Tại sao chúng ta không sử dụng Nguồn điện áp thấp cho các ứng dụng công suất cao?

Câu hỏi siêu kỳ quặc liên quan đến luật của Ohm, nhưng điều này đã có trong tâm trí sáng nay.

Nói rằng tôi có một thiết bị 60W, và tôi muốn cung cấp năng lượng cho nó. Thông thường, điều này gọi cho một nguồn 120V hoặc một cái gì đó. Tuy nhiên, tại sao không sử dụng nguồn 5V và vẽ 12A với điện trở thực sự thấp? Là nó cho mục đích an toàn là chủ yếu? Hoặc có một vấn đề với việc có được mức kháng cự đủ thấp để đạt được 12 amps?

Tôi đã cố gắng googling này nhưng không nhiều. Có lẽ thực sự rõ ràng nhưng chỉ cần tự hỏi ..

EDIT cho dấu trùng lặp: Đề xuất trùng lặp là tương tự; tuy nhiên, nó thảo luận về chuỗi so với các ô song song và thêm thông tin thú vị, nhưng không chính xác như những gì tôi đã hỏi. Các câu trả lời được cung cấp trên bài đăng này hữu ích hơn nhiều đối với tôi.

EDIT 2: Tôi đã thêm bản chỉnh sửa ban đầu của mình bây giờ khi dấu trùng lặp đã đi qua.

Bạn đúng trong sức mạnh đó là sản phẩm của điện áp và dòng điện. Điều này sẽ cho thấy bất kỳ sự kết hợp điện áp x hiện tại sẽ tốt, miễn là nó đi ra với công suất mong muốn.

Tuy nhiên, trở lại trong thế giới thực, chúng ta có nhiều thực tế khác nhau cản trở. Vấn đề lớn nhất là ở điện áp thấp, dòng điện cần phải cao, và dòng điện cao là đắt, lớn và / hoặc không hiệu quả để giải quyết. Ngoài ra còn có một giới hạn về điện áp ở trên mà nó trở nên bất tiện, có nghĩa là đắt tiền hoặc lớn. Do đó, có một phạm vi vừa phải ở giữa hoạt động tốt nhất với vật lý bất tiện mà chúng ta đang giải quyết.

Sử dụng thiết bị 60 W của bạn làm ví dụ, bắt đầu bằng cách xem xét 120 V và 500 mA. Không phải là đẩy bất kỳ giới hạn dẫn đến khó khăn hoặc chi phí bất thường. Cách điện đến 200 V (luôn để lại một số lề, đặc biệt đối với xếp hạng cách điện) xảy ra khá nhiều trừ khi bạn cố gắng không. 500 mA không yêu cầu dây dày hoặc đắt tiền bất thường.

5 V và 12 A chắc chắn là có thể thực hiện được, nhưng bạn đã không thể sử dụng dây "hookup" bình thường. Dây để xử lý 12 A sẽ dày hơn và có giá cao hơn đáng kể so với dây có thể xử lý 500 mA. Điều đó có nghĩa là nhiều đồng hơn, chi phí bằng tiền thật, làm cho dây kém linh hoạt hơn và làm cho nó dày hơn.

Ở đầu bên kia, bạn đã không đạt được nhiều bằng cách giảm từ 120 V xuống 5 V. Một lợi thế là xếp hạng an toàn. Nói chung ở 48 V trở xuống, mọi thứ trở nên đơn giản hơn. Vào thời điểm bạn giảm xuống 30 V, sẽ không có nhiều tiết kiệm trong bóng bán dẫn và tương tự nếu họ chỉ cần xử lý 10 V.

Làm điều này hơn nữa, 1 V ở 60 A sẽ khá bất tiện. Bằng cách bắt đầu ở điện áp thấp như vậy, việc giảm điện áp nhỏ hơn trong cáp trở nên kém hiệu quả hơn, ngay khi việc tránh chúng trở nên khó khăn hơn. Hãy xem xét một dây cáp chỉ có tổng trở kháng 100 mΩ. Ngay cả với toàn bộ 1 V trên nó, nó sẽ chỉ rút ra 10 A và không để lại điện áp cho thiết bị.

Giả sử bạn muốn có ít nhất 900 mV tại thiết bị và do đó cần cung cấp 67 A để bù cho tổn thất điện năng trong cáp. Cáp sẽ cần có tổng trở ngoài và trở lại (100 mV) / (67 A) = 1,5 mΩ. Ngay cả ở tổng số 1 m cáp, điều đó sẽ đòi hỏi một dây dẫn khá dày. Và, nó vẫn sẽ tiêu tan 6,7 W.

Khó khăn này trong việc đối phó với dòng điện cao là lý do mà các đường dây truyền tải điện quy mô tiện ích là điện áp cao. Các loại cáp có thể 100s dặm dài, do đó điện trở nối tiếp tăng dần lên. Tiện ích làm cho điện áp cao như họ có thể để làm cho 100 dặm cáp rẻ hơn, và cho nó tốn ít năng lượng. Điện áp cao có chi phí một phần, chủ yếu là yêu cầu giữ khe hở lớn hơn xung quanh cáp với bất kỳ dây dẫn nào khác. Tuy nhiên, những chi phí này không cao bằng việc sử dụng nhiều đồng hoặc thép trong cáp.

Một vấn đề khác với AC là hiệu ứng da có nghĩa là bạn có được lợi nhuận giảm dần trong kháng với đường kính lớn hơn. Đây là lý do tại sao đối với khoảng cách thực sự dài, việc truyền DC trở nên rẻ hơn, sau đó trả chi phí để chuyển đổi thành AC ở đầu nhận.

$P$$I$$R$

Cứ mỗi lần nhân đôi dòng điện, năng lượng bị mất trên dây tăng gấp bốn lần. Để bù đắp cho điều đó, người ta sẽ phải làm cho điện trở nhỏ hơn bốn lần, tức là tăng tiết diện của dây lên gấp bốn lần (gấp đôi đường kính của dây) có nghĩa là gấp bốn lần đồng.

Vì lý do tương tự, lưới điện sử dụng tới vài trăm kilovolt để vận chuyển điện (vận chuyển ở điện áp cấp hộ gia đình sẽ cần số lượng đồng gấp một triệu lần để giữ tổn thất như cũ).

Dòng điện cao là không mong muốn vì một vài lý do. Đầu tiên dòng điện lớn hơn đòi hỏi dây dẫn lớn hơn và tiếp xúc lớn hơn trong thiết bị đóng cắt. Dòng điện cao thứ hai là một nguy cơ hỏa hoạn, trong một hệ thống dòng điện cao, một lượng nhỏ điện trở phụ từ một kết nối xấu có thể dễ dàng bị nóng lên.

Điện áp cao cũng là điều không mong muốn, chúng đòi hỏi cách điện dày hơn, yêu cầu khoảng cách tiếp xúc lớn hơn trong thiết bị đóng cắt và khoảng cách lớn hơn giữa các thiết bị đầu cuối và gây ra nhiều nguy cơ sốc điện.

Tất nhiên đối với một điện áp giảm công suất nhất định sẽ tăng dòng điện và ngược lại.

Vì vậy, chúng ta cần tìm một phương tiện hạnh phúc, phương tiện hạnh phúc nhất sẽ phụ thuộc vào mức công suất liên quan và ở một mức độ nào đó vào các chi tiết của tải. Trong thực tế, chúng ta cũng phải thỏa hiệp để tương thích, mọi người muốn có một bộ dây trong nhà để họ có thể cắm mọi thứ.

Đạt được sức đề kháng thực sự thấp đáng tin cậy là một vấn đề lớn. Cho đến khi siêu dẫn nhiệt độ phòng tồn tại, nó sẽ vẫn là một vấn đề lớn.

Nhiều bộ nguồn PC sẽ cung cấp năng lượng cao cho điện áp thấp. Họ có một dây cảm giác trên đường ray điện được liên kết với đầu cáp. Điều này đưa trở lại mạch điều chỉnh để tăng điện áp để bù cho sự sụt giảm điện áp từ mức vẽ dòng điện cao và điện trở trong của dây. Tuy nhiên, bo mạch chủ hiện đại sẽ lấy phần lớn năng lượng của chúng từ đường ray điện áp cao nhất để tránh tổn thất và điều chỉnh nó xuống bên trong.

Tải amp cao cũng cần các dây dẫn mạnh mẽ không nóng lên và tan chảy dưới dòng điện cao đó. Nếu dây dẫn bị hỏng theo bất kỳ cách nào thì điểm đó sẽ có điện trở cao hơn và nóng lên nhiều hơn.

Như những người khác đã lưu ý, điện áp càng cao thì tổn thất điện năng càng thấp so với các dây cáp kết nối nguồn với thiết bị.

Hãy xem xét nguồn điện chính được tăng lên tới hàng trăm kilovolt để truyền tải đường dài qua lưới điện. Chúng được mang trên các tháp truyền tải điện lớn nhất cần một khoảng không gian khổng lồ để giữ cho các dây cách xa nhau và bất cứ thứ gì chúng có thể vòng cung. Chúng là những điện áp rất nguy hiểm và hoàn toàn bất tiện khi bạn cần sử dụng năng lượng trong một cài đặt bình thường - tuy nhiên, nó cho phép năng lượng được vận chuyển hiệu quả trong khoảng cách rất lớn, tuy nhiên.

Khi đến một trạm biến áp cục bộ, nó sẽ bị giảm điện áp xuống thứ gì đó theo thứ tự hàng chục kilovolt và được mang trên các tháp và cột nhỏ hơn (hoặc dưới lòng đất) cho các khách hàng cơ sở lớn và máy biến áp phân phối lân cận. Những cái này sau đó hạ điện áp xuống mức chính của gia đình bạn (100 - 240V). Ở mức này, điện áp đủ cao để cho phép vận chuyển điện hiệu quả quanh nhà bạn (trên dây có kích thước hợp lý) nhưng đủ thấp để chúng không gặp phải nhiều vấn đề về điện áp truyền cao (nhiễu RF, nguy hiểm hồ quang, v.v.) .

Bây giờ hãy xem xét một cái gì đó giống như một máy tính - điện áp nguồn làm cho nó mất ở mức thấp thông qua các dây trong nhà của bạn cho đến khi đạt được nguồn điện. Tại thời điểm này, nó được giảm xuống còn 5V và 12V (DC). Ở đây, nguồn điện chỉ cần đi một khoảng cách rất ngắn đến bo mạch chủ và các bộ phận, và có dây rất mỏng ở các cấp điện áp nguồn bên trong trường hợp như vậy không thực sự tiện lợi. Không có thiết bị nội bộ nào trong máy tính có thể hoạt động trực tiếp trên điện áp cao như vậy, vì vậy PSU có mặt để hội tụ năng lượng thành một hình thức hữu ích cho thiết bị cuối.

Trên bản thân bo mạch chủ, điện áp lại bị giảm để cung cấp RAM, chipset và CPU - phần sau là một phần cứng tinh vi sẽ bị phá hủy bởi điện áp cao hơn nhiều so với khoảng 1,3V. Ở đây, năng lượng chỉ cần di chuyển một vài cm hoặc ít hơn, và một CPU thông thường có thể rút ra một thứ gì đó trong khoảng 60-80 ampe dòng điện ở điện áp rất thấp đó. Vì vậy, ở đây bạn có một CPU 90W vẽ 70A ở 1.3V từ bộ điều chỉnh điện áp vẽ 7.5A ở 12V từ PSU, vẽ 0,75A ở 120V từ phích cắm trên tường, vẽ 23mA ở 4kV từ máy biến áp lân cận trong đó, lên dòng, đang kéo 230 microamp từ các đường dài trên lưới.

Vào cuối ngày, đó là về việc kết hợp cung cấp năng lượng với tải một cách hiệu quả. Điều này thường có nghĩa là biến đổi năng lượng điện nhiều lần, tại mỗi điểm thành điện áp phù hợp với ứng dụng.

Nói một cách đơn giản, một điện áp thấp đòi hỏi dòng điện cao. Dòng điện cao đặt rất nhiều ứng suất nhiệt lên tất cả các thành phần trên mạch điện. Và bạn cần phải có hệ thống dây dày hơn như là một phần thưởng. Điện áp cao không gây căng thẳng cho hầu hết các thành phần miễn là bạn không thiếu bất cứ thứ gì ..

Bạn chắc chắn có thể cấp nguồn cho thiết bị 60W từ 12A @ 5V PSU nhưng 12A đã là dòng điện khá cao cho các đầu nối, ferrites, cuộn cảm ..

Từ quan điểm an toàn, 24VDC thường được sử dụng, đặc biệt là trên môi trường y tế. Điện áp cao hơn có thể được sử dụng tùy thuộc vào quyền hạn, nhưng tùy chọn phổ biến là chỉ cách điện cho thiết bị để bạn không thể dính ngón tay vào mạch điện trực tiếp.

Là một phụ lục giai thoại cho các câu trả lời khác, có một quy tắc cũ là khoảng cách truyền công suất phù hợp cho một số điện áp V là xung quanh V feet. Nếu bạn nghĩ về việc bạn muốn chạy bao xa, hãy nói, 12 V đến một vật cố ánh sáng tạo ra một dòng điện đáng kể (ví dụ như đèn halogen đã trở nên rất thời trang trong những năm 90 và bây giờ, vinh quang, được thay thế bởi đèn LED), 12 chân không phải là một hướng dẫn xấu. Tương tự như vậy đối với 230V, 230 feet từ máy biến áp đến bóng đèn trong nước hoạt động khá tốt.

Không bao giờ là một quy tắc khó khăn và nhanh chóng, tất nhiên chỉ là một xấp xỉ.