Aproveche la robótica de 48V: Impulse eficiencia y potencia en automatización industrial

La demanda de eficiencia y rentabilidad en sistemas eléctricos está impulsando la adopción de sistemas de 48V en todas las industrias. Estos sistemas de mayor voltaje ofrecen una alternativa más óptima a las arquitecturas convencionales de 12V o 24V, particularmente donde la entrega de alta potencia es esencial. La automatización industrial y las telecomunicaciones aprovechan los 48V para alimentar motores, actuadores y otros equipos de alta potencia.

Las ventajas de usar sistemas de 48V incluyen:

• Impulsar cargas mayores: a diferencia de los sistemas de 12V, que luchan por cumplir los requisitos de potencia modernos

• Corrientes más bajas: el voltaje más alto reduce los requisitos de corriente cuatro veces

• Pérdidas de potencia reducidas: corrientes más bajas significan menos pérdida de potencia, menos calor que disipar y mayor eficiencia; operando a mayor voltaje

• Mayor densidad de potencia: soluciones integradas de 48V permiten mayor densidad de potencia, traduciéndose en mayor autonomía y menor pérdida de energía en sistemas de energía limpia

• Cableado más ligero: cables más delgados reducen costos y reducen peso y espacio.

Historia de los sistemas de distribución de potencia

El sistema de distribución de potencia de 6V se convirtió en un estándar práctico para encendido e iluminación en automóviles tempranos, influenciado en gran medida por el uso generalizado de baterías en ese momento. Su simplicidad y facilidad de uso lo hicieron una opción popular. Aunque los sistemas de 24V se probaron inicialmente — por ejemplo, en el Cadillac 1912 con su arranque eléctrico — el sistema de 6V ganó rápidamente dominio para la mayoría de funciones eléctricas automotrices.

A medida que la tecnología automotriz progresó, la demanda de accesorios eléctricos como radios, calefactores y, más tarde, ventanas eléctricas, comenzó a crecer. Esto puso mayor tensión en el sistema eléctrico, resaltando las limitaciones de la configuración de 6V. Un sistema de 12V ofrecía una ventaja clave: para la misma potencia de salida, requería solo la mitad de corriente, lo que reducía el riesgo de sobrecalentamiento y permitía el uso de cableado más ligero y manejable.

El desarrollo de baterías de plomo-ácido de 12V fiables y alternadores apoyó aún más la transición. Con estos componentes volviéndose más fáciles de producir y más costo-efectivos a lo largo de los años, el sistema de 12V se convirtió en el nuevo estándar. Esto llevó al diseño y adopción generalizada de partes eléctricas compatibles, incluyendo iluminación y motores que operaban más eficientemente al mayor voltaje.

Dificultades de los sistemas tradicionales

AMT49100 Controlador de puerta BLDC 3-fases. (Imagen: Allegro)

Las demandas de potencia modernas no pueden satisfacerse con sistemas tradicionales de 12V, actualmente la base de la entrega de potencia. Las limitaciones de los sistemas de 12V se vuelven claras al considerar factores como pérdida de potencia y grosor de cable.

A medida que aumentan las demandas de potencia, también lo hacen las corrientes dentro de un sistema de 12V de forma lineal (P = V * I). Esto resulta en mayores pérdidas de potencia a lo largo de cualquier cableado desde la fuente de suministro hasta la carga (Ploss = I2 * R).

Estas pérdidas de potencia se manifiestan como calor no deseado y eficiencia de sistema reducida. Además, manejar corrientes más altas requiere cables más gruesos y pesados, lo que añade peso y costo a los diseños de sistema.

Equipos de automatización industrial

Estos sistemas de 48V se usan cada vez más en automatización industrial y robótica, ofreciendo mayor potencia y seguridad mejorada sobre sistemas de voltaje más bajo. Esto incluye componentes como motores, sensores y controladores de puerta diseñados para manejar el mayor voltaje y demandas de potencia de aplicaciones industriales.

Las corrientes más bajas presentes en estos sistemas reducen la generación de calor y peligros de incendio potenciales. Comparados con sistemas de mayor voltaje, los sistemas de 48V requieren menos aislamiento, lo que puede ser un factor en diseños compactos. Al caer por debajo del límite de seguridad de 60V, a menudo se consideran SELV (voltaje extra bajo de seguridad), lo que significa que están diseñados para ser seguros para contacto directo con equipos sin blindaje.

Estos sistemas ofrecen eficiencia y precisión mejoradas al reducir pérdida de energía, permitiendo control más rápido y permitiendo equipos más pequeños, ligeros, mayor destreza y gestión térmica mejorada.

Soluciones de 48V con alta eficiencia

ACS37220 Sensor de corriente de baja resistencia. (Imagen: Allegro)

Allegro ofrece una amplia gama de productos IC de sensor y potencia listos para usar en el diseño de sistemas de 48V en una miríada de aplicaciones robóticas. La reducción de pérdida de potencia con las soluciones de 48V de Allegro se traduce en un aumento tangible en economía de combustible para híbridos suaves, extendiendo significativamente el rango para todos los vehículos electrificados y mejorando la eficiencia de conversión de energía en inversores solares.

Los controladores de motor y puerta de Allegro proporcionan control preciso y eficiente para motores y actuadores de 48V usados en automotriz y automatización industrial, mejorando productividad y fiabilidad. Su sensor IC de corriente integrado soporta aplicaciones de alto voltaje, mientras que los sensores de posición digital entregan robustez y fiabilidad para complementar los controladores de motor.

Robots móviles autónomos (AMR) navegan entornos dinámicos para logística e inspección, demandando movimiento preciso, gestión robusta de batería y detección fiable de obstáculos. Los controladores de motor integrados de Allegro, sensores magnéticos para posicionamiento y detección de carga, y ICs de gestión de potencia eficientes mejoran el rendimiento de AMR, optimizan uso de energía y aseguran seguridad operacional en diversos entornos.

Robots colaborativos (cobots) trabajan seguros con humanos, requiriendo movimiento preciso, características de seguridad avanzadas (SIL-2/3) y potencia eficiente para articulaciones. Los controladores de puerta de 48V de Allegro, sensores de posición de alta resolución y sensores de corriente precisos permiten rendimiento robusto de articulaciones, frenado fiable y gestión de potencia optimizada para colaboración humano-robot fiable.

Robots humanoides apuntan a movimiento e interacción tipo humano, demandando actuación sofisticada, equilibrio dinámico y percepción compleja. Las tecnologías avanzadas de control de motor servo, sensores de posición multi-eje versátiles y gestión de potencia eficiente de Allegro son fundamentales para la mecánica intrincada y rendimiento exigido por las numerosas articulaciones en robots humanoides.

¿Por qué detenerse en 48V?

ACSEVB-EZ7-37220-100B3 Placa de evaluación para sensor ACS37220 (izquierda). APEK85111KNH-02-T-MH Placa de evaluación para AHV85111 Controlador de puerta aislado (derecha). (Imagen: Allegro)

El factor principal detrás de este límite eran los estándares de seguridad que tenían que cumplirse. Organizaciones como UL y NFPA clasifican voltajes por debajo de 60V como SELV, considerándolos seguros para contacto humano con equipos sin blindaje. Sistemas operando por encima de 48V requerían componentes más robustos e ingeniería para asegurar aislamiento y aislamiento adecuados, lo que aumentaba el costo y complejidad general.

Aunque los sistemas de 48V podrían ser costo-efectivos, los sistemas de mayor voltaje a menudo involucraban mayores gastos iniciales debido a la necesidad de componentes y cableado especializados. Su diseño tendía a ser más complejo, y la implementación podía ser más costosa, ya que las partes especializadas eran más caras o demandaban procesos de manufactura más intrincados.

Impulsando la revolución de la Inteligencia Artificial

Entregar respuestas de IA de baja latencia requiere poder computacional sustancial, lo que aumenta significativamente las demandas energéticas de centros de datos. Para mejorar eficiencia y reducir requisitos de enfriamiento, los centros de datos están transitando de sistemas de potencia de 12V a 48V.

Innovaciones en diseño de fuentes de alimentación apoyan este cambio, con desarrollos futuros apuntados a mejorar rendimiento y densidad de fuentes de alimentación. Consecuentemente, los centros de datos necesitan estar equipados con servidores de alto rendimiento, sistemas de enfriamiento avanzados e infraestructura de potencia robusta para manejar la carga de trabajo efectivamente.

Los operadores de centros de datos están adoptando cada vez más tecnologías energéticamente eficientes como enfriamiento líquido, fuentes de energía renovables y virtualización de servidores para reducir su huella de carbono y bajar costos operativos.

Conclusión

El cambio de sistemas de 12V a 48V está impulsado por la necesidad de eficiencia mejorada y requisitos de enfriamiento reducidos. En automatización industrial, estos sistemas ofrecen mayor potencia y seguridad mejorada comparados con opciones de voltaje más bajo.

Componentes como motores, sensores y controladores de puerta están diseñados específicamente para sistemas de 48V, con enfoque en seguridad, potencia de salida, movilidad y ahorro de costos. Con una amplia gama de productos de 48V, Allegro entrega soluciones que habilitan mayor integración, así como ahorro de espacio y energía, permitiéndole concentrarse en su aplicación.

Rich Miron es Desarrollador Senior de Contenido Técnico para DigiKey (Thief River Falls, MN). Para más información, visite aquí .