Raspberry Pi: Grundlagen der Energieversorgung / Stromversorgung

Die Stromversorgung des Raspberry Pi ist eine der unterschätzten Fehlerquellen. Mini-Computer, wie der Raspberry Pi, bedürfen einer stabilen Spannungs- UND Stromversorgung. Bei einem schlechten Netzteil und ungünstigen Betriebsbedingungen treten merkwürdige Effekte in Kombination mit einem instabilen Systemverhalten auf.

Der im deutschsprachigen Raspberry Pi Forum als "Mysterium" bezeichnete Effekt, äußert sich in der Regel mit abbrechenden LAN- und WLAN-Verbindungen und anderweitigen Fehlverhalten von Geräten, die am USB angeschlossen sind. Beispielsweise externe WLAN-Adapter, USB-Sticks und Festplatten.

Übersicht

  • Probleme, nichts als Probleme!
  • Wieso, weshalb, warum?
  • Ladegeräte oder richtiges Netzteil
  • Generelle Anforderungen an die Energieversorgung
  • Schnittstellen: USB, HDMI, GPIO, Ethernet, CSI
  • Stromversorgung: Raspberry Pi B
  • Stromversorgung: Raspberry Pi B+
  • Stromversorgung: Raspberry Pi 2 B
  • Stromversorgung: Raspberry Pi 3 B
  • Stromversorgung: Troubleshooting
  • Back-Powering

Probleme, nichts als Probleme!

Der auftretende Effekt wird als "Mysterium" bezeichnet, weil das auftretende Fehlverhalten auf dem ersten Blick nichts mit einer mangelhaften Stromversorgung zu tun. Allerdings gibt es hierzu unendlich viele Problembeschreibungen in Diskussionsforen. Die Opfer des Mysteriums berichten von Aussetzern bei der Tastatur, Maus, Bildschirm-Darstellung und sehr oft Verbindungsprobleme bei LAN und WLAN.
Die dabei auftretenden Effekte und Probleme sind vielfältig. Für die Fehlersuche können Stunden vergehen, ohne dass man dem Fehler näher kommt. Bei manchen schweren Fällen lässt sich der Fehler nicht immer so einfach rekonstruieren.

Die dabei auftretenden Probleme hängen oftmals damit zusammen, dass die Stabilität der Spannungsregelung zu Wünschen übrig lässt. Das Gefahr in Verzug ist, darauf deutet ein Blitz-Symbol in der rechten oberen Ecke des Bildschirms hin.

Bei ungeeigneten Steckernetzteilen können während des Betriebs seltsame Effekte auftreten.

Wieso, weshalb, warum?

Was hat das mit der Stromversorgung zu tun? Wenn man den Stromverbrauch des Raspberry Pi während der Nutzung von Tastatur, Maus und WLAN-Adaptern mit einem Messgerät "beobachtet", dann stellt man heftige Ausschläge fest. Diese USB-Geräte sind richtige Stromfresser. Eine Maus kann, wenn sie bewegt wird, schon mal 50 mA oder mehr Strom ziehen. Genauso bei einer Tastatur oder einem WLAN-Adapter. Diese Geräte sind nicht gerade auf geringen Stromverbrauch getrimmt. Das ist auch ganz logisch. Bei einem herkömmlichen Notebook oder PC gibt es eine ausreichend dimensionierte Stromversorgung. Und eigentlich sollte das bei einem Raspberry Pi und jedem anderen Mini-Computer auch möglich sein. Nur muss sich der Anwender selber darum kümmern. Und der nimmt dafür ein herkömmliches Steckernetzteil. Von seinem Smartphone oder ein anderes, dass er noch in der Schublade liegen hat.

Bei viele Steckernetzteilen, die typischerweise zum Laden von Smartphones und Tablets verwendet werden, handelt es sich nicht um Netzteile, sondern in der Regel um Ladegeräte für akkubetriebene Geräte. Diese Ladegeräte verlassen sich darauf, dass das damit versorgte Gerät keine stabile Spannung erwartet. Akkubetriebene Geräte werden typischerweise mit Strom geladen, wobei die Stabilität der Spannung aus dem Ladegerät völlig egal ist. Erst die Ladeschaltung im Gerät bzw. Akku sorgt für die richtige Ladung des Akkus. Das hat den Vorteil, dass der Gerätehersteller individuelle Akkus einbauen und der Anwender fast jedes beliebige Steckernetzteil verwenden kann.

Nicht so bei einem Raspberry Pi oder einem anderen Mini-Computer. Die sind auf eine stabilisierte Betriebsspannung von in der Regel ca. 5 Volt angewiesen. Wenn man den Raspberry Pi mit einem beliebigen Steckernetzteil betreibt, dann kann und wird das in der Regel funktionieren. Wenn jetzt aber der Raspberry Pi und angeschlossene USB-Geräte für eine impulsive Stromentnahme sorgen, dann kann es vorkommen, dass das Steckernetzteil überfordert ist, aussetzt und die Spannung daraufhin einbricht. Also deutlich unter 5 Volt fällt.

Was passiert dann? Ein Gerät, das für 5 Volt konzipiert ist, kommt dann in einen instabilen Betriebszustand. Hinzu kommt, dass USB-Geräte 5 Volt am USB-Port erwarten. Laut USB-Spezifikation sollte ein USB-Gerät zwischen 4,45 und 5,5 Volt funktionieren. Von hier droht eigentlich keine Gefahr.

Jetzt ist es aber so, dass der Raspberry Pi da auch noch ein Wörtchen mitzureden hat. Bei Unterspannung nimmt der Raspberry Pi seine USB-Ports außer Betrieb, um die Stabilität der Stromversorgung durch Reduzierung der Stromentnahme wieder herzustellen. Dabei gehen zumindest kurzzeitig alle USB-Geräte außer Betrieb. Und das führt dann eben zu besagten Fehlfunktionen einzelner USB-Geräte oder des gesamten Systems und erklärt die Aussetzer bei den USB-Geräten. Das betrifft Maus, Tastatur, WLAN- und LAN-Verbindungen, sowie USB-Speichergeräte.

Wenn sich dann die Mindestspannung wieder eingepegelt hat, nimmt der Raspberry Pi den USB und daran angeschlossene Geräte wieder in Betrieb. Während sich Tastatur und Maus recht schnell und automatisch wieder anmelden, kann es sein, dass LAN- und WLAN-Verbindungen Software-seitig deaktiviert bleiben und manuell aktiviert werden müssen. Dummerweise kommt man in dieser Situation nicht mehr per SSH auf den Raspberry Pi drauf.

Manch Anwender sieht sich gezwungen, den Micro-USB-Stecker am Raspberry Pi zu ziehen und damit hart auszuschalten. Allerdings sollte man das vermeiden, weil das "hart Ausschalten" dazu führen kann, dass das Dateisystem Schaden nimmt. Wenn zum Zeitpunkt des Ausschaltens eine wichtige Systemdatei nicht zu Ende geschrieben werden konnte, wird nicht die Hardware, aber das Dateisystem Schaden nehmen. In so einem Fall kann ein unvollständiger oder fehlerhafter Zustand einen erfolgreichen Neustart verhindern. Unter Umständen muss man auch einen Datenverlust beklagen.

Steckernetzteile, die als Ladegeräte konzipiert sind, sind für die Energieversorgung eines Raspberry Pi ungeeignet.

Ladegerät oder richtiges Netzteil?

Ladegeräte oder richtiges Netzteil

Viele Netzteile, die am Raspberry Pi eingesetzt werden, sind gar keine richtigen Netzteile, sondern Ladegeräte und damit nur bedingt als "Netzteil" geeignet. Doch ein Netzteil bzw. Netzgerät unterscheidet sich fundamental von einem Ladegerät.

  • Ein richtiges Netzteil ist eine Spannungsquelle mit elektronisch begrenztem Maximalstrom. Ein Netzteil versucht die Spannung, auch bei kurzzeitig hoher Stromentnahmen, bis zu seinem Maximalstrom stabil zu halten.
  • Ein einfaches Ladegerät ist eine Stromquelle mit elektronisch begrenzter Maximalspannung. Das Ladegerät versucht einfach nur den Maximalstrom zu liefern, unabhängig von der Spannung.

Das bedeutet, dass ein Ladegerät sich nur dann als Netzteil eignet, wenn die Begrenzung der Maximalspannung nicht nur nach oben, sondern auch nach unten präzise arbeitet. Also wie bei einem Netzteil elektronisch geregelt ist und nicht nur aus einer billigen Zener-Diode besteht.

Jetzt ist es leider so, dass Händler und Anwender das ignorieren. Der Grund ist, dass beide nicht über das entsprechende Fachwissen verfügen und den Unterschied zwischen einem Ladegerät und einem richtigen Netzteil nicht kennen.
Die Händler sind dabei nicht ganz unschuldig. In der Regel sind sie nicht vom Fach und können auch nicht beurteilen, was sie vom Hersteller oder Großhändler geliefert bekommen und an den Endkunden weiterverkaufen. So sind die als "Netzteil" beworbenen Steckernetzteile meist nur einfache Ladegeräte.
Insbesondere Anwender leiden darunter, weil die sich darauf verlassen müssen, dass der Händler ihnen keinen Schund andreht. Selbst wenn der Händler seine Steckernetzteile als Raspberry-Pi-fähig bezeichnet oder bewirbt, heißt das gar nichts.

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.

Generelle Anforderungen an die Energieversorgung

Grundsätzlich wird der Raspberry Pi mit einer Spannung von 5,0 Volt (V) am Micro-USB-Eingang mit Energie versorgt. Genau genommen sind es 5,1 V, was die meisten USB-Steckernetzteile auch liefern. Es sind deshalb 5,1 V, weil durch Steckverbindungen und Leitungen Verluste entstehen. Außerdem unterliegt eine Spannungsstabilisierung immer auch einer Exemplarstreuung und geringe Schwankungen bei der Stabilisierung. Etwas Überspannung macht an dieser Stelle Sinn.

Natürlich kann man einen Raspberry Pi auch unter 5,0 V betreiben. Bis zu einer Spannung von 4,75 Volt sollte das kein Problem sein. Darunter sollte man peinlichst auf eine stabilisierte Betriebsspannung sorgen, weil es sonst zu erheblichen Instabilitäten kommen kann.
Grundsätzlich sollte man nicht versuchen einen Raspberry Pi mit Unterspannung zu betreiben, wenn man sich nicht damit auskennt.

Der zweite wichtige Wert bei der Energieversorgung ist der Stromverbrauch, 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 Netzteil mit 2 A (2.000 mA) aus. Aber nur dann, wenn man keine stromhungrigen USB-Geräte anschließt. Dann braucht man einen extern gespeisten USB-Hub oder sollte ein Netzteil mit mindestens 2,5 A (2.500 mA) verwenden. Wichtig ist zu wissen, mehr als 2,5 A kann ein Raspberry Pi nicht ziehen. Wenn das Gesamtsystem mehr Strom braucht, dann wird das durch eine Sicherung begrenzt und zu Instabilitäten führen kann.

Die Spannung (Volt, V) eines Netzteils ist ein Nennwert, der eingehalten werden muss. Das heißt, Netzteilspannung und Gerätebetriebsspannung müssen zusammenpassen. Beide Werte dürfen nicht wesentlich voneinander abweichen.
Der Strom (Ampere, A) und die Leistung (Watt, W) eines Netzteils sind hingegen Nennwerte, die nicht überschritten werden dürfen. Hierbei ist zu beachten, dass ein 10-W- bzw. 2-A-Netzteil (bei 5 V) nicht beim Nennwert und auch nicht darüber hinaus betrieben werden darf. Wenn man die 2 A ziehen will, dann wird das Netzteil zwangsläufig in einen instabilen Zustand gebracht. Das heißt, die Spannung bricht zusammen und das versorgte 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 % mehr. Also mindestens 2,5 A. Besser mehr.

USB

Generell muss jedes USB-Gerät ohne eigenes Netzteil 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 0,5 A (100 mA und 500 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 eine Lösung. Besser ist es, man verwendet USB-Geräte, deren Stromverbrauch nicht so hoch liegt.

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 kann höchstens 16 mA liefern, ohne dabei Schaden zu nehmen. Alle GPIO-Pins zusammen höchstens 50 mA. Geht man von 40 Pins aus, von denen aber nur 26 Stück als GPIO beschaltet werden können, dann liegt der Strom, den man aus einem GPIO-Port ziehen darf, wenn man alle gleichzeitig als Ausgang nutzt, bei gerade mal 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.

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. Im Mittel verbraucht die HDMI-Verbindung bis zu 50 mA Strom (gemessen).
Ab dem Raspberry Pi B+ gilt, das bis zu 400 mA gezogen werden fürfen. Das ist wichtig für HDMI-Geräte ohne eigene Stromversorgung. HDMI-auf-VGA-Konverter erhalten genug Strom aus dem HDMI-Port.

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, lies sich leider nicht herausbekommen, weil die Datenblätter der einschlägigen Anbieter zum Stromverbrauch Ihrer Kamera-Module keinerlei Auskunft geben.

Zusammenfassung: Stromverbrauch (offiziell)

Raspberry Pi Stromverbrauch
Board (typisch) USB-Peripherie Maximal
Model A 200 mA 500 mA 700 mA
Model B 500 mA 500 mA 1,2 A
Model A+ 180 mA 500 mA 700 mA
Model B+ 330 mA 600 mA / 1,2 A (aktivierbar) 1,8 A
Model 2 B 330 mA 600 mA / 1,2 A (aktivierbar) 1,8 A
Model 3 B 330 mA 600 mA / 1,2 A (aktivierbar) 1,8 A

Stromversorgung: Raspberry Pi Modell A und B

Raspberry Pi Modell 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 (1.000 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 (2.000 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. 1.400 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 (1.500 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 (1.200 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.

Stromversorgung: Raspberry Pi 2 B

Beim Raspberry Pi 2 B wird ein Netzteil mit 5,1 V und 2,5 A empfohlen. Es geht sicherlich auch unter 2,0 A. Aber wenn man an den USB-Ports außer Maus und Tastatur noch weitere Geräte betreiben möchte, dann sollte man ein Netzteil mit hohem Strom verwenden, wenn man eine stabile Stromversorgung gewährleisten will.

Stromversorgung: Raspberry Pi 3 B

Speziell beim Raspberry Pi 3 sollte man wissen, dass der über einen Konstruktionsfehler verfügt. Wegen eines neuen Leiterplattendesigns und Einsparungen beim Einsatz minderwertiger Bauteile fallen auf dem Weg zwischen Micro-USB-Buchse und dem Chip bis zu 0,6 Volt ab. Das führt dazu, dass der Raspberry Pi 3 mit einem herkömmlichen USB-Netzteil mit 5,1 V an der Grenze der Unterspannung betrieben wird. Das Problem wird dadurch behoben, dass das offizielle Netzteil für den Raspberry Pi 3 eine Spannung von 5,2 Volt hat.

Hinweis: Wegen Toleranzen bei den Bauteilen und bei der Produktion ist nicht jeder Raspberry Pi 3 davon betroffen.

Stromversorgung: Troubleshooting

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

Die Raspberry Pi (1) 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.

Das richtige Netzteil

Um die vielfältigen Probleme bei einer instabilen Energieversorgung zu vermeiden, sollte man ein "echtes" Netzteil mit einer stabilisierten Spannung einsetzen. Der Kauf von Netzteilen für den Raspberry Pi ist daher immer ein Glücksspiel. Um einen Fehlkauf zu vermeiden, sollte man Netzteile nur dort kaufen, wo sie explizit als Zubehör für den Raspberry Pi erhältlich sind.

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