Raspberry Pi Pico W: Akku- und Batterie-Betrieb

Der Raspberry Pi Pico W lässt sich grundsätzlich mit Akkus oder Batterien betreiben. Im Unterschied zum Raspberry Pi Pico ohne WLAN stellt er jedoch deutlich höhere Anforderungen an die Stromversorgung.

Der Grund ist der integrierte WLAN-Chip. Beim Verbindungsaufbau und während der Datenübertragung treten kurzzeitig hohe Stromspitzen auf. Reicht die Stromversorgung in diesen Momenten nicht aus, kann der Pico W instabil werden und seine Arbeit einstellen.

Der Akku- oder Batterie-Betrieb kann sinnvoll sein, wenn der Stromverbrauch bereits optimiert wurde. Wenn der tatsächliche Stromverbrauch bekannt ist, dann kann die zu erwartende Akkulaufzeit ungefähr berechnet werden.

Raspberry Pi Pico W: Grundlagen der Energieversorgung / Stromversorgung

Batterie-Betrieb über VSYS

Für den Akku- oder Batterie-Betrieb wird die Versorgungsspannung an VSYS (Pin 39) eingespeist. Zum Schutz vor einer versehentlichen Verpolung empfiehlt sich eine vorgeschaltete Schottky-Diode.

Der zulässige Spannungsbereich an VSYS beträgt 2,8 bis 5,5 Volt (1,8 bis 5,5 Volt ohne WLAN-Chip). Diese Angabe bezieht sich auf die tatsächlich am Pin anliegende Spannung während des Betriebs und nicht auf die Leerlaufspannung einer Batterie.

Sinkt die Spannung unter 2,8 Volt, kann der Betrieb des Pico W insbesondere bei aktivem WLAN instabil werden.

Warum der Raspberry Pi Pico W empfindlicher ist

Auf dem Raspberry Pi Pico W arbeitet ein Buck-Boost-Regler, der aus einer Eingangsspannung zwischen 1,8 und 5,5 Volt eine stabile Versorgungsspannung von 3,3 Volt erzeugt.
Liegt die Eingangsspannung oberhalb von 3,3 Volt, arbeitet der Regler als Abwärtswandler. Sinkt sie darunter, wechselt er in den Boost-Betrieb und muss entsprechend mehr Strom aus der Stromquelle entnehmen.

Bei Batterien und Akkus ist zu berücksichtigen, dass sie wegen der chemischen Umwandlung träge sind und einen relativ hohen Innenwiderstand von ca. 0,1 bis 0,5 Ohm pro Zelle, der mit der Entladung auch noch steigt.
Bei plötzlichen Lastspitzen (viel Strom), beispielsweise bei der Nutzung des WLAN-Chips, bricht die Spannung der Batterie-Zellen wegen der Trägheit (der chemischen Reaktion) schlagartig ein. Fällt die Spannung dabei zu schnell oder zu weit ab, dann kann das zum Verlust der WLAN-Verbindung und zum Absturz des Mikrocontrollers führen.

Wie man die Versorgung im Batterie-Betrieb stabilisieren kann

Raspberry Pi Pico mit Kondensator an VSYS

Bei der Versorgung aus Batterien oder Akkus empfiehlt sich ein Elektrolytkondensator mit 100 bis 220 µF direkt zwischen VSYS (Pin 39) und GND (Pin 38). Der Kondensator stellt bei kurzzeitigen Lastspitzen zusätzliche Energie bereit und kann dadurch den Spannungseinbruch deutlich verringern. Besonders beim WLAN-Verbindungsaufbau verbessert sich dadurch häufig die Stabilität.

Trotzdem ersetzt der Kondensator keine ausreichend leistungsfähige Stromquelle. Sind Batterien weit entladen oder besitzen sie einen hohen Innenwiderstand, dann wird keine Schaltungsmaßnahme helfen. Dann müssen die Batterien oder Akkus getauscht werden.

Lösung: Stromversorgung mit 3 Alkali-Batterien

Bei 3 Alkali-Batterien in Reihe würde die Spannung in Summe nominal 4,5 Volt betragen, bis zu 4,9 Volt bei frischen Batterien. Die Spannung liegt damit perfekt im Spannungsbereich von 1,8 und 5,5 Volt des Spannungswandlers auf dem Pico-Board. Aber, das ist praktisch zu wenig, weil die Spannung der Batterie-Zellen unter Last einbricht und die Gesamtspannung durch die Entladung sehr schnell auf unter 4,0 Volt sinkt. Ohne zusätzliche, äußere Schaltungsmaßnahmen bekommt man unter diesen Bedingungen keinen stabilen Betrieb hin.

Raspberry Pi Pico W: Stromversorgung mit 3 Alkali-Batterien

Stromversorgung mit einer Powerbank

Netzteile oder Powerbanks sind von diesem Problem meist deutlich weniger betroffen, da sie die Versorgungsspannung auch bei schnellen Laständerungen weitgehend konstant halten.