Чому ми не використовуємо джерела живлення низької напруги для застосувань високої напруги?

Супер ноубі питання, що стосується закону Ома, але це було на увазі сьогодні вранці.

Скажімо, у мене пристрій на 60 Вт, і я хочу його живити. Зазвичай для цього потрібне джерело 120 В або щось подібне. Однак чому б не використати джерело 5В і намалювати 12А з дійсно низьким опором? Це в основному з безпеки? Або виникає проблема з тим, щоб отримати опір досить низький, щоб досягти 12 ампер?

Я спробував погуглити це, але не дуже придумав. Напевно, справді очевидно, але просто цікаво ..

EDIT для дублюючої позначки: Пропозиція дубліката аналогічна; однак, він обговорює серію проти паралельних комірок і додає цікаву інформацію, але це не зовсім те, про що я питав. Відповіді, надані в цій публікації, були мені набагато кориснішими.

EDIT 2: Я додав своє початкове редагування назад, коли позначення дублювання пройшло.

Ви маєте рацію в тому, що потужність є продуктом напруги і струму. Це вказувало б, що будь-яка комбінація напруги х струму буде добре, доки вона вийде до потрібної потужності.

Однак у реальному світі ми маємо різні реалії, які заважають. Найбільша проблема полягає в тому, що при низькій напрузі струм повинен бути високим і що високий струм дорогий, великий та / або неефективний для вирішення. Існує також обмеження напруги, вище якого стає незручним, тобто дорогим або великим. Тому в середині є помірний діапазон, який найкраще працює з незручною фізикою, якою ми розбираємося.

Використовуючи пристрій потужністю 60 Вт, почніть з розгляду 120 В і 500 мА. Ніхто не висуває жодних обмежень, які призводять до незвичних труднощів або витрат. Ізоляція до 200 В (завжди залишайте деякий запас, особливо для теплоізоляції), майже все відбувається, якщо ви не намагаєтесь цього робити. 500 мА не вимагає незвичайно товстого або дорогого дроту.

5 В і 12 А, безумовно, можна виконати, але вже не можна просто використовувати звичайний провід "підключення". Дріт для обробки 12 А буде товстішим і коштуватиме значно дорожче, ніж дріт, здатний обробляти 500 мА. Це означає, що більше міді, яка коштує реальних грошей, робить дріт менш гнучкими і робить її більш товстою.

З іншого боку, ви не заробили багато, знизившись з 120 В до 5 В. Однією з переваг є оцінка безпеки. Як правило, при 48 В і нижче, все стає простішим регулятором. До моменту, коли ти зменшишся до 30 В, в транзисторах не так багато економиться, якщо їм потрібно лише 10 В.

Якщо взяти це далі, 1 В при 60 А було б зовсім незручно. Починаючи з такої низької напруги, менші перепади напруги в кабелі стають більш значущими неефективними, саме тоді, коли уникнути їх стає складніше. Розглянемо кабель із загальним зовнішнім опором та опором лише 100 мОм. Навіть при повному 1 В поперек його буде лише 10 А, і це не залишає напруги для пристрою.

Скажімо, вам потрібно принаймні 900 мВ на пристрої, і тому вам потрібно подати 67 А, щоб компенсувати втрати електроенергії в кабелі. Кабель повинен мати вихідний і задній загальний опір (100 мВ) / (67 А) = 1,5 мОм. Навіть при загальному 1 м кабелю, це потребує досить товстого провідника. І це все одно розсіюється 6,7 Вт.

Ця складність у роботі з сильним струмом є причиною того, що електропередачі електропередач великої напруги. Ці кабелі можуть бути протяжністю 100 миль, тому опір серії збільшується. Утиліти роблять напругу настільки високим, щоб зробити кабель на 100 кілометрів дешевшим і витрачати на це менше енергії. Висока напруга дійсно коштує дещо, що, головним чином, є вимогою дотримувати більший зазор навколо кабелю від будь-якого іншого провідника. Тим не менш, ці витрати не такі високі, як використання більше міді або сталі в кабелі.

Ще одна проблема при зміні струму полягає в тому, що ефект шкіри означає, що ви отримуєте зменшувані показники опору для більших діаметрів. Ось чому на дійсно великих відстанях стає дешевше передавати постійний струм, а потім сплачувати витрати на перетворення цього змінного струму в приймальний кінець.

Об’єднайте

де $P$ - розсіюється потужність на жилах живлення, $I$ - струм, що проходить через дроти і $R$ - опір проводів.

For every doubling of the current, the power lost on the wires quadruples. To compensate for that, one would have to make the resistance four times smaller i.e. increase the cross section of the wire by a factor of four (double the wire's diameter) meaning four times more copper.

For the very same reason the power grid uses up to several hundred kilovolts to transport electricity (transport at household level voltages would require of the order of a million times more copper to keep losses the same).

Сильні струми небажані з кількох причин. По-перше, більший струм вимагає більших провідників і більших контактів у розподільних пристроях. По-друге, великі струми є небезпекою пожежі, в системі високого струму невелика кількість додаткового опору від поганого з'єднання може легко нагрітися.

Високі напруги також небажані, вони потребують більш товстих ізоляторів, потребують більших зазорів у контактних пристроях та більшого відстані між клемами та створюють більшу небезпеку від ураження електричним струмом.

Звичайно, для заданої потужності зменшення напруги збільшуватиме струм і навпаки.

So we need to find a happy medium, the happiest medium will depend on the power level involved and to some extent on the details of the load. In practice we also have to compromise for compatibility, people want to have one set of wiring in their house into which they can plug everything.

Achieving the really low resistance reliably is a major issue. Until room temperature super conductors exists it will remain a big issue.

Many PC power supplies will feed high power over low voltages. They have a sense wire on the power rail that is bonded to the end of the cable. This feeds back to the regulator circuit to boost the voltage to compensate for the voltage drop from the high current draw and the internal resistance of the wire. However modern motherboard will draw most of their power from the highest voltage rail to avoid the losses and regulate it down internally.

High amp loads also need beefy conductors that won't heat up and melt under that high current. If the conductor is damaged in any way that spot will have higher resistance and heat up more.

As others have noted, the higher the voltage the lower the power loss over the cables connecting the power to the device.

Consider mains power that gets boosted up to hundreds of kilovolts for long-distance transmission over the electrical grid. These are carried on the largest electrical transmission towers that need a huge amount of space to keep the wires away from each other and anything they may arc to. They are very dangerous voltages and completely inconvenient when you need to use the power in a normal setting - it does allow the power to be efficiently transported over very large distances, however.

When it gets to a local substation it will be reduced in voltage to something on the order of tens of kilovolts and carried on smaller towers and poles (or underground) to large facility customers and neighborhood distribution transformers. These then lower the voltage again to your household mains level (100-240V). At this level the voltages are high enough to allow efficient transport of the power around your house (on reasonably sized wires) but low enough that they don't have many of the issues of high transmission voltages (RF interference, arc hazard, etc).

Consider now something like a computer - the mains voltage makes its way at low loss through the wires in your house until in reaches the power supply. At this point it is further reduced to 5V and 12V (DC). Here the power only needs to make its way a very short distance to the motherboard and components, and having very thin wires at mains voltage levels inside such a case is not really convenient. None of the internal devices in a computer can operate on such high voltages directly anyway, so the PSU is there to conver the power to a form that is useful for the end device.

On the motherboard itself, the voltage is again reduced to feed the RAM, chipset, and CPU - the latter a delicate piece of hardware that would be destroyed by voltages much higher than about 1.3V. Here the power only needs to move a few centimeters or less, and a typical CPU can draw something between 60-80 amps of current at that very low voltage. So here you have, say, a 90W CPU drawing 70A at 1.3V from a voltage regulator drawing 7.5A at 12V from the PSU which is drawing 0.75A at 120V from the plug in the wall which is drawing 23mA at 4kV from the neighbourhood transformer which, up the line, is pulling 230 microamps from the long distance lines on the grid.

At the end of the day, it's about matching the power supply to the load in an efficient way. This usually means transforming the electrical power numerous times, at each point to a voltage that suits the application.

Simply put, a low voltage requires high current. High current puts a lot of thermal stress on all components on circuitry. And you need to have thicker wiring as a bonus. High voltages do not stress most of the components as long as you don't short anything..

You can definitely power a 60W device from 12A@5V PSU but 12A is already a rather high current for connectors, ferrites, inductors ..

From safety point of view, 24VDC is often used, especially on a medical setting. Higher voltages may be used depending on jurisdiction but the popular option is to just insulate the device so you can't stick your finger on live circuitry.

As an anecdotal addendum to the other answers, there's an old rule of thumb that the appropriate power transmission distance for some voltage V is around V feet. If you think about how far you'd want to run, say, 12V to a light fixture drawing a significant current (e.g. the halogen lamps that became very fashionable in the 90s and are now, glory be, being displaced by LEDs), 12 foot isn't a bad guide. Likewise for 230V, 230 feet from transformer to domestic light bulb works pretty well.

Never a hard and fast rule, just an approximation of course.