Почему мы не используем источники питания низкого напряжения для приложений с высокой потребляемой мощностью?

Супер нубийский вопрос, связанный с законом Ома, но это было в уме этим утром.

Скажем, у меня есть устройство на 60 Вт, и я хочу его включить. Обычно это требует источника 120 В или что-то. Однако, почему бы не использовать источник 5 В и нарисовать 12 А с действительно низким сопротивлением? Это в основном в целях безопасности? Или есть проблема с достаточно низким сопротивлением для достижения 12 ампер?

Я попытался погуглить это, но не очень придумал. Наверное, действительно очевидно, но просто интересно ..

РЕДАКТИРОВАТЬ для дубликата знака: дубликат предложение аналогично; тем не менее, он обсуждает ряды и параллельные ячейки и добавляет интересную информацию, но это не совсем то, о чем я спрашивал. Ответы на этот пост были для меня гораздо полезнее.

РЕДАКТИРОВАНИЕ 2: Я добавил свое оригинальное редактирование назад, когда отметка дублирования прошла.

Вы правы в том, что сила - это произведение напряжения и тока. Это указывало бы на то, что любая комбинация напряжение-ток будет в порядке, если она достигает желаемой мощности.

Тем не менее, в реальном мире у нас есть различные реальности, которые мешают. Самая большая проблема заключается в том, что при низком напряжении ток должен быть высоким, а этот высокий ток дорогим, большим и / или неэффективным для работы. Существует также ограничение по напряжению, выше которого оно становится неудобным, то есть дорогим или большим. Поэтому в середине есть умеренный диапазон, который лучше всего работает с неудобной физикой, с которой мы имеем дело.

Используя в качестве примера устройство мощностью 60 Вт, начните с рассмотрения 120 В и 500 мА. Ни один не выдвигает никаких ограничений, которые приводят к необычным трудностям или расходам. Изоляция до 200 В (всегда оставляйте некоторый запас, особенно для номинальной изоляции) в значительной степени происходит, если вы не попытаетесь этого сделать. 500 мА не требует необычно толстой или дорогой проволоки.

5 В и 12 А, безусловно, выполнимо, но вы уже не можете просто использовать обычный «подключаемый» провод. Провод для обработки 12 А будет толще и будет стоить значительно дороже, чем провод, способный выдержать 500 мА. Это означает, что больше меди, которая стоит настоящих денег, делает провод менее гибким и делает его более толстым.

С другой стороны, вы не сильно выиграли от падения с 120 В до 5 В. Одним из преимуществ является рейтинг безопасности. Обычно при напряжении 48 В и ниже все становится проще с точки зрения регулятора. К тому времени, как вы опускаетесь до 30 В, транзисторы и тому подобное не сильно экономят, если им требуется только напряжение 10 В.

Принимая это далее, 1 В при 60 А было бы весьма неудобно. Начиная с такого низкого напряжения, меньшие падения напряжения в кабеле становятся более существенной неэффективностью, когда становится все труднее их избежать. Рассмотрим кабель с общим сопротивлением только 100 мОм и сопротивлением спины. Даже при полном напряжении 1 В он потребляет всего 10 А, и это не оставляет напряжения для устройства.

Допустим, вы хотите, чтобы на устройстве было не менее 900 мВ, и, следовательно, необходимо подать 67 А для компенсации потерь мощности в кабеле. Кабель должен иметь полное сопротивление на выходе и спине (100 мВ) / (67 А) = 1,5 мОм. Даже при общей длине 1 м кабеля потребуется довольно толстый проводник. И это все равно рассеивается 6,7 Вт.

Эта трудность при работе с высоким током является причиной высокого напряжения линий электропередачи. Длина этих кабелей может составлять 100 с, поэтому сопротивление системы увеличивается. Коммунальные службы делают напряжение как можно выше, чтобы удешевить кабели на сотни миль и тратить меньше энергии. Высокое напряжение действительно стоит некоторых, что в основном является требованием для обеспечения большего зазора вокруг кабеля к любому другому проводнику. Тем не менее, эти затраты не так высоки, как использование большего количества меди или стали в кабеле.

Другая проблема с переменным током заключается в том, что скин-эффект означает, что вы получаете уменьшенную отдачу в сопротивлении для больших диаметров. Вот почему для действительно больших расстояний становится дешевле передавать DC, а затем оплачивать расходы, чтобы преобразовать это в AC на принимающей стороне.

скомбинировать

где $P$ мощность рассеивается на проводах питания, $I$ это ток, протекающий через провода и $R$ сопротивление проводов

При каждом удвоении тока мощность на проводах увеличивается в четыре раза. Чтобы компенсировать это, нужно сделать сопротивление в четыре раза меньше, то есть увеличить поперечное сечение провода в четыре раза (удвоить диаметр провода), то есть в четыре раза больше меди.

По той же самой причине электрическая сеть использует до нескольких сотен киловольт для транспортировки электроэнергии (для транспортировки при напряжениях на уровне домашних хозяйств потребовалось бы в миллион раз больше меди, чтобы сохранить потери такими же).

High currents are undesirable for a couple of reasons. Firstly larger currents require larger conductors and larger contacts in switchgear. Secondly high currents are a fire risk, in a high current system a small ammount of extra resistance from a bad connection can easilly get very hot.

High voltages are also undesirable, they require thicker insulators, require larger contact gaps in switchgear and larger spacing between terminals and pose more of an electric shock hazard.

Of course for a given power reducing voltage will increase current and vice-versa.

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.