Raspberry Pi: Messung von Spannung und Strom am 3,3V-Pin unter Belastung

Wenn man am Raspberry Pi einen 3,3V-Pin beschaltet, dann erwartet man eine Spannung von 3,3 Volt. Nur leider ändert sich unter Belastung das Spannungs- und Stromverhalten. Wie genau kann mit einer Messreihe ermittelt werden.

Messreihe

M Spannung Strom Widerstand Widerstand Strom Spannung Strom
  Volt (V) Ampere (A) Ohm Ohm Ampere (A) Volt (V) Ampere (A)
  gegeben gegeben berechnet gegeben (E12) berechnet gemessen gemessen
0 3,3 Vergleichsmessung ohne Widerstand 3,309 entfällt
1 3,3     10.000 0,0003 3,309 0,00033
2 3,3     8.200 0,0004 3,308 0,00041
3 3,3     6.800 0,0005 3,308 0,00049
4 3,3     5.600 0,001 3,307 0,00058
5 3,3     4.700 0,001 3,307 0,00071
6 3,3     3.900 0,001 3,306 0,00086
7 3,3 0,001 3.300 3.300 0,001 3,306 0,00102
8 3,3     2.700 0,001 3,305 0,00123
9 3,3     2.200 0,002 3,305 0,00152
10 3,3     1.800 0,002 3,304 0,00185
3,3 0,002 1.650        
11 3,3     1.500 0,002 3,303 0,00219
12 3,3     1.200 0,003 3,301 0,00273
3,3 0,003 1.100        
13 3,3     1.000 0,003 3,300 0,00325
14 3,3 0,004 825 820 0,004 3,298 0,00409
15 3,3     680 0,005 3,295 0,00495
3,3 0,005 660        
16 3,3 0,006 550 560 0,006 3,293 0,00589
17 3,3 0,007 471 470 0,007 3,290 0,00703
3,3 0,008 413        
18 3,3     390 0,008 3,286 0,00843
3,3 0,009 367        
19 3,3 0,010 330 330 0,010 3,282 0,01005
3,3 0,011 300        
20 3,3 0,012 275 270 0,012 3,275 0,01241
3,3 0,013 254        
3,3 0,014 236        
21 3,3 0,015 220 220 0,015 3,270 0,01420
3,3 0,016 206        
22 3,3     180 0,018 3,260 0,01825
23 3,3     150 0,022 3,255 0,02062
24 3,3     120 0,028 3,245 0,02424
25 3,3     100 0,033 3,225 0,02989

Die Tabelle besteht aus insgesamt 3 Teilen. Der erste Teil besteht aus der Spannung von 3,3 Volt (Spalte 2), die am 3,3V-Pin anliegt und einem Strom ab 0,001 A bis 0,016 A (Spalte 3). Damit sich unter der festgelegten Spannung der gegebene Strom einstellt, muss hierzu ein entsprechender Widerstand verwendet werden, der hierzu berechnet wurde (Spalte 4).

Im zweiten Teil der Tabelle geht es darum, dass es sich bei den errechneten Widerstandswerten um keine realen Widerstände handelt, sondern echte Widerstände mit anderen Werten verwendet werden müssen. In diesem Fall aus der E12-Reihe (Spalte 5). In manchen Fällen gibt es Überschneidungen mit den errechneten Widerstandswerten (zwischen Spalte 4 und 5). Da sich bei einer festgelegten Spannung an einem bestimmten Widerstandswert ein bestimmter Strom einstellt, wurde der berechnet (Spalte 6). Dieser Strom ist der, der bei der festgelegten Spannung von 3,3 Volt zu erwarten wäre.

Im dritten Teil der Tabelle geht es um die eigentliche Messung von Spannung und Strom (Spalte 7 und 8). Hier wurde zuerst die Spannung am 3,3V-Pin gemessen (Spalte 7), um festzustellen, ob wirklich 3,3 Volt am Widerstand anliegen. Im Anschluss wurde die Strommessung durchgeführt (Spalte 8), um festzustellen, ob wirklich der berechnete Strom durch den Widerstand fließt.

Die Messung 0 wurde vorgenommen, um zu prüfen, ob wirklich 3,3 Volt anliegen. Die Strommessung entfällt hierbei, weil hier kein geschlossener Stromkreis vorliegt. Im Anschluss erfolgte die Messung 1 bis 25. Jeweils einmal für die Spannung und den Strom.

Beobachtung und Auswertung zu den Messungen

  • Mit kleiner werdenem Widerstand sinkt die Spannung.
  • Mit kleiner werdenem Widerstand steigt der Strom.
  • Bei steigendem Strom sinkt die Spannung.

Erkenntnisse und Fazit

Die Messungen ergeben, dass der 3,3V-Pin unter Belastung eine geringere Spannung aufweist, als erwartet. Wenn ein Strom fließt, dann sinkt die Spannung. Der tatsächlich fließende Strom bleibt nur geringfügig hinter dem berechneten Strom zurück. Allerdings vergrößert sich die Differenz ab ca. 0,02 A bzw. 20 mA immer mehr.
Den 3,3V-Pin kann man nur bedingt belasten, weil über den Strom die Spannung sinkt. Das heißt, der 3,3V-Pin eignet sich nur bedingt für die Stromversorgung der externen Beschaltung.
Nachfolgende Schaltungsteile müssen also mit weniger als 3,3 Volt auskommen können oder benötigen eine eigene Stromversorgung.

Inwieweit die Erkenntnisse für eine bestimmte Schaltung nachteilig sind, hängt von den genauen Anforderungen und der Dimensionierung der Schaltung ab.

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