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Elektronik-Fibel

Die Elektronik-Fibel, das Elektronik-Buch

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Raspberry Pi: Stromverbrauch messen

Rund um den Stromverbrauch des Raspberry Pi gibt es viele unterschiedliche Aussagen und Angaben. Der eine oder andere hat den Stromverbrauch auch mal tatsächlich gemessen. Und nun geistern diese Werte in Foren und auf Blogs herum. Leider sind diese Messwerte nur wenig hilfreich, wenn nicht bekannt ist, wie und was genau gemessen wurde. Sowohl die Messung als auch das Messergebnis müssen dann kritisch betrachtet werden. Meist ist so ein Messergebnis wertlos, wenn über das Zustandekommen des Messergebnisses nichts bekannt ist. Erschwerend kommt hinzu, dass jedes Messergebnisse immer richtig interpretiert werden muss.

Messaufbau

Jede Messung setzt einen definierten Messaufbau voraus. Nur so ist gewährleistet, dass eine Messung zu einem späteren Zeitpunkt erneut die selben Werte liefert. Ist der Messaufbau dokumentiert, kann man die gemessenen Werte auch später noch nachvollziehen, ohne die Messung wiederholen zu müssen.

Raspberr Pi Modell A / B / B+

Dieser Messaufbau sieht vor, dass die Messung hinter dem Netzteil erfolgt, dass den Raspberry Pi mit Strom versorgt. Der Grund ist, dass das Netzteil einen Eigenverbrauch hat, der von Netzteil und Stromentnahme abhängig ist und die Messwerte verfälscht. Interessant ist der reine Stromverbrauch des Raspberry Pi mit eventuell angeschlossenen Komponenten.

Um einen Messfehler durch unterschiedliche Speicherkarten zu vermeiden, wurde für alle Messungen als Speichermedium eine microSDHC-Karte verwendet. Das ist deshalb notwendig, weil der Raspberry Pi B+ keine normalen SD-Karten aufnimmt. Im A- und B-Modell wurde deshalb die microSDHC-Karte mit eine SD-Kartenadapter eingesetzt.

Messgerät: USB Power Meter von PortaPow

Das Messgerät ist ein PortaPow Premium USB+DC Power Monitor. Damit kann man Spannung, Strom und Leistung an einem USB-Port gleichzeitig messen. Dazu wird der Power Monitor in die Stromversorgung des Raspberry Pi eingeschleift. Zu diesem Zweck hat der Power Monitor einen USB-A-Stecker und eine USB-A-Buchse. Das Messgerät weist eine eigene Stromversorgung auf und belastet das USB-Netzteil nicht.

Messwertaufnahme

Gemessen wurden jeweils Spannung, Strom und Leistung. Der Strom wurde zwei mal gemessen. Einmal während des Bootvorgangs. Dabei wurde der Stromwert kontinuierlich beim Schwanken beobachtet. Der höchste Wert wurde aufgenommen (Strom Spitze).
Die zweite Messwertaufnahme des Stroms erfolgte nachdem der Bootvorgang abgeschlossen war, der Login angezeigt und der Raspberry Pi noch nicht genutzt wurde. Also im ausgeloggten Zustand und ohne zusätzlich aktive Software oder Nutzer. Das Messgerät zeigte in diesem Fall die Messwerte ohne Schwankung an.
Die Spannung lag im Regelfall zwischen 5,11 und 5,16 V. Je höher die Stromentnahme desto mehr wird dabei die Spannung gedrückt. Der Wert ist allerdings nicht weiter spannend, es sei denn man möchte die Leistung berechnen.
Die Leistung ist rechnerisch ein Produkt aus Spannung und Strom. Es wird vom Messgerät gleich mitangezeigt. Leider rechnerisch nicht ganz korrekt, was sicherlich an der Toleranz liegt. Bei der zweiten und dritte Stelle hinter dem Komma ist das aber nicht so tragisch. Diese Ungenauigkeit ist gerade noch so akzeptabel.

Messung 1: Raspberry Pi nackt

Bei dieser Messung wurde der Raspberry Pi vollkommen ohne weitere angeschlossene Geräte betrieben.

Modell Spannung Strom Leistung Strom (Spitze)
RPi A 5,157 V 0,116 A 0,603 W 0,198 A
RPi A+ 5,160 V 0,085 A 0,438 W 0,150 A
RPi Zero 5,166 V 0,084 A 0,433 W 0,170 A
RPi B 5,139 V 0,341 A 1,752 W 0,422 A
RPi B+ 5,150 V 0,203 A 1,045 W 0,264 A
RPi 2 B 5,151 V 0,199 A 1,025 W 0,345 A
Odroid-C1 5,152 V 0,192 A 0,989 W 0,443 A

Im Grundzustand verbraucht das Modell B+ rund 140 mA bzw. 700 mW weniger als das B-Modell. Der Raspberry P 2 B unterscheidet sich vom Modell B+ nicht wesentlich. Am sparsamsten sind die Modell Raspberry Pi Zero und A+.

Messung 2: Rasperry Pi mit Ethernet

Bei dieser Messung wurde der Raspberry Pi per Ethernet mit dem lokalen Netzwerk verbunden. Man bezeichnet das als den Headless-Betrieb, bei dem der Raspberry Pi ohne Bildschirm und Tastatur betrieben wird. Übers Netzwerk kann man eine SSH-Verbindung aufbauen und den Raspberry Pi aus der Ferne bedienen. Bei dieser Messung wurde die SSH-Verbindung nur kurz auf Erreichbarkeit getestet.

Modell Spannung Strom Leistung Strom (Spitze)
RPi A kein Ethernet-Port
RPi A+ kein Ethernet-Port
RPi Zero kein Ethernet-Port
RPi B 5,134 V 0,400 A 2,053 W 0,483 A
RPi B+ 5,146 V 0,242 A 1,245 W 0,308 A
RPi 2 B 5,147 V 0,237 A 1,224 W 0,424 A
Odroid-C1 5,146 V 0,225 A 1,148 W 0,485 A

Der Stromverbrauch des Ethernet-Ports ist beim Modell B+ um 20 mA geringer als beim B-Modell. Weil bei den Modelle A, A+ und Zero kein Ethernet-Port vorhanden ist, macht diese Messung bei diesen Modellen keinen Sinn.

Messung 3: Raspberry Pi mit WLAN-Adapter

Bei dieser Messung wurde der Raspberry Pi mit einem WLAN-Adapter im Headless-Betrieb betrieben. Eine Verbindung zum WLAN wurde nicht konfiguriert.
Für diese Messung stehen zwei unterschiedliche WLAN-Adapter für den USB zur Verfügung. Beim ersten handelt es sich um einen in der Nano-Bauweise. Der zweite ist größer und verfügt über eine externe Antenne.

Modell Spannung Strom Leistung Strom (Spitze)
RPi A 5,148 V 0,221 A 1,143 W 0,300 A
RPi A+ 5,151 V 0,185 A 0,958 W 0,247 A
RPi Zero 5,129 V 0,179 A 0,918 W 0,263 A
RPi B 5,131 V 0,445 A 2,277 W 0,510 A
RPi B+ 5,141 V 0,300 A 1,537 W 0,354 A
RPi 2 B 5,143 V 0,294 A 1,512 W 0,406 A
Odroid-C1 5,141 V 0,288 A 1,486 W 0,526 A
Modell Spannung Strom Leistung Strom (Spitze)
RPi A 5,143 V 0,295 A 1,522 W 0,357 A
RPi A+ 5,146 V 0,254 A 1,312 W 0,307 A
RPI Zero 5,127 V 0,241 A 1,245 W 0,318 A
RPi B 5,125 V 0,515 A 2,639 W 0,571 A
RPi B+ 5,137 V 0,368 A 1,890 W 0,509 A
RPi 2 B 5,137 V 0,368 A 1,890 W 0,463 A
Odroid-C1 5,137 V 0,353 A 1,818 W 0,606 A

Der zweite WLAN-Adapter verbraucht rund 60 bis 70 mA mehr Strom.

Messung 4: Raspberry Pi mit Monitor und Tastatur (Normalbetrieb 1)

Bei dieser Messung wurde der Raspberry Pi mit einem HDMI-Monitor und Tastatur betrieben. Der Anschluss ans lokale Netzwerk per Ethernet oder WLAN war bei dieser Messung nicht vorgesehen.

Modell Spannung Strom Leistung Strom (Spitze)
RPi A 5,146 V 0,239 A 1,229 W 0,312 A
RPi A+ 5,150 V 0.204 A 1,050 W 0,271 A
RPI Zero 5,129 V 0,089 A 0,451 W 0,204 A
RPi B 5,126 V 0,465 A 2,384 W 0,553 A
RPi B+ 5,136 V 0,329 A 1,689 W 0,391 A
RPi 2 B 5,141 V 0,321 A 1,650 W 0,508 A
Odroid-C1 5,138 V 0,368 A 1,891 W 0,604 A

Hier gab es beim Raspberry Pi Zero den Effekt, dass die Nichtnutzung der Tastatur keinen Stromverbrauch zur Folge hatte. Bei Benutzung der Tastatur stieg der Stromverbrauch um rund 20 mA an.

Messung 5: Raspberry Pi mit Monitor, Tastatur, Maus und Ethernet (Normalbetrieb 2)

Bei dieser Messung wurde der Raspberry Pi mit einem VGA-Monitor, Tastatur und Maus betrieben. Um den Monitor verwenden zu können wurde ein HDMI-auf-VGA-Adapter verwendet. Der Anschluss ans lokale Netzwerk erfolgte per Ethernet.

Modell Spannung Strom Leistung Strom (Spitze)
RPi A nur ein USB-Port und kein Ethernet-Port
RPi A+ nur ein USB-Port und kein Ethernet-Port
RPi Zero nur ein USB-Port und kein Ethernet-Port
RPi B 5,120 V 0,590 A 3,090 W 0,649 A
RPi B+ 5,134 V 0,431 A 2,211 W 0,460 A
RPi 2 B 5,131 V 0,426 A 2,085 W 0,571 A
Odroid-C1 5,122 V 0,552 A 2,827 W 0,748 A

Hinweis: In diesem Fall wurde der Strom gemessen, während die Maus bewegt wurde. Befindet sich die Maus in Ruhe, ging der Stromverbrauch um ca. 32 mA zurück.

Messung 6: Raspberry Pi bei ca. 1% CPU-Auslastung

Bei dieser Messung wurde der Raspberry Pi mit einem VGA-Monitor, Tastatur und Maus betrieben. Um den Monitor verwenden zu können wurde ein HDMI-auf-VGA-Adapter verwendet. Der Anschluss ans lokale Netzwerk erfolgte per Ethernet.
Während der Messwert-Aufnahme wurde sichergestellt, dass "top" nahezu 1% CPU-Auslastung angezeigt hat.

Modell Spannung Strom Leistung (gemessen)
RPi B 5,121 V 0,558 A 2,857 W
RPi B+ 5,134 V 0,401 A 2,053 W
RPi 2 B 5,133 V 0,393 A 2,058 W

Messung 7: Raspberry Pi bei ca. 100% CPU-Auslastung

Bei dieser Messung wurde der Raspberry Pi mit einem VGA-Monitor, Tastatur und Maus betrieben. Um den Monitor verwenden zu können wurde ein HDMI-auf-VGA-Adapter verwendet. Der Anschluss ans lokale Netzwerk erfolgte per Ethernet.
Während der Messwert-Aufnahme wurde sichergestellt, dass "top" nahezu 100% CPU-Auslastung angezeigt hat. Die CPU-Auslastung wurde mit "sudo apt-get update" und "sudo apt-get upgrade" ausgelöst.

Modell Spannung Strom Leistung (berechnet)
RPi B 5,119 V 0,648 A 3,317 W
RPi B+ 5,136 V 0,494 A 2,537 W
RPi 2 B comming soon

Der Unterschied beim Stromverbrauch zwischen ca. 1% CPU-Auslastung (Messung 6) und ca. 100% CPU-Auslastung (Messung 7) liegt bei ca. 90 bis 100 mA. Bei ca. 5 V USB-Spannung sind das ca. 500 mW.

Zusammenfassung der Erkenntnisse

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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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