Raspberry Pi 4 Lüfter anschließen und steuern – Tutorial

Unter Last wird die CPU des Raspberry Pi’s sehr warm, weshalb eine aktive Kühlung sinnvoll ist – gerade wenn der Pi übertaktet wurde. Um die Betriebstemperatur optimal zu halten, schauen wir uns an, wie wir einen Raspberry Pi 4 Lüfter anschließen und aktiv steuern können – je nach Bedarf. Denn nicht immer reichen passive Kühlkörper für Anwendungen aus. So können wir eine höhere Leistung im Dauerbetrieb bekommen, ohne dass der Raspberry Pi zu heiß wird.

In diesem Tutorial findest du alles, was du dafür brauchst – von der Einrichtung einer aktiven Lüftersteuerung bis hin zum Erstellen des optimal belüfteten Raspberry Pi 4 Gehäuse.

Lüfter Zubehör und Kühlkörper

Um einen Lüfter am Raspberry Pi zu betreiben, braucht es zunächst einmal nicht viel. Allerdings haben wir viele Möglichkeiten, alles unseren Anforderungen anzupassen. In meinem Beispiel habe ich ein selbst-gedrucktes Raspberry Pi Gehäuse mit Öffnung für den kleinen Lüfter genommen und dazu einen Transistor, um ihn bei Bedarf anschalten zu können. Insbesondere habe ich folgende Bauteile und Zubehör verwendet

• Raspberry Pi 4
• 40×40 mm Lüfter (wichtig: 5V)
• Transistor
• Raspberry Pi Gehäuse mit Lüfteröffnung
  • hier gibt es zwar verschiedene Modelle zu kaufen, allerdings habe ich mit meinem 3D-Drucker ein Gehäuse selbst gedruckt (das ist günstiger und du kannst das Modell deinen Vorstellungen entsprechend anpassen).
• Ein paar Jumper Kabel
• Optional: Passive Kühlkörper zur verbesserten Kühlung – achte dabei jedoch auf die Höhe, damit sich Lüfter und Kühlkörper nicht in die Quere kommen.

Bevor wir den Raspberry Pi 4 Lüfter anschließen, solltest du schauen, was genau du vorhast. Soll der 5V Lüfter bspw. im Dauerbetrieb laufen, so brauchst du keinen Transistor.

Aktive und passive Out-of-the-Box Kühlkörper Lösung

Für den Fall, dass du eine einfache Lösung bevorzugst und nicht viel selber bauen willst, gibt es verschiedene vorgefertigte Lösungen. Zum einen haben manche Raspberry Pi 4 Gehäuse bereits integrierte Lüfter – wie dieses hier.

Andererseits – falls du bereits ein Gehäuse hast oder dein Pi fest verbaut ist – können wir auch einen Aluminium Aufsatz nutzen. Dieser kombiniert die aktive und passive Kühlung

Beide Alternativen sind zunächst einmal für den Dauerbetrieb konzipiert – der Lüfter dreht sich also die ganze Zeit. Mit ein paar Handgriffen können wir es aber so umbauen, dass erst bei entsprechender Last die Lüftung aktiv geschaltet wird.

Vorbereitung: Raspberry Pi 4 Gehäuse mit Lüfteranschluss selber drucken

Auf Seiten wie Thingiverse gibt es viele vorgefertigte Modelle für Raspberry Pi Gehäuse – einige auch mit Einsparungen für einen kleinen Lüfter. Aber auch die anderen Modelle sind mit ein paar Änderungen durch Tools wie Tinkercad oder Fusion 360 anpassbar.

Da wir eine optimale Belüftung mit dem Gehäuse kombinieren wollen – und dabei nicht an Stabilität verlieren möchten – können wir ein paar Druckeinstellungen vornehmen. Im Prinzip geht es darum die abschließenden Schichten weglassen und damit nur das Mesh der Füllung übrig bleibt, welches Luftdurchlässig ist. Wie bereits erwähnt habe ich dieses Modell und folgende Einstellungen in Cura zum Slicen genutzt.

Wer ein anderes Design möchte, kann auch auf Modelle wie dieses zurückgreifen und es mit den Standard-Druckeinstellungen drucken.

Aktive Raspberry Pi Lüftersteuerung selber bauen

Damit wir keine externe Stromversorgung brauchen, ist es wichtig, dass der Lüfter nicht mehr als 5V braucht – somit können wir ihn einfach über die GPIOs per Strom versorgen.

Hierbei haben wir zwei Möglichkeiten: Entweder lassen wir den Lüfter dauerhaft laufen – dafür brauchen wir keine weitere Konfiguration am Raspberry Pi. Allerdings haben wir dadurch einen minimal höheren Stromverbrauch (ca. 1.25 Watt) und – je nach Lautstärke des Lüfters – auch mehr Lärm. Falls der Pi unter Dauerlast arbeitet, sollte das dennoch kein Problem sein und ist wahrscheinlich die einfachste Lösung.

Falls du allerdings eine intelligentere Lüftersteuerung möchtest, die nach Bedarf aktiviert wird, so brauchen wir noch ein paar kleine Schritte mehr.

Raspberry Pi 4 Dauerbetrieb – Lüfter anschließen leicht gemacht

Fangen wir mit der einfachsten Lösung an – dem Dauerbetrieb. Hierzu reicht es lediglich die beiden Lüfteranschlüsse an den Raspberry Pi anzuschließen:

1. Rotes Kabel (+5V) an den 5V Pin den Raspberry Pi’s (Pin 2)
2. Schwarzes Kabel (GND) an GND vom Raspberry Pi (Pin 6)

Schematisch sieht das Ganze folgendermaßen aus:

Lüfteranschluss zur intelligenten Steuerung – je nach Last des Raspberry Pi’s

Falls wir eine erweiterte Steuerung haben möchten, müssen wir einen zusätzlichen Pin am Raspberry Pi nutzen. Dieser gilt als Schalter und soll das Signal zum An- und Ausschalten des Lüfters geben – sobald die CPU zu heiß wird. Während wir kleine LEDs einfach per GPIO steuern können, brauchen wir in diesem Fall einen Transistor. GPIOs haben nämlich lediglich eine Spannung von 3.3V bei 16mA, was in diesem Fall nicht ausreicht.

Daher beginnen wir zunächst mit der Verkabelung. Ich habe exemplarisch GPIO 17 (Pin 11) zum Schalten genommen, aber du kannst auch jeden anderen freien GPIO nutzen. Idealerweise nehmen wir noch einen 4.7 kΩ Widerstand zwischen Basis (Mitte) des Transistors und dem GPIO. Der Aufbau ist wie in der schematischen Darstellung zu sehen:

Nun fehlt noch die Konfiguration. Dafür loggen wir uns per SSH am Raspberry Pi ein. Anschließend erstellen wir ein kleines Bash Skript mit folgendem Inhalt:

sudo nano /home/pi/cooler_fan.sh

Falls du einen Temperatur-Schwellwert setzen willst, kannst du das Skript natürlich entsprechend anpassen. Mit STRG + O wird der Inhalt gespeichert und mit STRG + X beenden wir den Editor. Unser Skript braucht noch Dateiberechtigung, die wir vergeben:

sudo chmod 777 /home/pi/cooler_fan.sh

Nun können wir einen ersten Test ausführen:

sudo /home/pi/cooler_fan.sh

Zu guter Letzt erstellen wir einen Cronjob, der das Skript jede Minute aufruft:

crontab -e

Beim ersten Aufruf wirst du ggf. nach deinem bevorzugten Editor gefragt – ich nehme den nano-Editor. Füge anschließend folgende Zeile ein:

*/1 * * * * sudo /home/pi/cooler_fan.sh > /dev/null

Speichere den Inhalt wie zuvor.

Das war’s bereits! Das Skript steuert den Lüfter nun automatisch, indem jede Minute geprüft, ob die CPU Temperatur über oder unter dem Schwellwert liegt und entsprechend den „Schalter“ (de-)aktiviert.

Zusatzinformationen und Fazit

Zusätzlich zum hier Gezeigten können wir auch noch die Umgebungstemperatur dazu nehmen. Dafür gibt es Temperatursensor wie den DS18B20. Sollte es im Gehäuse zu warm werden, könnten wir den Lüfter ebenfalls anschalten und für eine bessere Kühlung sorgen.

Mein Fazit

Einen Lüfter am Raspberry Pi anzuschließen und zu steuern ist sehr einfach, aber kann eine große Wirkung haben. Der Pi 4 ist mit seinen 4 CPU Kernen auch noch übertaktbar, aber wird dabei entsprechend wärmer. Hier macht eine aktive Lüftersteuerung auf jeden Fall Sinn!