ラズパイ3の電圧降下対策 GPIO端子から給電して5V 3AのACアダプターに仕様変更

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 こんにちは、T・K生です。

 今回は今まで悩んエいたラズパイ3の電圧降下問題の解決策のためにGPIO端子の活用と5V 3AのACアダプターを活用した話を書きたいと思います。

 ラズパイ3の電圧降下対策のためにGPIO端子からの給電を実行する

 ラズパイ3の電源供給はマイクロUSB端子を活用しますが、マイクロUSB端子は接続が弱く、何度も電源関係の抜き差しを繰り返していると端子が劣化して、接続不良がおきやすいです。

 マイクロUSB端子の接続不良や経年劣化はラズパイで稲妻マークが出て電圧降下のトラブルが発生に通じるので前から対策を練りたいと考えていました。

 加えてGqrxなどのSDRラジオの場合、若干、消費電流も多くなり、電流不足でこれまた悩まされるので電源供給源のACアダプターの容量も増やしたいと思うようになりました。

 2.54㎜のピンヘッダ端子を購入して、GPIOから給電

 ラズパイ3のGPIOの端子からだラズパイ3に電源を給電可能です。

 2.54㎜の赤(電源+側)と黒(電源-側)にリード線が付いているピンヘッダを見つけたので購入しました。

 赤線と黒線からケーブルを延長してラズパイ3のGPIOに端子に刺せば楽なのでケーブル加工をすることにしました。

 ACアダプターはDC5V 3Aの大容量の製品を購入し、2.1㎜のDCジャックやDCプラグも購入して、ある程度、抜き差しを繰り返しても経年劣化の問題をクリアできるように給電ケーブル全般を加工することにします。

 ちなみにラズパイ3のGPIO周辺の給電方法は次のようになります。

 4番ビンに+5Vを供給し、5番ピンにGND(-)マイナス電圧を供給します。

 GPIOの1番ピンはCPUクーラーの低速のための+3.3Vが出力され、2番ピンがCPUクーラー+5Vの高速のファンの電源を出力できます。

 CPUファンのマイナスGNDは9番ピンから取ります。

 極性のプラス、マイナスを間違うとラズベリーパイの本体がショートして下手をすると破損して修理不能になるので逆接続には注意してください。

 電流不足で電圧降下を防ぐためにDC5V 3AのACアダプターを用意してケーブルを加工

 ラズパイ3のACアダプターはDC 5V 2.5Aです。DC5Vで2.5Aがあればラズパイ3の場合、消費電流が満たされて動作しますが、今回、DC5V 3AのACアダプターを採用して更に周辺機器に余裕を持たせるようにします。

 電流不足からの電圧降下も残念ながら接続するUSB機器によっては発生するので問題解決のためにACアダプターの容量をアップグレードします。

 ACアダプターの先端には2.1㎜のDCプラグを接続して、本体のスイッチも移設しました。

 白線(+5V)側はスイッチ側の端子に接続して半田付けをして、マイナス側のアミ線(GND)はアミ線と一緒にスイッチを通さないで接続します。

 アミ線をスイッチ側に接続したり、白線とアミ線をスイッチ側に接続するとショートや極性違いで故障の原因になるので間違った接続は絶対にしないでください。

全体的な新しいラズパイ3とACアダプターの様子はこんな感じです。ラズパイ本体には2.1㎜のDCジャックを取り付けて経年劣化による接続不良を減らすようにしました。

 GPIO端子の給電に関しては極性の間違いや使用電圧に注意

  ラズパイ3をGPIOの端子から給電して安定させるためにはDCプラグやDCジャックの加工が必要になります。

 まずはDC 5V 3AのACアダプターに2.1㎜のDCジャックを接続します。

 電源側は白いビニール線で+5Vの電圧がかかっています。

 GNDマイナス側はアミ線の方です。DCジャックに半田付けをして加工しますが、先にプラスチックのガイドの部品があるので必ず半田付けの前にケーブルに入れておきます。

 白線+5Vとアミ線のGNDをショート短縮するとACアダプターを含めてラズパイ本体が壊れてしまいますので絶対にしないでください。

 

DCジャックの加工が終ったらラズパイ3側のDCジャックの加工をします。

 電流を5Aまで流せる配線用の赤と黒のケーブルが必要になります。赤線は+5V側で黒線はマイナスGND側の規則は絶対に守ってください。逆に接続するとショートして壊れます。

 GPIO端子には2.54㎜のピンヘッダを接続して給電しますが、その際、半田付けの作業が必要になります。

 2.54㎜ピンヘッダを接続した個所は熱収縮チューブという絶縁素材を活用してショート防止の加工を徹底します。

 ACアダプターを接続するためのDC2.1㎜ジャックも半田付けをします。GPIOの赤線+5Vはセンターの中心ピンを給電し、周囲の金属部分は黒線のGNDでマイナス側になります。

 DCジャックの周辺も逆に接続するとラズパイが破損しますので逆接続や短縮には注意してください。

 ラズパイ3のGPIOに電圧を加える前にDCデジタルテスターにて電圧と極性をチェック

 ケーブルの加工が完了したらラズパイ3に電圧を加える前にACアダプターの出力電圧と極性をチェックします。

 ラズパイ純正品でないACアダプターを使用する場合、一応、ACアダプターの出力電圧が5.0Vから6.0V程度に収まっていることをデジタルテスターで測定してみてください。(ラズパイの動作電圧はDC5V~6Vの範囲)

 余談ですがACアダプターの場合、本体に出力電圧5Vと書いてあっても実際は内部抵抗の問題でテスターに接続した際にDC12Vまで電圧が上昇する製品もあります。

 余りにも正体不明のバルク品のACアダプターをラズパイ3に接続した際に電圧が高すぎると感じたら、使用しない方がいいと思います。

 ラズパイ用で純正のACアダプターでテスター計測でDC12Vが出る製品ならば大丈夫ですが、正体不明のバルク品でDC12Vが出ている場合は過電圧で本体の破損の可能性もあるので使わないほうがいいと思います。

 今回はデジタルテスターでDC5.5V程度という当たりを引いたのでこのまま使うことにします。

 加えてデジタルテスターでDCジャックからDCプラグに供給する電源の極性のチェックをします。

 もし、極性が違っているとラズパイ3の電圧が逆接続になり、機器のショートが発生するのでDCテスターで極性の間違いがないか?をチェックしてください。

 ラズパイ3を正確に動作させて、ショートや逆接続を防ぐためにもデジタルテスターは必須になります。

 無事、ケーブルの加工が終り、ラズパイ3をGPIOから給電して動かすと動作が安定するようになった!

 今回は結構、リスクが多い電源系統の作業が連続しました。

 ラズパイ3のACアダプターを5V 3Aにアップグレードして、中間地点にDCジャックとプラグを設け、GPIO端子に2.54㎜ピンヘッダを用いて電源を供給すると動作が安定するようになりました。

 あれほどまでにしょっちゅう出ていた電圧降下の稲妻マークが点灯しなくなりました。

 500mAほど電流も多く使えるので電流不足からのラズパイ3の電圧降下問題も解決できました。

 中間地点にDCジャックとプラグを設けたことでマイクロUSB端子のように接続を繰り返すと経年劣化がおきる場所からラズパイ3に電気を給電しないスタイルになったのは大きな成果でした。

 安定してラズパイ3がGPIO端子からの給電で動くようになったことのメリットは大きいですが、反面、電源系統のケーブルの加工は半田付けの作業や熱収縮チューブの加工やDCデジタルテスターなどの測定器も必要になりますので、ある程度、電子工作の経験を積んだ人向けで中級者向けになります。

 もし、ケーブルの加工などのスキルに関して自信がない場合は、普通にラズパイ3のマイクロUSB端子から電源を純正のACアダプターを活用して使った方がいいです。

 GPIOからの電源の供給は半田付けや直流電源の知識なども必要なので今回の記事は最悪の場合、ラズパイが電圧の逆接続や電源系のショートで機器の破損のリスクを覚悟できる人向けになります。

 ある程度、練習用に破損してもコストが安いラズパイゼロでGPIOの給電の練習もできますので、電源系統のスキルアップを狙いたいならばまずはラズパイゼロでGPIO端子から給電して動かす練習をした方がいいかもしれません。

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