Test von Waveshare-Bus-Servotreiber-Platinen unter Last

Ziel dieses Tests war es, zu bewerten, wie sich verschiedene Servotreiber-Platinen unter einer Reihe von Lastbedingungen verhalten – von der typischen Nutzung bis hin zu Spitzenszenarien im ungünstigsten Fall. Das hilft, ein zuverlässiges Verhalten im realen Einsatz sicherzustellen, insbesondere wenn ein Roboterarm plötzlichen oder anhaltenden hohen Lasten ausgesetzt ist.

In unseren Projekten verwenden wir typischerweise bis zu sechs Servos pro System. Je nach Konfiguration kann dies eine Mischung aus Feetech STS3250 und STS3215 sein. Der STS3250 hat einen Blockierstrom von etwa 4,2 A, während der STS3215 rund 2,7 A erreicht. In gemischten Aufbauten kann der kombinierte Strombedarf erheblich steigen, besonders bei gleichzeitiger Bewegung oder unter blockiernahen Bedingungen.

Gleichzeitig liefert der Hersteller keine klaren oder detaillierten Angaben zur Belastbarkeit der Treiber-Platinen, sodass es schwierig ist, sichere Betriebsgrenzen allein anhand der Dokumentation zu bestimmen. Um zu verstehen, wie sich diese Platinen unter realen Bedingungen verhalten – sowohl im Nennbetrieb als auch in anspruchsvolleren Lastszenarien –, ist ein praktischer Test erforderlich.

Es wurden vier Lasttest-Szenarien bewertet:

• Hohe Dauerlast – 2 A über 10 Minuten. Unter normalen Betriebsbedingungen sollte der Roboterarm dieses Niveau nicht überschreiten. Prüft, ob die Platinen typische Lasten ohne Überhitzung aushalten.
• Maximale Dauerlast – 5 A über 5 Minuten. Dauerbetrieb unter hoher Last, nahe der praktischen Obergrenze für viele reale Szenarien mit mehreren gleichzeitig arbeitenden Servos.
• Spitzenlast – 7 A über 2 Minuten. Die maximal erwartete Spitze. In der Praxis erreicht der Arm dieses Niveau unter harten Bedingungen nur in kurzen Stößen (1–2 Sekunden), doch der verlängerte Test bietet eine zusätzliche Sicherheitsreserve.
• Netzteilgrenze – 10 A über 30 Sekunden. Simuliert einen Fehler oder einen Extremzustand, bei dem die Strombegrenzung des Netzteils erreicht wird. Die Platinen sollten dieses Szenario ohne Schäden überstehen.

In den Vergleich wurden zwei kommerziell erhältliche Platinen aufgenommen:

• Waveshare Serial Bus Servo Driver Board – ein kompakter, erschwinglicher Controller für Servos mit seriellem Bus, aus dem günstigen Segment und für allgemeine Robotikprojekte gedacht.
• Waveshare Serial Bus Servo Driver HAT – ein Raspberry-Pi-kompatibles HAT, das die Servosteuerung direkt mit einem Host-System verbindet und sich zu einem moderaten Preis bequem für eingebettete und SBC-basierte Robotik-Aufbauten eignet.

Alle Tests wurden bei einer Umgebungstemperatur von etwa 26 °C durchgeführt. Die Last wurde über die parallelen Motorstecker mit der serienmäßigen Motorverkabelung angeschlossen, um den vorgesehenen Anwendungsfall möglichst genau nachzubilden. In allen Tests wurde durchgehend ein einziges auf 12 V eingestelltes Labornetzteil verwendet. Als Last diente ein verstellbares 500-W-LiPo-Ladegerät. Für die 2-A-Tests kam eine elektronische Last mit 35 W zum Einsatz.

Aufbau für die Dauerlasttests mit 2 A; eine elektronische Last mit 35 W zieht Strom über die Motorstecker der Platine bei geregelten 12 V.

Aufbau für die Szenarien mit höherem Strom; ein verstellbares 500-W-LiPo-Ladegerät dient als Last und wird mit 12 V von einem einzigen Labornetzteil über die parallelen Motorstecker der Platine gespeist.

Testaufbau. Links: 2-A-Lasttests; rechts: 5-/7-/10-A-Lasttests.

Während aller Tests wurden die Temperaturen der wichtigsten Platinenkomponenten mit einer Wärmebildkamera überwacht, um mögliche Hotspots zu erkennen und sichere Betriebsgrenzen zu überprüfen.

Waveshare Serial Bus Servo Driver Board

Die Waveshare Serial Bus Servo Driver Board ist ein kompakter Controller für Servos mit seriellem Bus der Serien Feetech STS und Waveshare ST. Sie verfügt über eine USB-Type-C-Schnittstelle für die direkte Verbindung mit einem Host-PC, was für Entwicklung und Tests praktisch ist. Die Platine bietet zwei Optionen zur Stromeinspeisung – einen 5,5×2,1-mm-Hohlstecker und eine Schraubklemme –, was je nach Stromversorgung Flexibilität bietet. Neben der USB-Schnittstelle stellt sie einen eigenen UART-Ausgang bereit, sodass die Platine für eingebettete Anwendungen an einen externen Mikrocontroller angeschlossen werden kann.

• Dokumentation: https://docs.waveshare.com/Bus_Servo_Adapter_A
• Schaltplan: Schaltplan Bus Servo Adapter (A)

Revisionen

Diese Platine hat mindestens zwei Revisionen. Revision 1.1 (die neueste bekannte Revision) enthält eine zusätzliche TVS-Diode. Die Diode scheint relativ empfindlich gegenüber der Stromqualität zu sein – bei lockeren oder schlechten Stromsteckern kann sie durchbrennen. Brennt die Diode durch, lässt sie sich vollständig entfernen, um die Funktion der Platine wiederherzustellen.

 

Nahaufnahme einer Platine der Revision 1.1 nach Ausfall der TVS-Diode; die durchgebrannte Diode legt die Platine lahm, bis sie physisch entfernt wird.

Dieselbe Platine mit physisch entfernter, ausgefallener TVS-Diode – die Platine ist ohne die Schutzschaltung wieder funktionsfähig.

Platinenrevision 1.1 mit TVS-Diode. Links: Die Diode ist durchgebrannt. Rechts: Die Diode wurde entfernt, um die Funktion wiederherzustellen.

Stromstecker

Die Platine bietet zwei Optionen zur Stromeinspeisung: einen 5,5×2,1-mm-Hohlstecker und eine Schraubklemme. Obwohl beide Stecker demselben Zweck dienen, verlaufen sie auf der Platine leicht unterschiedlich, was unter Last zu deutlich verschiedenem Verhalten führt.

Hohlstecker (5,5×2,1 mm): Bietet einen direkten Strompfad zu den Motorausgängen. Sowohl der Plus- als auch der Minuspol sind direkt zu den Pins der Motorstecker geführt, wobei die beiden Motorstecker parallel geschaltet sind. Das führt zu minimalem Spannungsabfall und geringer Wärmeentwicklung entlang des Pfads und macht diese Option zur robusteren Wahl für höhere Stromlasten.

Schraubklemmen (DC+ / DC−): Bieten eine alternative Einspeisung, fügen dem Strompfad jedoch zusätzliche Komponenten hinzu. Statt die Motorausgänge direkt zu speisen, wird der Eingangsstrom vor dem Erreichen der Motorstecker durch einen MOSFET geleitet. Unter höheren Lasten wird dieser MOSFET zu einer erheblichen Wärmequelle, was die Gesamteffizienz und das thermische Verhalten beeinträchtigen kann. Obwohl die Klemmen nominal bis 10 A ausgelegt sind, macht ihre relativ geringe Größe sie in der Praxis weniger geeignet für den dauerhaften Betrieb mit hohem Strom.

Lasttests

Aufgrund der Unterschiede in der Stromversorgungsschaltung wurde der Test getrennt für den Hohlstecker- und den Schraubklemmeneingang durchgeführt.

Last von 2 A über 10 Minuten

Links: Hohlstecker. Rechts: Schraubklemme.

Der Dauerlasttest mit 2 A verlief problemlos. Die Platine erwärmte sich kaum, die meisten Komponenten blieben nahe der Umgebungstemperatur. Die Wärmebildaufnahme bestätigte über die Platine hinweg nur geringe Temperaturanstiege, typischerweise im Bereich von 30–33 °C, was auf geringe Leistungsverluste und eine effiziente Stromverarbeitung unter normalen Betriebsbedingungen hinweist.

Last von 5 A über 5 Minuten

Links: Hohlstecker. Rechts: Schraubklemme.

Bei Speisung über den Hohlstecker wurde der Stecker selbst merklich heiß und erreichte etwa 38–40 °C. Der Rest der Platine blieb relativ kühl, die meisten Komponenten hielten sich nahe 30–32 °C. Das deutet darauf hin, dass die wesentliche Einschränkung in dieser Konfiguration der Stecker und sein Übergangswiderstand ist und nicht der interne Strompfad der Platine.

Bei Verwendung der Schraubklemmen wurde das thermische Verhalten vom bordeigenen MOSFET bestimmt. Seine Temperatur stieg unter Last relativ schnell an und stabilisierte sich nach einigen Minuten bei etwa 60 °C. Andere Bereiche der Platine blieben mäßig warm (30–40 °C). Das bestätigt, dass in dieser Konfiguration der MOSFET die Hauptquelle für Verlustleistung und Wärmeentwicklung ist.

Insgesamt bewältigten beide Einspeisemethoden die Last von 5 A ohne sofortigen Ausfall, weisen jedoch unterschiedliche thermische Engpässe auf: Der Hohlstecker wird durch die Steckererwärmung begrenzt, während der Schraubklemmenpfad durch die MOSFET-Verluste begrenzt wird.

Last von 7 A über 2 Minuten

Links: Hohlstecker. Rechts: Schraubklemme.

Bei Speisung über den Hohlstecker stieg die Steckertemperatur deutlich an und erreichte etwa 45–46 °C. Der Rest der Platine blieb relativ kühl (um 34 °C) und bestätigte, dass der Stecker selbst in dieser Konfiguration der wesentliche thermische Engpass ist. Die Platinenelektronik bewältigte die Last gut, doch die Steckererwärmung tritt bei höheren Strömen stärker hervor.

Im Gegensatz dazu stieg bei Verwendung der Schraubklemmen die MOSFET-Temperatur stark an und erreichte etwa 78–80 °C – nahe den in typischen Datenblättern angegebenen Obergrenzen, ab denen erhöhte Temperaturen beginnen können, die Bauteileigenschaften und die langfristige Zuverlässigkeit zu beeinträchtigen. Auch die Klemmendrähte wurden unter dieser Last merklich heiß.

Eine weitere praktische Einschränkung ist die Größe der Schraubklemmen, die den Einsatz dickerer Drähte einschränkt und durch den erhöhten Widerstand in der Verkabelung zur Erwärmung beiträgt.

Insgesamt nähert sich das System bei 7 A seinen thermischen Grenzen: Der Hohlstecker wird durch die Steckererwärmung begrenzt, während der Schraubklemmenpfad durch die MOSFET-Verlustleistung und die Einschränkungen der Verkabelung begrenzt wird.

10 A über 30 Sekunden

Links: Hohlstecker. Rechts: Schraubklemme.

Der 10-A-Test (30 Sekunden) stellt einen Extremzustand dar und überschreitet den komfortablen Betriebsbereich der Platine deutlich, wodurch ihre Ausfallgrenzen sichtbar werden.

Bei Speisung über den Hohlstecker verlagerte sich das Hauptproblem auf die Verkabelung. Die Motordrähte wurden unter dieser Last merklich heiß, während die Platine selbst relativ unbeeinträchtigt blieb. Auch der Steckerbereich zeigte erhöhte Temperaturen (40–45 °C), doch auf der Leiterplatte wurden keine kritischen Hotspots beobachtet. In dieser Konfiguration wird die externe Verkabelung zum begrenzenden Faktor, noch vor der Platine selbst.

Im Gegensatz dazu zeigte der Schraubklemmenpfad eine erhebliche thermische Belastung des MOSFET. Seine Temperatur überschritt rasch die sicheren Betriebsgrenzen und erreichte deutlich über 100 °C (≈120 °C in diesem Test). Auf diesem Niveau arbeitet das Bauteil weit jenseits der empfohlenen Bedingungen, in denen Leistungseinbußen, ein thermisches Durchgehen oder dauerhafte Schäden auftreten können.

Insgesamt bestätigen die Ergebnisse, dass ein Betrieb mit 10 A nicht dauerhaft tragbar ist, insbesondere bei Verwendung des Schraubklemmeneingangs. Der MOSFET wird zum kritischen Schwachpunkt, während sich in der Hohlstecker-Konfiguration die Einschränkung auf Stecker und Verkabelung verlagert und nicht auf die Leiterplatte selbst.

Fazit

Die Waveshare Serial Bus Servo Driver Board arbeitet unter typischen Betriebsbedingungen und moderaten Lasten gut. Bei 2 A und sogar 5 A Dauerlast bleibt die Platine stabil und thermisch gutmütig, was sie für die meisten standardmäßigen Robotikanwendungen geeignet macht.

Die Wahl der Stromeinspeisung hat jedoch erheblichen Einfluss auf das Verhalten. Der Hohlstecker bietet einen direkteren und effizienteren Strompfad, dessen Hauptbegrenzung die Erwärmung von Stecker und Verkabelung bei höheren Strömen ist. Im Gegensatz dazu fügt der Schraubklemmeneingang dem Strompfad einen MOSFET hinzu, der zur Hauptwärmequelle und unter Last zu einem klaren Engpass wird.

Bei höheren Strömen (7 A und mehr) nähern sich beide Konfigurationen ihren thermischen Grenzen. Der Hohlstecker wird durch die Steckererwärmung begrenzt, während der Schraubklemmenpfad durch die MOSFET-Verlustleistung und die Einschränkungen der Verkabelung begrenzt wird. Unter extremen Bedingungen (10 A) arbeitet die Platine außerhalb ihrer sicheren Grenzen – insbesondere bei Verwendung der Schraubklemmen, wo die MOSFET-Temperatur die sicheren Betriebsbereiche überschreitet.

Ein zusätzlicher Zuverlässigkeitspunkt ist die auf Platinen der Revision 1.1 vorhandene TVS-Diode. Mehrere Platinen fielen während des Tests aus, höchstwahrscheinlich aufgrund von Instabilität der Stromversorgung oder transienten Zuständen. In diesen Fällen schien die TVS-Diode auszufallen (durchzubrennen) und legte die Platine damit faktisch lahm. Zwar lässt sich durch Entfernen der ausgefallenen Diode die Funktion wiederherstellen, doch dieses Verhalten legt nahe, dass die Schutzschaltung für instabile Stromumgebungen womöglich zu empfindlich – oder nicht robust genug – ist.

In der Praxis eignet sich die Platine gut für Systeme mit einer Dauerlast von bis zu ~5 A und gelegentlichen kurzen Spitzen. Bei höheren Lasten muss sorgfältig auf Stromqualität, Verkabelung und Steckerauswahl geachtet werden. Wann immer möglich ist der Hohlstecker-Eingang die bevorzugte Option für Anwendungen mit höherem Strom, während die Schraubklemmen besser für Aufbauten mit niedrigerem Strom oder mit Fokus auf Komfort geeignet sind.

Insgesamt bietet die Platine ein gutes Gleichgewicht aus Funktionalität und Kosten, doch ihre Belastbarkeit und Robustheit werden durch die Steckerausführung, die Umsetzung des Strompfads und die Empfindlichkeit gegenüber Spannungstransienten begrenzt.

Waveshare Serial Bus Driver HAT

• Dokumentation: https://www.waveshare.com/wiki/Bus_Servo_Driver_HAT_(A)
• Schaltplan: Schaltplan Bus Servo Driver HAT (A)/Bus_Servo_Driver_HAT_(A)_Sch.pdf)

Vorderseite des Waveshare Driver HAT: ESP32-Mikrocontroller, RS485-/TTL-Ausgangsstufe und drei Stromeingänge (5,5×2,5-mm-Hohlstecker, Schraubklemmen, XT90).

Unterseite des Driver HAT mit dem 40-poligen Raspberry-Pi-Header und dem bordeigenen 5-V-Regler, der den Pi versorgt.

Driver HAT, Vorderseite (links) und Rückseite (rechts).

Das Waveshare Serial Bus Servo Driver HAT ist eine fortschrittlichere und stärker auf hohe Leistung ausgelegte Lösung im Vergleich zur einfacheren Adapterplatine. Es integriert einen ESP32-Mikrocontroller, wodurch es als eigenständiger Controller mit kabelgebundenen und drahtlosen (Wi-Fi / Bluetooth) Kommunikationsmöglichkeiten arbeiten kann. Die Platine ist als Raspberry Pi HAT ausgeführt und ermöglicht die direkte Verbindung über den 40-poligen Header, während sie den Pi gleichzeitig über einen bordeigenen 5-V-Regler mit Strom versorgt. Sie unterstützt sowohl TTL- als auch RS485-Servoschnittstellen und ist damit mit einer breiteren Palette von Servos mit seriellem Bus kompatibel. Aus Sicht der Stromversorgung bietet die Platine deutlich robustere Eingangsoptionen, darunter einen XT90-Stecker und einen weiten Eingangsspannungsbereich von 9–25 V.

Stromstecker

Die Platine bietet mehrere Optionen zur Stromeinspeisung: einen 5,5×2,5-mm-Hohlstecker, größere Schraubklemmen (im Vergleich zur vorherigen Platine) und einen XT90-Stecker für Anwendungen mit hohem Strom. All diese Stecker sind an dieselbe Stromschiene angebunden, ohne dass zusätzliche Komponenten – etwa MOSFETs – in den Strompfad eingefügt sind. Das ergibt eine direkte, niederohmige Verbindung zur Last, was beim Umgang mit höheren Strömen von Vorteil ist.

Die größeren Schraubklemmen und der XT90-Stecker machen diese Platine im Vergleich zu den kleineren Steckern der vorherigen Platine besser geeignet für dickere Drähte und die Lieferung höherer Ströme.

Die Leiterplatte enthält einen Lötplatz für eine TVS-Diode, doch die Diode selbst ist nicht bestückt, was darauf hindeutet, dass ein Transientenschutz im Design berücksichtigt, in der ausgelieferten Version aber nicht umgesetzt wurde.

Lasttests

Alle Tests wurden über den Hohlstecker-Eingang durchgeführt, da alle Stromstecker denselben Strompfad nutzen und es zwischen ihnen keinen funktionalen Unterschied gibt.

Last von 2 A über 10 Minuten

Der 2-A-Lasttest (10 Minuten) zeigte keine thermischen Bedenken. Die Gesamttemperatur der Platine blieb nahe der Umgebungstemperatur, es wurde nur eine geringe Erwärmung beobachtet.

Die einzigen Komponenten mit einem merklichen Temperaturanstieg waren das ESP32-Modul und der bordeigene Spannungsregler, die etwa 33–40 °C erreichten. Das ist zu erwarten, da beide aktiv an Stromregelung und Steuerung beteiligt sind. Im Strompfad oder an den Steckern wurde keine nennenswerte Erwärmung beobachtet, was auf einen effizienten Betrieb unter typischen Lastbedingungen hinweist.

Last von 5 A über 5 Minuten

Der 5-A-Lasttest (5 Minuten) zeigte ein ähnliches Verhalten wie der 2-A-Fall, ohne dass nennenswerte thermische Probleme beobachtet wurden. Die Gesamttemperatur der Platine stieg leicht an, blieb aber deutlich innerhalb der sicheren Grenzen. Die Hauptwärmequellen waren erneut das ESP32-Modul und der bordeigene Spannungsregler. Der Strompfad und die Stecker blieben relativ kühl, was auf geringe Verluste und eine effiziente Stromverarbeitung hinweist.

Insgesamt bewältigt die Platine eine Dauerlast von 5 A ohne Anzeichen thermischer Belastung, was darauf hindeutet, dass sie für den dauerhaften Betrieb unter hoher Last in typischen Anwendungsfällen geeignet ist.

Last von 7 A über 2 Minuten

Der 7-A-Lasttest (2 Minuten) zeigte, dass alle Platinenkomponenten in einem sicheren Temperaturbereich blieben. Die Motordrähte wurden leicht warm und erreichten etwa 42,2 °C.

10 A über 30 Sekunden

Während des 10-A-Lasttests (30 Sekunden) blieben alle Platinenkomponenten innerhalb sicherer Betriebstemperaturen. Die einzige merkliche Erwärmung trat an den Motordrähten auf, die etwa 44,6 °C erreichten.

Fazit

Das Waveshare Serial Bus Driver HAT ist eindeutig mit Blick auf Anwendungen mit höherem Strom konzipiert und schneidet unter Last deutlich besser ab als einfachere Adapterplatinen. Über alle Tests hinweg – von 2 A bis 10 A – blieb die Platine selbst thermisch stabil, ohne dass im Strompfad oder in der Steuerschaltung kritische Hotspots beobachtet wurden.

Dank ihres direkten Stromschienen-Designs (ohne zusätzliche Komponenten wie MOSFETs) verarbeitet die Platine hohe Ströme effizient, und ihre größeren Stecker machen sie für eine robuste Stromlieferung gut geeignet.

In der Praxis sind die begrenzenden Faktoren nicht die Platine selbst, sondern die externen Komponenten – konkret die Motorstecker und die serienmäßige Verkabelung. Mit steigendem Strom tritt die Erwärmung vor allem in den Drähten und nicht auf der Leiterplatte auf, was darauf hinweist, dass die Platine über ausreichend Reserve verfügt, während die Verkabelung zum Engpass wird.

Insgesamt ist das HAT eine solide Wahl für Systeme mit mehreren Servos und Aufbauten mit hohem Strom. Es bewältigt mühelos Dauerlasten im Bereich von 5–7 A und verträgt kurze Spitzen bis 10 A, sofern geeignete Verkabelung und Stecker verwendet werden.