Robótica 48V: Aumente Eficiência e Potência na Automação Industrial

A demanda por eficiência e custo-efetividade em sistemas elétricos está impulsionando a adoção de sistemas 48V através de indústrias. Estes sistemas de voltagem mais alta oferecem uma alternativa mais otimizada a arquiteturas convencionais de 12V ou 24V, particularmente onde entrega de alta potência é essencial. Automação industrial e telecomunicações alavancam 48V para alimentar motores, atuadores e outros equipamentos de alta potência.

As vantagens de usar sistemas 48V incluem:

• Acionar cargas maiores: diferente de sistemas 12V, que lutam para atender requisitos de potência modernos

• Correntes menores: voltagem mais alta reduz requisitos de corrente em quatro vezes

• Perda de potência reduzida: correntes menores significam menos perda de potência, menos calor para dissipar e maior eficiência; operando em voltagem mais alta

• Maior densidade de potência: soluções 48V integradas permitem maior densidade de potência no espaço, traduzindo-se em maior autonomia e menor perda de energia em sistemas de energia limpa

• Cabeamento mais leve: cabos mais finos reduzem custos e reduzem peso e espaço.

Histórico de Sistemas de Distribuição de Potência

O sistema de distribuição de potência de 6V tornou-se padrão prático para ignição e iluminação em automóveis iniciais, largamente influenciado pelo uso generalizado de baterias na época. Sua simplicidade e facilidade de uso tornaram-no escolha popular. Embora sistemas de 24V tenham sido inicialmente testados — por exemplo, no Cadillac 1912 com seu starter elétrico — o sistema de 6V rapidamente ganhou domínio para a maioria das funções elétricas automotivas.

À medida que a tecnologia automotiva progrediu, a demanda por acessórios elétricos como rádios, aquecedores e, mais tarde, vidros elétricos, começou a crescer. Isso colocou maior tensão no sistema elétrico, destacando as limitações da configuração de 6V. Um sistema de 12V ofereceu vantagem chave: Para a mesma potência de saída, requeria apenas metade da corrente, o que reduziu risco de superaquecimento e permitiu uso de fiação mais leve e manejável.

O desenvolvimento de baterias chumbo-ácido 12V confiáveis e alternadores suportou ainda mais a transição. Com estes componentes tornando-se mais fáceis de produzir e mais custo-efetivos ao longo dos anos, o sistema de 12V tornou-se o novo padrão. Isso levou ao design e adoção generalizada de partes elétricas compatíveis, incluindo iluminação e motores que operavam mais eficientemente na voltagem mais alta.

Dificuldades dos Sistemas Tradicionais

AMT49100 Driver de Gate BLDC 3-Fases. (Imagem: Allegro)

Demandas modernas de potência não podem ser atendidas com sistemas tradicionais de 12V, atualmente a base de entrega de potência. As limitações de sistemas 12V tornam-se claras ao considerar fatores como perda de potência e espessura de cabo.

À medida que demandas de potência aumentam, as correntes dentro de um sistema 12V aumentam de forma linear (P = V * I). Isso resulta em maiores perdas de potência ao longo de qualquer fiação da fonte de suprimento à carga (Ploss = I2 * R).

Estas perdas de potência manifestam-se como calor indesejado e eficiência de sistema reduzida. Além disso, gerenciar correntes mais altas requer cabos mais grossos e pesados, que adicionam peso e custo a designs de sistema.

Equipamentos de Automação Industrial

Estes sistemas 48V são cada vez mais usados em automação industrial e robótica, oferecendo potência mais alta e segurança melhorada sobre sistemas de voltagem mais baixa. Isso inclui componentes como motores, sensores e drivers de gate projetados para lidar com a voltagem e demandas de potência mais altas de aplicações industriais.

As correntes menores presentes nestes sistemas reduzem geração de calor e potenciais riscos de incêndio. Comparados a sistemas de voltagem mais alta, sistemas 48V requerem menos isolamento, que pode ser fator em designs compactos. Como ficam abaixo do limite de segurança de 60V, são frequentemente considerados SELV (safety extra low voltage), significando que são projetados para serem seguros para contato direto com equipamentos não blindados.

Estes sistemas oferecem eficiência e precisão aprimoradas reduzindo perda de energia, permitindo controle mais rápido e permitindo equipamentos menores, mais leves, destreza aumentada e gerenciamento térmico melhorado.

Soluções 48V com Alta Eficiência

ACS37220 Sensor de Corrente Baixa Resistência. (Imagem: Allegro)

A Allegro oferece ampla gama de produtos de sensor e power IC prontos para uso no design de sistemas 48V através de uma miríade de aplicações robóticas. A perda de potência reduzida com soluções 48V da Allegro traduz-se em aumento tangível de economia de combustível para híbridos leves, estendendo significativamente a autonomia para todos veículos eletrificados e melhorando eficiência de conversão de energia em inversores solares.

Drivers de motor e gate da Allegro fornecem controle preciso e eficiente para motores e atuadores 48V usados em automação automotiva e industrial, melhorando produtividade e confiabilidade. Seu sensor de corrente IC integrado suporta aplicações de alta voltagem, enquanto sensores de posição digital entregam robustez e confiabilidade para complementar os drivers de motor.

Robôs móveis autônomos (AMRs) navegam ambientes dinâmicos para logística e inspeção, demandando movimento preciso, gestão robusta de bateria e detecção confiável de obstáculos. Drivers de motor integrados da Allegro, sensores magnéticos para posicionamento e sensoriamento de carga, e ICs de gestão de potência eficientes aumentam desempenho de AMR, otimizam uso de energia e garantem segurança operacional em configurações diversas.

Robôs colaborativos (cobots) trabalham seguramente com humanos, requerendo movimento preciso, recursos avançados de segurança (SIL-2/3) e potência eficiente para juntas articuladas. Drivers de gate 48V da Allegro, sensores de posição de alta resolução e sensores de corrente precisos permitem desempenho robusto de junta, frenagem confiável e gestão de potência otimizada para colaboração humano-robô confiável.

Robôs humanoides visam movimento e interação humano-like, demandando atuação sofisticada, equilíbrio dinâmico e percepção complexa. Controle avançado de motor servo da Allegro, sensoriamento de posição multi-eixo versátil e tecnologias de gestão de potência eficientes são fundamentais para a mecânica intrincada e desempenho demandado pelas numerosas juntas em robôs humanoides.

Por que Parar em 48V?

ACSEVB-EZ7-37220-100B3 Placa de Avaliação para Sensor de Corrente ACS37220 (esquerda). APEK85111KNH-02-T-MH Placa de Avaliação para AHV85111 Driver de Gate Isolado (direita). (Imagem: Allegro)

O fator primário por trás deste limite eram os padrões de segurança que tinham que ser atendidos. Organizações como UL e NFPA classificam voltagens abaixo de 60V como SELV, considerando-as seguras para contato humano com equipamentos não blindados. Sistemas operando acima de 48V requeriam componentes mais robustos e engenharia para garantir isolamento e isolação adequados, o que aumentava custo e complexidade geral.

Embora sistemas 48V pudessem ser custo-efetivos, sistemas de voltagem mais alta frequentemente envolviam maiores despesas iniciais devido à necessidade de componentes e fiação especializados. Seu design tendia a ser mais complexo, e implementação poderia ser mais custosa, já que partes especializadas eram ou mais caras ou demandavam processos de manufatura mais intrincados.

Alimentando a Revolução da Inteligência Artificial

Entregar respostas de IA de baixa latência requer poder computacional substancial, que aumenta significativamente demandas de energia de data centers. Para melhorar eficiência e reduzir requisitos de resfriamento, data centers estão transitando de sistemas de potência 12V para 48V.

Inovações em design de fonte de alimentação suportam esta mudança, com desenvolvimentos futuros visando aprimorar desempenho e densidade de fonte de alimentação. Consequentemente, data centers precisam ser equipados com servidores de alto desempenho, sistemas de resfriamento avançados e infraestrutura de potência robusta para gerenciar a carga de trabalho efetivamente.

Operadores de data centers estão adotando cada vez mais tecnologias energeticamente eficientes como resfriamento líquido, fontes de energia renovável e virtualização de servidores para reduzir sua pegada de carbono e baixar custos operacionais.

Conclusão

A mudança de sistemas 12V para 48V é impulsionada pela necessidade de eficiência melhorada e requisitos de resfriamento reduzidos. Em automação industrial, estes sistemas oferecem potência mais alta e segurança aprimorada comparados a opções de voltagem mais baixa.

Componentes como motores, sensores e drivers de gate são projetados especificamente para sistemas 48V, com foco em segurança, saída de potência, mobilidade e economia de custo. Com ampla gama de produtos 48V, a Allegro entrega soluções que permitem integração mais alta, assim como economia de espaço e energia, permitindo que você concentre-se em sua aplicação.

Rich Miron é Desenvolvedor Sênior de Conteúdo Técnico para DigiKey (Thief River Falls, MN). Para mais informações, visite aqui.