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AUSRÜSTUNG: USB-LADETECHNIK: Ladung per USB


segeln - epaper ⋅ Ausgabe 90/2019 vom 28.08.2019

Die Lademöglichkeiten für Handys, Smartphones und Tablets sind inzwischen weltweit standardisiert, bzw. gesetzlich geregelt. Kann das Steckernetzteil an Bord nicht verwendet werden, weil kein Wechselstromnetz zur Verfügung steht, gibt es Alternativen.segeIn -Autor Burkhard Linke stellt bordtaugliche Möglichkeiten vor, energiehungrige Geräte mit Strom zu versorgen


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Bildquelle: segeln, Ausgabe 90/2019

Inzwischen gehört es zu den täglichen Altagsroutinen Smartphone & Co. per Micro-USB- oder Lightnin-tecker (Apple) an eine Ladequelle anzuschließen. Sofern hierfür die Original-Netzteile und Stecker verwendet werden, ist das kein Problem. ...

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... Liegt man aber länger vor Anker oder ist erst nach Tagen wieder im nächsten Hafen, sind fest installierte USB-Steckdosen oder portable Ladeakkus eine praktische Alternative.

Um Ladeprobleme zu vermeiden, ist es hilfreich, die technischen Hintergründe unterschiedlicher USB-Ladetechnik und -Standards zu kennen.

USB-Standards

Nicht nur die Geschwindigkeit des Datenaustausches einer seriellen USB-Verbindung (USB = Universal Serial Bus) ist international standardisiert, auch die technischen Details der Ladestromleistung, die aus einer USB-Anschlussbuchse erwartet werden können, sind geregelt.

Ab der USB-Version 1.2 ist auch die USB-Ladefunktion standardisiert. Wird beispielsweise der Ladestrom dem USB-Port eines Laptops entnommen, gelten technische Einschränkungen.

Der international genormte USB-Standard (USB-Battery Charging Specification), bei dem zuerst ein Datenaustausch zwischen dem zu ladendem Gerät und der Ladequelle stattfindet, wird zunächst mit 100mA Ladestrom gestartet, nach einer weiteren Datenanfrage des zu ladenden Gerätes wird, wenn möglich, auf höheren Strom umgeschaltet. Ein USB 2.0 Port kann dann bis zu 500mA liefern und eine USB 3.0 Quelle kann den Ladestrom auf 900 mA erhöhen. Schlägt die Anfrage nach höherem Strom fehl oder kann dieser nicht geliefert werden, schaltet sich der USB-Port ab, um die Stabilität der Stromversorgung nicht zu gefährden. Eine kurzfristige Überlastung, zum Beispiel durch Anlaufströme, ist jedoch möglich. Ein abgeschirmtes USB 2.0-Kabel besteht aus vier Adern, zwei übernehmen den seriellen Datenaustausch und zwei die Stromversorgung.

USB-Einbausteckdosen sind mit passendem Feuchtigkeitsschutz auch für den Außeneinsatz im Cockpit geeignet


Bei einer sogenannten DCP-USB-Ladequelle dieses Standards (Dedicated Charging Port) sind beide Datenleitungen kurzgeschlossen. So kann die USB-Ladequelle beispielsweise dem Smartphone mitteilen, dass kein Datenaustausch möglich ist. Wie lange Ladestrom fließt und in welcher Höhe (bis zur max. Leistung der Ladequelle), wird von der internen Ladeelektronik des zu ladenden USB-Gerätes bestimmt.

Mit einer DCP-Ladequelle können Schnellladekabel für kürzere Ladezeiten verwendet werden. Schnellladekabel mit höherem Kabelquerschnitt und besserem USB-Stecker ermöglichen ohne Datenabfrage eine Stromstärke bis zur maximalen Leistungsfähigkeit der Ladequelle.

Eine Reihe von Billigprodukten, unter anderem Spielzeuge, entsprechen nicht dieser USBNorm und können die Spannungsquelle zerstören.

USB-Ladequellen

Steht eine am 12-Volt-Bordnetz fest installierte USB-Lademöglichkeit zur Verfügung, können dort (im Rahmen der Betriebsparameter) alle USB-ladefähigen Geräte angeschlossen werden, es ist hierfür weder Landstrom noch ein ineffektiver Wechselrichterbetrieb notwendig.

USB-Schnellladeverfahren DCP

Ist die USB-Steckdose eine DCP-Ladequelle, entspricht die max. Ladeleistung dem, was der Regler im zu ladenden Gerät zur Ladung des Akkus zulässt. Wird der maximal mögliche Strom überschritten, schaltet sich die Spannungsquelle ab. Eine Datenabfrage findet nicht statt.

Die meisten USB-Einbaudosen sind kurzschluss- und überlastsicher, bei Überhitzung erfolgt eine Abschaltung.

Im Gehäuse einer USB-Steckdose befindet sich ein Gleichstromwandler, der die 12-Volt-Bordspannung relativ verlustfrei in USB-konforme fünf Volt umwandelt. Das geschieht auch bei in der Praxis stark schwankender Bordspannung zwischen 11,5 und 14,4 Volt mit stabilen fünf Volt am USB-Ausgang.

Auch wenn die meisten Hersteller in den Installationsanleitungen nicht auf den Einbau einer Sicherung in der 12-Volt-Leitung hinweisen, ist es sinnvoll, diese einzubauen.

Die im Handel angebotenen USB-Einbausteckdosen können bis zu fünf Ampere Ausgangsstrom liefern, und die Stromstärke liegt damit deutlich über dem Maximalstrom von 0,5 Ampere eines 2.0-USB-Ports an einem Notebook. Wird eine Schnelladefähigkeit (Quick Charge) versprochen, findet vorher ein Datenaustausch zwischen dem dafür geeigneten Gerät und der Ladequelle statt.

Bei dieser Einbau-USB-Laderdose kann auch die Batteriespannung an einem Display abgelesen werden. Der aufgedruckte Strom (4,2 Amp.) ist die Maximalleistung, jede USB-Buchse kann 2.1 Ampere liefern


Erfolgt keine Datenabfrage, bestimmt das zu ladende Gerät selber den Ladestrom, je nach Leistungsfähigkeit der Ladequelle. Ein USB-Gerät wird nur schnell geladen, wenn ein für das Ladeverfahren geeignetes dickes) USB-Kabel verwendet wird. Ausnahmslos werden in allen zu ladenden Geräten aufgrund der hohen Energiedichte und des verhältnismäßig geringen Gewichtes Lithiu-onen-Batterien verbaut.

Diese Batterien kann man relativ schnell wieder vollladen. Damit es insbesondere beim Laden nicht zu thermischen Problemen kommt, ist in den Geräten schnellladefähige Elektronik mit Temperatursensorik eingebaut.

USB-Schnellladeverfahren Quick Charge

Bei Schnellladeverfahren (Quick Charge) mit vorherigem Datenaustausch wird die Spannung der Ladequelle von fünf Volt auf zum Teil über zehn Volt erhöht, dadurch werden Verluste und thermische Probleme an Steckern und Kabel vermieden. Auch wenn es paradox klingt, Quick-Charge-Schnellladequellen können nicht mit Schnellladekabeln (wie bei DCP) genutzt werden, da bei diesen die Datenleitungen kurzgeschlossen sind.

Wie hoch die Spannung ist, die einem Smartphone angeboten werden kann, liegt an der firmenspezifischen Ladetechnologie des Gerätes und hängt von der Leistungsfähigkeit der USB-Ladequelle ab.

Die Spannung einer Lithiu-atterie eines Smartphones liegt zwischen drei bis 4,2 Volt. Wird nach Datenabfrage bei USB 3,0 / 4.0 eine höhere Spannung bereitgestellt, wird diese durch die Smartphone-Elektronik herunter- und der in die Batterie fließende Strom heraufgesetzt.

Waren bei der USB-2.0-Norm nur zehn Watt Ladeleistung möglich, sind es beispielsweise bei Huawei-SuperCharge-Geräten 40 Watt. Um diese Leistung verlustfrei über ein USB-Kabel zu leiten, wird die Spannung sogar auf zehn bis 15 Volt erhöht.

Mit im Handel erhältlichen USB-Controllern ist es möglich, den Ladestrom anzuzeigen und die eingeladenen Amperestunden zu ermitteln. Die USB-Spannung von fünf Volt und der Ladestrom des angeschlossenen Smartphones sind zu erkennen. In der untersten Zeile werden die eingeladenen mA angezeigt


Kedron Powerbank, Speicherkapazität 24.000mA, 3 USB-Ladeausgänge. Mit Restkapazitätsanzeige und induktiver Lademöglichkeit, beispielsweise für ein Smartphone. Rechts zu erkennen sind 2 USB-Microbuchsen zum Laden der Powerbank


Alle modernen USB-Standards (3.0 und 4.0) sind rückwärtskompatibel und funktionieren auch an einem alten USB-1.0-Anschluss mit fünf Volt USB-Spannung.

USB-HUB

Sollen an Bord mehrere Geräte über USB miteinander verbunden werden, ist ein sogenannter HUB (USB-Mehrfachsteckvorrichtung) notwendig. Der maximale Strom, der einer USB- 2.0-Buchse am Notebook entnommen werden kann, beträgt 500 mA. Diesen Strom müssen sich aber alle über den Hub angeschlossenen Geräte teilen. Um eine Stromüberlastung zu vermeiden, ist in diesem Fall ein HUB mit externer Stromversorgung notwendig. Der HUB kann aber auch an einer leistungsfähigen USB-Ladevorrichtung angeschlossen werden.

USB-Kabel / Stecker

Zum Laden sollte nur das mitgelieferte USB-Ladekabel, das für den spezifischen Ladestrom ausgelegt ist, verwendet werden.

USB-Steckverbindungen sind verpolungssicher und können nur in einer Richtung eingesteckt werden. Ab USB 2.0 sollten nur Kabel, welche die Spezifikation dieser Norm unterstützen, verwendet werden, anderenfalls kann dies wegen zu geringem Kabelquerschnitt zu längeren Ladezeiten führen.

Bis zum Standard USB-1.0 können die üblichen Standar-SB-Kabel verwendet werden. Die Fähigkeit der USBPorts (2.0 oder 3.0), mehr Strom zu liefern, macht geeignete Kabel notwendig.

Werden USB-Kabel auch zum Laden verwendet, sollte das Kabel nicht länger als zwei Meter sein. Je kürzer und dicker das Kabel ist, desto besser.

Anderenfalls geht an den Steckverbindungen und auf dem Kabelweg durch Übergangswiderstände Spannung in Form von Wärme verloren. Das führt zu langen Ladezeiten.

USB-Ladung per Powerbank

Eine clevere Lösung ist es, voll geladene portable Lithium-Batteriebänke an Bord mitzunehmen.

Portable Lithium-Akkus sind leicht, klein und preiswert, die Preise liegen je nach Speicherkapazität zwischen zehn und 60 Euro. Bei einer Speicherfähigkeit von etwa 24.000 mAh können sogar Tablets mehrfach geladen werden.

Fazit

Auch wenn ein Wechselrichter an Bord vorhanden ist, ist das Laden direkt aus einem 12- Volt/USB-5-Volt-Wandler die bessere Lösung. Der Wirkungsgrad des Wechselrichters plus der des notwendigen Stecknetzteils ist sehr gering. Wird der Wechselrichter nicht im Bereich der Nennleistung betrieben, liegt der Wirkungsgrad schnell unter 50 Prozent. Wird eine USB-Steckdose genutzt, liegt der Wirkungsgrad zur Umwandlung von zwölf auf fünf Volt bei mehr als 90 Prozent, weil die kostbar gespeicherte Batterieenergie nicht in Abwärme verloren geht.

Immer wieder zeigt sich in der Praxis, dass nicht zertifizierte USB-Kabel zur Fehlfunktion oder gar Zerstörung der verbundenen Geräte führen. Kaufen Sie deshalb keine nicht zertifizierten Billigprodukte.


Fotos: Scanstrut, Mörer

Fotos: Burkhard Linke