USB-Anschlüsse im öffentlichen Raum
Beitrag verfasst von T. R. Hobbs, MEng, Inhaber und technischer Leiter von OE Electrics Ltd.
OE ist ein weltweit tätiger Entwickler und Hersteller innovativer Stromversorgungs- und Anschlusslösungen für Arbeitsbereiche und öffentliche Räume.
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In diesem Artikel wird der wesentliche Unterschied zwischen USB-A und USB-C unter dem Gesichtspunkt des Ladevorgangs erläutert und erklärt, warum Schäden an USB-A-Anschlüssen zu schwerwiegenden Ausfällen führen können, die je nach Ursache des Defekts möglicherweise Rauch und Flammen zur Folge haben. Außerdem wird dargelegt, warum sich USB-C grundlegend davon unterscheidet und die Wahrscheinlichkeit, dass solche Probleme auftreten, deutlich verringert.
Seit über einem Jahrzehnt ist USB-A ein fester Bestandteil beim Laden von Privatgeräten, obwohl es nie speziell für diesen Zweck entwickelt wurde. USB-A wurde ursprünglich für den Anschluss von PC-Peripheriegeräten wie Tastaturen und Mäusen entwickelt, die zur Datenübertragung dienen und nur geringen Strombedarf haben. Diese Geräte wurden potenziell nur einmal angeschlossen, weshalb USB-A nicht für den häufigen Gebrauch, wie beispielsweise das tägliche Anschließen und Aufladen, ausgelegt war. Das USB-Konsortium definierte nach einer langwierigen Entwicklungsphase und umfangreichen Verhandlungen mit Smartphone-Herstellern schließlich einen neuen USB-Anschluss: USB-C.
Diese Änderung war so bedeutend, dass die EU vorgeschrieben hat, dass alle Smartphones bis 2024 und alle Laptops ab 2026 USB-C-kompatibel sein müssen. Aus diesem Grund findet man USB-C mittlerweile an fast allen derzeit im Handel erhältlichen Geräten. Dieser neue, kleinere und intelligentere Anschluss wurde speziell entwickelt, um schnelleres Laden, höhere Datenübertragungsraten und sogar hochwertige Videoverbindungen zu ermöglichen. Er eignet sich nicht nur zum Laden von Smartphones und Ohrhörern, sondern auch von Tablets und Laptops.
In diesem Dokument konzentrieren wir uns jedoch ausschließlich auf die Ladefunktionen und darauf, wie diese die Art und Weise verändern, wie private Geräte im öffentlichen Raum aufgeladen werden.
Links: Die „Zunge“ des USB-A-Anschlusses ist vollständig abgebrochen, wodurch der Anschluss unbrauchbar geworden ist.
Rechts: Auch die „Zunge“ des USB-A-Anschlusses ist abgebrochen, während der darunter liegende USB-C-Anschluss völlig intakt geblieben ist.
Abgesehen von der Größe des Steckers gibt es einen grundlegenden Unterschied zwischen USB-A und USB-C: die Steuerung!
- USB-A ist ein relativ „dummer“ Stecker, bei dem die Stromleitungen immer eingeschaltet sind und darauf warten, dass ein Peripheriegerät angeschlossen wird. Dies war ursprünglich dafür gedacht, dass ein Gerät „einmalig“ – in der Regel sorgfältig – angeschlossen wird, während der Benutzer seinen (teuren) PC einrichtet. Das bedeutete, dass das Peripheriegerät sofort funktionierte. USB-A ist seit mehr als zwei Jahrzehnten der Standard-USB-Anschluss, der ursprünglich für Computerperipheriegeräte und die Datenübertragung entwickelt wurde, bevor er in großem Umfang zum Laden genutzt wurde. USB-C ist die nächste Generation und wurde entwickelt, um modernes Laden, eine höhere Leistungsabgabe, schnellere Datenübertragung und größere Vielseitigkeit zu unterstützen.
- Da USB-C ein intelligenter Anschluss mit einem ganzen Protokollsatz ist – USB-PD (Power Delivery), definiert vom USB-IF (USB Implementers Forum) –, müssen elektronische Identitätsnachweise und eine Software-Abstimmung zwischen dem Gerät und dem Ladegerät stattfinden und vereinbart werden, BEVOR Strom an die Stromleitungen angelegt wird. Dies erfordert, dass alle Geräte intelligenter sind als zuvor, und das sind sie auch: sogar Ihre über USB-C mit Strom versorgten Ohrhörer!
Gerade dieser Unterschied ist im öffentlichen Raum von entscheidender Bedeutung. Als Einzelpersonen gehen wir zu Hause oder im Büro in der Regel sorgfältig mit unseren Stromanschlüssen um. Schließlich haben wir dafür bezahlt oder sind dafür verantwortlich. Menschen, die es an Flughäfen, Bahnhöfen oder in Zügen eilig haben, sind jedoch nicht immer so vorsichtig. Vor allem Kinder haben den Drang, Dinge in Öffnungen wie USB-Anschlüsse zu stecken. Die meisten USB-Ausfälle sind auf unsachgemäßen Gebrauch, zu grobes Ein- und Ausstecken oder ähnliche Handlungen zurückzuführen. Die unmittelbare Folge ist, dass die Steckzunge (die die Kontakte enthält) bricht. In der Folge können die Kontakte jedoch auch gequetscht werden. Sind sie einmal gequetscht, ergeben sich im Wesentlichen drei mögliche Szenarien:
Die Kontakte sind nicht kurzgeschlossen – in diesem Fall funktioniert der Anschluss einfach nicht, wenn jemand ihn einsteckt, und der Nutzer wird eine andere Steckdose ausprobieren.
Die Kontakte sind kurzgeschlossen (berühren sich gegenseitig oder das Metallgehäuse des USB-Anschlusses) – in diesem Fall schaltet der Kurzschlussschutz in hochwertigen Ladegeräten die Steckdose ab.
Die Kontakte sind nicht vollständig kurzgeschlossen, liegen aber nahe genug beieinander, um eine hochohmige Verbindung zu bilden.
Sollte Szenario 1 eintreten, wird es unweigerlich dazu kommen, dass – nachdem immer mehr Menschen ihr Gerät anschließen, um die Steckdose zu „testen“, nur um festzustellen, dass sie nicht funktioniert – irgendwann Szenario 2 oder 3 eintritt, da die Kontakte wiederholt zusammengedrückt werden. Während Szenario 2 jedoch dazu führt, dass sich das Ladegerät aus Sicherheitsgründen abschaltet, kann Szenario 3 – auch wenn es weitaus unwahrscheinlicher ist – tatsächlich zu erheblichen Problemen führen, insbesondere bei USB-A-Anschlüssen.
Die gute Nachricht ist, dass hochwertige Ladegeräte nicht nur über einen Kurzschlussschutz, sondern auch über einen Überlastschutz verfügen. Dies ist jedoch keine Selbstverständlichkeit, und ohne diesen Schutz ist die folgende Situation noch schlimmer. Das bedeutet: Wenn zu viel Strom fließt, aber nicht genug, um den Kurzschlussschutz auszulösen, schaltet sich das Ladegerät ebenfalls ab.
Nun kommen wir jedoch zum Unterschied zwischen USB-A und USB-C. USB-C versorgt seine Stromkontaktpins nur dann mit Strom, wenn die korrekten Identifikationsdaten festgestellt wurden und eine Aushandlung zwischen Gerät und Ladegerät stattgefunden hat. Dies wäre nicht möglich, wenn die Kontakte zusammengedrückt wären. Im Gegensatz dazu sind die Stromkontaktpins bei USB-A immer eingeschaltet.
Wenn bei einem USB-A-Anschluss die hochohmige Verbindung aus Szenario 3 so beschaffen ist, dass der fließende Strom unter dem Auslösepunkt für die Überlastschutzschaltung liegt (der schließlich höher eingestellt sein muss als die Nennleistung des Ladegeräts), fließt weiterhin Strom.
Bei einem normalen USB-A-Ladegerät können diese bis zu 12 Watt betragen. An einer hochohmigen Verbindung kann dies an einer bestimmten Stelle zu extrem hohen Temperaturen führen, die unter Umständen so hoch sind, dass Kunststoff schmilzt oder sogar brennbares Material in Brand gerät.
Zum Vergleich: Für den Laien reichen bereits 3 Watt Wärme, verteilt über den gesamten Körper eines Ladegeräts, aus, damit sich das Ladegerät bei Berührung warm anfühlt und eine zulässige Temperatur von etwa 50–60 °C erreicht. Es ist daher nachvollziehbar, dass fast das Zehnfache dieser Energie, die an einer bestimmten Stelle an einer elektrischen Verbindung abgegeben wird, zu deutlich höheren Temperaturen führen kann, die möglicherweise mit denen eines Lichtbogenschweißgeräts vergleichbar sind.
In öffentlichen Räumen sind USB-Anschlüsse häufig defekt. Bei einem sehr geringen Anteil davon kann es zu hochohmigen Verbindungen kommen. Dabei kann es zu einer Erwärmung kommen, die das umgebende Kunststoffmaterial zum Schmelzen bringt und möglicherweise einen unangenehmen Geruch verursacht; wird jedoch ein brennbarer Fremdkörper, wie beispielsweise ein Stück Holz oder Lebensmittel, in den Anschluss geschoben, könnte sich dieser entzünden oder Rauch entwickeln. Es wurde festgestellt, dass dies an Flughäfen vorkommt, wo daraufhin Feueralarme ausgelöst wurden, was zu äußerst lästigen und kostspieligen Evakuierungen sowie zu öffentlicher Besorgnis führte.
Wir haben zwar den grundlegenden „steuerungstechnischen“ Unterschied zwischen USB-A und USB-C erläutert, doch gibt es auch mechanische Unterschiede, die die Sicherheit verbessern.
Die Kontakte der USB-A-Buchsen sind Federn, die leichter beschädigt und verbogen werden können als die massiven Kontakte der USB-C-Buchsen. Bei USB-C befinden sich die Kontaktfedern im Stecker.
USB-C-Buchsen sind kleiner und weitaus weniger anfällig für das Eindringen von Flüssigkeiten, während USB-A eine größere Öffnung aufweist, durch die Flüssigkeiten leichter eindringen können. Und dann gibt es, wie bereits angedeutet, die Protokollunterschiede zwischen USB-A und USB-C.
USB-C und USB-PD entsprechen einem besser kontrollierten Standard für das USB-Laden, wie er von der USB-IF definiert wurde.
USB-A wurde zwar ebenfalls von der USB-IF definiert, hat jedoch infolge der jahrelangen Entwicklung als Ladeanschluss zu einer Vielzahl unterschiedlicher proprietärer Protokolle geführt, die von einzelnen Geräteherstellern entwickelt wurden. Mittlerweile gibt es eine lange Liste, darunter USB 1/2, USB 3, BC 1.2, Apple 2.4A, Qualcomm QC 2/3, Samsung AFC, FCP, SCP und VOOC, um nur einige zu nennen. Nicht alle davon sind miteinander kompatibel oder besonders robust, was zudem zu Steuerungs- und Sicherheitsproblemen führen kann.
Fazit
In diesem Beitrag wird daher die Einschätzung vertreten, dass USB-A, das seit über zwei Jahrzehnten als Stromquelle für tragbare Geräte mit geringem Stromverbrauch dient, nicht für die Anforderungen an das Laden mit höherer Leistung im öffentlichen Raum geeignet ist. Dies gewinnt zunehmend an Bedeutung, da wir als Öffentlichkeit auf diese Anschlüsse für mobiles Arbeiten (Smartphone oder Laptop), soziale Medien, Tickets, Bankgeschäfte, Einkäufe, Wegbeschreibungen und vieles mehr angewiesen sind. Wenn ein Nutzer unbedingt USB-A verwenden möchte, sollte er sein eigenes Netzteil mitbringen, auf das er selbst aufpassen kann, und es an eine Steckdose anschließen. Andernfalls sollte er sich ein neues Kabel besorgen!
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