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USB Typen im Überblick

Vielseitig, schnell und einfache Anwendung, wohl kaum noch aus unserem Alltag wegzudenken. Der USB (Universal Serial Bus) erleichtert uns den Alltag ungemein. Doch mittlerweile gibt es gravierende Unterschiede zwischen den USB Schnittstellen. Unterschiedliche Standards ermöglichen auch unterschiedliche Spannungen, Stromstärken und Datenübertragungen.  

USB im Überblick

Der im Jahr 1996 von einigen der führenden PC- und Telefonie-Herstellern (ua. Intel) eingeführte USB Standard, ist heute mit Abstand der am weitesten verbreitete PC-Anschluss weltweit. Egal ob Smartphone, Tablet, Laptop, Fernseher, Drucker oder Kamera, USB ist allgegenwärtig und macht endlich Schluss mit dem Kabel Durcheinander. Doch USB ist nicht gleich USB. Verschiedene Einsatzgebiete und die stetige Weiterentwicklung, brachten einige Varianten hervor.

USB Funktionsweise

USB Aufbau

Abb 1: Kontakte USB Typ A und B. 4 = Stromleitung, 1 = Masse, 2 und 3 Datenübertragung. Quelle

Der USB (Universal Serial Bus, auf Deutsch Serieller Universalbus) ist eine I/O-Schnittstelle (Input/Output), und basiert wie der Name bereits andeutet auf einer seriellen Architektur. Dabei werden die Bits nacheinander übertragen, was für eine schnelle und zugleich nahezu fehlerfreie Übertragung sorgt. Neben der Datenübertragung, bringt der USB noch die Energieübertragung mit sich (siehe 4 und 1 auf Abb 1). Wodurch es ermöglicht wird, dass zum Beispiel Mäuse allein über den USB betrieben werden können, oder USB-Stricks zusätzlich nicht noch ein Stromkabel benötigen.

Vorteile der seriellen Architektur

  • Gegenüber einer Parallelschnittstelle erlaubt die serielle Architektur einen sehr viel höheren Takt Rhythmus (schneller).
  • Außerdem kosten serielle Kabel weniger als Parallelkabel.
  • Sichere Datenübertragung (sehr geringe Fehlerquote)

Wichtig zu wissen

Die komplette Benennung eines USB Anschlusses besteht aus dem Übertragungsstandard und dem Formfaktor (Steckertyp). Das sieht zum Beispiel wie folgt aus: „USB 3.0 Typ A„. Auf beides gehen wir in diesem Artikel noch genauer ein.

Die Übertragungsgeschwindigkeit hängt vom Standard und nicht vom Formfaktor ab. Einige Formfaktoren (Steckertypen) sind miteinader kompatibel, andere wiederum nicht. Die physikalische Kompatibilität kann aber mit Adaptern ermöglicht werden.

Die Vorteile von USB-Schnittstellen

#1 Hohe Kompatibilität

Neuere USB-Versionen sind abwärtskompatibel. Geräte mit einem neuerem USB-Standard, können auch an älteren Anschlüssen betrieben werden. Dabei sinken jedoch die Daten- und Stromübertragung auf die Werte des jeweils älteren Standards. Außerdem ist USB unabhängig vom Betriebssystem, somit funktionieren sie neben Windows auch bei Linux, Mac OS X und Co.

#2 Treiberunabhängig

Die meisten Geräte benötigen keine Treiber oder werden automatisch nach dem einstöpseln heruntergeladen. Das gilt jedoch i.d.R nur für grundlegende Funktionen. Eine Maus beispielsweise ist sofort einsatzbereit, für zusätzliche Features wie programmierbare Tasten sind jedoch spezielle Treiber notwendig.

#3 Weit verbreitet

So ziemlich jeder Computer der in den letzten Jahren gebaut wurde, verfügt über mindestens einen USB-Anschluss. In Kombination mit der hohen Kompatibilität, funktionieren Geräte also an so ziemlich jedem Computer.

#4 Eigene Stromversorgung

Die eigene Stromversorgung ist einer der wichtigsten Gründe, weshalb die USB-Technologie so erfolgreich geworden ist. Schließlich erleichtert das die Anwendung enorm, weil kein zusätzliches Netzteil erforderlich ist. Hier gibt es jedoch einige gravierende Unterschiede auf die wir später in diesem Artikel noch eingehen werden.

#5 Plug and Play

Plug and Play (auf Deutsch einstecken und los) ist ebenso sehr wichtig für eine einfache Anwendung. Jederzeit können im laufenden Betrieb USB-Geräte an- und abgesteckt und verwendet werden.

#6 Energiemanagement

USB 3.0 bzw 3.1 geht effektiver mit Energie um als seine Vorgänger. Denn nicht benötigte angeschlossene Geräte, werden automatisch auf Standby (Ruhemodus) geschaltet um Energie zu sparen. Die Geräte bleiben jedoch nach wie vor uneingeschrängt nutzbar.

USB Steckertypen

USB Typen

Abb 2: USB-Typen

Typ A

Mit dem Übertragungsstandard 2.0 kommt Typ A oft bei Computermäusen, Tastaturen oder USB Sticks zum Einsatz. Für USB Sticks oder externe Festplatten ist die Datenübertragung jedoch etwas langsam, weshalb hier der Übertragungsstandard 3.0 bzw. 3.1 immer mehr seinen Platz einnehmen wird.

Typ B

Heute findet man USB Typ B 2.0 noch oft bei Druckern oder Scannern. 3.0/3.1 dagegen macht da keinen Sinn, weil diese Geräte nur geringe Datenmengen empfangen/senden müssen. Für externe Festplatten zum Beispiel ist USB Typ B 3.0/3.1 jedoch bestens geeignet.

Mini-B

Mini-B sieht man teilweise noch bei alten Handys. Heutzutage kommt dieser Anschlusstyp i.d.R nur noch bei Navigationsgeräten oder Digitalkameras zum Einsatz.

Micro-B

Der Micro-B Anschluss mit dem Übertragungsstandard 2.0, wird oft bei kleinen mobilen Geräten wie beispielsweise Smartphones verbaut. Jedoch wird dieser nach und nach durch den USB Typ C Stecker ersetzt werden. Micro-B 3.0/3.1 bekommt man selten zur Sicht. Eigentlich wird dieser Anschluss nur für kleinere kompakte externe Festplatten verwendet.

Typ C

2014 wurde der neue Steckertyp Typ C vorgestellt. In Zukunft werden wir diesen Steckertyp sehr oft zu sehen bekommen, denn wie zuvor bereits erwähnt wird USB Typ C viele andere Steckertypen ersetzten. Vorteile wie:

  • eine größere Daten- und Stromübertragung,
  • beidseitiges einstecken,
  • schmales Design (dünnere Geräte ermöglicht)
  • und Display-Port (Bild & Ton bis 5.120 × 2.880 (5k) @60Hz bei 24 Bit)

überwiegen ganz klar gegenüber den Vorgängern. Apple ist hier ganz klar Vorreiter. Im neuen Macbook Pro setzt Apple ganz und allein auf diesen Anschluss. Ein gewagter Schritt, doch wenn es sich jemand erlauben kann, dann Apple.

USB Typ C ist auch nur ein neuer Steckertyp. Wie viel Strom oder Daten übertragen werden können, hängt auch hier vom Übertragungsstandard ab. Außerdem hat das Prinzip mit dem beidseitigem einstecken so seine Macken. In seltenen Fällen werden Festplatten nicht erkannt oder Töne nicht richtig wiedergegeben. So ist man gezwungen den Stecker zu drehen.

Verwendungszwecke der Stecker

Die Intention hinter den unterschiedlichen Steckertypen war es, USB optimal bei unterschiedlichen Geräten betreiben zu können. Welche Stecker wo zum Einsatz kommen und welche Gegenstecker möglich sind, haben wir in der folgenden Tabelle einmal zusammengefasst.

Verwendungszwecke und mögliche Gegenstecker
SteckertypVerwendungsbeispieleMögliche andere Gegenstecker
AComputermäuse, Tastaturen, USB-SticksMicro B, Mini B und B
BDrucker, Scanner, alte externe FestplattenA
Micro A– wird sehr selten verwendet –Micro B
Micro BSmartphones (wird langsam durch Typ C ersetzt)A, Micro A
Mini BDigitalkameras, alte MP3-PlayerA
A (3,0/1)Neue USB-SticksB (3,0/1), Micro B (3,0/1)
B (3,0/1)Externe FestplattenA (3,0/1)
Micro B (3,0/1)Kleine externe Festplatten, Kartenleser, einige SmartphonesA (3,0/1)
CMonitore, Ladekabel für Notebooks, neue SmartphonesA (3,0/1)

 

Mit der heutigen Technik sind unterschiedliche Steckertypen eigentlich nicht mehr nötig, jedoch wurden diese bisher beibehalten, weil sie so weit vertreitet waren. Mit USB-Typ-C sollen alle älteren Stecker nach und nach ersetzt und langfristig abgeschafft werden.

USB Übertragungsstandards

Stromübertragung über USB
StandardSpannungmax. Stromstärkemax. Leistung
USB 1.0 / 1.15 V0,1 A0,5 W
USB 2.00,5 A2,5 W
USB 3.0 / 3.10,9 A4,5 W
USB-BC 1.2 (USB Battery Charging)1,5 A7,5 W
USB-Typ-C mit 3.13 A15 W
USB-PD (USB Power Delivery)5, 12 oder 20 V5 A100 W
Datenübertragung über USB
Bezeichnungmöglich abDatenrate (Netto ca.)Logo / Symbol
Low SpeedUSB 1.0150 KB/sUSB Symbol und Zeichen 1.0
Full SpeedUSB 1.01 MB/sUSB Symbol und Zeichen 1.1
Hi-SpeedUSB 2.036 – 44 MB/sUSB Symbol und Zeichen 2.0
SuperspeedUSB 3.0 / 3.1 Gen1480 MB/sUSB Symbol und Zeichen 3.0
Superspeed+USB 3.1 Gen2900 MB/sUSB Symbol und Zeichen 3.1 Gen2

USB 1.0 / 1.1

1996 – Der USB Übertragungsstandard 1.0 / 1.1 ist mittlerweile fast vollständig durch 2.0 bzw. 3.0 / 3.1 ersetzt worden.

USB 2.0

2001 – Endlich gelang der Durchbruch. Mit der deutlich erhöhten Daten- und Stromübertragung kam das Potenzial richtig zum Vorschein. Eine Vielzahl von Peripheriegeräten wie Mäuse, Tastaturen, Kameras, externen Festplatten, Drucker uvm. erschienen auf dem Markt. Bis heute ist dieser Anschluss der am weitesten verbreitete PC-Anschluss weltweit.

USB 3.0 / 3.1 Gen1

2008 – USB 3.0 hat wieder einmal alles weit übertroffen. Die Datenübertragung wurde um das 10-fache im Vergleich zu 2.0 erhöht. Außerdem werden nun 0,9 Ampere statt nur 0,5 Ampere zur Verfügung gestellt. Typ B und Micro-B haben neue Stecker, Anschlüsse und Kabel verpasst bekommen, weshalb diese physikaltisch nicht mehr kompatibel mit dem 2.0 Standard sind. Auf Mini-B wurde komplett verzichtet. 2013 wurde 3.0 offiziell in 3.1 Gen1 umbenannt.

USB 3.1 Gen2

2013 – Die Datenrate hat sich gegenüber dem Vorgänger um das doppelte erhöht. An den elektrischen Zahlen hat sich allerdings nichts getan.

USB 3.2

(2017) – Im Juli 2017 wurde der neue USB 3.2 Standard veröffentlicht. Die Datenübertragung soll mit 20 GBit/s (2,5 GB/s) doppelt so schnell wie der Vorgänger USB 3.1 Gen2 sein. Allerdings arbeiten derzeit noch diverse Firmen an der technischen Umsetzung (stand August 2018). Erste Tests des EDA-Herstellers Synopsys verliefen bereits erfolgreich und erreichten immerhin schon 13 Gbit/s (1,6 GB/s). Weiter unten findest Du weitere Informationen.

USB Power Delivery (USB-PD)

Das Laden von Smartphones über den USB mit 5 Volt ist mittlerweile normal. Auch Tablets können so noch geladen werden (wenn auch nur langsam). Bei Laptops, Bilschirmen etc. ist es praktisch gar nicht mehr möglich. Hier kommt die 2012 eingeführte Spezifikatation USB Power Delivery ins Spiel.

Anforderungen

USB-PD ist ein völlig eigener Standard, der wiederum eigene Anforderungen an die Hardware stellt.

  • Unabhänging von Steckertypen und USB Protokollversionen (Übertragungsstandards) ab USB 2.0. 
  • Für Leistungen über 15 Watt (5 Volt @ 3 Ampere) werden „aktive Kabel“ benötigt.
  • Micro USB Stecker können maximal 15 Watt liefern (5 Volt @ 3 Ampere).
  • Normale USB Typ A und B Stecker mit aktiven Kabeln können maximal 25 Watt (5 Volt @ 5 Ampere) liefern.
  • Um den höheren Leistungsbereich von USB-PD nutzen zu können, werden USB-C Stecker an beiden Kabelenden vorausgesetzt.

Funktionsweise

Die Quelle (z.B. ein Computer oder Netzteil) überprüft anhand des elektrisch markierten Kabels (integrierter Chip) die maximale Stromstärke die über das Kabel übertragen werden darf. Ist das Kabel kein sogenanntes „aktives Kabel„, werden einfach standardmäßig 5 Volt @ 3 Ampere übertragen. Das Ergebnis der Überprüfung wird an den angeschlossenen Verbraucher weitergegeben. Dieser sucht sich anschließend ein Profil aus, und fordert es von der Quelle an.

Also kann man sagen das Quelle und Verbraucher über das „aktive Kabel“ miteinander kommunizieren, und ein Profil aushandeln. Bei der Aushandlung wird sich nach dem schwächsten Glied in der Kette gerichtet.

Leistungsprofile

USB-PD kommt mit fünf Profilen für unterschiedliche Einsatzzwecke daher. Jedes dieser Profile hat unterschiedliche Spannungs- und Stromwerte, für die unterschiedlichen Verbraucher.

USB-PD Leistungsprofile
ProfilSpannungStromLeistungVoraussetzungen (mindestens)
15 V2 A10 W –
25 V2 A18 W Typ A, B  oder C Stecker (Ausnahme Micro B), Aktives Kabel
12 V1,5 A
35 V2 A36 W USB-C Stecker, Aktives Kabel
12 V3A
45 V2 A60 W USB-C Stecker & aktives Kabel
12 V3 A
20 V3 A
55 V2 A100 W USB-C Stecker & aktives Kabel
12 V5 A
20 V5 A

USB 3.2: Geschwindigkeit auf 20 GBit/s verdoppelt

Seit Juli 2017 steht die USB 3.2 Spezifikation (Mitteilung: PDF). Sie verdoppelt die Datenrate im Vergleich zu 3.1 Gen2 auf 20 GBit/s (2,5 GB/s). Nun fehlt es nur noch an geeigneter Hardware.

Die Technik dahinter

Während USB 3.1 Gen2 lediglich zwei differenzielle Adernpaare eines USB-Typ-C Kabels verwendet, nutzt USB 3.2 im Multi-Lane-Betrieb zwei Adernpaare mit je 10 GBit/s pro Richtung. Erstmals wird ein USB-Standard nicht mehr für den Typ-A-Stecker freigegeben, weil dessen interne Verdrahtung nicht mehr ausreicht.

Die neueren Typ-C-Stecker waren bereits mit dem Anspruch gestartet, noch höhere Datenraten zu ermöglichen. So wurde der neue Standard ausschließlich für Typ-C-Stecker freigegeben.

[Gesamt:6    Durchschnitt: 3.8/5]

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