Perché non utilizziamo fonti di alimentazione a bassa tensione per applicazioni ad alta potenza?

Domanda super nooby che riguarda la legge di Ohm, ma questa è stata in mente questa mattina.

Supponiamo di avere un dispositivo da 60 W e che voglia alimentarlo. Di solito questo richiede una sorgente a 120 V o qualcosa del genere. Tuttavia, perché non usare una sorgente a 5 V e disegnare 12 A con una resistenza davvero bassa? È principalmente per motivi di sicurezza? O c'è un problema con la resistenza abbastanza bassa da raggiungere i 12 ampere?

Ho provato a cercarlo su Google, ma non è emerso molto. Probabilmente davvero ovvio, ma mi chiedo solo ..

EDIT per il segno duplicato: il suggerimento duplicato è simile; tuttavia, discute le celle di serie rispetto a celle parallele e aggiunge informazioni interessanti, ma non è esattamente quello che stavo chiedendo. Le risposte fornite in questo post mi sono state molto più utili.

EDIT 2: ho aggiunto la mia modifica originale indietro ora che il segno di duplicazione è passato.

Hai ragione in quanto il potere è il prodotto di tensione e corrente. Ciò indicherebbe che qualsiasi combinazione tensione x corrente andrebbe bene, purché raggiunga la potenza desiderata.

Tuttavia, nel mondo reale abbiamo diverse realtà che si frappongono. Il problema più grande è che a bassa tensione, la corrente deve essere alta e che l'alta corrente è costosa, grande e / o inefficiente da gestire. C'è anche un limite alla tensione al di sopra del quale diventa scomodo, ovvero costoso o di grandi dimensioni. C'è quindi una gamma moderata nel mezzo che funziona meglio con la fisica scomoda che ci viene offerta.

Usando il tuo dispositivo da 60 W come esempio, inizia considerando 120 V e 500 mA. Né sta spingendo alcun limite che si traduca in difficoltà o spese insolite. L'isolamento a 200 V (lascia sempre un po 'di margine, in particolare per il grado di isolamento) accade praticamente a meno che tu non provi a non farlo. 500 mA non richiedono cavi insolitamente spessi o costosi.

5 V e 12 A sono certamente fattibili, ma già non puoi semplicemente usare il normale filo "aggancio". Il filo per gestire 12 A sarà più spesso e avrà un costo considerevolmente maggiore rispetto al filo che può gestire 500 mA. Ciò significa che più rame, che costa denaro reale, rende il filo meno flessibile e lo rende più spesso.

Dall'altro lato, non hai guadagnato molto scendendo da 120 V a 5 V. Un vantaggio è il grado di sicurezza. Generalmente a 48 V e inferiori, le cose diventano più semplici dal punto di vista del regolatore. Quando scendi a 30 V, non c'è molto risparmio nei transistor e simili se devono solo gestire 10 V.

Prendendo ciò, 1 V a 60 A sarebbe abbastanza scomodo. Partendo da una tensione così bassa, cadute di tensione più piccole nel cavo diventano inefficienze più significative, proprio quando diventa più difficile evitarle. Considerare un cavo con solo 100 mΩ di resistenza esterna e posteriore. Anche con l'intero 1 V di fronte, assorbirebbe solo 10 A e questo non lascia tensione per il dispositivo.

Supponiamo che tu voglia almeno 900 mV sul dispositivo e quindi devi fornire 67 A per compensare la perdita di potenza nel cavo. Il cavo dovrebbe avere una resistenza totale totale (100 mV) / (67 A) = 1,5 mΩ. Anche con un totale di 1 m di cavo, ciò richiederebbe un conduttore abbastanza spesso. E dissiperebbe ancora 6,7 ​​W.

Questa difficoltà a gestire l'alta corrente è la ragione per cui le linee di trasmissione di potenza su larga scala sono ad alta tensione. Questi cavi possono essere lunghi 100 miglia, quindi la resistenza in serie aumenta. Le utility rendono la tensione il più alta possibile per rendere più economico il costo di centinaia di miglia e sprecare meno energia. L'alta tensione costa un po ', il che è principalmente il requisito per mantenere una maggiore distanza attorno al cavo a qualsiasi altro conduttore. Tuttavia, questi costi non sono elevati quanto l'utilizzo di più rame o acciaio nel cavo.

Un altro problema con AC è che l' effetto pelle significa che si ottengono rendimenti decrescenti di resistenza per diametri più grandi. Questo è il motivo per cui per distanze davvero lunghe diventa più economico trasmettere DC, quindi pagare le spese per convertirlo in AC alla fine della ricezione.

$P$$I$$R$ è la resistenza dei fili.

Per ogni raddoppio della corrente, la potenza persa sui fili quadruplica. Per compensare ciò, si dovrebbe ridurre la resistenza di quattro volte, cioè aumentare la sezione trasversale del filo di un fattore quattro (raddoppiando il diametro del filo), il che significa quattro volte più rame.

Per lo stesso motivo la rete elettrica utilizza fino a diverse centinaia di kilovolt per trasportare elettricità (il trasporto a tensioni domestiche richiederebbe un milione di volte più rame per mantenere le stesse perdite).

Le correnti elevate sono indesiderabili per un paio di motivi. Innanzitutto le correnti più elevate richiedono conduttori più grandi e contatti più grandi nel quadro. In secondo luogo le correnti elevate rappresentano un rischio di incendio, in un sistema ad alta corrente una piccola quantità di resistenza aggiuntiva da una cattiva connessione può facilmente diventare molto calda.

Anche le alte tensioni sono indesiderabili, richiedono isolanti più spessi, richiedono spazi di contatto maggiori nei quadri e una maggiore spaziatura tra i terminali e comportano un rischio maggiore di scosse elettriche.

Naturalmente per una determinata potenza la riduzione della tensione aumenterà la corrente e viceversa.

Quindi dobbiamo trovare un mezzo felice, il mezzo più felice dipenderà dal livello di potenza coinvolto e in una certa misura dai dettagli del carico. In pratica dobbiamo anche scendere a compromessi per la compatibilità, le persone vogliono avere un set di cavi in ​​casa in cui possono collegare tutto.

Raggiungere la resistenza veramente bassa in modo affidabile è un grosso problema. Fino a quando non saranno presenti super conduttori a temperatura ambiente, rimarrà un grosso problema.

Molti alimentatori per PC alimentano alta potenza a basse tensioni. Hanno un filo sensibile sulla barra di alimentazione che è legato all'estremità del cavo. Ciò ritorna al circuito del regolatore per aumentare la tensione per compensare la caduta di tensione dall'assorbimento di corrente elevata e la resistenza interna del filo. Tuttavia, la scheda madre moderna trarrà la maggior parte della sua potenza dalla guida di massima tensione per evitare perdite e regolarla internamente.

I carichi di amplificatori elevati hanno anche bisogno di conduttori robusti che non si riscaldano e non si sciolgono sotto quella corrente elevata. Se il conduttore viene danneggiato in qualche modo, quel punto avrà una resistenza più elevata e si riscalderà di più.

Come altri hanno notato, maggiore è la tensione, minore è la perdita di potenza sui cavi che collegano l'alimentazione al dispositivo.

Considera l'alimentazione di rete che viene potenziata fino a centinaia di kilovolt per la trasmissione a lunga distanza sulla rete elettrica. Questi sono trasportati sulle più grandi torri di trasmissione elettriche che hanno bisogno di una grande quantità di spazio per tenere i fili lontani gli uni dagli altri e qualsiasi cosa possano arcuarsi. Sono tensioni molto pericolose e completamente scomode quando è necessario utilizzare l'alimentazione in un ambiente normale, tuttavia consente di trasportare l'energia in modo efficiente su distanze molto grandi.

Quando si arriva a una sottostazione locale, si riduce di tensione a qualcosa dell'ordine di decine di kilovolt e viene trasportato su torri e pali più piccoli (o sotterranei) a clienti di grandi strutture e trasformatori di distribuzione di quartiere. Questi quindi abbassano nuovamente la tensione al livello di rete domestica (100-240 V). A questo livello le tensioni sono abbastanza elevate da consentire un trasporto efficiente dell'energia intorno alla casa (su cavi di dimensioni ragionevoli) ma abbastanza basse da non presentare molti dei problemi di alte tensioni di trasmissione (interferenze RF, pericolo di arco, ecc.) .

Considera ora qualcosa di simile a un computer: la tensione di rete si fa strada a bassa perdita attraverso i fili di casa fino a quando non raggiunge l'alimentazione. A questo punto viene ulteriormente ridotto a 5 V e 12 V (CC). Qui la potenza deve solo farsi strada a breve distanza dalla scheda madre e dai componenti, e avere cavi molto sottili a livelli di tensione di rete all'interno di un caso del genere non è davvero conveniente. Nessuno dei dispositivi interni in un computer può funzionare comunque con tensioni così elevate direttamente, quindi l'alimentatore è lì per convertire l'energia in una forma utile per il dispositivo finale.

Sulla stessa scheda madre, la tensione viene nuovamente ridotta per alimentare la RAM, il chipset e la CPU, quest'ultima un hardware delicato che verrebbe distrutto da tensioni molto superiori a circa 1,3 V. Qui la potenza deve muoversi solo di qualche centimetro o meno, e una CPU tipica può assorbire qualcosa tra 60-80 ampere di corrente a quella bassissima tensione. Quindi qui, diciamo, una CPU da 90 W che disegna 70 A a 1,3 V da un regolatore di tensione che disegna 7,5 A a 12 V dalla PSU che disegna 0,75 A a 120 V dalla spina nella parete che attira 23 mA a 4 kV dal trasformatore di vicinato che, lungo la linea, sta tirando 230 microampere dalle linee a lunga distanza sulla griglia.

Alla fine della giornata, si tratta di abbinare l'alimentatore al carico in modo efficiente. Questo di solito significa trasformare l'energia elettrica più volte, in ciascun punto in una tensione adatta all'applicazione.

In poche parole, una bassa tensione richiede alta corrente. L'alta corrente mette a dura prova molti stress termici su tutti i componenti. E devi avere un cablaggio più spesso come bonus. Le alte tensioni non sollecitano la maggior parte dei componenti finché non si cortocircuita nulla.

Puoi sicuramente alimentare un dispositivo da 60 W da 12 A a 5 V PSU ma 12 A è già una corrente piuttosto elevata per connettori, ferriti, induttori ..

Dal punto di vista della sicurezza, viene spesso utilizzato 24VDC, soprattutto in ambito medico. Potrebbero essere utilizzate tensioni più elevate a seconda della giurisdizione, ma l'opzione popolare è semplicemente isolare il dispositivo in modo da non poter attaccare il dito su circuiti in tensione.

Come aggiunta aneddotica alle altre risposte, esiste una vecchia regola empirica secondo cui la distanza di trasmissione della potenza appropriata per una certa tensione V è attorno ai piedi V. Se pensi a quanto lontano vorresti correre, diciamo, 12V ad una lampada che attira una corrente significativa (ad esempio le lampade alogene che sono diventate molto alla moda negli anni '90 e ora sono, la gloria è stata spostata dai LED), 12 il piede non è una cattiva guida. Allo stesso modo per 230 V, 230 piedi dal trasformatore alla lampadina domestica funzionano abbastanza bene.

Mai una regola dura e veloce, ovviamente solo un'approssimazione.