Por que os plugues USB não são simétricos?

Por Vlad Snagov | 02 de Julho de 2019 às 23h30
Divulgação

Conectar o plug USB do lado certo na primeira tentativa é uma façanha rara. Mas por que então os conectores USB não são simétricos?

É importante lembrar que praticamente todos os tipos de conectores mais antigos – e não somente os USB – possuem uma orientação específica para serem conectados. Esses conectores geralmente são identificados por gênero — “macho” ou fêmea”. A orientação de conectores e cabos define como um conector se conecta a outro, em suma.

Tipos de conectores padrão USB. Fonte: B&H Photo e ZDNet

A maioria dos plugs só pode ser conectada em uma orientação específica. Essa característica é chamada de polaridade. E é por esse motivo que a maioria dos conectores possui formas de impedir que sejam conectados da maneira errada.

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Exemplo de plugue de parede norte-americano polarizado. Por ter duas larguras diferentes para as lâminas, o plugue só se conecta numa determinada posição.

Entendendo um conector

Contato

Contatos são o que fazem o plug funcionar. São partes metálicas que se tocam, permitindo uma conexão elétrica. Também é onde, com freqüência, ocorrem problemas. Os contatos podem sujar, oxidar, superaquecer, dilatar ou contrair com o tempo.

Pitch

Muitos conectores consistem em uma matriz de contatos em um padrão repetido. O pitch do conector é a distância do centro de um contato até o centro do próximo. Isto é importante porque existem muitas famílias de contatos que parecem muito semelhantes, mas podem diferir em afinação, dificultando saber que você está adquirindo o conector com o acoplamento correto.

Ciclos de conexão

Conectores não duram para sempre. Eles se desgastam com o tempo graças ao atrito gerado entres as partes, quando conectamos e desconectamos. Fichas técnicas geralmente apresentam essas informações em termos de ciclos de conexão, e variam muito de uma tecnologia para outra. É importante que os fabricantes selecionem conectores com vida útil adequada ao uso para o qual o aparelho foi designado.

Montagem

Este termo tem o potencial para ser confuso. O termo "montagem" pode referir-se a várias coisas: como o conector é montado para uso (montagem em painel, pendurado livremente, montado em placa), o ângulo do conector, em relação à sua conexão (direto ou em ângulo reto) ou como é conectado mecanicamente (guia de solda, montagem de superfície, através de orifício).

Alívio de tensão

Quando um conector é montado em uma placa ou cabo, as conexões elétricas tendem a ser um pouco mais frágeis. É uma prática comum que os fabricantes implementem algum tipo de recurso para alívio da tensão a fim de transferir as forças que atuam nesse conector para um objeto com maior resistência mecânica do que as frágeis conexões elétricas.

Tipos de plug USB

Os conectores USB tipicamente são de dois tipos: host e periférico. No padrão USB, os conectores em cabos e dispositivos refletem a diferença entre os dois. No entanto, todos os conectores USB possuem pontos em comum:

  • Polarização - Um conector USB só pode ser inserido de uma maneira específica. Forçar a conexão de um conector com a polarização errada vai causar danos ao aparelho.
  • Quatro contatos - Todos os conectores USB têm pelo menos quatro contatos (embora alguns possam ter cinco, e os conectores USB 3.0 tenham ainda mais). Estes são para energia, terra e duas linhas de dados (D + e D-). Os conectores USB são projetados para transmitir 5V, até 500mA.
  • Blindagem - os conectores USB são blindados por uma cobertura de metal que não faz parte do circuito elétrico. Isso é importante para manter o sinal intacto em ambientes com possíveis interferências elétricas.
  • Conexão de energia robusta - É importante que os pinos de alimentação façam a conexão antes das linhas de dados, para evitar a tentativa de energizar o dispositivo sobre as linhas de dados. Todos os conectores USB são projetados com isso em mente.
  • Alívio de tensão moldado - Todos os cabos USB têm sobremoldagem de plástico no conector para evitar tensão no cabo (ao se inserir ou remover o conector) que possa danificar as conexões elétricas.

Conectores USB-A

  • USB-A fêmea é o tipo de conector “host” padrão. Normalmente encontrado em computadores, hubs ou qualquer dispositivo destinado a ter periféricos conectados a ele. Também é possível encontrar cabos de extensão com um conector fêmea tipo A e um conector macho A na outra extremidade.
  • USB-A macho é o tipo de conector "periférico" padrão. A maioria dos cabos USB terá uma extremidade terminada em um conector macho USB-A, e muitos dispositivos (como teclados e mouses) terão um cabo embutido terminado com um conector macho USB-A. Também é possível encontrar conectores macho USB-A que podem ser montados em placas, para dispositivos como cartões de memória USB.
Dois tipos de conectores macho USB-A.

Conectores USB-B

A fêmea USB-B é um padrão para dispositivos periféricos. É mais volumoso, porém mais resistente, geralmente utilizado em aplicações onde o tamanho não é um problema, sendo mais indicado para oferecer um conector removível para conectividade USB. É geralmente um conector de montagem de placa por meio de orifício, para máxima confiabilidade, mas também há opções de montagem em painel.

Exemplo de conector fêmea USB-B
Exemplo de conector USB-B macho

Conectores Mini USB

O conector Mini-USB foi a primeira tentativa padronizada para tentar reduzir o tamanho do conector USB para dispositivos menores. O Mini-USB fêmea é normalmente encontrado em periféricos menores (aparelhos de MP3, telefones celulares mais antigos, discos rígidos externos portáteis) e, geralmente, é um conector de montagem em superfície, que abre mão da robustez em favor do tamanho.

Exemplo de conector Mini-USB fêmea. Fonte: Sparkfun.com
Exemplo de conector mini-USB macho. Fonte: Sparkfun.com

Conectores Micro USB

O conector Micro-USB, assim como o Mini-USB, foi projetado com a preocupação de redução do tamanho, mas o Micro-USB adiciona um quinto pino para sinalização de baixa velocidade, permitindo que seja usado em aplicativos USB-OTG (on-the-go) onde um dispositivo pode querer operar como hospedeiro (host) ou periférico, dependendo do momento.

O Micro-USB fêmea é encontrado em periféricos mais recentes, como câmeras digitais e aparelhos de MP3. A adoção do Micro-USB como padrão em praticamente todos os novos telefones celulares e tablets indica que substituiu o Mini-USB nos carregadores e cabos de dados.

Exemplo de conector Micro-USB. Fonte: Sparkfun.com

USB-C

O USB-C, formalmente conhecido como USB Tipo-C, é um sistema de conector USB de 24 pinos, que se distingue por seu conector bidirecional com pinos simétricos. O conector de 24 pinos nos dois lados também tem os dois tipos de conectores: fêmea (receptáculo) e macho (plugue).

Em resumo, os conectores USB-C são o modelo mais moderno dos conectores USB e sim, esse possui conectores com pinagem simétrica, permitindo a conexão de cabos em qualquer orientação.

Exemplo de cabos padrão USB 3.1 com conectores Tipo-C, Tipo-A e Micro-B. Fonte: Techspot. 

Um outro questionamento que pode ser feito: por que somente agora surgiram conectores com pinagem simétrica para o USB, quando a Apple já havia conseguido fazer o mesmo em 2012 (com seu conector proprietário Lightning)?

Para resumir, o projeto de engenharia é apenas uma parte do trabalho, e não é o que consome a maior parte do tempo total necessário para levar uma nova tecnologia ao mercado. O USB Tipo-C e o Lightning são tecnologias desenvolvidas em contextos completamente diferentes. O USB Tipo-C é um padrão da indústria desenvolvido pelo USB Implementers Forum, organização sem fins lucrativos com membros que incluem Microsoft, Intel, HP, NEC e a própria Apple. O Lightning, por sua vez, é um conector exclusivo desenvolvido e utilizado pela Maçã.

No desenvolvimento de padrões internacionais, muitas discussões acontecem para garantir compatibilidade e interoperabilidade e garantem que muitos detalhes pequenos, mas significativos, sejam levados em conta. As discussões levam muito tempo e representam o custo da cooperação entre muitas empresas do mundo inteiro. Como benefício, todos os fabricantes agora podem usar o mesmo conector universal nos dispositivos que fabricam, para muitas das diferentes necessidades: alimentação elétrica, conexão de vídeo, comunicação de dados etc.

Por outro lado, a Apple desenvolveu o conector Lightning sozinha, e limitações nas funcionalidades e na interoperabilidade (seu conector suporta apenas carregamento e comunicação nos celulares e tablets Apple) os permitiu economizar muito tempo, e serem os primeiros a levar esse tipo de solução ao mercado consumidor.

Enquanto a Apple domina o hardware e software de seus produtos, leva significativa vantagem quando se trata de implementar novidades e mudanças em tecnologias. Outros fabricantes são co-responsáveis por partes da solução de software, hardware, firmware etc. em outros produtos. Assim, é bem mais difícil e mais demorado implementar e levar novas tecnologias ao mercado consumidor. De qualquer maneira, a Apple já começou a adotar o USB-C como novo padrão em ses produtos: iPads e MacBooks lançados desde 2018 já contam com esta conectividade.

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