USB Spezial: Alle Stecker, alle Möglichkeiten und die Technik dahinter

Im USB Spezial erfahrt ihr alles über den USB Standard und was ihr bei den neuen Steckervariationen und Versionen beachten müsst.

Geschichte

Der bereits im Jahre 1996 spezifizierte Universal Serial Bus (USB) Standard erfreut sich weiterhin flächendeckender Beliebtheit. Geräte, die mit der USB-Schnittstelle ausgestattet sind, können im laufenden Betrieb miteinander verbunden werden. Üblicherweise stehen dabei auf der einen Seite ein Computer, embedded Geräte oder ein Gerät mit computerähnlichen Funktionen (bspw. ein Smartphone) und auf der anderen Seite ein Peripheriegerät, also Drucker, Eingabegeräte oder Speichermedien. Der Grund, warum sich USB mit derart großem Erfolg durchgesetzt hat, dürfte wohl auch der Tatsache zu verdanken sein, dass die Schnittstelle nahezu alle vormals existierenden Schnittstellen für Peripheriegeräte ersetzt hat. Brauchte man vormals für jedes Gerät eine andere Schnittstelle, so reicht nunmehr diese eine für alle Geräte aus.

Geschwindigkeit

Nachdem USB in der ersten Version mit einer maximalen Übertragungsrate von 12 Mbit/s spezifiziert wurde, folgte im Jahr 2000 die Version 2.0. Diese vervielfachte die maximale Übertragungsrate auf maximal 480 Mbit/s. Es sollten acht weitere Jahre vergehen, ehe der dritte USB Standard veröffentlicht wurde. An dieser Stelle angekommen, wird es kompliziert. USB 3.0 bietet nicht nur eine höhere Übertragungsrate von bis zu 4 Gbit/s (viele Hersteller werben bei dieser Version mit der Symbolrate, die bei 5 Gbit/s liegt), sondern erhielt in den folgenden Jahren noch weitere Unterspezifikationen. Im Jahre 2013 wurde die Fertigstellung des USB 3.1 Standards verkündet. Die verabschiedete Version 3.1 Gen 2 erlaubte eine Datenübertragungsrate von bis 10 Gbit/s, die USB 3.0 Spezifikation ging in die Version USB 3.1 Gen 1 auf, welche weiterhin nur Datenübertragungsraten von bis zu 5 Gbit/s unterstützt.

Die Übertragungsraten nach Versionen kurz zusammengefasst:

Die teils sehr großen Diskrepanzen zwischen dem theoretisch machbaren und dem realistisch erzielbaren Werten liegen an einer Reihe Punkte, die die Datenrate beeinflussen, jedoch nicht in der theoretischen Angabe mit enthalten sind. So enthalten die Transferraten bereits die Zusatzdaten, die zum Übermitteln und Speichern der Daten erforderlich sind (der sogenannte Overhead). Zudem werden Daten zur Geräteverwaltung mit übermittelt, was die Netto-Datenrate noch weiter negativ beeinflusst.

Sollten die Datenübertragungsraten trotz potenten Endgeräten nur unzureichend ausfallen, lohnt sich häufig eine Überprüfung der Kabel. Von Verlängerungskabeln sollte in diesem Fall generell abgeraten werden. Qualitativ hochwertige, und vor allen Dingen kurze Kabel, können wahre Wunder bewirken.

Leistung

Der USB-Standard bietet neben der reinen Datenübertragungsfunktionalität noch ein weiteres Killerfeature. Es erlaubt das angeschlossene Gerät mit Strom zu versorgen. Die zur Verfügung gestellte Leistung variiert dabei mit den USB-Versionen. Als Faustformel kann man sich merken, dass USB immer eine Spannung von 5V anliegen hat (abweichend davon ist die Power Delivery Funktion des USB 3.1 Standards). Gemäß der Spezifikation stehen USB-Geräten in der Version 1.0/1.1 Ströme von bis zu 0,1 A zur Verfügung. Bei USB 2.0 waren es dann schon bis zu 0,5 A. USB 3.0/3.1 kommt auf bis zu 0,9 A. Leider reichen diese Ströme häufig nicht aus, um Endgeräte mit ausreichend Leistung zu versorgen. Daher wurden in der Vergangenheit viele USB-Ports außerhalb der Spezifikation betrieben. Um das Laden von mobilen Endgeräten mit USB-Port zu beschleunigen, wurde parallel zu den USB-Versionen noch ein USB Battery Charging (USB-BC) Standard entwickelt. Netzteile, die diesen Standard erfüllen, können dem Endgerät bis zu 5 A zur Verfügung stellen. Ist das Gerät an einer Datenschnittstelle angeschlossen, so ist bei zeitgleicher Datennutzung bis zu 1,5 A Ladestrom möglich.

Häufig ist bei den jeweiligen Geräten ein Widerstand im Netzteil zwischen den beiden Datenleitungen D+ und D- geschaltet. Im einfachsten Fall werden die Datenleitungen einfach kurz geschlossen. Liegt der Widerstandswert zwischen den beiden Datenleitungen unter 200 Ohm, geht der Laderegler im USB-Gerät davon aus, an einem Netzteil oder USB-Ladeanschluss (Dedicated Charging Port – DCP.) angeschlossen zu sein und lädt anschließend mit höheren Strömen.

Um den Bedarf an schnell ladenden Netzteilen und Stromversorgungen zu befriedigen, wurde der USB Power Delivery (USB-PD) Standard entwickelt. Bei diesem wird nicht mehr die Leistung immer weiter gesteigert, sondern es werden verschiedene Spannungen zur Verfügung gestellt. Das Netzteil und Endgerät machen dann unter sich aus, welche Spannung verwendet wird. Anschließend wird das Gerät mit der jeweils möglichen Spannung und Leistung geladen. Möglich wird dies durch einen Mikrocontroller im Endgerät und im Netzteil. Diese sprechen sich nicht nur über die vom Endgerät unterstützte Leistung und Spannung ab, sie messen auch zeitgleich die zur Verfügung stehende Leitung und setzen anhand der ermittelten Leistung den idealen Ladestrom. Bei dem anschließend erfolgenden Ladevorgang kann darüber hinaus darauf geachtet werden, wie weit der Ladevorgang vorangeschritten ist und die Leistung entsprechend angepasst werden.

Darüber hinaus ermöglicht USB-PD die Versorgung von größeren Endgeräten mit Elektrizität. So sieht der Standard bspw. vor, dass Monitor, Computer oder Drucker mit Energie versorgt werden. Dabei geht der Standard sogar so weit, dass ein Monitor mit USB-PD einen Rechner mit Strom versorgen kann oder ein Smartphone ein Notebook lädt.

Der USB-PD Standard ist zu den Steckern vom Typ A, Typ B und Typ C und mit allen Standards ab Version 2.0 kompatibel. Der USB-PD Standard unterstützt die Spannungen 5 V, 12 V und 20 V und liefert dabei bis zu 5 A. Im Höchstfall lassen sich somit bis zu 100 W an Leistung zur Verfügung stellen. Das ist so viel Power, dass es für fast alle Computer und die daran angeschlossenen Peripheriegeräte ausreichen dürfte.

Eine Besonderheit hat der Standard noch in petto. So setzt USB-PD in den hohen Leistungsbereichen an beiden Kabelenden USB-Steckverbindungen vom Typ C voraus. 

Die Leistungsdaten nach Versionen kurz zusammengefasst:

Stecker

Jedem, der schon einmal mit USB zu tun hatte, wird aufgefallen sein, dass die unterschiedlichsten Stecker für den USB-Standard existieren. Dabei haben die meisten heutzutage jedoch ihre Daseinsberechtigung verloren. Die gängisten Stecker sind die vom Typ A. Diese Stecker werden i. d. R. direkt an das Host-Gerät gesteckt. Bei Steckern von Typ A sind alle Stecker zu allen USB-Versionen kompatibel. Micro- oder Mini-Stecker vom Typ A sind heutzutage nicht verbreitet. In der Verbreitung direkt hinter dem Typ A Stecker steht der Stecker vom Typ B. Dieser tritt in diversen Variationen auf. Am gebräuchlichsten ist hierbei sicherlich die Micro Ausführung. USB-Typ-B-Stecker werden i. d. R. in das Peripheriegerät eingesteckt. Typ-B-Stecker mit Mini- oder Micro- SuperSpeed-Steckern haben ebenfalls einen großen Verbreitungsgrad, sind jedoch wieder auf dem Rückzug. Ein Grund dürfte sicherlich die Existenz des USB-Typ-C-Steckers sein. Diese Stecker haben den Vorteil, dass sie als erste Stecker verdrehsicher sind, man sie also in jeder Position einstecken kann. USB-Stecker vom Typ C werden aktuell noch häufig genutzt. Da Sie jedoch das Potential haben, alle anderen USB Stecker zu ersetzen, wird Ihnen eine große Zukunft vorausgesagt. Darüber hinaus stellt dieser Stecker alternative Übertragungsmethoden und in bestimmten Leistungsbereichen exklusive USB-PD-Features zur Verfügung. Zur guter Letzt ist der Stecker auch für eine deutlich höhere Anzahl an Steckzyklen ausgelegt. 

USB-Stecker Übersicht:

Die oben gezeigten Stecker stellen eine Auswahl der gängigsten Stecker dar. Aufgrund der Vielzahl der verfügbaren USB-Stecker wird auf eine vollständige Darstellung an dieser Stelle verzichtet.

Auch wenn der augenscheinlich noch relativ neue USB-Stecker vom Typ C den Eindruck erweckt, dass er an einen bestimmten Standard gebunden ist, so hat diese Empfindung mit der Realität leider wenig gemein. Der Typ-C-Stecker ist eben nur ein Stecker und kein Übertragungsstandard. Daher kann er auch unterschiedlichst eingesetzt werden. So haben beispielsweise einige aktuelle Smartphones diesen Stecker bereits verbaut, übertragen die Daten jedoch nur mit USB-2.0-Geschwindigkeit. Dass USB Typ C-Stecker ihre Daten nach dem USB-3.1-Standard übertragen, ist daher leider ein Trugschluss.

USB-Typ-C-Stecker sind dabei nicht auf die Übertragung von Daten via USB beschränkt. Bei Kabeln mit USB-Typ-C-Steckern können durch den Alternate Mode Daten via abweichender Standards übertragen werden. Möglich machen dies zusätzliche Chips, die die Gerätehersteller mit auf den Endgeräten platzieren können, um weitere Funktionen zur Verfügung zu stellen.

Die nachfolgende Tabelle zeigt mögliche Videoübertragungsvariationen via USB-Typ-C-Stecker:

Der Alternate Mode mit USB-Typ-C-Steckern steht ab USB 2.0 zur Verfügung.

Durch den hohen Datendurchsatz von USB 3.1 Gen 2 in Kombination mit dem USB-Typ-C-Stecker und etwaigen USB-PD-Funktionalitäten ergeben sich eine Vielzahl von Variationsmöglichkeiten und Funktionsweisen. Diese haben das Potential, künftig eine Reihe von Kabeln und Schnittstellen zu ersetzen.

Aufgrund des großen Umfangs der Thematik und der in Teilen vorhanden Komplexität kann dieser Beitrag alle Themenbereiche nur oberflächlich betrachten. Sollten euch Teilbereiche noch unklar oder wichtige Aspekte eurer Meinung nach unberücksichtigt geblieben sein, so schreibt dies doch einfach in die Kommentare.

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