USB-Anschlüsse und Stecker

Connector-Eigenschaften

Benutzerfreundlichkeit und Orientierung

Die vom USB-Komitee spezifizierten Steckverbinder unterstützen eine Reihe grundlegender USB-Ziele und spiegeln die Lehren wider, die aus den vielen Steckverbindern gewonnen wurden, die die Computerindustrie verwendet hat. Der am Host oder Gerät montierte Stecker wird als Buchse bezeichnet, und der am Kabel befestigte Stecker wird als Stecker bezeichnet. Der Standard definiert dies absichtlich, um die Verwendung von Verlängerungskabeln zu verhindern. In den offiziellen USB-Spezifikationsdokumenten wird außerdem regelmäßig der Begriff „männlich“ für den Stecker und „weiblich“ für die Buchse definiert.

Konstruktionsbedingt ist es schwierig, einen USB-Stecker falsch in die Buchse einzustecken. Die USB-Spezifikation besagt, dass das erforderliche USB-Symbol auf der „Oberseite“ des USB-Steckers eingeprägt sein muss, was „... eine einfache Erkennung durch den Benutzer ermöglicht und die Ausrichtung während des Steckvorgangs erleichtert.“ Aus der Spezifikation geht auch hervor, dass sich das „empfohlene“ „Herstellerlogo“ („im Diagramm eingraviert, aber im Text nicht angegeben“) auf der gegenüberliegenden Seite des USB-Symbols befindet. In der Spezifikation heißt es weiter: „Das USB-Symbol befindet sich außerdem neben jeder Buchse. Die Buchsen sollten so ausgerichtet sein, dass das Symbol auf dem Stecker während des Steckvorgangs sichtbar ist.“ Allerdings berücksichtigt die Spezifikation nicht die Höhe des Geräts im Vergleich zur Augenhöhe des Benutzers, sodass die Seite des Kabels, die „sichtbar“ ist, wenn es an einen Computer auf einem Schreibtisch angeschlossen wird, davon abhängen kann, ob der Benutzer steht oder steht kniend.

USB-Verlängerungskabel

Während es für die Benutzerfreundlichkeit besser gewesen wäre, wenn das Kabel mit beiden Seiten nach oben eingesteckt werden könnte, wurde dies im ursprünglichen Design weggelassen, um die Herstellung so kostengünstig wie möglich zu gestalten. Ajay Bhatt, der am ursprünglichen USB-Designteam beteiligt war, arbeitet an einem neuen Design, um das Kabel mit beiden Seiten nach oben einzuführen. Der neue Wendestecker ist zudem deutlich kleiner als der aktuelle USB 3.0 Micro-B-Stecker. Es heißt Typ-C und soll als Ergänzung zur bestehenden USB-3.1-Spezifikation eingeführt werden.

Zum Einstecken oder Entfernen eines USB-Kabels ist nur mäßiger Kraftaufwand erforderlich. USB-Kabel und kleine USB-Geräte werden durch die Greifkraft der Buchse an Ort und Stelle gehalten (ohne dass Schrauben, Clips oder Rändelschrauben erforderlich sind, die bei anderen Anschlüssen erforderlich sind).

Stromverbrauchstopologie
Die Standardanschlüsse sollten bewusst die gerichtete Topologie eines USB-Netzwerks erzwingen: Anschlüsse vom Typ A an Hostgeräten, die Strom liefern, und Anschlüsse vom Typ B an Zielgeräten, die Strom beziehen. Dadurch soll verhindert werden, dass Benutzer versehentlich zwei USB-Netzteile miteinander verbinden, was zu Kurzschlüssen und gefährlich hohen Strömen, Stromkreisausfällen oder sogar Bränden führen könnte. USB unterstützt keine zyklischen Netzwerke und die Standardanschlüsse von inkompatiblen USB-Geräten sind selbst inkompatibel.

Allerdings geht ein Teil dieser gerichteten Topologie mit dem Aufkommen von Mehrzweck-USB-Verbindungen verloren (z. B. USB On-The-Go in Smartphones und USB-betriebene WLAN-Router), die A-zu-A-, B-Verbindungen erfordern. to-B und manchmal Y/Splitter-Kabel. Eine ausführlichere zusammenfassende Beschreibung finden Sie im Abschnitt „USB-On-The-Go-Anschlüsse“ weiter unten.

Haltbarkeit
Die Standardstecker wurden auf Robustheit ausgelegt. Da USB Hot-Plug-fähig ist, werden die Anschlüsse häufiger und möglicherweise mit weniger Sorgfalt verwendet als andere Anschlüsse. Viele frühere Steckverbinderdesigns waren fragil und erforderten eingebettete Komponentenstifte oder andere empfindliche Teile, die anfällig für Biegung oder Bruch waren. Die elektrischen Kontakte eines USB-Steckers werden durch eine angrenzende Kunststoffzunge geschützt, und die gesamte Verbindungsbaugruppe wird normalerweise durch eine umschließende Metallhülle geschützt.

Die Steckerkonstruktion stellt immer sicher, dass die Außenhülle des Steckers Kontakt mit ihrem Gegenstück in der Buchse hat, bevor einer der vier Stecker im Inneren elektrischen Kontakt herstellt. Der äußere Metallmantel ist typischerweise mit der Systemerde verbunden und leitet so schädliche statische Ladungen ab. Dieses Gehäusedesign bietet außerdem einen gewissen Schutz vor elektromagnetischen Störungen des USB-Signals, während es durch das zusammengesteckte Steckerpaar übertragen wird (die einzige Stelle, an der das ansonsten verdrillte Datenpaar parallel übertragen wird). Aufgrund der erforderlichen Größe der Strom- und Gemeinschaftsanschlüsse werden diese außerdem nach der Systemerde, aber vor den Datenanschlüssen hergestellt. Diese Art der abgestuften Make-Break-Zeitsteuerung ermöglicht einen elektrisch sicheren Hot-Swap. ^[41]

Die neueren Micro-USB-Buchsen sind für bis zu 10.000 Zyklen des Einsteckens und Entfernens zwischen Buchse und Stecker ausgelegt, verglichen mit 1.500 beim Standard-USB und 5.000 bei der Mini-USB-Buchse. Dies wird erreicht, indem eine Verriegelungsvorrichtung hinzugefügt wird und der Blattfederstecker von der Buchse zum Stecker verschoben wird, sodass sich der am stärksten beanspruchte Teil auf der Kabelseite der Verbindung befindet. Diese Änderung wurde vorgenommen, damit der Stecker am günstigeren Kabel den größten Verschleiß erleidet und nicht der Stecker am teureren Micro-USB-Gerät.

Kompatibilität
Der USB-Standard legt relativ lockere Toleranzen für kompatible USB-Anschlüsse fest, um physische Inkompatibilitäten bei Anschlüssen verschiedener Hersteller zu minimieren. Um eine Schwachstelle einiger anderer Steckerstandards zu beheben, definiert die USB-Spezifikation auch Grenzen für die Größe eines Verbindungsgeräts im Bereich um seinen Stecker. Dies wurde durchgeführt, um zu verhindern, dass ein Gerät aufgrund der Größe des Zugentlastungsmechanismus des Kabels (normalerweise in die Außenisolierung des Kabels integriert) am Stecker benachbarte Anschlüsse blockiert. Kompatible Geräte müssen entweder den Größenbeschränkungen entsprechen oder ein entsprechendes kompatibles Verlängerungskabel unterstützen.

Im Allgemeinen haben Kabel nur Stecker und Hosts und Geräte nur Buchsen. Hosts verfügen fast überall über Steckdosen vom Typ A und Geräte über die eine oder andere Variante vom Typ B. Typ-A-Stecker passen nur zu Typ-A-Steckdosen und Typ-B zu Typ-B-Steckdosen. sie sind bewusst physikalisch inkompatibel. Eine Erweiterung der USB-Standardspezifikation namens „USB On-The-Go“ ermöglicht jedoch, dass ein einzelner Port entweder als Host oder als Gerät fungiert – je nachdem, welches Ende des Kabels in die Buchse am Gerät eingesteckt wird. Selbst nachdem das Kabel angeschlossen ist und die Einheiten miteinander kommunizieren, kann es unter Programmsteuerung dazu kommen, dass die beiden Einheiten ihre Enden „vertauschen“. Diese Funktion ist für Geräte wie PDAs gedacht, bei denen die USB-Verbindung in einem Fall als Gerät mit dem Host-Port eines PCs verbunden sein kann, in einem anderen Fall jedoch als Host selbst mit einem Tastatur- und Mausgerät verbunden ist.

USB 3.0-Anschlüsse
Hauptartikel: USB 3.0-Abwärtskompatibilität
Typ-A-Stecker und -Buchsen von USB 3.0 und USB 2.0 sind für die Zusammenarbeit konzipiert. Stecker und Buchsen vom Typ B in USB 3.0 sind etwas größer als die in USB 2.0; Somit passen USB-2.0-Stecker vom Typ B in USB-3.0-Buchsen vom Typ B, das Gegenteil ist jedoch nicht möglich.

Steckverbindertypen

Arten von USB-Anschlüssen von links nach rechts (Lineal in Zentimetern): Micro-B-Stecker, proprietärer UC-E6-Stecker (nicht USB), Mini-B-Stecker, Standard-A-Buchse (verkehrt herum), Standard-A-Stecker, Standard-A-Stecker B-Stecker
Es gibt verschiedene Arten von USB-Anschlüssen, darunter auch einige, die im Laufe der Spezifikation hinzugefügt wurden. Die ursprüngliche USB-Spezifikation enthielt detaillierte Angaben zu Standard-A- und Standard-B-Steckern und -Buchsen; Der B-Stecker war notwendig, damit die Verkabelung an beiden Enden abgeschlossen werden konnte und dennoch verhindert wurde, dass Benutzer eine Computersteckdose mit einer anderen verbinden konnten. In der ersten technischen Änderungsmitteilung zur USB 2.0-Spezifikation wurden Mini-B-Stecker und -Buchsen hinzugefügt.

Arten von USB-Anschlüssen von links nach rechts (Lineal in Zentimetern): Micro-B-Stecker, proprietärer UC-E6-Stecker (nicht USB), Mini-B-Stecker, Standard-A-Buchse (verkehrt herum), Standard-A-Stecker, Standard-A-Stecker B-Stecker

Die Datenanschlüsse im Standard-A-Stecker sind im Gegensatz zu den externen Stromanschlüssen tatsächlich im Stecker versenkt. Dadurch kann zuerst die Stromversorgung hergestellt werden, wodurch Datenfehler verhindert werden, da das Gerät zuerst hochgefahren und dann die Daten übertragen werden kann. Einige Geräte arbeiten in unterschiedlichen Modi, je nachdem, ob die Datenverbindung besteht. Dieser Verbindungsunterschied kann ausgenutzt werden, indem der Stecker nur teilweise eingeführt wird. Beispielsweise schalten einige batteriebetriebene MP3-Player in den Dateiübertragungsmodus und können keine MP3-Dateien abspielen, während ein USB-Stecker vollständig eingesteckt ist. Sie können jedoch im MP3-Wiedergabemodus mit USB-Stromversorgung betrieben werden, indem der Stecker nur teilweise eingesteckt wird, sodass die Stromversorgung erfolgt Stellen Sie keinen Kontakt her, während dies bei den Datensteckplätzen nicht der Fall ist. Dadurch können diese Geräte im MP3-Wiedergabemodus betrieben werden und gleichzeitig über das Kabel mit Strom versorgt werden.

Um eine reine Ladefunktion zuverlässig zu ermöglichen, enthalten moderne USB-Zubehörperipheriegeräte jetzt Ladekabel, die Stromverbindungen zum Host-Port, aber keine Datenverbindungen bereitstellen, und es sind sowohl Heim- als auch Fahrzeugladedocks erhältlich, die Strom von einem Konvertergerät liefern und nicht enthalten ein Host-Gerät und Datenpins, so dass jedes fähige USB-Gerät über ein Standard-USB-Kabel aufgeladen oder betrieben werden kann.

Standardanschlüsse

Pinbelegung der USB-Anschlüsse Standard A/B, Blickrichtung auf die Vorderseite/das Ende des Steckers
Der USB-Stecker vom Typ USB 2.0 Standard-A ist ein abgeflachtes Rechteck, das in eine „Downstream-Port“-Buchse am USB-Host oder Hub gesteckt wird und sowohl Strom als auch Daten überträgt. Dieser Stecker ist häufig an Kabeln zu finden, die dauerhaft an ein Gerät angeschlossen sind, beispielsweise an einem Kabel, das eine Tastatur oder Maus über eine USB-Verbindung mit dem Computer verbindet.

Pinbelegung der USB-Anschlüsse Standard A/B, Blickrichtung auf die Vorderseite/das Ende des Steckers

USB-Verbindungen verschleißen mit der Zeit, wenn sich die Verbindung durch wiederholtes Ein- und Ausstecken löst. Die Lebensdauer eines USB-A-Steckers beträgt etwa 1.500 Verbindungs-/Trennzyklen.

Ein Standard-B-Stecker – der eine quadratische Form mit abgeschrägten Außenecken hat – wird normalerweise in eine „Upstream-Buchse“ eines Geräts eingesteckt, das ein abnehmbares Kabel verwendet, z. B. einen Drucker. Bei einigen Geräten verfügt die Steckdose vom Typ B über keine Datenanschlüsse, sondern dient ausschließlich der Stromaufnahme vom vorgeschalteten Gerät. Dieses Schema mit zwei Anschlüssen (A/B) verhindert, dass ein Benutzer versehentlich eine Stromschleife erzeugt.

Mini- und Micro-Anschlüsse

USB-Mini-A-Stecker (links) und USB-Mini-B-Stecker (rechts).
Für kleinere Geräte wie Digitalkameras, Smartphones und Tablet-Computer wurden verschiedene Anschlüsse verwendet. Dazu gehören die mittlerweile veralteten (d. h. nicht mehr zertifizierten, aber standardisierten) Mini-A- und Mini-AB-Anschlüsse (Mini-B-Anschlüsse werden weiterhin unterstützt, sind aber nicht OTG-konform (On The Go, d. h. mobil)).[45] Der Mini-B-USB-Anschluss war Standard für die Datenübertragung von und zu den frühen Datentelefonen und PDAs wie Blackberrys.

Die Mini-A- und Mini-B-Stecker sind ca. 3 x 7 mm groß. Die Micro-USB-Stecker haben eine ähnliche Breite und etwa die halbe Dicke, was ihre Integration in dünnere tragbare Geräte ermöglicht. Der Micro-A-Stecker ist 6,85 x 1,8 mm groß und hat eine maximale Umspritzungsgröße von 11,7 x 8,5 mm. Der Micro-B-Stecker ist 6,85 x 1,8 mm groß und hat eine maximale Umspritzungsgröße von 10,6 x 8,5 mm.

Der Micro-USB-Anschluss wurde am 4. Januar 2007 von der USB-IF angekündigt. Der Micro-B-USB-Anschluss hat einen maximalen Nennstrom von entweder 1 A pro Pin oder 1,8 A für Pins 1 und 5 und 0,5 A für Pins 2. 3 und 4. Der Mini-A-Stecker und der Mini-AB-Buchsenstecker wurden am 23. Mai 2007 veraltet. Während viele derzeit verfügbare Geräte und Kabel immer noch Mini-Stecker verwenden, werden die neueren Micro-Stecker weithin übernommen und seit Dezember 2010 Sie werden am häufigsten verwendet. Die dünneren Mikrostecker sollen die Mini-Stecker in neuen Geräten wie Smartphones, persönlichen digitalen Assistenten und Kameras ersetzen. Das Micro-Stecker-Design ist für mindestens 10.000 Steck- und Trennzyklen ausgelegt – deutlich mehr als das Mini-Stecker-Design. Es soll außerdem den mechanischen Verschleiß des Geräts verringern; Stattdessen ist das einfacher auszutauschende Kabel so konzipiert, dass es dem mechanischen Verschleiß beim Verbinden und Trennen standhält. Die Spezifikation für Universal Serial Bus Micro-USB-Kabel und -Anschlüsse beschreibt die mechanischen Eigenschaften von Micro-A-Steckern, Micro-AB-Buchsen (die sowohl Micro-A- als auch Micro-B-Stecker akzeptieren) und Micro-B-Stecker und -Buchsen sowie a Adapter von Standard-A-Buchse auf Micro-A-Stecker.

Der Mobilfunkanbieter Open Mobile Terminal Platform (OMTP) hat 2007 Micro-USB als Standardanschluss für Daten und Strom auf Mobilgeräten empfohlen. Darüber hinaus hat auch die Internationale Fernmeldeunion (ITU) am 22. Oktober 2009 dies bekannt gegeben bezeichnete Micro-USB als universelle Ladelösung, seine „energieeffiziente One-Charger-fits-all-neue Mobiltelefonlösung“ und fügte hinzu: „Basierend auf der Micro-USB-Schnittstelle verfügen UCS-Ladegeräte auch über eine 4-Sterne- oder höhere Effizienz.“ Nennleistung – bis zu dreimal energieeffizienter als ein Ladegerät ohne Nennleistung.“

Die europäischen Normungsgremien CEN, CENELEC und ETSI (unabhängig vom OMTP/GSMA-Vorschlag) haben ein gemeinsames externes Netzteil (EPS) für die Verwendung mit in der EU verkauften Smartphones auf Basis von Micro-USB definiert.14 der weltweit größten Mobiltelefonhersteller unterzeichnet das gemeinsame EPS Memorandum of Understanding (MoU) der EU. Apple Inc., einer der ursprünglichen Unterzeichner des MoU, stellt – wie im Common EPS MoU zulässig – Micro-USB-Adapter für seine iPhones zur Verfügung, die mit Apples proprietärem 30-Pin-Dock-Anschluss oder (später) „Lightning“-Anschluss ausgestattet sind.

USB-Anschlüsse für unterwegs
Hauptartikel: USB On-The-Go

Alle aktuellen USB On-The-Go (OTG)-Geräte müssen über einen und nur einen USB-Anschluss verfügen: eine Micro-AB-Buchse. Diese Buchse kann sowohl Micro-A- als auch Micro-B-Stecker aufnehmen und an alle legalen Kabel und Adapter gemäß Micro-USB1.01 angeschlossen werden. Vor der Entwicklung von Micro-USB mussten USB-On-The-Go-Geräte Mini-AB-Buchsen verwenden, um die entsprechende Aufgabe auszuführen.

Das OTG-Gerät mit eingestecktem A-Stecker wird als A-Gerät bezeichnet und ist bei Bedarf für die Stromversorgung der USB-Schnittstelle zuständig und übernimmt standardmäßig die Rolle des Hosts. Das OTG-Gerät mit eingestecktem B-Stecker wird B-Gerät genannt und übernimmt standardmäßig die Rolle des Peripheriegeräts. Ein OTG-Gerät ohne eingesteckten Stecker fungiert standardmäßig als B-Gerät. Wenn eine Anwendung auf dem B-Gerät die Rolle des Hosts erfordert, wird das Host Negotiation Protocol (HNP) verwendet, um die Host-Rolle vorübergehend auf das B-Gerät zu übertragen.

Bei OTG-Geräten, die entweder an ein reines Peripherie-B-Gerät oder einen Standard-/Embedded-Host angeschlossen sind, wird die Rolle durch das Kabel festgelegt, da es in diesen Szenarien nur möglich ist, das Kabel in einer Richtung anzuschließen.

Kabelstecker (USB 1.x/2.0)

Es gibt Kabel mit Steckerpaaren:

Nicht standardmäßig

Existiert für bestimmte proprietäre Zwecke und ist in den meisten Fällen nicht mit USB-IF-kompatiblen Geräten kompatibel. Es gibt jedoch kompatible A-zu-A-Kabel mit einem Schaltkreis in der Mitte, der sich wie ein Gerätepaar verhält, wie zum Beispiel das Easy Transfer Cable.

Zusätzlich zu den oben genannten Kabelsätzen, die aus zwei Steckern bestehen, entspricht ein „Adapter“-Kabel mit einem Micro-A-Stecker und einer Standard-A-Buchse den USB-Spezifikationen. Andere Steckerkombinationen sind nicht konform.

Veraltet

Einige ältere Geräte und Kabel mit Mini-A-Steckern wurden von USB-IF zertifiziert. Der Mini-A-Stecker ist veraltet: Es werden keine neuen Mini-A-Stecker und weder Mini-A- noch Mini-AB-Steckdosen zertifiziert.

Kabelstecker (USB 3.0)

Siehe auch: USB 3.0-Anschlüsse

USB 3.0 Micro-B-Stecker
Siehe auch: USB 3.0-Anschlüsse
Mit USB 3.0 wurde ein neuer Micro-B-Kabelstecker eingeführt, siehe Foto rechts. Es besteht aus einem Standard-USB 1.x/2.0 Micro-B-Kabelstecker, an dessen Seite zusätzlich ein 5-poliger Stecker „gestapelt“ ist. Auf diese Weise blieb der USB 3.0 Micro-A-Hostanschluss abwärtskompatibel mit den USB 1.x/2.0 Micro-B-Kabelsteckern.

USB 3.0 Micro-B-Stecker

Pinbelegung
Siehe auch: USB 3.0-Pinbelegung
USB ist ein serieller Bus, der für die USB 2.0-Variante vier abgeschirmte Drähte verwendet: zwei für die Stromversorgung (VBUS und GND) und zwei für differenzielle Datensignale (bezeichnet als D+- und D--in-Pinbelegung). Für die Datenübertragung wird das Non-Return-to-Zero Inverted (NRZI)-Codierungsschema mit einem Synchronisierungsfeld zur Synchronisierung der Host- und Empfängeruhren verwendet. D+- und D--Signale werden über ein verdrilltes Paar übertragen und ermöglichen so Halbduplex-Datenübertragungen für USB 2.0.

In der USB 3.0-Variante sind zusätzliche Kabel vorhanden, die aus zwei verdrillten Paaren bestehen und verschiedene Verbesserungen bieten, darunter Vollduplex-Datenübertragungen mit erhöhter Geschwindigkeit.

USB 1.x/2.0 Standard-Pinbelegung

USB 1.x/2.0 Mini/Micro-Pinbelegung

Proprietäre Konnektoren und Formate
Hersteller persönlicher elektronischer Geräte verfügen aus technischen oder Marketinggründen möglicherweise nicht über einen USB-Standardanschluss an ihren Produkten. Einige Hersteller bieten proprietäre Kabel an, mit denen ihre Geräte physisch an einen USB-Standardanschluss angeschlossen werden können. Die volle Funktionalität proprietärer Anschlüsse und Kabel mit USB-Standardanschlüssen ist nicht gewährleistet; Einige Geräte nutzen beispielsweise nur den USB-Anschluss zum Laden des Akkus und implementieren keine Datenübertragungsfunktionen.

Farben
Ports und Anschlüsse sind häufig farblich gekennzeichnet, um verschiedene Funktionen zu unterscheiden. Diese Farben sind nicht Teil der USB-Spezifikation und können je nach Hersteller variieren.
[Zitat erforderlich]