USB-Tester oder Versuch Nummer zwei

Vor nicht allzu langer Zeit habe ich einen USB-Tester vorgestellt, der eine gewisse „Besonderheit“ aufwies. In den Kommentaren zum Artikel und zum Video entbrannte eine ziemlich hitzige Diskussion. Heute versuche ich zu erklären, was es damit auf sich hatte.
Kurz gesagt: Skandale, Intrigen, Ermittlungen.


Tatsächlich stelle ich heute gleich zwei Tester vor. Die Antwort auf die Frage nach der „chinesischen Mathematik“ gibt es ganz am Ende des Artikels. Wer das Ergebnis sofort wissen möchte, kann also getrost bis zum Schluss springen.

Ich habe mehrere USB-Tester bestellt. Na ja, mehrere: ein Zehnerpack, der Preis war in Ordnung, also habe ich zugeschlagen. Als die Lieferung ankam, dachte ich mir, dass ich doch einen Artikel darüber schreiben könnte.
Natürlich werden viele sagen: „Diese ganzen ‚Tester‘ wurden doch schon eine Million Mal vorgestellt“, und damit haben sie natürlich recht. Aber irgendwie kann ich mich an keinen einzigen Test erinnern, bei dem neben den grundlegenden Eigenschaften auch überprüft wurde, ob die durch das Gerät geflossene Ladungsmenge korrekt berechnet wird. Verständlich, wem käme schon der Gedanke, dass ein Gerät Strom und Spannung richtig messen, aber falsch rechnen könnte? Das ist doch Grundschulmathematik.
So ist also ein weiterer kleiner Testbericht entstanden. Ich zeige darin zwei bereits bekannte USB-Tester, prüfe sie aber etwas gründlicher.


Die bestellte Ware kam ziemlich schnell und kompakt verpackt in einem Karton an.


Wie bestellt: ein Zehnerpack. Der elfte Tester und die Streichholzschachtel sind nur „der Vollständigkeit halber“ mit auf dem Bild.


Die angegebenen technischen Daten. Interessanterweise findet sich nirgends eine Angabe zur Messabweichung. Im Problemfall ist es daher formal schwierig, dem Verkäufer etwas vorzuwerfen. Im Grunde ist das auch richtig, denn dieses Gerät kann man nur mit sehr viel Wohlwollen als Messgerät bezeichnen.


Äußerlich sieht er genauso aus wie der vorherige Tester; der einzige Unterschied ist die Gehäusefarbe. Wobei selbst das eigentlich kein wirklicher Unterschied ist, denn der Verkäufer bietet diese Tester in zwei Varianten an: dunkel und hell.


Auch das Zerlegen ist umständlich: Das Plastik ist ziemlich spröde und die Rastnasen sitzen fest. Hier fällt aber mindestens ein weiterer Unterschied auf: Das Display ist kein LCD, sondern ein OLED.


Man sieht, dass das Display etwas größer ist. Außerdem ist die Platine blau statt schwarz.


Noch deutlichere Unterschiede sieht man auf der Rückseite der Platine. Zunächst einmal ist die Verarbeitungsqualität offensichtlich besser; außerdem gibt es keine Flussmittelrückstände auf der Platine.


Da das hier verbaute OLED-Display keinen separaten Controller benötigt, wirkt die Platine deutlich leerer.


Die Beschriftung des Controllers ist abgeschliffen. Meiner Meinung nach gibt es hier aber nicht allzu viele Möglichkeiten; wahrscheinlich ist es irgendein STM.
Wie beim vorherigen Modell wird das Gerät über einen Linearregler versorgt.


In der Nähe des Ausgangsanschlusses befindet sich jedoch ein deutlich wichtigerer Unterschied. Zunächst hat der Shunt nicht 50, sondern 25 mΩ. Der Spannungsabfall daran ist deshalb ebenfalls halb so groß: Bei einem Strom von 2 A beträgt er nicht 0,1 V, sondern 0,05 V.
Außerdem kommt hier ein Operationsverstärker zum Einsatz, der die Spannung am Shunt verstärkt. Das ist schon deutlich sinnvoller, als das Signal direkt an den Mikrocontroller zu legen.
Der Grund ist, dass es für den Mikrocontroller schwierig ist, so kleine Spannungen zu messen. Das geht normalerweise zulasten der Genauigkeit, besonders nahe null.


Den größten Teil der Platine nimmt eine Massefläche ein, aber auch die Leiterbahn für die Stromversorgung ist ziemlich breit. Laut Datenblatt ist der Strom auf bis zu 5 A ausgelegt. Das halte ich für sehr optimistisch. Außerdem sehe ich zum Beispiel kaum einen Grund für Ströme über 3 A: Probleme gibt es schon durch die Überhitzung des USB-Anschlusses, nicht durch Verluste in den Leiterbahnen.
Trotzdem wirken sich große Masseflächen und eine breite Versorgungsleiterbahn natürlich positiv auf die Eigenschaften aus.


Wie ich oben geschrieben habe, ist ein OLED-Display verbaut. Das ist in gewisser Hinsicht gut, denn auf einem Bildschirm lässt sich mehr Information unterbringen als auf einem billigen LCD. Es gibt aber auch einen Nachteil: Die Helligkeit ist deutlich geringer. Beim Anschließen entsteht ein Effekt wie beim allmählichen Einschalten: Innerhalb von etwa 0,5 Sekunden „glimmt“ das Display langsam auf.
Auch das dunkle Kunststoffgehäuse spielt eine große Rolle. Ohne dieses leuchtet das Display heller, wenn auch nicht dramatisch. Auf dem Foto ist der Unterschied deutlicher zu sehen als im echten Leben.


Bei der Reihenschaltung (ohne Last) zeigten einige Tester ungefähr denselben Wert, andere fielen jedoch aus der Reihe. Einer zeigte zum Beispiel 5.09 an, obwohl die nachfolgenden Tester 5.12 anzeigten.
Vorweg: Obwohl das Display eine Auflösung von 0.01 V hat, wird der Wert tatsächlich nur in Schritten von 0.03–0.04 V angezeigt. Das sieht man auf dem Foto.


Vergleich der Spannungsmessgenauigkeit. Da mich der relative Wert interessierte, habe ich die Spannung des Netzteils nicht gemessen. Mir reichte es, dass sie nicht „schwankt“.
Man sieht, dass die Abweichung etwa 0.07 V beträgt und die Werte dabei ungefähr gleichmäßig verteilt sind.


Dabei war ein ziemlich seltsames Exemplar, das einen „Eigenlauf“ hat. Selbst ohne Last zeigt es einen Strom von 0.01 A an und zählt entsprechend sowohl mWh als auch mAh.
Dabei habe ich auch herausgefunden, dass dieses Modell keine „Mindestgrenze“ hat – genauer gesagt liegt sie bei 0.01 A und nicht bei 0.2 A wie beim Vorgängermodell, das ich bereits getestet habe. Ob das gut oder schlecht ist, lässt sich schwer sagen; es hängt von der Situation ab. Meiner Meinung nach ist es besser, wenn schon nahe null gezählt wird.


Der vollständige Test zeigte, dass die meisten „Tester“ die Spannung etwas zu niedrig anzeigen. Auf dem Foto unten ist das neunte „Versuchskaninchen“ zu sehen.


Die Stromaufnahme des Testers hängt kaum von der Eingangsspannung ab und liegt bei etwa 7.5 mA. Dieser Strom wird bei der Messung nicht berücksichtigt und beeinflusst das Ergebnis daher nicht.


Test mit 1 und 2 A. Unten sind die Fotos paarweise angeordnet; die Reihenfolge der „Versuchskaninchen“ entspricht der oben gezeigten.
Insgesamt bleibt bei den meisten die Abweichung in der letzten Stelle unter eins, was sehr gut ist. Es gibt aber auch Exemplare mit geringerer Genauigkeit. Am schlechtesten schneidet Exemplar Nummer 5 ab: Bei 1 A beträgt die Abweichung bis zu 5 %.


Strommessung im Bereich von 100 mA bis 3 A. Bis einschließlich 1 A in 100-mA-Schritten (100, 200, 200), darüber in 200-mA-Schritten (1.2, 1.4).
Versuchskaninchen Nummer fünf, das schlechteste. Man sieht, dass es über den gesamten Bereich 30–50 weniger als den tatsächlichen Wert anzeigt.


Dasselbe noch einmal, diesmal mit Tester Nummer neun, einem der genauesten Exemplare der Charge. Die Abweichung vom tatsächlichen Strom betrug 10–20 mA und war über den gesamten Bereich gleichmäßig verteilt: Bei kleineren Strömen zeigt er zu wenig, bei größeren zu viel an. Die Messung von 100 mA war korrekt.
Die meisten Tester dieser Charge liefern ähnliche Ergebnisse.


Und natürlich noch ein Test, ob die Kapazität korrekt gemessen wird – zugleich auch ein Test darauf, ob sich die Werte beim Aufwärmen verändern.
Laststrom: 2 A, Dauer: 1 Stunde. Entsprechend sollten 2000 mAh angezeigt werden. Da aber anhand des eingebauten Messgeräts gezählt wird, prüfen wir die „Mathematik“ der Tester anhand der gemessenen Werte.

Tester Nummer fünf, der schlechteste.
Das Ergebnis liegt nahe am tatsächlichen Wert. Da der Tester aber etwas zu niedrige Werte anzeigt, hätte er 1970 mAh anzeigen müssen, tatsächlich waren es 1903 mAh – im Grunde noch akzeptabel.
Interessant ist, dass auch die Kapazität in mWh zu niedrig angezeigt wird: Statt 9593 zeigte der Tester 9266 an. Der eingebaute Timer geht etwas nach, aber nicht so stark, dass sich dadurch ein solches Ergebnis erklären ließe.


Tester Nummer neun, einer der genauesten.
Während des Tests „sprangen“ die Anzeigen zwischen 2.01 und 2.02 A. Einfacher ist es, mit 2.15 A und einer Spannung von 4.87 V zu rechnen.
Auch die mAh-Messung liegt etwas zu niedrig: Statt 2015 wurden 1956 gemessen. Bei der Kapazität in mWh zeigt sich dasselbe Bild.
Interessanterweise geht der Timer dieses Exemplars etwas vor: 11 Sekunden pro Stunde.


Und einfach nur als Experiment: Test des neunten Exemplars mit 1 A. Das Ergebnis liegt 3 % unter dem berechneten Wert; statt 1000 wurden 970 mAh angezeigt. Bei der Messung in mWh tritt derselbe Fehler auf.


Nur damit es keine Missverständnisse gibt: Alle Tests wurden mit denselben Einstellungen und denselben Geräten wie beim letzten Mal durchgeführt. Die Wiederholbarkeit des Experiments liegt bei 99 %.


Und jetzt kommen die „Skandale, Intrigen und Ermittlungen“, die ich ganz am Anfang versprochen habe.

Als alle Materialien für den Testbericht bereits fertig waren, bekam ich noch einige Tester eines anderen Modells. Genau über diesen Testertyp gab es heftige Diskussionen, und ich konnte einfach nicht daran vorbeigehen. Deshalb habe ich die Veröffentlichung des Tests etwas verschoben und beschlossen, auch ihn zu testen.
Mir wurde geschrieben, dass alles am „falschen“ Netzteil liege, am fehlerhaften Test mit einer elektronischen Last, an der großen Messabweichung usw. Aber der Artikel hieß „USB-Tester oder die Feinheiten chinesischer Mathematik“ – genau diese Mathematik wollen wir überprüfen und nebenbei herausfinden, „wer denn nun schuld ist“.

Die Tester habe ich bei einem anderen Verkäufer gekauft, Link zum Produkt, der Preis lag bei 2,80 $ ohne Versand. Da ich aber gleich mehrere bestellt hatte, war es insgesamt nur etwas teurer.


Beim Öffnen des Testers zeigte sich, dass sich das alte und das neue Modell nur in einem Punkt unterscheiden: im Nennwert des Strommess-Shunts. Beim neuen sind es 25 mΩ, beim alten 50 mΩ. Alle anderen Bauteile sind völlig identisch.


Der Unterschied ist sogar zu erkennen, ohne das Gehäuse zu öffnen.


Zunächst die grundlegenden Tests.
Die Genauigkeit der Spannungsmessung ist hier natürlich schlechter als bei der oben gezeigten Variante, aber nicht viel.


Dafür ist die Stromaufnahme geringer: 5–6 mA statt 7,5 mA.


Die Ergebnisse der Strommessung sind dagegen deutlich schlechter. Wie üblich habe ich bei zwei Stromstärken geprüft, 1 und 2 A. Auf dem Foto sieht man aber, dass die angezeigten Werte klar von den tatsächlichen abweichen.


Der Test über den gesamten Bereich von 100 mA bis 3 A lief nach demselben Verfahren: bis 1 A in 100-mA-Schritten, darüber in 200-mA-Schritten.
Da die Spannung am Shunt bei diesem Modell direkt vom Mikrocontroller gemessen wird, ist die Messabweichung bei kleinen Strömen groß. So wird ein Strom von 100 mA überhaupt nicht angezeigt, und statt 200 mA zeigt das Gerät gerade einmal 60 mA an.

Weiter oben habe ich geschrieben, dass es für den Controller bei direktem Anschluss schwierig ist, die kleinen Spannungen vom Shunt zu messen. Tja, hier sieht man das Ergebnis.


Am meisten interessierte mich aber die Genauigkeit der Kapazitätsmessung. Genau genommen ging es mir dabei nicht so sehr um die Genauigkeit an sich, sondern darum, ob es einen Unterschied zum vorherigen Exemplar gibt.
Und den gibt es, und zwar ziemlich eindeutig. Doch zunächst die schlechte Nachricht: Die angezeigten Stromwerte stiegen mit der Erwärmung deutlich an, stärker als bei der Variante aus dem vorherigen Test. Bei diesem Exemplar wurden anfangs beispielsweise 1,99 A angezeigt, nach 20 Minuten waren es aber schon 2,13 A.
Die Kapazitätsmessung ist dagegen völlig korrekt. Rechnerisch hätte das Ergebnis bei etwa 2130 mAh liegen müssen; angezeigt wurden 2109 mAh. Das passt gut zum berechneten Wert, denn vor dem Aufwärmen war der gemessene Strom schließlich etwas niedriger.


Na gut, nehmen wir noch ein Exemplar. Dessen Amperemeter zeigte anfangs deutlich zu niedrige Werte an, driftete beim Aufwärmen aber in Richtung zu hoher Werte.
Am Ende hätte es 2090–2100 mAh zählen müssen, angezeigt wurden 2067 mAh. Dabei muss man auch hier berücksichtigen, dass die Strommessung im kalten Zustand einen niedrigeren Wert ergab.


Gehen wir nun fast ein halbes Jahr zurück, als ich einen solchen Tester getestet habe.
Der vom „Tester“ gemessene Strom lag bei etwa 2,10–2,14 A. Er hätte höchstens 2140 mAh zählen dürfen, tatsächlich eher 2100 mAh. Am Ende kamen aber fast 2500 mAh heraus.
Genau das wollte ich den Lesern und Zuschauern vermitteln, aber leider haben es nicht alle verstanden :(

Was ist also die Ursache?
Die Ursache ist ganz banal: ein Softwarefehler. Ihr fragt euch sicher, was die Software damit zu tun hat, wenn wir auf der Platine eindeutig einen anderen Shunt gesehen haben.
Bei direktem Anschluss des Shunts, also ohne Spannungsteiler oder Verstärker, kann man den Shunt nur zusammen mit einer Änderung des Programms austauschen. Darin müssen der andere Widerstandswert des Shunts und entsprechend auch die andere Spannung an ihm berücksichtigt werden.
Offenbar wurde aber nicht nur das geändert, sondern auch ein anderer Algorithmus zur Berechnung der mAh verwendet.
Deshalb kann ich mit 99 % Sicherheit sagen: Wenn bei euch ein Shunt mit der Aufschrift R025 verbaut ist, sind die Ergebnisse der Strommessung schlechter, aber der Tester zählt korrekt. Steht dagegen R050 darauf, ist es genau umgekehrt: Die Strommessung ist etwas genauer, dafür ist die Kapazitätsberechnung ein Totalausfall.
Ich vermute, dass ein Hersteller den Quellcode des anderen geklaut, aber den Nennwert des Shunts geändert hat. Der Codeabschnitt für die Strommessung wurde angepasst, aber irgendwo hat sich ein Fehler in die Kapazitätsberechnung eingeschlichen. Am Ende gilt: „So ist es nun mal“.


Ein Video, in dem ich über den Tester aus dem vorherigen Test berichte.


Das war’s von mir, Zeit für ein kurzes Fazit.

Wenn ich zwischen den beiden im Test gezeigten Modellen wählen müsste, gefällt mir das erste besser. Die Schaltung ist besser ausgelegt, die Messwerte driften nicht mit der Temperatur und die Genauigkeit bei kleinen Strömen ist besser. Trotzdem bleibt ein gewisses Zufallselement: Man kann zum Beispiel ein Gerät erwischen, das bei null Strom irgendetwas anzeigt. Der Test hat außerdem gezeigt, dass die gemessene Kapazität um etwa 3 % zu niedrig ausfällt, und zwar sowohl in mAh als auch in mWh.

Der zweite Tester misst die Kapazität korrekt. Wegen seiner miserablen Schaltungstechnik kann man bei der Strommessung allerdings alles Mögliche erhalten – nur keinen realistischen Wert. Kalibrieren lässt sich das auch nicht, denn dieser Fehler steckt sozusagen in den Genen.

Für mich persönlich habe ich damit nicht nur das Problem der fehlerhaften Kapazitätsmessung beim vorherigen Tester geklärt, sondern auch einen Unterschied zwischen den Modellen gefunden, an dem sich erkennen lässt, welcher Tester mit korrekter und welcher mit „chinesischer“ Mathematik rechnet.

Das war’s von mir. Ich hoffe, der Test war hilfreich und beantwortet einige der Fragen, die in den Kommentaren zum vorherigen Test aufkamen.