Raspberry Pi: Messung von Spannung und Strom am GPIO-Ausgang mit High-Pegel unter Belastung

Wenn man an einem Raspberry Pi einen GPIO-Ausgang mit High-Pegel beschaltet, dann erwartet man eine Spannung von 3,3 Volt. Nur leider ändert ein GPIO-Ausgang unter Belastung sein 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 3,298 0,00033
2 3,3     8.200 0,0004 3,295 0,00041
3 3,3     6.800 0,0005 3,292 0,00049
4 3,3     5.600 0,001 3,289 0,00058
5 3,3     4.700 0,001 3,284 0,00071
6 3,3     3.900 0,001 3,270 0,00086
7 3,3 0,001 3.300 3.300 0,001 3,264 0,00101
8 3,3     2.700 0,001 3,254 0,00122
9 3,3     2.200 0,002 3,242 0,00149
10 3,3     1.800 0,002 3,228 0,00182
3,3 0,002 1.650        
11 3,3     1.500 0,002 3,210 0,00215
12 3,3     1.200 0,003 3,185 0,00268
3,3 0,003 1.100        
13 3,3     1.000 0,003 3,167 0,00317
14 3,3 0,004 825 820 0,004 3,128 0,00393
15 3,3     680 0,005 3,091 0,00472
3,3 0,005 660        
16 3,3 0,006 550 560 0,006 3,053 0,00556
17 3,3 0,007 471 470 0,007 3,001 0,00662
3,3 0,008 413        
18 3,3     390 0,008 2,945 0,00779
3,3 0,009 367        
19 3,3 0,010 330 330 0,010 2,883 0,00910
3,3 0,011 300        
20 3,3 0,012 275 270 0,012 2,793 0,01100
3,3 0,013 254        
3,3 0,014 236        
21 3,3 0,015 220 220 0,015 2,709 0,01241
3,3 0,016 206        
22 3,3     180 0,018 2,582 0,01527
23 3,3     150 0,022 2,472 0,01633
24 3,3     120 0,028 2,313 0,01929
25 3,3     100 0,033 2,166 0,02289

Die Tabelle besteht aus insgesamt 3 Teilen. Der erste Teil besteht aus der Spannung von 3,3 Volt (Spalte 2), die am GPIO-Ausgang (High) anliegen 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 GPIO-Ausgang (High-Pegel) 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 ein High-Pegel am GPIO-Ausgang anliegt und wie hoch der High-Pegel zu erwarten ist. Die Strommessung entfällt hierbei, weil hier kein geschlossener Stromkreis vorliegt. Im Anschluss erfolgte die Messung 1 bis 25. Jeweils einmal für die GPIO-Ausgangsspannung und den GPIO-Ausgangsstrom.

Beobachtung und Auswertung zu den Messungen

  • Mit kleiner werdenem Widerstand sinkt die Ausgangspannung am GPIO.
  • Mit kleiner werdenem Widerstand steigt der Ausgangsstrom am GPIO.
  • Bei steigendem Ausgangsstrom sinkt die Ausgangsspannung am GPIO.

Während sich bis Messung 22 jeweils ein stabiles Spannungs- und Stromverhältnis einstellt, lässt sich ab Messung 23 der Messwert vom Messgerät nur noch schwer ablesen. Ab 0,016 A bzw. 16 mA beginnt ein GPIO-Ausgang zu schwimmen. Die Werte für Spannung und Strom schwanken.

Erkenntnisse und Fazit

Die Messungen ergeben, dass ein GPIO-Ausgang unter Belastung eine geringere Ausgangsspannung aufweist, als erwartet. Wenn ein Strom fließt, dann sinkt die Spannung. Der tatsächlich fließende Ausgangsstrom bleibt jedoch hinter dem berechneten Strom zurück.

Ein GPIO-Ausgang ist ein digitaler Ausgang, den man nicht belasten darf, weil über den Ausgangsstrom die Ausgangsspannung sinkt. Das heißt, die nachfolgende Beschaltung muss auch eine Spannung unter 3,3 Volt als High-Pegel erkennen können. Das ist zu prüfen. Oder man muss dafür sorgen, dass der GPIO-Ausgang nicht belastet wird.

Grundsätzlich muss der Ausgangsstrom begrenzt werden. Besser wäre es jedoch, den GPIO-Ausgang als digitalen Ausgang zu verstehen, dem man keinen Strom entnehmen, sondern nur den Spannungspegel abgreifen darf. Eine nachfolgende Schalterstufe sollte spannungs- und nicht stromgesteuert sein. Also ein FET statt einem Bipolar-Transistor.

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