¿Por qué no usamos fuentes de energía de bajo voltaje para aplicaciones de alto vataje?

Tienes razón en que la energía es el producto del voltaje y la corriente. Esto indicaría que cualquier combinación de voltaje x corriente estaría bien, siempre y cuando salga a la potencia deseada.

Sin embargo, en el mundo real, tenemos varias realidades que se interponen en el camino. El mayor problema es que a bajo voltaje, la corriente debe ser alta y que la corriente alta es costosa, grande y / o ineficiente de tratar. También hay un límite en el voltaje por encima del cual se vuelve inconveniente, lo que significa caro o grande. Por lo tanto, existe un rango moderado en el medio que funciona mejor con los inconvenientes físicos con los que nos ocupamos.

Usando su dispositivo de 60 W como ejemplo, comience considerando 120 V y 500 mA. Tampoco está empujando ningún límite que resulte en dificultades o gastos inusuales. El aislamiento a 200 V (siempre deje un margen, especialmente para la clasificación de aislamiento) ocurre casi a menos que intente no hacerlo. 500 mA no requiere un cable inusualmente grueso o costoso.

5 V y 12 A es ciertamente factible, pero ya no se puede usar el cable de conexión normal. El cable para manejar 12 A será más grueso y costará considerablemente más que el cable que puede manejar 500 mA. Eso significa que más cobre, que cuesta dinero real, hace que el cable sea menos flexible y lo hace más grueso.

En el otro extremo, no ha ganado mucho al pasar de 120 V a 5 V. Una ventaja es la clasificación de seguridad. En general, a 48 V y por debajo, las cosas se vuelven más sencillas en términos de regulación. Cuando llegue a los 30 V, no hay mucho ahorro en los transistores y similares si solo necesitan manejar 10 V.

Tomando esto más lejos, 1 V a 60 A sería bastante inconveniente. Al comenzar con un voltaje tan bajo, las caídas de voltaje más pequeñas en el cable se vuelven ineficiencias más significativas, justo cuando es más difícil evitarlas. Considere un cable con solo 100 m out de resistencia total y posterior. Incluso con la 1 V completa a través de ella, solo consumiría 10 A, y eso no deja ningún voltaje para el dispositivo.

Supongamos que desea al menos 900 mV en el dispositivo y, por lo tanto, necesita entregar 67 A para compensar la pérdida de energía en el cable. El cable debería tener una resistencia total de retroceso y retroceso de (100 mV) / (67 A) = 1.5 mΩ. Incluso a un total de 1 m de cable, eso requeriría un conductor bastante grueso. Y, todavía disiparía 6,7 W.

Esta dificultad al tratar con alta corriente es la razón por la que las líneas de transmisión de energía a escala de servicio público son de alto voltaje. Estos cables pueden medir 100s de millas de largo, por lo que la resistencia de la serie aumenta. Los servicios públicos hacen que el voltaje sea tan alto como sea posible para que los cientos de kilómetros de cable sean más baratos y para que desperdicie menos energía. El alto voltaje cuesta algo, que es principalmente el requisito de mantener una distancia mayor alrededor del cable a cualquier otro conductor. Sin embargo, estos costos no son tan altos como usar más cobre o acero en el cable.

Otro problema con la CA es que el efecto piel significa que obtienes rendimientos decrecientes en la resistencia para diámetros más grandes. Esta es la razón por la cual, para distancias realmente largas, es más barato transmitir DC, y luego pagar los gastos para convertirlo en AC en el extremo receptor.

Combina $$ P = V \ cdot I $$ con la ley de Ohm $$ V = R \ cdot I $$ para obtener:

$$ P = I ^ 2 \ cdot R $$

donde \ $ P \ $ es la potencia disipada en los cables de alimentación, \ $ I \ $ es la corriente que fluye a través de los cables y \ $ R \ $ es la resistencia de los cables.

Por cada duplicación de la corriente, la potencia perdida en los cables se cuadruplica. Para compensar eso, uno tendría que hacer la resistencia cuatro veces más pequeña, es decir, aumentar la sección transversal del cable en un factor de cuatro (el doble del diámetro del cable), lo que significa cuatro veces más cobre.

Por la misma razón, la red eléctrica utiliza hasta varios cientos de kilovoltios para transportar electricidad (el transporte a voltajes a nivel doméstico requeriría del orden de un millón de veces más cobre para mantener las pérdidas iguales).

Las corrientes altas son indeseables por un par de razones. En primer lugar, las corrientes más grandes requieren conductores más grandes y contactos más grandes en el equipo de distribución. En segundo lugar, las corrientes altas son un riesgo de incendio, en un sistema de alta corriente una pequeña cantidad de resistencia adicional de una mala conexión puede calentarse fácilmente.

Los voltajes altos también son indeseables, requieren aisladores más gruesos, requieren espacios de contacto más grandes en el equipo de conmutación y una mayor separación entre los terminales y representan un riesgo mayor de descarga eléctrica.

Por supuesto, para un voltaje de reducción de potencia dado aumentará la corriente y viceversa.

Así que necesitamos encontrar un medio feliz, el medio más feliz dependerá del nivel de potencia involucrado y, en cierta medida, de los detalles de la carga. En la práctica, también debemos comprometernos con la compatibilidad, las personas desean tener un conjunto de cableado en su casa en el que puedan enchufar todo.

Lograr la resistencia realmente baja de manera confiable es un problema importante. Hasta que no existan los super conductores de temperatura ambiente, seguirá siendo un gran problema.

Muchas fuentes de alimentación de PC alimentarán una alta potencia en voltajes bajos. Tienen un cable de detección en el riel de alimentación que está unido al extremo del cable. Esto devuelve al circuito regulador para aumentar el voltaje para compensar la caída de voltaje del alto consumo de corriente y la resistencia interna del cable. Sin embargo, la placa base moderna extraerá la mayor parte de su potencia del riel de mayor voltaje para evitar las pérdidas y regularla hacia abajo internamente.

Las cargas de alto amperio también necesitan conductores robustos que no se calienten y se fundan bajo esa corriente alta. Si el conductor se daña de alguna manera, ese punto tendrá mayor resistencia y se calentará más.

Como otros lo han señalado, cuanto mayor sea el voltaje, menor será la pérdida de energía en los cables que conectan la alimentación al dispositivo.

Considere la alimentación de red que aumenta hasta cientos de kilovoltios para la transmisión a larga distancia a través de la red eléctrica. Estos se transportan en las torres de transmisión eléctrica más grandes que necesitan una gran cantidad de espacio para mantener los cables alejados entre sí y cualquier cosa a la que puedan llegar. Son voltajes muy peligrosos y completamente inconvenientes cuando necesita usar la energía en un ajuste normal. Sin embargo, permite que la energía se transporte de manera eficiente en distancias muy grandes.

Cuando llegue a una subestación local, se reducirá su voltaje a algo del orden de decenas de kilovoltios y se transportará en torres y postes más pequeños (o subterráneos) a clientes de grandes instalaciones y transformadores de distribución de vecindarios. Estos luego bajan el voltaje nuevamente a su nivel de red doméstica (100-240V). En este nivel, los voltajes son lo suficientemente altos como para permitir un transporte eficiente de la energía alrededor de su casa (en cables de tamaño razonable) pero lo suficientemente bajos como para que no tengan muchos de los problemas de los voltajes altos de transmisión (interferencia de RF, peligro de arco, etc.) .

Considere ahora algo como una computadora: la tensión de la red se abre paso a baja pérdida a través de los cables en su casa hasta que llega a la fuente de alimentación. En este punto, se reduce aún más a 5V y 12V (DC). En este caso, la alimentación solo necesita abrirse camino a una distancia muy corta de la placa base y los componentes, y tener cables muy delgados en los niveles de tensión de la red dentro de ese caso no es realmente conveniente. De todos modos, ninguno de los dispositivos internos en una computadora puede operar con voltajes tan altos directamente, por lo que la fuente de alimentación está allí para convertir la energía a una forma que sea útil para el dispositivo final.

En la propia placa base, el voltaje se reduce de nuevo para alimentar la RAM, el chipset y la CPU; esta última es una pieza delicada de hardware que se destruiría con voltajes muy superiores a aproximadamente 1.3V. Aquí, la potencia solo necesita moverse unos centímetros o menos, y una CPU típica puede extraer algo de entre 60 y 80 amperios de corriente a ese voltaje muy bajo. Así que aquí tiene, digamos, una CPU de 90W que dibuja 70A a 1.3V de un regulador de voltaje que dibuja 7.5A a 12V de la fuente de alimentación que extrae 0.75A a 120V del enchufe en la pared que extrae 23mA a 4kV del transformador vecino que, hasta la línea, está extrayendo 230 microamperios de las líneas de larga distancia en la red.

Al final del día, se trata de hacer coincidir la fuente de alimentación con la carga de una manera eficiente. Por lo general, esto significa transformar la energía eléctrica varias veces, en cada punto a un voltaje que se adapte a la aplicación.

En pocas palabras, una baja tensión requiere alta corriente. La corriente alta pone mucha tensión térmica en todos los componentes de los circuitos. Y necesitas tener un cableado más grueso como bonificación. Los voltajes altos no presionan a la mayoría de los componentes siempre y cuando no cortocircuite nada.

Definitivamente, puede alimentar un dispositivo de 60W desde 12A a 5V PSU, pero 12A ya es una corriente bastante alta para conectores, ferritas, inductores ..

Desde el punto de vista de la seguridad, a menudo se usa 24VDC, especialmente en un entorno médico. Se pueden usar voltajes más altos dependiendo de la jurisdicción, pero la opción popular es simplemente aislar el dispositivo para que no pueda poner el dedo en los circuitos en vivo.

Como un anexo anecdótico a las otras respuestas, hay una vieja regla general de que la distancia de transmisión de potencia adecuada para un cierto voltaje V es de alrededor de V pies. Si piensa qué tan lejos desearía correr, digamos, 12V a un artefacto de iluminación que dibuja una corriente significativa (por ejemplo, las lámparas halógenas que se pusieron de moda en los años 90 y que ahora están, como puede ser, desplazadas por LED) 12 El pie no es una mala guía. Del mismo modo, para 230 V, 230 pies desde el transformador hasta la bombilla doméstica funcionan bastante bien.

Nunca una regla dura y rápida, solo una aproximación, por supuesto.