Cosa c’è da sapere sui connettori USB e sui cavi USB

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Ryan Smoot

Il termine USB è l’abbreviazione di Universal Serial Bus. Come rapido promemoria, un “bus” è una disposizione di circuito o un sistema di comunicazione che viene utilizzato per trasferire dati tra i componenti di un sistema. Un bus “seriale”, in questo caso, trasmette i dati un bit alla volta su un singolo cavo.

Un connettore USB, tuttavia, può trasportare non solo dati da e verso i componenti, ma anche l’alimentazione elettrica, e può servire molti dispositivi hardware diversi, che vanno dalle stampanti e tastiere ai telefoni cellulari e unità flash.

Prima dello sviluppo del protocollo USB, i computer utilizzavano porte seriali e parallele per eseguire il trasferimento dei dati, con singoli dispositivi che utilizzavano varie spine, connettori, cavi, schede di espansione proprietari e i driver necessari. Le velocità di trasferimento dei dati erano basse, con porte parallele funzionanti a circa 100 kilobyte (kB) al secondo e seriali da 115 a 450 kilobit (kb) al secondo.

Al suo debutto all’inizio del 1996, dopo molto lavoro da parte di un consorzio di aziende, la specifica USB 1.0 era inizialmente in grado di trasferire dati a 1,5 megabit (Mbit) al secondo a bassa velocità e 12 Mbit al secondo a piena velocità. La velocità di trasferimento è stata ulteriormente aumentata con il rilascio della versione USB 2.0 nel 2000 a 480 Mbit al secondo e USB 3.0 nel 2008 a 4,8 gigabit al secondo (Gbps). USB 3.2 ha migliorato gli standard 3.1 e 3.0 e copre velocità fino a 20 Gbps ed è attualmente il più comunemente disponibile. L’ultima versione è USB4, rilasciata nel 2019 con velocità di trasferimento fino a 40 Gbps ed è in fase di lenta introduzione nell’uso comune.

Lo standard USB è stato gestito e certificato nel corso degli anni dal USB Implementers Forum (USB-IF), che racchiude come membri oltre 700 aziende. Il lavoro dell’USB-IF ha portato nel corso degli anni ad una serie di nuove versioni diverse dello standard con specifiche sempre più veloci. Questa maggiore velocità e migliore risoluzione video tramite un’interfaccia piccola e poco costosa ha reso i connettori USB la tecnologia dominante per il trasferimento di segnali oggi in tutto il mondo.

Fattori di forma fisica dell’USB

Esistono diversi tipi o fattori di forma fisica dei connettori USB disponibili per l’uso in una varietà di applicazioni. Questi includono:

• Tipo A – Questo è il connettore USB originale più comune, chiamato anche USB Standard A. Viene utilizzato per collegare le periferiche a valle a un dispositivo host. La forma piatta e rettangolare è mantenuta in posizione dall’attrito che ne facilita l’inserimento e la rimozione. Fornisce 5 V DC di alimentazione su uno dei pin ed è compatibile con tutti i tipi di protocolli USB.
• Tipo B – Il connettore di tipo B è più spesso associato a periferiche di computer USB. Questo connettore è di forma quadrata, con angoli leggermente smussati sulla parte superiore. Come il Tipo A, è mantenuto in posizione per attrito. È stato sviluppato per consentire alle periferiche di essere connesse senza il rischio di connettere due computer host l’uno all’altro. Questo tipo di connettore è ancora in uso, ma la versione micro è più diffusa.
• Tipo C – Questa è l’interfaccia USB più recente, con un design simmetrico reversibile che può essere inserito con ciascuno dei lati verso l’alto e può essere collegato a qualsiasi dispositivo USB-C utilizzando ambo le estremità del cavo Può trasportare segnali USB 3.2 (precedentemente 3.1 e 3.0), 2.0 e 1.1 e può trasmettere dati fino a 20 Gbps con erogazione di potenza fino a 100 W in entrambe le direzioni (espansa a 240 W con USB PD 3.1) e può supportare video DisplayPort e audio a quattro canali. Il tipo C supporta anche USB4 e Thunderbolt, un’interfaccia hardware che consente il collegamento di periferiche a un computer con velocità di trasferimento dati fino a 40 Gbps.
• Micro e Mini A e B – Come suggerisce il nome, si tratta di versioni più piccole dei connettori di tipo A e B che offrono una connessione fisicamente più piccola mantenendo velocità di trasferimento elevate di 480 Mbps e funzionalità On-The-Go (OTG), consentendo ai dispositivi mobili e alle altre periferiche di agire come host USB.
• Tipo AB – Questo connettore consente sia ai connettori micro A che micro B di collegarsi a questo tipo di presa singola, fornendo una maggiore flessibilità.

Tipi di connettori USB e piedinature

I singoli tipi di connettori USB possono accoppiarsi solo con i connettori maschio o femmina associati. Non c’è compatibilità incrociata. Ma mentre i connettori stessi sono standard, gli involucri in cui vengono utilizzati possono essere modificati in modo significativo per diverse applicazioni. Ciò ha portato allo sviluppo di connettori USB IP rated (Ingress Protection) che consentono una robusta protezione contro l’intrusione di solidi o liquidi nei dispositivi utilizzati in ambienti ostili.

La maggior parte dei gruppi di cavi USB hanno anche un tipo di connettore su un’estremità e un tipo diverso sull’altra estremità, da tipo A a tipo B o tipo C è molto comune. Poiché il tipo C è progettato specificamente per essere intercambiabile, è più comune che il tipo C si trovi su entrambe le estremità di un cavo. Questa tipologia crescerà nell’uso, poiché le porte di tipo C sono più ampiamente adottate. I connettori micro B USB 3.0, che hanno una connessione più ampia per accogliere la maggiore velocità di trasferimento dati, non possono essere utilizzati con una presa micro B USB 2.0. Tuttavia, i dispositivi con porte micro B USB 3.0 possono essere accoppiati con connettori maschio micro B USB 2.0 meno recenti.

Va chiarita la confusione sui connettori micro B e USB 3.0 micro B

Versioni standard di comunicazione USB

Come è stato notato, lo standard di comunicazione USB definisce la velocità di trasmissione dei dati, i protocolli di handshake e le specifiche di alimentazione tra i dispositivi utilizzati. Nel corso degli anni si sono registrati miglioramenti significativi dello standard, con velocità di trasferimento dati che vanno da USB 1.0 a 1,5 Mbit al secondo a USB 3.2 con velocità fino a 20 Gbps. Ogni versione successiva facilita una nuova serie di dispositivi hardware da interconnettere.

Gli standard di comunicazione USB sono notoriamente confusi con frequenti modifiche retroattive dei nomi, ma attualmente USB 3.2 è lo standard USB più facilmente disponibile ed è compatibile sia con i connettori di tipo A che di tipo C, sebbene possa variare da 5 Gbps fino a 20 Gbps. Lo standard a 20 Gbps può anche essere noto come “SuperSpeed USB 20 Gbps” o “USB 3.2 Gen 2×2”, mentre lo standard a 10 Gbps può anche essere noto come “SuperSpeed USB 10 Gbps” o “USB 3.2 Gen 2”. Infine, lo standard a 5 Gbps è attualmente noto come “SuperSpeed USB 5 Gbps” o “USB 3.2 Gen 1”. Tuttavia, l’uso di vecchie convenzioni sui nomi può essere trovato su Internet, e può essere più facile controllare manualmente le velocità per il dispositivo o il connettore e usare quel dato come riferimento.

Convenzioni e specifiche di denominazione USB 3.2

Tuttavia, come nel caso di molte installazioni, spesso diverse versioni vengono usate nello stesso sistema. Se i dispositivi che utilizzano una versione USB più recente e una versione precedente comunicano, per impostazione predefinita utilizzeranno la versione e la velocità precedenti. Questa è una funzione del software, ma la compatibilità con lo standard è legata anche all’hardware.

Tutti i connettori di tipo C sono compatibili con USB 3.2, anche se alcuni connettori di tipo C sono ancora conformi agli standard precedenti. I connettori tipo A e B dipendono dal cavo, con diversi colori del connettore che in genere denotano versioni diverse per un rapido riferimento. Spesso può sorgere confusione quando si guarda alla relazione tra lo standard del connettore fisico e gli standard di comunicazione. Il nostro post sul blog, USB di Tipo C e USB 3.2 – Chiarire la connessione, ne discute più in dettaglio.

Con lo standard originale, era richiesto un host. Un connettore di tipo A di solito indicava il dispositivo host, e un tipo B di solito era collegato alla periferica. Con USB OTG (On The GO), ciò non è necessario. USB OTG è una specifica che consente a un dispositivo USB (come uno smartphone) di fungere da host, consentendo la connessione di altri dispositivi USB. Fondamentalmente, consente a un dispositivo USB di leggere i dati da altri dispositivi senza richiedere un computer.

Standard di erogazione di potenza USB

Lo standard USB è partito come un protocollo di interfaccia dati per semplificare l’interconnettività tra i dispositivi e per fornire energia. Da allora è passato da un’interfaccia dati che fornisce potenza limitata ad un canale di potenza significativa che include un’interfaccia dati. Adesso numerosi dispositivi possono caricare o ricevere energia attraverso la connessione.

È stato fatto uno sforzo concertato per standardizzare la trasmissione di potenza e aumentare la funzionalità impostata sotto forma di standard USB Power Delivery (USB PD). Usando il Tipo C, USB PD può fornire una tensione variabile fino a 20 V e una corrente massima fino a 5 A, con un limite complessivo fino a 100 W di trasferimento di potenza. Lo standard USB PD 3.1, rilasciato nel 2021, ha ampliato la capacità di trasferimento di potenza fino a 240 W. Inoltre, la direzione della potenza non è più fissa, con l’host o la periferica che forniscono l’alimentazione. La gestione dell’energia può anche essere ottimizzata su più periferiche.

L’USB PD richiede un handshake del dispositivo digitale per ottenere queste performance più elevate. Se i chip necessari non sono disponibili e l’handshake non si verifica, il sistema torna allo standard 5 V/1 A. Ciò è indipendente dalla versione e dal tipo di USB, ma richiede che il tipo supporti gli standard USB PD. Ad esempio, un cavo da tipo A a tipo C che supporta le versioni 2.0 e successive può utilizzare PD.

Sequenza delle specifiche di erogazione della potenza USB

PD può funzionare anche con dispositivi che non trasferiscono dati, utilizzando USB esclusivamente per l’alimentazione. Richiede linee di comunicazione separate per la negoziazione dell’energia e quindi è leggermente più complicato da progettare e produrre rispetto a molti formati non USB. Questa complicazione può essere superata dal fatto che PD crea uno standard di ricarica su una vasta gamma di dispositivi, semplificando e consolidando i caricabatterie. Ciò può ridurre i rifiuti elettronici e l’inconveniente di aver bisogno di più cavi per diversi dispositivi. Per saperne di più, basta leggere il nostro post sul blog Introduzione ai connettori USB di tipo C per sola alimentazione .

Le applicazioni USB continuano ad espandersi

Offrendo una forma piccola, facilità di progettazione e utilizzo, elevate velocità di comunicazione e un maggiore trasferimento di potenza, i connettori USB possono essere utilizzati in un elenco molto ampio e crescente di applicazioni. Un breve elenco di questi utilizzi include:

• Computer desktop e portatili
• Unità disco
• Stampanti
• Scanner
• Joystick e controller
• Videocamere
• Telefoni cellulari, Smart TV
• Console da gioco

Poiché il trasferimento dei dati non è un requisito, i connettori USB possono essere utilizzati esclusivamente per alimentare dispositivi come torce ricaricabili, dispositivi di ricarica e molti altri dispositivi elettronici portatili.

Le potenziali applicazioni per USB continuano a crescere

La robustezza e la velocità del nuovo standard USB si stanno aprendo anche ad altre applicazioni. Ora ha la larghezza di banda, l’affidabilità e la capacità di erogazione di potenza da utilizzare in applicazioni industriali come l’acquisizione e il monitoraggio dei dati, la visione artificiale e il controllo di processo. Fondamentalmente, qualsiasi applicazione che utilizza 240 W di potenza o meno può essere un candidato per l’alimentazione USB.

Riepilogo

USB è uno standard incredibilmente flessibile che si sta avvicinando all’adozione quasi universale in aree in cui è richiesto il trasferimento dei dati, insieme alla potenza. I connettori e i cavi USB combinano facilità d’uso e specifiche tecniche intelligenti per consentire al progettista del prodotto o dei sistemi di ridurre la quantità e l’ingombro di cavi, ridurre l’impatto, garantire la compatibilità con le versioni precedenti e tagliare i costi complessivi. Che si tratti di progettare per il futuro o di interfacciarsi con prodotti legacy, la comprensione delle capacità dell’USB aiuterà i progettisti a creare prodotti che possano essere utilizzati da quasi chiunque sul pianeta.

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