Raspberry Pi: Auswahlkriterien für das passende Gehäuse

Autor / Redakteur: Sandra Vinkenflügel * / Kristin Rinortner

Den Einplatinen-Computer Raspberry Pi können Sie nur mit dem passenden Zubehör verwenden. Notwendig sind zudem Gehäuse. Was müssen Sie bei industriellen Anwendungen beachten?

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Raspberry-Pi-Gehäuse: Mit Kriterien wie der IP-Schutzklasse, der Entwärmung und des Aufstellortes sowie der Auswahl des Werkstoffs werden fundierte Anforderungen an ein Gehäuse für den Raspberry Pi festgelegt. Hierbei spielen nicht nur die Funktion, sondern auch das Design, die Haptik und der Preis eine Rolle.
Raspberry-Pi-Gehäuse: Mit Kriterien wie der IP-Schutzklasse, der Entwärmung und des Aufstellortes sowie der Auswahl des Werkstoffs werden fundierte Anforderungen an ein Gehäuse für den Raspberry Pi festgelegt. Hierbei spielen nicht nur die Funktion, sondern auch das Design, die Haptik und der Preis eine Rolle.
(Bild: © Fischer Elektronik)

Mit dem Anspruch, jungen Menschen eine einfache Herangehensweise an Elektronik mit der dazu passenden Programmierung zu ermöglichen, kam 2012 der Raspberry Pi auf den Markt. Mit den Weiterentwicklungen der ersten Version, dem Raspberry Pi 1 Model B, bis hin zum neuesten Modell, dem Raspberry Pi 4 Model B, wurde die Hardware an immer neue technische Standards angepasst.

Das erste Modell wurde nicht nur weiter entwickelt, es entstanden auch verschiedene Versionen des Raspberry Pi mit unterschiedlichen Schwerpunkten der Nutzung, z.B. der Raspberry Pi 3 Model A+, welcher kleiner ist als das bisher leistungsstärkste Modell Raspberry Pi 4 Model B.

Der Raspberry Pi 4 Model B kommt, wie auch seine direkten Vorgänger, mit einem Prozessor (1500 MHz), einem zusätzlichen Grafikprozessor (500 MHz), einem Arbeitsspeicher (1024 bis 8192 MByte), fünf USB-Anschlüssen (2x USB 2.0, 2x USB 3.0, 1x USB C), einem Video-Ausgang über HDMI (2x Micro HDMI) und einem Audioausgang. Mehrere programmierbare GPIO-Pins (General Purpose Input/Output) sowie weitere Schnittstellen in Form von Ethernet, WLAN und Bluetooth komplettieren das Portfolio.

Mit der Speicherkarte (microSD) im entsprechenden Steckplatz wird das Betriebssystem beigestellt und ein Speicherort für Dateien zur Verfügung gestellt. In dieser Konfiguration kann der Raspberry Pi zahlreiche Aufgaben übernehmen. Durch HAT-Platinen (Hardware attached on Top) lässt sich der Einsatzbereich gezielt erweitern. Der Raspberry Pi mit seiner aktuellen leistungsstarken Version wird inzwischen vermehrt auch in der Industrie eingesetzt.

Um den Raspberry Pi vor Umgebungseinflüssen zu schützen und auch eine einfache Handhabung zu ermöglichen, ist der Schutz durch ein Gehäuse sinnvoll. Das Gehäuse muss entsprechend der Version des Rasp­berry Pi, des Einsatzortes und der Art des Einsatzes ausgewählt werden. So benötigt der Raspberry Pi 4 Model B aufgrund seiner modernen Anschlüsse ein anderes Gehäuse als seine Vorgänger, während der Raspberry Pi 3 Model A+ durch seine geringere Größe ebenfalls ein eigenes Gehäuseformat besitzt (Bild 1).

Für die einzelnen Modelle verkauft die Raspberry Pi Foundation zwar eigene Gehäuse aus Kunststoff. Besonders für spezifische Anwendungen in der Industrie macht aber ein Metallgehäuse oder ein größeres Gehäuse mit Platz für einen Kühlkörper Sinn. Im Folgenden werden einige Kriterien für die Auswahl eines geeigneten Gehäuses beschrieben.

Gehäuse-Werkstoffe im Vergleich

Für ein Gehäuse eignen sich sowohl verschiedene Kunststoffe als auch Metalle wie Aluminium oder Stahl. Unterschiedliche Anforderungen an die Oberfläche, das Design, die Funktionalität und den Preis bestimmen die Auswahl des Werkstoffs.

Kunststoffgehäuse für den Raspberry Pi bestehen üblicherweise aus amorphen Thermoplasten wie ABS (Acrylnitrilbutadienstyrol), PS (Polystyrol) oder PC (Polycarbonat). Kunststoffe wirken elektrisch isolierend. Jedoch schädigt UV-Strahlung einige dieser Kunststoffe, das Material wird spröde und verfärbt sich mit der Zeit.

Bild 1: Gehäuse zum Raspberry Pi 4 Model B und den Raspberry Pi 3 Model A+.
Bild 1: Gehäuse zum Raspberry Pi 4 Model B und den Raspberry Pi 3 Model A+.
(Bild: © Fischer Elektronik)

Ein zusätzliches Auswahlkriterium ist die Brandschutzklasse, welche je nach Anwendung und Einsatzort einbezogen werden muss. Viele Kunststoffgehäuse werden im Spritzgussverfahren hergestellt, das wegen der hohen Stückzahl sehr preisgünstig ist. Eine Individualisierung beispielsweise für den Einsatz von HAT-Platinen ist so allerdings nicht möglich.

Hoch individualisierbar sind Gehäuse aus dem 3D-Drucker, welche besonders in der Bastlerszene eingesetzt werden. Das hier übliche 3D-Druckverfahren FDM (Fused Deposition Modeling) verwendet jedoch häufig Kunststoffe mit einer Erweichungstemperatur, die geringer ist als die maximale Betriebs­temperatur des Raspberry Pi. Soll der Rasp­berry Pi also unter Maximallast betrieben werden, sollten Sie diese Gehäuse nur mit einer aktiven Kühlung nutzen.

Vorteile von Metallgehäusen

Aluminiumgehäuse sind im Gegensatz zu Kunststoffgehäusen sehr robust und temperaturbeständig. Zusätzlich besitzt Aluminium eine hohe Wärmeleitfähigkeit, wodurch die durch die Elektronik entstehende Wärme durch das Aluminium nach außen abgeleitet wird. Ein Übertakten des Raspberry Pi oder der Betrieb unter Maximallast ist hier also unbedenklich.

Die Oberfläche von Aluminiumgehäusen wird zumeist eloxiert (anodisiert), wodurch eine kratzfeste, optisch ansprechende Oberfläche entsteht. Unterschiedliche Eloxal-Farben ermöglichen eine individuelle Gestaltung des Gehäuses. Die Unempfindlichkeit der Gehäuse gegenüber Umwelteinflüssen garantiert eine hohe Lebensdauer, vor allem in der Industrie.

Bild 2: Explosionsansicht des Gehäuses für den Raspberry Pi 4 Model B
Bild 2: Explosionsansicht des Gehäuses für den Raspberry Pi 4 Model B
(Bild: © Fischer Elektronik)

Angeboten werden Blechbiegegehäuse aus Aluminium, die aufgrund ihrer Konstruktion einen einfachen Zugang zur Elektronik ermöglichen, wie es in Bild 2 zu sehen ist. Ober- und Unterschale sind hier mit einer einzigen Schraube verbunden und lassen sich schnell lösen. Durch ein spezielles Feder-Nut-System wird ein sicherer Zusammenhalt der beiden Halbschalen gewährleistet. So lassen sich auch die programmierbaren GPIO-Pins unkompliziert erreichen. Bei Blechbiegegehäusen für den Raspberry Pi sind zudem kundenspezifische Anpassungen möglich, welche sich besonders im Zusammenspiel mit weiterer Elektronik anbieten.

Wichtige Eigenschaften eines Gehäuses Outdoor und Indoor

Die Gehäuseauswahl muss immer an die Einsatzbedingungen angepasst werden, denn das Gehäuse schützt sowohl die Elek­tronik vor der Umwelt als auch die Umwelt vor der Elektronik. Bestimmend für die Anforderungen an ein Gehäuse ist ebenso wie der Einsatzort auch der Einsatzzweck. Je nach Art der Einsatzbedingungen schützt das Gehäuse die Elektronik vor der Umwelt, z.B. vor Berührungen, oder aber die Umwelt vor der Elektronik, beispielsweise vor heißen elektronischen Bauteilen.

Ein wichtiges Auswahlkriterium eines Gehäuses ist die IP-Schutzklasse (International Protection, im englischen Sprachraum auch oft Ingress Protection, dt. Eindringschutz, genannt). Diese gibt mit Hilfe von zwei Ziffern Auskunft darüber, ob und wie die Elektronik im Gehäuse gemäß der Normen DIN EN 60529 bzw. ISO 20653 geschützt ist. Die erste Ziffer beschreibt den Schutz gegen Berührung bzw. gegen Fremdkörper. Die zweite Ziffer gibt den Schutzgrad des Gehäuses gegenüber Feuchtigkeit bzw. vor eindringendem Wasser an.

Für Gehäuse, welche wie im Fall des Rasp­berry Pi häufig in Innenräumen eingesetzt werden, erfüllt eine IP-Schutzklasse von IP 30 alle notwendigen Kriterien. Hier beschreibt die drei den Schutz vor kleinen festen Fremdkörpern mit einem Durchmesser von 2,5 mm oder mehr. Der Schutz vor Berührung mit Werkzeugen und Drähten (Durchmesser ≥2,5 mm) ist somit gegeben. Ein Schutz gegen Wasser ist in Innenräumen nicht notwendig, weswegen hier der mit Null (kein Schutz) beschriebene Wasserschutz ausreicht.

Einige Punkte zur Entwärmung

Die Entwärmung der Elektronik ist ein weiteres Kriterium, das an ein Gehäuse gestellt werden muss. Um herauszufinden, welche Art der Entwärmung erforderlich ist, müssen Sie sowohl die Einsatz- und Betriebstemperatur als auch die Funktionsweise der Elek­tronik kennen. Beispielsweise erreicht ein übertakteter Raspberry Pi schnell seine maximale Betriebstemperatur von 80°C. Wird diese überschritten, können die elektronischen Komponenten auf der Platine geschädigt werden.

Im Fall einer Überhitzung der Komponenten taktet der Raspberry Pi herunter, so dass die Temperatur wieder absinkt. Der Nachteil dieser Lösung ist, dass das Leistungspotential so nicht ausgeschöpft wird. Deshalb muss das Heruntertakten verhindert werden, indem die Wärme vom Bauteil mit der höchsten Temperatur, in diesem Fall dem Prozessor, abgeführt wird.

Dies erreichen Sie durch eine aktive oder passive Entwärmung. Bei der passiven Entwärmung werden Kühlkörper eingesetzt, welche die Wärme auf eine größere Fläche aufspreizen und an die Umgebung abgeben. Die warme Luft steigt auf und entweicht somit aus der entsprechenden Zone (natürliche Konvektion). Zur aktiven Entwärmung werden Lüfter eingesetzt, welche die erwärmte Luft aktiv aus der erwärmten Zone transportieren (erzwungene Konvektion).

Auch die EMV spielt eine Rolle

Die Störfestigkeit (elektromagnetische Verträglichkeit, kurz EMV) ist bei der Auswahl eines Gehäuses ebenfalls zu berücksichtigen. Elektromagnetische Einflüsse können die Funktion von Elektronik stören. Demzufolge müssen elektrotechnischen Produkte sicher arbeiten, störfest sein und dürfen auch während des Betriebs keine anderen Geräte oder Netzwerke beeinflussen.

Bei elektromagnetischer Strahlung handelt es sich um elektromagnetische Wellen aus miteinander gekoppelten elektrischen und magnetischen Feldern, die sich durch elektrisch leitende Oberflächen abschirmen lassen. Um die Elektronik hinreichend zu schützen, wird bei Aluminiumgehäusen eine elektrisch leitende Oberfläche durch eine transparente Passivierung erzeugt. Bei Kunststoffgehäusen wird zu diesem Zweck ein Kupferleitlack im Inneren des Gehäuses aufgetragen.

Zum Schluss muss bei der Auswahl des Gehäuses auch immer der Aufstellort bzw. die Montageart betrachtet werden. Gehäuse für den Raspberry Pi können einfach auf einem Tisch aufgestellt, an einer Hutschiene verankert oder aber an einer Wand oder einem Monitor befestigt werden. Außerdem haben die Bedingungen am Einsatzort Einfluss auf die Wahl der IP-Schutzart und die Art der Entwärmung.

Zum Beispiel sind bei einem Aufstellort mit viel Sonneneinstrahlung andere thermische Maßnahmen notwendig als an einem klimatisierten Platz. Befindet sich der Einsatzort im Freien kommen zusätzlich hohe Anforderungen an die Wasserdichtigkeit dazu.

Angepasste Lösungen für jede Anwendung

Mit Hilfe der oben aufgeführten Kriterien der IP-Schutzklasse, der Entwärmung und des Aufstellortes sowie der Auswahl des Werkstoffs werden fundierte Anforderungen an ein Gehäuse für den Raspberry Pi festgelegt. Hierbei spielt nicht nur die Funktion, sondern auch das Design, die Haptik und natürlich der Preis eine Rolle.

Eine individuelle Gestaltung des Gehäuses ist ebenso möglich, wie die Entscheidung für ein günstiges Standardgehäuse. Am Ende wird jeder Nutzer sein ideales Gehäuse für seinen spezifischen Anwendungsfall finden.

* Sandra Vinkenflügel arbeitet als Entwicklungs­ingenieurin bei Fischer Elektronik in Lüdenscheid.

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