ทำไมเราไม่ใช้แหล่งจ่ายไฟแรงดันต่ำสำหรับแอปพลิเคชันวัตต์สูง?

คำถาม Super nooby ที่เกี่ยวข้องกับกฎของโอห์ม แต่เมื่อเช้านี้เอง

ว่าฉันมีอุปกรณ์ 60W และฉันต้องการพลังงาน โดยปกติแล้วสิ่งนี้จะเรียกหาแหล่งสัญญาณ 120V หรืออะไรบางอย่าง อย่างไรก็ตามทำไมไม่ใช้แหล่งจ่ายไฟ 5V และวาด 12A ด้วยความต้านทานต่ำจริงๆ มันมีวัตถุประสงค์เพื่อความปลอดภัยเป็นหลัก? หรือมีปัญหากับการต้านทานต่ำพอที่จะบรรลุ 12 แอมป์?

ฉันลอง googling แต่ก็ไม่ได้เกิดขึ้นมากนัก อาจชัดเจนจริงๆ แต่เพียงแค่สงสัย ..

แก้ไขสำหรับเครื่องหมายที่ซ้ำกัน: ข้อเสนอแนะที่ซ้ำกันนั้นคล้ายกัน อย่างไรก็ตามมันกล่าวถึงอนุกรมเทียบกับเซลล์คู่ขนานและเพิ่มข้อมูลที่น่าสนใจ แต่ไม่ตรงกับที่ฉันถาม คำตอบที่ให้ไว้ในโพสต์นี้มีประโยชน์กับฉันมากกว่านี้มาก

แก้ไข 2: ฉันได้เพิ่มการแก้ไขดั้งเดิมของฉันกลับไปตอนนี้ว่าเครื่องหมายการทำซ้ำได้ผ่านไปแล้ว

คุณอยู่ในอำนาจนั้นเป็นผลคูณของแรงดันและกระแส สิ่งนี้จะบ่งบอกถึงแรงดันไฟฟ้า x กระแสไฟฟ้าผสมใด ๆ ก็จะดีตราบใดที่พลังงานออกมาตามต้องการ

อย่างไรก็ตามในโลกแห่งความเป็นจริงเรามีความเป็นจริงต่าง ๆ ที่เข้ามาขวางทาง ปัญหาที่ใหญ่ที่สุดคือแรงดันไฟฟ้าต่ำกระแสจะต้องสูงและกระแสสูงนั้นมีราคาแพงขนาดใหญ่และ / หรือไม่มีประสิทธิภาพในการจัดการ นอกจากนี้ยังมีข้อ จำกัด เกี่ยวกับแรงดันไฟฟ้าด้านบนซึ่งทำให้ไม่สะดวกซึ่งหมายถึงมีราคาแพงหรือมาก ดังนั้นจึงมีช่วงกลางอยู่ในระดับปานกลางซึ่งทำงานได้ดีที่สุดกับฟิสิกส์ที่ไม่สะดวกที่เราจัดการ

ตัวอย่างการใช้อุปกรณ์ 60 W ของคุณเริ่มต้นด้วยการพิจารณา 120 V และ 500 mA ไม่มีการผลักดันข้อ จำกัด ใด ๆ ที่ทำให้เกิดปัญหาหรือค่าใช้จ่ายที่ผิดปกติ ฉนวนถึง 200 V (มักจะออกจากระยะขอบโดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับคะแนนฉนวน) สวยมากเกิดขึ้นเว้นแต่ว่าคุณพยายามที่จะไม่ 500 mA ไม่จำเป็นต้องใช้ลวดที่หนาหรือมีราคาแพง

5 V และ 12 A ทำได้อย่างแน่นอน แต่คุณไม่สามารถใช้สาย "hookup" ปกติได้ สายที่ใช้จัดการ 12 A นั้นจะหนากว่าและราคามากกว่าลวดที่สามารถรับได้ 500 mA นั่นหมายถึงทองแดงมากขึ้นซึ่งใช้เงินจริงทำให้ลวดมีความยืดหยุ่นน้อยลงและทำให้มันหนาขึ้น

ในอีกด้านหนึ่งคุณไม่ได้รับมากจากการลดลงจาก 120 V เป็น 5 V ข้อดีอย่างหนึ่งคือการจัดอันดับความปลอดภัย โดยทั่วไปที่ 48 V และต่ำกว่าสิ่งต่าง ๆ จะง่ายขึ้น เมื่อคุณลงมาถึง 30 V จะไม่มีการประหยัดในทรานซิสเตอร์มากนักและหากพวกเขาต้องการเพียงแค่จัดการ 10 V

การเพิ่มขึ้นอีก 1 V ที่ 60 A อาจไม่สะดวกนัก เมื่อเริ่มต้นด้วยแรงดันไฟฟ้าต่ำแรงดันไฟฟ้าที่เล็กลงในสายเคเบิลจะลดลงอย่างมีนัยสำคัญมากขึ้นเมื่อมันยากที่จะหลีกเลี่ยง พิจารณาสายเคเบิลที่มีความต้านทานออกและกลับทั้งหมดเพียง 100 mΩ ถึงแม้จะมี 1 V เต็ม แต่มันจะวาดเพียง 10 A เท่านั้นและนั่นจะทำให้ไม่มีแรงดันไฟฟ้าสำหรับอุปกรณ์

สมมติว่าคุณต้องการอุปกรณ์อย่างน้อย 900 mV และต้องส่ง 67 A เพื่อชดเชยการสูญเสียพลังงานในสายเคเบิล สายเคเบิลจะต้องมีความต้านทานรวมทั้งภายนอกและด้านหลังที่ (100 mV) / (67 A) = 1.5 mΩ แม้จะมีสายเคเบิลทั้งหมด 1 ม. ซึ่งก็ต้องใช้ตัวนำที่ค่อนข้างหนา และมันก็จะกระจายไป 6.7 W

ความยากลำบากในการจัดการกับกระแสไฟฟ้าสูงเป็นสาเหตุที่สายส่งกำลังไฟฟ้าระดับแรงดันไฟฟ้าสูง สายเคเบิลเหล่านี้มีความยาว 100 ไมล์ดังนั้นความต้านทานอนุกรมจึงเพิ่มขึ้น ยูทิลิตี้ทำให้แรงดันไฟฟ้าสูงที่สุดเท่าที่จะทำได้เพื่อทำให้สายเคเบิลยาวกว่า 100 ไมล์และทำให้สิ้นเปลืองพลังงานน้อยลง แรงดันไฟฟ้าสูงมีค่าใช้จ่ายบ้างซึ่งส่วนใหญ่เป็นข้อกำหนดในการรักษาระยะห่างขนาดใหญ่รอบสายเคเบิลให้กับตัวนำอื่น ๆ อย่างไรก็ตามค่าใช้จ่ายเหล่านี้ยังไม่สูงเท่ากับการใช้ทองแดงหรือเหล็กในสายเคเบิลมากขึ้น

ปัญหาอีกอย่างหนึ่งของ AC คือเอฟเฟกต์ผิวหมายความว่าคุณได้รับผลตอบแทนที่ลดลงในความต้านทานสำหรับเส้นผ่านศูนย์กลางขนาดใหญ่ นี่คือเหตุผลสำหรับระยะทางไกลจริง ๆ มันจะถูกกว่าในการส่ง DC จากนั้นจ่ายค่าใช้จ่ายในการแปลงให้เป็น AC เมื่อสิ้นสุดการรับ

$P$$I$$R$

สำหรับทุกๆสองเท่าของกระแสไฟฟ้ากำลังที่สูญเสียบนสายไฟจะเพิ่มเป็นสี่เท่า เพื่อชดเชยสิ่งนั้นเราจะต้องทำให้ความต้านทานน้อยลงสี่เท่านั่นคือเพิ่มส่วนตัดของเส้นลวดด้วยปัจจัยสี่ (เส้นผ่านศูนย์กลางของเส้นลวดคู่) หมายถึงทองแดงที่เพิ่มขึ้นสี่เท่า

ด้วยเหตุผลเดียวกันนี้กริดใช้พลังงานสูงถึงหลายร้อยกิโลโวลต์เพื่อขนส่งไฟฟ้า (การขนส่งในระดับแรงดันไฟฟ้าในครัวเรือนจะต้องใช้ลำดับทองแดงมากกว่าหนึ่งล้านเท่าเพื่อป้องกันการสูญเสีย)

กระแสสูงไม่เป็นที่พึงปรารถนาด้วยเหตุผลสองประการ กระแสแรกที่มีขนาดใหญ่ขึ้นนั้นต้องการตัวนำที่ใหญ่กว่า กระแสสูงที่สองคือความเสี่ยงจากไฟไหม้ในระบบกระแสสูงจำนวนเล็กน้อยของความต้านทานพิเศษจากการเชื่อมต่อที่ไม่ดีสามารถทำให้ร้อนขึ้นได้มาก

แรงดันไฟฟ้าสูงนั้นเป็นสิ่งที่ไม่พึงปรารถนาพวกเขาต้องการฉนวนที่หนากว่าต้องการช่องว่างสัมผัสที่ใหญ่กว่าในสวิตช์เกียร์และระยะห่างที่มากขึ้นระหว่างขั้วและก่อให้เกิดอันตรายจากไฟฟ้าช็อต

แน่นอนสำหรับแรงดันไฟฟ้าที่ลดลงจะเพิ่มกระแสและสลับกัน

ดังนั้นเราจำเป็นต้องหาสื่อที่มีความสุขสื่อที่มีความสุขที่สุดจะขึ้นอยู่กับระดับพลังงานที่เกี่ยวข้องและระดับรายละเอียดของโหลด ในทางปฏิบัติเราต้องประนีประนอมเพื่อความเข้ากันได้ผู้คนต้องการมีชุดสายไฟในบ้านซึ่งพวกเขาสามารถเสียบทุกอย่างได้

การได้รับความต้านทานต่ำอย่างน่าเชื่อถือนั้นเป็นประเด็นสำคัญ จนกระทั่งตัวนำไฟฟ้าที่อุณหภูมิห้องมีอยู่มันจะยังคงเป็นปัญหาใหญ่

แหล่งจ่ายไฟของพีซีส่วนใหญ่จะป้อนพลังงานสูงผ่านแรงดันไฟฟ้าต่ำ พวกเขามีลวดความรู้สึกบนรางไฟฟ้าที่ถูกผูกมัดกับปลายสายเคเบิล ฟีดนี้กลับไปที่วงจรควบคุมเพื่อเพิ่มแรงดันเพื่อชดเชยแรงดันตกจากการดึงกระแสสูงและความต้านทานภายในของลวด อย่างไรก็ตามมาเธอร์บอร์ดรุ่นใหม่จะดึงพลังงานส่วนใหญ่จากรางแรงดันไฟฟ้าสูงสุดเพื่อหลีกเลี่ยงการสูญเสียและควบคุมภายใน

โหลดแอมป์สูงยังต้องการตัวนำเนื้อวัวที่จะไม่ร้อนและละลายภายใต้กระแสสูง หากตัวนำเกิดความเสียหายในลักษณะใดก็ตามจุดนั้นจะมีความต้านทานสูงขึ้นและทำให้ความร้อนเพิ่มมากขึ้น

ดังที่คนอื่น ๆ ระบุไว้แรงดันไฟฟ้าที่สูงกว่ายิ่งสูญเสียพลังงานมากกว่าสายเคเบิลที่เชื่อมต่อพลังงานกับอุปกรณ์

พิจารณากำลังไฟที่เพิ่มขึ้นเป็นร้อย ๆ กิโลโวลต์สำหรับการส่งสัญญาณทางไกลผ่านกริดไฟฟ้า สิ่งเหล่านี้ถูกส่งไปยังเสาส่งไฟฟ้าที่ใหญ่ที่สุดซึ่งต้องการพื้นที่จำนวนมากเพื่อป้องกันไม่ให้สายไฟอยู่ห่างจากกัน มันเป็นแรงดันไฟฟ้าที่อันตรายมากและไม่สะดวกอย่างสมบูรณ์เมื่อคุณจำเป็นต้องใช้พลังงานในการตั้งค่าปกติ - มันจะช่วยให้พลังงานสามารถขนส่งได้อย่างมีประสิทธิภาพในระยะทางที่ไกลมาก

เมื่อไปถึงสถานีย่อยในท้องถิ่นมันจะลดแรงดันไฟฟ้าให้บางอย่างตามคำสั่งของกิโลโวลต์และดำเนินการบนหอคอยและเสาเล็ก ๆ (หรือใต้ดิน) ให้กับลูกค้าโรงงานขนาดใหญ่และหม้อแปลงไฟฟ้าจำหน่าย แรงดันไฟฟ้าเหล่านี้จะลดลงอีกครั้งถึงระดับไฟในครัวเรือนของคุณ (100-240V) ในระดับนี้แรงดันไฟฟ้าสูงพอที่จะทำให้การขนส่งพลังงานรอบ ๆ บ้านของคุณมีประสิทธิภาพ (บนสายที่มีขนาดพอสมควร) แต่ก็ต่ำพอที่พวกเขาจะไม่มีปัญหาเรื่องแรงดันไฟฟ้าที่ส่งผ่านสูง (การรบกวน RF, อันตรายจากอาร์ค ฯลฯ ) .

พิจารณาตอนนี้บางอย่างเช่นคอมพิวเตอร์ - แรงดันไฟหลักทำให้เกิดการสูญเสียต่ำผ่านสายไฟในบ้านของคุณจนกว่าจะถึงแหล่งจ่ายไฟ ณ จุดนี้มันลดลงเป็น 5V และ 12V (DC) ที่นี่พลังจะต้องทำให้มันอยู่ในระยะที่สั้นมากกับเมนบอร์ดและส่วนประกอบและการมีสายไฟบาง ๆ ที่ระดับแรงดันไฟภายในกรณีเช่นนี้ไม่สะดวก ไม่มีอุปกรณ์ภายในใด ๆ ในคอมพิวเตอร์ที่สามารถทำงานบนแรงดันไฟฟ้าสูงเช่นนี้โดยตรงดังนั้น PSU จึงมีการแปลงพลังงานให้เป็นรูปแบบที่มีประโยชน์สำหรับอุปกรณ์ปลายทาง

บนตัวเมนบอร์ดนั้นแรงดันจะลดลงอีกครั้งเพื่อป้อน RAM ชิปเซ็ตและ CPU ซึ่งเป็นฮาร์ดแวร์ที่ละเอียดอ่อนซึ่งจะถูกทำลายโดยแรงดันไฟฟ้าที่สูงกว่าประมาณ 1.3V ที่นี่พลังงานต้องการย้ายเพียงไม่กี่เซนติเมตรหรือน้อยกว่าและซีพียูทั่วไปสามารถวาดบางสิ่งบางอย่างระหว่าง 60-80 แอมป์ของกระแสที่แรงดันต่ำมาก ดังนั้นที่นี่คุณมี 90W CPU วาดที่ 70A ที่ 1.3V จาก voltage regulator วาด 7.5A ที่ 12V จาก PSU ซึ่งวาด 0.75A ที่ 120V จากปลั๊กในผนังซึ่งวาด 23mA ที่ 4kV จากหม้อแปลงย่าน ซึ่งขึ้นบรรทัดกำลังดึง 230 microamps จากเส้นทางไกลบนกริด

ในตอนท้ายของวันมันเกี่ยวกับการจับคู่แหล่งจ่ายไฟกับโหลดอย่างมีประสิทธิภาพ ซึ่งมักจะหมายถึงการเปลี่ยนพลังงานไฟฟ้าหลาย ๆ ครั้งในแต่ละจุดเป็นแรงดันที่เหมาะสมกับการใช้งาน

กล่าวง่ายๆว่าแรงดันต่ำต้องการกระแสไฟฟ้าสูง กระแสสูงทำให้เกิดความเครียดจากความร้อนในส่วนประกอบทั้งหมดในวงจร และคุณต้องมีการเดินสายที่หนาขึ้นเป็นโบนัส แรงดันไฟฟ้าสูงไม่ได้เน้นส่วนประกอบส่วนใหญ่ตราบใดที่คุณไม่ได้สั้นอะไร ..

คุณสามารถจ่ายไฟอุปกรณ์ 60W จาก 12A @ 5V PSU ได้แน่นอน แต่ 12A นั้นเป็นกระแสที่ค่อนข้างสูงสำหรับตัวเชื่อมต่อเฟอร์ไรต์ตัวเหนี่ยวนำ ..

จากมุมมองด้านความปลอดภัย 24VDC มักจะใช้โดยเฉพาะอย่างยิ่งในการตั้งค่าทางการแพทย์ แรงดันไฟฟ้าที่สูงขึ้นอาจถูกนำมาใช้ขึ้นอยู่กับเขตอำนาจศาล แต่ตัวเลือกยอดนิยมคือการหุ้มฉนวนของอุปกรณ์เพื่อให้คุณไม่สามารถใช้นิ้วของคุณกับวงจรสด

ในฐานะที่เป็นภาคผนวกของคำตอบอื่น ๆ มีกฎทั่วไปว่าระยะการส่งพลังงานที่เหมาะสมสำหรับแรงดันไฟฟ้า V อยู่ที่ประมาณ V ฟุต ถ้าคุณคิดว่าคุณต้องการวิ่งไปไกลแค่ไหนพูดถึง 12V กับโคมไฟที่ใช้กระแสไฟที่สำคัญ (เช่นหลอดฮาโลเจนที่กลายเป็นที่นิยมมากใน 90s และตอนนี้สง่าราศีถูกแทนที่ด้วยหลอด LED), 12 เท้าไม่ใช่แนวทางที่ไม่ดี ในทำนองเดียวกันสำหรับ 230V, 230 ฟุตจากหม้อแปลงไปยังหลอดไฟในบ้านทำงานได้ค่อนข้างดี

ไม่เคยเป็นกฎที่ยากและรวดเร็วเพียงแค่การประมาณแน่นอน