USB-C wegwijs & uitleg- soort en variaties zoals thunderbolt

USB Type-C alias USB-C is een wijdverspreide soort en kent voordelen; wordt wegwijs in Thunderbolt, USB 4, USB 3-2 Gen 2×2.  USB-C komt voor bij bijvoorbeeld laptops, smartphones, tablets, opladers, mini-pc’s en externe ssd’s, maar USB-C heeft naast voordelen ook valkuilen door de variatie in soort.

Varianten van USB-C-poorten. Kleine logo’s of pictogrammen bij de poort verraden wat de betreffende USB-C-poort kan. Helaas ontbreken die vaak.

USB-C; wegwijs in de voordelen en de soort, zoals thunderbolt

Steeds meer apparaten hebben ten minste één zo’n kleine, flexibele en symmetrisch gevormde USB-C-aansluiting. Idealiter vervangt USB-C fabrikant­specifieke dockingstations en een armada van verschillende voedingen. Maar er komen nog steeds slecht gemaakte USB-C-apparaten op de markt en verdere ontwikkelingen zoals USB 4 en Thunderbolt 4 ­zorgen voor nog meer verwarring: tijd voor een inventarisatie.

Ontwikkeling van USB-C

USB-C is bedoeld als een universele aansluiting voor pc’s, laptops, smartphones, tablets, voedingen en randapparatuur. In tegenstelling tot de oudere USB-A- en micro-USB-aansluitingen is een USB-C-aansluiting niet alleen geschikt voor usb-gegevensoverdracht, maar hij is ook geschikt voor de energievoorziening met maximaal 100 en later zelfs 240 watt (Power Deli­very, PD), als beeldschermaansluiting (DPAlt Mode), voor audiosignalen en – dankzij de Thunderbolt-technologie – zelfs voor PCI Express (PCIe).

Voordelen

Bovendien maakt het bij USB-C niet uit of je de stekker ondersteboven in de poort steekt: multiplexers in de aange­sloten apparaten schakelen de contacten om. De rollen kunnen voor de stroomvoorziening zelfs worden ­omgedraaid: enerzijds kan een smartphone of laptop via USB-PD worden opgeladen, maar anderzijds kan ook energie geleverd worden, bijvoorbeeld voor de laadcase van draadloze in-ears.

USB-C heeft ook voordelen bij de oorspronkelijke usb-functie, namelijk gegevensoverdracht: de snelste overdrachtsmodi USB 3.2 Gen 2×2 en Gen 3×2 met respectievelijk 20 en 40 Gbit/s kunnen niet worden gebruikt met de ‘oude’, vierkante USB-A-connectors.

USB-C kan alle andere aansluitingen van deze laptop vervangen: voeding, HDMI, USB-A en audio.

Theorie versus praktijk

Tot zover de theorie. In de praktijk zijn er nog steeds problemen en misverstanden. Dat begint met het feit dat niet elke USB-C-aansluiting alle functies aankan. Bij veel apparaten is het onnodig moeilijk om de werke­lijke functies van hun aansluitingen te achterhalen – hoewel daar afgesproken symbolen voor bestaan die fabrikanten bij de aansluitingen moeten aanbrengen. Als er dan ook nog bugs zijn, wordt het moeilijk om problemen op te lossen.

Hoeveel Gbit/s?

Sommige mensen denken dat USB-C-aanslui­tingen altijd beter zijn dan USB-A en minstens 10 Gbit/s aankunnen – maar dat is niet zo. Enerzijds kan de 10Gbit-overdrachtsmodus USB 3.2 Gen 2 ook ­werken op USB-A-aansluitingen, anderzijds kunnen de USB-C-aansluitingen van veel apparaten alleen USB 3.2 Gen 1 aan, wat eigenlijk gelijkstaat aan USB 3.0 met 5 Gbit/s. Veel huidige smartphones met USB-C bieden daarop zelfs alleen USB-2.0-snelheid (480 Mbit/s).

Als fabrikanten de chips achterwege laten

Voor snelle usb-gegevensoverdracht en extra USB-C-functies hebben de apparaten extra chips nodig. Sommige fabrikanten laten die gewoon achterwege. In dat geval biedt USB-C niet meer dan mogelijk zou zijn met USB-A of micro-USB. Sommige bedrijven verprutsen zelfs het meest zichtbare voordeel van de technologie: hun USB-C-randapparatuur werkt slechts correct als de stekker er op één bepaalde manier in zit.

Goedkope USB-C-oplaadkabels die geen aders hebben voor snelle gegevensoverdracht zijn vervelend:

• In het beste geval kunnen ze alleen USB 2.0-­verbindingen tot stand brengen en zeker geen beeldschermsignalen over­brengen. Dus als je problemen hebt met USB-C, kun je misschien een andere kabel of een andere aansluiting gebruiken.
• Voor USB-C-voedingen met meer dan 60 watt vermogen heb je elektronisch gemarkeerde ­kabels nodig die een piepkleine chip in de stekker hebben. Alleen als hij zo’n chip detecteert, levert de ­voeding meer dan 3 ampère stroom.
• De volledige reeks functies van USB-C vereist ook uitgebreide compatibiliteitstests door de respectievelijke fabrikanten van de apparatuur, evenals zorgvuldig onderhoud van de firmware. Dat komt doordat de ­docking- en oplaadfuncties adaptief werken: de betrokken apparaten ‘praten’ met elkaar bij het tot stand brengen van een verbinding en bepalen zo de gemeenschappelijke functies die beide zijden kunnen gebruiken.

De grote flexibiliteit van USB-C brengt dus een grote complexiteit met zich mee, wat de oorzaak van fouten kan zijn.

Superhoge datasnelheden zijn niet altijd nodig:

• Zelfs met de oude Highspeed-overdrachtsmodus van USB 2.0 is bijna 50 MB/s mogelijk. Dat is meer dan veel internetverbindingen halen, en ook meer dan veel goedkope usb-sticks en geheugenkaarten.
• USB 3.0 ­alias USB 3.2 Gen 1 (5 Gbit/s) gaat zelfs tot 440 MB/s. Dat is genoeg voor externe ssd’s met SATA-technologie, voor alle harde schijven, alsmede voor gigabit-ethernet en wifi-adapters.
• Alleen supersnelle externe ssd’s met ingebouwde NVMe-technologie kunnen USB 3.2 Gen 2 maximaal benutten met ongeveer 1 GB/s of zelfs USB 3.2 Gen 2×2 met meer dan 2 GB/s.
• Verwarrend: USB 4 biedt de snelste overdrachtsmodus tot nu toe met 40 Gbit/s, maar die heet USB 3.2 Gen 3×2. Helaas wordt de naamgevingschaos bij USB daarmee niet opgelost [1].

Elk apparaat met TB3 of TB4 kan ook USB-C gebruiken

Thunderbolt is nog sneller – meer over de bijzonder­heden van Thunderbolt 3 (TB3) en 4 (TB4) verderop – maar dat is niet het belangrijkste voordeel. Thunderbolt is zelfs beter geschikt dan USB-C als docking­poort voor monitor, voeding en meerdere usb-apparaten tegelijk. Daar is echter een Thunderbolt-controller in de hostcomputer voor nodig, hoewel TB3 en TB4 gebruikmaken van USB-C-aansluitingen en compatibel zijn met USB-C.

Met andere woorden: elk apparaat met TB3 of TB4 kan ook USB-C gebruiken, maar niet omgekeerd. Bovendien heb je ook Thunderbolt-kabels nodig voor Thunderbolt – normale USB-C-kabels volstaan niet. Voor docking is dat vaak niet van belang omdat veel TB3- en TB4-docks vast aangesloten kabels hebben. Thunderbolt-controllers zijn vooral te vinden in duurdere laptops met een Intel Core i-processor en in Apple-­computers, maar zeer zelden in goedkope laptops en bijna nooit in apparaten met AMD-cpu’s.

Meer aders

De technische achtergrond voor het feit dat USB-C meer kan dan USB-A is eenvoudig: USB-C biedt meer stekkercontacten en aders en is ontworpen voor ­hogere frequenties en stroomsterktes. Goed vervaardigde USB-C-stekkers en aansluitingen zijn ook bestand tegen tien keer zoveel stekkercycli – inpluggen en uitpluggen – als gewone USB-A-aansluitingen, ook al ogen die robuuster.

Er zit echter ook veel extra digitale technologie achter de flexibiliteit van USB-C. Voor het eenvoudige geval van een zuivere usb-dataverbinding kan het omgekeerd kunnen inpluggen nog worden opgelost door een slimme bedrading van de 24 contacten in de aansluiting.

Transmissie van andere signalen, zoals DisplayPort

Maar voor de transmissie van andere signalen, zoals DisplayPort, zijn vrij ingewikkelde multiplexers nodig. Zoals de naam Display Port Alternate Mode (DP-Alt Mode) suggereert, worden de signaallijnen die normaal voor usb-data worden gebruikt, eenvoudigweg gebruikt voor de DisplayPort-signalen van de grafische processor.

Daardoor blijven er minder aders over voor gelijktijdige usb-data-overdracht – in extreme gevallen zelfs alleen die voor USB 2.0, als een 4K-scherm met een framesnelheid van 60 hertz wordt aangesloten. Dat is de reden waarom sommige 4K-schermen met USB-C-ingang alleen een USB-2.0-hub hebben. Bij lagere resoluties blijft USB 3.2 Gen 2 mogelijk, maar USB 3.2 Gen 2×2 meestal niet.

Blijf op de hoogte van de nieuwste informatie en tips!
Schrijf je in voor de nieuwsbrief:

Hub en laadvermogen

Het wordt echt ingewikkeld met USB Power Delivery – vooral als er een hub aan te pas komt. Om voldoende laadvermogen te kunnen leveren, moet de netadapter van de laptop bijvoorbeeld volt leveren. Maar usb-apparaten die op de downstream-poorten van de tussenliggende usb-hub zijn aangesloten, kunnen slechts 5 volt aan. De hub heeft dus zijn eigen om­vormer nodig en verbruikt zelf een paar watt.

Het industrieorgaan USB Implementers Forum (USB-IF) heeft bewust besloten dat gebruikers van USB-C-hardware nauwelijks de mogelijkheid hebben om de configuratie van USB-C-aansluitingen te beïnvloeden. De ingewikkelde processen moeten achter de schermen automatisch worden afgehandeld door de betrokken usb-controllers.

In geval van storingen moet je eerst zoeken naar updates voor drivers, BIOS en apparaat­firmware. In veel gevallen zul je echter hard­ware, kabels of hubs moeten vervangen.

USB-C soort als Thunderbolt wegwijs : USB 4 en Thunderbolt 3/4

Jarenlang ontwikkelden Apple en Intel hun Thunderbolt-technologie parallel aan USB. Terwijl Thunderbolt 2 (TB2) nog gebruikmaakte van mini-DisplayPort-aansluitingen, is men met TB3 overgeschakeld op USB-C. Later gaf Intel de Thunderbolt-specificaties in handen van de USB-IF-commissie en vond het zijn weg naar USB 4.

Nieuwste USB standaard

De nieuwste usb-standaard combineert dus USB- en USB-C-functies met TB3 en TB4. TB4 brengt geen hogere snelheid dan TB3, maar maakt hubs moge­lijk en dicht een potentieel (DMA) veiligheidsgat. Dat gat kan echter alleen worden gebruikt voor gerichte aanvallen op afzonderlijke laptops waartoe de aanvaller ook fysieke toegang heeft.

Thunderbolt met kleine converterchips

Thunderbolt maakt gebruik van USB-C-aansluitingen, maar vereist speciale kabels met kleine converterchips in de stekkers. Een TB-kabel kan ook worden gebruikt voor USB-C, maar niet omgekeerd. Een TB-chip in de host ‘verpakt’ verschillende data­stromen – usb, beeldscherm, PCI Express (PCIe) – in een gemeenschappelijke stroom waaruit de TB-chip in het randapparaat de voor zichzelf belangrijke ­stromen extra­heert.

Vanwege de extra chips is veel TB-rand­apparatuur iets duurder dan die met USB-C. TB maakt hogere datasnelheden mogelijk dan USB-C, zoals USB 3.2 Gen 1-snelheid tegelijkertijd met een 4K/60Hz-beeldsignaal. Bovendien zijn functies gecombineerd: USB 4 kan nu ook PCIe-apparaten aansluiten, zoals externe grafische kaarten, terwijl Thunderbolt de typische USB-hubtopologie heeft toegevoegd in plaats van het in serie schakelen (daisy chaining) van verschillende TB-apparaten.

USB 4 niet synoniem is met TB3 of TB4

Zelfs als je geen TB-hardware wilt kopen, kun je er bij een systeem met een TB3/4-controller zeker van zijn dat USB 3.2 Gen 2 zal werken. Wat echter verwarrend is, is dat USB 4 niet synoniem is met TB3 of zelfs TB4. Veel (helaas niet alle) huidige laptops met Intels elfde generatie Core i hebben bijvoorbeeld TB4 met USB 4, terwijl Apples recente iMacs en MacBooks met M1-chip USB 4 combineren met TB3 [1].

Dat komt doordat Thunderbolt nadere criteria specificeert: TB4 vereist dat twee 4K-beeldschermen op 60 Hz kunnen worden aangestuurd. De (verwarrend optionele) USB 3.2 Gen 2×2 met 20 Gbit/s vind je daarentegen bij geen van beide, maar alleen usb met 10 Gbit/s of meteen TB met 40 Gbit/s.

Alleslader – Stroomvraag

USB-A-aansluitingen leverden oorspronkelijk maximaal 0,5 ampère stroom, wat neerkomt op 2,5 watt vermogen bij 5 volt. Dat is genoeg voor een toetsenbord, muis, webcam of usb-stick. Maar de accu van een moderne smartphone heeft een capaciteit van ­ongeveer 16 wattuur (4500 mAh bij 3,7 volt), en daarom duurt het ‘vullen’ met 2,5 watt meer dan zes uur. USB 3.0-aansluitingen, die meestal (maar niet altijd) te herkennen zijn aan hun blauwe kleur, leveren met 4,5 watt (0,9 A) bijna twee keer zo veel.

Voor sneller op­laden zijn er al jaren normen, zoals de USB Battery Charging Specification, die hogere stromen toestaan. Echt snel opladen werkt echter alleen met snellaadtechnologieën zoals Qualcomm Quick Charge (QC) en USB Power Delivery (PD). De belangrijkste truc daarvan: de lader en het mobiele toestel onderhandelen over hogere vol­tages dan 5 volt, namelijk tot 20 volt en met USB-PD 4.0 uiteindelijk zelfs tot 48 volt.

Electronische begrenzer van de spanning

Dergelijke spanningen zouden conventionele usb-randapparaten onmiddellijk vernielen, omdat die slechts 5 volt aankunnen. Daarom is een ­ingewikkelde elektronische procedure nodig om de hogere spanningen veilig te leveren. Maar er zijn probleemgevallen: enerzijds worden steeds weer goedkope ­laders aangetroffen met uitgangen die gewoon parallel geschakeld zijn, en die dan een spanning leveren die ­‘dodelijk’ is voor conventionele apparaten.

Anderzijds mislukt het onderhandelingsproces soms en werkt het snelladen niet. Het is verder belangrijk te weten dat USB-PD 3.0 een kabel vereist met USB-C-stekkers aan beide uiteinden of een kabel die permanent is aangesloten op de lader. Anders gezegd: een lader met alleen USB-A-aansluitingen is niet geschikt voor USB-PD 3.0.

USB-C Power Delivery (PD) levert een laadvermogen tot 60 watt alleen met elektronisch gemarkeerde USB-C-kabels en via USB-C-poorten– dus niet via USB-A.

Algemene Adapterkunde voor USB en Thunderbolt

Oudere USB-apparaten met USB-A- of micro-USB-stekkers kunnen makkelijk worden aangesloten op USB-C-­computers via een adapter of hub. USB-A-naar-C-adapters zijn verkrijgbaar voor minder dan 5 euro. Let op: sommige zijn uitsluitend bedoeld als oplader en kunnen alleen USB 2.0 aan omdat ze geen aders hebben voor snelle dataoverdracht. Usb-sticks zijn ook ‘dubbel­zijdig’ te krijgen met USB-A en USB-C-stekker, zodat geen adapter nodig is.

USB-C hubs

USB-C-hubs zijn verkrijgbaar vanaf 15 euro, maar de goedkoopste ondersteunen slechts 5 Gbit/s (USB 3.2 Gen 1). Als je een zeer snelle ssd via een hub wilt aansluiten, zoek dan naar een hub die ook daadwerkelijk USB 3.2 Gen 2 doorgeeft. Er zijn ons nog geen hubs bekend voor USB 3.2 Gen 2×2. Dat werkt in principe alleen met TB4-hubs en -docks. Die zijn nog vrij nieuw, aanzienlijk duurder dan veel USB-C-docks en werken alleen zoals verwacht op computers die Thunderbolt ondersteunen (of anders helemaal niet).

Beeldschermen

Om een beeldscherm aan te sluiten op een laptop via USB-C en DP-Alt-modus, heb je geen USB-C-compatibel beeldscherm nodig, maar alleen een USB-C-adapter voor 15 euro met HDMI of DP. Die bieden allemaal een full-hd-resolutie met een ergonomische beeldsnelheid van 60 Hz. Als je echter een 4K-scherm met 60 hertz of een gamingdisplay met meer dan 60 Hz wilt aan­sturen, moet je de kleine lettertjes eerst goed lezen.

Adapters met HDMI 2.0 en DisplayPort zijn te koop voor rond de 20 euro. Er zijn ook USB-C-adapters ­verkrijgbaar om oude VGA-beamers aan te kunnen sluiten.

Docks

USB-C mini-docks hebben doorgaans drie aansluitingen: één voor HDMI (beeldscherm), één voor USB-A en één voor USB-C. Die laatste is voor het aansluiten als voeding. Daarmee kan een laptop/tablet tijdens het gebruik worden opgeladen. Grotere USB-C-docks zijn verkrijgbaar met een verscheidenheid aan poorten: HDMI of DP, USB-A en USB-C voor de voeding zijn bijna altijd inbegrepen, maar er zijn er ook met extra USB-C-aansluitingen, een audio-aansluiting, sd-kaartlezer en ethernetadapter. Sommige van die docks ­hebben verschillende extra chips die stroom verbruiken en zo de accu van de laptop leegmaken wanneer ze zonder ­voeding worden gebruikt.

USB-C-adapters, hubs en docks

USB-C-adapters, hubs en docks werken ook op veel smartphones en tablets met USB-C-poorten. Aangezien de mobiele besturingssystemen iOS en Android echter niet toestaan dat stuurprogramma’s achteraf geïnstalleerd worden, zullen alleen usb-apparaten werken waarvoor de fabrikant van de betreffende smartphone/tablet stuurprogramma’s in het besturingssysteem heeft ingebouwd. Usb-audioadapters, usb-sticks en harde schijven die niet te veel stroom ­vragen, werken bijvoorbeeld meestal wel.

De rijkdom aan functies van USB-C kan ook oneigenlijk gebruikt worden. Er zijn bijvoorbeeld adapters om USB-PD-laders te benutten als universele voedingen: ze trekken 9 of 15 volt uit de lader om willekeurige apparaten met die spanning te voeden. Sommige handige meetadapters, die de usb-spanning en -stroom weergeven, kunnen ook helpen om snellaadfuncties vrij te schakelen als de lader en het mobiele apparaat niet met elkaar overweg kunnen.

Voor Thunderbolt heb je speciale kabels nodig met minuscule chips in de stekkers.

Conclusie

USB-C is een goed idee dat veel verbindingsproblemen op elegante wijze kan oplossen. Maar het werkt alleen als de fabrikanten van de betrokken apparaten zorgvuldig te werk gaan, de juiste documentatie verstrekken en de firmware onderhouden.
Ergerlijk blijven de verwarrende benamingen, waar de branchevereniging geen vat op krijgt. Als je optimaal gebruik wilt maken van USB-C, moet je je dus goed informeren alvorens tot aanschaf over te gaan. Kies bij een laptop voor een model met minimaal één USB-C-aansluiting die data kan leveren met een snelheid van 10 Gbit/s en zowel de DP-Alt-modus als de PD-oplaadfunctie ondersteunt. Als je budget het toelaat, zit je met Thunderbolt aan de veilige kant.

 (Deze informatie is afkomstig uit het artikel van Christof Windeck en Marco den Teuling, en verscheen eerder in c’t 11, 2021, p90)