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Wissenswertes zu USB Power Delivery (USB-PD)

Den Begriff USB hat jeder schon einmal gehört, wenn es um Computer geht. Schließlich ist die Schnittstelle mittlerweile Standard. Der Zusatz „Power Delivery“ ist jedoch meistens nicht mehr ganz so geläufig. Im Prinzip heißt Power Delivery nichts anderes als Stromlieferant. Aber hinter USB-Power Delivery oder besser gesagt USB-PD steckt noch weit mehr. Um die Sinnhaftigkeit hinter USB-PD zu verstehen, muss man ein wenig die geschichtliche Entwicklung der USB-Schnittstelle betrachten.

Schnittstelle und Energieversorgung

Die USB-Schnittstelle sollte die unterschiedlichsten Schnittstellen-Steckverbinder ablösen.

Im Jahr 1996 wurde die USB-Schnittstelle (Universal Serial Bus) eingeführt. Der neue USB-Standard sollte die bis dahin üblichen seriellen und parallelen Schnittstellen ablösen.

Dabei war es bereits ab den ersten Versionen (USB 1.0 und USB 1.1) möglich, angeschlossene Geräte mit Strom zu versorgen. Bei der Betriebsspannung für die externen USB-Geräte wurde eine Gleichspannung von 5 V als Standard festgelegt.

Die Stromstärke für die angeschlossenen Verbraucher wurde im Low Power Mode zunächst auf 100 mA begrenzt. Erst als sich der Verbraucher als High Power Device zu erkennen gab, konnte ihn die USB-Schnittstelle im Host mit einem Strom von bis zu 500 mA versorgen. Vorausgesetzt, die Schnittstelle war dazu ausgelegt. Dies war z.B. bei älteren Notebooks mit USB 1.1 nicht immer der Fall.

Diese Stromstärke war für die meisten USB-Geräte wie Tastaturen, Mäuse oder Kartenleser vollkommen ausreichend. Deshalb wurde an den Grenzwerten für die Stromversorgung auch an der Nachfolgeversion USB 2.0 nichts geändert.

Theorie und Praxis leider nicht immer konform

Auch wenn es in der Norm festgelegt wurde, kann nicht jeder USB 2.0 - Anschluss immer 500 mA liefern. Dies ist z.B. bei einer USB-Tastatur mit zwei USB-Buchsen der Fall. Diese zusätzlichen Buchsen bauen die Hersteller gerne in ihre Tastaturgehäuse ein, damit dem Anwender leicht erreichbare Anschlüsse zur Verfügung stehen.

Soweit so gut. Allerdings ist die Tastatur über das Anschlusskabel mit einer USB-Buchse verbunden, die im Idealfall 500 mA liefern kann. Die Tastatur-Elektronik und der in der Tastatur integrierte USB-Verteiler (Hub) benötigen einen Teil des Stroms.

Wenn dafür ein Wert von 100 mA angenommen wird, stehen für die beiden USB-Buchsen im Tastaturgehäuse nur noch max. 400 mA zur Verfügung.

Und diesen Strom müssen sich die Buchsen untereinander aufteilen. Wenn überhaupt, dann werden an diesen Buchsen aber nur Kleinverbraucher wie eine Computer-Maus, ein Kartenleser oder ein Speicherstick angeschlossen.

Aufgrund des geringen Strombedarfs dieser Geräte ist die als „bus powered“ bezeichnete Stromversorgung der Tastatur nicht unbedingt ein Problem

Da über die Anschlussleitung max. 500 mA fließen, müssen sich die beiden USB-Buchsen den verbleibenden Strom teilen.

Anders sieht das bei USB-Hubs aus, die über eine große Anzahl an Ausgängen verfügen. Darum legen die Hersteller geeignete Netzteile zur Stromversorgung des Hubs und der USB-Ausgänge bei. In diesem Fall spricht man dann von self powered Geräten.

Ein USB-Hub mit sieben Ausgängen und einem Eigenverbrauch von 100 mA müsste demzufolge ein Netzteil mit 5 V und 3600 mA (7 x 500 mA + 1 x 100 mA) besitzen. Aus Kostengründen legen die Hersteller aber keine so starken Netzteile bei, denn es ist sehr unwahrscheinlich, dass gleichzeitig alle sieben Ausgänge mit dem Maximalstrom von 500 mA belastet werden.

Mehr Leistung mit USB 3.0/3.1 (Gen1) 

Mit USB-Superspeed standen dann schon bis zu 900 mA zur Verfügung.

Mit der Einführung von USB 3.0 im Jahr 2008 wurde nicht nur die Datengeschwindigkeit mit 5 Gbit/s deutlich angehoben. Auch der maximal zulässige Strom im High Power Mode wurde von 500 mA auf 900 mA erhöht.

Dies wurde gemacht, um mit USB 3.0 auch stromhungrige Verbraucher wie externe Festplatten oder externe CD-Brenner ausreichend mit Strom zu versorgen.

Allerdings darf das angeschlossene Gerät nur dann mit dem maximalen Strom versorgt werden, wenn die Freigabe durch den Controller im Host erfolgte. Ansonsten stehen im Low Power Mode noch 150 mA zur Verfügung.

Übrigens: Viele Hersteller wollten das Risiko nicht eingehen, dass ihre USB-Anschlüsse zu wenig Strom liefern. Deshalb wurde die Stromversorgung oftmals großzügiger dimensioniert, was aber dann nicht mehr den Normwerten entsprach.

USB-BC (Battery-Charging)

Mittlerweile gibt es unzählige Geräte auf dem Markt, die über USB geladen werden.

Dazu zählen nicht nur Smartphones und Wareables. Auch im Spielzeug-Bereich wird das Laden über USB-Kabel immer beliebter.

Besonders die weit verbreiteten Einsteiger-Quadrocopter werden gerne über USB-Kabel geladen. Denn der Spielwaren-Hersteller braucht nur ein geeignetes USB-Ladekabel seinem Produkt beilegen.

Ein teures Ladegerät kann er sich sparen, wodurch der Endpreis für den Kunden deutlich günstiger wird. Leider sind dadurch aber auch die Ladezeiten recht lange

Ein USB Ladegerät mit mehr Leistung und Schnelllade-Funktion wäre da eine echte Alternative. Zumal das Ladegerät direkt am Stromnetz betrieben werden kann und kein Computer laufen muss.  

Darum bieten einige Hersteller von USB-Ladegeräten oder Hubs ihre Produkte auch mit einer USB-BC Buchse mit einem maximalen Strom von 1500 mA (1,5 A) und mehr an. Dadurch werden die Ladezeiten von Tablets, Smartphones und auch Toys deutlich kürzer.

Dank eigenem Netzteil bietet dieser 7fach Hub zwei zusätzliche Schnelladeausgänge.

Noch mehr Strom mit USB 3.1 (Gen2)

USB Stecker Typ A (unten) und USB-Stecker Typ CTM (oben).

Einen weiteren Schub in Richtung Schnellladung gab es mit der Einführung von USB 3.1 (Gen2). Neben der Verdoppelung der Übertragungsgeschwindigkeit auf 10 Gbit/s wurde auch die max. Stromstärke auf 3 A erhöht.

Dies entspricht bei einer Spannung von 5 V einer Leistung von 15 W. Zusammen mit USB 3.1 erschien auch ein neuer Steckverbinder auf den Markt.

Der USB-Typ-CTM-Stecker bzw. USB-CTM oder Typ-CTM kann dank seiner vielen Kontakte neben USB auch Thunderbolt, DisplayPort, PCI Express und analoge Audiosignale übertragen. Zudem ist der USB-CTM Stecker extrem kompakt und lässt sich beidseitig anschließen.

Dadurch muss man nicht ständig den Stecker am USB-Kabel drehen, damit er in die USB-Buchse passt.

Mit USB-PD bis zu 100 W übertragen

Um noch mehr Leistung über die USB-Schnittstelle übertragen zu können, wurde USB Power Delivery eingeführt. Bei USB-PD löst man sich von der verhältnismäßig geringen Spannung von 5 V und nutzt zusätzlich höhere Spannungswerte. So lassen sich Monitore, Drucker und andere Geräte ohne zusätzliche Stromversorgung betreiben.

Beim Anschluss steht zunächst die 5 V Spannung zur Verfügung. Über die Datenleitungen tauschen die beiden Geräte dann aus, wie hoch die Versorgungsspannung sein soll und welches der beiden Geräte den Strom liefern soll. Für die unterschiedlichen Grenzwerte für Spannung und Strom gibt es unterschiedliche USB-PD Profile.

Ladestation mit USB Power Delivery-Anschluss.

Hier die Übersicht der USB-PD Profile nach dem USB Implementers Forum (USB-IF)

Profil 5 V 12 V 20 V Maximale Leistung Anwendung
1 2,0 A -- -- 10 W Kleine mobile Geräte
2 2,0 A 1,5 A -- 18 W Tablets, Netbooks und Smartphones
3 2,0 A 3,0 A -- 36 W Kleine Notebooks oder Laptops
4 2,0 A 3,0 A 3,0 A 60 W Große Notebooks und Docking-Stations
5 2,0 A 5,0 A 5,0 A 100 W Scanner, Monitore und Drucker

Das Profil 1 ist mit einem handelsüblichen USB Kabel realisierbar. Die anderen Profile benötigen Kabel, die für die höheren Spannungen und Ströme ausgelegt sind. Dazu eignen sich z.B. USB-CTM-Kabel.

Mittlerweile gibt es aber auch Ladegeräte oder Powerbanks, die mit einer feineren Spannungsabstufung wie z.B. 5 V, 9 V, 12 V, 15 V und 20 V arbeiten.

Dünne Kabel, hoher Widerstand

Dünne Kabel können keine hohen Leistungen übertragen.

So schön, wie leistungsstarke USB-Anschlüsse auch sind, muss man ein besonderes Augenmerk auf die Kabel legen.

Denn was hilft es, wenn der USB-Anschluss 1,5 A liefert, aber der Leitungsquerschnitt des USB-Kabels zu dünn ist. Die dünnen Kabel haben einen zu hohen Widerstand, über den ein Teil der Versorgungsspannung verloren geht.

Im schlimmsten Fall wird das angeschlossene Gerät unterversorgt und arbeitet nicht richtig.

Zudem werden können die Kabel sehr heiß werden, was im schlimmsten Fall zu einem Kabelbrand führen kann.

Messen und wissen statt schätzen oder vermuten

Ob eine USB-Schnittstelle auch wirklich den erforderlichen Strom liefert, kann man oft nur vermuten. Ebenso unklar ist, ob das verwendete Kabel wirklich uneingeschränkt zum Laden geeignet ist. Na gut, wenn der Ladevorgang von Tablet, Smartphone und Co. nicht zu lange dauert, wird es vermutlich schon irgendwie passen. Aber besser ist es, wenn man konkrete Messergebnisse vorliegen hat.

Speziell für diesen Zweck gibt es sogenannte USB Multimeter. Mit diesen praktischen Messhelfern sehen Sie sofort, wieviel wie hoch die Spannung an der USB-Buchse ist und wieviel Strom fließt. Zudem werden noch die eingeladenen Kapazitätswerte, die Leistung, der Innenwiderstand und die Temperatur angezeigt.

Somit erkennen Sie sehr schnell, welche USB-Buchse bzw. welches Kabel die Ladezeit Ihres USB-Gerätes unnötig in die Länge zieht.

Ein USB-Multimeter liefert konkrete Messergebnisse.

Häufig gestellte Fragen zum Thema USB Power Delivery

Wodurch unterscheiden sich USB Power Delivery und USB-BC?

Im Prinzip lediglich durch die Leistung. Bei USB-BC ist die Spannung von 5 V Standard und nicht variabel. Bei Power Delivery kann die Spannung zwischen 5 V und 20 V variieren.
 

Darf an einem Ladegerät mit USB-PD auch ein Smartphone ohne USB-PD angeschlossen werden?

Grundsätzlich ja, wenn passende Steckverbinder verwendet werden. Wie hoch die übertragene Leistung letztendlich ist, hängt von beiden Geräten (Ladegerät und Smartphone) ab. Erst wenn sich der Verbraucher als geeignet für Power Delivery erweist, wird das Ladegerät die Leistung und auch die Spannung erhöhen. Ansonsten bleibt die Spannung bei 5 V.
 

Brauche ich spezielle USB-Stecker für Power Delivery?

Um die volle Leistung von bis zu 100 W nutzen zu können, sind geeignete USB-Kabel erforderlich, die an beiden Enden USB-C-Stecker aufweisen. Aus diesem Grund setzen die Hersteller von Ladegeräten, USB-Hubs oder USB-Powerbanks  vorzugsweise USB-C-Buchsen für Power Delivery ein.
 

Wie hoch dürfen die unterschiedlichen USB-Stecker belastet werden?

Micro-USB-Steckverbinder sollten mit nicht mehr als mit 3 A bei 5 V belastet werden. Größere USB-Steckverbinder (Typ A und B) sollten nicht höher als mit 5 A bei 5 V belastet werden. Bei höheren Spannungen sind USB-Typ-C Steckverbinder erforderlich.

Wichtig:
Die tatsächliche Belastbarkeit hängt in erster Linie von der Qualität der Steckverbinder und natürlich vom Querschnitt der verwendeten Kabel ab.

  

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