Nutzen Sie die 48-V-Robotik:Steigern Sie Effizienz und Leistung in der industriellen Automatisierung

Die Nachfrage nach Effizienz und Kosteneffizienz in elektrischen Systemen treibt die Einführung von 48-V-Systemen in allen Branchen voran. Diese Systeme mit höherer Spannung bieten eine optimalere Alternative zu herkömmlichen 12- oder 24-V-Architekturen, insbesondere wenn eine hohe Leistungsabgabe unerlässlich ist. Industrielle Automatisierung und Telekommunikation nutzen 48 V, um Motoren, Aktoren und andere Hochleistungsgeräte anzutreiben.

Zu den Vorteilen der Verwendung von 48-V-Systemen gehören:

• Größere Lasten fahren: im Gegensatz zu 12-V-Systemen, die Schwierigkeiten haben, den modernen Stromanforderungen gerecht zu werden

• Geringere Strömungen: Eine höhere Spannung reduziert den Strombedarf um das Vierfache

• Reduzierter Leistungsverlust: Niedrigere Ströme bedeuten weniger Leistungsverlust, weniger abzuführende Wärme und einen höheren Wirkungsgrad; Betrieb mit höherer Spannung

• Höhere Leistungsdichte: Integrierte 48-V-Lösungen ermöglichen eine höhere Leistungsdichte im Raum, was zu einer größeren Reichweite und einem geringeren Energieverlust in sauberen Energiesystemen führt

• Leichtere Verkabelung: Dünnere Kabel senken die Kosten und reduzieren Gewicht und Platz.

Geschichte der Stromverteilungssysteme

Das 6-V-Stromverteilungssystem wurde zu einem praktischen Standard für Zündung und Beleuchtung in frühen Automobilen, was weitgehend durch die damals weit verbreitete Verwendung von Batterien beeinflusst wurde. Seine Einfachheit und Benutzerfreundlichkeit machten es zu einer beliebten Wahl. Obwohl zunächst 24-V-Systeme erprobt wurden – zum Beispiel im Cadillac von 1912 mit Elektrostarter – setzte sich das 6-V-System für die meisten elektrischen Funktionen im Automobil schnell durch.

Mit fortschreitender Automobiltechnik begann die Nachfrage nach elektrischem Zubehör wie Radios, Heizungen und später elektrischen Fensterhebern zu wachsen. Dadurch wurde das elektrische System stärker belastet, was die Grenzen des 6-V-Setups deutlich machte. Ein 12-V-System bot einen entscheidenden Vorteil:Bei gleicher Ausgangsleistung war nur die Hälfte des Stroms erforderlich, was das Risiko einer Überhitzung verringerte und den Einsatz leichterer, besser handhabbarer Verkabelung ermöglichte.

Die Entwicklung zuverlässiger 12-V-Blei-Säure-Batterien und Lichtmaschinen unterstützte den Übergang zusätzlich. Da diese Komponenten im Laufe der Jahre einfacher herzustellen und kostengünstiger wurden, wurde das 12-V-System zum neuen Standard. Dies führte zur Entwicklung und weiten Verbreitung kompatibler elektrischer Teile, einschließlich Beleuchtung und Motoren, die bei höherer Spannung effizienter arbeiteten.

Kämpfe traditioneller Systeme

AMT49100 3-Phasen-BLDC-Gate-Treiber. (Bild:Allegro)

Der moderne Strombedarf kann mit herkömmlichen 12-V-Systemen, die derzeit die Hauptstromversorgung darstellen, nicht gedeckt werden. Die Grenzen von 12-V-Systemen werden deutlich, wenn Faktoren wie Leistungsverlust und Kabeldicke berücksichtigt werden.

Mit steigendem Leistungsbedarf steigen auch die Ströme innerhalb eines 12-V-Systems linear (P =V * I). Dies führt zu höheren Leistungsverlusten entlang der Verkabelung von der Versorgungsquelle zur Last (Ploss =I2 * R).

Diese Leistungsverluste äußern sich in unerwünschter Wärme und verringerter Systemeffizienz. Außerdem erfordert die Bewältigung höherer Ströme dickere und schwerere Kabel, was das Gewicht und die Kosten des Systemdesigns erhöht.

Industrielle Automatisierungsausrüstung

Diese 48-V-Systeme werden zunehmend in der industriellen Automatisierung und Robotik eingesetzt und bieten im Vergleich zu Systemen mit niedrigerer Spannung eine höhere Leistung und verbesserte Sicherheit. Dazu gehören Komponenten wie Motoren, Sensoren und Gate-Treiber, die für den höheren Spannungs- und Leistungsbedarf industrieller Anwendungen ausgelegt sind.

Die in diesen Systemen vorhandenen geringeren Ströme verringern die Wärmeentwicklung und die potenzielle Brandgefahr. Im Vergleich zu Systemen mit höherer Spannung erfordern 48-V-Systeme weniger Isolierung, was bei kompakten Designs ein Faktor sein kann. Da sie unter der Sicherheitsgrenze von 60 V liegen, werden sie häufig als SELV (Sicherheitskleinspannung) betrachtet, was bedeutet, dass sie für den direkten Kontakt mit ungeschirmten Geräten sicher sind.

Diese Systeme bieten eine höhere Effizienz und Präzision, indem sie den Energieverlust reduzieren, eine schnellere Steuerung ermöglichen und kleinere, leichtere Geräte, mehr Fingerfertigkeit und ein verbessertes Wärmemanagement ermöglichen.

48V-Lösungen mit hoher Effizienz

ACS37220 Stromsensor mit niedrigem Widerstand. (Bild:Allegro)

Allegro bietet eine breite Palette an Sensor- und Leistungs-IC-Produkten für den Einsatz beim Design von 48-V-Systemen in einer Vielzahl von Roboteranwendungen. Der reduzierte Leistungsverlust mit den 48-V-Lösungen von Allegro führt zu einer spürbaren Steigerung des Kraftstoffverbrauchs bei Mild-Hybriden, wodurch die Reichweite für alle elektrifizierten Fahrzeuge erheblich erweitert und die Energieumwandlungseffizienz in Solarwechselrichtern verbessert wird.

Die Motor- und Gate-Treiber von Allegro ermöglichen eine präzise und effiziente Steuerung von 48-V-Motoren und Aktoren, die in der Automobil- und Industrieautomation eingesetzt werden, und verbessern so die Produktivität und Zuverlässigkeit. Ihr integrierter Stromsensor-IC unterstützt Hochspannungsanwendungen, während die digitalen Positionssensoren Robustheit und Zuverlässigkeit bieten und die Motortreiber ergänzen.

Autonome mobile Roboter (AMRs) navigieren in dynamischen Umgebungen für Logistik und Inspektion und erfordern präzise Bewegungen, robustes Batteriemanagement und zuverlässige Hinderniserkennung. Die integrierten Motortreiber von Allegro, Magnetsensoren zur Positionierung und Lasterkennung sowie effiziente Energiemanagement-ICs verbessern die AMR-Leistung, optimieren den Energieverbrauch und gewährleisten die Betriebssicherheit in verschiedenen Umgebungen.

Kollaborative Roboter (Cobots) arbeiten sicher mit Menschen zusammen und erfordern präzise Bewegungen, fortschrittliche Sicherheitsfunktionen (SIL-2/3) und effiziente Kraft für Gelenkverbindungen. Die 48-V-Gate-Treiber, hochauflösenden Positionssensoren und präzisen Stromsensoren von Allegro ermöglichen eine robuste Gelenkleistung, zuverlässiges Bremsen und ein optimiertes Energiemanagement für eine zuverlässige Mensch-Roboter-Zusammenarbeit.

Humanoide Roboter streben nach menschenähnlicher Bewegung und Interaktion und erfordern eine ausgefeilte Betätigung, dynamische Balance und komplexe Wahrnehmung. Die fortschrittliche Servomotorsteuerung, die vielseitige mehrachsige Positionserkennung und die effizienten Energieverwaltungstechnologien von Allegro sind von grundlegender Bedeutung für die komplizierte Mechanik und die anspruchsvolle Leistung, die die zahlreichen Gelenke in humanoiden Robotern erfordern.

Warum bei 48 V aufhören?

ACSEVB-EZ7-37220-100B3 Evaluierungsplatine für den ACS37220 Stromsensor (links). APEK85111KNH-02-T-MH Evaluierungsplatine für den isolierten Gate-Treiber AHV85111 (rechts). (Bild:Allegro)

Ausschlaggebend für diese Grenze waren vor allem die einzuhaltenden Sicherheitsstandards. Organisationen wie UL und NFPA klassifizieren Spannungen unter 60 V als SELV und betrachten sie als sicher für den menschlichen Kontakt mit ungeschirmten Geräten. Systeme, die über 48 V betrieben werden, erforderten robustere Komponenten und Technik, um eine angemessene Isolierung und Isolierung zu gewährleisten, was die Gesamtkosten und die Komplexität erhöhte.

Obwohl 48-V-Systeme kosteneffizient sein könnten, waren Systeme mit höherer Spannung oft mit höheren Anschaffungskosten verbunden, da spezielle Komponenten und Verkabelung erforderlich waren. Ihr Design war tendenziell komplexer und die Implementierung könnte kostspieliger sein, da Spezialteile entweder teurer waren oder kompliziertere Herstellungsprozesse erforderten.

Die Revolution der künstlichen Intelligenz vorantreiben

Die Bereitstellung von KI-Antworten mit geringer Latenz erfordert erhebliche Rechenleistung, was den Energiebedarf von Rechenzentren erheblich erhöht. Um die Effizienz zu verbessern und den Kühlbedarf zu reduzieren, stellen Rechenzentren von 12-V- auf 48-V-Stromversorgungssysteme um.

Innovationen im Netzteildesign unterstützen diesen Wandel, wobei zukünftige Entwicklungen darauf abzielen, die Leistung und Dichte der Stromversorgung zu verbessern. Folglich müssen Rechenzentren mit leistungsstarken Servern, fortschrittlichen Kühlsystemen und einer robusten Stromversorgungsinfrastruktur ausgestattet sein, um die Arbeitslast effektiv verwalten zu können.

Betreiber von Rechenzentren setzen zunehmend auf energieeffiziente Technologien wie Flüssigkeitskühlung, erneuerbare Energiequellen und Servervirtualisierung, um ihren CO2-Fußabdruck zu verringern und die Betriebskosten zu senken.

Schlussfolgerung

Die Umstellung von 12-V- auf 48-V-Systeme wird durch die Notwendigkeit einer verbesserten Effizienz und eines geringeren Kühlbedarfs vorangetrieben. In der industriellen Automatisierung bieten diese Systeme im Vergleich zu Optionen mit niedrigerer Spannung eine höhere Leistung und mehr Sicherheit.

Komponenten wie Motoren, Sensoren und Gate-Treiber wurden speziell für 48-V-Systeme entwickelt, wobei der Schwerpunkt auf Sicherheit, Leistungsabgabe, Mobilität und Kosteneinsparungen liegt. Mit einer breiten Palette an 48-V-Produkten liefert Allegro Lösungen, die eine höhere Integration sowie Platz- und Energieeinsparungen ermöglichen, sodass Sie sich auf Ihre Anwendung konzentrieren können.

Rich Miron ist Senior Technical Content Developer für DigiKey (Thief River Falls, MN). Weitere Informationen finden Sie hier  .