Raspberry Pi Pico W: Stromversorgung mit 3 Alkali-Batterien

Raspberry Pi Pico mit Kondensator an VSYS

Die folgenden Ausführungen sind für den Raspberry Pi Pico W (mit WLAN-Chip) gedacht. Sie sind grundsätzlich auch für den Raspberry Pi Pico (ohne WLAN-Chip) gültig.

Auf dem Pico-Board befindet sich ein Spannungsregler, der auch für einen Batterie-Betrieb geeignet ist. Dazu muss man nur 3 Alkali-Batterien mit je 1,5 Volt in Reihe schalten, wodurch man in Summe 4,5 Volt erhält. Neue Alkali-Batterien haben etwa 1,65 Volt, womit man in Summe 4,9 Volt (im Leerlauf) erhält. Egal ob nominal oder tatsächlich, die Spannung liegt perfekt im sicheren Bereich von 2,8 bis 5,5 Volt für den Batterie-Betrieb an VSYS (Pin 39) für den Raspberry Pi Pico W.

Grundsätzlich wird die Stromversorgung für den Raspberry Pi Pico W mit 3 Alkali-Batterien funktionieren. Allerdings wird es in der Praxis Probleme geben. Der Raspberry Pi Pico W kann zu seltsamen Verhalten neigen, was man bei der Fehlersuche nicht gleich bei der Stromversorgung vermuten wird.

Was sind die Auslöser für Problem im Batterie-Betrieb mit 3 Alkali-Batterien?

Der Mikrocontroller RP2040 oder RP2350 auf dem Pico-Board ist recht genügsam. Doch immer dann, wenn man im Programmcode WLAN-Funktionen nutzt, wird der WLAN-Chip aktiviert, dessen Stromverbrauch höher ist und sehr kurze Lastspitzen erzeugt, die eine träge Batterie überfordern kann. Bei hoher Last steigt der Innenwiderstand der Batteriezellen an und es bricht die Spannung ein. Der Spannungsregler auf dem Pico-Board wird dabei regelmäßig überfordert sein. Die Bauteile auf dem Board bekommen zu wenig Spannung und der Mikrocontroller stellt die weitere Ausführung des Programmcodes ein.

Dazu muss man wissen, dass eine träge und instabile Stromversorgung mit Alkali-Batterien nicht gut zu den Anforderungen eines Raspberry Pi Pico W passen. Das ist aber erst dann ein Problem, wenn die Batterie-Zellen mit der Zeit entladen werden, aber noch nicht leer sind.
Ein Schwellwert von etwa 3,8 bis 3,9 Volt Gesamtspannung für 3 Alkali-Zellen ist oft ein guter Ausgangspunkt. Der genaue Wert hängt aber von der realen Last und vom Batterietyp ab.
Man kann davon ausgehen, dass sobald die Gesamt-Batterie-Spannung im Leerlauf (ohne Last gemesssen) auf unter 4,0 Volt fällt, ein stabiler Betrieb Glückssache ist. Das wird man mit 3 Alkali-Batterien relativ schnell erreichen. Und dann sind die Batterien eigentlich noch nicht leer.

Wie kann man einen stabilen Betrieb mit 3 Alkali-Batterien möglichst lange gewährleisten?

Unabhängig davon, ob Alkali-Batterien grundsätzlich für diesen Einsatzzweck geeignet sind, nimmt ihre Spannung und Stromlieferfähigkeit mit zunehmender Entladung ab. Irgendwann können sie das Gerät nicht mehr ausreichend versorgen. Die entscheidende Frage ist daher, wie sich die Stromversorgung mit drei Alkali-Batterien möglichst lange stabil aufrechterhalten lässt.

Elektrolyt-Kondensator von 100 bis 220 µF zwischen VSYS und GND
Stromsparmaßnahmen konsequent nutzen und Stromverbrauch drastisch reduzieren
Batterie-Spannung an VSYS messen
Externer Voltage Supervisor
Neustart durch Watchdog-Timer
Alternative Möglichkeiten prüfen

1. Elektrolyt-Kondensator zwischen VSYS und GND (Pflicht)

Sobald eine hochohmige Spannungsquelle wie Batterien genutzt wird, ist ein zusätzlicher Elektrolytkondensator von 100 µF oder 220 µF direkt an den Board-Pins zwischen VSYS (Pin 39) und GND (Pin 38) Pflicht. Er gleicht die Trägheit (der chemischen Reaktion) der hochohmigen Spannungsquelle aus.
Zusätzlich wird ein schnellerer Keramikkondensator von 100 nF parallel empfohlen.

2. Stromsparmaßnahmen nutzen und Stromverbrauch reduzieren (Empfehlung)

Um die Laufzeit der Batterien möglichst lange zu maximieren, sollte man Stromsparmaßnahmen konsequent nutzen und den Stromverbrauch drastisch reduzieren. Dazu zählen beispielsweise eine verringerte Taktfrequenz sowie das zumindest zeitweise Aktivieren von Stromsparmodi.

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3. Batterie-Spannung an VSYS messen (Empfehlung)

Vor der Nutzung des WLAN-Chips wird die Spannung an VSYS über den internen ADC (bei MicroPython GPIO 29) gemessen. Ist die Spannung zu niedrig, schaltet der Pico in den Stromsparmodus, oder versucht ein Warnnachricht über WLAN-Modul zu senden.

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4. Externer Voltage Supervisor

Ein kleinen Reset-Baustein am RUN-Pin steuert den Mikrocontroller. Sobald die Batteriespannung unter einen Schwellenwert fällt, zieht der Baustein den RUN-Pin hart auf Masse und startet den Pico erst wieder, wenn die Spannung stabil ist.

5. Neustart durch Watchdog-Timer (Option)

Probleme mit der Stromversorgung quittiert der Mikrocontroller in der Regel mit dem Abbrechen der Programmausführung. In solchen Fällen hilft nur ein Neustart, den man durch einen Watchdog-Timer automatisch ausführen kann. Allerdings ist nicht gewährleistet, dass der Watchdog dann noch einen Neustart ausführen kann. Und wenn es funktioniert besteht dann die Gefahr, dass sich der Mikrocontroller in eine Neustart-Schleife verfängt.

MicroPython: Watchdog-Timer

6. Alternativen prüfen (Option)

USB-Powerbank: Alkali-Batterien sind nur bedingt sinnvoll. Eine Alternative sind Lithium-Ionen-Akkus. Wenn man nicht gleich eine komplette Ladeschaltung implementieren will, dann kann man eine USB-Powerbank in Betracht ziehen.