Datenaustausch mit Kabel und USB-Stick

Der jahrzehntelange Marsch zum USB Typ C

| Autor / Redakteur: David Haboud * / Rainer Graefen

Weiterentwicklung der Datenübertragung: Von der Lochkarte über Diskette, DVD und USB hin zur Cloud
Weiterentwicklung der Datenübertragung: Von der Lochkarte über Diskette, DVD und USB hin zur Cloud (Bild: Altium)

Vom Universal Serial Bus, eingeführt 1996, gibt es verschiedenste Varianten. Ein Überblick über die wichtigen Stationen dieses zentralen PC-Standards aus Sicht der Stromversorgung.

Datenübertragung ist oft erforderlich, um Datenauswertungen an ein leistungsstärkeres System auszulagern. Häufig erfolgt die Übertragung per Funk. Mobiltelefone sind ein Beispiel für den Trend zu geräteübergreifendem Datenaustausch. Das Mobiltelefon fungiert als zentrale Datenverarbeitungsinstanz für angeschlossenes Zubehör wie Smartwatches, Kopfhörer und Beleuchtungssysteme. Allerdings wird durch die Funkverbindungen und die Steuerung der Peripheriegeräte der Akku des Telefons sehr gefordert. Kabelgebundene Schnittstellen erfüllen alle Anforderungen und benötigen weniger Strom als ihre Funkschnittstellen. Die Untersuchung traditioneller Methoden schuf die Grundlage für Fortschritte in der Datenübertragungstechnologie: USB Typ C.

Von den Anfängen des Universal Serial Bus (USB)

Bis Ende der 1990er-Jahre lief die Datenübertragung nahezu ausschließlich über kabelgebundene Verbindungen. Verschiedene Kabelnormen passen zu unterschiedlichen Anwendungsbereichen, aber im Kern bleiben die Einsatzgebiete dieselben: Datenübertragung, Bildschirme und Stromversorgung. Der Universal Serial Bus (USB) bietet seit zwanzig Jahren eine günstige, vielseitige und offene Verteilungslösung. Die bekanntesten Datenübertragungskabel weltweit sind USB Typ A und B.

Da USB Typ A und B günstig und leicht zugänglich sind, konnte sich der Standard in der gesamten Branche leicht durchsetzen. Die Standards sind so erfolgreich, dass sogar ein Großteil der eigens entwickelten Kabel mindestens an einem Ende USB-Typ-A-Buchsen hat. Die USB-Entwicklung hat seit ihrer Erfindung Mitte der 1990er-Jahre verschiedene Typen hervorgebracht. Die USB-Versionen legen Spezifikationen für Übertragungsrate und Funktionalität fest.

Die unterschiedlichen USB-Typen berücksichtigen dagegen die Unterschiede in Form und Konstruktion (z. B. der Verkabelung). Um die Funktion und Struktur der Kabel und die Entwicklung des USB-Typ-C-Kabels zu verstehen, müssen Sie zuerst die Unterschiede bei den Versionen und Typen kennen. Je mehr Sie über die Standards wissen, desto besser können Sie beim Design die Entscheidungen treffen, die den zu integrierenden Funktionen zugute kommen.

USB Typ A, die Standardverbindung

Der USB-Typ-A-Stecker ist die Standardverbindung für Host-Geräte. USB-Typ-A-Buchsen finden sich an den meisten Geräten, die sich mit Peripheriegeräten verbinden und als Host für sie fungieren können. Die Konstruktion ist all die Jahre lang dieselbe geblieben, sodass eine Kommunikation zwischen beliebigen Typ-A-Ports unabhängig von der USB-Version möglich ist. Typ-A-Host- und -Peripheriegeräte benötigen nicht dieselbe USB-Version, um zusammen zu funktionieren. Die Kompatibilität des Ports über die verschiedenen Versionen trägt zu ihrer Stabilität und Langlebigkeit bei.

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USB Typ B, Anschlussvielfalt für Peripheriegeräte

USB Typ B ist der gängige Anschluss für Peripheriegeräte. Typ-B-Stecker werden in der Regel für Kabel genutzt, während die Buchsen in den Peripheriegeräten verbaut werden. Es gab einige Varianten von USB-Typ-B-Anschlüssen, da die Peripheriegeräte mit den Jahren immer kleiner wurden. Mini-B-USB-Anschlüsse werden durch die Verbreitung von Mikro-B langsam aber sicher obsolet. Mikro-B-USB ist quasi der Standardanschluss für moderne mobile Technologie wie Smartphones, Kameras und Tablets.

Anders als die Varianten von Typ A unterschieden sich die USB-Typ-B-Varianten stark in Form und Erscheinungsbild. Die üblichsten USB-Typ-B-Anschlüsse sind Standard-B, Mini-B und Mikro-B. Die Standard- und Mikro-Anschlüsse bekamen ein Design-Update, damit sie auch zur Version 3.0 kompatibel sind.

Es gibt mehrere patentierte USB-Kabel, die als Weiterentwicklung von USB-Typ-B-Anschlüssen entwickelt wurden. Allerdings verwenden diese Kabel immer noch USB-Typ-A-Anschlüsse in Verbindung mit proprietären Steckverbindern. Diese Anschlüsse finden sich an vielen Abspielgeräten. Das Problem bei diesen Kabeln ist ihr beschränktes Anwendungsgebiet.

USB – mit jeder Version höhere Übertragungsraten

Der USB-Standard ist mit der Zeit über mehrere Versionen weiterentwickelt worden. Jede Version brachte höhere Übertragungsraten. Die erste USB-Version für Verbraucher (1.1) lieferte maximal 2,5 V, 500 mA und übertrug Daten mit 12 MBit/s. USB 2.0 liefert bei nach wie vor 2,5 V ganze 1,8 Ampere. Die maximale Datenrate beträgt 480 MBit/s im High-Speed-Modus bzw. 12 MBit/s im Full-Speed-Modus. USB-3.0-Anschlüsse steigerten die maximale Spannung auf 5 Volt und stellten gleichzeitig eine geeignete Stromversorgung für USB-2.0-Geräte bereit. Die maximale Übertragungsrate bei Version 3.0 beträgt 5 GBit/s. USB-3.0-Buchsen und -Stecker sind durch blaue Farbgebung gekennzeichnet. Auf die neueste USB-Version 3.1, kommen wir später noch zurück.

USB TYP C, für Datenübertragung und Display

USB Typ A, B und andere proprietäre Kabel haben unsere Anforderungen an die Datenübertragung jahrzehntelang erfüllt. Andere Bedürfnisse wie Bildschirmausgänge und Stromversorgungen fielen dabei allerdings unter den Tisch. USB-Typ-C-Anschlüsse verbinden die Vorteile von Datenübertragung, Bildschirmausgängen und Stromversorgung mit der Fähigkeit, wirklich alle USB-Versionsspezifikationen voll nutzen zu können.

Die aktuelle Version, USB 3.1, wurde im Juli 2013 veröffentlicht und bietet eine Übertragungsrate bis zu 10 GBit/s. Zusätzlich können die Anschlüsse passiv 15 Watt bzw. 5 Ampere bei 20 Volt erzeugen, um nach der neuesten USB-Power-Delivery-Spezifikation mehr Technologien zu unterstützen. Es gibt drei USB-Power-Delivery-Spezifikationen für unterschiedliche Anwendungen. Die erste Spezifikation ermöglicht Geräten die Aufnahme von bis zu 2 Ampere bei 5 V. Die beiden anderen USB-Power-Delivery-Spezifikationen erlauben Geräten, bis zu 5 Ampere bei jeweils 12 V bzw. 20 V zu ziehen.

Der Anschluss USB Typ C ähnelt in der Größe den Mikro-B-Buchsen der Version 2.0, sodass bei Designs mit kleinen Abmessungen nur minimaler Platzbedarf besteht, aber trotzdem große Geräte mit Strom versorgt werden können. Der Anschluss Typ C ist auf die Verbindung von Host- und Peripheriegeräten ausgelegt, sodass kein Bedarf für die Typ-A-Schnittstelle mehr besteht. Allerdings werden Typ-A-Anschlüsse und -Umsetzer verwendet, um Abwärtskompatibilität zu gewährleisten. Zukünftige Typ-C-Kabel werden über Typ-C-Anschlüsse an beiden Enden verfügen und so ein omnidirektionales Design ermöglichen.

Die Pinbelegung der Steckverbinder gewährleistet deren Reversibilität, damit Anwender die Kabel nicht falsch herum einstecken können. In Zukunft werden diese Kabel eine Möglichkeit zur Stromversorgung für Laptops und andere größere Geräte bieten.

Mit USB Typ C können Geräte Daten übertragen und gleichzeitig über dieselbe Buchse mit Strom versorgt werden. Diese Möglichkeit bietet sich für externe Festplatten, Bildschirme und Systeme an, die im Rahmen der Power-Delivery-Spezifikationen betrieben werden können. USB Typ C bietet außerdem bidirektionale Stromversorgung, sodass nicht nur der Host ein Peripheriegerät laden kann, sondern gegebenenfalls auch umgekehrt.

Die 24 Pins des Steckverbinders USB Typ C sind rotationssymmetrisch angeordnet, sodass er in beiden Lagen einzustecken ist. Die 24 Pins lassen sich in fünf Kategorien einteilen: Strom- und Massepaare, Datenpfade, differenzielle USB-2.0-Paare, Seitenband-Pins für den Alternate Mode und Steckerkonfigurations-Pins. Es gibt zwei Paare mit Masse-Pins und zwei Paare mit Stromversorgungs-Pins, die Vbus genannt werden.

Die Datenpfade bestehen aus vier differenziellen Leiterpaaren, die für die High-Speed-Datenübertragung gemäß den Spezifikationen für USB 3.1 genutzt werden können. Außerdem gibt es zwei differenzielle Paare für die USB-2.0-Funktionalität, die jeweils ein Paar nutzen und die Seitenband-Pins für den Alternativmodus ansteuern. Zu guter Letzt ermöglichen die Steckerkonfigurations- oder CC-Pins dem Host die Erkennung der Kabelausrichtung, um die USB-Power-Delivery-Spezifikation ordnungsgemäß umzusetzen.

Im Alternate Mode können Drittanbieter die Konfiguration vieler Pins individuell bestimmen. Über diesen Link finden Sie detaillierte Informationen zu den USB-Power-Delivery-Spezifikationen vom USB Implementers Forum.

USB Typ C, der Favorit für die Zukunft

Mit dem Aufkommen der USB-Typ-C-Steckverbinder werden auch doppelte USB-Typ-C-Steckverbinder häufiger anzutreffen sein. Da USB Typ C abwärtskompatibel ist, kann auch ein reiner USB-Typ-C-Steckverbinder mit jeder USB-Version ab 2.0 verwendet werden, wenn ein Adapter für Typ-C-Produkte zum Einsatz kommt. Das Design von USB Typ C soll zukunftssicher sein, da weitere USB-Versionen auf der Struktur des Typ-C-Anschlusses aufbauen werden.

Dank seiner Vielseitigkeit wird USB Typ C zum beliebtesten Standard werden, denn unsere Designs und die Kommunikationsweise unserer Geräte werden vereinfacht. Durch die Integration von Datenübertragung und Stromversorgung in einem einzigen Anschluss bleibt mehr Platz für andere Bauteile und Design-Aspekte.

Obwohl USB-Typ-C-Anschlüsse die USB-Stromversorgungsspezifikationen nutzen können, gilt auch hier der Ausspruch von Onkel Ben: „Aus großer Kraft folgt große Verantwortung.“

Die vielen Kabel, die produziert werden, um vom neuen Markt für USB-Typ-C-Anschlüsse zu profitieren, erfüllen nicht alle Anforderungen für die Stromversorgung. Es braucht Produkte für die allgemeine Nutzung, nicht für einen spezifischen Anwendungsfall. Es gibt Produkte mit USB-Typ-C-Buchsen und Kabeln, die für ihren Anwendungsbereich perfekt funktionieren, aber andere Geräte beschädigen würden.

Die Entwicklungsarbeit wird nicht leichter, wenn Sie nicht nur die Bedürfnisse Ihres Produkts, sondern auch die Anforderungen derjenigen Produkte berücksichtigen müssen, mit denen Ihr Gerät interagiert. Die Entwicklung von Produkten für Nachhaltigkeit und Konnektivität ist eine schwierige Aufgabe, die Sie nicht auf die leichte Schulter nehmen sollten. Bevor Sie Ihre Designs angehen, sollten Sie die USB-Spezifikation genau studieren

USB TYP C, HOST und Peripheriegerät

Der Übergang von den herkömmlichen Steckverbindern wird etwas dauern, aber das Potenzial von USB Typ C liegt auf der Hand: Leiterplattenfläche, die zuvor von mehreren Anschlüssen belegt wurde, wird frei und das bisherige Gewirr an Spezialkabeln wird zu einem Mehrzweckkabel konsolidiert. Der offene Standard erlaubt der gesamten Branche, Stromversorgung und Datenübertragung über einen einzigen Anschluss- und Kabeltyp zu bewerkstelligen.

Außerdem können alle Branchen dank gesteigerter Funktionalität und Konfigurierbarkeit dasselbe Verbindungssystem nutzen, was die Kompatibilität zwischen den Technologien verbessert. Die Geräte werden nicht auf ihre Funktion als Host beschränkt und können gleichzeitig als Host- und Peripheriegerät fungieren, was die Kommunikation zwischen den Geräten vereinfacht und eine bidirektionale Kommunikation gestattet. Produkte können dafür ausgelegt werden, zwischen Host- und Peripheriegerät zu wechseln, um ein vielseitiges Ökosystem verbundener Systeme zu schaffen.

* * David Haboud ist Technical Marketing Engineer, Altium. Diesen Beitrag haben wir von unserem Partnerportal Elektronik Praxis übernommen.

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