Почему электронные системы не могут использовать источник питания постоянного тока и изменять напряжение при изменении потребляемой мощности?

Большинство источников питания имеют постоянное напряжение, а не постоянный ток. Если вы возьмете два основных источника электрической энергии, а именно аккумуляторы и вращающиеся генераторы (независимо от размера), то общим будет то, что их напряжение теоретически фиксировано на определенном значении и может контролироваться. Например, стандартная сухая батарея типа АА имеет напряжение 1,5 В, которое она всегда будет выдавать более или менее (без учета реальных ошибок). Внутренняя химия большинства батарей связывает внутренние химические реакции с выходным напряжением батареи. Точно так же генератор для заданной напряженности магнитного поля (называемой возбуждением) и заданной скорости будет вырабатывать фиксированное напряжение на своих клеммах (опять же, только приблизительно из-за реальной жизни).

Практически в любом устройстве, использующем электричество, в большинстве случаев причиной является напряжение, а следствием — ток. Только когда вы подаете напряжение на устройство, через него может начать течь ток (несмотря на сверхпроводники). Даже устройства постоянного тока контролируют ток и регулируют напряжение в соответствии с нагрузкой. Вы никогда не слышали о батарейке для фонарика на 3 В, отслеживающей напряжение на своих клеммах. Это связано с базовой физикой, согласно которой изменение движения электронов (т.е. тока) возможно при приложении электрического поля (т.е. напряжения).

Хотя нет никаких причин, по которым вы не могли бы разрабатывать электронику с источниками постоянного тока, есть несколько веских причин, по которым мы этого не делаем. Батарейки и питание от сети подаются скорее как источники постоянного напряжения, чем источники постоянного тока, поэтому просто удобнее использовать то, что есть. Другая причина заключается в том, что источник постоянного тока всегда потребляет энергию. Чтобы отключить устройство, вам пришлось бы закоротить источник питания. Поскольку большинство проводов имеют сопротивление, вы будете постоянно тратить энергию впустую.

Метод постоянного напряжения является ключом к разработке усилителей с линией нагрузки. Учитывая огромную потребность в усилителях, способность обеспечить стабильное усиление для усиления сигнала междугородной телефонной линии, необходимость работы электронных ламп с низким уровнем искажений в этих телефонных цепях, мы можем чувствовать себя сбитыми с толку успехами BellLabs. Но затем Белл предоставил транзистор. Вот загрузочная линия.

Такие системы используются в приложениях светодиодного освещения (светодиоды ведут себя точно так, как предполагает ваш вопрос изначально), и они также были очень актуальны в последние десятилетия широко распространенной технологии электронных ламп (50-е, 60-е, 70-е годы) - конструкции нагревателей серии 300 мА и 150 мА ( которые, однако, обычно регулировались вручную с помощью резисторов вместо использования надлежащего регулируемого источника тока) были очень распространены в потребительском оборудовании.

Вы думаете о напряжении и токе как о более тесно связанных вещах, чем они есть на самом деле. Напряжение – это «статический» потенциал. С другой стороны, ток — это движение зарядов под действием напряжения. Для данной нагрузки в цепи они связаны законом Ома, но физически являются разными объектами.

Напряжение может и существует, когда нет тока. Однако иначе как при абсолютном нуле ток не может существовать без напряжения.

То есть напряжение первичный объект, ток вторичный.

Некоторые схемы предназначены для питания от источника постоянного тока. Многие преобразователи, такие как двигатели и светодиоды, управляются таким образом, потому что их характеристики преобразования энергии зависят от тока, а не от напряжения. Однако важно отметить, что источники постоянного тока управляются эффектами напряжения.

Однако большинство электрических деталей имеют характеристики, на которые существенно влияет напряжение, особенно конденсаторы и проводимость полупроводников. Таким образом, гораздо проще реализовать сложную схему с использованием источника постоянного напряжения и позволить потребляемому току изменяться по мере необходимости.

Если бы вы попытались построить такую ​​же схему, используя источник питания постоянного тока, когда одна часть системы требует большей мощности, ее сопротивление падает, напряжение должно было бы падать во всей системе, чтобы поддерживать тот же выходной ток от регулятора. Это изменило бы ссылки для всех остальных схем и повлияло бы на то, как ведут себя в них емкости и полупроводники. Если оно упадет слишком низко, некоторые полупроводники перестанут работать.

Таким образом, ваш источник постоянного тока должен быть рассчитан, по крайней мере, на максимальную нагрузку вашей системы.

Теперь у вас обратная проблема. Если бы эта нагрузка упала до гораздо более низкого уровня из-за того, что вы что-то выключили, сопротивление вашей цепи было бы намного больше, и поэтому напряжение вашей системы должно было бы вырасти до гораздо большего значения. Все ваши компоненты должны быть рассчитаны на более высокие напряжения. Если он станет слишком высоким, ваши полупроводники снова могут внезапно перестать работать.

Далее, если бы у вас был идеальный источник постоянного тока, когда ваша нагрузка приближается к очень высокому сопротивлению, напряжение начинает приближаться к бесконечности. В этот момент физика берет верх, изоляторы выходят из строя, и все самоуничтожается. На самом деле, что на самом деле произошло бы, так это то, что регулятор больше не сможет подавать ток, потому что у него нет напряжения, от которого можно получить такой высокий выходной сигнал.

Альтернативой этому было бы не включать и не выключать что-либо, а вместо этого перенаправлять его в другое место, что, помимо того, что является пустой тратой энергии, также чрезвычайно сложно сделать при поддержании постоянного общего тока. Кроме того, каждый маленький логический вентиль и усилитель должны делать то же самое.

В системе постоянного напряжения каждая цепь, содержащаяся в ней, по большей части невосприимчива к тому, что делают другие части системы. Если схема на правой стороне платы внезапно потребляет больше тока, и регулятор может его обеспечить, а плата спроектирована правильно, то схема на левой стороне в блаженном неведении об этом. (Ну, почти.)

Суть в том, что почти во всех случаях напряжение, будучи основным двигателем, является тем, что имеет смысл регулировать, и его намного легче контролировать.

Давайте представим две розетки на обычной домашней вилке, питаемой от источника постоянного тока где-то дальше по линии, предположим, что это источник постоянного тока на 10 А. Когда розетка не используется, ее необходимо закоротить, чтобы напряжение было равно нулю (сейчас допустим идеальные провода). Когда вы подключаете что-то к одной розетке, теперь вам нужно разорвать его и позволить напряжению подняться — давайте предположим, что у вас подключена лампочка 10 В 10 А -> 100 Вт, и ее подключение вызывает короткое замыкание. систему из розетки. Что происходит, когда вы подключаете вторую лампочку мощностью 100 Вт (10 А, 10 В) — лампочка теперь должна работать при 5 А 20 В — ей нужно снизить собственное сопротивление — и то же самое делает другая лампочка — но насколько? ну, это зависит от другого устройства, которое было подключено - два в основном должны стабилизироваться, что возможно, это очень сложная система для такого простого устройства, как лампочка, не говоря уже о специальной розетке, которая потребуется для короткого замыкания, когда все устройства удалены. Такая система балансировки тока и напряжения должна быть выполнена для каждого разветвителя, что приводит к некоторым сложным системам, которые должны балансировать сами себя.

Теперь я игнорировал сопротивление проводов, но давайте вернем его - вы всегда будете использовать свои провода на максимуме (поскольку провода по большей части оцениваются в усилителях, проходящих через них) - это не идеально, так как использовать что-то в режиме 24x7 до максимума, как правило, не годится для его срока службы, поэтому вам нужно будет увеличить размер всей проводки, чтобы поддерживать это. Помимо проводки, вам также потребуется иметь возможность быстро и надежно переключаться при токе 10 А — 10 А — это изрядное количество тока, которое в конечном итоге вызывает искры / искрение, что приводит к довольно быстрому износу переключателей, что подводит меня к другому моменту.

В настоящее время в большинстве источников питания используется переменный ток, поскольку он имеет переход через ноль, но вы не сможете мгновенно изменить 10 А тока на -10 А из-за индуктивности проводов (и устройств). Крупные приборы могут регулировать время включения в зависимости от частоты сети, так что их переключатели (или реле/мосфеты/что-то еще) включаются, когда напряжение равно или близко к 0, чтобы предотвратить скачки напряжения, скажем, в конденсаторе. банк, который затем питает систему во время следующего цикла 0V. Хотя я не скажу, что это невозможно, в лучшем случае это будет довольно сложно.

Я думаю, что большинство других ответов указывают на реальную проблему лишь довольно косвенно. Это будет работать, но будет совершенно непрактично по очень простым причинам, даже если игнорировать всю проблему генерации и распределения, когда конечными пользователями будут нагрузки постоянного тока с соответствием тысячам вольт для домашних пользователей и хорошим долям мегавольта для домашних пользователей. более крупные пользователи, такие как торговые центры и т. д.

Почему электронные системы не могут использовать источник питания постоянного тока и изменять напряжение при изменении потребляемой мощности?

Могут, но взаимные отношения между связанными величинами делают его совершенно непрактичным для распределения энергии даже на уровне дома. Кроме того: это не решает никаких практических проблем. Никаких улучшений. На самом деле, даже при самом тщательном проектировании система была бы чрезвычайно дорогой в реализации, даже в масштабах домашнего хозяйства.

Питание постоянного напряжения может питать несколько нагрузок параллельно , как вы это делаете с обычной бытовой электропроводкой. Когда нагрузка отключена, проводимость падает до нуля, и ток больше не течет. Емкость источника питания при постоянном напряжении указывается в амперах .

Источник постоянного тока требует, чтобы все нагрузки были соединены последовательно . Когда нагрузка отключена, сопротивление падает до нуля, и ток идет в обход нагрузки. Замкнутый выключатель поддерживает короткое замыкание на входе . Мощность источника при постоянном токе указывается в вольтах .

При подаче постоянного тока проводка дома будет представлять собой одну большую последовательную цепь, и каждая розетка должна будет замыкать контакты всякий раз, когда нагрузка не будет подключена. Все нагрузки должны будут проводить полный ток, потребляемый домохозяйством, поскольку все переключатели питания, переведенные в положение «выключено», должны были бы иметь нулевое (очень низкое) сопротивление , чтобы не рассеивать мощность.

Поскольку мощность эквивалентна максимальному напряжению, повышение мощности сети дома будет означать повышение максимального напряжения, подаваемого на розетки. Предположим, что практический постоянный ток для бытового использования будет 15А. Довольно стандартное бытовое электроснабжение на 24 кВт - домашнее обслуживание США 240 В / 100 А - станет источником питания «среднего» напряжения 1,6 кВ. Для обслуживания 200 А для больших домов потребуется линейное напряжение 3,2 кВ.

Кроме того, рассеяние статического электричества в режиме ожидания в домашнем хозяйстве будет пропорционально количеству розеток и квадрату тока, поскольку вся проводка и розетки будут иметь некоторое сопротивление, и$P=I^2/R$.

Так что, если бы вы «выключили» все в доме, счетчик электроэнергии не остановился бы. Чтобы фактически остановить потребление электроэнергии, вам придется закоротить сторону питания электросчетчика.

Единственным «крутым» аспектом такого источника питания, если не принимать во внимание безумный риск поражения электрическим током, было бы то, что короткие замыкания были бы совершенно безопасными. Жесткое короткое замыкание в электроприборе равносильно его отключению :)

Кроме того, «предохранители» в приборах должны контролировать как напряжение, так и ток. Итак, у вас будет обычный предохранитель на 25 А, а за ним эквивалент схемы лома, который закорачивает вход, если напряжение превышает пороговое значение. Лом должен будет использовать реле с номинальным напряжением 25 А и 5 кВ, чтобы покрыть ожидаемые диапазоны подачи электроэнергии «домашнего хозяйства».

Теперь реле должны иметь очень небольшую отключающую способность, как и предохранители, поскольку источник питания по своей природе ограничивает ток. Но они должны были бы поддерживать безумные напряжения зазора.

Крошечный аварийный предохранитель (или плавкий резистор) в зарядном устройстве для телефона вместо этого будет состоять из предохранителя за 50 долларов и реле за 100 долларов...

Не знаю, как вы, а я бы не стал платить за это, даже со всем фактором «крутых инженерных бобов».