Raspberry Pi: Messung von Spannung und Strom am 5V-Pin unter Belastung

Wenn man am Raspberry Pi einen 5V-Pin beschaltet, dann erwartet man eine Spannung von 5 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 5,0 Vergleichsmessung ohne Widerstand 5,027 entfällt
1 5,0     10.000 0,0005 5,024 0,00051
2 5,0     8.200 0,0006 5,023 0,00062
3 5,0     6.800 0,0007 5,023 0,00075
4 5,0     5.600 0,001 5,022 0,00090
5,0 0,001 5.000        
5 5,0     4.700 0,001 5,021 0,00108
6 5,0     3.900 0,001 5,020 0,00131
7 5,0     3.300 0,002 5,019 0,00155
8 5,0     2.700 0,002 5,018 0,00187
5,0 0,002 2.500        
9 5,0     2.200 0,002 5,015 0,00231
10 5,0     1.800 0,003 5,014 0,00281
5,0 0,003 1.667        
11 5,0     1.500 0,003 5,012 0,00333
12 5,0 0,004 1.250 1.200 0,004 5,008 0,00420
13 5,0 0,005 1.000 1.000 0,005 5,004 0,00502
14 5,0 0,006 833 820 0,006 5,003 0,00619
15 5,0 0,007 714 680 0,007 4,997 0,00747
5,0 0,008 625        
16 5,0 0,009 556 560 0,009 4,991 0,00889
5,0 0,010 500        
17 5,0 0,011 455 470 0,011 4,984 0,01070
5,0 0,012 417        
18 5,0 0,013 385 390 0,013 4,974 0,01275
5,0 0,014 357        
19 5,0 0,015 333 330 0,015 4,962 0,01513
5,0 0,016 313        
20 5,0     270 0,019 4,948 0,01862
5,0            
21 5,0     220 0,023 4,930 0,02175
22 5,0     180 0,028 4,894 0,02719

Die Tabelle besteht aus insgesamt 3 Teilen. Der erste Teil besteht aus der Spannung von 5 Volt (Spalte 2), die am 5V-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 5 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 5V-Pin gemessen (Spalte 7), um festzustellen, ob wirklich 5 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 5 Volt anliegen. Die Strommessung entfällt hierbei, weil hier kein geschlossener Stromkreis vorliegt. Im Anschluss erfolgte die Messung 1 bis 22. 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 5V-Pin unter Belastung eine geringere Spannung aufweist, als erwartet. Wenn ein Strom fließt, dann sinkt die Spannung. Der tatsächlich fließende Strom weicht nur geringfügig vom berechneten Strom ab.
Allerdings kann man den 5V-Pin nur bedingt belasten, weil über den Strom die Spannung sinkt. Das heißt, der 5V-Pin eignet sich nur bedingt für die Stromversorgung der externen Beschaltung.
Nachfolgende Schaltungsteile müssen für weniger als 5 Volt dimensioniert sein oder benötigen eine eigene Stromversorgung.

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

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