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Aus Raspberry Pi Geek 10/2018

Optimale Stromversorgung für den RasPi

© Citadelle, 123RF

Unter Spannung

Roland Pleger

Wenn die rote LED am RasPi flackert, gilt es, die Stromversorgung und die Peripheriegeräte unter die Lupe zu nehmen.

Die Versorgung mit Energie ist die Achillesferse des Raspberry Pi [1]. Die Ursache liegt im Widerwillen der Industrie, Standards festzulegen: Die Europäische Kommission war bislang nicht in der Lage, sich durchzusetzen, um in Europa einen einheitlichen Netzstecker mit Schutzkontakt für 230 Volt und mehr als 600 Watt durchzusetzen.

Fast zeichnete sich dasselbe Schicksal für Netzteile im Bereich der Niederspannung ab, jeder Hersteller entwickelte eigene Modelle. In letzter Minute fand sich aber ein Kompromiss: das USB-Datenkabel [2]. Hier waren die Stecker bereits festgelegt. Die 5-Volt-Leitungen sollten ursprünglich dazu dienen, kleine USB-Geräte mit Strömen von wenigen 100 Milliampere zu betreiben.

Heutzutage liefern Micro-USB-Stecker mehr als 3 Ampere. Dabei sind die Kontakte nicht breiter als 200 Mikrometer, ein wahres Wunder der Ingenieurskunst (Abbildung 1). Hätte ein Kabel der Länge von einem Meter denselben Durchmesser wie ein Kontaktstift, läge sein Widerstand bereits bei 500 mOhm.

Abbildung 1: Der 200 Mikrometer breite Kontakte eines Micro-USB-Steckers unter dem Mikroskop.

Abbildung 1: Der 200 Mikrometer breite Kontakte eines Micro-USB-Steckers unter dem Mikroskop.

Beim RasPi stellt allerdings weniger das Anbieten einer hohen Leistung das Problem dar als vielmehr das Garantieren einer Mindestspannung – nicht etwa am Ausgang des Netzteils, sondern am Eingang der Platine. Abschätzungen dazu finden sich im Kasten “Stromverbrauch”.

Beim Hochfahren gilt es, die rote LED auf der Platine im Auge zu behalten (Abbildung 2). Erlischt sie auch nur kurzzeitig, dann gab es einen Spannungseinbruch. Sofern der RasPi die HDMI-Schnittstelle noch betreiben kann, erscheint ein gelber Blitz auf dem Bildschirm – früher war es ein buntes Quadrat (Abbildung 3).

Abbildung 2: Untrügliches Zeichen für unzureichende Spannungsversorgung: Die rote LED (oben links) flackert oder erlischt.

Abbildung 2: Untrügliches Zeichen für unzureichende Spannungsversorgung: Die rote LED (oben links) flackert oder erlischt.

Abbildung 3: Ein Blitz auf dem Bildschirm deutet auf Probleme bei der Spannungsversorgung hin.

Abbildung 3: Ein Blitz auf dem Bildschirm deutet auf Probleme bei der Spannungsversorgung hin.

Die Software begegnet dem Problem, indem sie Komponenten abschaltet; der Rechner startet in der Folge nicht richtig. Schalten Sie ihn in dieser Phase aus und wieder ein, zerschießen Sie das Dateisystem auf der SD-Karte. Dabei erleidet nicht etwa die SD-Karte einen Schaden, wie häufig zu lesen ist, sondern lediglich einige für das System relevante Dateien. Statt diese zu reparieren, spielen Sie besser das Betriebssystem neu auf.

Stromverbrauch

Je nach RasPi-Modell gibt es unterschiedliche Angaben, wie hoch die Mindestspannung ausfallen sollte. Die Spezifikationen nennen Werte zwischen 4,75 V und 4,87 V, maximal 5,1 V (RasPi 2) beziehungsweise 5,2 V (RasPi 3). Beim Booten liegt der Strombedarf bei 700 mA. Der HDMI-Ausgang benötigt 50 mA, eine Maus und eine Tastatur zwischen 10 und 1000 mA, eine Kamera nochmals 200 mA (siehe Tabelle “Gut versorgt”).

Angenommen, der Strombedarf liegt bei 1000 mA und das Netzteil stellt eine Spannung von 5 Volt bereit. Dünnes Kabel, Micro-USB-Stecker, weiterer USB-Stecker auf der Seite des Netzteils, womöglich noch mit einem Schalter, bilden einen elektrischen Widerstand. Überschreitet dieser wie im Beispiel 300 mOhm, so fallen am Verbindungskabel 0,3 V ab. Die Spannung am RasPi sinkt damit unter den kritischen Wert von 4,7 Volt. Dabei spielt die Leistungsreserve des Netzteils in Bezug auf die Stromstärke keine Rolle.

Gut versorgt

Betriebszustand

1B+

2B

3B

Zero

Booten (maximal)

0,26 A

0,40 A

0,75 A

0,20 A

Booten (typisch)

0,22 A

0,22 A

0,35 A

0,15 A

Leerlauf (typisch)

0,20 A

0,22 A

0,30 A

0,10 A

Video (maximal)

0,30 A

0,36 A

0,55 A

0,23 A

Video (typisch)

0,22 A

0,28 A

0,33 A

0,16 A

Last (maximal)

0,35 A

0,82 A

1;34 A

0,35 A

Last (typisch)

0,32 A

0,75 A

0,85 A

0,23 A

Wahl des Netzteils

Es empfiehlt sich also, ein Netzteil auszuwählen, dass eine möglichst hohe Spannung liefert. Für den RasPi 3 gilt ein Maximalwert von 5,2 V. Vorsicht bei USB-3.0-Hubs: Hier ist nicht spezifiziert, ob über die Verbindung zum Rechner auch eine Spannungskopplung erfolgt. Am besten verbinden Sie den Hub erst nach dem Booten mit dem RasPi.

Abbildung 4 vergleicht das Verhalten bei unterschiedlichen Stromversorgungen. Angeschlossen war jeweils ein RasPi 3B mit Bildschirm, Tastatur und Maus; die maximale Stromaufnahme lag bei 700 mA. Die Kurven messen den Verlauf der Spannung am 5-Volt-Pin der GPIO-Steckerleiste. Kurz nach dem Einschalten des Netzteils springt die Spannung auf den Maximalwert. Nach fünf Sekunden fährt der Mini-Rechner hoch, die Spannung bricht je nach Netzteil verschieden stark ein. Mit dem Abschluss des Bootens stabilisiert sie sich.

Abbildung 4: Der Spannungsverlauf beim Hochfahren eines RasPi 3B.

Abbildung 4: Der Spannungsverlauf beim Hochfahren eines RasPi 3B.

Die oberste Kurve gehört zu einem Netzteil mit fest verdrahtetem Micro-USB-Stecker. Die Spannung liegt nominell bei 5 Volt. Tatsächlich liegt sie im Leerlauf mit 5,3 V über der Spezifikation, stabilisiert sich unter Last aber bei 5,1 V. Vorausgesetzt, das Netzteil regelt nicht nach, folgt daraus ein Widerstand für die Kabelverbindung von 300 mOhm. Das zweite Netzteil (rot) verhält sich ähnlich. Im Unterschied zum ersten führt es die Spannung über eine USB-Buchse heraus.

Die dritte Kurve (gelb) misst den Verlauf der Spannung bei einem Versorgungskabel mit Schalter. Unter Last sinkt diese um mehr als 0,4 V auf einen kritischen Wert; selbst nach dem Booten liegt sie mit 4,7 Volt am Grenzwert. Die unterste Kurve stammt vom selben Netzteil, doch diesmal beträgt die Kabellänge nach Anstecken eines USB-Verlängerungskabels 3 Meter. Mehr als 1 V Spannung fallen am Kabel und seinen Steckern ab. Die rote LED am Raspberry Pi erlischt, was auf niedrige Spannung hinweist, und der gelbe Blitz erscheint auf dem Monitor. Dennoch fährt der Raspberry in diesem Fall korrekt hoch.

Fazit

Die Angabe zur Leistung auf einem Steckernetzteil für den RasPi stellt nur die halbe Wahrheit dar. Wichtiger sind ein kurzes Kabel, ein hochwertiger Micro-USB-Stecker und eine Spannung möglichst nahe am oberen Ende der Spezifikation von 5,25 Volt. Peripheriegeräte mit hoher elektrischer Leistung sollten Sie grundsätzlich über einen Hub mit eigener Stromversorgung einkoppeln, um Schwierigkeiten aus dem Weg zu gehen. 

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