USB-C: Alt Mode, Power Delivery, E-Marker

USB-C ist ein Steckverbinder. Er sagt, was mechanisch einrastet, und sonst nichts. Ob durch dieses Kabel ein Bildsignal geht, wie schnell die Daten laufen und wie viel Leistung übertragen wird, sind drei voneinander unabhängige Fragen — mit drei unterschiedlichen Antworten für jedes einzelne Kabel und jeden einzelnen Anschluss.

Genau darin liegt der Ärger, den die Bauform sonst so elegant vermeidet. Ein Stecker, der in beide Richtungen passt und überall hineingeht, erzeugt die Erwartung, dass auch überall dasselbe herauskommt. Die Spezifikation kennt diese Erwartung nicht: Sie definiert eine Reihe von Fähigkeiten, die ein Kabel haben kann, und verlangt für die höheren davon, dass das Kabel sie selbst meldet.

Drei Dinge durch denselben Stecker

Die Trennung dieser drei Ebenen ist der ganze Inhalt des Themas. Alles Weitere folgt daraus.

Daten. Am unteren Ende steht USB 2.0 mit 480 Mbit/s, am oberen USB4. Ein Kabel, das nur USB 2.0 beherrscht, hat die Hochgeschwindigkeitspaare schlicht nicht verdrahtet — es ist kein langsameres Kabel, sondern ein anderes. Damit fällt gleichzeitig die Bildübertragung weg, denn die läuft über dieselben Adern.

Bild. Ein Videosignal wandert nicht als USB-Datenstrom durch die Leitung. Stattdessen handeln beide Seiten einen Alternate Mode aus, und in diesem Modus werden einzelne Kontakte des Steckers auf ein anderes Protokoll umgelegt. Der praktisch einzige relevante Fall ist DisplayPort Alt Mode, festgelegt von der VESA, dem Normungsgremium der Bildschirmindustrie. Die Type-C-Spezifikation gibt dafür genau vor, welche Kontakte überhaupt umbelegt werden dürfen — die beiden Adern für USB 2.0 bleiben während des gesamten Vorgangs am USB-Controller.

Leistung. Strom fließt über USB Power Delivery, ein eigenes Verhandlungsprotokoll auf einer eigenen Ader. Die beiden Seiten einigen sich auf Spannung und Strom, bevor mehr als die Grundversorgung fließt, und die Richtung ist nicht festgelegt: Ein Monitor kann ein Notebook versorgen statt umgekehrt.

Die drei Ebenen sind unabhängig genug, dass jede Kombination vorkommt. Ein Kabel kann 240 Watt übertragen und trotzdem kein Bild. Ein anderes liefert 8K-Video und lädt nur langsam. Beide sind normgerecht.

Was Power Delivery wirklich hergibt

Bis 2021 endete USB Power Delivery bei 100 Watt, erreicht über 20 Volt bei 5 Ampere. Mit Revision 3.1 kamen drei höhere Festspannungen dazu — 28, 36 und 48 Volt —, und damit 140, 180 und 240 Watt. Zusätzlich gibt es einen einstellbaren Modus, in dem das versorgte Gerät Zwischenspannungen oberhalb von 15 Volt anfordern kann, statt auf die festen Stufen angewiesen zu sein.

Der Strom bleibt dabei die eigentliche Grenze des Kabels. Die Spezifikation kennt zwei Belastbarkeiten, 3 und 5 Ampere, und die höhere gibt es nur bei Kabeln, die sich elektronisch ausweisen. Die 240 Watt entstehen deshalb nicht aus mehr Strom, sondern aus mehr Spannung — bei denselben 5 Ampere. Für die Leitung ist das die freundlichere Lösung, weil die Verluste am Strom hängen und nicht an der Spannung.

Der E-Marker: das Kabel meldet sich selbst

Ein Kabel ohne Elektronik kann nichts über sich aussagen, und raten darf die Stromquelle nicht — 5 Ampere durch eine 3-Ampere-Leitung wären ein Sicherheitsproblem. Die Lösung der Spezifikation ist ein kleiner Chip im Stecker, der E-Marker.

Vor jeder Leistungsvereinbarung fragt die Quelle das Kabel nach seiner Identität. Der E-Marker antwortet mit Strombelastbarkeit, unterstützter Datenrate, Hersteller- und Produktkennung. Erst danach wird ausgehandelt, was tatsächlich fließt. Versorgt wird der Chip über eine eigene Ader, und er muss spätestens 50 Millisekunden nach dem Anlegen dieser Versorgung antwortbereit sein.

Zwei Regeln machen daraus eine belastbare Aussage: Jedes Full-Featured-Kabel — also jedes, das die Hochgeschwindigkeitspaare führt — muss elektronisch gekennzeichnet sein, und jedes Kabel über 3 Ampere ebenfalls. Reine USB-2.0-Kabel dürfen den Chip haben, brauchen ihn aber nicht.

Für die Fehlersuche ist das die nützlichste Eigenschaft der ganzen Familie: Ein Kabel, das seine Fähigkeiten nicht meldet, bekommt sie auch nicht zugeteilt. Wer ein Notebook mit halber Geschwindigkeit laden sieht, sucht nicht am Netzteil, sondern am Kabel dazwischen.

Woran man es von außen erkennt

Anders als bei HDMI, wo die Zertifizierung auf der Verpackung sitzt, gehört die Kennzeichnung bei USB-C an das Kabel selbst. Das USB-IF verlangt für alle USB-C-auf-USB-C-Kabel ein Logo auf der Umspritzung, geprägt oder gedruckt. Wer ein Kabel durch die Konformitätsprüfung bringen will, muss es vorher mit dem passenden kombinierten Zeichen versehen: Datenrate und Wattzahl zusammen, also etwa 20Gbps/60W für ein Kabel mit 20 Gbit/s bei 20 Volt und 3 Ampere.

Das ist die einzige Angabe, die am eingebauten Kabel noch ablesbar ist, wenn die Verpackung längst im Altpapier liegt. Ein Kabel ohne jede Kennzeichnung ist deshalb kein schlechtes Kabel — aber eines, über das sich ohne Messgerät nichts sagen lässt.

Warum die Länge hier härter zuschlägt als anderswo

Die Type-C-Spezifikation nennt für jede Generation eine praktisch erreichbare Kabellänge. Sie ist ausdrücklich als informativ gekennzeichnet und keine Grenze im Sinne einer Vorschrift, aber sie zeigt die Richtung deutlich:

Ein Faktor fünf zwischen der langsamsten und der schnellsten Ausführung — das ist der Punkt, an dem USB-C aufhört, ein Thema der Gebäudeplanung zu sein. Für längere Strecken gibt es aktive Kabel mit Verstärkern in den Steckern; sie sind zulässig, gelten als elektronisch gekennzeichnet und lösen das Problem trotzdem nur bis zu einer gewissen Länge. Wenn Bild über eine feste Strecke im Bauwerk soll, sind HDMI, HDBaseT oder eine AV-over-IP-Architektur die Formate dafür, und USB-C bleibt das, was es gut kann: die letzten anderthalb Meter zum Gerät.

Häufige Missverständnisse

„USB-C ist der neue Standard." USB-C ist eine Bauform. Standards sind USB 2.0, USB 3.2, USB4, USB Power Delivery und DisplayPort Alt Mode — und keiner davon folgt zwingend aus dem Stecker. Die Bauform ersetzt viele alte Stecker, sie ersetzt keine einzige Spezifikationsfrage.

„Es lädt ja, also ist das Kabel in Ordnung." Laden gelingt auch über ein reines USB-2.0-Kabel, und das darf bis zu vier Meter lang sein. Genau dieses Kabel überträgt niemals ein Bild, weil die dafür nötigen Adern fehlen. Die Erfahrung „es funktioniert" stammt in solchen Fällen aus einer Anwendung, die nur einen Bruchteil der Fähigkeiten abruft.

„Der Bildschirm bleibt schwarz, das Kabel ist kaputt." Meistens nicht. Scheitert der Eintritt in den Alternate Mode, meldet sich das Gerät nach einer festgelegten Wartezeit als sogenanntes Billboard-Gerät — eine Minimalfunktion, deren einziger Zweck darin besteht, dem Rechner mitzuteilen, welche Modi das Gerät eigentlich anbietet. Das ist der Grund für die kryptische Systemmeldung über ein angeschlossenes Gerät, das „nicht richtig funktioniert". Sie ist keine Fehlfunktion, sondern die vorgesehene Antwort auf eine nicht zustande gekommene Verhandlung — und ein brauchbarer Hinweis darauf, dass Kabel oder Gegenstelle den gewünschten Modus nicht beherrschen.

„Ein Adapter macht aus USB-C HDMI." Ein solcher Adapter setzt ein Signal um, das aus dem Anschluss herauskommen muss. Beherrscht der Anschluss keinen Alternate Mode, hilft kein Adapter, und dasselbe Adapterkabel arbeitet am nächsten Notebook wieder einwandfrei. Der Unterschied liegt am Port, nicht am Zubehör.

Grenzen und Sonderfälle

Thunderbolt nutzt denselben Stecker. Thunderbolt-Anschlüsse sind USB-C-Anschlüsse mit zusätzlichen Fähigkeiten, aber die Umkehrung gilt nicht. Ein Gerät, das Thunderbolt verlangt, arbeitet an einem einfachen USB-C-Port nicht oder nur eingeschränkt.

Aktive und optische Kabel sind richtungsgebunden. Sie haben unterschiedliche Enden; vertauscht angeschlossen liefern sie nichts. Was das für fest verlegte Strecken bedeutet, steht bei AOC und DAC.

Fest angeschlagene Kabel folgen anderen Regeln. Bei einem Gerät mit angegossenem Kabel entfällt die Steckverbindung an einem Ende, und die Spezifikation erlaubt dort mehr Freiheiten bei der Kontaktbelegung. Für die Planung heißt das: Ein solches Kabel ist Teil des Geräts und nicht tauschbar.

Die gelesene Fassung ist nicht die aktuelle. Alle hier belegten Aussagen zur Kabel- und Steckerspezifikation stammen aus Release 2.0 vom August 2019. Inzwischen liegen neuere Fassungen vor, unter anderem die Aktualisierung auf Release 2.1, mit der die 240-W-Kabelanforderungen definiert wurden.

In der Planung

Ein Arbeitsplatz im Wohnraum, an dem ein Notebook aufgeklappt wird und danach alles laufen soll: Bild auf dem großen Display, Ton über die Anlage, Strom ins Gerät, dazu Kamera und Mikrofon für Videokonferenzen. Der Wunsch lautet „ein Kabel".

Zuerst ist zu klären, wie viel Bewegungsfreiheit dieser Platz haben soll. Bleibt das Notebook auf einem festen Tisch, ist die Strecke kurz und die Ein-Kabel-Lösung realistisch. Soll der Platz auch auf dem Sofa oder am Esstisch funktionieren, sind es schnell fünf Meter — und damit ist die Frage entschieden, bevor über Geräte gesprochen wird.

Aus dieser Reichweite folgt das Verfahren. Für kurze Wege genügt ein zertifiziertes Kabel mit passendem Logo, gesteckt direkt am Gerät. Für längere Wege wird das Signal aufgeteilt: eine Dockingstation am Arbeitsplatz, von dort HDMI oder Netzwerk in die feste Installation, Strom aus der nächsten Steckdose. Die Dockingstation ist dabei nicht das Zubehör am Ende der Kette, sondern der Punkt, an dem das Geräteformat in das Gebäudeformat übergeht.

Erst danach kommt die Geräteauswahl, und dort zählen drei Angaben, die kein Datenblatt freiwillig zusammenstellt: Beherrscht der Anschluss am Notebook einen Alternate Mode? Wie viel Leistung nimmt das Notebook maximal auf, und liefert die Gegenstelle so viel? Und ist das gelieferte Kabel für genau diese Kombination gekennzeichnet?

Verknüpfte Inhalte

Warum Steckverbinder, Schnittstelle und Signalart getrennt betrachtet werden müssen und USB-C dafür das Lehrbeispiel ist, steht unter Signalart, Schnittstelle, Medium, Steckverbinder und Port. Der Vergleichsfall auf der Bildseite sind die HDMI-Kabelklassen — dort hängt die Zusage an Modell und Länge, hier am Chip im Stecker.

Für alles, was über die letzten Meter hinausgeht, sind HDBaseT und AV over IP die Formate; wenn Strom und Daten über eine Netzwerkleitung zusammenlaufen sollen, ist Power over Ethernet der Weg dafür. Warum der Leiterquerschnitt bestimmt, wie viel Strom eine Leitung verträgt, behandelt Leiterquerschnitt und AWG.

Quellen

Kabelaufbau, Längen, Strombelastbarkeiten, E-Marker und die Regeln zu den Alternate Modes stammen aus der Type-C-Spezifikation Release 2.0 vom August 2019, die im Volltext ausgewertet wurde. Die Leistungsstufen von Power Delivery — 100 Watt vor 2021, danach 240 Watt über 48 Volt bei 5 Ampere sowie die Zwischenstufen bei 28 und 36 Volt — stehen auf der Übersichtsseite des USB Implementers Forum. Die Kennzeichnungspflicht auf der Umspritzung und die kombinierten Datenraten- und Leistungslogos stehen in den Logo-Richtlinien desselben Verbands. Die Angaben zu DisplayPort Alt Mode 2.0 — 80 Gbit/s über alle vier Paare oder 40 Gbit/s bei gleichzeitiger USB-Datenübertragung — stammen aus der VESA-Mitteilung vom April 2020.

Die Gliederung nach Daten, Bild und Leistung sowie der Merksatz, dass USB-C-Fähigkeiten produktspezifisch je Port gespeichert werden müssen, folgen strukturell dem internen Rohstoff der Signal- und Steckverbinder-Datenbank; die fachlichen Einzelaussagen sind dort nicht belegt und stehen hier an den oben genannten Primärquellen.