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 bis zu 100 Watt Leistung liefern. Zum Beispiel zum Laden eines Notebooks.

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 5 Volt 1,5 A 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 es zu beachten, dass mit USB 2.0 nicht automatisch 500 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 100 oder 500 mA. Aber es ist 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-BC / USB Battery Charging

Mit USB Battery Charging (USB-BC) kommt ein Modus hinzu, der bis zu 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. Die Grenze von 7,5 Watt ist allerdings nicht willkürlich festgelegt. Für mehr sind die alten USB-Stecker nicht ausgelegt.

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. Maximal mit 100 Watt. USB-PD setzt dabei aber kein USB-C voraus.

USB-C

Die Spezifikation des USB-C-Steckers kennt auch noch ein vereinfachtes Verfahren für bis zu 7,5 Watt bei normalen und 15 Watt mit aktiven Kabeln. Allerdings ist USB-PD für USB-C essenziell. Denn die Kommunikation über die CC-Pins ist Bestandteil von USB-PD.

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

Weitere verwandte Themen:

Teilen:

Computertechnik-Fibel

Die Computertechnik-Fibel, das Computer-Buch

Das will ich haben!