Stromversorgung mit USB

Über die Kabelverbindungen versorgt der USB einfache Geräte, wie Maus, Tastatur, USB-Sticks und Festplatten mit Strom. Abhängig vom USB-Standard reicht die Leistung von 100 mW bis vielleicht 7,5 Watt. Leider ist das in der Regel zu wenig, um alle USB-Geräte mit ausreichend Strom zu versorgen. Deshalb werden viele USB-Ports außerhalb der zulässigen Leistungswerte betrieben.

Um die bei der Stromversorgung auftretenden Probleme zu lösen, wurde mit USB Power Delivery (USB-PD) eine Spezifikation zur Stromversorgung über den USB herausgebracht. So kann zum Beispiel eine USB-C-Steckverbindung weit über 100 Watt Leistung liefern. Zum Beispiel zum Laden eines Notebooks.

Ein Endgerät, z. B. ein Smartphone muss dem Netzteil immer aktiv mitteilen, welche Kombination aus Spannung und Stromstärke gefordert ist. Sonst ist nur USB 2.0 mit 5 Volt und 0,5 Ampere (500 mA) erlaubt. In der Praxis halten sich viele Endgeräte nicht an diese Vorgaben von USB 1.0, USB 2.0, USB 3.0 und USB-BC und missachten die Pflicht einen hohen Strombedarf anzumelden, weshalb es immer wieder Probleme gibt.

Mit USB-Tester / USB-Power-Monitor Spannung und Strom messen

Übersicht: Stromversorgung mit USB

Spezifikation	Spannung	Strom	Leistung
USB 1.0/1.1	5 Volt	0,1 A	0,5 W
USB 2.0	5 Volt	0,5 A	2,5 W
USB 3.0/3.1/3.2	5 Volt	0,9 A	4,5 W
USB-BC 1.2	ca. 5 Volt	min. 1,5 A	min. 7,5 W
USB-Typ-C	5 Volt	3 A	15 W
USB-PD	5 bis 20 Volt	5 A	100 W

USB 1.0/1.1 und 2.0

Die Versionen 1.0/1.1 und 2.0 des USB-Standards unterscheiden sich bzgl. der Stromversorgung nicht. Beide sehen vor, dass ein Gerät nach dem Anschließen zunächst nur 100 mA ziehen darf (Low-Power-Mode). Wenn sich das Gerät als High-Power-Device zu erkennen gibt, kann der Host ihm erlauben, bis zu 500 mA zu ziehen. An einem passiven Hub zum Beispiel, der prinzipiell nur den Low-Power-Mode unterstützen kann, wird der Betrieb eines High-Power-Devices abgelehnt. Das bedeutet aber auch, dass ein Gerät ohne Datenverbindung keinesfalls mehr als 100 mA ziehen darf (laut Standard).

Hinweis: Grundsätzlich gilt zu beachten, dass mit USB 2.0 nicht automatisch 500 mA erlaubt sind, sondern nur wenn das angeschlossene Gerät am Host die Anfrage dazu stellt. In der Praxis ist es allerdings so, dass die Hersteller von Geräten mit speisenden USB-Host-Ports sich nicht die Blöse geben, dass USB-Ports zu wenig Strom liefern. Deshalb geht in der Praxis meist mehr als nur 100 oder 500 mA. Aber, dann betreibt man die Stromversorgung über USB außerhalb des Standards.

USB 3.0/3.1/3.2

In der USB Version 3.0 sind ebenfalls je ein Low-Power- und High-Power-Modus spezifiziert. Hier sind die maximalen Ströme auf 150 mA und 900 mA begrenzt. Die 4,5 Watt aus einem USB-3.0-Port können die Problem mit der Stromversorgung über den USB meistens löst, aber nicht immer.

Hinweis: Grundsätzlich gilt es zu beachten, dass mit USB 3.0 nicht automatisch 900 mA erlaubt sind, sondern nur auf Anfrage des Gerätes am Host. In der Praxis geben sich die Hersteller von Geräten mit speisenden USB-Ports jedoch nicht die Blöse, dass Ihre USB-Ports zu wenig Strom liefern. Deshalb geht in der Praxis meist mehr als nur 900 mA. Aber es ist außerhalb des Standards.

USB 3.0/3.1/3.2

USB-BC / USB Battery Charging

Mit USB Battery Charging (USB-BC) kommt ein Modus hinzu, der mindestens 7,5 Watt erlaubt, was bei 5 Volt 1,5 Ampere pro Port ermöglicht. Damit ist das Laden von Smartphones und Tablets über den USB möglich.
Der begrenzende Faktor für USB-BC ist die Steckverbindung. Die liegt bei MicroUSB bei 3 Ampere und beim USB-A bei 5 Ampere. Die Hersteller-Standards bleiben meist weit darunter. Siehe Apple mit 2,4 Ampere und Samsung mit 2 Ampere.

USB-PD / USB Power Delivery

Mit USB Power Delivery (USB-PD) gibt es ein Protokoll, bei dem elektronisch markierte USB-Kabel (integrierter Chip) aushandeln, wie viel Strom über das Kabel übertragen werden darf. Das heißt, die Quelle liefert dem Verbraucher die möglichen Spannungs- und Stromwerte. Der Verbraucher sucht sich davon etwas aus und fordert das von der Quelle an. Erst dann schaltet die Quelle die Spannung auf die entsprechenden Pins. Weit über 100 Watt sind möglich.

USB-PD - USB Power Delivery

USB-C

Die Spezifikation des USB-C-Steckers kennt auch noch ein vereinfachtes Verfahren für bis zu 15 Watt bzw. 3 Ampere bei normalen Kabeln vor (Mindestbelastbarkeit). Darüberhinaus muss das Kabel mit dem Gerät kommunizieren können. Allerdings ist USB-PD für USB-C essenziell. Denn die Kommunikation über die CC-Pins ist Bestandteil von USB-PD.

USB-C-Stecker

Toleranzen

Da USB auf niedrige Kosten optimiert ist, sind relativ hohe Toleranzen bei der Spannung und damit Spannungsabfälle zwischen den Geräten erlaubt. So muss ein Low-Power-Gerät nach USB 1.1 und 2.0 mit 400 mW auskommen können, was einer Spannung von 4,0 V entspricht. Bei High-Power-Geräten sind es 2,2 W, was 4,4 V entspricht.

Leiterquerschnitt

Nach VDE-Standard für stromführende Leiter muss der Leitungsquerschnitt mindestens 0,15 qmm, eher 0,3 qmm betragen. Gelöst wird das beim USB-Typ-C-Stecker, indem der Strom parallel über 4 Pins (und weitere 4 Pins für die Masse) übertragen wird. Es ergibt sich dann tatsächlich in Summe ein Querschnitt von ca. 0,31 qmm. Um Kurzschlüsse zu vermeiden, werden jeweils gegenüberliegende Pins belegt. Für Plus sind dies A4/B4 und A9/B9, für Masse A1/B1 und A12/B12.

Übersicht: USB - Universal Serial Bus

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