USB 3.1 in industriellen Anwendungen

USB hat als Standard im Consumerbereich viele Schnittstellen komplett verdrängt. Auch in industriellen Anwendungen ist USB zunehmend beliebter – etwa beim Auslesen von Messdaten, für den Anschluss mobiler Geräte oder dem Einspielen von Softwareupdates an Maschinen. Doch warum ist die ganz große Verbreitung im industriellen Bereich ausgeblieben?

Neben Einschränkungen in der Spezifikation hat USB bislang ein Imageproblem, denn USB-Steckverbinder gelten zwar als günstiges Zubehör für anspruchslose Anwendungen, aber nicht als robuste Industriesteckverbinder. Und das nicht ganz zu Unrecht: Viele Produkte hatten schlicht Qualitätsmängel. So waren die verwendeten Rohstoffe oft nicht auf die Anforderungen der Applikation abgestimmt, was zu Problemen bei der Lötbarkeit und infolgedessen zu Schwächen bei Arretiermechanismus und Haltbarkeit führte. Aber auch das mechanische Design des Steckverbinders spielte eine wichtige Rolle, denn Einsteck- und Auszugskräfte können sich negativ auswirken und schlimmstenfalls zerstört der Steckverbinder beim Stecken oder Ziehen die Buchse.

Im Gegensatz zu bisherigen USB-Standards sind USB-3.1-Produkte beidseitig steckbar, das lästige Rumprobieren hat ein Ende. Würth Elektronik

EMV-Probleme bei USB

Ein weiteres Thema ist die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV). Eigentlich sollte USB wegen der symmetrischen Datenübertragung sehr störfest sein. Die Verdrillung der Adern sorgt bei induktiver Störeinwirkung (Magnetfeld) für eine Kompensation der Störeinwirkung. Theoretisch kompensieren sich die Störeinflüsse durch die Symmetrisierung der Teilinduktivitäten der jeweiligen Verdrillung. In der Praxis kann diese Störfestigkeit aber beeinträchtigt sein, was den Einsatz für manche Anwendungen als ungeeignet erscheinen ließ. Dabei liegen die Gründe hierfür oft in der mangelnden Symmetrie der Aus- und Eingänge des USB-Controllers oder eben in der mangelnden Qualität der Module:

• Die Schnittstellenkonstruktion (Buchse, Gehäuse) ist mangelhaft – schlechte Masse reduziert die Schirmdämpfung des Kabels, Filter haben schlechten Massebezug.
• Das USB-Kabel ist unsymmetrisch, schlecht geschirmt und hat einen mangelhaften Masseanschluss – das Kabel verschlechtert die Signalqualität, strahlt Signalharmonische ab und weist ungenügende Schirmdämpfung gegenüber Fremdstörern auf.

Entwickler in der Industrie mussten also auf diese Eigenschaften Rücksicht nehmen und für zusätzliche EMV-Absicherung sorgen, um diese Probleme zu umgehen. Hersteller und Entwickler indes, die das Thema EMV in Verbindung mit USB-Steckverbindern ignorierten, bekamen in der Praxis Probleme.

Überzeugende Argumente

Mit dem aktuellen USB-3.1-Standard rückt der industrielle Einsatz von USB jetzt in greifbare Nähe. Schon die verdoppelte Datenrate von 10 GBit/s ist ein starkes Argument, äußerst interessant für industrielle Anwendungen ist zudem die deutlich höhere Versorgungsleistung von bis zu 100 W gegenüber 9 W. Und die Stromversorgung kann bei USB 3.1 jetzt auch in der Gegenrichtung erfolgen – also vom Client zum Host, was zusätzliche Anwendungen ermöglicht.

Zu guter Letzt macht USB 3.1 Schluss mit dem nervigen Stochern, um den Stecker richtig herum einzustecken. Denn Typ-C-Stecker haben in Version USB 3.1 keine Richtung mehr und sind beidseitig steckbar. Diese einfachere Handhabung sollte nicht nur Anwendern von Consumerelektronik zugutekommen.

Anschlussbelegung bei USB 3.1: Ein einziger Stecker bedient Datenaustausch, Stromversorgung, Videoinhalte und Netzwerke. Würth Elektronik

Mit diesen Eigenschaften eignet sich USB 3.1 für viele industrielle Anwendungen. In der Industrieelektronik etwa kann USB dadurch die in der Anwendung komplizierteren Technologien PCI Express oder Thunderbolt ersetzen – natürlich auch mit dem Kostenargument der Massenproduktion.

Hochwertige Materialien und gute Abschirmung

Die denkbaren Einsatzszenarien für USB sind tatsächlich universell. Ein einziger Stecker ist die Antwort auf viele unterschiedliche Anforderungen wie Datenaustausch, Stromversorgung, Videoinhalte und Netzwerke, dient aber auch als Ersatz für D-Sub und HDMI sowie modulare Buchsen. Beispiele für typische Applikationen sind externe Festplatten und Server, medizinische Anwendungen mit integrierten Monitoren, Industrieapplikationen mit Datensicherung, Smartphones und alle tragbaren Geräte wie Sensoren, Power Banks oder kleine Monitore.

Dennoch gilt es, auch angesichts der erweiterten technischen Möglichkeiten die Grundbedingungen für den industriellen Einsatz im Auge zu behalten. Für eine industrielle USB-Anwendung ist das bereits angeschnittene Thema der EMV-Absicherung wichtig und zuverlässig zu adressieren. Und wer die Zuverlässigkeit der Anwendung nicht riskieren will, sollte nicht am Material sparen und hochwertige Module verbauen.

Die Buchsen müssen so ausgelegt sein, dass sie sich auch für nicht konforme Steckverbinder eignen. Würth Elektronik

Beispiel für ein Kennzeichen hochwertiger Steckverbinder ist der optimierte Anbindungswinkel. Beträgt der Anbindungswinkel mehr als 40 Grad, können die Kontakte beim Einstecken des Steckers beschädigt werden. In der Theorie verfügen Steckverbinder über eine Fase von 30 Grad, in der Praxis sind diese Fasen aber nicht immer integriert. Lowcost-Steckverbinder können also die kundenseitige Endanwendung beschädigen, was dann Beschwerden, Servicekosten und gegebenenfalls Imageschäden nach sich zieht – nur wegen einer USB-Buchse. Deshalb müssen die Buchsen marktkonform so ausgelegt sein, dass sie sich auch für nicht konforme Steckverbinder eignen. USB-3.1-Module mit besserer Schirmung und dicker beschichteten Kontaktflächen genügen auch hohen mechanischen Ansprüchen und bieten einen Ausweg – aber natürlich teuer. Doch mit einer Haltbarkeit von 10.000 Steckzyklen eignen sich diese Module eben auch für Geräte, die länger halten sollen als schnelllebige Consumerprodukte.

Dynamische Marktentwicklung

Zunächst ist eine dynamische Marktentwicklung bei Consumer-Applikationen zu erwarten. Bereits heute verwenden viele Hersteller von Smartphones USB 3.1 Typ C als Ersatz für USB 2.0 oder Micro USB 3.0 Typ B. Steckverbinderhersteller gehen davon aus, dass Industrieunternehmen in einem Jahr nachziehen werden, wenn Entwicklungsteams ihre Anforderungen und mögliche Beschränkungen beim Einsatz der neuen Technologie ausgewertet haben.

(mou)