Eine umfassende Übersicht über USB-Anschlüsse und -Kabel

USB ist ein serieller Bus-Standard zum Verbinden von Computern und Geräten, der weit verbreitet in Informations- und Kommunikationsprodukten wie Personal Computern, mobilen Geräten und vielem mehr eingesetzt wird.

Diese Schnittstelle hat eine lange Geschichte mit einer ständigen Weiterentwicklung der Standards und bleibt dennoch ein gängiger Bestandteil der technologischen Kommunikationsstandards. Dieser Artikel gibt Ihnen eine kurze Einführung in die Entwicklung der USB-Schnittstelle, den USB-Horizont und die USB-Typ-C-Produktlinie, die von Same Sky eingeführt wurde.

USB ist heute die wichtigste Signalübertragungstechnologie geworden

USB ist die Abkürzung für Universal Serial Bus. Der sogenannte "Bus" ist eine Schaltungsanordnung oder ein Kommunikationssystem, das zur Übertragung von Daten zwischen Komponenten im System verwendet wird. In diesem Fall überträgt der "serielle" Bus Daten bitweise, also ein Bit nach dem anderen, über eine einzelne Leitung. USB-Anschlüsse können jedoch nicht nur Daten zwischen Komponenten übertragen. Sie können auch elektrische Energie übertragen und viele verschiedene Hardwaregeräte unterstützen, von Druckern und Tastaturen bis hin zu Mobiltelefonen und USB-Sticks.

Vor der Entwicklung des USB-Protokolls nutzten Computer sowohl serielle als auch parallele Anschlüsse, um die Datenübertragung abzuschließen. Jedes Gerät verwendete verschiedene proprietäre Stecker, Anschlüsse, Kabel, Erweiterungskarten und erforderliche Treiber. Die Datenübertragungsrate war sehr langsam; die Geschwindigkeit des parallelen Ports lag bei etwa 100 kB pro Sekunde, während die Geschwindigkeit des seriellen Ports zwischen 115 und 450 kb pro Sekunde lag.

Die USB-1.0-Spezifikation erschien erstmals Anfang 1996. Nach umfangreicher Arbeit eines Konsortiums von Unternehmen übertrug sie anfänglich Daten mit einer niedrigen Geschwindigkeit von 1,5 Mbit pro Sekunde und bei voller Geschwindigkeit mit 12 Mbit pro Sekunde. Mit der Einführung von USB 2.0 im Jahr 2000 mit einer Geschwindigkeit von 480 Mbit pro Sekunde und USB 3.0 im Jahr 2008 mit einer Geschwindigkeit von 4,8 Gbit pro Sekunde wurde die Übertragungsgeschwindigkeit weiter verbessert. Danach hat USB 3.2 die Standards 3.1 und 3.0 übernommen und erreicht Geschwindigkeiten von bis zu 20 Gbit pro Sekunde, was derzeit der am weitesten verbreitete Standard ist. Die neueste Version ist USB4, die 2019 veröffentlicht wurde, mit einer Übertragungsgeschwindigkeit von bis zu 40 Gbit pro Sekunde, und sie wird schrittweise in verschiedene Geräte integriert.

Seit vielen Jahren werden USB-Standards von der Organisation USB Implementers Forum (USB-IF) geleitet und zertifiziert, und das Forum umfasst mehr als 700 Mitgliedsunternehmen. Im Laufe der Jahre hat die Arbeit von USB-IF zur Veröffentlichung einer Reihe von Standards geführt, und die Übertragungsgeschwindigkeit der Spezifikationen wird immer schneller. Die Geschwindigkeit und Videowiedergabeauflösung werden durch eine kleine und kostengünstige USB-Schnittstelle verbessert, wodurch der USB-Anschluss heute zur vorherrschenden Signalübertragungstechnologie in der Welt geworden ist.

Vielfältige USB-Formfaktoren, um unterschiedliche Anforderungen zu erfüllen

Es gibt viele Arten oder physikalische Spezifikationen von USB-Steckverbindern, die in verschiedenen Anwendungen verwendet werden können, darunter:

Verschiedene Arten von USB-Steckverbindern können nur mit ihren zugehörigen männlichen oder weiblichen Gegenstücken verbunden werden, ohne dass eine Kreuzkompatibilität besteht. Obwohl die Stecker selbst standardisiert sind, können ihre Gehäuse je nach Anwendung erheblich verändert werden. Dies führte zur Entwicklung von IP-geschützten (Ingress Protection) USB-Steckverbindern, die einen robusten Schutz gegen das Eindringen von Feststoffen oder Flüssigkeiten in Geräte bieten, die in rauen Umgebungen eingesetzt werden.

Die meisten USB-Kabelbaugruppen haben an einem Ende einen Steckertyp und am anderen Ende unterschiedliche Steckertypen. Type A zu Type B oder Type C sind sehr verbreitet. Da Type C speziell dafür entwickelt wurde, austauschbar zu sein, ist Type C an beiden Kabelenden häufiger anzutreffen, und seine Nutzung nimmt mit der breiteren Einführung von Type-C-Anschlüssen allmählich zu. Der USB 3.0 Micro-B-Stecker hat eine breitere Verbindung, um eine höhere Datenübertragungsrate zu ermöglichen, kann jedoch nicht mit einer USB 2.0 Micro-B-Buchse verwendet werden. Geräte mit USB 3.0 Micro-B-Anschlüssen können jedoch mit älteren USB 2.0 Micro-B-Steckern verbunden werden.

Beim Einbau von USB-Steckverbindern in ein Design ist es ebenfalls wichtig zu beachten, dass einige Regionen Vorschriften einführen, die vorschreiben, dass neue elektronische Geräte USB-Typ-C-Steckverbinder für Ladekabel verwenden müssen. Zum Beispiel hat die Europäische Union angekündigt, dass Ladegeräte für mobile Geräte ab 2024 auf USB Typ C basieren müssen, wobei Laptops ab 2026 folgen sollen. Das bedeutet, dass alle mobilen Geräte, die in der EU verkauft werden, denselben Ladetyp verwenden, was sowohl der Umwelt als auch frustrierten Verbrauchern zugutekommt.

Stetige Weiterentwicklung schnellerer USB-Kommunikationsstandards

Der USB-Kommunikationsstandard definiert die Datenübertragungsgeschwindigkeit, Handshake-Protokolle und Stromversorgungsspezifikationen zwischen den verwendeten Geräten. Im Laufe der Jahre wurde der Standard erheblich verbessert. Die Datenübertragungsgeschwindigkeit reicht von USB 1.0 mit einer Geschwindigkeit von 1,5 Mbit pro Sekunde über USB 3.2 mit einer Geschwindigkeit von 20 Gbps bis hin zu USB4 mit einer Geschwindigkeit von 40 Gbps. Jede nachfolgende Version führt eine neue Generation von Verbindungshardware ein.

Der USB-Kommunikationsstandard ist verwirrend aufgrund häufiger rückwirkender Namensänderungen. Derzeit ist USB 3.2 der am weitesten verbreitete USB-Standard, der mit Typ-A- und Typ-C-Steckern kompatibel ist, obwohl die Datenübertragungsraten von 5 Gbps bis 20 Gbps reichen können. Allerdings werden, wie in vielen Installationen, oft verschiedene Versionen im selben System verwendet. Wenn Geräte mit der neueren USB-Version und der älteren Version miteinander kommunizieren, wird standardmäßig auf die ältere Version und Geschwindigkeit zurückgegriffen. Dies ist eine Funktion der Software, aber die Kompatibilität mit Standards hängt auch mit der Hardware zusammen.

Alle Typ-C-Stecker sind mit USB 3.2 kompatibel, aber einige Typ-C-Stecker entsprechen immer noch älteren Standards. Typ A und Typ B hängen vom Kabel ab, und unterschiedliche Steckerfarben weisen normalerweise auf verschiedene Versionen hin, um eine schnelle Orientierung zu ermöglichen. Verwirrung entsteht oft, wenn man die Beziehung zwischen den physischen Steckerstandards und den Kommunikationsstandards betrachtet.

Gemäß dem ursprünglichen Standard erfordert eine USB-Verbindung einen Host. Typ-A-Steckverbinder werden normalerweise als Host-Geräte dargestellt, während Typ-B-Steckverbinder in der Regel mit Peripheriegeräten verbunden sind. Diese Anforderung besteht nicht bei der Verwendung von USB OTG (On-The-Go). USB OTG ist eine Spezifikation, die es USB-Geräten (wie z. B. Smartphones) ermöglicht, als Hosts zu fungieren und sich mit anderen USB-Geräten zu verbinden. Grundsätzlich erlaubt es USB-Geräten, Daten von anderen Geräten ohne einen Computer zu lesen.

Die Entwicklung der USB-Stromversorgungs-Spezifikationen

Der USB-Standard war ursprünglich ein Datenprotokoll, das die Verbindung zwischen Geräten vereinfachen und begrenzte Energie liefern sollte. Heutzutage hat er sich von einem Datenprotokoll mit begrenzter Stromversorgung zu einem wichtigen Energieleiter inklusive Dateninterface entwickelt, und viele Geräte können nun über eine USB-Verbindung aufgeladen werden oder Energie beziehen.

Viele Hersteller unternahmen gezielte Anstrengungen, um die Energieübertragung zu standardisieren, und fügten ein Funktionsset in Form des USB Power Delivery (USB PD) Standards hinzu. Bei der Verwendung von Typ C kann USB PD eine variable Spannung von bis zu 20 V und einen maximalen Strom von bis zu 5 A bereitstellen, mit einer maximalen Übertragungsleistung von bis zu 100 W. Der 2021 veröffentlichte USB PD 3.1 Standard hat die Übertragungskapazität auf 240 W erweitert. Darüber hinaus ist die Stromflussrichtung nicht mehr festgelegt, sodass nicht nur die Energieversorgung vom Host oder den Peripheriegeräten ermöglicht wird, sondern auch das Energiemanagement über mehrere Peripheriegeräte hinweg optimiert werden kann.

USB PD benötigt digitale Geräte, um einen Handshake durchzuführen, um diese höheren Leistungsstufen zu erreichen. Wenn die notwendigen Chips fehlen und kein Handshake durchgeführt werden kann, fällt das System auf den Standard von 5 V/1 A zurück. Dies hat nichts mit der USB-Version und dem Typ zu tun, aber der Typ wird benötigt, um den USB-PD-Standard zu unterstützen. Zum Beispiel kann ein Typ-A-zu-Typ-C-Kabel, das Version 2.0 oder höher unterstützt, die PD-Funktion verwenden.

PD kann auch mit Geräten verwendet werden, die keine Daten übertragen und ausschließlich über USB mit Strom versorgt werden. Es erfordert jedoch separate Kommunikationsleitungen für die Stromverhandlung, sodass Design und Herstellung etwas komplizierter sind als bei vielen nicht-USB-Formaten. Die Tatsache, dass PD einen Ladestandard für eine Vielzahl von Geräten geschaffen hat und Ladegeräte vereinfacht und konsolidiert, kann diese Komplexität ausgleichen und die Unannehmlichkeiten durch Elektroschrott sowie den Bedarf an mehreren Kabeln für unterschiedliche Geräte verringern.

USB-Anwendungen werden ständig auf verschiedene elektronische Geräte ausgeweitet

Durch die Bereitstellung eines kleinen Formfaktors, einfacher Gestaltung und Nutzung, hoher Kommunikationsgeschwindigkeit und verbesserter Stromübertragung können USB-Steckverbinder in einer sehr breiten und wachsenden Palette von Anwendungen eingesetzt werden, wie z. B. Desktop- und Laptop-Computer, Festplatten, Drucker, Scanner, Joysticks und Controller, Videokameras, Mobiltelefone, Smart-TVs, Spielkonsolen und so weiter. Für einige Geräte, die keine Datenübertragung benötigen, können USB-Steckverbinder auch ausschließlich zur Stromversorgung verwendet werden, z. B. für wiederaufladbare Taschenlampen, Ladestationen und viele andere tragbare Verbrauchsgeräte.

Die Robustheit und Geschwindigkeit des neuesten USB-Standards haben auch neue Anwendungsbereiche erschlossen. Er verfügt jetzt über die erforderliche Bandbreite, Zuverlässigkeit und Leistungsabgabefähigkeit und kann in industriellen Anwendungen wie der Datenerfassung und -überwachung, der Maschinenbildverarbeitung und der Prozesssteuerung eingesetzt werden. Grundsätzlich kann jede Anwendung, die 240 W oder weniger Energie benötigt, über die USB-Stromversorgung betrieben werden.

Same Sky hat viele USB-Steckverbindungsarten eingeführt, darunter Typ A, Typ B, Micro AB, Micro B, Mini AB, Mini B und Typ C USB-Steckverbinder, die verschiedene USB-Standards erfüllen, einschließlich 2.0, 3.2 Gen 1 (ehemals USB 3.1 Gen 1), 3.2 Gen 2 (ehemals USB 3.1 Gen 2), 3.2 Gen 2x2 (ehemals USB 3.2) und USB4 40 Gbps. Mit einer Datenübertragungsgeschwindigkeit von bis zu 40 Gbps und einer Stromversorgung von bis zu 240 W können diese USB-Steckverbinder in nahezu jedem Design verwendet werden. Sie können verwandte Produkte direkt über die Website von Arrow Electronics erwerben: Hier kaufen

Fazit

USB ist ein sehr flexibler Standard, der in den Bereichen, die Datenübertragung und Stromversorgung benötigen, nahezu universell eingesetzt wird. USB-Steckverbinder und Kabelbaugruppen vereinen Benutzerfreundlichkeit und intelligente technische Spezifikationen, wodurch Produkt- oder Systemdesigner den Kabelbedarf, die Unordnung und den Platzbedarf reduzieren, die Abwärtskompatibilität gewährleisten und die Gesamtkosten senken können. Ob bei der Entwicklung für die Zukunft oder beim Anschließen traditioneller Produkte – das Verständnis der USB-Funktionen hilft Designern, Produkte zu schaffen, die praktisch von jedem genutzt werden können.