concentrador USB

Un concentrador USB es un dispositivo que expande un único puerto USB ( Universal Serial Bus ) en varios, de modo que haya más puertos disponibles para conectar dispositivos a un sistema anfitrión, de forma similar a una regleta de enchufes . Todos los dispositivos conectados a través de un concentrador USB comparten el ancho de banda disponible para dicho concentrador. ^{[ 1 ]}

Los concentradores USB, que se pueden separar físicamente, vienen en una gran variedad de formatos : desde cajas externas (similares a un concentrador Ethernet o de red ) hasta diseños pequeños que se pueden conectar directamente a un puerto USB (ver la imagen de "diseño compacto"). Los concentradores con "cable corto" suelen usar un cable integrado de 15 cm (6  pulgadas) para alejar ligeramente el concentrador de la congestión de puertos físicos y aumentar la cantidad de puertos disponibles.

Casi todos los ordenadores portátiles modernos están equipados con puertos USB, pero un concentrador USB externo puede consolidar varios dispositivos de uso diario (como un ratón, un teclado o una impresora) en un único concentrador para permitir la conexión y desconexión de todos los dispositivos en un solo paso.

Algunos concentradores USB pueden admitir la entrega de energía (PD) para cargar la batería de una computadora portátil, si son autoalimentados y están certificados para ello, pero pueden denominarse simplemente estaciones de acoplamiento debido a que solo necesitan una conexión para cargar la batería y conectar periféricos. Los concentradores pueden incluir interruptores de encendido para puertos individuales que permiten reiniciar fácilmente dispositivos que no responden. ^{[ 2 ]}

Una red USB se construye a partir de concentradores USB conectados a puertos USB, que a su vez pueden provenir de concentradores USB. Los concentradores USB pueden extender una red USB hasta un máximo de 127 puertos. La especificación USB exige que los concentradores alimentados por bus (pasivos) no se conecten en serie con otros concentradores alimentados por bus. ^{[ 2 ]}

Dependiendo del fabricante y el diseño, los puertos USB suelen estar muy juntos. Por lo tanto, conectar un dispositivo a un puerto puede bloquear físicamente un puerto adyacente, especialmente cuando el conector no forma parte de un cable, sino que está integrado en un dispositivo como una memoria USB . Si bien una disposición horizontal de conectores horizontales puede ser fácil de fabricar, podría resultar en que solo dos de los cuatro puertos sean utilizables (dependiendo del ancho del conector).

Los conjuntos de puertos en los que la orientación de los puertos es perpendicular a la orientación del conjunto generalmente presentan menos problemas de bloqueo. Los concentradores externos tipo "pulpo" o "calamar" (con cada conector al final de un cable muy corto, a menudo de unos 5  cm de longitud) o los concentradores en forma de "estrella" (con cada puerto orientado en una dirección diferente, como se muestra en la imagen) evitan este problema por completo.

Muchos concentradores pueden funcionar alimentados por bus o autoalimentados. La potencia es igual al voltaje multiplicado por la corriente. Un puerto USB que consume 500  mA (0,5  A) a 5  voltios consume 2,5  vatios de potencia.

En los concentradores USB alimentados por bus, cada puerto USB puede suministrar energía y transferir datos. Un concentrador autoalimentado se alimenta de una fuente de alimentación externa y, por lo tanto, puede proporcionar la potencia máxima (hasta 500 mA) a cada puerto. Los concentradores autoalimentados suelen ser más caros que los concentradores USB sin alimentación externa.

Concentrador autoalimentado (concentrador activo)

Los concentradores USB autoalimentados pueden alimentar dispositivos de alto voltaje como altavoces, impresoras y escáneres. Suelen ser más voluminosos y caros que los concentradores USB alimentados por bus.

Compatibilidad

En el mercado existen numerosos concentradores que no cumplen con las especificaciones y que se anuncian al host como autoalimentados, aunque en realidad se alimentan a través del bus USB. Del mismo modo, hay muchos dispositivos que no cumplen con las especificaciones y que consumen más de 100  mA sin indicarlo. Si bien estos concentradores y dispositivos ofrecen mayor flexibilidad en el consumo de energía (en particular, muchos dispositivos consumen mucho menos de 100  mA y muchos puertos USB pueden suministrar más de 500  mA antes de activarse el apagado por sobrecarga), es probable que dificulten el diagnóstico de problemas de alimentación.

Algunos concentradores autoalimentados no proporcionan suficiente energía para alimentar una  carga de 500 mA en cada puerto. Por ejemplo, muchos concentradores de siete puertos tienen una  fuente de alimentación de 1 A, cuando en realidad siete puertos podrían consumir un máximo de 7 * 0,5 = 3,5  A, además de la alimentación del propio concentrador. Los diseñadores asumen que el usuario probablemente conectará muchos dispositivos de bajo consumo y solo uno o dos que requieran los 500  mA completos. Por otro lado, el embalaje de algunos concentradores autoalimentados indica explícitamente cuántos puertos pueden alimentar una  carga completa de 500 mA a la vez. Por ejemplo, el embalaje de un concentrador de siete puertos podría indicar que admite un máximo de cuatro dispositivos a plena carga.

Fuente de alimentación

USB PD

Configuración del adaptador multipuerto USB

• 
  Adaptador multipuerto USB: cable USB-C de modo alternativo, puerto USB PD (USB-C), puerto HDMI , tres puertos USB 3.2 y puerto Ethernet .
• 
  Para alimentar un adaptador multipuerto USB y cargar simultáneamente un dispositivo móvil conectado a él,  normalmente basta con un cargador de pared USB-C PD de 100 W.

Ejemplo de cómo calcular el consumo de vatios de un concentrador multipuerto USB con un puerto USB PD y un puerto HDMI, conectado a un teléfono inteligente y un cable HDMI:

Enchufe eléctrico

Concentrador alimentado por bus (concentrador pasivo)

Un concentrador alimentado por bus obtiene toda su energía de la interfaz USB del ordenador anfitrión . No necesita una conexión de alimentación independiente. Sin embargo, muchos dispositivos requieren más energía de la que este método puede proporcionar y no funcionarán con este tipo de concentrador. Puede ser conveniente usar un concentrador alimentado por bus con discos duros externos autoalimentados, ya que el disco duro podría no detenerse cuando el ordenador se apaga o entra en modo de suspensión al usar un concentrador autoalimentado, puesto que el controlador del disco duro seguiría recibiendo alimentación a través de los puertos USB.

Todos los puertos USB funcionan a 5 voltios, pero pueden consumir o suministrar diferentes cantidades de corriente eléctrica.

Limitaciones

La corriente eléctrica de un puerto USB se distribuye en unidades de 100  mA hasta un máximo de 500  mA por puerto. Por lo tanto, un concentrador alimentado por bus compatible no puede tener más de cuatro puertos descendentes ni ofrecer más de cuatro  unidades de corriente de 100 mA en total a los dispositivos conectados (ya que el concentrador necesita una unidad para sí mismo). Si un dispositivo requiere más corriente de la que puede suministrar el puerto al que está conectado, el sistema operativo suele notificarlo al usuario.

Para que los dispositivos USB de alta velocidad (USB 2.0) funcionen en su modo más rápido, todos los concentradores entre los dispositivos y el ordenador deben ser de alta velocidad. Los dispositivos de alta velocidad deben cambiar a USB de velocidad completa (USB 1.1) cuando se conectan a un concentrador de velocidad completa (o a un puerto de ordenador antiguo de velocidad completa). Si bien los concentradores de alta velocidad pueden comunicarse a todas las velocidades de los dispositivos, el tráfico de baja y alta velocidad se combina y se separa del tráfico de alta velocidad mediante un traductor de transacciones . Cada traductor de transacciones separa el tráfico de baja velocidad en su propio grupo, creando esencialmente un bus virtual de alta velocidad. Algunos diseños utilizan un único traductor de transacciones (STT), mientras que otros tienen varios traductores (MTT). Disponer de varios traductores supone una ventaja significativa cuando se conectan varios dispositivos de alta velocidad y gran ancho de banda. ^{[ 3 ]}

Es importante tener en cuenta que, en el lenguaje común (y a menudo en la publicidad de productos), USB 2.0 se utiliza como sinónimo de alta velocidad. Sin embargo, dado que la especificación USB 2.0, que introdujo la alta velocidad, incorpora la especificación USB 1.1, de modo que un dispositivo USB 2.0 no está obligado a funcionar a alta velocidad, cualquier dispositivo compatible, ya sea de velocidad completa o baja, puede etiquetarse como un dispositivo USB 2.0. Por lo tanto, no todos los concentradores USB 2.0 funcionan a alta velocidad.

Con la introducción de la especificación USB 3.0, se recomendó que los fabricantes distinguieran los conectores USB 3.0 de sus homólogos USB 2.0 utilizando el color azul (Pantone 300C ) ^{[ 4 ]} para los receptáculos y enchufes Standard-A, y que utilizaran el logotipo del tridente USB SuperSpeed. ^{[ 5 ]}

Cada concentrador tiene exactamente un puerto de subida y varios puertos de bajada. El puerto de subida conecta el concentrador (directamente o a través de otros concentradores) al host. Se pueden conectar otros concentradores o dispositivos a los puertos de bajada. Durante la transmisión normal, los concentradores son esencialmente transparentes: los datos recibidos de su puerto de subida se transmiten a todos los dispositivos conectados a sus puertos de bajada (descrito gráficamente en la especificación USB 2.0 en la Figura 11-2, Conectividad de señalización del concentrador). Los datos recibidos de un puerto de bajada generalmente se reenvían solo al puerto de subida. De esta forma, lo que envía el host lo reciben todos los concentradores y dispositivos, y lo que envía un dispositivo lo recibe el host pero no los demás dispositivos (una excepción es la señalización de reanudación). El enrutamiento de bajada se modificó en USB 3.0 con la adición del enrutamiento punto a punto: una cadena de ruta enviada en la cabecera del paquete permite que un host USB 3.0 envíe un paquete de bajada solo a un único puerto de destino, lo que reduce la congestión y el consumo de energía. ^{[ 6 ]}

Los concentradores no son transparentes al gestionar cambios en el estado de los puertos descendentes, como la inserción o extracción de dispositivos. En concreto, si un puerto descendente de un concentrador cambia de estado, este cambio se gestiona mediante una interacción entre el host y dicho concentrador; los concentradores intermedios entre el host y el concentrador afectado actúan de forma transparente.

Para ello, cada hub dispone de un único punto final de interrupción "1 IN" (dirección del punto final 1, dirección hub-host) que se utiliza para indicar cambios en el estado de los puertos descendentes. Cuando se conecta un dispositivo, el hub detecta voltaje en D+ o D− e indica la conexión al host mediante este punto final de interrupción. Al consultar este punto final de interrupción, el host detecta la presencia del nuevo dispositivo. A continuación, ordena al hub (mediante el canal de control predeterminado) que reinicie el puerto donde se conectó el nuevo dispositivo. Este reinicio asigna al nuevo dispositivo la dirección 0, y el host puede interactuar directamente con él; esta interacción dará como resultado que el host asigne una nueva dirección (distinta de cero) al dispositivo. ^{[ 7 ] [ 8 ]}

Cualquier concentrador USB 2.0 que admita un estándar superior a USB 1.1 (12  Mbit/s) realizará la conversión entre el estándar inferior y el superior mediante un traductor de transacciones (TT). Por ejemplo, si un dispositivo USB 1.1 se conecta a un puerto de un concentrador USB 2.0, el TT reconocerá y traducirá automáticamente las señales USB 1.1 a USB 2.0 en el enlace ascendente. Sin embargo, el diseño predeterminado implica que todos los dispositivos de estándar inferior comparten el mismo traductor de transacciones, lo que crea un cuello de botella, una configuración conocida como traductor de transacción único . En consecuencia, se crearon traductores de transacciones múltiples (Multi-TT), que proporcionan más traductores de transacciones para evitar los cuellos de botella. ^{[ 9 ]} Cabe destacar que, debido a la naturaleza de los concentradores USB 3.0, estos tienen una lógica independiente para los datos USB 3.0 y 2.0, por lo que se informa de un dispositivo HUB para ambos protocolos.

La mayoría de los concentradores USB utilizan uno o más controladores integrados (CI), de los cuales existen varios diseños disponibles de diferentes fabricantes. La mayoría admite un sistema de concentrador de cuatro puertos, pero también hay concentradores disponibles en el mercado que utilizan controladores de concentrador de 16 puertos. ^{[ 10 ]} El bus USB permite siete niveles de puertos en cascada. El concentrador raíz es el primer nivel, y los últimos dispositivos están en el séptimo nivel, lo que permite cinco niveles de concentradores entre ellos. El número máximo de dispositivos de usuario se reduce por el número de concentradores. Con 50 concentradores conectados, el número máximo es 127 − 50 = 77. ^{[ 11 ]}

• USB On-The-Go