为什么我们不将低压电源用于高功率应用?


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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。


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欧姆定律表明,对于给定功率,电压越低,电流就会增加。馈入给定功率时的功率损耗为电流的平方,因此在较低电压下馈电损耗更大。
Optionparty

开尔文定律值得一看。
安迪(aka Andy)

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哦,在主题上,点焊机就是使用高电流/低电压的高功率设备的一个示例。它们通过利用待焊接金属的电阻在焊接点产生热量来工作。
pjc50

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您是否曾经看过汽车中的启动马达?它们是功能强大的(> 1kW)电动机,以12V(约100A)供电。比较它们的电缆尺寸和吹风机的电缆(约1kW)...
frarugi87

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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。
Capn Jack

Answers:


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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。


提到压降在低电压下要明显得多,这确实是一个很好的观点。谢谢你这么好的回答。当我得到我的问题的答案以及一些答案时,我会喜欢它!:)
CAPN杰克

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我可能会补充说,在处理高压传输线时,我们通常会忽略电阻,因为电感比电阻大得多。流经传输线的有功功率为(V ^ 2 / X)*sinθ,其中V为电压,X为感抗,θ为两端之间的相角。因此,即使在这种情况下,高压也是非常有益的。实际上,就是传输线使用高压的原因-限制因素通常是静态角度稳定性。
ntoskrnl

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@ntos:关于电感占优的要点。就功率损耗和电源线的耗散而言,电阻仍然很重要。由于环境温度高而导致的电源线下垂,再加上由于高负载而导致的发热,由于与树木等的短路而导致断电。出于某些目的,可以忽略阻力,但对于其他目的,则不能忽略。
奥林·拉斯洛普

一个与之相关的问题:为什么电力机车使用的输电线路电压(数十KV电平)相对较低的电动机电压(KV或低于KV电平)?
user3528438

@ user3528438 TGV(可能还有其他接触网供电的)列车可以使用25 kV,但是地铁“第三轨”列车(芝加哥的L型列车使用600 V DC)需要更多地担心诸如电弧,安全性和寄生电阻等问题下雨的时候。我愿意打赌,第三条滑轨的维护和操作成本比悬链线便宜,并且在最高时速为55-70 MPH时可以正常工作。
尼克

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P=V一世
V=[R一世

P=一世2[R

P一世[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)。


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+1,这是对以前发布的有关传导组件功耗的内容的很好解释。
Capn Jack

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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。


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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。


这是我所怀疑的很多东西,谢谢!关于PC电源也很有趣。真的很酷。
Capn Jack

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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。


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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。


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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。

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