USB-C
Der USB-C-Stecker und die dazugehörigen Kabel sollen den Wildwuchs bei den USB-Steckern und -Kabeln beseitigen. USB kennt nicht nur die bekannten A- und B-Stecker, sondern auch die vielen Mini- und Micro-Stecker, sowie jeweils unterschiedliche Varianten für USB 2.0 und 3.0. Die Idee ist es, dass USB-C auch DVI (PC), DisplayPort (PC), HDMI (TV) und die Audio-Klinken-Stecker für Kopfhörer, sowie die Rundstecker für die Stromversorgung ersetzen soll.
Die USB-C-Steckverbindung ist auch für höhere Spannungen als 5 V und höhere Ströme als 5 A ausgelegt. Mit speziellen Kabeln für USB Power Delivery (USB-PD) ist eine Gesamtleistung von bis zu 240 W möglich.
USB-C-Stecker
Damit sich der USB-C-Stecker auch für mobile Geräte eignet hat er eine Abmessung von 8,25 x 2,4 mm. Die Buchse ist 8,34 x 2,56 mm groß. Das entspricht ungefähr einem USB-2.0-Micro-Anschluss, der bei Smartphones verwendet wird.
Eine kurze Übersicht mit den wichtigsten Merkmalen des USB-C-Steckers:
- Der USB-C-Stecker ist so konstruiert, dass es egal ist, wie herum er in die Buchse gesteckt wird. Man kann den C-Stecker nicht mehr falsch herum stecken.
- Der USB-C-Stecker wird auf beiden Seiten eines Kabels verwendet. So kennt man es auch von anderen Steckverbindungen, wie HDMI, DisplayPort und RJ45.
- Der USB-C-Stecker ist mit allen anderen USB-Steckverbindungen nicht kompatibel. Allerdings gibt es Adapter, die zu USB 2.0 abwärtskompatibel sind.
- Der USB-C-Stecker hat in etwa die Größe eines Micro-USB-Steckers (USB 2.0) und ist somit auch für mobile Geräte geeignet.
- Der USB-C-Stecker ist für eine Leistung ausgelegt. Die Kabel eignen sich mit Power Delivery (USB-PD) für das Laden von Notebooks.
Steckverbindung und Pin-Belegung
Die USB-C-Steckverbindung ist symmetrisch um den Mittelpunkt der insgesamt 24 Pins belegt, wobei die mittleren 8 nicht symmetrisch belegt sind. Hier existiert ein sogenannter Control Channel (CC), der logisch prüft, wie herum das Kabel gesteckt ist. Demnach beschaltet der USB-Host-Controller die Buchse.
Die stromführenden Leistungen befinden sich auf A4/B4 und A9/B9 und die Masse auf A1/B1 und A12/B12. Durch die Mehrfachkontakte erreicht man eine Erhöhung des Leiterquerschnitts, der für hohe Ströme notwendig ist.
Einige der 24 Kontakte lassen sich flexibel für sogenannte Alternate Modes belegen. Das sind andere Schnittstellen als USB.
Buchse
| A1 | A2 | A3 | A4 | A5 | A6 | A7 | A8 | A9 | A10 | A11 | A12 |
| GND | TX1+ | TX1- | V BUS | CC1 | D+ | D- | SBU1 | V BUS | RX2- | RX2+ | GND |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| GND | RX1+ | RX1- | V BUS | SBU2 | D- | D+ | CC2 | V BUS | TX2- | TX2+ | GND |
| B12 | B11 | B10 | B9 | B8 | B7 | B6 | B5 | B4 | B3 | B2 | B1 |
Stecker
| A12 | A11 | A10 | A9 | A8 | A7 | A6 | A5 | A4 | A3 | A2 | A1 |
| GND | RX2+ | RX2- | V BUS | SBU1 | D- | D+ | CC | V BUS | TX1- | TX1+ | GND |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| GND | TX2+ | TX2- | V BUS | V CONN | SBU2 | V BUS | RX1- | RX1+ | GND | ||
| B1 | B2 | B3 | B4 | B5 | B6 | B7 | B8 | B9 | B10 | B11 | B12 |
Hinweis: Obwohl die Geräte prüfen müssen, wie herum das Kabel gesteckt ist, ergibt sich manchmal das Fehlerbild, dass es Geräte und Kabel gibt, bei denen es nicht egal ist, wie herum der Stecker gesteckt ist. Wenn was nicht geht, dann sollte man einfach mal die Steckverbindung drehen. Bei USB-C-Verlängerungen muss man mehrere Steckverbindungen ausprobieren.
Alternate Modes
Die Verwendung des USB-C-Steckers soll nicht nur auf USB beschränkt bleiben. Der USB-C-Stecker soll künftig weiteren Schnittstellen als Steckverbindung dienen. Der C-Stecker besitzt 2 differenzielle Leitungspaare, die normalerweise für USB 3.1 und 3.2 verwendet werden. Man kann diese Leitungen aber auch für Alternate Modes verwenden.
Alternate Modes erlauben es, einige der 24 Pins und Leitungen des C-Steckers für andere Schnittstellen zu verwenden. Zum Beispiel DisplayPort und HDMI. Im Host-Gerät sind dazu spezielle Multiplex-Chips nötig, die je nach angeschlossenem Gerät das passende Signal auf die Leitung schalten. Wie die freien Leitungspaare verwendet werden, wird von der Alternate-Spezifikation definiert. Wenn die freien Adern komplett von einem Alt-Modus belegt werden, dann bleiben nur noch die Leitungen und Pins für USB 2.0 frei.
Das Standardisierungsgremium VESA verwendet den USB-C-Stecker für die Übertragung von DisplayPort-Signalen. Denkbar ist auch ein Parallelbetrieb von USB und DisplayPort bzw. PCIe. Das Weiterleitung des DisplayPorts ist aber nur in Kombination mit integrierter Grafik sinnvoll. Damit zieht USB mit Thunderbolt funktional gleich.
Denkbar ist auch, dass die freien Adern über Adapter für analoge Audiokanäle verwendet werden.
Bekannte Alternate Modes:
EMCA - Electronically Marked Cable Assembly
Damit die Fähigkeiten von USB-C ausgenutzt werden können, verfügen manche USB-C-Kabel über Stecker mit integrierter Elektronik. Diese so genannten E-Mark-Kabel können unabhängig von den Endgeräten den Endstellen mitteilen, wenn sie über bestimmte Funktionen verfügen. Beispielsweise, wenn das Kabel für eine bestimmte Übertragungsrate tauglich ist. Oder zum Beispiel einen bestimmten Alternate-Mode beherrscht.
Ein Pullup-Widerstand von 56 kOhm im USB-C-Stecker ist die Grundvoraussetzung für ein standardkonformes USB-C-Kabel. Der Pullup-Widerstand verbindet den CC1-Pin (Control Channel 1) des USB-C-Steckers mit der Versorgungsspannung Vbus. Über ihn erkennt die Schnittstelle die Orientierung des eingesteckten USB-C-Steckers, da die CC-Pins bei USB-A- oder USB-B-Verbindungen fehlen. Die Größe des Widerstands signalisiert, dass der maximale Strom von der am USB-A-Stecker angeschlossenen Quelle festgelegt wird. Das kann ein Ladegerät, aber auch ein PC sein.
Probleme mit dem USB-C-Stecker
Die Flexibilität von USB-C stellt in gewisser Weise ein Problem dar: Man sieht es vielen USB-C-Steckern, Kabeln und Buchsen nicht an, welche USB-Version und welche Leistungsmerkmale sie beherrschen. Außerdem gibt es oft keine Kennzeichnung darüber, dass Alternate Modes mit DisplayPort oder Thunderbolt 3 unterstützt werden.
Viele billige Geräte und Kabel mit USB-C suggerieren mehr Funktionen als tatsächlich nutzbar sind. Nicht jedes Gerät oder jedes Kabel bietet den selben Funktionsumfang. Der hängt vom Gerät ab, und was das verwendete Kabel passiv und aktiv leisten kann.
Ein USB-Kabel mit USB-C-Stecker sagt nichts darüber aus, was das Kabel kann und wie schnell man darüber Daten übertragen kann. Wenn ein USB-C-Kabel keine Kennzeichnungen hat, dann kann es unter Umständen nur USB 2.0.
Die Probleme mit dem USB-C-Stecker erinnern an die Anfangszeit von USB, als manche Hardware-Kombination sich merkwürdig verhielt oder gar nicht funktionieren wollte. Typische Handlungsempfehlungen sind, nicht alle Geräte auf einmal einzustecken, sondern immer ein Gerät nach dem anderen. Wobei man mit Hubs und Dockingstations anfängt und dann kontinuierlich jedes weitere Gerät einzeln und mit ein paar Sekunden Abstand. Manchmal ist man gezwungen, das System neu zu starten, damit alles zusammen funktioniert.
Kabellänge, Schirmung, Kupferqualität und Adern-Querschnitt
In Bezug auf das Laden von Geräten und schnellen Datentransfers sind die maximale Kabellänge, die Schirmung, Kupferqualität und der Adern-Querschnitt die entscheidenden Kriterien. Für USB-3.0-Kabel hat man die Grenzen der Physik fast ausgereizt.
Lange Kabel schaffen Probleme. Sie sollten nicht länger als ein Meter sein. Steife Kabel sind besser, weil hier der Adern-Querschnitt höher ist.
Die Schirmung ist bei entsprechenden Kabeln bereits nahezu perfekt. Und der Adern-Querschnitt lässt sich kaum erhöhen, weil die Pins im Typ-C-Stecker klein sind. Aus diesem Grund gibt es mehrfach belegte Pins für die Stromversorgung.
Eine reinere Kupfersorte mit geringerem Widerstand geht nicht mehr, weil in qualitativ hochwertigen Kabeln nahezu reines oder bereits 100% Kupfer verwendet wird.
Gibt es Probleme aufgrund der Länge des Kabels, fällt die USB-Verbindung auf USB-2.0-Geschwindigkeit zurück.
USB-PD: Stromversorgung über das USB-C-Kabel
Ein USB-C-Kabel kann für höhere Spannungen als 5 V und höhere Ströme als 5 A ausgelegt sein. Mit speziellen Kabeln und USB Power Delivery (USB-PD) ist eine Gesamtleistung von bis zu 240 W zulässig.
Durch USB Power Delivery kann ein Gerät nicht nur Leistung annehmen, sondern auch abgeben (Dual Role Port, DRP).
Wenn ein USB-C-Kabel gesteckt wird, dann handeln die beteiligten Geräte untereinander die Stromversorgung und ihre Rollen aus. Danach erst wird die Geschwindigkeit der Datenverbindung ausgehandelt.
Aber Vorsicht, manche USB-C-Kabel, die mit PD ausgezeichnet sind, sind nur Ladekabel für Notebooks und Smartphones. Die Datenrate ist unter Umständen auf USB 2.0 beschränkt.
USB-C-Audio
Der USB-C-Stecker soll unter anderem die Klinken-Steckverbindung ablösen. Hier gibt es zwei mögliche Varianten.
- Das analoge Audio-Signal wird als alternativer Betriebsmodus auf den freien Pins übertragen.
- Es erfolgt der Umstieg auf die digitale Signalübertragung. Dabei kann der Hersteller analoge Bausteine aus dem Gerät entfernen. Das hat Vorteile, weil diese in kleinen Geräten viel Platz und Energie brauchen.
Es ist möglich, über USB-C gleichzeitig digitale Audiosignale auszugeben und Strom einzuspeisen. Das ist für Smartphones wichtig, die nur eine USB-C-Buchse haben und keine 3,5-mm-Klinkenbuchse mehr.
USB-Bridging
USB-Bridging ist eine Spezifikation für Hubs. Sie bildet die Grundlage dafür, dass USB-C-Hubs nicht nur die Datenleitungen miteinander verbinden, sondern dass die Kommunikation über die CC-Pins über einen Hub hinweg findet.
Beispiel: Ein Netzteil ist typischerweise direkt am zu ladenden Gerät angeschlossen. Denkbar wäre aber, dass das Netzteil an einer Dockingstation oder an einem Hub angeschlossen ist und von dort aus das Notebook lädt. Dazu muss die Kommunikation zwischen Notebook und Netzteil über den Hub laufen. Und genau darum geht es beim USB-Bridging.
Ein Problem kann der Wechsel zwischen Energiequelle und -senke sein. Wenn zum Beispiel ein Notebook (mit Akku) an einer Docking-Station mit Netzteil hängt. Das heißt, das Netzteil versorgt die Docking-Station mit Strom und darüber wird gleichzeitig das Notebook geladen. Was aber passiert, wenn in diesem Szenario das Netzteil entfernt wird. Dann soll die Docking-Station nicht außer Betrieb gehen, sondern vom Notebook mit Strom versorgt werden. Das heißt, der Strom muss in die andere Richtung fließen. Und das natürlich unterbrechungsfrei.
Damit das gelingt, müssen Notebook und Netzteil über die Docking-Station (oder einem USB-Hub) miteinander kommunizieren. Der Hub oder das Dock dienen in dem Fall als Datenbrücke (USB-Bridging). Auf diese Weise können Geräte ihren Strombedarf melden und sich bedarfsweise authentifizieren.
Übersicht: USB - Universal Serial Bus
- USB - Universal Serial Bus
- USB 2.0 - HighSpeed-USB
- USB 3.0/3.1/3.2 - SuperSpeed-USB
- USB4
- USB-Stecker und Steckerbelegung
- Stromversorgung mit USB
- USB-PD - USB Power Delivery
- USB-C-Auth - USB-Authentication
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