USB тестер, или тонкости китайской математики

Очень часто я встречаю в комментариях на форумах, а также в обзорах, измерение емкости аккумуляторов смартфонов, повербанков и т.п. при помощи USB тестеров. Один раз я попытался объяснить, почему так нет смысла измерять, но сегодня попробую зайти с другой стороны, проверить сами тестеры.


Предвижу комментарии вида — да обзоров этого тестера уже просто тьма, зачем нужен еще один?
Да, обзоров действительно много, обусловлено это тем, что модель довольно популярная, наверное одна из самых популярных, но в данном случае это лишь косвенно обзор тестера.

Для начала скажу, что в обзоре будет сравнительный тест 15 экземпляров, но смысл обзора не показать как он хорош или плох, а объяснить, почему данное устройство можно использовать лишь для ориентировочной оценки тока/напряжения и тем более емкости.
Данный обзор является моим одним большим ответом на вопрос — верить или нет результатам тестов при помощи «докторов».

Но будем последовательны. Заказал я 15 штук подобных тестеров, цена на момент заказа была около 2.8 доллара. Там была еще платная доставка, потому я указал цену исходя из общей суммы заказа.
Через небольшое время получил на почте пакет с кучей маленьких пакетиков внутри.


Внутри пакетиков обнаружилось 15 USB тестеров, все соответствует заказу, вопросов нет.


Технические характеристики заявленные производителем.
Модель — KWS-V20
Напряжение — 4-20 Вольт (точность измерения ±1%)
Ток — 0-3 Ампера (точность измерения ±1%)
Таймер — 0-99часов
Емкость — 0-99999мАч

Так как отчасти данный обзор это все таки обзор тестера, то один экземпляр покажу более полно, остальные один в один, разбирать каждый не буду :)
1. Дизайн довольно привычный, с одной стороны USB штекер, с противоположной гнездо для подключения нагрузки.
2. Снизу корпус матовый, потому ничего особо не видно.
3. Корпус собран из двух половинок и держится за счет четырех защелок.
4. Защелки очень тугие и разбирать неудобно, тем более разбирать так, чтобы это было аккуратно.


Внутри мы видим весьма аккуратную плату с ЖК дисплеем и разъемами. Есть новые модели с OLED дисплеями, но они мне в руки пока не попадались.


С обратной стороны платы расположены все остальные компоненты, контроллер, микросхема управления дисплеем, шунт и стабилизатор напряжения.
Сама по себе платка красивая, но вид немного испорчен в некоторых местах следами не смытого флюса.


1. «Сердцем» устройства является микроконтроллер 8s003f3p6 от STMicroelectronics. Это 8 бит микроконтроллер с 10 бит АЦП.
Рядом с ним расположен стабилизатор напряжения.

2. Так как у дисплея большое количество выводов, то для помощи микроконтроллеру установлен контроллер ЖК дисплея — HT1621.
Ближе к выходному разъему присутствует резистор сопротивлением 50мОм, выполняющий роль токового шунта. Сопротивление шунта довольно высокое, при токе в 2 Ампера на нем будет падать около 0.1 Вольта, что при напряжении в 5 Вольт может быть существенно, а так как максимальный ток тестера составляет 3 Ампера, то падение может достигать 0.15 Вольта без учета падения на разъемах и дорожках печатной платы.
Такой номинал обусловлен тем, что на плате нет усилителя сигнала с шунта и все измеряет сам микроконтроллер.



Индикация и управление крайне просты.
Вверху дисплея отображается измеренное напряжение и время тестирования.
Внизу — измеренный ток и высчитанное количество мАч, которые «прошли» через тестер с момента последнего сброса показаний.


Раньше я как-то не обращал внимание, но оказалось, что тестер начинает считать не от нуля. Ну или точнее, не от самого минимума измеренного тока.
1. Подключаю радиоклавиатуру, ток потребления 110мА и через некоторое время падает до 50мА, но таймер и соответственно счетчик мАч стоят на месте.
2. Подключаем телефон, ток 600мА, таймер работает и через несколько минут минут «набежало» некоторое количество мАч.


Мне стало любопытно, при каком токе таймер начинает «тикать». Определить это очень просто, поднимаем постепенно ток и смотрим за разделительными точками таймера, как только они начинают моргать, значит отсчет пошел.
В моем случае отсчет начался при токе 260мА.


Но тестер показал при этом 220мА, потому какой именно порог настроен, я затрудняюсь сказать. Если по измеренному, то 260, если по «зашитому» в настройках, то 220, а так как есть еще и погрешность измерения, то возможно и 200 и250.


Для дальнейших тестов был собран простенький тестовый «стенд», состоящий из 5 Вольт блока питания и электронной нагрузки.


Так как мой USB удлинитель имел большое падение напряжения, то в итоге я подключал USB тестеры напрямую к блоку питания.


В связи с тем, что на результат измерения емкости в первую очередь влияет точность измерения тока, то я решил проверить именно этот параметр. Для этого нагружал устройство током от 100мА до 3 А с интервалами в 100мА до значения в 1 Ампер и 200мА до значения в 3 Ампера.
В тесте использовался наиболее точный экземпляр и при этом заметно, что сначала показания занижены, а потом завышены, точка наиболее точных показаний находится в районе 1.6-1.8 А. Позже вы поймете что я имел в виду под фразой «наиболее точный».

Но самая большая проблема состоит именно в перекосе, если бы амперметр просто завышал или занижал, то это можно было бы решить путем коррекции сопротивления шунта, но в случае перекоса ситуацию исправить можно только программной корректировкой. Но как это делается, и делается ли вообще, я не в курсе.


При токе нагрузки в 2.5 Ампера устройство греется не очень сильно, самый большой нагрев у шунта, а так как он расположен около выходного разъема, то часть тепла отводится на него.


Было проверено 15 тестеров. Проверка каждого проходила в три этапа — точность измерения напряжения (без нагрузки), точность при токе 1 Ампер и при токе в 2 Ампера. Такие значения были выбраны как наиболее распространенные, например смартфон и планшет.
Измерение напряжения я свел в одно групповое фото, так как в среднем они показывают почти одинаково, разбег составляет 5.19-5.27 Вольта. Разбег большой, но в основном показания находятся около 5.22-5.24 Вольта.


А вот теперь самое интересное, проверка точности измерения тока.
Все фотографии идут с чередованием, экземпляр — 1 и 2 Ампера.
Чтобы не всматриваться в показания, скажу коротко, разброс при токе в 1 Ампер составляет 0.95-1.13 Ампера, при токе в 2 Ампера — 1.97-2.38.

Здесь я возвращаюсь к фразе «наиболее точный». В вышеприведенном тесте линейности измерения использовался тестер, который показал наилучшие результаты, как вы понимаете, у остальных показания будут еще менее точными.



Вы конечно спросите, а почему мы должны тебе верить, может у тебя твоя китайская электронная нагрузка неправильно работает.
Соглашусь, вопрос законный, потому приведу сравнение с проверенным мультиметром.
Напряжение блока питания без нагрузки — 5.19 Вольта, напомню что в этом тесте основная масса тестеров показала 5.22-5.24 Вольта, что несколько выше реального значения. Но так как эти данные не используются при измерении емкости, то я не особо обращаю на них внимание.


А вот теперь сравнение реального заданного тока нагрузки (1 и 2 Ампера) и показания самого худшего экземпляра. Как говорится, комментарии излишни.


Но самый «вкусный» тест я оставил напоследок. Как я говорил, часто подобные тестеры используют для замера емкости аккумуляторов мобильных устройств. Почти каждый раз я пишу, что так делать неправильно и для корректного теста аккумулятор надо подключать напрямую. В одном из обзоров я даже проводил сравнительный тест, кому любопытно, могут почитать, а здесь я приведу лишь несколько картинок оттуда.
Результат измерения емкости «доктором», 2900мАч


Подключаем аккумулятор к электронной нагрузке.


Получаем 2319мАч, существенная разница. Причем эта разница может быть и почти нулевой, зависит от тестера и смартфона/планшета.


Кроме этого влияет еще и точность подсчета емкости у самого тестера. Мне конечно пытались объяснить, что их тестер точный, но в этот раз я решил продемонстрировать, почему еще я не верю подобным «измерениям».

И так, как говорится — «следим за руками».
Берем четыре тестера, включаем их друг за другом, обнуляем и нагружаем током в 2 Ампера. Первым идет тестер с самыми точными показаниями, три остальных взяты наугад из общей кучи.
Конечно присутствует влияние тока нагрузки, который создает сам тестер, ведь у него есть как минимум подсветка. Но так как потребление тестера мало, то можно этим пренебречь.
Но даже если этого не делать, то просто даже зная хоть немного физику несложно понять, что самые большие показания должны быть у первого, а самые маленькие )и наиболее близкие к реальным) у последнего, чего на фото явно не наблюдается.

В общем выходит, что тестеры насчитали от 1222 до 1333мАч.


Все бы ничего, разбег всего в 111мАч, может даже терпимо за пол часа, т.е. 222мАч реально, так как считать надо все таки к часу.
Если бы не один скромный пункт, реально прошло только 1002. Скриншот я сделал секунд через 5 после фото, но таймер уже успел перескочить с 29 минут на 30, это видно на скриншоте.

Т.е. по факту получается, что последний USB тестер насчитал 1283 при реальных 1002 (реально даже чуть меньше). Я привел показания последнего тестера, так как на него не влияют остальные.
Получается, что измеряя емкость аккумулятора подобным тестером можно запросто получить вместо 3000 аж 3840мАч и это без учета некорректности самого принципа измерения подобными «измерительными приборами».


Конечно вам может показаться такой тест не таким уж и наглядным, кроме вы того наверняка спросите, при чем же здесь вообще математика, попробую объяснить.
Ниже для примера фото еще одного теста, не подумал сфотографировать, потому пришлось выдернуть несколько кадров из видео.

Я запустил еще один тест с током нагрузки 2 Ампера. В настройках электронной нагрузки выставил ограничение по времени в 1 час, как только она отсчитала это время и соответственно 2000мАч, то отключилась. Собственно эти показания вы и видите на ее экране.
USB тестер по мере прогрева начал еще больше завышать измеренный ток начав с 2.04 и закончив 2.14 Ампера вместо 2.0.
Хотя даже не это страшно, ну насчитал бы не 2000, а 2100, конечно это не 1%, но все равно терпимо.
Но в конце теста на экране было 2499. И вот здесь в действие вступает «китайская математика». Как известно, емкость в мАч это ток в мА прошедший за 1 час, все как бы логично.
У меня вышло, что ток был 2100мА, время 1 час (на самом деле 59мин 25 сек), по всей логике отобразить должно было 2100. Но как у китайского тестера вышло 2100 х 1 = 2500 ???? И это я использовал один из самых точных экземпляров, отобранных из 15 штук.


Наглядная демонстрация того, что тестеры бывают как с ошибкой, так и без, отличие только в одном элементе.


Ну и моя любимая фотография :)
Тестеры от другого продавца, но общая картина примерно такая же, кстати можно оценить ток потребления тестеров по первому и последнему показанию.


Чуть не забыл еще одну вещь. Еще хуже ситуация, когда пользователь пытается оценить емкость аккумуляторов повербанка при помощи такого тестера. Здесь вообще «без бутылки не разберешься», но все таки попробую объяснить.
Совсем недавно в комментариях увидел такую вот картинку, по ней и буду рассказывать, тем более что не так давно товарищ мне звонил с подобным вопросом, так как к нему обратился другой человек и в итоге мне пришлось все это расписывать на словах.
Вместо смартфона можно представить любую другую нагрузку, так как в данном случае она значения не имеет.

Вся проблема кроется в том, что в повербанке обычно присутствует повышающий (иногда понижающий) преобразователь. Из-за него ток от аккумуляторов не равен току на выходе.
Допустим что напряжение аккумуляторов составляет 4 Вольта, на выходе стандартные 5 Вольт. Но как вы понимаете, энергия не может браться из ниоткуда, потому ток до преобразователя будет больше, чем после него. В случае с 4 и 5 Вольт разница составляет 1.25 раза. Т.е. ток от аккумуляторов будет как минимум в 1.25 раза больше чем на выходе. и это без учета КПД преобразователя, который никак не 100%.

Подключаете вы свой тестер на выход повербанка, он вам насчитал к примеру 3000мАч, если умножить на 1.25, то это будет уже 3750мАч.
Все бы ничего, но есть два фактора из-за которых какое либо измерение емкости на выходе вообще теряет смысл:
1. Напряжение на аккумуляторах в процессе теста будет меняться, соответственно меняется и коэффициент пересчета. Например при 3 Вольта (разряженные аккумуляторы) будет 1.66, а при 4 Вольта 1.25.
2. КПД преобразователя это величина мало того что слабо предсказуемая (особенно с учетом неизвестных комплектующих), так еще и изменяющаяся в зависимости от тока нагрузки и напряжения на аккумуляторах. Т.е. КПД может быть как 95%, так и 60%, неслабая такая разница, да?

Т.е. что получается, известное значение емкости на выходе нам надо умножить на неизвестное число в диапазоне 1.25-1.66, а потом еще и на неизвестный КПД 60-95%. Что мы в итоге получим? Я думаю что-то близкое к погоде на Марсе 20 ноября 2025 года в пол второго дня. Потому правильное измерение емкости производится только прямым подключением к аккумулятору. И не забываем, что некоторые зарядные (например, Опус) имеют свойство немного завышать показания, потому корректный тест это немного сложнее, чем просто вставить аккумулятор в зарядное и нажать на кнопку, не говоря о «докторах».


Я очень надеюсь, что я смог наглядно продемонстрировать, почему USB тестеры подходят только для грубой оценки тока/емкости, а никак не для точных измерений.
Хотя сами по себе подобные тестеры очень удобные и позволяют быстро оценить ток/напряжение и емкость, потому ругать их как бы не за что, «играют как могут».
Как же можно их применять:
1. Просто оценка указанных выше параметров, неточно, но удобно.
2. Сравнительные тесты. Вполне точно можно оценить например, что у одного устройства емкость в 1.2 раза больше, а у другого в 1.5 раза меньше. Т.е. относительные, а не абсолютные измерения.
3. Перекалибровать и получать довольно точные результаты, но из-за «перекоса» сделать это можно только для одного значения измеряемого тока. Например если вместо 1/2 Ампера мы получаем 0.9/2.1 А, то после калибровки с током 2 Ампера будем иметь 0.8/2 Ампера, а если калибровать при токе 1 Ампер, то вполне можем получить 1/2.2 Ампера.
4. Попробовать использовать более дорогие варианты, но обязательно предварительно проверить, причем не столько ток, сколько «математику».

Не хочу говорить за все тестеры, возможно есть модели, которые измеряют корректно, я даже почти уверен в этом. Но прецедент есть и потому я и рекомендую внимательно относиться к подобным измерениям.

Дополнение. Не все могли заметить, в чем проблема. Попробую свести в краткое предложение:
Тестер показал ток 2.1 Ампера вместо 2.0. Но ключевая ошибка, и она вынесена в заголовок — тестер неправильно посчитал, так как 2.1 Ампера за час дают 2100мАч, а тестер показал вместо этого 2499мАч, хотя по всем законам математики и физики должен был показать 2100мАч.

На этом все, надеюсь что информация не окажется бесполезной.