Ein Anschluss, der verbindet USB im historischen Wandel

Seit ihrer Einführung im Jahr 1996 hat sich die USB-Schnittstelle erheblich weiterentwickelt. Im Laufe der letzten 27 Jahre hat sich das Format des USB-Steckers mehrfach geändert. Gleichzeitige haben sich die maximalen Übertragungsgeschwindigkeiten um einen Faktor von 25.000 erhöht. Die USB-Schnittstelle ist nicht nur zur Datenübertragung geeignet, sondern auch für die Stromversorgung und das Aufladen zahlreicher Computer-Peripheriegeräte und Unterhaltungselektronik, von Smartphones bis hin zu Fitness-Wearables.

Heute ist die USB-Schnittstelle allgegenwärtig und wird nahezu überall eingesetzt. Auch wenn die USB-Schnittstelle allgemein verwendet wird, sollten Entwickler einige wichtige technische Spezifikationen für ihren Betrieb beachten. Dazu gehören die Standards für USB-Steckverbinder (physikalischer Formfaktor) (Typ-A, Typ-B, Typ-C, Mini-B und so weiter), die standardisierte Datenübertragungsrate (USB 3.0, USB 3.2, USB 4.0 und so weiter) und die USB Power Delivery-Standards (USB 2.0, USB PD 3.0, USB 3.1 und so weiter).

Die Anfänge der PC-Verbindungen

Es ist erstaunlich, dass es die USB-Schnittstelle bereits seit 27 Jahren gibt. In dieser Zeit hat sie die Computer- und Unterhaltungselektronikbranche tiefgreifend verändert. Der USB 1.0-Standard wurde 1996 eingeführt und entstand aus der Notwendigkeit, Peripheriegeräte von Drittanbietern an PCs anzuschließen. Seitdem hat sich die Schnittstelle schnell durchgesetzt. Mittlerweile lassen sich zahlreiche Geräte und Systeme anschließen und mit Strom versorgen, von Tablets, Smartphones über Smartwatches und Fitness-Tracker bis hin zu Überwachungskameras. Der Komfort und die Einfachheit der USB-Schnittstelle waren die Schlüsselfaktoren für ihren Erfolg. Sie überholte die langsamen, veralteten Computeranschlüsse der 1990er-Jahre, wie die serielle RS-232- und die parallele Centronics-Schnittstelle. Heute bietet die USB-Schnittstelle weit mehr als nur die ursprünglichen Datenübertragungsmöglichkeiten, denn die Stromversorgungs- und Ladefunktionen werden täglich von praktisch allen Smartphone-Besitzern genutzt. Auch die Geschwindigkeit der Datenübertragung hat sich enorm erhöht.

USB – eine Zeitreise

Schon bei seiner Einführung bot der USB 1.0-Standard nicht nur eine höhere Übertragungsgeschwindigkeit von 1,5 Megabit pro Sekunde im Vergleich zu anderen seriellen Schnittstellen der damaligen Zeit, sondern auch die Möglichkeit, Peripheriegeräte oder Flash-Speicherlaufwerke im laufenden Betrieb auszutauschen. Das Entfernen oder Einstecken eines anderen Geräts ohne vorheriges Ausschalten des Computers war mit anderen Schnittstellen nicht möglich. Parallel zur Definition des Softwareprotokolls wurden mit USB 1.0 auch die ersten USB-Steckernormen festgelegt: Typ A und Typ B. Der Typ-A-Stecker, der für den Anschluss an einen Host-Computer verwendet wird, ist auch heute noch aktuell und entspricht dem, was wir alle mit einem USB-Stecker verbinden. Typ B, ein quadratischer Stecker, wird auch heute noch verwendet, wenn auch wesentlich seltener als Typ A.

Aufgrund seiner praktischen Vierdrahtschnittstelle und der einfachen Montage von Steckern und Kabeln konnte sich USB schnell auf dem Markt durchsetzen. Zwei Jahre später, im Jahr 1998, brachte das aktualisierte Protokoll USB 1.1 mit bis zu 12 Megabit pro Sekunde (Full Speed) höhere Übertragungsgeschwindigkeiten. Die Kompatibilität mit USB 1.0 wurde beibehalten, wobei das Protokoll automatisch auf 1,5 Megabit pro Sekunde zurückging.

Die Akzeptanz auf dem Markt nahm weiter zu, und die Hersteller von Computern und Peripheriegeräten setzten ihr Augenmerk auf USB und stellten die Unterstützung für andere Schnittstellen ein. Dadurch wurde auch die Unterstützung durch andere Gerätehersteller weiter gefördert und die Liste der USB-Anwender und -Befürworter wurde immer länger.

Im Jahr 2000 führte das USB Implementers Forum (USB-IF) die USB 2.0 High-Speed-Softwarespezifikation ein, mit der die Übertragungsraten auf 480 Megabit pro Sekunde erhöht wurden. Durch diese Erhöhung wurde der Zugriff auf externe Speichermedien möglich, von Festplattenlaufwerken bis hin zu USB-Sticks. Außerdem bot diese Spezifikation die Möglichkeit, angeschlossene Geräte über USB mit Strom zu versorgen und lieferte bis zu 0,5 Ampere bei 5 Volt. Damit wurde USB als Stromversorgungsmethode etabliert. Bis zu diesem Zeitpunkt waren Typ-A- und Typ-B-Stecker weit verbreitet, doch mit der zunehmenden Kompaktheit der Computerhardware wurden Ministecker eingeführt, die in erster Linie die Typ-B-Stecker ersetzen sollten. Im Jahr 2007 folgten dann die Mikrostecker. Mini-Steckverbinder werden immer noch in älterer Hardware verwendet, aber Mikro-Steckverbinder wurden schnell zum vorherrschenden Steckerstandard. Mit der Weiterentwicklung der USB-Standards wurde auch das USB-Softwareprotokoll stärker vom physischen USB-Steckverbinderstandard abgekoppelt.

2008 wurde das USB 3.0-Softwareprotokoll (später bekannt als USB 3.2 Gen 1x1) veröffentlicht, mit dem die Übertragungsgeschwindigkeiten auf bis zu 5 Gigabit pro Sekunde erhöht wurden. Diese logarithmische Geschwindigkeitssteigerung wurde zum Teil durch die Verdoppelung der Anzahl der verwendeten Drähte von vier auf acht ermöglicht, wobei die Kompatibilität mit USB 1.0 erhalten blieb. Die Leistung der Stromversorgung wurde auf 900 Milliampere erhöht, und das Typ-C-Steckerformat wurde eingeführt.

Mit USB 3.1 (später bekannt als USB 3.2 Gen 2x1) verdoppelten sich die Übertragungsraten auf 10 Gigabit pro Sekunde, kurz darauf folgte USB 3.2 (später bekannt als USB 3.2 Gen 2x2), das die Übertragungsraten erneut verdoppelte, diesmal auf 20 Gigabit pro Sekunde.

Im Mittelpunkt der USB 3.2-Spezifikation stand auch der Typ-C-Stecker, der erste Steckertyp, der sich in beide Richtungen einstecken lässt. Charakteristisch für ihn sind seine kompakten Abmessungen und seine abgerundeten Ecken. Mit der Weiterentwicklung der USB-Standards entwickelten sich auch die Gerätetypen, die sie unterstützen. Der Typ-C-Stecker erweiterte die Zahl der Anwendungsfälle und etablierte das Konzept, die Schnittstelle ausschließlich zum Laden und Betreiben von Geräten zu verwenden.

USB 4 und die Zukunft

2019 wurde die USB 4.0-Spezifikation eingeführt und brachte eine Verdoppelung des Durchsatzes auf 40 Gigabit pro Sekunde mit sich. Sie basiert auf dem Thunderbolt-3-Protokoll mit einem Two-Lane-Ansatz und sieht die Verwendung des Typ-C-Steckers vor. Daneben wurde mit USB 4.0 ein spezielles Videoübertragungsverfahren definiert und die internen Stromversorgungsfunktionen erheblich erweitert.

Mit den Standards Typ C und USB 3.2 wurden auch die Stromversorgungsmöglichkeiten mit einer Nennausgangsspannung von bis zu 48 Volts Direct Current und einer Stromaufnahme von bis zu 5 Ampere erheblich erweitert. Dadurch ist nun eine Leistung von bis zu 240 Watt möglich. Dank der kontinuierlichen Weiterentwicklung der USB-Schnittstelle hat sich ihre Akzeptanz noch weiter beschleunigt, denn sie kann nun deutlich mehr Strom liefern, und es gibt jetzt auch reine Typ-C-Steckdosen.

Die zunehmende Beliebtheit des Typ-C-Steckerformats ist auch mit der zunehmenden Frustration der Verbraucher über die unzähligen Ladegeräte verbunden, die wir bislang zum Aufladen unserer Technik benötigen. Im Juni 2022 kündigte die Europäische Union die vorläufige Einigung auf eine einheitliche Ladelösung für bestimmte elektronische Geräte an. Dabei stimmten die Europaabgeordneten mit überwältigender Mehrheit für ein neues Gesetz, das vorschreibt, dass alle neuen tragbaren Geräte das gleiche Ladekabel verwenden müssen. Ab 2024 müssen alle neuen Smartphones und Tablets über einen USB-Typ-C-Ladeanschluss verfügen, den die EU ab 2026 auch auf die Hersteller von Laptops ausweiten wird. Die britische Regierung muss noch die Umsetzung ähnlicher Gesetze auf den Weg bringen, wobei es jedoch wahrscheinlich ist, dass sie der Initiative der EU folgen wird.

Einführung von USB Typ C

Bei der Auswahl eines Typ-C-USB-Anschlusses ist es wichtig, die Anforderungen der jeweiligen Applikation zu prüfen. Handelt es sich um einen reinen Stromanschluss oder um einen Anschluss für Daten und Strom? Welche Auswirkungen hat der Platz auf der Leiterplatte auf die Position und Ausrichtung der Buchse?

Ein Beispiel für eine USB-4-Typ-C-Buchse ist die UJ40-Serie von CUI Devices. Die UJ40-Serie unterstützt eine Übertragungsgeschwindigkeit von bis zu 40 Gigabit pro Sekunde (USB 4), ist für 5 Ampere und bis zu 48 Volts Direct Current ausgelegt und hat eine Lebensdauer von 10.000 Zyklen. Diese Reflow-kompatiblen oberflächenmontierbaren Steckverbinder sind für die horizontale oder vertikale Ausrichtung erhältlich und haben die Brennbarkeitsklasse UL 94V-0. Der UJ40 hält einer Spannung von 100 VAC stand, hat einen Isolationswiderstand von 100 MΩ und einen Kontaktwiderstand von 40 mΩ. Für reine Stromversorgungsanforderungen sind die UJC Typ-C-Buchsen mit 6- oder 8-poliger Ausführung in einem horizontalen oder vertikalen oberflächenmontierbaren Gehäuse erhältlich. Es gibt sie mit einem Nennstrom von 3 Ampere oder 5 Ampere bei einer Versorgungsspannung von 20 Volts Direct Current.

USB ist überall

Seit seinen Anfängen als Anschluss für Computer-Peripheriegeräte von Drittanbietern hat sich USB zum weltweit führenden Standard für kabelgebundene Datenverbindungen und Stromversorgung in der Verbrauchertechnologie entwickelt. Angesichts dieser beeindruckenden Entwicklung und der ständig steigenden Datenübertragungsrate hat USB eine große Zukunft vor sich.