Computerhardware: USB-Bus

USB

Am PC können Sie zahlreiche Geräte direkt anstöpseln. Wenn keine USB-Anschlüsse mehr frei sind, können Sie einen USB-Verteiler (Hub genannt) verwenden, an den bis zu acht Geräte oder weitere Hubs angeschlossen werden können. Theoretisch können Sie bis zu 127 Geräte gleichzeitig an Ihren PC anschließen; praktisch sollten höchstens vier Geräte gleichzeitig auf den USB zugreifen, um den Datentransfer nicht zu sehr auszubremsen. Das Verbinden von Hubs nennt man wie bei Netzwerken „kaskadieren“.

Stromversorgung

Viele USB Geräte beziehen den notwendigem Strom zum Betrieb über den USB-Bus. Die einzelnen Geräte melden sich mit ihrem nominellen Strombedarf am USB-Bus an. Dieser Wert ist im Gerät hinterlegt, und er wird vom Rechner ausgelesen.

Ein USB-2.0 Anschluss am Rechner stellt 500 mA zur Verfügung, USB 3.0 kann 900 mA liefern. Bei Hubs unterscheidet man self-powered (mit Netzteil) sowie semi-self-powered und bus-powered (ohne Netzteil).

Ein aktiver Hub (Self-Powered) ist ein Hub mit einer eigenen Stromversorgung. Jeder Port kann einen Verbraucher mit einem Strombedarf von bis zu 500 mA (USB 2.0) bzw. 900 mA (USB 3.0) versorgen.

Ein passiver (Bus-Powered) Hub bezieht den Strom für angeschlossene Geräte vom USB-Port des PCs. Jedes angesteckte USB-Gerät bekommt zunächst nur 100 bzw. 150 mA zugewiesen und kann anschließend mehr Strom beim Power-Management des PCs anfordern.

Üblicherweise blockiert ein USB-Hub ohne separates Netzteil alle Geräte mit einem Strombedarf von mehr als 100 mA. Zu diesen „stromhungrigen“ Geräten gehören USB-DVD-Laufwerke, USB-DVB-T-Fernsehempfänger, USB-LTE-Adapter und USB-Scanner. Falls in Ihre Tastatur ein Hub eingebaut ist, ist er vermutlich Bus-Powered. Steckt man ein Gerät an, das mehr als 100 mA benötigt, schickt der Hub eine Fehlermeldung an den PC und schaltet sich ab. Zwei Geräte mit einem Bedarf von z. B. 50 + 200 mA funktionieren nicht, obwohl der Gesamtbedarf unter 500 mA/900 mA liegt.

USB-Spaßgeräte (Kaffeewärmer, Leuchten, Raketenwerfer) sowie Ladegeräte halten sich oft nicht an die Spezifikation und können das Power-Management durcheinanderbringen.

Bei einem „Semi-Self-Powered“ Hub handelt es sich um eine clevere Methode, den PC zu betrügen. So ein Hub meldet sich als self-powered Hub am Rechner an, obwohl er kein Netzteil hat. Dadurch werden auch Verbraucher mit nominell 500 mA vom System akzeptiert. Da die nominellen Werte nur selten erreicht werden, ist es meist kein Problem, neben dem 500 mA Gerät zusätzlich Geräte mit geringerem Strombedarf zu betreiben (Maus, Tastatur o.ä.). Wird die Möglichkeit der Stromversorgung durch den USB-Port des PCs überbeansprucht, schaltet sich der Semi-Self-Powered Hub ab, und der PC bringt eine Fehlermeldung. Es besteht also die Möglichkeit, neben zwei „normalen“ USB-Geräten auch ein Gerät mit höherem Strombedarf anzuschließen, obwohl der Hub über kein eigenes Netzteil verfügt.

Regeln der Kaskadierung

Sie sollten nicht mehr als vier Hubs hintereinanderschalten. Sie dürfen nur aktive Hubs kaskadieren. Passive Hubs können nur als letzte in einem Verzweigungsbaum eingesetzt werden.
USB-Kabel dürfen maximal 5 m lang sein. Echte USB-Kabel haben eine A-Buchse, mit ihrem flachen und rechteckigen Querschnitt zeigt sie zum PC bzw. Bus-aufwärts, und eine sechseckige B-Buchse (quadratisch mit zwei abgeschrägten Ecken), die an das USB-Gerät gesteckt werden.
High-Power-Geräte ohne eigene Stromversorgung dürfen nur an aktive Hubs angeschlossen werden.
An passive Hubs dürfen Low-Power-Geräte wie Tastatur, Joystick, Maus oder Drucker angeschlossen werden. Schließen Sie versehentlich ein Gerät mit hohem Stromverbrauch an wie Modem, Kamera oder Netzadapter, so führt das zur Zwangsabschaltung des Hubs und der angeschlossenen Geräte.
Fehlerhafte USB-Kabel können Ihre Geräte zerstören!

Der neue USB Typ-C-Stecker

Der Universalstecker USB Typ C wurde gleichzeitig mit dem Übertragungsstandard USB 3.1 eingeführt. Der Typ C Stecker hat drei große Vorteile:

Er ist verdrehsicher.
Er ist klein und die Typ-C-Buchse kann in Mobilgeräte wie Tablets und Smartphones eingebaut werden.
Es können wesentlich höhere Spannungen und Ströme als bei USB 2 übertragen werden.
Es sind höhere Übertragungsraten möglich (bis 10 GBit/s, im Thunderbolt-Modus bis 40 GBit/s). Dadurch können sogar Bildschirme mit 4k-Auflösung (3840 x 2060) angeschlossen werden.

Weil der Typ-C-Anschluss so vielseitig ist, verringern die Gerätehersteller die Zahl anderer Schnittstellen am Gerät. Wer eine externe Festplatte, Drucker oder Display an das Mobilteil anschließen will, braucht einen Adapter oder eine Dockingstation. Leider hat das für Standards zuständige „USB Implementers Forum“ eine kaum überschaubare Zahl von Varianten erlaubt, so dass man genau prüfen muss, welche Eigenschaften jedes Gerät und jedes Kabel hat. Das Vorhandensein eines Typ-C-Steckers bedeutet nicht, dass die im Standard möglichen Übertragungsraten und Ströme tatsächlich genutzt werden können. Hinter dem Typ-C-Anschluss des Computers kann auch ein USB 2.0 Controller verborgen sein!

USB 3

USB 3.0 mit einer Übertragungsrate von 5 GBit/s (SuperSpeed) wurde 2008 vom „USB Implementers Forum“ vorgestellt. Im Jahr 2013 wurde der USB 3.1 Standard mit einer Datenrate von 10 GBit/s (SuperSpeed +) fertiggestellt, gleichzeitig mit einem neuen Stecker „Typ C“. Bei dieser Gelegenheit wurden neue Namen festgelegt: USB 3.0 mit 5 GBit/s heißt jetzt USB 3.1 Gen. 1, und die neue Generation mit 10 GBit/s heißt USB 3.1 Gen 2.

Im September 2017 wurde ein neuer Standard USB 3.2 veröffentlicht, der Daten mit 20 Gbit/s überträgt. Geräte, welche diese Geschwindigkeit nutzen, sind noch nicht in Sicht.

Geräte über USB mit Energie versorgen

USB Battery Charging

Die EU hatte die Hersteller aufgefordert, sich auf einheitliche Ladegeräte für Mobilgeräte zu einigen. Das Ergebnis ist die „USB Battery Charging Spezifikation“. Im Netzteil werden die USB-Datenleitungen D+ und D- (die für das Aufladen nicht benötigt werden) mit einem Widerstand kleiner als 200 Ohm kurzgeschlossen. Das Mobilgerät erkennt das und schaltet die USB-Schnittstelle auf „Laden“. Übrigens − ein Netzteil muss direkt an das zu ladende Gerät angeschlossen sein, über einen zwischengesteckten USB-Hub geht es nur mit speziellen Hubs über Typ-C-Stecker.

USB kann nur 500 mA (USB 2.0) bzw. 900 mA (USB 3.0) liefern. Für die Schnellladung energiehungriger Geräte gibt es zwei nicht kompatible, proprietäre Verfahren:

VOOC von Oppo Electronics schaltet Daten- und Stromleitung parallel und überträgt je 2 Ampere, wenn ein kompatibles Gerät angesteckt ist.

Quick Charge von Qualcomm erhöht die Ladespannung stufenweise von 5 auf maximal 20 Volt, bei einem Strom von 2 bis 4,6 Ampere, wenn ein kompatibles Gerät dies anfordert.

Steckt man ein „gewöhnliches“ Mobilgerät an, gerät dieses nicht in Gefahr: Es wird entsprechend der Battery Charging Spezifikation mit maximal 0,5 oder 0,9 Ampere geladen.

USB Power Delivery

Power Delivery ist ein Standard, mit dem geeignete Geräte viel Energie über eine Typ-C-Verbindung übertragen können. Beide Geräte müssen „USB PD“ zertifiziert sein, und es wird ein „aktives Kabel“ (mit integrierter Elektronik) benötigt. Beim Anstecken beträgt die Spannung auf dem USB-Kabel stets 5 Volt, anschließend können die USB-Controller im Stromlieferanten und im Stromempfänger sich in Verhandlungen auf 12 oder 20 Volt einigen. Bei Strömen bis 5 Ampere können Geräte bis 100 Watt versorgt werden, z. B. große Notebooks und Monitore. Der Stromfluss ist birektional: Es kann der Monitor das Notebok versorgen oder umgekehrt.

Der Alternate Modus

In diesem Modus können über den Typ-C-Anschluss Daten nach den Video-Standards DisplayPort 1.3, Thunderbolt 3 und HDMI 1.4b übertragen werden. Auch PCIe, Ethernet, Audio oder MHL (Mobile High-Definition Link) sind möglich. Ob und welche dieser Möglichkeiten vom USB-Controller unterstützt werden, müssen Sie aus dem Handbuch oder Datenblatt ermitteln. Wenn diese Angaben nicht weiterhelfen, können Sie über den Gerätemanager die Hardware-ID des Controllers ermitteln und im Internet in der „PCI Device List“ dessen Typ bestimmen.

Docking Station

Es gibt Monitore, die über USB Typ C an ein Mobilgerät angeschlossen werden können, z. B. Philips Brilliance 258B6QUEB (25", etwa 400 Euro) oder der tragbare ASUS Zenscreen MB16AC (15,6", 800 Gramm, etwa 280 Euro). In die Monitore sind USB-3.0-Hubs integriert, so dass man den Monitor als Dockingstation nutzen und weitere Geräte anschließen kann, z. B. eine Festplatte oder einen Drucker.