Wie heiß ist zu heiß für Raspberry Pi?

Ein gemeldetes Problem mit Raspberry Pi kann eine Überhitzung mit einem daraus resultierenden Leistungsverlust sein, wenn das Board hohen Temperaturen ausgesetzt ist.

Alle elektrischen Geräte sind für einen bestimmten Betriebstemperaturbereich qualifiziert, in dem das Gerät effektiv arbeitet. Die Betriebstemperatur hängt von der angegebenen Funktion und Anwendung des Geräts ab; und reicht von einer minimalen bis zu einer maximalen Umgebungstemperatur, bei der die Leistung optimiert wird. Temperaturen, die außerhalb des qualifizierten ’sicheren‘ Bereichs liegen, riskieren einen Funktionsverlust und in einigen Fällen einen Totalausfall.

Was ist die maximale Betriebstemperatur eines Raspberry Pi?

Um die Kosten niedrig zu halten, wird der Raspberry Pi mit handelsüblichen Chips gebaut, die für verschiedene Temperaturbereiche qualifiziert sind; Der USB- und Ethernet-Controller des Pi 3 + (Microchip LAN7515) wird von den Herstellern als qualifiziert von 0 ° C bis 70 ° C angegeben.

Die SoC (System auf Chip–die integrierte schaltung, dass tut die Pi der verarbeitung, eine Broadcom BCM2837B0) ist qualifizierte von-40 °C zu 85 °C.

Dies bedeutet effektiv, dass die maximale betriebs temperatur von Raspberry Pi der wichtigsten komponenten ist 70oC und 85oC jeweils. Bei der Betrachtung der Auswirkungen einer Überhitzung auf einen Raspberry Pi-Prototyp müssen andere Wärmequellen berücksichtigt werden. Zusätzlich zur Umgebungstemperatur stellen alle Anwendungen Anforderungen an die CPU, GPU und Hardware des Pi, und mit zunehmender Last steigt auch die Temperatur der Platine – insbesondere der beiden Schlüsselkomponenten USB– und Ethernet-Controller sowie des Prozessors (SoC).

betriebstemperatur der Komponente = Umgebungstemperatur + lastbedingter Temperaturanstieg

In seiner typischen Konfiguration bei stabilen Umgebungstemperaturen erhöhen Desktop–Anwendungen – wie Internetbrowser und Office-Programme wie Textverarbeitungsprogramme – den lastbedingten Temperaturanstieg und folglich die Erwärmung der Komponenten.

In industriellen Umgebungen muss ein Raspberry Pi-Prototyp häufig 24 Stunden am Tag unabhängig von der Jahreszeit funktionieren. Im Gegensatz zur typischen Büroumgebung mit Klimaanlage können industrielle Umgebungen aufgrund von Faktoren wie Metalldächern, die als Heizkörper fungieren können, der Nähe zu Industrieöfen und anderen heißen Maschinen usw. höhere Umgebungstemperaturen aufweisen. Da die Komponententemperatur von Pi auf einem Schreibtisch in einem temperaturgeregelten Büro die obere Ebene seines Betriebsbereichs erreichen und sogar überschreiten kann, führt eine industrielle Umgebung mit einem erheblichen Anstieg der Umgebungstemperatur zwangsläufig zu noch höheren Temperaturen auf der Platine.

Wie geht Raspberry Pi mit hohen Temperaturen um?

Raspberry Pi 3 + thermische karte

Quelle: Gareth Halfacree von Bradford, UK

Es wurde berichtet, dass Raspberry Pi kann anfällig für überhitzung fragen. Die Wärmekarte oben zeigt einen Raspberry Pi 3 + Prozessor, der in Richtung 90oC reicht. In mehreren Tests hat sich gezeigt, dass der SoC des Pi 100oC überschreitet. In bestimmten Situationen kann der Pi über seinen qualifizierten Betriebstemperaturbereich hinaus geschoben werden, daher ist seine langfristige Leistung nicht garantiert.

Über temperatur warnung (80oC-85oC) Über temperatur warnung (über 85oC)

CPU-Untertaktung

CPU-Untertaktung ist der Prozess der Begrenzung der Frequenz, mit der Impulse zum Synchronisieren der Vorgänge eines Prozessors verwendet werden. Mit anderen Worten, die CPU absichtlich zu untertakten bedeutet, die Geschwindigkeit des Prozessors bewusst zu reduzieren. Underclocking reduziert den lastinduzierten Temperaturanstieg, da eine geringere Leistung den Stromverbrauch reduziert und daher weniger Wärme in einem Gerät erzeugt.

Für Raspberry Pi 3+ wurde eine ‚weiche‘ Temperaturgrenze von 60oC eingeführt. Dies bedeutet, dass bereits vor Erreichen der harten Grenze bei 85oC die Taktrate von 1,4 GHz auf niedrigere Frequenzen reduziert wird, wodurch der Temperaturanstieg der Komponenten verringert wird. Diese Untertaktung erhöht die Systemstabilität von Pi bei hohen Temperaturen, um sicherzustellen, dass die Betriebstemperatur unter dem sicheren 80oC-Niveau bleibt, Dies geht jedoch zu Lasten der Prozessorleistung. Wenn ein System absichtlich untertaktet, indem die CPU gedrosselt wird, um vor Hardwareschäden zu schützen; Die Geschwindigkeit des Prozessors wird verlangsamt, was die Betriebsgeschwindigkeit zwangsläufig einschränkt.

Langsamerer Betrieb + Erhöhte Ausfallzeiten = verringerte Gewinnmargen

Erhöhen des CPU-Drosselungsschwellwerts von Pi

Standardmäßig ist der Soft-Grenzwert von Pi auf 60 °C festgelegt, es ist jedoch möglich, die Temperatur, bei der die CPU-Drosselung auftritt, auf einen höheren Schwellenwert einzustellen. Durch Hinzufügen der Zeile temp_soft_limit=70 zur /boot/config.txt datei, automatische underclocking kann ‚verschoben‘, bis die Pi erreicht eine höhere temperatur. Während die CPU des Raspberry Pi im Allgemeinen in der Lage ist, hohen Temperaturen für kurze Bursts standzuhalten, birgt der Betrieb am oberen Ende des Bereichs erhebliche Risiken für die Langlebigkeit des Geräts.

Ist die einzige Möglichkeit, Überhitzungsprobleme mit Pi zu vermeiden, um die CPU zu untertakten oder zu begrenzen?

Glücklicherweise kann jede Lösung, die den Effekt der Umgebungstemperatur oder des lastinduzierten Temperaturanstiegs verringert, dazu beitragen, den SoC unter der weichen Grenze zu halten, ohne die Anwendungslast begrenzen oder die Geschwindigkeit des Prozessors drosseln zu müssen, selbst in industriellen Anwendungen.

Erhalten vertikale

Durch einfaches moving die Raspberry Pi in eine aufrechte ausrichtung mit die GPIO header an der unterseite und die HDMI ports an der spitze, management der umgebungs temperatur wird verbessert werden.

Raspberry Pi 4 in aufrechter Position

Quelle: Raspberrypi.org/blog

Die vertikale Ausrichtung der Komponenten wirkt sich unmittelbar auf die Kühlung aus und verlangsamt die nachfolgende Erwärmung, da die Umgebungsluft durch verbesserte Konvektion schneller Wärme von der Platine abziehen kann. Zusätzlich wird die verfügbare Oberfläche für die Kühlung vergrößert, indem die Rückseite der Platine von wärmeisolierenden Oberflächen wegbewegt wird.

Installieren Sie einen Lüfter

Raspberry Pi mit Lüfter und Gehäuse

Lorenzo Toscano

Wenn die Wärme schnell von den Komponenten entfernt werden kann, wirkt sich der lastbedingte Temperaturanstieg nicht so dramatisch auf die Leistung aus. Eine Möglichkeit, Wärme von den Pi-Komponenten abzuleiten, besteht darin, einen Lüfter zu montieren, der über den GPIO mit Strom versorgt wird. Kompatible Lüfter sind zu relativ geringen Kosten weit verbreitet und können so positioniert werden, dass sie die Kühlung dort bereitstellen, wo sie am dringendsten benötigt wird: im SoC.

Absorbieren und leiten Sie Wärme mit einem Kühlkörper ab

Kühlkörper wurden mit einer maximierten Oberfläche entwickelt, um den Kontakt mit einem Kühlmedium – wie z. B. Luft – optimal zu nutzen. Bei der Entwicklung des Model 3 + erkannte die Raspberry Pi Foundation die Überhitzungsprobleme an und entschied sich für eine Metallabschirmung über dem SoC, um Wärme zu verteilen und abzuleiten.

Während tests zeigen, dass die Raspberry Pi mit die metall schild (Pi 3 +) führt besser als ohne (Pi 3), für industrielle anwendungen die zugabe von eine entwickelt für zweck kühlkörper kann helfen kampf hohe temperaturen und drastisch reduzieren die temperatur der SoC.

Brainboxes BB-400 mit Aluminium Kühlkörper

Brainboxes entwarf einen kundenspezifischen Aluminiumkühlkörper für den BB-400 Industrial Edge ControllerBB-400 Industrial Edge Controller, der in direktem Kontakt mit dem SoC des Pi steht. Die Oberfläche des Kühlkörpers wird maximiert, um die Wärmeleitung am effizientesten zu nutzen und Wärme vom Prozessor abzuleiten. In der industrialisierten Abdeckung befindet sich der Raspberry Pi in einer vertikalen Ausrichtung, die auf die Entlüftungsöffnungen ausgerichtet ist, und nutzt daher auch die Wärmekonvektion aus, um ein Höchstmaß an Kühlung zu erzielen. Darüber hinaus wird der LAN7515 durch einen industriellen Chip ersetzt, wodurch alle Komponenten des BB-400 für den industriellen Betrieb (von -25oC bis + 80oC) ausgelegt sind.)

Angefordert vs Tatsächliche CPU

Tests durchgeführt bei 21oC umgebungs, tatsächliche CPU aufgezeichnet nach anhaltenden betrieb:

Auf der unteren x-Achse befinden sich die CPU–Anforderungen, die von einer Anwendung gestellt werden – beispielsweise benötigt eine Überwachungsanwendung möglicherweise 75% CPU-Auslastung für längere Zeit, um ihre Aufgabe auszuführen. Auf der vertikalen y-Achse befindet sich die CPU-Leistung, die der Pi liefern kann. In Abwesenheit von Drosselung, wird mit der angeforderten CPU-Leistung auf einer Spur 1:1 Basis, da CPU-Drosselung tritt auf, wenn die Komponententemperatur ansteigt. Drosselung / Prozessoruntertaktung aufgrund von Überhitzung bedeutet jedoch, dass die tatsächlich gelieferte CPU-Leistung geringer ist als die angeforderte.

Das erste, was zu beachten ist, ist bei 21oC, einer typischen Bürotemperatur, konnte der Raspberry Pi 3 nur maximal 40% CPU-Leistung für längere Zeit liefern. Der Raspberry Pi 3+ bietet eine große Verbesserung – aufgrund seines metallischen Deckels kann er über einen längeren Zeitraum bis zu 65% CPU bieten.

Der BB-400 mit seinem kundenspezifischen Kühlkörper kann über längere Zeiträume eine CPU-Leistung von 95% liefern.

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

Weiterlesen: Was sind die Kühlkörperfähigkeiten des BB-400?

Dieser Artikel ist das 3. Kapitel in Brainboxes kostenlosem E-Book „Prototyping on a Pi – Your Guide to Deploying a Raspberry Pi based Prototype Straight to Industry“, das einige der häufigsten Probleme mit Raspberry Pi in industriellen Umgebungen hervorhebt und Möglichkeiten für einen nahtlosen industriellen Einsatz vorschlägt. Zu den Überlegungen gehören ‚Industrielle Sensoren‘, ‚EMV‘, ‚Power & Speicherbeschädigung‘ und mehr. Melden Sie sich für den Brainboxes Newsletter an, um Ihr kostenloses Exemplar zu erhalten!