고전력 애플리케이션에 저전압 전원을 사용하지 않는 이유는 무엇입니까?

옴의 법칙과 관련된 슈퍼 누비 문제는 오늘 아침에 염두에 두었습니다.

60W 장치가 있는데 전원을 공급하고 싶다고 가정 해보십시오. 일반적으로 이것은 120V 소스 또는 무언가를 요구합니다. 그러나 5V 소스를 사용하고 실제로 낮은 저항으로 12A를 끌어 내지 않는 이유는 무엇입니까? 주로 안전 목적입니까? 아니면 12A를 달성하기에 충분히 낮은 저항을 얻는 데 문제가 있습니까?

나는 인터넷 검색을 시도했지만별로 나타나지 않았습니다. 아마 정말 명백하지만 궁금합니다 ..

중복 마크 편집 : 중복 제안은 비슷합니다. 그러나 직렬 대 병렬 셀에 대해 논의하고 흥미로운 정보를 추가하지만 정확히 내가 요구하는 것은 아닙니다. 이 게시물에 제공된 답변이 훨씬 유용했습니다.

편집 2 : 복제 표시가 완료되었으므로 원래 편집 내용을 다시 추가했습니다.

당신은 전력이 전압과 전류의 곱이라는 점에서 옳습니다. 이것은 원하는 전력으로 나오기만하면 모든 전압 x 전류 조합이 양호하다는 것을 나타냅니다.

그러나 현실 세계에는 다양한 현실이 있습니다. 가장 큰 문제는 저전압에서 전류가 높아야하며, 고전류가 처리하기에 비싸고, 비싸거나 비효율적이라는 것입니다. 또한 전압이 불편하여 비싸거나 큰 것을 의미하는 전압 제한이 있습니다. 그러므로 우리가 다루는 불편한 물리학에 가장 적합한 중간 범위가 중간에 있습니다.

예를 들어 60W 장치를 사용하려면 120V 및 500mA를 고려하십시오. 또한 특별한 어려움이나 비용을 초래할 수있는 제한을 강요하지 않습니다. 200V까지 절연 (특히 절연 등급의 경우 항상 약간의 여유를 두어야 함)하지 않으면 거의 발생하지 않습니다. 500mA는 비정상적으로 두껍거나 비싼 와이어가 필요하지 않습니다.

5V와 12A는 확실히 가능하지만 이미 일반적인 "후크 업"와이어를 사용할 수는 없습니다. 처리 할 와이어 12A는 500mA를 처리 할 수있는 와이어보다 훨씬 두껍고 비용이 많이 듭니다. 즉, 실제 비용이 많이 들고 전선의 유연성이 떨어지고 두께가 두꺼워지는 구리가 더 많습니다.

다른 한편으로는 120V에서 5V로 떨어 뜨려서 크게 얻지 못했습니다. 한 가지 장점은 안전 등급입니다. 일반적으로 48V 이하에서는 레귤레이터가 더 간단 해집니다. 30V까지 낮아질 때까지 10V 만 처리하면 트랜지스터 등을 많이 절약 할 수 있습니다.

더 나아가 60A에서 1V는 매우 불편합니다. 이러한 저전압에서 시작하면 케이블의 전압 강하가 작을수록 피하기가 더 어려워 질 때 더 큰 비효율이됩니다. 총 100mΩ 출력 및 후면 저항을 가진 케이블을 고려하십시오. 전체에 1V가 가득 차더라도 10A 만 소비하므로 장치에 전압이 없습니다.

장치에서 900mV 이상을 원하므로 케이블의 전력 손실을 보상하기 위해 67A를 제공해야한다고 가정 해 봅시다. 케이블은 (100 mV) / (67 A) = 1.5 mΩ의 아웃 / 백 총 저항을 가져야합니다. 총 1m의 케이블에서도 상당히 두꺼운 도체가 필요합니다. 그리고 여전히 6.7W를 소비합니다.

고전류를 다루는 데있어서 이러한 어려움은 유틸리티 규모의 송전선이 고전압이기 때문이다. 이 케이블의 길이는 100 마일에 달하므로 직렬 저항이 추가됩니다. 유틸리티는 100 마일의 케이블을 더 저렴하게 만들고 전력 소비를 줄 이도록 최대한 높은 전압을 만듭니다. 고전압은 일부 비용이 들기 때문에 케이블 주위의 다른 도체와의 간격을 크게 유지해야합니다. 그러나 이러한 비용은 케이블에 더 많은 구리 또는 강철을 사용하는 것만 큼 높지 않습니다.

AC의 또 다른 문제는 피부 효과 가 더 큰 직경에 대한 저항 감소를 의미한다는 것입니다. 그렇기 때문에 실제로 장거리에서는 DC를 전송하는 것이 더 저렴 해지고 수신단에서이를 AC로 변환하는 비용을 지불해야합니다.

결합 옴의 법칙과 구하는 :V = R ⋅

여기서 는 공급 와이어에서 소비되는 전력, 는 와이어를 통해 흐르는 전류, 은 와이어의 저항입니다.I $P$$I$$R$

전류가 2 배가 될 때마다 전선의 전력 손실이 4 배가됩니다. 이를 보상하기 위해서는 저항을 4 배 더 작게 만들어야합니다. 즉, 4 배 더 많은 구리를 의미하는 4 배 (와이어 직경의 두 배)로 와이어 단면을 증가시켜야합니다.

같은 이유로 전력망은 전기를 수송하기 위해 최대 수백 킬로 볼트를 사용합니다 (가정용 전압의 전송은 손실을 동일하게 유지하기 위해 백만 배 더 많은 구리가 필요합니다).

고전류는 몇 가지 이유로 바람직하지 않습니다. 첫째, 더 큰 전류에는 스위치 기어에 더 큰 도체와 더 큰 접점이 필요합니다. 둘째, 고전류는 화재의 위험이 있으며, 고전류 시스템에서는 나쁜 연결로 인한 추가 저항의 작은 양이 매우 뜨거워 질 수 있습니다.

고전압은 또한 바람직하지 않으며, 더 두꺼운 절연체를 필요로하고, 스위치 기어에서 더 큰 접촉 간격과 단자 사이의 더 큰 간격이 필요하며 감전 위험이 더 높습니다.

물론 주어진 전력 감소 전압에 대해 전류가 증가하고 그 반대도 마찬가지입니다.

따라서 우리는 행복한 매체를 찾아야합니다. 가장 행복한 매체는 관련된 전력 수준과 어느 정도의 부하 세부 사항에 달려 있습니다. 실제로 우리는 호환성을 위해 타협해야합니다. 사람들은 집안에 모든 것을 연결할 수있는 하나의 배선 세트를 원합니다.

매우 낮은 저항을 안정적으로 달성하는 것이 중요한 문제입니다. 실온 초전도체가 존재할 때까지 큰 문제가 남아 있습니다.

많은 PC 전원 공급 장치가 저전압에서 높은 전력을 공급합니다. 전원 레일에는 케이블 끝에 연결되는 감지 와이어가 있습니다. 이는 레귤레이터 회로로 피드백되어 고전류 인출 및 와이어의 내부 저항으로 인한 전압 강하를 보상하기 위해 전압을 상승시킵니다. 그러나 최신 마더 보드는 손실을 피하고 내부적으로 조절하기 위해 대부분의 전력을 최고 전압 레일에서 끌어옵니다.

높은 전류 부하는 또한 높은 전류에서 가열 및 녹지 않는 강력한 도체가 필요합니다. 도체가 어떤 식 으로든 손상되면 그 점은 더 높은 저항을 가지며 더 많이 가열됩니다.

다른 사람들이 지적했듯이, 전압이 높을수록 전원을 장치에 연결하는 케이블에서 전력 손실이 줄어 듭니다.

전기 그리드를 통한 장거리 전송을 위해 최대 수백 킬로 볼트까지 증가되는 주 전원을 고려하십시오. 이들은 전선을 서로 멀리 떨어 뜨려 놓을 수있는 거대한 공간이 필요한 가장 큰 송전탑에 실려 있습니다. 그들은 매우 위험한 전압이며 정상적인 설정에서 전원을 사용해야 할 때 완전히 불편합니다. 그러나 매우 먼 거리에서 효율적으로 전원을 전송할 수 있습니다.

지역 변전소에 도착하면 수십 킬로 볼트 정도의 전압으로 전압이 감소하고 더 ​​큰 타워와 기둥 (또는 지하)을 통해 대형 시설 고객과 인근 배전 변압기에 전달됩니다. 그런 다음 전압을 가정용 주전원 레벨 (100-240V)로 다시 낮 춥니 다. 이 수준에서 전압은 집 주변의 전력을 효율적으로 수송 할 수있을 정도로 충분히 높지만 (합리적 크기의 전선에서) 높은 전송 전압 문제 (RF 간섭, 아크 위험 등)가 많이 발생하지 않을 정도로 낮습니다. .

이제 컴퓨터와 같은 것을 생각해보십시오. 주전원 전압은 전원 공급 장치에 도달 할 때까지 집안의 전선을 통해 손실이 적습니다. 이 시점에서 5V 및 12V (DC)로 더 줄어 듭니다. 여기서 전력은 마더 보드 및 구성 요소와 매우 짧은 거리를 유지하기 만하면되며, 이러한 경우 내부의 주 전압 레벨에서 매우가는 와이어를 갖는 것은 실제로 편리하지 않습니다. 어쨌든 컴퓨터의 내부 장치는 이러한 고전압에서 직접 작동 할 수 없으므로 PSU는 전원을 최종 장치에 유용한 형태로 수렴합니다.

마더 보드 자체에서 전압이 다시 감소되어 RAM, 칩셋 및 CPU에 공급됩니다. 후자는 약 1.3V보다 훨씬 높은 전압에 의해 파괴되는 섬세한 하드웨어입니다. 여기서 전력은 몇 센티미터 이하로만 이동하면되며 일반적인 CPU는 매우 낮은 전압에서 60-80A의 전류를 소비 할 수 있습니다. 따라서 여기에는 이웃 변압기에서 4kV에서 23mA를 그리는 벽의 플러그에서 120V에서 0.75A를 그리는 PSU에서 12V에서 7.5A를 그리는 전압 조정기에서 1.3V에서 70A를 그리는 90W CPU가 있습니다. 라인 위의 그리드에서 장거리 라인에서 230 마이크로 암페어를 당기고 있습니다.

하루가 끝나면 효율적인 방식으로 전원 공급 장치를 부하에 맞추는 것입니다. 이는 일반적으로 각 지점에서 전력을 여러 번 애플리케이션에 적합한 전압으로 변환하는 것을 의미합니다.

간단히 말해서, 저전압에는 높은 전류가 필요합니다. 높은 전류는 회로의 모든 구성 요소에 많은 열 응력을가합니다. 그리고 보너스로 더 두꺼운 배선이 필요합니다. 고전압은 단락을 일으키지 않는 한 대부분의 구성 요소에 스트레스를주지 않습니다.

12A @ 5V PSU에서 60W 장치에 전력을 공급할 수 있지만 12A는 이미 커넥터, 페라이트, 인덕터에 대해 다소 높은 전류입니다.

안전의 관점에서, 특히 의료 환경에서 24VDC가 종종 사용됩니다. 관할권에 따라 더 높은 전압이 사용될 수 있지만 일반적인 옵션은 장치를 절연하여 손가락을 라이브 회로에 붙일 수 없도록하는 것입니다.

다른 답변에 대한 일화 부록으로, 일부 전압 V에 대한 적절한 전력 전송 거리는 약 V 피트라는 오래된 경험 법칙이 있습니다. 예를 들어 12V에서 상당한 전류를 끌어 오는 조명기구에 얼마나 멀리 달릴 것인지 생각하면 (예 : 90 년대에 매우 유행하고 현재는 LED로 대체되는 할로겐 램프), 12 발은 나쁜 가이드가 아닙니다. 마찬가지로 230V의 경우 변압기에서 가정용 전구까지 230 피트가 잘 작동합니다.

단단하고 빠른 규칙은 아니며 근사치입니다.