为什么我们不在高功率应用中使用低压电源?

电器工程 电源 电压 力量 电阻器 欧姆定律
2022-01-21 11:15:52

涉及欧姆定律的超级菜鸟问题,但今天早上一直在考虑这个问题。

假设我有一个 60W 的设备,我想给它供电。通常这需要 120V 电​​源或其他东西。但是,为什么不使用 5V 电源并以非常低的电阻消耗 12A 电流呢?主要是出于安全目的吗?或者将电阻降低到足以达到 12 安培是否存在问题?

我试着用谷歌搜索这个,但没有找到太多。可能真的很明显,但只是想知道..

编辑重复标记:重复的建议是相似的;但是,它讨论了串联与并联单元并添加了有趣的信息,但这并不是我要问的。这篇文章中提供的答案对我来说更有用。

编辑 2:既然重复标记已经通过,我又添加了我的原始编辑。

4个回答

你是对的,功率是电压和电流的乘积。这表明任何电压 x 电流组合都可以,只要它达到所需的功率即可。

然而,回到现实世界,我们有各种各样的现实阻碍。最大的问题是,在低电压下,电流需要很高,而高电流是昂贵的、大的和/或处理效率低下。电压也有一个限制,超过这个限制就会变得不方便,这意味着昂贵或大。因此,中间有一个适度的范围,最适合我们处理的不方便的物理问题。

以您的 60 W 设备为例,首先考虑 120 V 和 500 mA。也没有推动任何导致异常困难或费用的限制。除非您尽量不这样做,否则几乎会发生绝缘至 200 V(总是留有一些余量,尤其是绝缘等级)。500 mA 不需要异常粗或昂贵的电线。

5 V 和 12 A 肯定是可行的,但你已经不能只使用普通的“连接”线。处理 12 A 的电线将比处理 500 mA 的电线更粗,成本也更高。这意味着更多的铜,这会花费真金白银,使电线的柔韧性降低,并使其更粗。

另一方面,从 120 V 降至 5 V 并没有获得太多收益。一个优势是安全等级。通常在 48 V 及以下,事情变得更简单的调节器。当你降到 30 V 时,如果晶体管等只需要处理 10 V,它们并没有多少节省。

更进一步,60 A 时的 1 V 将非常不方便。通过在如此低的电压下启动,电缆中较小的电压降会变得更加低效,而此时正变得更加难以避免它们。考虑一根总输出和后向电阻只有 100 mΩ 的电缆。即使有 1 V 的电压,它也只会消耗 10 A 的电流,这不会为设备留下任何电压。

假设您希望设备至少有 900 mV,因此需要提供 67 A 电流来补偿电缆中的功率损耗。电缆需要具有 (100 mV)/(67 A) = 1.5 mΩ 的输出和返回总电阻。即使电缆总长为 1 m,也需要相当粗的导体。而且,它仍会耗散 6.7 W。

处理大电流的这种困难是公用事业规模输电线路是高压的原因。这些电缆可能长达 100 英里,因此串联电阻会增加。公用事业公司尽可能地提高电压,以使 100 英里长的电缆更便宜,并减少电力浪费。高压确实需要一些成本,这主要是为了在电缆周围与任何其他导体保持更大的间隙。尽管如此,这些成本并不像在电缆中使用更多的铜或钢那样高。

AC 的另一个问题是趋肤效应意味着您在更大直径的电阻中获得递减的回报。这就是为什么对于很长的距离,传输直流电变得更便宜,然后支付费用在接收端将其转换为交流电。

结合与欧姆定律得到:

P=VI
V=RI

P=I2R

其中是电源线上消耗的功率,是流过电线的电流,是电线的电阻。PIR

电流每增加一倍,电线上的功率损失就会增加四倍。为了弥补这一点,必须将电阻减小四倍,即将导线的横截面增加四倍(导线直径的两倍),这意味着铜线增加四倍。

出于同样的原因,电网使用高达数百千伏的电压来传输电力(以家庭级电压进行传输需要大约一百万倍的铜才能保持相同的损耗)。

出于几个原因,大电流是不可取的。首先,更大的电流需要更大的导体和更大的开关设备触点。其次,大电流存在火灾风险,在大电流系统中,由于连接不良而产生的少量额外电阻很容易变得非常热。

高电压也是不可取的,它们需要更厚的绝缘体,需要更大的开关设备中的接触间隙和更大的端子间距,并造成更多的电击危险。

当然,对于给定的功率,降低电压会增加电流,反之亦然。

所以我们需要找到一个快乐的媒介,最快乐的媒介将取决于所涉及的功率水平,并且在某种程度上取决于负载的细节。在实践中,我们还必须在兼容性方面做出妥协,人们希望在他们的房子里有一套接线,他们可以插入所有东西。

可靠地实现真正的低电阻是一个主要问题。在室温超导体存在之前,它仍然是一个大问题。

许多 PC 电源将通过低电压提供高功率。它们在连接到电缆末端的电源轨上有一根感应线。这会反馈到调节器电路以提高电压,以补偿因大电流消耗和导线内部电阻而产生的电压降。然而,现代主板将从最高电压轨汲取大部分电力,以避免损失并在内部对其进行调节。

高安培负载还需要在高电流下不会加热和熔化的坚固导体。如果导体以任何方式损坏,该点将具有更高的电阻并加热更多。