Come caldo è troppo caldo per Raspberry Pi?

Un problema segnalato con Raspberry Pi può essere il surriscaldamento, con una conseguente perdita di prestazioni, quando la scheda è esposta a temperature elevate.

Tutti i dispositivi elettrici sono qualificati per uno specifico intervallo di temperatura operativa in cui il dispositivo funzionerà in modo efficace. La temperatura di funzionamento dipende dalla funzione specificata e dall’applicazione del dispositivo; e varia da una temperatura ambiente minima a una massima alla quale le prestazioni sono ottimizzate. Le temperature che non rientrano nell’intervallo “sicuro” qualificato rischiano la perdita di funzionalità e, in alcuni casi, il fallimento totale.

Qual è la temperatura massima di funzionamento di un Raspberry Pi?

Per mantenere bassi i costi, il Raspberry Pi è costruito con chip di qualità commerciale che sono qualificati a diverse gamme di temperatura; il controller USB ed Ethernet del Pi 3 + (Microchip LAN7515) è specificato dai produttori come qualificato da 0°C a 70°C.

Il SoC (System on Chip – il circuito integrato che esegue l’elaborazione del Pi, un Broadcom BCM2837B0)è qualificato da -40°C a 85°C.

Ciò significa in modo efficace che la temperatura massima di funzionamento dei componenti chiave di Raspberry Pi è rispettivamente 70oC e 85oC. Nel considerare l’effetto del surriscaldamento su un prototipo Raspberry Pi, è necessario considerare altre fonti di calore. Oltre alla temperatura ambiente, tutte le applicazioni richiedono CPU, GPU e hardware del Pi, e all’aumentare di questo carico aumenta anche la temperatura della scheda, in particolare per i due componenti chiave: il controller USB ed Ethernet e il processore (SoC).

temperatura di funzionamento dei componenti = temperatura ambiente + aumento di temperatura indotto dal carico

Nella sua configurazione tipica a temperature ambiente stabili, le applicazioni desktop – come browser Internet e programmi per ufficio come word processor-aumentano l’aumento di temperatura indotto dal carico e di conseguenza il calore dei componenti.

In ambienti industriali, un prototipo Raspberry Pi sarà spesso richiesto di funzionare 24 ore al giorno indipendentemente dalla stagione. A differenza del tipico ambiente d’ufficio con aria condizionata, gli ambienti industriali possono avere temperature ambientali più elevate a causa di fattori quali tetti metallici che possono fungere da radiatori, vicinanza a forni industriali e altri macchinari caldi, ecc. Poiché la temperatura dei componenti di Pi può raggiungere, e persino superare, il livello superiore del suo campo operativo mentre si è seduti su una scrivania in un ufficio a temperatura controllata, un ambiente industriale con il suo sostanziale aumento della temperatura ambiente fornirà inevitabilmente temperature ancora più elevate alla scheda.

Come funziona Raspberry Pi affrontare le alte temperature?

Raspberry Pi 3+ mappa termica

Fonte: Gareth Halfacree da Bradford, Regno Unito

È stato riferito che Raspberry Pi può essere vulnerabile a problemi di surriscaldamento. La mappa termica sopra mostra un processore Raspberry Pi 3 + che raggiunge verso 90oC. In diversi test, il SoC del Pi ha dimostrato di superare 100oC. In determinate situazioni, il Pi può essere spinto oltre il suo intervallo di temperatura di funzionamento qualificato, quindi le sue prestazioni a lungo termine non sono garantite.

Sopra avviso di temperatura (80oC – 85oC) Sopra avviso di temperatura (oltre 85oC)

CPU Underclocking

CPU underclocking è il processo di limitare la frequenza con cui gli impulsi vengono utilizzati per sincronizzare le operazioni di un processore. In altre parole, per deliberatamente underclock CPU è quello di ridurre consapevolmente la velocità del processore. L’underclocking riduce l’aumento di temperatura indotto dal carico poiché prestazioni inferiori riducono i requisiti di consumo energetico e quindi generano meno calore all’interno di un dispositivo.

Per Raspberry Pi 3+, è stato introdotto un limite di temperatura’ soft ‘ di 60oC. Ciò significa che anche prima di raggiungere il limite rigido a 85oC, la velocità di clock viene ridotta da 1,4 GHz a frequenze più basse, riducendo l’aumento di temperatura ai componenti. Questo underclocking aumenta la stabilità del sistema di Pi alle alte temperature, con l’obiettivo di garantire che la temperatura operativa rimanga al di sotto del livello “sicuro” di 80oC, ma ciò va a scapito delle prestazioni del processore. Quando un sistema deliberatamente underclocks limitando la CPU per proteggere da danni hardware; la velocità del processore è rallentato, che limita inevitabilmente la velocità delle operazioni.

più Lento operazioni + Maggiore inattività = diminuzione dei margini di profitto

l’Aumento di Pi la limitazione della CPU soglia

per impostazione predefinita, Pi morbida limite è fissato a 60°C, ma è possibile impostare la temperatura a cui la CPU si verifica una limitazione ad un più alto valore di soglia. Aggiungendo la riga temp_soft_limit=70 al file / boot / config.file txt, underclocking automatico può essere ‘rinviata’ fino a quando il Pi raggiunge una temperatura più elevata. Mentre la CPU di Raspberry Pi è generalmente in grado di resistere alle alte temperature per brevi raffiche, il funzionamento all’estremità superiore della gamma comporta rischi significativi per la longevità del dispositivo.

È l’unico modo per evitare problemi di surriscaldamento con Pi per underclockare o limitare il carico sulla CPU?

Fortunatamente, qualsiasi soluzione che diminuisca l’effetto della temperatura ambiente o dell’aumento di temperatura indotto dal carico può aiutare a mantenere il SoC sotto il limite morbido senza la necessità di limitare il carico dell’applicazione o di limitare la velocità del processore, anche in applicazioni industriali.

Ottieni verticale

Semplicemente spostando il Raspberry Pi in un orientamento verticale con l’intestazione GPIO nella parte inferiore e le porte HDMI nella parte superiore, la gestione della temperatura ambiente sarà migliorata.

Raspberry Pi 4 in posizione verticale

Fonte: Raspberrypi.org/blog

L’orientamento verticale dei componenti avrà un impatto immediato sul raffreddamento e rallenterà il successivo riscaldamento, poiché una migliore convezione consente all’aria circostante di allontanare il calore dalla scheda più rapidamente. Inoltre, la superficie disponibile per il raffreddamento viene aumentata spostando la parte posteriore del pannello dalle superfici termoisolanti.

Installare una ventola

Raspberry Pi con ventola e custodia

Lorenzo Toscano

Se il calore può essere rimosso rapidamente dai componenti, l’aumento di temperatura indotto dal carico non avrà un effetto così drammatico sulle prestazioni. Un’opzione per dissipare il calore dai componenti di Pi è montare una ventola di raffreddamento, alimentata tramite GPIO. Le ventole compatibili sono ampiamente disponibili a un costo relativamente basso e possono essere posizionate per fornire il raffreddamento dove è più necessario: il SoC.

Assorbire e dissipare il calore con un dissipatore di calore

Progettato con una superficie massimizzata per utilizzare al meglio il contatto con un mezzo di raffreddamento – come l’aria – i dissipatori di calore utilizzano la conduzione termica per disperdere il calore dai dispositivi elettronici. Nello sviluppo del modello 3+, la Raspberry Pi Foundation ha riconosciuto i problemi di surriscaldamento e ha scelto di montare uno scudo metallico sul SoC per diffondere e dissipare il calore.

Mentre i test indicano che il Raspberry Pi con il metal shield (Pi 3+) si comporta meglio che senza (Pi 3), per applicazioni industriali l’aggiunta di un progettato per scopo dissipatore di calore può aiutare a combattere le alte temperature e ridurre drasticamente la temperatura del SoC.

Brainboxes BB-400 con dissipatore in alluminio personalizzato

Brainboxes ha progettato un dissipatore in alluminio personalizzato per il controller di bordo industriale BB-400 Il controller di bordo industriale BB-400, che si trova a diretto contatto con il SoC del Pi. La superficie del dissipatore è massimizzata per utilizzare in modo più efficiente la conduzione termica e prelevare calore dal processore. Quando si trova nella copertura industrializzata, il Raspberry Pi è in un orientamento verticale allineato con le aperture di sfiato e quindi sfrutta anche la convezione di calore per fornire il più alto grado di raffreddamento possibile. Inoltre, il LAN7515 viene sostituito con un chip spec industriale, rendendo tutti i componenti del BB-400 classificati per il funzionamento industriale (da-25oC a +80oC.)

Richiesto vs CPU effettiva

Test eseguiti a 21oC ambiente, CPU effettiva registrata dopo il funzionamento prolungato:

Nell’asse x inferiore sono riportati i requisiti della CPU richiesti da un’applicazione: ad esempio, un’applicazione di monitoraggio potrebbe aver bisogno del 75% di utilizzo della CPU per periodi di tempo prolungati per eseguire il proprio lavoro. Sull’asse y verticale è la quantità di prestazioni della CPU che il Pi è in grado di fornire. In assenza di limitazione, terrà traccia con le prestazioni della CPU richiesto su un 1:1 base, dato che la limitazione della CPU si verifica quando la temperatura del componente aumenta. Tuttavia, la limitazione / underclocking del processore a causa del surriscaldamento significa che le prestazioni effettive della CPU erogate sono inferiori a quelle richieste.

La prima cosa da notare è a 21oC, una temperatura tipica ufficio, il Raspberry Pi 3 potrebbe fornire solo un massimo di 40% prestazioni della CPU per periodi di tempo sostenuti. Il Raspberry Pi 3 + offre un grande miglioramento-grazie al suo coperchio metallico può offrire fino al 65% di CPU per periodi di tempo prolungati.

Il BB-400 con il suo dissipatore personalizzato in grado di fornire il 95% delle prestazioni della CPU per periodi prolungati.

Articolo: http://www.brainboxes.com/article/items/raspberry-pi-overheating

Leggi di più: Quali sono le capacità del dissipatore di calore del BB-400?

Questo articolo è il capitolo 3rd in Brainboxes free E-Book “Prototipazione su un Pi-La tua guida alla distribuzione di un prototipo basato su Raspberry Pi direttamente all’industria”, evidenziando alcuni dei problemi più comuni con Raspberry Pi in ambienti industriali e suggerisce possibilità per una distribuzione industriale senza soluzione di continuità. Le considerazioni includono “Sensori industriali”, “EMC”, “Potenza & Corruzione della memoria” e altro ancora. Iscriviti alla Newsletter Brainboxes per ricevere la tua copia gratuita!