El auge de los robots de 48V

Los robots industriales constituyen una parte fundamental de la cuarta revolución industrial, más conocida como Industria 4.0. Además, debido a que estos dispositivos se conectan a sistemas y sensores remotos, forman una parte importante del Internet de las Cosas (Internet of Things, IoT) o del Internet de las Cosas Industrial (Industrial Internet of Things, IIoT). Según la IFR (International Federation of Robotics www.ifr.org), en 2018 había casi 2,5 millones de robots industriales instalados y esta cifra crece en más de 400.000 unidades al año. Los sectores de la industria, la automoción, la electricidad y la electrónica representan más de la mitad del total, mientras que maquinaria, plásticos, química, alimentos y bebidas también son usuarios significativos. Aproximadamente el 75% de los robots industriales se encuentran en China, Japón, Estados Unidos, Corea y Alemania. La rápida adopción de los robots no se limita al sector industrial con sus 250.000 robots para “servicios profesionales” instalados en 2018. Esto representa un impresionante crecimiento superior al 60% respecto al año anterior. Dos de cada cinco robots para servicios actualmente en funcionamiento se clasifican como vehículos de guiado automático (autonomous guided vehicles, AGV) y se utilizan principalmente en logística y fabricación. El mercado de robots personales y domésticos creció de forma parecida (alrededor del 60%) y ahora está formado por unos 16,3 millones de unidades que se destinan a diversas tareas, desde aspirado hasta educación e investigación.
Robótica a 48V
La adopción de 48V se ha generalizado en numerosas aplicaciones debido, al menos en parte, a que es la tensión segura más elevada de uso habitual. Esto permite a los diseñadores reducir las protecciones del sistema si se comparan con los dispositivos conectados a la red eléctrica, así como el tamaño de los conductores (respecto a los productos alimentados a 12V), lo cual disminuye el peso, el coste y las pérdidas de potencia. Los motores alimentados directamente a 48V también suelen ser más pequeños y, en aplicaciones robóticas, ello permite unas conexiones más pequeñas y ligeras, incrementando de este modo la eficiencia de la máquina, su maniobrabilidad y fiabilidad, además de reducir el peso y el coste. Esto abre, a su vez, más oportunidades potenciales para el uso de robots con el fin de mejorar la automatización de procesos en todos los sectores. La tensión de 48V se utiliza a menudo en aplicaciones modernas como el automóvil, donde está superando rápidamente a los 12V en numerosos dispositivos instalados a bordo del vehículo, así como para computación en la nube donde la alimentación distribuida a 48V se emplea en servidores, ventiladores de refrigeración y otras aplicaciones relacionadas con las telecomunicaciones. Esta prevalencia implica una amplia disponibilidad de dispositivos y subsistemas alimentados a 48V que amplía la oferta a los diseñadores y disminuye los costes gracias a las economías de escala.
Los robots son sistemas de cierta complejidad y, dependiendo de la aplicación y la funcionalidad, incorporarán elementos funcionales como conectividad, detección de imagen, detección de posición y control de motores. También cuentan con diferentes subsistemas de alimentación, como conversión CA/CC, gestión de la batería, conversión CC/CC, convertidores multifase, conversión en el punto de carga (point-of-load, PoL), regulación lineal y accionamientos de motores. Cada una de estas áreas exige una solución eficiente para que el robot funcione tal como ha previsto el diseñador. Si observáramos los diagramas de bloques funcionales para sistemas en el automóvil o de computación en la nube encontraríamos un gran número de similitudes con el diagrama de bloques del robot. Esto abre oportunidades para llevar las soluciones de alimentación de otras aplicaciones a la robótica. A modo de ejemplo, los fusibles electrónicos (eFuses) son ampliamente utilizados en la computación en la nube con el fin de permitir el intercambio en pleno funcionamiento de soportes de almacenamiento y dispositivos de refrigeración como los ventiladores. No obstante, estos mismos fusibles pueden emplearse en una aplicación robótica para añadir modularidad y admitir el intercambio de bloques funcionales (como las piezas de la herramienta) por el propio robot, incluso mientras funciona y dependiendo de la tarea desarrollada.
Soluciones de alimentación para aplicaciones robóticas a 48V
En la actualidad, muchas aplicaciones robóticas utilizan un bus de 48V para alimentar el sistema. Si se compara con un bus típico de 12V, esto ofrece 1/16 de las pérdidas o permite recurrir a cables más finos y ligeros. En instalaciones de robots fijos, los 48V se generarán por medio de una fuente de alimentación conectada a la red eléctrica que incorporará una etapa de corrección del factor de potencia (power factor corrected, PFC). Los robots móviles, como drones, asistentes sanitarios y otros, dispondrán de una batería que se recarga periódicamente por medio de un adaptador. Pocos semiconductores pueden trabajar directamente a 48V, generalmente necesitan tensiones de 5V e incluso por debajo de 1V. El convertidor PoL no aislado juega un importante papel para convertir una tensión más alta al nivel exigido por el circuito integrado. En algunos casos, la tensión de bus intermedia (que suele ser de 12V) se genera por medio de un convertidor de bus intermedio (intermediate bus converter, IBC) que está poco regulado mientras que el convertidor PoL convierte los 12V a la tensión de alimentación del circuito integrado. La conversión en una sola etapa se emplea cada vez más y en la actualidad hay muchos convertidores PoL capaces de convertir directamente del carril de 48V a la tensión de alimentación del circuito integrado. Como ocurre con toda solución de alimentación, es necesario que la arquitectura de alimentación de la aplicación robótica sea eficiente y fiable, y que ofrezca altos niveles de densidad de potencia con el fin de que el robot pueda ser lo suficientemente pequeño y ágil como para realizar sus funciones de forma correcta. La clave consiste en seleccionar los semiconductores apropiados para las diversas funciones de alimentación dentro del robot.
Semiconductores para aplicaciones de alimentación en robótica
ON Semiconductor representa el ejemplo de una compañía que ha aplicado sus conocimientos y ha invertido para proponer una amplia variedad de dispositivos y productos de potencia que ofrecen a los diseñadores la capacidad de diseñar soluciones de alimentación de alto rendimiento destinadas a aplicaciones robóticas. Uno de los dispositivos que se utilizan con más frecuencia en casi todas las soluciones de alimentación es el MOSFET. La amplia gama de ON Semiconductor está constituida por MOSFET de “super junction” con varias versiones para diferentes tipos de conmutación y aplicaciones. Los dispositivos FAST ofrecen una elevada eficiencia en topologías de conmutación dura, mientras que los dispositivos fáciles de controlar resultan adecuados para aplicaciones de conmutación dura y suave, donde aseguran un bajo nivel de interferencias electromagnéticas y pequeños picos de tensión. Como complemento a la oferta de MOSFET existe asimismo una amplia variedad de controladores de tensión de puerta que permiten el control directo de los MOSFET por medio de un microcontrolador u otro circuito lógico. Dependiendo de la configuración del circuito se puede utilizar un solo controlador no aislado (como la serie NCD570x de ON Semiconductor) o bien una solución aislada más avanzada o un controlador en el lado de alto y bajo potencial (high/low side). Las soluciones de alta integración, como los módulos de potencia inteligentes (intelligent power modules, IPM) y los módulos de potencia para el automóvil (automotive power modules, APM) ofrecen numerosas ventajas.
Todos estos módulos suelen integrar varios MOSFET para control de motores multifase, así como los dispositivos controladores necesarios. Si se comparan con las soluciones discretas, estos módulos mejoran el rendimiento térmico ya que todos los dispositivos se montan sobre el mismo sustrato. También son capaces de manejar corrientes más altas y mejorar el nivel de interferencias electromagnéticas, además de proporcionar una solución más pequeña y ligera que una solución discreta. Junto con estas soluciones, ON Semiconductor ofrece un catálogo completo dirigido a aplicaciones de alimentación en robótica, formado por fusibles electrónicos, circuitos integrados de corrección del factor de potencia, rectificadores, sensores de corriente y dispositivos de conmutación para alimentación auxiliar. Todo ello complementado por el módulo Bluetooth con el consumo más bajo del mercado y una amplia gama de sensores de imagen para visión artificial avanzada.