Strombelastbarkeit der 3,3V Regler der Raspberry Pi Modelle über den GPIO-Pinheader
Immer wieder wird darüber diskutiert, wie hoch die Stromentnahme der 3,3V Spannungsversorgung an den GPIO-Pins 1-6 der Raspberry Pi Modelle sein darf.
Laut "einer" Dokumentation (http://elinux.org/Rpi_Datasheet_202_Rasperry_Pi_IO) beträgt die zusätzliche Stromentnahme 50mA. Leider entbehrt die Dokumentation eines jedweden Kontext, für den diese Spezifikation Gültigkeit besitzt. Ein für eine ausgewiesene Stromquelle spezifizierter Wert von nur 50mA wirft jedoch Fragen auf. Insbesondere dann, wenn der zugrundeliegende Schaltregler für den Ampere-Bereich ausgelegt wurde. Grund genug, um einige Messungen zur Belastbarkeit der Spannungsquelle und der erzeugten Wärmeentwicklung anzustellen.
Testbedingungen
Die Raspis wurden jeweils per LAN Netzwerk (auch ein 3,3V Verbraucher) und ssh Session an einen PC gekoppelt. Ein in einer Endlosschleife laufendes "Hello World" signalisierte das Lebenszeichen der CPU. Weitere 3,3V Verbraucher z.B. USB-Geräte oder HDMI-Geräte waren nicht angeschlossen.
Die Belastung erfolgte über die Pins 1 und 6 der GPIO-Pfostenbuchse. Dabei wurde die Stromstärke über mehrere parallelgeschaltete 47Ohm Widerstände in Schritten erhöht und nach etwa 5 Minuten die sich ergebende Temperatur des 3,3V Reglers gemessen.
Versuch 1 - "Raspberry Pi Model B"
Tabelle 1 zeigt die Temperatur des Linearreglers RG2 in Abhängigkeit des über die GPIO-Pins abgeführten Stromes.
Tabelle 1: Temperatur des 3,3V Reglers RG2 des Pi B in Abhängigkeit der Strombelastung.
Diagramm 1: Graphische Darstellung der Werte des Diagramms 1.
Ergebnis
Bis etwa 500mA zeigte der Pi kein Fehlverhalten (Testdauer 30min). Sowohl der softwareseitige Reboot, als auch der hardwareseitige Reboot verliefen problemlos. Spätestens ab 565mA stürzte die CPU ab und auch ein hardwareseitiger Reboot war nicht mehr möglich. In vorgenannter Konfiguration lag die zusätzliche Belastungsobergrenze der 3,3V Stromversorgung über den Pins 1 und 6 also bei etwa 500mA. Bild 1 zeigt den Meßaufbau.
Bild 1: Meßaufbau zu den Messungen am "Raspberry Pi Model B"
Versuch 2 - "Raspberry [font="Arial, serif"]Pi Model B + V1.2"[/font]
Nachdem dieses Modell und neuere Modelle der Raspberry Pi Generationen nicht mehr über Linearregler sonder Schaltregler verfügen, ist deren Wärmeentwicklung geringer, als die des Modells "Raspberry Pi Model B". Zudem erlaubte das Temperaturmeßgerät keine Oberflächenmessung auf so kleinem Raum, wie es die Größe des Schaltreglers erfordert hätte. Auf Temperaturmessungen wurde sonach verzichtet.
Die Strommessung begann bei 500mA und wurde bei 600mA abgebrochen, um die Leiterbahnen zu den Pins nicht zu überlasten.
Ergebnis
Die Obergrenze der Strombarkeit wurde aus Sicherheitsgründen (Gefahr der Zerstörung der Leiterbahnen des Pi) nicht ermittelt. Eine Belastung bis 600mA zeigte jedoch noch kein Fehlverhalten im Betrieb (Testdauer 30min). Softwareseitiger und hardwareseitiger Reboot verliefen problemlos. Bild 2 zeigt den Meßaufbau.
undefined Bild 2: Meßaufbau zu den Messungen am "Raspberry [font="Arial, serif"]Pi Model B + V1.2[/font]"
Zusammenfassung
Die in der Dokumentation wiederzufindende Angabe zur Strombelastbarkeit der 3,3V Spannungsquelle über die GPIO-Pins 1 und 6 ist zwar nicht falsch, für die praktische Verwendung aber auch wenig hilfreich. Tests an 2 Modellen (ein Modell mit Linearregler und eines mit Schaltregler) ergaben mögliche Stromentnahmen von 500mA (Linearregler) und 600mA (Schaltregler). Es gilt anzumerken, daß keine zusätzliche Peripherie an den PI's angeschlossen war.
Anmerkung: Ich möchte mit diesem Beitrag nicht dazu animieren, die an der GPIO-Pfostenleiste verfügbaren 3,3V der Pins 1 und 6 der Raspberry Pi Modelle nun für "Heizungszwecke" o.ä. zu mißbrauchen! Vielmehr wollte ich dafür sensibilisieren, daß die Spannungsquelle tatsächlich auch als praktikable Stromversorgung genutzt werden kann und der dokumentierte Wert von 50mA durchaus kritisch hinterfragt werden kann/darf.
Meßmittel
- Temperatur: [font="Arial, serif"]IR Oberflächenmessung mittel Powertec Energy Leak Detector[/font]
- Strom: [font="Arial, serif"]Multimeter DMM3800-18[/font]