Raspberry Pi Pico: Grundlagen der Energieversorgung / Stromversorgung

Raspberry Pi Pico Stromversorgung Energieversorgung

Der Raspberry Pi Pico kann auf verschiedene Art und Weise mit Strom versorgt werden. Die einfachste Methode ist, den Micro-USB-Anschluss über ein USB-Kabel mit einem Computer zu verbinden. Alternativ besteht die Möglichkeit im Stand-alone-Betrieb, also ohne Computer, ein normales USB-Netzteil zu verwenden. Die Stromversorgung erfolgt dann mit 5 Volt über den USB-Anschluss.

Doch irgendwann besteht der Wunsch, den Raspberry Pi Pico vom Steckbrett zu befreien und ihn eine sinnvolle Tätigkeiten erledigen zu lassen. Dabei stellt sich die Frage nach der Stromversorgung. Die einfachste Lösung ist dann tatsächlich ein USB-Netzteil. In vielen Fällen ist vielleicht eher der Batteriebetrieb gefragt oder die einzigste Option.

Diesen und auch anderen Fragen wollen wir hier nachgehen.

Übersicht

Im Folgenden eine Übersicht, welche Möglichkeiten es gibt, einen Raspberry Pi Pico mit Strom zu versorgen.

  • 5 Volt über den Micro-USB-Anschluss (Host-Computer oder USB-Netzteil)
  • 5 Volt über den VBUS-Pin (Pin 40), ohne USB-Speisung oder wenn Pico im USB-Host-Betrieb
  • 3,3 Volt über den 3V3-Pin (Pin 36)
  • 1,8 bis 5,5 Volt über den VSYS-Pin (Pin 39) für den Batterie- oder Akku-Betrieb

Energieversorgung externer Bauteile

In der Regel wird man den Pico nicht alleine betreiben, sondern mit externen Bauteilen, die auch eine Energieversorgung brauchen. Dafür eignen sich Pin 40 (VBUS) mit 5 Volt oder Pin 36 (3V3) mit 3,3 Volt, über die externe Bauteile mit Strom versorgt werden können. Mit 5 Volt funktioniert das aber nur dann, wenn ein 5-Volt-Netzteil oder USB-Netzteil als Spannungsquelle vorgesehen ist.

Der Raspberry Pi Pico hat einen internen Spannungsregler, der +3,3 Volt erzeugt. Der Pico und die externe Beschaltung kann über den 3V3-Ausgang (Pin 36) mit bis zu 300 mA mit Strom versorgt werden.

Hinweis: Wenn externe Bauteile oder Schaltungen eine eigene Spannungsquelle haben, dann muss man in der Regel den Ground (GND / 0 Volt) beider Spannungsquellen miteinander verbinden, damit der Aufbau eine gemeinsame Masse bzw. Bezugspunkt hat.

Hinweis zur direkten Beschaltung der Pins: Wenn nicht der Micro-USB-Anschluss, sondern die Pins direkt mit einer Spannungsquelle verbunden werden, dann kann der Anschluss für 0 Volt bzw. GND über einen beliebigen GND-Pin erfolgen. Zum Beispiel Pin 38. Der Ground (GND) bzw. 0 Volt liegt auch auf den Pins 3, 8, 13, 18, 23, 28, 33 und 38.

Stromverbrauch und Stromkosten

Bei der Wahl und Dimensionierung der richtigen Stromversorgung spielt auch immer der Stromverbrauch eine wichtige Rolle. Den genauen Stromverbrauch eines Aufbaus hängt vom Strombedarf der Rechenleistung und der äußeren Beschaltung ab. Da der Spannungsregler für 3,3 Volt auf dem Pico-Board maximal 300 mA liefern kann, kann man sich bei der Wahl der externen Spannungsquelle ungefähr daran orientieren.

Raspberry Pi Pico über USB-Host-Computer (5 Volt) am Micro-USB versorgen

Raspberry Pi Pico über USB-Host-Computer (5 Volt) am Micro-USB versorgen

Die einfachste Methode ist, den Micro-USB-Anschluss über ein USB-Kabel mit einem Computer zu verbinden.

Raspberry Pi Pico mit einem USB-Netzteil (5 Volt) am Micro-USB versorgen

Raspberry Pi Pico mit einem USB-Netzteil (5 Volt) am Micro-USB versorgen

Alternativ zum Host-Computer besteht die Möglichkeit im Stand-alone-Betrieb, also ohne Computer, ein normales USB-Netzteil mit 5 Volt zu verwenden.
Hierbei muss man beachten, dass der Stromverbrauch im Normalbetrieb eines Raspberry Pi Pico sehr gering ist und manche Netzteile abschalten. Das äußert sich dann so, dass sie scheinbar nicht funktionieren. Hierzu muss man wissen, dass die typischen Steckernetzteile Schaltnetzteile sind, die zum Funktionieren eine Grundlast brauchen. Wenn die Grundlast einer angeschlossenen Schaltung nicht groß genug ist, dann lösen manche Hobby-Elektroniker das so, dass sie zwischen 5 Volt und GND einen Widerstand einbauen, der die Grundlast erzeugt. Das erhöht dann aber auch den Stromverbrauch. Besser ist es, ein Netzteil zu verwenden, dass mit einer geringen Grundlast auskommt.

Raspberry Pi Pico mit einer USB-Powerbank (5 Volt) am Micro-USB versorgen

Raspberry Pi Pico mit einer USB-Powerbank (5 Volt) am Micro-USB versorgen

Alternativ zum USB-Netzteil besteht die Möglichkeit im Stand-alone-Betrieb eine USB-Powerbank zu verwenden.
Auch hier muss man beachten, wie bei USB-Netzteilen, dass manche Powerbanks eine Grundlast brauchen und nicht zwangsläufig mit einem Raspberry Pi Pico funktionieren müssen.

Insgesamt ist die Stromversorgung über eine Powerbank die schlechteste aller Varianten. Eine Powerbank nutzt intern typischerweise einen Lithium-Akku (vielleicht mit 3,7 Volt). Dessen Spannung muss mit Verlust auf 5 Volt transferiert werden. Die 5 Volt werden dann in das Pico-Board eingespeist und vom Spannungsregler wieder mit Verlust auf 3,3 Volt heruntergeregelt. Wenn man bedenkt, dass ein Pico im Normalbetrieb nur ein paar Milliampere (mA) braucht, ist das hinsichtlich der Energieeffizienz eine Vollkatastrophe.

Raspberry Pi Pico mit 5 Volt am VBUS (Pin 40) versorgen

Raspberry Pi Pico mit 5 Volt am VBUS (Pin 40) versorgen

Im Stand-alone-Betrieb kann man den Raspberry Pi Pico mit 5 Volt aus einem Netzteil betreiben. Dabei muss nicht der Micro-USB-Anschluss verwendet werden. Man kann die Leitungen für 5 Volt auch direkt mit VBUS (Pin 40) und 0 Volt bzw. GND beispielsweise mit Pin 38 verbinden.

Die Spannung an VBUS muss 5 Volt +/- 10% sein, was 4,54 V bis 5,5 V entspricht.

Raspberry Pi Pico im Batterie- oder Akku-Betrieb am VSYS (Pin 39) versorgen

Raspberry Pi Pico im Batterie- oder Akku-Betrieb am VSYS (Pin 39) versorgen

Im Stand-alone-Betrieb kann der Batterie- oder Akku-Betrieb sinnvoll sein. Der Raspberry Pi Pico setzt hierfür eine Spannung zwischen 1,8 und 5,5 Volt am VSYS-Pin (Pin 39) voraus.
Auf der Platine ist ein Spannungswandler, der aus einer Eingangsspannung eine Versorgung mit +3,3 Volt macht. Das ist praktisch, wenn man mit 2 oder 3 AA-Batterien eine mobile Energieversorgung realisieren will.
Voraussetzung ist, dass der Gesamtaufbau mit einer Betriebsspannung von 3,3 Volt aus dem integrierten Spannungswandler auskommt.

Hinweis: Der interne Spannungswandler ist bis zu 300 mA belastbar. Wenn angeschlossene Komponenten mehr Strombedarf haben, dann brauchen die ihr eigenes Netzteil. In der Regel müssen dann die GND-Leitungen der Netzteile verbunden sein.

Raspberry Pi Pico mit 3,3 Volt am 3V3 (Pin 36) versorgen

Raspberry Pi Pico mit 3,3 Volt am 3V3 (Pin 36) versorgen

Wenn die 300 mA des internen Spannungsreglers nicht reichen und der Aufbau über nur ein Netzteil versorgt werden soll, dann kann man auch eine externe, feste Spannung von 3,3 Volt am 3V3-Pin (Pin 36) anschließen.

Hinweis: Bei dieser Lösung ist 3V3_EN (Pin 37) mit GND zu verbinden, um den internen Spannungsregler (SMPS) abzuschalten.

Anwendungsfall: Akku- und Batterie-Betrieb

Prinzipiell sind jegliche Akku- und Batterie-Kombinationen geeignet, bei denen die Spannung zwischen 1,8 und 5,5 Volt liegt. Voraussetzung ist, dass der Gesamtaufbau mit einer Betriebsspannung von 3,3 Volt auskommt.

  • 2 x AA- oder AAA-Akkus: 2 x 1,2 V = 2,4 V
  • 3 x AA- oder AAA-Akkus: 3 x 1,2 V = 3,6 V
  • 4 x AA- oder AAA-Akkus: 4 x 1,2 V = 4,8 V

Hinweis: AA- und AAA-Akkus haben im vollen Zustand im Leerlauf und wenn sie nur geringfügig belastet werden eine Spannung von bis zu 1,35 Volt. Bis 5,5 Volt ist das also unbedenklich

  • 2 x AA- oder AAA-Batterien: 2 x 1,5 V = 3,0 V
  • 3 x AA- oder AAA-Batterien: 3 x 1,5 V = 4,5 V
  • 4 x AA- oder AAA-Batterien: 4 x 1,5 V = 6,0 V

Hinweis: Da bei der allgemeinen Handhabung von AA- bzw. AAA-Batterien und Akkus davon ausgegangen wird, dass diese Aufgrund der Bauform einfach untereinander zu tauschen sind, sollte man mit einem Batteriefach für maximal 3 Batterien bzw. Akkus arbeiten, wenn diese direkt an VSYS (Pin 39) angeschlossen werden. Wer versehentlich 4 x 1,5-Volt-Batterien anschließt, der himmelt dadurch den Raspberry Pi Pico rechnerisch mit 6,0 Volt.

  • Lithium-Ionen-Akkus: Im Prinzip sind alle Typen geeignet, die eine Spannung zwischen 1,8 und 5,5 Volt haben und deren Kapazität zum Strombedarf des Aufbaus passt.

Hinweis: Was im privaten Umfeld gerne vergessen wird ist, dass jeder Transport einer Lithium-Ionen-Batterie ein Gefahrguttransport ist. Für die Beförderung gelten auf Grund der hohen Brandgefahr bei Kurzschluss oder Wasser-Einfluss besondere Sicherheitsvorschriften. Vor dem Einsatz eines Lithium-Ionen-Akkus sollte man vorher überlegen, ob es nicht auch anders geht.

Anwendungsfall: Raspberry Pi Pico mit 12 Volt betreiben

In einem konkreten Anwendungsfall haben wir ein Netzteil oder eine andere Spannungsquelle mit ungefähr 12 Volt. Diese Spannungsquelle soll auch den Raspberry Pi Pico mit Strom versorgen. Die Frage ist, wie realisiert man das am Besten?

Es gibt insgesamt drei Möglichkeiten einen Raspberry Pi Pico mit einer Spannungsquelle über 5 Volt mit Strom zu versorgen.

  1. Festspannungsregler für 5 Volt an Pin 40
  2. Step-Down-Wandler für 5 Volt an Pin 40
  3. Step-Down-Wandler für 3,3 Volt an Pin 36

Welche Lösung ist die bessere Wahl?

  1. Der Festspannungsregler vom Typ 7805 ist die kostengünstigste Variante. Aber ein Festspannungsregler hat einen schlechten Wirkungsgrad. Das ist also nur eine schnelle, aber wenig optimale Lösung.
  2. Ein Step-Down-Wandler für 5 Volt scheint auf den ersten Blick sinnvoller und flexibel bleibt. Man kann den Wandler sehr leicht durch ein 5-Volt-Netzteil ersetzen, oder von einem 5-Volt-Netzteil auf einen Step-Down-Wandler umstellen. Diese Lösung ist energetisch aber weniger sinnvoll, weil die 5 Volt auf dem Board noch einmal nach 3,3 Volt gewandelt werden. Jede Wandlung bedeutet Verlust und führt zu einem höheren Stromverbrauch.
  3. Ein Step-Down-Wandler für 3,3 Volt ist energetisch am sinnvollsten. Aber, dann müssen alle Komponenten im Aufbau mit 3,3 Volt arbeiten können.

Fazit: Braucht man 5 Volt, dann Lösung 2. Braucht man nur 3,3 Volt, dann Lösung 3.

Übersicht: Stromverbrauch

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