Dlaczego nie używamy źródeł zasilania niskiego napięcia do zastosowań o dużej mocy?

Pytanie super nooby dotyczące prawa Ohma, ale o tym myśleli dziś rano.

Powiedzmy, że mam urządzenie o mocy 60 W i chcę je zasilić. Zwykle wymaga to źródła 120 V lub czegoś takiego. Dlaczego jednak nie użyć źródła 5 V i pobierać 12 A o naprawdę niskiej rezystancji? Czy jest to głównie ze względów bezpieczeństwa? Czy może jest problem z obniżeniem rezystancji na tyle, aby uzyskać 12 amperów?

Próbowałem google, ale niewiele się wymyśliłem. Prawdopodobnie naprawdę oczywiste, ale tylko zastanawiam się ...

EDYCJA dla duplikatu: duplikat jest podobny; omawia jednak szereg vs. równoległe komórki i dodaje interesujące informacje, ale nie jest to dokładnie to, o co prosiłem. Odpowiedzi udzielone w tym poście były dla mnie o wiele bardziej przydatne.

EDYCJA 2: Dodałem swoją oryginalną edycję teraz, gdy minął znak duplikacji.

Masz rację, że moc jest iloczynem napięcia i prądu. Oznaczałoby to, że każda kombinacja napięcia x prądu byłaby w porządku, pod warunkiem, że osiągnie pożądaną moc.

Jednak w realnym świecie mamy różne realia, które przeszkadzają. Największym problemem jest to, że przy niskim napięciu prąd musi być wysoki, a wysoki prąd jest drogi, duży i / lub nieefektywny. Istnieje również ograniczenie napięcia, powyżej którego staje się niewygodne, czyli drogie lub duże. Dlatego na środku znajduje się umiarkowany zasięg, który najlepiej działa z niewygodną fizyką, z jaką mamy do czynienia.

Korzystając z urządzenia o mocy 60 W jako przykładu, zacznij od uwzględnienia 120 V i 500 mA. Nie przesuwa się też żadnych ograniczeń, które skutkują nietypowymi trudnościami lub kosztami. Izolacja do 200 V (zawsze pozostawia pewien margines, szczególnie dla oceny izolacji) prawie się zdarza, chyba że spróbujesz tego nie robić. 500 mA nie wymaga niezwykle grubego ani drogiego drutu.

5 V i 12 A jest z pewnością wykonalne, ale już nie można po prostu użyć zwykłego drutu „podłączeniowego”. Drut do obsługi 12 A będzie grubszy i będzie kosztował znacznie więcej niż drut, który może obsłużyć 500 mA. Oznacza to więcej miedzi, która kosztuje prawdziwe pieniądze, sprawia, że ​​drut jest mniej elastyczny i grubszy.

Z drugiej strony niewiele zyskałeś, spadając ze 120 V do 5 V. Jedną z zalet jest ocena bezpieczeństwa. Zasadniczo przy 48 V i poniżej wszystko staje się prostsze w zakresie regulacji. Do momentu obniżenia napięcia do 30 V tranzystory nie są zbyt oszczędne i tym podobne, jeśli muszą obsłużyć tylko 10 V.

Idąc dalej, 1 V przy 60 A byłoby dość niewygodne. Zaczynając od tak niskiego napięcia, mniejsze spadki napięcia w kablu stają się bardziej znaczącymi nieefektywnościami, gdy trudniej jest ich uniknąć. Rozważ kabel o całkowitej rezystancji wyjściowej i tylnej tylko 100 mΩ. Nawet przy pełnym napięciu 1 V pobierałby tylko 10 A, co nie pozostawia napięcia dla urządzenia.

Załóżmy, że chcesz mieć co najmniej 900 mV na urządzeniu i dlatego musisz dostarczyć 67 A, aby zrekompensować straty mocy w kablu. Kabel musiałby mieć całkowitą rezystancję wyjściową (100 mV) / (67 A) = 1,5 mΩ. Nawet przy 1 m kabla wymagałoby to dość grubego przewodu. I nadal rozproszyłby 6,7 W.

Ta trudność w radzeniu sobie z wysokimi prądami powoduje, że linie przesyłowe energii na skalę przemysłową mają wysokie napięcie. Kable te mogą mieć długość 100 mil, więc rezystancja szeregowa sumuje się. Narzędzia powodują, że napięcie jest tak wysokie, jak to tylko możliwe, aby obniżyć kabel o długości 100 mil i zminimalizować zużycie energii. Wysokie napięcie kosztuje trochę, co jest głównie wymogiem zachowania większego odstępu wokół kabla do dowolnego innego przewodu. Mimo to koszty te nie są tak wysokie, jak użycie większej ilości miedzi lub stali w kablu.

Innym problemem związanym z prądem przemiennym jest to, że efekt naskórkowy oznacza zmniejszenie oporu dla większych średnic. Dlatego na naprawdę dużych odległościach tańsze staje się przesyłanie prądu stałego, a następnie opłacanie kosztów konwersji na prąd przemienny na końcu odbiorczym.

$P$$I$$R$

Za każde podwojenie prądu energia tracona na przewodach czterokrotnie. Aby to zrekompensować, należałoby czterokrotnie zmniejszyć opór, tzn. Zwiększyć przekrój drutu czterokrotnie (podwójna średnica drutu), co oznacza czterokrotnie więcej miedzi.

Z tego samego powodu sieć elektroenergetyczna zużywa do kilkuset kilowoltów do transportu energii elektrycznej (transport na poziomie gospodarstw domowych wymagałby rzędu miliona razy więcej miedzi, aby utrzymać straty na tym samym poziomie).

Wysokie prądy są niepożądane z kilku powodów. Po pierwsze, większe prądy wymagają większych przewodów i większych styków w rozdzielnicy. Po drugie, wysokie prądy stanowią ryzyko pożaru, w systemie wysokoprądowym niewielka ilość dodatkowej rezystancji z powodu złego połączenia może łatwo się bardzo nagrzać.

Wysokie napięcia są również niepożądane, wymagają grubszych izolatorów, wymagają większych przerw stykowych w rozdzielnicy i większych odstępów między zaciskami i stanowią większe ryzyko porażenia prądem.

Oczywiście dla danego napięcia redukującego moc zwiększy się prąd i odwrotnie.

Musimy więc znaleźć szczęśliwe medium, najszczęśliwsze medium będzie zależeć od zaangażowanego poziomu mocy i do pewnego stopnia od szczegółów obciążenia. W praktyce musimy również pójść na kompromis w kwestii kompatybilności, ludzie chcą mieć w domu jeden zestaw okablowania, do którego mogą podłączyć wszystko.

Niezawodne uzyskanie naprawdę niskiej rezystancji jest poważnym problemem. Dopóki nie pojawią się nadprzewodniki w temperaturze pokojowej, będzie to dużym problemem.

Wiele zasilaczy komputerowych zasila wysoką moc przy niskich napięciach. Mają wyczuwalny drut na szynie zasilającej, który jest przymocowany do końca kabla. To sprzężenie zwrotne wraca do obwodu regulatora w celu zwiększenia napięcia w celu skompensowania spadku napięcia spowodowanego wysokim poborem prądu i wewnętrznej rezystancji drutu. Jednak nowoczesna płyta główna pobiera większość swojej mocy z szyny najwyższego napięcia, aby uniknąć strat i regulować ją wewnętrznie.

Wysokie obciążenia wzmacniacza wymagają również mocnych przewodników, które nie nagrzewają się i nie topią pod tak wysokim prądem. Jeśli przewodnik zostanie w jakikolwiek sposób uszkodzony, miejsce to będzie miało większy opór i więcej się nagrzeje.

Jak zauważyli inni, im wyższe napięcie, tym mniejsza strata mocy na kablach łączących moc z urządzeniem.

Weź pod uwagę moc sieci, która jest zwiększana do setek kilowoltów w celu przesyłania na duże odległości przez sieć elektryczną. Są one przenoszone na największych elektrycznych wieżach transmisyjnych, które potrzebują ogromnej ilości miejsca, aby trzymać przewody z dala od siebie i wszystkiego, do czego mogą się dostać. Są to bardzo niebezpieczne napięcia i całkowicie niewygodne, gdy trzeba użyć energii w normalnym otoczeniu - pozwala to jednak na efektywne transportowanie energii na bardzo duże odległości.

Gdy dotrze do lokalnej stacji elektroenergetycznej, napięcie zostanie zredukowane do wartości rzędu dziesiątek kilowoltów i przeniesione na mniejsze wieże i słupy (lub podziemne) do klientów dużych obiektów i lokalnych transformatorów dystrybucyjnych. Następnie obniżają napięcie ponownie do poziomu sieci domowej (100–240 V). Na tym poziomie napięcia są wystarczająco wysokie, aby umożliwić efektywny transport energii wokół domu (na drutach o rozsądnych rozmiarach), ale na tyle niskie, że nie powodują wielu problemów związanych z wysokimi napięciami transmisji (zakłócenia RF, zagrożenie łukiem itp.) .

Rozważmy teraz coś w rodzaju komputera - napięcie sieciowe przesuwa się przy niskich stratach przez przewody w domu, dopóki nie dotrze do źródła zasilania. W tym momencie jest on dalej redukowany do 5 V i 12 V (DC). Tutaj moc musi dotrzeć tylko na niewielką odległość do płyty głównej i komponentów, a posiadanie bardzo cienkich drutów przy poziomach napięcia sieciowego w takiej obudowie nie jest tak naprawdę wygodne. Żadne z wewnętrznych urządzeń w komputerze i tak nie może bezpośrednio działać na tak wysokie napięcie, więc zasilacz przekształca moc w formę przydatną dla urządzenia końcowego.

Na samej płycie głównej napięcie jest ponownie zmniejszane, aby zasilić pamięć RAM, mikroukład i procesor - ten ostatni delikatny element sprzętu, który zostałby zniszczony przez napięcia znacznie wyższe niż około 1,3 V. Tutaj moc wystarczy przesunąć o kilka centymetrów lub mniej, a typowy procesor może pobierać prąd o wartości między 60-80 amperów przy tym bardzo niskim napięciu. Mamy tutaj, powiedzmy, 90-watowy procesor pobierający 70 A przy 1,3 V z regulatora napięcia pobierającego 7,5 A przy 12 V z zasilacza, który pobiera 0,75 A przy 120 V z wtyczki w ścianie, która pobiera 23 mA przy 4 kV z transformatora sąsiedzkiego który, w górę linii, pobiera 230 mikroamperów z linii długodystansowych na siatce.

Ostatecznie chodzi o efektywne dopasowanie zasilacza do obciążenia. Zazwyczaj oznacza to wielokrotne przekształcanie energii elektrycznej, w każdym punkcie, w napięcie odpowiednie do zastosowania.

Krótko mówiąc, niskie napięcie wymaga wysokiego prądu. Wysoki prąd powoduje duże obciążenia termiczne na wszystkie elementy obwodów. I musisz mieć grubsze okablowanie jako bonus. Wysokie napięcia nie obciążają większości elementów, o ile niczego nie zwierasz.

Zdecydowanie można zasilić urządzenie 60 W z zasilacza 12 A @ 5 V, ale 12 A to już dość wysoki prąd dla złączy, ferrytów, cewek.

Z punktu widzenia bezpieczeństwa często stosuje się napięcie 24 VDC, szczególnie w warunkach medycznych. W zależności od jurysdykcji można zastosować wyższe napięcia, ale popularną opcją jest po prostu izolacja urządzenia, abyś nie mógł trzymać palca na obwodach pod napięciem.

Jako anegdotyczny dodatek do innych odpowiedzi istnieje stara zasada, że ​​odpowiednia odległość przenoszenia mocy dla pewnego napięcia V wynosi około V stóp. Jeśli pomyślisz o tym, jak daleko chcesz biec, powiedzmy, 12 V do oprawy oświetleniowej pobierającej znaczny prąd (np. Lampy halogenowe, które stały się bardzo modne w latach 90. i teraz, chwała, są wypierane przez diody LED), 12 stopa nie jest złym przewodnikiem. Podobnie dla 230 V, 230 stóp od transformatora do żarówki domowej działa całkiem dobrze.

Nigdy nie jest to twarda i szybka zasada, tylko przybliżenie.