Werden 48V die neuen 24V?

Wenn die DC-Versorgungsspannung von 24V auf 48V erhöht wird, halbiert sich die Stromstärke und Kabelverluste sinken auf ein Viertel. Daher können mit demselben Versorgungskabel viermal so viele Nutzlasten betrieben werden.



Der Hauptgrund, warum nicht 48V statt 24V als Standard-Versorgungsspannung in der Industrie gewählt wurde, war, dass 48V Blei-Säure-Batterien einfach zu groß und schwer waren und es weniger DC/DC-Wandler und Regler gab, die mit solchen hohen Eingangsspannungen arbeiten können. Selbst Versorgungen mit 24V werden häufig auf eine intermediäre Busspannung von 12V herabgesetzt, um die lastnahen Wandler zu speisen, welche Schaltungen mit den niedrigen Spannungen 1V/2,5V/3,3V versorgen.

In letzter Zeit sorgten zwei Entwicklungen für eine grundsätzliche Änderung und machen Stromversorgungen mit 48V wesentlich attraktiver.

Der erste Impulsgeber ist GaN HEMT. Diese neue Art Schalttransistoren kann viel schneller schalten als die auf Silizium basierenden Technologien. Wenn ein 100 kHz DC/DC-Abwärtswandler zur effizienten Herabsetzung von 48V auf 1,2V eingesetzt wird, beträgt das Tastverhältnis 40:1. Nimmt man eine Lastregelfähigkeit von 1% hinzu, dann muss der Schalttransistor mit einem PWM-Signal mit weniger als 2,5ns Jitter zurechtkommen. Das liegt am Limit der herkömmlichen Technologie von Schaltreglern, aber problemlos innerhalb der Spezifikation von GaN-Transistoren, wodurch Wandler von 48V auf 1V praktisch möglich werden.


Der zweite Impulsgeber sind Mildhybrid-Elektrofahrzeuge. Ein Mildhybrid ist wie ein Standardauto mit einem Verbrennungsmotor und einer 12V Blei-Säure-Batterie ausgestattet, hat aber zusätzlich noch eine 48V Lithium-Ionen-Batterie und einen Elektromotor.

Die 48V Batterie kann zum rein elektrischen Antrieb des Autos etwa für die ersten hundert Meter vom Start an verwendet werden, sodass ein kleinerer und effizienterer Motor verwendet werden kann, ohne die Beschleunigung zu beeinträchtigen. Das bedeutet bei dichtem Stop-and-Go-Verkehr auch, dass der Verbrennungsmotor nicht läuft.

So können Autohersteller die neuesten Energieeffizienz-Standards im Stadtverkehr erreichen, ohne des gesamte Fahrzeug umzugestalten.


Die 48V Batterie ermöglicht höhere elektrische Spitzenlasten als ein 12V-System, so dass Klimaanlage, Servolenkung und Turbolader auf Wunsch alle elektrisch betrieben werden können und nicht ständig Leistung durch die mechanische Verbindung zu Motor aufnehmen. Mit ein paar cleveren Algorithmen kann die Gesamteffizienz des Fahrzeugs deutlich erhöht werden.

Für Industrieanwendungen bedeutet das, dass 48V Lithium-ionen-Batterien bald ein kostengünstiges Massenprodukt werden. Da Lithium-Ionen-Batterien kompakter und leichter als äquivalente Blei-Säure-Batterien sind, eignen sie sich ideal als Speicher einer Backup-Versorgung für Systeme mit 48V.

Hauptunterschied zwischen einer 48V Blei-Säure-Batterie und einer 48V Lithium-Ionen-Batterie sind die zulässigen Spannungswerte. Die herkömmlichen Telekommunikationsstandards für die Eingangsversorgung eines 48V DC/DC-Wandlers basieren auf alten Ladegeräten für Blei-Säure-Batterien mit einem Ausgangsspannungsbereich von 18-75V. Lithium-Ionen-Batterien dürfen weder überladen noch tiefentladen werden, um Schäden an den Zellen zu vermeiden.
Die Grenzwerte sind im Standard LV148 festgelegt:


LV148 48V Lithium-Ionen-Spannungswerte:


Deshalb muss ein DC/DC-Wandler, der von einer 48V Versorgung mit Lithium-Ionen-Backup betrieben wird, nicht über einen Eingangsspanungsbereich von 4:1 arbeiten. Ein Eingangsbereich von 3:1 (20-60V) ist völlig ausreichend. Weiterhin erlaubte der alte Telekommunikationsstandard Eingangsspannungen bis hoch zu 75V DC, was über dem Grenzwert von 60V DC für eine Schutzkleinspannung (SELV) liegt. Falls eine Industrieinstallation mit SELV realisiert werden kann, sind große Einsparungen bei den Kosten für Kabel, Installation und Ausrüstung möglich. Deshalb ist beispielsweise Power-over-Ethernet (PoE) auf 56V DC begrenzt.

Demzufolge erreicht ein DC/DC-Wandler, der mit einem 3:1 Eingangsspannungsbereich von 20-60V arbeitet, die Spannungen einer 48V Lithium-Ionen-Batterie, gut geregelte (±10%) Standard-Stromversorgungen mit 24V, 36V und 48V für DIN-Schienen sowie die Spannungen für PoE-Versorgung.

Die Baureihe RS3-Z von RECOM sind 3W DC/DC-Miniatur-Module mit bis zu 3kV Isolation für den neuen 48V Versorgungsstandard. Es sind geregelte Ausgangsspannungen von 3,3V, 5V, 9V, 12V, 15V, ±3,3V, ±5V, ±12V und ±15V verfügbar, um eine Vielzahl von Sensoren, Überwachungsgeräten, ADCs, DACs und isolierten Datenbussen mit einer Betriebsspannung von 20V - 60V zu versorgen. Die Wandler sind gegenüber Feuchtigkeit und Schmutz abgedichtet, arbeiteten im Betriebstemperaturbereich von -40°C bis +85°C, sind UL- sowie EN-zertifiziert und somit ideal für Industrieanwendungen geeignet.

RECOM bietet auch eine Baureihe einphasiger AC/DC-Stromversorgungen für DIN-Schienen mit 48V Ausgängen und mit 120W, 240W oder 480W Ausgangsleistung an. Die Einheiten können bis zu 150% Mehrleistung für Lasten mit hoher Startleistungsanforderung erbringen und parallel geschaltet werden, um die Ausgangsstromstärke zu erhöhen. Für den Einsatz in Industrieanwendungen sind sie komplett UL/IEC- und EN-zertifiziert.

RECOM: We Power your Products