Filtracja Zasilania Raspberry Pi: Jak Zapewnić Stabilne i Czyste Zasilanie

Szczegóły: Opublikowano: 17. March 2026

W artykule przyjrzymy się zagadnieniu filtracji zasilania w Raspberry Pi, szczególnie istotnemu w aplikacjach audio lub pomiarowych, gdzie jakość zasilania ma kluczowy wpływ na efekt końcowy. Zaprezentujemy nakładkę do Raspberry Pi, która umożliwia dodatkową filtrację napięcia zasilania, a także omówimy budowę i działanie kondensatorów oraz ich zastosowanie w filtracji zasilania.

Dlaczego Filtracja Zasilania jest Ważna?

Raspberry Pi, jako uniwersalny komputer, może generować zakłócenia, które negatywnie wpływają na działanie wrażliwych elementów, takich jak zegary taktujące szynę audio, DACi, konwertery S/PDIF czy urządzenia USB. Dlatego, chcąc osiągnąć wysoką jakość dźwięku lub precyzyjne pomiary, należy odizolować Raspberry Pi od wrażliwych elementów i zapewnić im czyste zasilanie.

Zakłócenia w układach cyfrowych wynikają ze specyfiki pobierania prądu. W momencie zmiany stanu (wysoki/niski) tranzystory w układzie cyfrowym mogą pracować jednocześnie, co powoduje krótkotrwały, ale znaczny pobór prądu. Te nagłe zmiany prądu generują zakłócenia, które rozprzestrzeniają się po całym układzie.

Nakładka do Filtracji Zasilania Raspberry Pi

Zaprezentowana nakładka do Raspberry Pi umożliwia dodatkową filtrację napięcia zasilania. Zastosowanie gniazda USB-C umożliwia ujednolicenie kabli zasilających i stosowanie nowoczesnych ładowarek bez dodatkowych przejściówek (w przypadku użycia z RPi Zero/RPi 3+). Przy okazji można rozwiązać problem nieprawidłowej współpracy z ładowarkami pierwszych wersji RPi 4.

Zastosowane gniazdo USB-C typu 4135 (GTC) przeznaczone jest tylko do aplikacji zasilających. Pozbawione jest wszystkich pinów komunikacyjnych interfejsu USB-C, pozostawiono tylko wyprowadzenia zasilania i sygnały CCx, służące detekcji współpracującego urządzenia.

Przeczytaj także: Definicja i pomiar filtracji kłębuszkowej

Schemat i Działanie Nakładki

Schemat układu został pokazany na rysunku 1. Zasilanie filtra z zewnętrznego zasilacza 5 V doprowadzone jest do złącza śrubowego DCIN lub gniazda USB-C. Układ zawiera połączone trzy filtry z elementami LC.

Pierwszy filtr C1, C2, CMF tłumi zakłócenia wspólne.
Drugi - C3, C4, L1 tłumi zakłócenia różnicowe o niskich częstotliwościach.
Trzeci - C5, C6, FB2 tłumi zakłócenia różnicowe o częstotliwościach wysokich.

Dwa polimerowe kondensatory CE1, CE2 o niskim ESR odsprzęgają zasilanie.

Układ zmontowany jest na dwustronnej płytce drukowanej zgodnej z formatem Pi Zero, co oczywiście nie wyklucza stosowania z innymi modelami Raspberry. Schemat płytki został pokazany na rysunku 2.

Przykładowe zmierzone efekty działania filtra pokazano na rysunku 3. Przebieg 2 (górny) to napięcie zasilania z zasilacza impulsowego 5 V współpracującego z Raspberry Pi i nakładką audio. Zasilacz obciążony jest prądem ok.

Filtracja jest bardzo skuteczna, pozostaje tylko niewielki ślad częstotliwości kluczowania zasilacza.

Przeczytaj także: Webber AP8400 - wymiana filtrów

Kondensatory w Filtracji Zasilania

Kondensatory są kluczowymi elementami w filtracji zasilania. Wykorzystuje się je do "wygładzania" napięcia zasilania, czyli redukowania tętnień i zakłóceń. Działanie kondensatora polega na magazynowaniu energii w polu elektrycznym, co pozwala na szybkie oddawanie energii w momencie, gdy rośnie pobór prądu przez układ.

Jak działa kondensator? Budowa i zasada działania kondensatora są banalnie proste - dwie płaszczyzny przewodnika (najczęściej metalu), zwane fachowo okładkami, oddzielone są od siebie cienką warstwą dielektryka (izolatora). Po przyłożeniu do nich napięcia stałego, ładunki o przeciwnych znakach gromadzą się na odpowiednich okładkach - jest to efekt wytworzonego pomiędzy nimi jednorodnego pola elektrycznego. Miarą ilości ładunków, które może zgromadzić dany kondensator, jest jego pojemność. Wyrażamy ją w faradach (F), choć zdecydowana większość kondensatorów ma pojemności znacznie mniejsze, rzędu bilionowych (pF - pikofarad), miliardowych (nF - nanofarad) czy milionowych (uF - mikrofarad) części jednostki podstawowej.

Rodzaje kondensatorów: wspomniane wcześniej kondensatory foliowe charakteryzują się dobrą stabilnością parametrów (przede wszystkim pojemności), potrafią też pracować przy wysokich napięciach (rzędu kilkuset woltów). Z tego względu są chętnie stosowane przede wszystkim w sieciowych obwodach zasilania. Kondensatory elektrolityczne oferują bardzo wysokie pojemności (od pojedynczych mikrofaradów do kilkudziesięciu faradów - w tym ostatnim przypadku mówimy o tzw. superkondensatorach). Zazwyczaj jednak jest to okupione albo sporymi wymiarami, albo niskim napięciem maksymalnym. Rozróżniamy dwie główne grupy kondensatorów elektrolitycznych: aluminiowe (tańsze, ale o nieco gorszych parametrach) i tantalowe (drogie, ale wysokiej klasy). Trzecią - oprócz wyżej wymienionych - grupą najczęściej stosowanych kondensatorów są kondensatory ceramiczne. Kondensatory te charakteryzują się najniższymi spośród wymienionych odmian elementów pojemnościami (od pojedynczych pikofaradów do kilkunastu mikrofaradów), mają jednak inne, bardzo korzystne z praktycznego punktu widzenia cechy: oferują dobrą (lub nawet doskonałą) stabilność temperaturową, małą tolerancję pojemnościową (czyli dokładnie „trzymają” nominalną pojemność, określoną przez producenta) oraz małe straty.

Odsprzęganie Zasilania

Odsprzęganie zasilania to metoda separowania poszczególnych bloków urządzenia w taki sposób, aby zakłócenia generowane przez jeden obwód nie przenosiły się na drugi poprzez szyny zasilania. Najczęściej stosowane w praktyce są kondensatory ceramiczne o wartości rzędu 47..100 nF (odsprzęganie oraz filtracja wysokich częstotliwości) oraz elektrolityczne o pojemności, zależnej od pobieranego prądu.

Zasilanie Części Audio

Jeżeli nasza „Malina” ma stanowić element systemu audio wysokiej klasy to należy rozpatrywać ją jako duże źródło zakłóceń. Oznacza to tyle, że chcąc osiągnąć więcej będziemy musieli się od niej jak najlepiej odizolować. Pierwsze co należy zrobić to nie zasilać z niej żadnych wrażliwych elementów takich jak: zegary taktujące szynę audio, DACi, konwertery S/PDIF, urządzenia USB. I tu proponuję rozwiązanie kompleksowe - drugi zasilacz, dedykowany do części audio. Przed podłączeniem zewnętrznego zasilania musimy zadbać o to, żeby nie mieszało się ono z napięciem 5V obecnym na pinach GPIO. W dedykowanych dla Raspberry Pi nakładkach często służą do tego zworki, rezystory 0R, które należy zdemontować aby rozłączyć ciągłość zasilania. W niektórych nakładkach jest obecna dodatkowa przetwornica DC/DC.

Przeczytaj także: Optymalne rozcieńczenie bimbru

Przykładowe Zasilacze do Części Audio

W ofercie MuzgAUDIO dostępne są różne zasilacze dedykowane do części audio. Oto kilka przykładów:

Zasilacz zbudowany w oparciu o regulator napięcia V3.2, mierzący zaledwie 60 x 40mm.
Bardzo kompaktowy zasilacz (75 x 50mm) zbudowany w oparciu o regulator napięcia V3.2, z większą wydajnością prądową.
Najmniejszy zasilacz z transformatorem 16VA, zbudowany w oparciu o regulator V3.2, dostarczający 1500mA przy napięciu 3,3-5V.
Najbardziej zaawansowany zasilacz zbudowany z elementów dyskretnych, posiadający filtr CLC, zaawansowaną filtrację napięcia odniesienia, 3 dodatkowe źródła prądowe, bootstrap dla wysokich częstotliwości. Jego wydajność to 1500mA w zakresie 3,3 - 5V.

Praktyczne Porady

Jeżeli masz problem z zakłóceniami w Raspberry Pi, spowodowanymi np. załączaniem się lodówki, w pierwszej kolejności sprawdź zasilacz. Zmierz oscyloskopem, co w rzeczywistości jest na wyjściu ładowarki.

Podsumowanie

Zapewnienie stabilnego i czystego zasilania jest kluczowe dla prawidłowego działania Raspberry Pi, szczególnie w aplikacjach audio i pomiarowych. Stosowanie dedykowanych nakładek filtrujących, odseparowanie zasilania wrażliwych komponentów oraz dobór odpowiednich kondensatorów to skuteczne metody na redukcję zakłóceń i poprawę jakości działania urządzenia.

tags: #filtracja #zasilania #Raspberry #Pi #jak #zrobić