L298 vs FET

Uit RoboWiki
Ga naar: navigatie, zoeken

Inleiding

Eerder in deze serie hebben we in twee artikelen gekeken naar het gedrag van aansturing.

In het artikel MotorBelastingTest hebben we gezien dat bij harde aansturing de curve van de PWM duty cycle en het motor toerental veel rechter is dan bij sturing op enable. Vervolgens hebben we in het artikel MotorStapResponse gezien dat het toerental van de motor wijzigingen in PWM duty cycle veel sneller volgt.

Als slot van deze serie kijken we naar het type H-brug wat we gebruiken. Nemen we er een met transistoren zoals de L298? Of een met FET's?

Transistor vs FET

Een H-brug heeft aan de uitgang 4 'schakelaars', die ieder van de motor aansluitingen aan + of aan - kunnen leggen. Als de motor is ingeschakeld, zullen steeds twee van deze schakelaars 'aan' staan. Bijvoorbeeld om de linkse aansluiting van de motor met + te verbinden en de rechtse aansluiting van de motor met -. Om te remmen worden beide aansluitingen met + of beide met - verbonden. Er staan dus altijd twee schakelaars in serie met de motor.

De meest gebruikte H-bruggen, zoals de L293D en L298, gebruiken een (gewone) transistor als schakelaar. Zo'n transistor is een halfgeleider, net als een diode. Als zo'n transistor helemaal 'open' wordt gestuurd, heeft deze - net als een diode - een min of meer constante spanningsval. De datasheet van de L298 geeft aan dat de spanningsval over de twee transistoren samen tussen 1,8V en 3,2V is (bij 1A).

Een FET (Field Effect Transistor) is zo geconstrueerd dat de geschakelde stroom geen halfgeleider overgang passeert. Als een FET helemaal 'open' wordt gestuurd, gedraagt deze zich als een (hele kleine) weerstand. De spanning over de FET is hierdoor lager, en wordt dus minder warm. Zeker als grote stromen geschakeld moeten worden is dit een voordeel, en met name hiervoor worden FETs gebruikt in een H-brug. Maar... zou de keuze voor een FET of transisor invloed hebben op het gedrag van de motor? Een testje waard, lijkt me!

De Meting

De metingen zijn uitgevoerd met een L298 H-brug en met een BTS7960 H-brug. De L298 kan stromen verwerken tot 3A, ruim voldoende voor de Portescap motortjes met een maximale stroom van minder dan 0.5A. De BTS7960 is nog een klasse zwaarder en kan stromen van meer dan 40A verwerken.

De Portescap motortjes zijn achtereenvolgens met beide H-bruggen aangestuurd van 0% tot 100% en daarbij is het toerental van de motor gemeten met de ingebouwde encoder. De voedingsspanning van de H-bruggen was met 6V relatief laag. Onderstaande grafiek toont het resultaat.

L298 vs FET1.jpg

Het eerste wat opvalt is dat de rode lijn - aansturing met de FET H-brug - hoger loopt. Bij een PWM duty cycle van 85% is het toerental met de FET H-brug zo'n 33% hoger dan bij de L298. Omdat het motor toerental (in theorie en onbelast) recht evenredig is met spanning, was dit te verwachten. Immers, zoals hierboven beschreven, geeft de L298 zo'n 2V spanningsverlies en blijft maximaal 4V over voor de motor. Met de FET brug staat de volle 6V spanning over de motor.


Door verschil in maximaal toerental is het verschil in de curves niet zo goed zichtbaar. Daarom hieronder een tweede grafiek met dezelfde gegevens. Alleen wordt het toertental van de FET brug op de secundaire Y-as (rechts) weergegeven, die zo geschaald is dat de curves op 85% samenvallen

L298 vs FET2.jpg

Bij deze curve vallen mij drie dingen op:

1. Verschil verloop bij laag toerental: De blauwe lijn (L298) loopt in eerste instantie vrij snel op en loopt vanaf een toerental van 300 lineair verder. Dit effect is bij de rode lijn (FET) veel minder sterk. Het is te verklaren doordat bij lage snelheden de spanning van de motor lager is dan de spanningsval over de L298. Hierdoor wordt de motor niet kortgesloten, maar loopt deze vrij. Net als bij sturing op enable.

2. Startpunt: Het punt waarop de motor gaat draaien ligt bij de L298 iets hoger (resp. 9% en 11% PWM). Dit effect treedt ook op als we de motor sturen via enable (zie MotorBelastingTest). Wellicht wordt dit veroorzaakt doordat bij kortsluiting de stroom door de motor kan blijven lopen bij de FET H-brug, terwijl deze bij de L298 door de spanningsval wordt onderdrukt.

3. Afvlakking boven 85%: De curve van de L298 is (vanaf 400 toeren) mooi recht. De curve van de FET brug vlakt echter af bij 90% en is tussen 95% en 100% helemaal vlak. Het is mij niet duidelijk wat hiervan de oorzaak is. Komt dit door gebruik van een FET brug? Spelen het type motor, deze specifieke FET brug of de PWM frequentie een rol? Of is het iets heel anders? Te onduidelijk voor een conclusie ten aanzien dit punt...

Conclusie

Uit het bovenstaande kan het volgende worden geconcludeerd:

  • Een motor is op lage snelheden beter regelbaar met FET H-brug. Dit geldt in het gebied onder de spanningsval van de L298, tot zo'n 2V a 3V. Voor motoren van 12V heb je hier waarschijnlijk niet zo'n last van, maar bij motoren op 6V is dit 1/3 of meer van het totale regelbereik.
  • Het maximale toerental bij een L298 ligt lager. Dit kan eenvoudig worden gecompenseerd door de voedingsspanning iets te verhogen.

Met name voor motoren met een lage voedingsspanning is het verstandig om een FET H-brug te nemen. Maar welke FET H-brug (die natuurlijk ook harde aansturing moet ondersteunen) is een goede keuze? Suggesties zijn welkom!

Joep