48V-Robotik nutzen: Effizienz & Leistung in der industriellen Automatisierung steigern

Die Nachfrage nach Effizienz und Kosteneffektivität in elektrischen Systemen treibt die Einführung von 48V-Systemen branchenübergreifend voran. Diese Höher-Spannungssysteme bieten eine optimalere Alternative zu konventionellen 12- oder 24-V-Architekturen, besonders dort, wo hohe Leistungslieferung essenziell ist. Industrielle Automatisierung und Telekommunikation nutzen 48V, um Motoren, Aktuatoren und andere Hochleistungsgeräte anzutreiben.

Die Vorteile von 48V-Systemen umfassen:

• Größere Lasten antreiben: im Gegensatz zu 12V-Systemen, die mit modernen Leistungsanforderungen kämpfen

• Niedrigere Ströme: höhere Spannung reduziert Strombedarf um das Vierfache

• Reduzierte Leistungsverluste: niedrigere Ströme bedeuten weniger Leistungsverlust, weniger abzuleitende Wärme und höhere Effizienz; Betrieb bei höherer Spannung

• Höhere Leistungsdichte: integrierte 48V-Lösungen ermöglichen höhere Leistungsdichte im Raum, was zu weiterer Reichweite und geringerem Energieverlust in Clean-Energy-Systemen führt

• Leichtere Verkabelung: dünnere Kabel senken Kosten und reduzieren Gewicht und Platzbedarf.

Geschichte der Energieverteilungssysteme

Das 6V-Energieverteilungssystem wurde ein praktischer Standard für Zündung und Beleuchtung in frühen Automobilen, weitgehend beeinflusst durch die weitverbreitete Nutzung von Batterien zu dieser Zeit. Seine Einfachheit und Benutzerfreundlichkeit machten es zu einer beliebten Wahl. Obwohl 24V-Systeme zunächst getestet wurden – beispielsweise im 1912er Cadillac mit seinem elektrischen Anlasser – setzte sich das 6V-System schnell für die meisten automobilen elektrischen Funktionen durch.

Mit dem Fortschritt der Automobiltechnik wuchs die Nachfrage nach elektrischem Zubehör wie Radios, Heizungen und später elektrischen Fensterhebern. Dies stellte größere Anforderungen an das elektrische System und zeigte die Limitationen des 6V-Setups auf. Ein 12V-System bot einen Schlüsselvorteil: Für die gleiche Leistungsausgabe benötigte es nur die halbe Stromstärke, was das Überhitzungsrisiko reduzierte und leichtere, handlichere Verkabelung ermöglichte.

Die Entwicklung zuverlässiger 12V-Bleibatterien und Lichtmaschinen unterstützte den Übergang weiter. Mit diesen Komponenten, die über die Jahre einfacher herzustellen und kosteneffektiver wurden, wurde das 12V-System zum neuen Standard. Dies führte zum Design und zur breiten Adoption kompatibler elektrischer Teile, einschließlich Beleuchtung und Motoren, die bei der höheren Spannung effizienter operierten.

Schwierigkeiten traditioneller Systeme

AMT49100 3-Phase BLDC Gate Driver. (Bild: Allegro)

Moderne Leistungsanforderungen können mit traditionellen 12V-Systemen, derzeit dem Hauptpfeiler der Leistungslieferung, nicht erfüllt werden. Die Limitationen von 12V-Systemen werden deutlich, wenn man Faktoren wie Leistungsverlust und Kabeldicke betrachtet.

Mit steigenden Leistungsanforderungen steigen auch die Ströme in einem 12V-System linear (P = V * I). Dies resultiert in höheren Leistungsverlusten entlang jeder Verkabelung von der Quelle zur Last (Ploss = I2 * R).

Diese Leistungsverluste manifestieren sich als unerwünschte Wärme und reduzierte Systemeffizienz. Auch erfordert das Management höherer Ströme dickere und schwerere Kabel, was Gewicht und Kosten zu Systemdesigns hinzufügt.

Industrielle Automatisierungsausrüstung

Diese 48V-Systeme werden zunehmend in industrieller Automatisierung und Robotik eingesetzt, bieten höhere Leistung und verbesserte Sicherheit gegenüber Niederspannungssystemen. Dies umfasst Komponenten wie Motoren, Sensoren und Gate Driver, die für die höheren Spannungs- und Leistungsanforderungen industrieller Anwendungen ausgelegt sind.

Die niedrigeren Ströme in diesen Systemen reduzieren Wärmeerzeugung und potenzielle Brandgefahren. Im Vergleich zu Höher-Spannungssystemen benötigen 48V-Systeme weniger Isolierung, was bei kompakten Designs ein Faktor sein kann. Da sie unter dem 6V-Sicherheitslimit liegen, werden sie oft als SELV (Safety Extra Low Voltage) betrachtet, was bedeutet, sie sind für direkten Kontakt mit ungeschirmter Ausrüstung sicher ausgelegt.

Diese Systeme bieten gesteigerte Effizienz und Präzision durch Reduzierung von Energieverlust, Ermöglichung schnellerer Steuerung und Ermöglichung kleinerer, leichterer Ausrüstung, erhöhter Dexterity und verbesserter Thermomanagement.

48V-Lösungen mit hoher Effizienz

ACS37220 Low-Resistance Current Sensor. (Bild: Allegro)

Allegro bietet ein breites Array an Sensor- und Power-IC-Produkten, bereit für den Einsatz im Design von 48V-Systemen über eine Vielzahl robotischer Anwendungen. Der reduzierte Leistungsverlust mit Allegros 48V-Lösungen übersetzt sich in eine greifbare Steigerung der Kraftstoffeffizienz für Mild Hybride, signifikante Reichweitenverlängerung für alle elektrifizierten Fahrzeuge und verbesserte Energieumwandlungseffizienz in Solar-Wechselrichtern.

Allegros Motor- und Gate-Driver bieten präzise und effiziente Steuerung für 48V-Motoren und Aktuatoren in Automobil und industrieller Automatisierung, verbessern Produktivität und Zuverlässigkeit. Ihre integrierten Stromsensor-ICs unterstützen Hochspannungsanwendungen, während digitale Positionssensoren Robustheit und Zuverlässigkeit bieten, die die Motortreiber ergänzen.

Autonome mobile Roboter (AMRs) navigieren dynamische Umgebungen für Logistik und Inspektion, fordern präzise Bewegung, robustes Batteriemanagement und zuverlässige Hinderniserkennung. Allegros integrierte Motortreiber, magnetische Sensoren für Positionierung und Lastsensorik, und effiziente Power-Management-ICs verbessern AMR-Performance, optimieren Energieverbrauch und gewährleisten operationelle Sicherheit in diversen Settings.

Kollaborative Roboter (Cobots) arbeiten sicher mit Menschen, erfordern präzise Bewegung, erweiterte Sicherheitsfeatures (SIL-2/3) und effiziente Energie für artikulierte Gelenke. Allegros 48V-Gate-Driver, hochauflösende Positionssensoren und präzise Stromsensoren ermöglichen robuste Gelenkleistung, zuverlässiges Bremsen und optimiertes Power-Management für zuverlässige Mensch-Roboter-Kollaboration.

Humanoide Roboter zielen auf menschenähnliche Bewegung und Interaktion ab, fordern sophistizierte Aktuation, dynamisches Gleichgewicht und komplexe Perzeption. Allegros fortschrittliche Servomotorkontrolle, vielseitige Multi-Achsen-Positionsensorik und effiziente Power-Management-Technologien sind fundamental für die komplexe Mechanik und anspruchsvolle Performance, die von den zahlreichen Gelenken humanoider Roboter gefordert wird.

Warum bei 48V aufhören?

ACSEVB-EZ7-37220-100B3 Eval.Board für ACS37220 Stromsensor (links). APEK85111KNH-02-T-MH Eval.Board für AHV85111 Isolierter Gate Driver (rechts). (Bild: Allegro)

Der primäre Faktor hinter diesem Limit waren die zu erfüllenden Sicherheitsstandards. Organisationen wie UL und NFPA klassifizieren Spannungen unter 60 V als SELV und betrachten sie als sicher für menschlichen Kontakt mit ungeschirmter Ausrüstung. Systeme, die über 48V operieren, erforderten robustere Komponenten und Engineering, um adäquate Isolierung und Isolation zu gewährleisten, was Gesamtkosten und Komplexität erhöhte.

Obwohl 48V-Systeme kosteneffektiv sein könnten, involvierten Höher-Spannungssysteme oft größere initiale Ausgaben aufgrund der Notwendigkeit spezialisierter Komponenten und Verkabelung. Ihr Design tendierte zu größerer Komplexität, und die Implementierung konnte kostspieliger sein, da spezialisierte Teile entweder teurer waren oder aufwendigere Fertigungsprozesse erforderten.

Die Künstliche-Intelligenz-Revolution antreiben

Die Bereitstellung niedrig-latenter KI-Antworten erfordert erhebliche Rechenleistung, was die Energieanforderungen von Rechenzentren signifikant erhöht. Um Effizienz zu verbessern und Kühlanforderungen zu reduzieren, steigen Rechenzentren von 12V auf 48V-Stromsysteme um.

Innovationen im Netzteil-Design unterstützen diesen Shift, mit zukünftigen Entwicklungen, die auf die Verbesserung von Netzteil-Performance und -Dichte abzielen. Folglich müssen Rechenzentren mit High-Performance-Servern, fortschrittlichen Kühlsystemen und robuster Strominfrastruktur ausgestattet sein, um die Arbeitslast effektiv zu managen.

Rechenzentrumsbetreiber setzen zunehmend energieeffiziente Technologien wie Flüssigkühlung, erneuerbare Energiequellen und Server-Virtualisierung ein, um ihren CO2-Fußabdruck zu reduzieren und Betriebskosten zu senken.

Fazit

Der Shift von 12V auf 48V-Systeme wird durch den Bedarf an verbesserter Effizienz und reduzierten Kühlanforderungen getrieben. In der industriellen Automatisierung bieten diese Systeme höhere Leistung und erhöhte Sicherheit im Vergleich zu Niederspannungsoptionen.

Komponenten wie Motoren, Sensoren und Gate Driver sind spezifisch für 48V-Systeme ausgelegt, mit Fokus auf Sicherheit, Leistungsausgabe, Mobilität und Kosteneinsparungen. Mit einer breiten Palette an 48V-Produkten liefert Allegro Lösungen, die höhere Integration sowie Platz- und Energieeinsparungen ermöglichen, sodass Sie sich auf Ihre Applikation konzentrieren können.

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