Yüksek voltajlı uygulamalar için neden düşük voltajlı Güç Kaynakları kullanmıyoruz?

Ohm yasasını içeren Süper nooby sorusu, ama bu sabah aklımdaydı.

Diyelim ki 60W'lık bir cihazım var ve güç vermek istiyorum. Genellikle bu 120 V'luk bir kaynak veya başka bir şeye ihtiyaç duyar. Ancak neden 5V kaynak kullanmıyor ve düşük dirençle 12A çekmiyor? Genel olarak güvenlik amaçlı mı? Yoksa 12 amperde bir direnci elde etmek için direnci düşürmenin bir sorunu mu var?

Bu googling denedim ama pek gelmedi. Muhtemelen gerçekten açık ama sadece merak ediyorum ..

Yinelenen işaret için EDIT: Yinelenen öneri benzer; bununla birlikte seri ve paralel hücreleri tartışıyor ve ilginç bilgiler ekliyor, fakat tam olarak benim sorduğum şey değildi. Bu gönderide verilen cevaplar benim için çok daha faydalı oldu.

2. EDIT: Özgün düzenlememi, çoğaltma işaretinin geçtiğinden şimdi ekledim.

Bu güçte haklısın, gerilim ve akımın ürünüdür. Bu, herhangi bir voltaj x akım kombinasyonunun istenen güce geldiği sürece iyi olacağını gösterir.

Ancak, gerçek dünyaya geri dönüş yolunda çeşitli gerçeklere sahibiz. En büyük sorun, düşük voltajda, akımın yüksek olması gerektiği ve yüksek akımın pahalı, büyük ve / veya başa çıkmada yetersiz kalmasıdır. Ayrıca voltajın üstünde uygun olmayan veya pahalı olduğu için voltaj sınırlaması da vardır. Dolayısıyla, ortada, ele aldığımız uygunsuz fizikle en iyi şekilde çalışan, orta dereceli bir aralık var.

60 W cihazınızı örnek olarak kullanarak, 120 V ve 500 mA'yı düşünerek başlayın. Sıra dışı zorluklar veya masraflarla sonuçlanan herhangi bir sınırlama da yoktur. 200 V'a kadar yalıtım yapmak (özellikle yalıtım için her zaman bir miktar kenar boşluğu bırakın), denemeyince hemen hemen olur. 500 mA alışılmadık derecede kalın veya pahalı tel gerektirmez.

5 V ve 12 A kesinlikle yapılabilir, ancak zaten normal "bağlantı" kablosu kullanamazsınız. 12 A tutamağı teli 500 mA tutabilecek kablodan daha kalın ve daha pahalı olacaktır. Bu, gerçek paraya mal olan daha fazla bakır anlamına gelir, teli daha az esnek hale getirir ve daha kalın hale getirir.

Diğer taraftan, 120 V'dan 5 V'a düşürerek fazla kazanamadınız. Bir avantaj güvenlik derecesi. Genellikle 48 V ve altındaki sıcaklıklarda işler daha kolay düzenlenir hale gelir. 30 V'a düştüğünüzde, transistörlerden ve benzerlerinden yalnızca 10 V kullanmaları gerekiyorsa tasarruf olmaz.

Bunu daha da ileri götürürsek, 60 A'da 1 V oldukça sakıncalıdır. Böyle bir düşük voltajda başlayarak, kablodaki daha küçük voltaj düşüşleri, bunlardan kaçınmak zorlaştığında, daha önemli verimsizliklere dönüşür. Sadece 100 mΩ toplam ve geri dirençli bir kablo düşünün. Üzerinde tam 1 V olsa bile, sadece 10 A çizer ve bu cihaz için voltaj bırakmaz.

Cihazda en az 900 mV istediğinizi ve bu nedenle kablodaki güç kaybını telafi etmek için 67 A vermeniz gerektiğini varsayalım. Kablonun (100 mV) / (67 A) = 1,5 mΩ dış direnç ve toplam direnç göstermesi gerekir. Toplam 1 m kabloda bile, oldukça kalın bir iletken gerektirir. Ve hala 6.7 W'lık bir dağılım gösterecektir.

Yüksek akımla başa çıkmadaki bu zorluk, şebeke ölçeğinde güç iletim hatlarının yüksek voltaj olmasının nedenidir. Bu kablolar 100 mil uzunluğunda olabilir, bu nedenle seri direnç eklenir. Tesisler, 100 mil uzunluğundaki kabloyu daha ucuz hale getirmek ve daha az enerji harcayabilmek için voltajı olabildiğince yüksek hale getiriyor. Yüksek voltaj, bir kısmına mal olur, bu da çoğunlukla kablo etrafında başka bir iletkene daha fazla boşluk bırakılması şartıdır. Yine de, bu maliyetler kabloda daha fazla bakır veya çelik kullanılması kadar yüksek değildir.

AC ile ilgili diğer bir problem, cilt etkisinin , daha büyük çaplar için dirençte azalan geri dönüşler almanız anlamına gelmesidir. Bu nedenle, gerçekten uzun mesafeler için, DC iletmek daha ucuz hale gelir, sonra bunu alıcı uçta AC'ye dönüştürmek için masraf öder.

Kombine Ohm kanunu ile elde etmek üzereV = R ⋅

burada kaynağı telleri üzerine dağılan gücüdür, teller içinden akan akım ve teller direnci.I $P$$I$$R$

Akımın her iki katına çıkması için, tellerde kaybedilen güç dört katına çıkar. Bunu telafi etmek için, direncin dört kat daha küçük hale getirilmesi gerekir, yani, telin kesitini dört kat daha fazla bakır anlamına gelen dört (tel çapının iki katı) faktörü ile artırmak gerekir.

Aynı nedenden ötürü, elektrik şebekesi elektriği taşımak için yüzlerce kilovolt kullanır (hane halkı gerilimlerinde taşıma, kayıpları aynı tutmak için bir milyon kat fazla bakır siparişi gerektirir).

Yüksek akımlar birkaç nedenden dolayı istenmez. Öncelikle daha büyük akımlar, daha büyük iletkenler ve anahtarlama cihazlarında daha büyük kontaklar gerektirir. İkincisi, yüksek akımlar yangın riskidir, yüksek akım sisteminde kötü bir bağlantıdan küçük bir ekstra direnç miktarı kolayca ısınabilir.

Yüksek voltajlar da istenmez, daha kalın yalıtkanlar gerektirir, şalt devrelerinde daha büyük temas boşlukları gerektirirler ve terminaller arasında daha büyük boşluklar gerektirirler ve daha fazla elektrik çarpması tehlikesi oluştururlar.

Elbette belirli bir güç düşürme voltajı için akımı artırabilir ve bunun tersi de geçerlidir.

Bu yüzden mutlu bir ortam bulmamız gerekiyor, en mutlu ortam ilgili güç seviyesine ve bir dereceye kadar yükün detaylarına bağlı olacaktır. Uygulamada uyumluluktan da ödün vermemiz gerekiyor, insanlar evlerinde her şeyi takabilecekleri bir kablo tesisatı olmasını istiyorlar.

Gerçekten düşük direncin güvenilir bir şekilde elde edilmesi önemli bir konudur. Oda sıcaklığına kadar süper iletkenler var olana kadar büyük bir sorun olmaya devam edecektir.

Çoğu PC güç kaynağı, düşük voltajlara yüksek güç sağlar. Güç rayında, kablonun ucuna bağlı bir duyu teli bulunur. Bu, yüksek akım çekmesinden kaynaklanan voltaj düşüşünü ve telin iç direncini telafi etmek için voltajı artırmak üzere regülatör devresine geri beslenir. Bununla birlikte, modern anakart, kayıplarını önlemek ve dahili olarak düzenlemek için güçlerinin çoğunu en yüksek gerilim rayından çekecektir.

Yüksek amp yükler aynı zamanda bu yüksek akımın altında ısınmayacak ve erimeyen etli iletkenlere ihtiyaç duyar. Eğer iletken herhangi bir şekilde hasar görürse, o nokta daha yüksek direnç gösterir ve daha fazla ısınır.

Diğerlerinin de belirttiği gibi, voltaj yükseldikçe, cihaza güç sağlayan kablolar üzerindeki güç kaybı azalır.

Elektrik şebekesi üzerinden uzun mesafeli iletim için yüzlerce kilovolta kadar yükselen şebeke gücünü düşünün. Bunlar, telleri birbirlerinden uzak tutabilmeleri için büyük miktarda boş alana ihtiyaç duyan en büyük elektrik iletim kuleleri üzerinde taşınırlar. Çok tehlikeli voltajlardır ve gücü normal bir ortamda kullanmanız gerektiğinde tamamen rahatsız edicidir - ancak gücün çok büyük mesafelerde verimli bir şekilde taşınmasına olanak sağlar.

Yerel bir trafo merkezine geldiğinde, onlarca kilovoltluk sipariş üzerine gerilime indirgenecek ve daha küçük kule ve direklerde (ya da yer altı) büyük tesis müşterilerine ve mahalle dağıtım trafolarına taşınacak. Bunlar daha sonra gerilimi tekrar ev ana şebekesine (100-240V) düşürür. Bu seviyede voltajlar, evinizin etrafındaki gücün verimli bir şekilde taşınmasına izin verecek kadar yüksektir (makul boyutta tellerde), ancak yüksek transmisyon voltajı sorunlarının çoğuna sahip olmayacak kadar düşük (RF paraziti, ark tehlikesi, vb.) .

Şimdi bir bilgisayar gibi düşünün - ana voltaj, güç kaynağına ulaşana kadar evinizdeki tellerden düşük kayıpla geçmesini sağlar. Bu noktada 5V ve 12V (DC) değerine düşürülür. Burada, gücün sadece anakart ve bileşenlere çok kısa bir mesafe kat etmesi gerekir ve böyle bir durumda şebeke voltaj seviyelerinde çok ince kablolara sahip olmak gerçekten uygun değildir. Bir bilgisayardaki dahili cihazların hiçbiri doğrudan bu tür yüksek voltajlarda çalışamaz, bu nedenle PSU, gücü son cihaz için yararlı bir forma dönüştürmek için oradadır.

Anakart üzerinde, RAM, yonga seti ve CPU'yu beslemek için voltaj tekrar düşürülür - ikincisi, yaklaşık 1.3V'den daha yüksek voltajlar tarafından yok edilebilecek hassas bir donanım parçasıdır. Burada gücün sadece birkaç santimetre veya daha az hareket etmesi gerekir ve tipik bir CPU bu çok düşük voltajda 60-80 amper arasında akım çekebilir. Yani burada, PSA'dan 12V'a 7.5A çizen bir voltaj regülatöründen 1.3V'de 1.3V'de 70A'lık bir 90W CPU çekiyorsunuz, 120V'de 120V'de komşuluk trafosundan 4mV'de 23mA çeken duvardaki tapadan 0.75A çekiyorsunuz. hattın üstündeki ızgara, uzun mesafeli hatlardan 230 mikroamper çekiyor.

Günün sonunda, güç kaynağını yüke verimli bir şekilde eşleştirmek söz konusudur. Bu genellikle elektrik gücünü, her noktada uygulamaya uygun bir gerilime birçok kez dönüştürmek anlamına gelir.

Basitçe söylemek gerekirse, düşük voltaj yüksek akım gerektirir. Yüksek akım, devrede bulunan tüm bileşenlere çok fazla termal baskı uygular. Ve bonus olarak daha kalın kablolara sahip olmanız gerekir. Yüksek gerilimler, hiçbir şeyi kısa kullanmadığınız sürece bileşenlerin çoğunu zorlamaz.

Bir 60W cihaza kesinlikle 12A @ 5V PSU’dan güç sağlayabilirsiniz ancak 12A zaten konektörler, ferritler, indüktörler için oldukça yüksek bir akımdır.

Güvenlik açısından, özellikle tıbbi bir ortamda 24VDC sıklıkla kullanılır. Yargı yetkisine bağlı olarak daha yüksek gerilimler kullanılabilir, ancak popüler seçenek sadece cihazı yalıtmaktır, böylece parmağınızı canlı devrelere sokamazsınız.

Diğer cevaplara bir anekdot eki olarak, bazı voltajlar için uygun güç aktarım mesafesinin V feet civarında olduğu eski bir kuraldır. Ne kadar uzağa koşmak istediğinizi düşünürseniz, önemli bir akım çeken bir aydınlatma armatürüne 12 V (örneğin, 90'lı yıllarda çok şık hale gelen ve şimdi, şerefli olan LED'ler tarafından değiştirilmiş olan halojen lambalar), 12 ayak fena bir rehber değil. Aynı şekilde, 230V için, trafodan evdeki ampule 230 feet oldukça iyi çalışıyor.

Asla sert ve hızlı bir kural, elbette sadece bir yaklaşım.