Raspberry Pi: Grundlagen der Energieversorgung / Stromversorgung

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Raspberry Pi: Grundlagen der Energieversorgung / Stromversorgung
Die Stromversorgung ist einer der unterschätzten Fehlerquellen beim Betrieb des Raspberry Pi. Das hängt oftmals damit zusammen, dass man nicht das richtige Netzteil hat, den Energieverbrauch der angeschlossenen Geräte unterschätzt oder die Stabilität der internen Spannungsregelung gerade bei äußerer Beschaltung zu Wünschen übrig lässt. Gerade wegen dem letzten Punkt sollte man die Modelle A+ und B+ bevorzugt einsetzen. Probleme mit der Stromversorgung treten hier seltener auf. Bei einem schlechten Netzteil und ungünstigen Bedingungen der Stromversorgung treten bestimmte Effekte auf, die ein merkwürdiges Verhalten seitens des Raspberry Pi hervorrufen. Der in einem deutschsprachigen Diskussionsforum als "Mysterium" bezeichneter Effekt äußert sich in der Regel mit abbrechenden LAN- und WLAN-Verbindungen und anderweitigen Fehlverhalten von Geräten am USB-Anschluss. Die Ursache steht im Regelfall im Zusammenhang mit Problemen bei der Stromversorgung, insbesondere unterdimensionierter Netzteile, die den Namen nicht verdienen. PC-Netzteile / Computer-Netzteile

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Grundlagen
Laufen

Themenkreis

Übersicht
  • Auswahl des richtigen Netzteils: Ladegeräte oder richtiges Netzteil
  • Generelle Anforderungen an die Energieversorgung
  • Stromversorgung: Raspberry Pi Modell B
  • Stromversorgung: Raspberry Pi Modell B+
  • Back-Powering
Auswahl des richtigen Netzteils: Ladegeräte oder richtiges Netzteil

Die Auswahl des richtigen Netzteils entscheidet oftmals darüber, ob man einen Raspberry Pi auf Dauer stabil zum Laufen bekommt oder nicht. Insbesondere, wer eine Anwendung hat für die der Raspberry Pi im Dauerbetrieb laufen soll, sollte das Netzteil sorgfältig auswählen.

Den meisten ist nicht bewusst, dass es einen Unterschied zwischen einem Ladegerät und einem richtigen Netzteil gibt. Viele Ladegeräte, die typischerweise zum Laden von Smartphones und Tablets verwendet werden, eignen sich prinzipiell auch für die Energieversorgung eines Raspberry Pi. Diese Ladegeräte können oftmals den geforderten Strom liefern, allerdings verlassen diese Geräte sich darauf, dass das angeschlossene Gerät keine stabile Spannung erwartet, sondern diese selber aufbereitet. Deshalb kann es durchaus vorkommen, dass so ein Ladegerät aussetzt, wenn eine Lastspitze auftritt. Beispielsweise, wenn ein am Raspberry Pi angeschlossenes USB-Gerät kurzzeitig einen hohen Strom zieht. Das "Ladegerät" ist für so einen Fall nicht konzipiert und setzt aus. Der Raspberry Pi geht dann aus und muss neu gestartet werden.
Nur weil aus einem schwarzen Plastikteil mit langem Schwanz und Micro-USB-Stecker 5 Volt rauskommen, bedeutet das nicht, dass damit ein Raspberry Pi zuverlässig betrieben werden kann.

Um keine Probleme bei der Stromversorgung zu bekommen sollte man ein "echtes" Netzteil mit einer stabilisierten Spannung einsetzen. Die bleiben auch bei Lastspitzen stabil.
Generell sollte man ein hochwertiges Netzteil verwenden und nicht die billigen Chinaböller von eBay. Leider verschwimmt die Grenze zwischen Ladegerät und Netzteil.
Das was man häufig als Netzteil zu kaufen bekommt ist dann nur ein Ladegerät für ein Akku-betriebenes Gerät.

Leider sagt der Preis nichts über die Qualität des Netzteils aus. Gerade weil die Händler selber nicht wissen, was genau sie da verkaufen. Das heißt, es kann durchaus sein, dass man für wenig Geld ein gefiltertes und stabilisiertes Netzteil bekommen kann, während ein teures Modell nur ein einfaches Ladegerät ist.
Um wirklich sicher zu gehen, müsste man eigentlich erst mal einen Versuchsaufbau mit stromhungrigen USB-Geräten machen und messen, was mit Spannung und Strom passiert. Leider ist das nicht ganz so einfach und nicht jeder Anwender hat die entsprechenden Messgeräte dafür. Einfache Multimeter reichen für eine solche qualifizierte Messung nicht aus.

Der Kauf von Netzteilen für den Raspberry Pi ist also ein Glücksspiel. Um einen Fehlkauf zu vermeiden, sollte man Netzteile nur dort kaufen, wo sie explizit als Zubehör für den Raspberry Pi erhältlich sind. Man kann aber auch hier Pech haben, wenn dieser Händler nicht weiß was er verkauft. Dafür liegen die Chancen etwas höher ein echtes Netzteil zu bekommen.

  • Raspberry Pi: Das richtige Netzteil
Generelle Anforderungen an die Energieversorgung

Grundsätzlich wird der Raspberry Pi mit einer Spannung von 5 Volt (V) am Micro-USB-Eingang mit Energie versorgt. Der zweite wichtige Wert der Energieversorgung ist der Strom, der in Ampere (A) angegeben wird. Wie viel Strom der Raspberry Pi genau braucht hängt davon ab, was daran angeschlossen ist. In der Regel kommt man mit einem 1,2 A (1.200 mA) Netzteil aus. Wenn man aber bspw. alle 4 USB-Ports des Modell B+ verwendet, dann braucht man entweder einen extern gespeisten USB-Hub oder sollte ein Netzteil mit 2,5 A (2.500 mA) verwenden.

Typischerweise benötigen die Modelle A und B zwischen 0,7 A und 1 A (700 und 1000 mA). Abhängig davon, welche externen Geräte daran angeschlossen sind. Das Modell B+ ist etwas effizienter was den Stromverbrauch angeht und braucht zwischen 0,6 A und 2 A (600 und 2000 mA), abhängig welche externen Geräte angeschlossen sind.

Jetzt stellt man sich natürlich die Frage, warum braucht man ein 1,2-A-Netzteil für das Modell A und B bzw. ein 2,5-A-Netzteil für das Modell B+, wenn nur 1 A bzw. 2 A gebraucht werden.
Dazu muss man wissen, dass man ein Netzteil hinsichtlich seiner Leistung (Watt, W) und seiner Stromentnahme (Ampere, A) nie beim Nennwert betreibt. Ein 2-A-Netzteil aus dem man 2 A ziehen will wird zwangsläufig in einen instabilen Zustand gebracht. Das heißt, die Spannung bricht zusammen und das Gerät fällt aus. Wenn man 2 A braucht, dann nimmt man also nie ein 2-A-Netzteil, sondern eine Stufe darüber. Mindestens 20 bis 30%. Also 1,2 A beim Modell B und 2,5 A beim Modell B+.

Wenn man an den USB-Ports Geräte mit höherem Strombedarf anschließt, dann muss man diese über einen extern gespeisten USB-Hub anschließen. Das gilt sowohl beim Modell B, als auch beim Modell B+.

USB

Generell muss jedes USB-Gerät vom Raspberry Pi mit Strom versorgt werden. Die Stromentnahme kann dabei je nach Gerät sehr unterschiedlich sein. So kann der Stromverbrauch bei einer Tastatur, nur mal als Beispiel, zwischen 0,1 A und 1 A (100 mA und 1000 mA) liegen. Erschwerend kommt hinzu, dass USB-Geräte durchaus impulsiv Strom ziehen können. Das kann den Raspberry Pi oder das Netzteil schon mal aus dem Tritt bringen.
Für einen sicheren Dauerbetrieb muss man den Stromverbrauch der USB-Geräte einzeln prüfen. Sollte man Instabilitäten seitens des Raspberry Pi feststellen, dann ist ein extern gespeister USB-Hub die beste Lösung. Das ist oftmals die einzige Möglichkeit einen stabilen Betrieb zu gewährleisten.

  • Raspberry Pi: USB - Universal Serial Bus
GPIO

Was hat der GPIO mit der Energieversorgung eines Raspberry Pi zu tun? Wenn man die GPIO-Steckleiste beschaltet, dann ziemlich viel.
Ein einzelner GPIO-Port liefert höchstens 16 mA. Alle GPIO-Pins zusammen höchstens 50 mA. Geht man beim Modell B+ von 40 GPIO-Pins aus, von denen aber nur 26 Stück als Ein- und Ausgänge beschaltet werden können, dann liegt der Strom, den man aus einem GPIO-Port ziehen darf, wenn man alle gleichzeitig als Ausgang nutzt, bei unter 2 mA.
Da man nicht alle Pins gleichzeitig als Ausgang nutzen wird, sollte die Stromentnahme pro Pin nicht höher als 3 bis 5 mA liegen. Je weniger, desto mehr Pins kann man als Ausgang benutzen und desto stabiler läuft der Raspberry Pi.

  • Raspberry Pi: GPIO - General Purpose Input Output
HDMI

Was hat der HDMI mit der Energieversorgung eines Raspberry Pi zu tun? Wenn man einen Bildschirm an den HDMI-Port anschließen will, dann ziemlich viel.
Hat man am HDMI-Port ein Gerät angeschlossen, dann ist die Stromentnahme auf 50 mA begrenzt, was dazu führt, dass so manches HDMI-Gerät ohne eigene Stromversorgung nicht funktioniert. Beispielsweise HDMI-auf-VGA-Konverter. Hier sollte man nicht den billigsten verwenden, sondern der vom Händler für den Raspberry Pi getestet wurde. Ansonsten muss man selber rumprobieren und hat gegebenenfalls den Aufwand und die Kosten für die Rücksendung.
Eine Besonderheit gilt für den HDMI-Ausgang des B+. Hier dürfen bis zu 400 mA gezogen werden. Das ist wichtig für HDMI-Geräte ohne eigene Stromversorgung. HDMI-auf-VGA-Konverter dürften weniger Probleme am Raspberry Pi B+ machen.

  • Raspberry Pi: HDMI - High Definition Multimedia Interface
Ethernet-Port (RJ45)

Was hat der Ethernet-Port mit der Energieversorgung eines Raspberry Pi zu tun? Wenn man den Raspberry Pi darüber ans Netzwerk anschließen will, dann ziemlich viel.
Hat man am Ethernet-Port eine Gegenstelle mit einem Kabel angeschlossen, dann beträgt die Stromentnahme rund 60 mA (gemessen).

CSI - Camera Connector Interface

Ein Kamera-Modul für den Camera Connector (CSI) benötigt rund 0,25 A (250 mA). Ob das stimmt, ließ sich leider nicht herausbekommen, weil die Datenblätter der einschlägigen Anbieter zum Stromverbrauch Ihrer Kamera-Module keinerlei Auskunft geben.

Stromversorgung: Raspberry Pi Modell A und B

Die Anforderungen des Raspberry Pi Modell A und B liegen bei 5 V und 0,7 A (700 mA), was 3,5 W entspricht. Auf 0,7 A kommt der Raspberry Pi aber nur, wenn man an ihm zusätzlich einen HDMI-Monitor, Ethernet-Netzwerk und USB-Geräte betreibt. Dazu kommt aber noch der Stromverbrauch dieser Geräte, wenn sie über den Raspberry Pi gespeist werden.

  • Raspberry Pi: ca. 700 mA
  • HDMI: ca. 50 mA
  • Ethernet: ca. 50 mA
  • USB: ca. 200 mA

Gesamtstromverbrauch macht zusammen 1 A (1000 mA), abgesichert durch eine Sicherung. Empfohlen wird ein Netzteil mit 1,2 A. Der Grund ist, dass man ein Netzteil nie zu nah an seiner Nennbelastung betreiben sollte. Wenn man also mit 1 A rechnet, dann nimmt man so 10 bis 20% mehr. Nur so kann man gewährleisten, dass die Stromversorgung stabil ist. Wird auch nur kurzzeitig mehr Strom gezogen als das Netzteil liefern kann, dann bricht die Spannung ein, was wie die Abschaltung der Spannung wirkt und der Raspberry Pi dabei ausgeht.
Sofern man den Raspberry Pi nicht vollkommen mit all seinen Möglichkeiten ausreizt, kommt man auch mit einem Netzteil von 1,0 A oder weniger aus. Aber nur in Ausnahmefällen.

Es gibt häufig Meldungen, dass der Raspberry Pi Modell B nicht besonders stabil läuft und gelegentlich aussteigt und dann neu gestartet werden muss. Der Grund: Die Energieversorgung des Modell B ist etwas wackelig, weshalb ein echtes Netzteil, kein Ladegerät, mit mindestens 1,2 A und mehr zu empfehlen ist. Wer ein Netzteil mit weniger als 1,2 A benutzt, der muss mit Instabilitäten rechnen. Insbesondere dann, wenn man noch Geräte am HDMI und USB betreibt, die keine eigene Stromversorgung haben und deshalb aus der Schnittstelle ziehen.
Im Zweifelsfall empfiehlt sich immer der Betrieb von USB-Geräten an einem extern gespeisten USB-Hub.

Stromversorgung: Raspberry Pi Modell B+

Ein wesentlicher Vorteil des B+-Modells ist die bessere Stabilität der Stromversorgung insgesamt. So lassen sich nicht nur 4 USB-Geräte am B+-Modell anschließen, sondern das auch ohne extern gespeisten USB-Hub.
Insgesamt darf der B+ 2,0 A (2000 mA) aus seinem Netzteil ziehen. Vorausgesetzt, das Netzteil liefert das auch.

  • Raspberry Pi: ca. 500 mA
  • HDMI: ca. 50 mA
  • Ethernet: ca. 50 mA
  • USB: ca. 1400 mA

Der Stromverbrauch des B+ wird mit 0,6 A (600 mA) angegeben. Wenn man mit Monitor, Tastatur, Maus und Ethernet arbeitet, dann entspricht das messbaren Werten. Er braucht also weniger als das Modell B und dürfte insgesamt mit dem gleichen Netzteil stabiler laufen.

Laut Spezifikation liefern alle USB-2.0-Port des B+ zusammen 0,6 A (600 mA). Das dürfte für eine 2,5-Zoll-USB-Festplatte ausreichend sein. Aber nicht immer. Insgesamt bleiben als ca. 1,5 A (1500 mA) für die USB-Geräte übrig. Es sei denn, man benutzt auch noch HDMI und Ethernet. Dann ist es etwas weniger. Aber sicherlich genug für die meisten USB-Geräte.
Um das Maximum von 1,2 A (1200 mA) aus einem USB-Port ziehen zu können, muss man das in der Datei "/boot/config.txt" mit der Zeile "safe_mode_gpio=4" (alte Firmware) bzw. "max_usb_current=1" (neue Firmware) freischalten, um die maximale Stromentnahme von 600 mA aufzuheben. Diese Grenze gibt es, damit der Raspberry Pi bei einem stromhungrigen USB-Gerät nicht instabil wird und ausgeht.

Ein Netzteil mit 2 A ist für den B+ sicherlich ausreichend. Sobald man die Absicht hat, an den USB-Ports außer Maus und Tastatur noch weitere Geräte zu betreiben, sollte man ein Netzteil mit 2,4 oder 2,5 A verwenden, wenn man eine stabile Stromversorgung gewährleisten will.

Eine rot blinkende LED am Raspberry Pi deutet auf ein Problem mit der Stromversorgung hin. Man sollte sich dringend darum kümmern, weil dann der Betrieb des Raspberry Pi dann nicht mehr sichergestellt werden und es zu Funktionsausfällen kommen kann. In der Regel wird man das Problem im Zusammenhang mit stromhungrigen USB-Geräten oder einem leistungsschwachen Netzteil finden können.

Back-Powering

Modell A und Modell B haben ein nettes Feature. Die gesamte Stromversorgung und die USB-Ports hängen an einer Leitung. Man kann über die USB-Schnittstelle Back-Powering betreiben.
Man muss dabei nur beachten, dass dabei alle Schutzmechanismen umgangen werden. Außerdem gibt es Hinweise, dass dabei Datenverluste auf der SD-Karte entstehen können.
Insbesondere der Betrieb aktiver USB-Hubs an den Modelle A und B können ungewollt zu Back-Powering führen, weil hier der Hub den Raspberry Pi durch den USB-Port speist, obwohl der Raspberry Pi bereits ein USB-Netzteil gespeist wird.
Die Risiken durch ungewolltes Back-Powering sollte man nicht unterschätzen. Im Prinzip kann hier nur ein USB-Hub helfen, der speziell für den Betrieb an einem Raspberry Pi konzipiert wurde.
Alternativ sollte man die Raspberry Pi Modelle A+ und B+ verwenden. Hier sind die USB-Anschlüsse gegen Back-Powering gesichert.

Auswahl Der Bestseller Von den Raspberry Pi Entwicklern empfohlen Günstige Alternative 2A-Netzteil für alle Modelle 1,2A-Netzteil für die Modelle A, A+ und B 2A-Netzteil für alle Modelle Weitere verwandte Themen:
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Hinweis: Dieses Tutorial ist Teil einer Aufgaben und Übungen mit dem Raspberry Pi-Reihe, die für Lern- und Ausbildungszwecke erstellt wurde. Die dargestellte Lösung ist Teil einer konkreten Aufgabenstellung, die Schüler, Auszubildende und Studenten, lösen sollen. Deshalb muss der hier aufgezeigte Weg nicht der Optimalfall sein.


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