Raspberry Pi: Messungen von Spannung und Strom am GPIO-Ausgang, 3,3V-Pin und 5V-Pin unter Belastung

Wer mit elektronischen Bauteilen und Schaltungen am Raspberry Pi experimentiert, der wird die 3,3V-, 5V- und GPIO-Pins beschalten. Dabei wird man sich in der Regel auf die allgemein bekannten elektrischen Werte dieser Pins verlassen.

Doch leider ist das nur die halbe Wahrheit.

Wenn man sich mit Elektronik (theoretisch) beschäftigt, dann folgt man meist idealen Bedingungen und auch Annahmen, die in der praktischen Elektronik oft nicht mehr gegeben sind. Die praktische Elektronik hat leider den Nachteil, dass einzelne Bauelemente und ganze Schaltungen eigenen Gesetzen folgen und nicht immer so funktionieren, wie man das erwartet. Bauelemente und Schaltungen verhalten sich nicht mehr ideal, wenn eine Spannung anliegt und ein Strom fließt. Ein erfahrener Elektroniker ist sich dessen bewusst und weiß, wie eine Schaltung gebaut sein muss, damit sie sicher funktioniert. Ein Elektronik-Bastler wundert sich über so manche seltsamen Effekte, der er dann auf den Grund geht, oder auch nicht. Und der Elektronik-Anfänger scheitert deshalb, weil eine Modell-Schaltung nicht zu seinen Anforderungen passt und er keine Vorstellung davon hat, wie sie funktioniert.

Und genau das kann einem passieren, wenn man sich mit den GPIOs des Raspberry Pi beschäftigt. Dann wird man so manch seltsames Verhalten feststellen können. Man wird der Sache nur dann Herr werden, wenn man sich in der Lage sieht, mit einem Messgerät Spannung und Strom zu messen.

Nehmen wir ein praktisches Beispiel: Wenn ein Elektronik-Anfänger eine LED mit Vorwiderstand an einem GPIO-Ausgang mit High-Pegel betreibt, wird er mangels Vergleichsmöglichkeit keine Auffälligkeit feststellen. Ein Elektronik-Praktiver wird jedoch feststellen, dass die LED nicht so hell leuchtet wie erwartet. Eine Nachmessung von Spannung und Strom ergibt dann, dass an einem beschalteten GPIO-Ausgang keine 3,3 V anliegen, was eigentlich zu erwarten gewesen wäre. Das bedeutet aber auch, dass alle Berechnungen und Dimensionierung von Bauelementen und Schaltungen in Frage zustellen sind und ggf. mit anderen Werten gerechnet werden muss.

Das sich verändernde Spannungsverhalten hat mit dem fließenden Strom zu tun. Betrachtet man einen GPIO-Ausgang als Spannungsquelle, dann hat dieser einen Innenwiderstand, der mit der externen Beschaltung in Reihe verläuft. Und das bedeutet, die 3,3 V teilen sich am Innenwiderstand und der externen Beschaltung auf.

Messungen

Wie genau sich die Spannung an einem GPIO-Ausgang mit High-Pegel ändert, kann mit einer Messreihe ermittelt werden. Hierzu wird ein GPIO-Ausgang der Reihe nach mit unterschiedlichen Widerständen beschaltet durch die ein Strom fließt, der einen Spannungsabfall am Widerstand bewirkt. Die selbe Messreihe kann auch am 3,3V- und 5V-Pin durchgeführt werden.

Messaufbau

  • Raspberry Pi B+
  • Micro-SD-Karte
  • WLAN-Adapter
  • USB-Netzteil mit 5 V / 2,5 A

Hilfsmittel

  • Messgerät zum Messen von Spannung und Strom (Vichy VC99)
  • Alle Widerstände zwischen 100 Ohm und 10 kOhm (E12-Reihe mit 10% Toleranz)
  • T-Cobbler und Breadboard zum Verbinden der Widerstände und zum Anschließen des Messgeräts

Messschaltung

  • Die Spannung wird parallel zum Widerstand gemessen.
  • Der Strom wird in Reihe zum Widerstand gemessen.
  • Beide Messungen erfolgen nacheinander, nicht gleichzeitig.

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