Alternatieve voeding voor de Raspberry Pi 4

Een Raspberry Pi 4 kan zonder stopcontact. Je kunt hem namelijk ook van stroom voorzien via USB-C vanaf een iPad, vanaf het netwerk of via de GPIO-aansluitingen.

De Raspberry Pi 4 is het meest energieverslindende model in de Pi-familie tot nu toe. Afhankelijk van de uitbreidingen en de aangesloten randapparatuur heeft hij tot 15 watt continu vermogen nodig. Maar die 15 watt zijn geen harde limiet. Wanneer je bijvoorbeeld een externe harde schijf aansluit, kan het energieverbruik nog hoger zijn, net als bij kortdurende belastingpieken. De meeste adapters reageren op dergelijke belastingpieken met een korte daling van de voedingsspanning, die door de Raspberry Pi wordt aangegeven met het knipperen of uitgaan van de rode led en het omlaag klokken van de cpu. Daarmee kan hij in de meeste gevallen een crash van het besturingssysteem voorkomen.

Bij oudere Pi’s 4 kunnen verrassend genoeg net krachtige USB-C adapters en hoogwaardige USB-C kabels ertoe leiden dat Raspberry Pi helemaal geen stroom krijgt. De oorzaak daarvan is een fout in de schakeling van de eerste productieserie. Het is beter om een goedkope USB-C kabel van onder de 10 euro te gebruiken, die geen geïntegreerde chips heeft, of om de originele voeding van de Raspberry Pi Foundation te gebruiken.

Maar het is ook mogelijk om de Raspberry Pi over de GPIO-aansluitingen van stroom te voorzien. De relatief lage voedingsspanning van nominaal 5 volt zorgt er echter voor dat dunne stroomkabels een bottleneck worden. Bij 3 ampère en hoger treedt al snel een aanzienlijk spanningsverval op, daarom kun je het beste draden met een minimale diameter van 0,75 mm gebruiken, zodat de Pi zichzelf niet omlaag klokt. Met het volgende commando kun je altijd controleren of er een probleem is met de stroomvoorziening of dat er een probleem is geweest sinds de laatste reboot:

/opt/vc/bin/vcgencmd get_throttled

Bij de returnwaarde, bijvoorbeeld 0x50000 of 0x50005, zijn alleen het eerste en het laatste cijfer van de hexadecimale waarde interessant – dus de 5 en de 0 bij 0x50000 en de 5 en de 5 bij 0x50005. De 5 op de eerste positie betekent dat er minstens één keer onderspanning is geweest sinds het opstarten van het systeem en dat de cpu daarom is gethrottled – de Raspberry Pi heeft dan niet genoeg stroom gekregen. Een tweede 5 zou betekenen dat de cpu op dit moment gethrottled is en dat er een acute onderspanning is – meestal omdat het systeem momenteel op volle capaciteit werkt. Dan is ook de rode led uitgeschakeld of knippert hij synchroon met de belasting. Als je dan nog een externe ssd of een energieverslindende usbstick aansluit, kan de Raspberry Pi crashen. Soms boot de Pi spontaan opnieuw op om vervolgens weer in een onderspanningssituatie te komen, wat resulteert in eindeloze bootloops. In het ergste geval kan dat het bestandssysteem beschadigen.

Wanneer je de Raspberry Pi als een usb-netwerkapparaat op een laptop of iPad Pro gebruikt, nemen de laptop en de iPad ook de stroomvoorziening over. Oudere laptops zijn echter niet ontworpen om zulke hoge stromen te leveren – en met de iPad Pro is het probleem dat de Raspberry Pi dan de enige usb-verbinding blokkeert, waardoor de iPad niet meer op te laden is.

In beide gevallen bieden USB-C-hubs met power delivery (PD) uitkomst. We konden er echter niet één vinden die voldoende stroom leverde voor de Raspberry Pi 4 in alle bedrijfsmodi – daarom knipperde de rode powerled van de Pi af en toe of ging hij zelfs helemaal uit.

Bij gebruik met de iPad Pro was de USB-C Digital AV Multiport Adapter van Apple voor een flinke 80 euro nog steeds de beste keuze. Die heeft behalve de USB-C-aansluiting voor de voedingseenheid ook een hdmi- en een USB-A-aansluiting voor het aankoppelen van de Raspberry Pi. Met een USB-A-naar-C-adapterkabel waren er slechts sporadisch knelpunten bij het aansturen van een Raspberry Pi 4 in combinatie met een externe ssd. En er waren geen crashes.

Bij de Goobay 62111 voor 50 tot 60 euro en diens half zo snelle, maar ook half zo dure opvolger Goobay 62112, knipperde de powerled beduidend vaker, maar het was nog steeds genoeg om een externe ssd zonder crashes op de Raspberry Pi aan te sluiten. Aangezien beide Goobay-hubs twee USB-C-aansluitingen hebben, heb je geen adapterkabel nodig om de Raspberry Pi aan te sluiten. Voor oudere laptops die op één usb-poort niet genoeg stroom leveren zijn er twee alternatieven: een Y-kabel, die de Pi van stroom voorziet via twee parallelle usb-poorten, of een conventionele usb-hub met voldoende vermogen.

Totaal ongeschikt zijn in ieder geval zogenaamde USB-C-splitters. Daarmee kun je een USB-C-hoofdtelefoon en een USB-C-oplaadkabel tegelijk aansluiten. Die adapters maken gebruik van het feit dat bepaalde datalijnen van de USB-C-poort te gebruiken zijn voor het doorgeven van analoge audiosignalen. Daarom zijn op de ene ogenschijnlijk normale USB-C-aansluiting alleen de pinnen voor de voeding aangesloten en op de andere alleen de pinnen voor de analoge audiosignalen. Als je in plaats van een koptelefoon daar een ander USB-C-apparaat op aansluit, krijgt het meestal niet eens stroom, en zeker geen usb-dataverbinding.

De Raspberry Pi is niet ontworpen voor gebruik op accu’s, er is geen aansluiting voor een accu en dus ook geen oplaadcircuit. De StromPi 3-hat van Joy-It voor ruim 40 euro heeft dat wel, samen met een wide-range input voor spanningen van 6 tot 61 volt. In vergelijking met eerdere modellen kan de huidige versie 3 van de hat tot 3 ampère stroom leveren, zoals vereist wanneer de Pi 4 op volle capaciteit draait. Een geschikte 1000mAh-accu kost nog eens ruim 30 euro, maar kan de Raspberry Pi slechts 30 tot 60 minuten van stroom voorzien – een dubbel zo grote accu kost circa 50 euro. Daarom verkoopt Joy-It de StromPi 3-hat ook als powerunit voor meerdere stroombronnen met USV-functie. Toch is de StromPi 3-hat het vermelden waard omdat de fabrikant in plaats van de brandgevaarlijke lithium-ion- en lithium-polymeer-accu’s lithium-ijzerfosfaat-accu’s gebruikt. Dat kan bij oververhitting niet tot zelfontbranding leiden.

De StromPi 3-hat van Joy-IT gebruikt lithium-ijzerfosfaat-accu’s in plaats van lithium-ion- of lithium-polymeer-accu’s, die bij oververhitting tot zelfontbranding kunnen leiden.

De belangrijkste problemen bij mobiel gebruik zijn dat de Raspberry Pi geen stand-by-modus heeft waarin hij slechts enkele milliwatts verbruikt en na het uitzetten ook niet uitgaat. Zelfs na een poweroff bedraagt het energieverbruik nog steeds tot één watt. De beproefde methode is om de Raspberry Pi bij mobiel gebruik aan te sluiten op een grote powerbank en, na het afsluiten, de stroomkabel los te koppelen. Zo werkt de StromPi 3 ook als de stroomvoorziening via de lichtnetadapter uitvalt. Dan zet hij de Raspberry Pi uit en schakelt hij de stroomvoorziening na een programmeerbare tijd volledig uit om een diepe ontlading van de accu te voorkomen. Wanneer je een nieuwe powerbank koopt, let er dan op dat die tegelijkertijd opgeladen kan worden en aangesloten apparaten van stroom kan voorzien (passthrough charging). Dat is helemaal niet vanzelfsprekend. Anders zou je de Raspberry Pi elke keer moeten uitschakelen als de powerbank weer opgeladen moet worden.

Als er geen stopcontact in de buurt is of als je de USBC- poort van de Raspberry Pi 4 wilt gebruiken voor data-uitwisseling, dan is Power-over-Ethernet (PoE) een interessant alternatief voor de standaard voeding. Daarvoor heb je wel een PoE-switch of -injector en een PoE-hat of PoE-adapter bij de Pi nodig. De originele PoE-hat van de Raspberry Pi Foundation is relatief duur met een prijs van bijna 25 euro, maar zeer compact – hij zou in de meeste behuizingen voor de Raspberry Pi 4 moeten passen en ook voor de Pi 3B+. Het heeft ook een geregelde ventilator voor de cpu, waaronder ook nog ruimte is voor een plat koellichaam. Maar hij is slechts ontworpen voor maximaal 2,5 ampère en blokkeert de volledige GPIO-aansluiting, die niet doorverbonden is.

De PoE-hat van de Raspberry Pi Foundation is zo compact dat hij in de meeste standaard behuizingen past. Met slechts 12,5 watt uitgangsvermogen is hij echter wat ondermaats voor de Raspberry Pi 4, wat problemen kan opleveren bij gebruik met een ssd.

Bij de test deed zich een uiterst vreemd fenomeen voor in verband met die PoE-hat. Toen we een ssd aansloten op de Raspberry Pi met een usb-sata-adapter en vervolgens met fio de data-transferrates bij het lezen en schrijven wilden bepalen, leverde de Pi alleen bij de adapters met het UAS-protocol na het beëindigen van de tweede benchmark reproduceerbare invoer- en uitvoerfouten. En dat gebeurde zowel met de ssd als de sd-kaart van waaruit we Raspberry Pi OS hadden opgestart. Na een herstart werkte de adapter weer zonder problemen tot de volgende benchmark. Toen we de Pi 4 met de adapter van de Raspberry Pi Foundation van stroom voorzagen of de PoE-hat van de Raspberry Pi Foundation verruilden voor die van een andere leverancier, deed dat probleem zich niet voor.

Onze tip: als je na het ombouwen naar PoE tegen vreemde effecten aanloopt, probeer dan een conventionele voeding voordat je de Raspberry Pi of eventuele randapparaten voor defect verklaart. Hoewel de Pi ons geen onderspanning liet zien, vermoeden we dat de 2,5 ampère van de PoE-hat toch te weinig was, maar we hebben geen bevredigende verklaring voor het feit dat het probleem zich alleen voordeed bij het benchmarken van de UAS-adapters en niet bij de usb-opslagadapters, en waarom het ook bij de sd- kaart van de Raspberry Pi gebeurde.

Andere aanbieders verkopen hun PoE-hats voor minder dan de helft van wat de Raspberry Pi Foundation vraagt, maar die zijn wel wat groter. De Raspberry Pi 4 past dan niet meer in een conventionele behuizing. Maar die hats geven meestal wel de GPIO-aansluitingen door, zodat je er nog extra uitbreidingskaarten op kunt zetten. Sommige modellen hebben ook nog een klemaansluiting en leveren tot 4 ampère stroom, zodat je ze ook kunt gebruiken om kleine pompen of motoren aan te sturen.

Als je de USB-C-connector van de Raspberry Pi 4 niet nodig hebt voor datatransfer, kun je als alternatief ook een externe PoE-converter gebruiken. Die zien er een beetje uit als een usb-ethernetadapter, maar ze hebben behalve de USB-C-aansluiting voor de stroomvoorziening ook nog een RJ45-stekker voor de verbinding met de netwerkaansluiting van de Raspberry Pi. Ze zijn voor ongeveer 10 euro ook de goedkoopste oplossing voor het geval er geen stopcontact in de buurt is voor een conventionele adapter en je de Raspberry Pi via het netwerk van stroom moet voorzien.

(Dit artikel is verschenen in c’t 11/2020, p.80, met medewerking van Mirko Dölle en Noud van Kruysbergen)

Wil je op de hoogte blijven van het laatste IT-nieuws en de nieuwste online-artikelen? Meld je dan hier aan voor onze nieuwsbrief: