Почему мы не используем низковольтные источники питания для приложений с высокой мощностью?

Вы правы в том, что мощность есть произведение напряжения и силы тока. Это будет означать, что любая комбинация напряжения и тока будет подходящей, если она достигает желаемой мощности.

Однако в реальном мире нам мешают разные реальности. Самая большая проблема заключается в том, что при низком напряжении ток должен быть высоким, а этот большой ток дорог, велик и/или неэффективен. Существует также предел напряжения, выше которого он 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 ваше устройство мощностью 60 Вт, начните с рассмотрения 120 В и 500 мА. Ни один из них не раздвигает какие-либо ограничения, которые приводят к необычным трудностям или расходам. Изоляция до 200 В (всегда оставляйте некоторый запас, особенно для номинала изоляции) в значительной степени происходит, если вы не пытаетесь этого не делать. 500 мА не требует необычно толстого или дорогого провода.

5 В и 12 А, конечно, выполнимо, но уже нельзя просто использовать обычный «подключительный» провод. Провод, рассчитанный на 12 А, будет толще и будет стоить значительно дороже, чем провод, рассчитанный на 500 мА. Это означает, что больше меди, которая стоит реальных денег, делает провод менее гибким и делает его толще.

С другой стороны, вы не сильно выиграли от снижения напряжения со 120 В до 5 В. Одним из преимуществ является рейтинг безопасности. Как правило, при 48 В и ниже все становится проще с точки зрения регулятора. К тому времени, когда вы дойдете до 30 В, на транзисторах и тому подобном не будет большой экономии, если им нужно выдерживать только 10 В.

Принимая это во внимание, 1 В при 60 А было бы довольно неудобно. Начиная с такого низкого напряжения, меньшие падения напряжения в кабеле становятся более значительными потерями эффективности, как раз тогда, когда их становится все труднее избежать. Рассмотрим кабель с общим выходным и обратным сопротивлением всего 100 мОм. Даже при полном 1 В на нем он будет потреблять всего 10 А, и это не оставляет напряжения для устройства.

Допустим, вы хотите, чтобы на устройстве было не менее 900 мВ, а значит, вам нужно подать 67 А, чтобы компенсировать потери мощности в кабеле. Кабель должен иметь полное входное и обратное сопротивление (100 мВ)/(67 А) = 1,5 мОм. Даже при общей длине кабеля 1 м для этого потребуется довольно толстый проводник. И он все равно будет рассеивать 6,7 Вт.

Эта трудность при работе с высоким током является причиной того, что линии электропередачи коммунального масштаба имеют высокое напряжение. Эти кабели могут быть длиной в сотни миль, поэтому последовательное сопротивление складывается. Коммунальные службы делают напряжение настолько высоким, насколько это возможно, чтобы удешевить сотни миль кабеля и уменьшить потери энергии. Высокое напряжение требует определенных затрат, что в основном является требованием сохранения большего зазора между кабелем и любым другим проводником. 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 убывающую отдачу в сопротивлении для больших диаметров. Вот почему на очень большие расстояния становится дешевле передавать постоянный ток, а затем оплачивать расходы на преобразование его в переменный ток на принимающей стороне.

Объединить

куда$P$мощность, рассеиваемая на питающих проводах,$I$ток течет по проводам и$R$это сопротивление проводов.

При каждом удвоении тока мощность, теряемая в проводах, увеличивается в четыре раза. Чтобы компенсировать это, нужно было бы уменьшить сопротивление в четыре раза, т. е. увеличить сечение провода в четыре раза (удвоить диаметр провода), что означает в четыре раза больше меди.

По той же самой причине энергосистема использует до нескольких сотен киловольт для транспортировки электроэнергии (для транспортировки на бытовом уровне потребуется в миллион раз больше меди, чтобы сохранить потери на том же уровне).

Высокие токи нежелательны по нескольким причинам. Во-первых, большие токи требуют больших проводников и больших контактов в распределительном устройстве. Во-вторых, большие токи представляют опасность возгорания, в сильноточной системе небольшое дополнительное сопротивление из-за плохого соединения может легко сильно нагреться.

Высокие напряжения также нежелательны, они требуют более толстых изоляторов, требуют больших зазоров между контактами в распределительном устройстве и большего расстояния между клеммами и представляют большую опасность поражения электрическим током.

Конечно, при заданной мощности уменьшение напряжения приведет к увеличению тока и наоборот.

Итак, нам нужно найти золотую середину, а самая счастливая среда будет зависеть от используемого уровня мощности и в некоторой степени от деталей нагрузки. На практике мы также должны идти на компромисс для совместимости, люди хотят иметь в своем доме один комплект проводки, к которому они могут подключить все.

Надежное достижение действительно низкого сопротивления является серьезной проблемой. Пока не появятся сверхпроводники при комнатной температуре, это останется большой проблемой.

Многие блоки питания для ПК обеспечивают высокую мощность при низком напряжении. У них есть сенсорный провод на шине питания, который соединен с концом кабеля. Это возвращается к схеме регулятора для повышения напряжения, чтобы компенсировать падение напряжения из-за сильного потребления тока и внутреннего сопротивления провода. Однако современная материнская плата будет потреблять большую часть своей мощности от шины с самым высоким напряжением, чтобы избежать потерь и внутренне регулировать ее.

Нагрузки с высоким усилием также нуждаются в мощных проводниках, которые не нагреваются и не плавятся под таким высоким током. Если проводник каким-либо образом поврежден, это место будет иметь более высокое сопротивление и сильнее нагреваться.

Как отмечали другие, чем выше напряжение, тем ниже потери мощности в кабелях, соединяющих питание с устройством.

Рассмотрим мощность сети, которая повышается до сотен киловольт для передачи на большие расстояния по электрической сети. Их несут на самых больших опорах электропередач, которым требуется огромное пространство, чтобы провода не соприкасались друг с другом и со всем, на что они могут дугой воздействовать. Это очень опасные напряжения и совершенно неудобные, когда вам нужно использовать мощность в нормальных условиях - однако это позволяет эффективно передавать мощность на очень большие расстояния.

Когда он попадает на местную подстанцию, его напряжение снижается до порядка десятков киловольт и передается по меньшим башням и опорам (или под землей) к потребителям крупных объектов и соседним распределительным трансформаторам. Затем они снова снижают напряжение до уровня вашей бытовой сети (100-240 В). На этом уровне напряжения достаточно высоки, чтобы обеспечить эффективную передачу электроэнергии по вашему дому (по проводам разумного размера), но достаточно низки, чтобы не возникало многих проблем, связанных с высокими напряжениями передачи (радиочастотные помехи, опасность дуги и т. д.). .

Рассмотрим теперь что-то вроде компьютера - сетевое напряжение с малыми потерями проходит по проводам в вашем доме, пока не достигает источника питания. В этот момент оно дополнительно снижается до 5 В и 12 В (постоянного тока). Здесь питание должно пробираться только на очень короткое расстояние к материнской плате и компонентам, а иметь очень тонкие провода на уровнях сетевого напряжения внутри такого корпуса не очень удобно. В любом случае ни одно из внутренних устройств компьютера не может напрямую работать с такими высокими напряжениями, поэтому блок питания предназначен для преобразования мощности в форму, полезную для конечного устройства.

На самой материнской плате напряжение снова снижается для питания ОЗУ, чипсета и процессора — последний представляет собой деликатную часть аппаратного обеспечения, которое может выйти из строя при напряжении, намного превышающем 1,3 В. Здесь мощность должна сместиться всего на несколько сантиметров или меньше, и типичный процессор может потреблять что-то между 60-80 ампер тока при таком очень низком напряжении. Итак, здесь у вас есть, скажем, процессор мощностью 90 Вт, потребляющий 70 А при 1,3 В от регулятора напряжения, потребляющий 7,5 А при 12 В от блока питания, который потребляет 0,75 А при 120 В от вилки в стене, которая потребляет 23 мА при 4 кВ от соседнего трансформатора. который вверх по линии потребляет 230 микроампер от линий дальней связи в сети.

В конце концов, речь идет об эффективном согласовании источника питания с нагрузкой. Обычно это означает многократное преобразование электроэнергии в каждой точке до напряжения, подходящего для приложения.

Проще говоря, низкое напряжение требует высокого тока. Высокий ток создает большую тепловую нагрузку на все компоненты схемы. И вам нужно иметь более толстую проводку в качестве бонуса. Высокое напряжение не нагружает большинство компонентов, если вы ничего не закорачиваете.

Вы определенно можете запитать устройство мощностью 60 Вт от блока питания 12 А при 5 В, но 12 А - это уже довольно большой ток для разъемов, ферритов, катушек индуктивности ..

С точки зрения безопасности часто используется 24 В постоянного тока, особенно в медицинских учреждениях. В зависимости от юрисдикции могут использоваться более высокие напряжения, но популярный вариант — просто изолировать устройство, чтобы вы не могли засунуть палец в схему под напряжением.

В качестве анекдотического дополнения к другим ответам существует старое эмпирическое правило, согласно которому подходящее расстояние передачи мощности для некоторого напряжения V составляет около V футов. Если вы думаете о том, как далеко вы хотели бы протянуть, скажем, 12 В к осветительному прибору, потребляющему значительный ток (например, галогенные лампы, которые стали очень модными в 90-х годах и теперь, слава богу, вытесняются светодиодами), 12 нога не плохой гид. Точно так же для 230 В довольно хорошо работает 230 футов от трансформатора до бытовой лампочки.

Никогда не жесткое и быстрое правило, просто приближение, конечно.