что зарядные устройства для телефонов, даже no-name, достаточно стабильны на всём диапазоне поддерживаемой ими силы тока (вывод этот, правда, я сделал на основе испытания всего четырёх зарядников). Но USB-кабели, если учесть падение напряжения, вызываемое ими, очень сильно влияют на передачу питания от его источника к различным устройствам. Первые три кабеля — это обычные дешёвые кабели, которые не стоит использовать для питания «прожорливых» устройств. Кабели, которые идут со смартфонами, обычно достаточно хороши, поэтому их вполне можно применять для питания тех же Raspberry Pi. Что-то другое есть смысл использовать в том случае, если нужны более длинные кабели, или если имеются кабели более высокого качества.

Найти хороший Micro-USB-кабель непросто, так как большинство производителей не указывает в характеристиках кабеля сведения о толщине используемых в нём линий питания. Если вы выбираете кабель и можете ориентироваться на толщину проводов, используемых в нём, берите тот, где используются провода толщиной как минимум AWG20 или больше (тогда число в маркировке вида AWGxx будет меньше).

В результате, учитывая то, что Raspberry Pi (без периферийных устройств) при полной нагрузке потребляет до 1А (3/3B/3B+) или до 1,5А (Raspberry Pi 4), в появлении значка с молнией (или в выдаче уведомления dmesg о падении напряжения), скорее всего, будет виноват не источник питания, а кабель.

Сталкивались ли вы с проблемами подбора источников питания и кабелей для Raspberry Pi?