USB-C-Stecker

USB-C-Stecker

Der USB-C-Stecker und die dazugehörigen Kabel sollen den Wildwuchs bei den USB-Steckern und -Kabeln beseitigen. Hier gibt es nicht nur A- und B-Stecker, sondern auch die vielen Mini- und Micro-Stecker, sowie jeweils unterschiedliche Varianten für USB 2.0 und 3.0. Angedacht ist, dass USB-C auch DVI (PC), DisplayPort (PC), HDMI (TV) und die Audio-Klinkenbuchse für Kopfhörer, sowie Ladebuchsen für Mobilgeräte ersetzen soll.

Die USB-C-Kabel sind 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 bis zu 100 W zulässig.
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. Damit die korrekte Drehung des Steckers nicht mehr zur Qual wird, passt der USB-C-Stecker auch in der umgekehrten Steckposition.

Eine kurze Übersicht mit den wichtigsten Merkmalen des USB-C-Steckers:

  • Der 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 C-Stecker wird auf beiden Seiten eines Kabels verwendet. So kennt man es auch von anderen Steckverbindungen, wie HDMI, DisplayPort und RJ45.
  • Der C-Stecker ist mit allen anderen USB-Steckverbindungen nicht kompatibel. Allerdings gibt es Adapter, die zu USB 2.0 abwärtskompatibel sind.
  • Der C-Stecker hat in etwa die Größe eines Micro-USB-Steckers (USB 2.0) und ist somit auch für mobile Geräte geeignet.
  • Der C-Stecker ist für 100 Watt Leistung ausgelegt. Die Kabel sollen sich mit Power Delivery (USB-PD) für das Laden von Notebooks eignen.

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 Controll Channel (CC), der logisch prüft, wie herum das Kabel gesteckt ist. Demnach beschaltet der USB-Host-Controller die Buchse.
Einige der 24 Kontakte lassen sich flexibel für sogenannte Alternate Modes belegen.

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 Erhöhrung des Leiterquerschnitts, der für hohe Ströme notwendig ist.

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: Weil die Geräte prüfen müssen, wie herum das Kabel gesteckt ist, ergibt sich hier das Fehlerbild, dass es Geräte und Kabel gibt, bei denen es nicht egal ist, wie herum der Stecker gesteckt ist.

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 Lanes, 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 zumindest noch die Leitungen und Pins für USB 2.0 frei.

Das Standardisierungsgremium VESA verwendet den 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 kann, verfügen manche USB-C-Kabel über Stecker mit integrierter Elektronik. Diese speziellen Kabel können unabhängig von den Endgeräten den Endstellen mitteilen, wenn sie über bestimmte Funktionen verfügen. Beispielsweise, wenn das Kabel für SuperSpeedPlus tauglich ist. Oder zum Beispiel für einen bestimmten Alternate-Modus ausgelegt ist.

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 alternative Transfermodi 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. Unter Umständen kann eine USB-C-Steckverbindung 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

In Bezug auf die maximale Kabellänge sind Schirmung, Kupferqualität und Adernquerschnitt die entscheidenden Kriterien. Für USB-3.0-Kabel hat man die Grenzen der Physik fast ausgereizt. 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. Und eine reinere Kupfersorte mit geringerem Widerstand geht nicht mehr, weil bei qualitativ hochwertigen Kabeln nahezu oder bereits 100% Kupfer verwendet wird.
Gibt es Probleme aufgrund der Länge des Kabels, fällt die USB-Verbindung auf USB 2.0 zurück.

Stromversorgung über das USB-C-Kabel

Wenn ein USB-C-Kabel gesteckt wird, dann handeln die beteiligten Geräte untereinander die Stromversorgung und ihre Rollen aus. Danach wird die Geschwindigkeit der Datenverbindung ausgehandelt. Hier greifen die üblichen Mechanismen von USB 2.0 und 3.0. Mit USB 3.1 und 3.2 kommen weitere Geschwindigkeitsstufe dazu.

USB-C-Audio

Der USB-C-Stecker soll unter anderem die Klinken-Steckverbindung ablösen. Hier gibt es zwei mögliche Varianten.

  1. Das analoge Audio-Signal wird als alternativer Betriebsmodus auf den freien Pins übertragen.
  2. Es erfolgt der Umstieg auf die digitale Signalübertragung. Dabei kann der Hersteller analoge Bausteine aus dem Gerät entfernen. Das hat Vorteile, weil diese proportional viel Platz und Energie brauchen.

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

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