Mit dem Aufkommen des Universal Serial Bus, kurz USB, vor zwanzig Jahren verschwanden nach und nach eine ganze Reihe damals verwendeter PC-Schnittstellen – und das nicht ohne Grund. Denn als 1994 ein Firmenkonsortium aus Intel, Compaq, Hewlett-Packard, IBM, Microsoft und NEC den universellen seriellen Bus (USB 1.0) entwickelte, sollte damit der Anschluss von Peripheriegeräten an PCs vereinheitlicht werden. Deshalb war die USB-Spezifikation nicht auf Tastatur und Maus begrenzt, sondern schloss auch Geräte wie Drucker und Scanner mit ein. Massenspeicher wurden zwar bereits von USB 1.0 unterstützt, waren wegen der maximalen Datenrate von 12 MBit/s (Full-Speed) allerdings nur eingeschränkt zu gebrauchen. Als 1998 die überarbeitete Spezifikation USB 1.1 folgte, änderte sich zwar noch nicht die Datenrate, allerdings bedeutete sie bereits das Aus für Apples ADB-Schnittstelle. Die Peripherie wurde nun nicht mehr über einen vierpoligen
Mini-DIN-Stecker angeschlossen, der iMac, der in diesem Jahr zum ersten Mal herauskam, verfügte bereits über die immer beliebter werdenden USB-Anschlüsse.
Mit einer weiteren Datenrate von 480 MBit/s und einer vollständigen Abwärtskompatibilität zu USB 1.1 machte USB 2.0 ab April 2000 den Anschluss von Festplatten und Videogeräten möglich. Darüber hinaus sah diese Spezifikation eine Stromversorgung der angeschlossenen Geräte mit 500 mA/
5 V vor. Die Stecker vom Typ A und B mit vier Leitungen plus Schirm waren in Grau, Elfenbein oder Schwarz gehalten, des Weiteren gab es die fünfpoligen Typen Mini und Micro. Sie wurden vor allem in tragbaren Geräten wie Mobiltelefonen verbaut und verfügten über einen zusätzlichen ID-Pin.
Im Jahr 2008 änderte sich nicht nur die Farbe der Steckertypen A und B, die von nun an blau (Pantone 300C) waren. Vor allem mit einer Datenübertragung von 5 GBit/s im Super-Speed-Modus und der Bereitstellung von 900 mA /5 V revolutionierte die USB-3.0-Spezifikation erneut den Markt. Der Mini-Stecker blieb unverändert, der Micro-Stecker wurde zum Doppel-USB-Verbinder mit 2 × 5 Polen.
Vor zwei Jahren wurde schließlich die USB-3.1-Spezifikation verabschiedet, die eine Geschwindigkeitsverdopplung gegenüber USB 3.0 auf 10 GBit/s beschreibt. Zusammen mit dem neuen Steckertyp C erlaubt die Power-Delivery-Funktion das Laden von Geräten mit bis zu 100 W. Mit Super-Speed+ wird sich möglicherweise ein neues universelles Kommunikationsprotokoll etablieren. Gründe dafür gibt es genug. So nutzten laut Emarketer letztes Jahr 1.914,6 Millionen Menschen auf der Welt mindestens ein Smartphone. Im zweiten Quartal 2015 konnte Apple mit dem iPhone, das über den hauseigenen Lightning Connector verfügt, nur einen Marktanteil von 24,5 Prozent für sich in Anspruch nehmen. Da die Anzahl an Smartphone-Nutzern bis 2018 um
34 Prozent steigen soll, bietet sich für USB 3.1 ein riesiger Markt.
Forderungen des Markts
Auch in dem für 2016 und 2017 zu erwartenden Absatz von Laptops, Tablets und PCs steckt Potenzial: Emarketer prophezeit für Tablets ein Plus von 22 Prozent auf 782 Millionen und für Laptops einen Zuwachs um 2 Prozent auf 399 Millionen verkaufte Einheiten. Lediglich Desktop-PCs sollen um 5 Prozent auf 250 Millionen zurückgehen. Aufgrund zunehmender Anwendungen benötigen Smartphones und Tablets immer mehr Strom, die Anwender erwarten allerdings gleichzeitig immer kürzere Ladezeiten.
Das gilt ebenfalls für Geräte, bei denen ein USB-Connector ausschließlich zum Laden verwendet wird, wie beispielsweise E-Zigaretten. Als Speichermedium mittlerweile unverzichtbar ist der USB-Stick. 556 Millionen Stück sollen im Jahr 2020 davon verkauft werden, der Großteil davon in den USA. Mit USB 3.1 könnte auf diesen ein 25 GB großer HD-Film in gerade einmal einer halben Minute vollständig übertragen werden. Doch nicht nur die Consumer-Produkte verlangen nach höherer Stromversorgung und schnellerer Datenübertragung. Gleiches trifft auf tragbare Testgeräte in der Industrie zu.
20 Prozent mehr Bandbreite
Doch woher rührt die Erhöhung der Datenrate und welche Änderungen ergeben sich für die einzelnen Steckertypen? Zum einen konnte eine veränderte Schirmung die EMV-Leistung verbessern. Zum anderen erzielten die Modifikationen des Protokolls rund 20 Prozent mehr Bandbreite. Bisher verwendet USB 3.0 eine 8b/10b-Codierung. USB 3.1 steigt auf ein 128b/132b-Codierschema um. Auch der tolerierbare Jitter wurde von 200 auf 100 ps auf allen Sende- und Empfangsleitungen herabgesetzt, um die Bitfehlerrate (BER) auf 10-12 zu
reduzieren.
Beim Stecker Typ A ändert sich aufgrund der verstärkten Schirmung die Hardware geringfügig, dennoch bleibt er abwärtskompatibel. Beim Power-
Delivery-kompatiblen Steckverbinder kommen zwei Pins für Stromversorgung und Erkennen des Steckzustandes hinzu. Weitestgehend mit den Spezifikationen von USB 3.0 stimmen der Typ B und der Micro-Stecker überein, jedoch verfügen sie über eine zusätzliche Schirmung. Neu dagegen ist der Steckerverbinder Typ C: Durch 24 Pins ist er beidseitig steckbar und unterstützt ebenfalls Power Delivery. Auch die Buchse vom Typ C ist beidseitig steckbar. Damit entfällt das Problem, dass es häufig mehrere Einsteckversuche brauchte, bis der USB-Steckverbinder richtig im Anschluss saß. Mit 5 bis 8 N benötigt man beim Typ C nicht nur am wenigsten Kraft, um den Stecker in die Buchse zu stecken, er ist auch, ebenso wie der Micro B, für 10.000 Steckzyklen ausgelegt.
Viele Pins im kleinen Stecker
Die Pin-Belegung der Buchse Typ C stellt sich wie folgt dar. Die Pins A1 bis A12 entsprechen den Pins B12 bis B1 in absteigender Reihenfolge, wodurch der zugehörige Stecker beliebig herum eingesetzt werden kann. Die Pins A1/B1 und A12/B12 für die Masseanbindung sowie A4/B4 und A9/B9 für die Bus-Spannung, gewährleisten zusammen mit den Pins A6/B6 und A7/B7 als Datenpaar und einem entsprechenden Adapter die Abwärtskompatibilität zu USB 2.0. Ebenfalls mit einem Adapter können die Pins A2/B2 und A3/B3 (Super-Speed Transmitter) sowie A10/B10 und A11/B11 (Super-Speed Receiver) kontaktiert werden, um die Kompatibilität zu USB 3.0 zu gewähren. Die Pins A5/B5 dienen als Konfigurationskanal und die Pins A8/B8 zur Seitenbandbenutzung – der Unterschied, der USB 3.1 ausmacht.
Ein vollständig bestückter Typ-C-Steckverbinder hat nur 22 Pins, da die Kontakte B6 und B7 zur Vermeidung von Übersprechen und Störungen durch zu enge Leiterbahnführung nicht vorhanden sind. Die sechs Flansche im Gehäuse der 5-A-Buchse halten den Stecker sicher fest. Würth Elektronik bietet die Buchsen 632723x00011 sowohl für die SMT- als auch die THT-Bestückung auf 1,0- und 1,6-mm-Leiterplatten. Im Vergleich zu anderen am Markt verfügbaren Buchsen ist diese jedoch länger: Durch die größere Auflagefläche bietet sie eine größere Haltekraft. Auch die Nickel-Schirmung ist mit 200 µm doppelt so dick als die der meisten Wettbewerbsprodukte. Unter der Bezeichnung 632712000011 sind die passenden 3-V-Steckverbinder erhältlich. Als dritte und vorletzte USB 3.1-Komponente finden sich die Steckverbindung vom Typ A (632121300001) im Sortiment.
Weil durch die Power-Delivery-
Detection-Funktion auch eine Spannungsversorgung von 20 V in beiden Richtungen möglich ist, eignen sich diese besonders für den Anschluss von Displays, unter anderem mit 4K/Ultra-HD-Auflösung (3.840 × 2.160 Pixel) mit einer Bildwiederholungsrate von 60 Hz. Werden alle Datenleitungen für die Übertragung des Videosignals genutzt, ist sogar eine 5K-Auflösung (5.120 × 2.880 Pixel) möglich. Sowohl die Steckverbinder vom Typ A als auch vom Typ C sind TID-
gelistet.
Auf dem Weg in die Industrie
Unterschiede zu USB 3.0 und USB 3.1 gibt es auch beim Kabel. Statt bisher neun bei USB 3.0 verbergen sich unter der Ummantelung des Kabeltyps C nun 15 Adern. Das wirkt sich auch auf die Spezifikation der Kabellänge aus:
Waren bei USB 3.0 Super-Speed, auch bekannt unter den Namen USB 3.1 Gen 1, noch 3 m erlaubt, ist es bei USB 3.1 Super-Speed+, alias USB 3.1 Gen 2, nur noch maximal 1 m. Auch diese Kabel sind unter 6329x im Programm von Würth Elektronik geführt.
Für den Einsatz von USB 3.1 in der Industrie, zum Beispiel zur Sensor-Echtzeitüberwachung, spricht vor allem, dass nun keine Spezialkabel mehr benötigt werden. Gerade bei Messaufbauten reduziert sich dadurch die Kabelvielfalt, die schnellere Datenübertragung und die Möglichkeit, den Stecker beliebig gedreht in die Buchse zu stecken, reduzieren den Zeitaufwand.
Auch die Tatsache, dass sich die angeschlossenen Geräte gegenseitig laden können, wird vor allem in der Instandhaltung einen großen Nutzen bringen. Denn gerade hier wird ein tragbares Messgerät und ein Tablet benötigt.
