为什么我们不将低压电源用于高功率应用？

涉及欧姆定律的超级努比问题，但今天上午一直在考虑。

假设我有一台60W的设备，并且想为其供电。通常，这需要120V电源或其他电压。但是，为什么不使用5V电源并以低电阻汲取12A电流呢？主要是出于安全目的吗？还是将电阻降低到足以达到12安培的问题？

我尝试使用谷歌搜索，但没有太多。可能真的很明显，但只是想知道..

编辑重复标记：重复建议类似；但是，它讨论了串联电池还是并联电池，并添加了有趣的信息，但这并不是我要问的。这篇文章提供的答案对我来说更有用。

编辑2：现在，复制标记已通过，我又添加了原始编辑。

您是对的，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，只要达到所需的功率即可。

但是，回到现实世界后，我们遇到了各种各样的现实。最大的问题是在低电压下，电流需要很高，并且高电流昂贵，大和/或处理效率低。电压上也有一个限制，超过该电压会带来不便，这意味着价格昂贵或过大。因此，中间的范围适中，最适合我们处理不便的物理问题。

以您的60 W设备为例，首先考虑120 V和500 mA。都不会推动任何导致异常困难或费用的限制。除非您不尝试将其绝缘到200 V（总是留有余量，尤其是绝缘额定值），否则几乎会发生这种情况。500 mA不需要异常粗或昂贵的电线。

5 V和12 A当然是可行的，但是已经不能只使用普通的“连接”导线。与可处理500 mA的电线相比，用于处理12 A的电线将更粗且成本更高。这意味着要花更多的铜，这要花真钱，会使电线的挠性降低，并使之更粗。

另一方面，将电压从120 V降至5 V并没有带来什么好处。一个优点是安全等级。通常在48 V或更低的电压下，调节器变得更简单。当您降低到30 V时，如果晶体管等只需要处理10 V，就不会节省太多。

更进一步，在60 A时1 V将非常不便。通过在如此低的电压下启动，电缆中较小的压降会变得更加明显，导致效率低下，正好是很难避免的时候。考虑电缆的总输出和反向电阻仅为100mΩ。即使整个两端都具有1 V的电压，它也只能吸收10 A的电流，并且不会为器件留下任何电压。

假设您希望设备至少有900 mV的电压，因此需要提供67 A的电流以补偿电缆中的功率损耗。电缆的输出和输出总电阻必须为（100 mV）/（67 A）= 1.5mΩ。即使在总共1 m的电缆上，也需要相当粗的导体。并且，它仍然会耗散6.7W。

处理高电流的困难是公用事业规模的输电线路是高电压的原因。这些电缆可能长达100英里，因此串联电阻会增加。公用事业使电压尽可能高，从而使100英里的电缆便宜，并减少了电力消耗。高压确实要花费一些，这主要是保持电缆周围与其他导体的更大间隙的要求。但是，这些成本还不如在电缆中使用更多的铜或钢那么高。

AC的另一个问题是集肤效应意味着您对于较大直径的电阻的收益递减。这就是为什么对于长距离而言，传输DC变得更便宜，然后在接收端支付将其转换为AC的费用。

$P$$I$$R$

电流每增加一倍，电线上的功率损耗将增加四倍。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大四倍（导线直径的两倍），这意味着要多四倍的铜。

出于同样的原因，电网要消耗多达数百千伏的电压来传输电力（以家庭水平的电压进行传输，所需的铜要多一百万倍才能保持相同的损耗）。

由于两个原因，不希望有高电流。首先，较大的电流需要较大的导体和开关设备中的较大触点。其次，高电流有引发火灾的危险，在高电流系统中，由于连接不良而产生的少量额外电阻会很容易发热。

高压也是不希望有的，它们需要更厚的绝缘体，在开关设备中需要更大的接触间隙，在端子之间需要更大的间距，并带来更多的电击危险。

当然对于给定的功率降低电压将增加电流，反之亦然。

因此，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进行折衷，人们希望在自己的房屋中使用一套布线，以便将所有东西都插入其中。

可靠地实现真正的低电阻是一个主要问题。在存在室温超级导体之前，它将仍然是一个大问题。

许多PC电源将通过低压提供高功率。它们在电源导轨上有一根传感线，该传感线与电缆的末端相连。这会反馈到调节器电路以提高电压，以补偿由于高电流消耗和导线内部电阻引起的电压降。但是，现代主板会从最高电压轨中吸收大部分功率，以避免损耗并在内部对其进行调节。

高安培负载还需要坚固的导体，该导体在高电流下不会加热并熔化。如果导体以任何方式损坏，则该点将具有更高的电阻并发热更多。

正如其他人指出的那样，电压越高，将电源连接到设备的电缆上的功率损耗越低。

考虑将主电源提升到数百千瓦，以通过电网进行远距离传输。它们被装在最大的输电铁塔上，该输电铁塔需要大量空间，以使电线彼此之间以及可能接触的任何物体保持远离。它们是非常危险的电压，当您需要在正常设置下使用电源时，完全不方便-但是，它的确可以在很长的距离内有效地传输电源。

当到达本地变电站时，它的电压将降低到几十千瓦的数量级，并携带在较小的塔架和电线杆（或地下）上，供大型设施客户和附近的配电变压器使用。然后，这些电压会再次将电压降低到家用电源水平（100-240V）。在此级别上，电压足够高，可以在房屋中有效传输功率（通过合理尺寸的电线），但电压又足够低，不会引起许多传输电压过高的问题（RF干扰，电弧危险等） 。

现在考虑一下像计算机之类的东西-电源电压通过房屋中的电线以低损耗的方式进入，直到达到电源为止。此时，它会进一步降低到5V和12V（DC）。在这里，电源仅需要使其与主板和组件的距离非常短，并且在这种情况下，在市电电压水平下使用非常细的电线并不十分方便。无论如何，计算机中的任何内部设备都无法直接在如此高的电压下运行，因此PSU可以将电源转换为对终端设备有用的形式。

在母板本身上，电压再次降低以馈送给RAM，芯片组和CPU-后者是一种精密的硬件，会被电压远高于1.3V破坏。在这里，电源仅需要移动几厘米或更短的时间，而典型的CPU可以在非常低的电压下消耗60-80安培的电流。因此，这里有一个90W CPU，一个130V的稳压器以70V的电流从PSU的7.5A以12V的电压汲取，而从墙上的插头以120V的0.75A以0.75A的电流从邻居的变压器以4kV的电压吸取23mA的电流。沿着线路，从电网上的长距离线路拉出230微安的电流。

归根结底，这是关于有效地将电源与负载匹配。这通常意味着将电能多次转换，在每个点上转换为适合应用的电压。

简而言之，低电压需要大电流。高电流在电路上的所有组件上施加了很大的热应力。而且，您还需要增加粗线作为奖励。只要您不短路，高压就不会对大多数组件造成压力。

您绝对可以使用12A @ 5V PSU为60W的设备供电，但是对于连接器，铁氧体，电感器来说12A已经是相当高的电流。

从安全角度考虑，经常使用24VDC，特别是在医疗环境中。根据管辖范围的不同，可能会使用更高的电压，但普遍的选择是仅对设备进行绝缘，以免手指触碰带电的电路。

作为其他答案的轶事附录，有一条古老的经验法则，即某个电压V的适当功率传输距离约为V英尺。如果您考虑要运行多远的距离，例如将12V电压施加到吸引大量电流的灯具上（例如，卤素灯在90年代变得非常流行，现在却很荣耀地被LED取代了），12脚不是一个坏向导。同样对于230V，从变压器到家用灯泡的230英尺也可以正常工作。

从来没有硬性规定，只是一个近似值。