Bild 1: USB-3.1-Steckverbinder in der Steckerausführung Type C: Ein einziger Stecker bedient Datenaustausch, Stromversorgung, Videoinhalte und Netzwerke.

Bild 1: USB-3.1-Steckverbinder in der Steckerausführung Type C: Ein einziger Stecker bedient Datenaustausch, Stromversorgung, Videoinhalte und Netzwerke. Würth Elektronik Eisos

USB hat seit seiner Einführung 1996 (USB 1.0) als Anschluss von PCs an Peripheriegeräte viele früher eingesetzte Schnittstellen verdrängt und ist in der Konsumelektronik längst zum Standard geworden. Auch in industriellen Anwendungen ist USB zunehmend beliebter – etwa beim Auslesen von Messdaten, für den Anschluss mobiler Geräte oder dem Einspielen von Software-Updates 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 Stecker beziehungsweise Buchsen hatten schlicht Qualitätsmängel. So waren die verwendeten Werkstoffe oft nicht auf die Anforderungen der Anwendung abgestimmt, was zu Problemen bei der Lötbarkeit und infolgedessen zu Schwächen beim Arretiermechanismus und dessen 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.

Bild 2: USB 3.1 Gen 2, Type C-Buchse: Der Stecker ist beidseitig steckbar – das Herumprobieren beim Einstecken entfällt jetzt endlich.

Bild 2: USB 3.1 Gen 2, Type C-Buchse: Der Stecker ist beidseitig steckbar – das Herumprobieren beim Einstecken entfällt jetzt endlich. Würth Elektronik Eisos

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; dies ließ den Einsatz von USB-Steckverbindern für manche Anwendungen als ungeeignet erscheinen. Dabei liegen die Gründe oft in der mangelnden Symmetrie der Aus- und Eingänge des USB-Controllers oder 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 eine 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.

Bild 3: Anschlussbelegung USB 3.1 Gen 2, Typ C-Buchse.

Bild 3: Anschlussbelegung USB 3.1 Gen 2, Typ C-Buchse. Würth Elektronik Eisos

USB 3.1 Gen 2: Datenrate von 10 GBit/s

Mit dem aktuellen USB-3.1-Gen-2-Standard rückt der industrielle Einsatz von USB jetzt in greifbare Nähe. Die verdoppelte Datenrate von 10 GBit/s ist bereits ein starkes Argument. Äußerst interessant für industrielle Anwendungen ist zudem die deutlich höhere Versorgungsleistung von bis zu 100 W gegenüber früher 9 W. Und die Stromversorgung kann bei USB 3.1 Gen 2 jetzt auch in der Gegenrichtung erfolgen – also vom Client zum Host, was zusätzliche Anwendungen ermöglicht.

Zu guter Letzt macht USB 3.1 Gen 2 oder genau genommen das neue Steckgesicht des dafür definierten USB-Type-C-Steckers Schluss mit dem nervigen Stochern, um den Stecker richtig herum einzustecken. Denn die Type-C-Stecker für USB 3.1 Gen 2 haben keine Steckrichtung mehr – sie sind beidseitig steckbar. Mit diesen Eigenschaften eignet sich die neueste USB-3.1-Version für viele industrielle Anwendungen. In der Industrieelektronik etwa kann sie die in der Anwendung komplizierteren Technologien PCI Express oder Thunderbolt ersetzen – natürlich auch mit dem Kostenargument der Massenproduktion.

Hochwertige Werkstoffe und gute Abschirmung

Die denkbaren Einsatzszenarien für USB 3.1 Gen 2 sind 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 Anwendungen sind externe Festplatten und Server, medizinische Anwendungen mit integrierten Monitoren, Industrieapplikationen, die eine Datensicherung erfordern, Smartphones und alle tragbaren Geräte wie Sensoren, Power Banks und 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 die 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.

Bild 4: USB-Steckverbinder Type C mit USB-2.0-Belegung (links) und voller Pin-Belegung (rechts).

Bild 4: USB-Steckverbinder Type C mit USB-2.0-Belegung (links) und voller Pin-Belegung (rechts). Würth Elektronik Eisos

Ein 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. Low-cost-Steckverbinder können also die kundenseitige Endanwendung beschädigen. 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.

Zunächst ist eine dynamische Marktentwicklung von USB 3.1 Gen 2 bei Consumer-Anwendungen zu erwarten. Bereits heute verwenden viele Hersteller von Smartphones USB-Stecker Type C (mit USB 3.1 Gen 2) als Ersatz für USB 2.0 oder Micro-USB 3.0 Typ B. Die Steckverbinder-Hersteller gehen davon aus, dass die Industrieunternehmen in etwa einem Jahr nachziehen werden, wenn Entwicklungsteams ihre Anforderungen und mögliche Beschränkungen beim Einsatz der neuen Technologie ausgewertet haben. Würth Elektronik ist als Hersteller von elektronischen Standard-Bauelementen wie Steckverbindern dafür gerüstet – entsprechende Stecker und Buchsen werden unter dem Produktnamen WR-COM USB 3.1 angeboten. Hochwertige Werkstoffe (unter anderem Kupferlegierungen für die Kontakte und Gold-plattierte Kontakte) machen die Komponenten geeignet für industrielle Anwendungen. ■

USB-Steckverbinder und ihre Bezeichnungen

Seit der Einführung der aktuellen USB-3.1-Spezifikation im Jahr 2013 finden sich immer mehr Geräte mit einer USB-3.1-Schnittstelle. Die verschiedenen Hersteller verwenden dafür jedoch teils unterschiedliche Bezeichnungen, aber mit gleicher Bedeutung. Was ist nun was?

Die aktuelle USB-3.1-Spezifikation von 2013, auch ‚Superspeed+‘ genannt, ist bekannt für schnelle Übertragungsraten von 10 Gbit/s. Die 2008 vorgestellte Vorgängerspezifikation USB 3.0 oder auch ‚Superspeed‘ kann Daten mit 5 Gbit/s nur halb so schnell übertragen. Aus nicht bekannten Gründen hat das USB Implementers Forum (USB IF) die USB-3.0-Spezifikation nachträglich in ‚USB 3.1 Gen 1‘ umbenannt, wobei ‚Gen‘ für Generation steht.

Der aktuelle USB-3.1-Standard heißt nun ‚USB 3.1 Gen 2‘. Am Markt konnte sich dies jedoch noch nicht etablieren. Deswegen verwenden verschiedene Hersteller unterschiedliche Bezeichnungen gleichbedeutend: USB 3.0, USB 3.1 Gen 1 oder Superspeed für die 5-Gbit/s-Variante von 2008 oder USB 3.1, USB 3.1 Gen 2 oder Superspeed+ für die 10-Gbit/s-Spezifikation aus dem Jahre 2013. Die Tabelle veranschaulicht die Neuerungen und die parallel verwendeten Bezeichnungen für die USB-Spezifikationen.

Parallel zur USB-3.1-Gen-2-Spezifikation hat das USB Implementers Forum den USB-Type-C-Stecker spezifiziert. Dies hat viele Anwender verunsichert, die USB 3.1 Gen 2 mit USB Type-C gleichgesetzt haben. Hierbei ist folgendes zu beachten: USB Type-C ist ein neuer Steckertyp, der die physischen Eigenschaften des Steckers definiert. USB 3.1 Gen 2 hingegen definiert die Software und das elektronische Protokoll, das übertragen wird.

Die technischen Voraussetzungen zur Übertragung von USB 3.1 Gen 2 sind mit USB Type-C gegeben. Es lassen sich jedoch auch langsamere Protokolle wie USB 2.0 über einen USB-Type-C-Stecker übertragen. Analog dazu kann USB 3.1 Gen 2  auch über einen geeigneten USB-Type-A-Stecker übertragen werden.

Die besondere Neuheit ist das Steckgesicht von USB Type-C. Waren bislang nur die Typen A und B im Einsatz, die über eine definierte Ober-und Unterseite verfügen, ist die Version C eine echte Neuerung. Hier sind Ober- und Unterseite identisch und damit muss nicht auf die Steckrichtung des Gegensteckers geachtet werden. Zudem ist die Größe der Verbindung reduziert: sie entspricht in etwa den Abmessungen der Micro-USB-Type-B-Steckverbindung.

Außerdem unterstützt Type C mit bis zu 100 W (20 V bei 5 A) auch Ladeprozesse zum Beispiel für Batterien, Laptops oder zum Betrieb von Monitoren. Voraussetzung hierfür sind jedoch geeignete Kabel und Geräte, die die USB Stromversorgung unterstützen. Neben USB lassen sich über den USB-Type-C-Stecker unter gewissen Voraussetzungen auch andere Protokolle wie beispielsweise Displayport, Thunderbolt, HDMI oder MHL übertragen.

Yamaichi Electronics bietet mit seiner USB-Serie ein umfangreiches Portfolio an USB-2.0- und USB-3.1-Steckern und Buchsen sowie entsprechenden Kabeln an. Sämtliche Steckverbinder und Kabelkonfektionen USB 3.1 sind mit Nickel-Palladium und Gold plattiert, um die hohe Übertragungsqualität zu gewährleisten und die Steckzyklen abzusichern. Der Hersteller bietet zudem ein Standardprogramm der Stecktypen A und C sowohl in Stecker- als auch Buchsen-Ausführung sowie Kabel-Assemblierungen in diversen Varianten und Kombinationen an.

Dieser Beitrag (Kasten) basiert auf Unterlagen der Firma Yamaichi.