Otimme taannoin myyntiin uutena tuotteena UPS-HATin, johon käyttäjä asentaa itse haluamansa 18650-akut. Raspberry Pi 4:n virallinen USB-virtalähde on nimellisarvoiltaan 5,1 V ja 3 A. Sen pitäisi siis olla riittävä. Entä miten UPS-hattu pärjää? Tulosten perusteella aivan hyvin.
Ensin hieman taustaa: Raspberry Pi rupeaa varoittamaan salaman kuvalla kun syöttöjännite alittaa 4,63 V ±5%. Viiden prosentin toleranssi tarkoittaa sitä, että se raja, jossa salaman kuva rupeaa ilmestymään, on jossain 4,86 ja 4,4 voltin välillä. Tavallinen USB-virtalähde (“puhelimen laturi”) ei välttämättä anna riittävästi voltteja, vaikka ampeerit periaatteessa riittäisivätkin, siksi Raspberry Pi käyttää omaa virtalähdettään.
Nyt siis testattiin ensinnäkin pitääkö UPS-hattu minkä lupaa, eli antaako se luvatut 2,5 ampeeria ulos riittävällä jännitteellä Raspberry Pin käyttämiseen, ja toisekseen miten se käyttäytyy eri kuormitustilanteissa.
Koe tehtiin irtonaisella UPS-hatulla. Syitä tähän oli kaksi. Ensinnäkin näin päästiin tarkkailemaan myös levyn alapuolisia komponentteja. Toisekseen ei haluttu ottaa riskiä Raspberry Pin rikkoutumisesta, jos laite olisikin vikaantunut pahasti. Tällaista vikaa ei kuitenkaan tullut, ja myöhemmin testataan valmistajan jakelemia valvontaskriptejä ja varsinaista UPS-toimintaa.
Mittaukset tehtiin säädettävällä keinokuormalla, jossa on tarkka jännite- ja virtamittari, sekä oskilloskoopilla, jolla tarkkailtiin jännitteen vakautta. Keinokuormaa käytettiin vakiovirtatilassa, jossa se pyrkii ottamaan kuormitusjohdoista säädetyn ampeerimäärän. Keinokuormassa oli käytössä erilliset mittaus- ja kuormitusjohdot. Mittausjohdoilla mitattiin jännitettä ja kuormitusjohdoilla aiheutettiin kulloinkin haluttu kuorma. Näin pystyttiin mittaamaan jännite suoraan piirilevyltä ilman että siihen vaikutti johtojen aiheuttama pudotus. Mittausjohdot kytkettiin Raspberry Pin piikkiriman nastoihin 2 ja 39 (+5 V ja GND). Kuormitusjohdot kytkettiin nastoihin 4 ja 6 (myös +5 V ja GND). Kuormitusjohtona käytettiin myös USB-kaapelia, jolla toistettiin samat mittaukset kuin piikkirimasta. Tulokset olivat käytännössä yhtenevät, joten tässä esitetään vain yhdet tulokset.
Mittaus tehtiin tällä kertaa täysin käsin. Tarkoitus on myöhemmin valjastaa yksi Raspberry Pi mittalaitteiden automaatioon, mutta se on sitten oma projektinsa…
| Kuormitus A | Jännite V |
|---|---|
| 0 (kuormittamaton) | 5,17 |
| 0,1 | 5,16 |
| 0,4 | 5,13 |
| 1,2 | 5,13 |
| 2,5 | 5,17 |
| 3,2 | 4,83 (hetkellisesti ennen kuin ylikuumenemissuoja laukeaa) |
| 3,6 | oikosulkusuoja laukeaa |
Jännite pysyy kohtuullisen vakaana luvattuun 2,5 ampeerin kuormaan asti. Vielä 3 ampeerin kuormalla ei herkimmänkään Raspberry Pin pitäisi näyttää salaman kuvaa.
Sähkön laatu oli kohtuullinen ja se jopa parani kuorman noustessa. Oskilloskoopilla mitaten lähtöjännitteessä oli koko ajan pientä säännöllistä vaihtelua, ns. rippeliä (engl. ripple), joka johtuu hakkurivirtalähteen luonteesta. Suurimmillaan tämä oli kuormittamattomana tai pienellä kuormalla, noin 100 mV eli 0,1 V. Kahden ampeerin kuormalla rippeliä oli enää 50-70 mV. Taajuus oli hakkurille tyypillisesti korkeahko ja vaihteli kuorman mukaan välillä 1 kHz – 1 MHz. Käytännössä rippelin ei pitäisi aiheuttaa ongelmia, ja Raspberry Pin suodatuksen pitäisi siivota siitä enimmät pois muutenkin (tätä pitää vielä mitata). Suurin osa Raspberry Pin herkemmästä elektroniikasta käy 3,3 voltin jännitteellä, johon on oma sisäinen regulaattori. Lähinnä rippelillä on merkitystä, jos rakennetaan audiolaitteita tai muita analogisia kytkentöjä – mutta niihin on muutenkin syytä rakentaa oma, käyttökohteen mukainen suodatus, ja jos esim. A/D-muuntimelle tarvitaan referenssijännite, se pitää joka tapauksessa tuottaa erikseen.
Ylikuormitussuoja toimi yli 2,5 ampeerin virroissa sitä nopeammin mitä suurempi ylitys oli. 3,2 ampeerin virtaa laite antoi ehkä 10-20 sekuntia. 3,6 ampeerin virralla ylikuormitussuoja laukesi välittömästi. Lauettuaan suoja palautui vasta kun latausliittimeen antoi sähköä, vaikka vain aivan lyhyesti. Tämän jälkeen laite toimi taas kuten ennenkin. Ylikuormitussuoja toimi siis luotettavasti.