Mengapa kita tidak menggunakan Sumber Daya tegangan rendah untuk aplikasi watt tinggi?

Pertanyaan super nooby yang melibatkan hukum Ohm, tapi ini sudah ada di pikiran pagi ini.

Katakanlah saya memiliki perangkat 60W, dan saya ingin memberinya daya. Biasanya ini membutuhkan sumber 120V atau sesuatu. Namun, mengapa tidak menggunakan sumber 5V dan menggambar 12A dengan resistansi yang sangat rendah? Apakah ini untuk tujuan keamanan terutama? Atau apakah ada masalah dengan mendapatkan resistansi yang cukup rendah untuk mencapai 12 amp?

Saya mencoba googling ini tetapi tidak banyak yang muncul. Mungkin sangat jelas tetapi hanya ingin tahu ..

EDIT untuk tanda duplikat: Saran duplikat serupa; Namun, ia membahas seri vs sel paralel dan menambahkan informasi menarik, tetapi tidak persis apa yang saya tanyakan. Jawaban yang diberikan pada posting ini jauh lebih bermanfaat bagi saya.

EDIT 2: Saya menambahkan suntingan asli saya kembali sekarang setelah tanda duplikasi telah melalui.

Anda benar bahwa daya adalah produk dari tegangan dan arus. Ini akan menunjukkan kombinasi tegangan x arus apa pun akan baik-baik saja, asalkan keluar ke daya yang diinginkan.

Namun, kembali ke dunia nyata kita memiliki berbagai realitas yang menghalangi. Masalah terbesar adalah bahwa pada tegangan rendah, arus harus tinggi, dan arus tinggi itu mahal, besar, dan / atau tidak efisien untuk dihadapi. Ada juga batas tegangan di atas yang tidak nyaman, yang berarti mahal atau besar. Oleh karena itu ada rentang moderat di tengah yang bekerja paling baik dengan fisika tidak nyaman yang kita hadapi.

Menggunakan perangkat 60 W Anda sebagai contoh, mulailah dengan mempertimbangkan 120 V dan 500 mA. Baik mendorong batasan yang mengakibatkan kesulitan atau biaya yang tidak biasa. Isolasi ke 200 V (selalu meninggalkan margin, terutama untuk peringkat isolasi) cukup banyak terjadi kecuali Anda mencoba untuk tidak melakukannya. 500 mA tidak membutuhkan kawat yang tebal atau mahal.

5 V dan 12 A tentu bisa dilakukan, tetapi Anda sudah tidak bisa menggunakan kawat "hookup" normal. Kawat untuk menangani 12 A akan lebih tebal dan harganya jauh lebih mahal daripada kawat yang dapat menangani 500 mA. Itu berarti lebih banyak tembaga, yang membutuhkan biaya uang nyata, membuat kawat kurang fleksibel, dan membuatnya lebih tebal.

Di ujung lain, Anda belum mendapatkan banyak dengan menjatuhkan dari 120 V ke 5 V. Satu keuntungan adalah peringkat keamanan. Umumnya pada 48 V dan di bawah, hal-hal menjadi lebih sederhana. Pada saat Anda turun ke 30 V, tidak ada banyak penghematan dalam transistor dan sejenisnya jika mereka hanya perlu menangani 10 V.

Mengambil ini lebih jauh, 1 V pada 60 A akan sangat merepotkan. Dengan memulai pada tegangan yang sangat rendah, penurunan tegangan yang lebih kecil pada kabel menjadi inefisiensi yang lebih signifikan, tepat ketika menjadi lebih sulit untuk menghindarinya. Pertimbangkan kabel dengan hanya 100 mΩ total out dan resistansi belakang. Bahkan dengan 1 V penuh di atasnya, itu hanya akan menarik 10 A, dan itu tidak meninggalkan tegangan untuk perangkat.

Katakanlah Anda ingin setidaknya 900 mV di perangkat, dan oleh karena itu perlu mengirimkan 67 A untuk mengkompensasi hilangnya daya pada kabel. Kabel harus memiliki resistansi total keluar dan belakang (100 mV) / (67 A) = 1,5 mΩ. Bahkan pada total 1 m kabel, itu akan membutuhkan konduktor yang cukup tebal. Dan, itu masih akan menghilang 6,7 W.

Kesulitan dalam menangani arus tinggi adalah alasan bahwa saluran transmisi daya skala utilitas adalah tegangan tinggi. Kabel ini bisa sepanjang 100 mil, jadi hambatan seri bertambah. Utilitas membuat voltase setinggi mungkin untuk membuat kabel 100 mil lebih murah, dan untuk itu membuang lebih sedikit daya. Tegangan tinggi memang memerlukan biaya, yang sebagian besar merupakan persyaratan untuk menjaga jarak yang lebih besar di sekitar kabel ke konduktor lain. Namun, biaya ini tidak setinggi menggunakan lebih banyak tembaga atau baja di kabel.

Masalah lain dengan AC adalah bahwa efek kulit berarti Anda mendapatkan hasil yang semakin berkurang dalam resistensi untuk diameter yang lebih besar. Inilah sebabnya mengapa untuk jarak yang sangat jauh, menjadi lebih murah untuk mentransmisikan DC, kemudian membayar biaya untuk mengubahnya ke AC di sisi penerima.

Gabungkan $$ P = V \ cdot I $$ dengan hukum Ohm $$ V = R \ cdot I $$ untuk mendapatkan:

di mana \ $ P \ $ adalah daya yang hilang pada kabel pasokan, \ $ I \ $ adalah arus yang mengalir melalui kabel dan \ $ R \ $ adalah hambatan kabel.$P$ is the power dissipated on the supply wires, $I$ is the current flowing through the wires and $R$ is the wires' resistance.

Untuk setiap penggandaan arus, daya yang hilang pada kabel empat kali lipat. Untuk mengimbangi itu, seseorang harus membuat resistansi empat kali lebih kecil yaitu meningkatkan penampang kawat dengan faktor empat (gandakan diameter kawat) yang berarti empat kali lebih banyak tembaga.

Untuk alasan yang sama, jaringan listrik menggunakan hingga beberapa ratus kilovolt untuk mengangkut listrik (pengangkutan pada tegangan tingkat rumah tangga akan membutuhkan urutan satu juta kali lebih banyak tembaga untuk menjaga kerugian yang sama).

Arus tinggi tidak diinginkan karena beberapa alasan. Pertama arus yang lebih besar membutuhkan konduktor yang lebih besar dan kontak yang lebih besar di switchgear. Kedua arus tinggi adalah risiko kebakaran, dalam sistem arus tinggi sejumlah kecil perlawanan ekstra dari koneksi yang buruk dapat dengan mudah menjadi sangat panas.

Tegangan tinggi juga tidak diinginkan, mereka membutuhkan isolator yang lebih tebal, membutuhkan celah kontak yang lebih besar pada switchgear dan jarak antar terminal yang lebih besar dan lebih banyak menimbulkan bahaya sengatan listrik.

Tentu saja untuk tegangan pengurangan daya yang diberikan akan meningkatkan arus dan sebaliknya.

Jadi kita perlu menemukan media yang bahagia, media yang paling bahagia akan tergantung pada tingkat daya yang terlibat dan sampai batas tertentu pada detail beban. Dalam praktiknya kita juga harus berkompromi untuk kompatibilitas, orang ingin memiliki satu set kabel di rumah mereka di mana mereka dapat memasukkan semuanya.

Mencapai resistensi sangat rendah andal adalah masalah besar. Sampai suhu kamar super konduktor ada itu akan tetap menjadi masalah besar.

Banyak catu daya PC akan memberi makan daya tinggi di atas tegangan rendah. Mereka memiliki kabel indra pada rel daya yang terikat pada ujung kabel. Ini diumpankan kembali ke rangkaian regulator untuk meningkatkan tegangan untuk mengkompensasi penurunan tegangan dari penarikan arus tinggi dan resistansi internal kawat. Namun motherboard modern akan mengambil sebagian besar daya mereka dari rel tegangan tertinggi untuk menghindari kerugian dan mengaturnya secara internal.

Beban amp tinggi juga membutuhkan konduktor gemuk yang tidak akan memanas dan meleleh di bawah arus tinggi itu. Jika konduktor rusak dengan cara apa pun tempat itu akan memiliki ketahanan yang lebih tinggi dan lebih panas.

Seperti yang telah dicatat orang lain, semakin tinggi tegangan, semakin rendah daya yang hilang dari kabel yang menghubungkan daya ke perangkat.

Pertimbangkan daya listrik yang dapat ditingkatkan hingga ratusan kilovolt untuk transmisi jarak jauh melalui jaringan listrik. Ini dilakukan pada menara transmisi listrik terbesar yang membutuhkan ruang yang sangat besar untuk menjauhkan kabel dari satu sama lain dan apa pun yang mereka inginkan. Mereka adalah voltase yang sangat berbahaya dan benar-benar merepotkan ketika Anda perlu menggunakan daya dalam pengaturan normal - itu memang memungkinkan daya untuk diangkut secara efisien pada jarak yang sangat besar.

Ketika sampai di gardu lokal, tegangannya akan berkurang menjadi sesuatu dengan urutan puluhan kilovolt dan dibawa pada menara dan tiang yang lebih kecil (atau bawah tanah) ke pelanggan fasilitas besar dan trafo distribusi lingkungan. Ini kemudian menurunkan tegangan lagi ke tingkat listrik rumah tangga Anda (100-240V). Pada level ini, voltase cukup tinggi untuk memungkinkan pengangkutan daya yang efisien di sekitar rumah Anda (pada kabel berukuran cukup) tetapi cukup rendah sehingga tidak memiliki banyak masalah tegangan transmisi tinggi (gangguan RF, bahaya busur, dll.) .

Pertimbangkan sekarang sesuatu seperti komputer - tegangan listrik membuat jalan dengan kehilangan rendah melalui kabel di rumah Anda sampai mencapai catu daya. Pada titik ini selanjutnya dikurangi menjadi 5V dan 12V (DC). Di sini daya hanya perlu menempuh jarak yang sangat pendek ke motherboard dan komponen, dan memiliki kabel yang sangat tipis pada tingkat tegangan listrik di dalam casing seperti itu tidak benar-benar nyaman. Tak satu pun dari perangkat internal di komputer yang dapat beroperasi pada tegangan tinggi secara langsung, jadi PSU ada di sana untuk mengubah daya menjadi bentuk yang berguna untuk perangkat akhir.

Pada motherboard itu sendiri, tegangan dikurangi lagi untuk memberi makan RAM, chipset, dan CPU - yang terakhir merupakan perangkat keras yang akan dihancurkan oleh voltase yang jauh lebih tinggi daripada sekitar 1.3V. Di sini daya hanya perlu bergerak beberapa sentimeter atau kurang, dan CPU khas dapat menarik sesuatu antara 60-80 amp arus pada tegangan sangat rendah. Jadi di sini Anda memiliki, katakanlah, 90W CPU menggambar 70A di 1.3V dari regulator tegangan menggambar 7.5A di 12V dari PSU yang menggambar 0.75A di 120V dari steker di dinding yang menggambar 23mA pada 4kV dari transformator lingkungan yang, di atas garis, menarik 230 mikroamp dari garis jarak jauh di jaringan.

Pada akhirnya, ini tentang mencocokkan catu daya dengan beban secara efisien. Ini biasanya berarti mengubah daya listrik berkali-kali, pada setiap titik ke tegangan yang sesuai dengan aplikasi.

Sederhananya, tegangan rendah membutuhkan arus tinggi. Arus tinggi menempatkan banyak tekanan termal pada semua komponen di sirkuit. Dan Anda harus memiliki kabel yang lebih tebal sebagai bonus. Tegangan tinggi tidak membuat stres sebagian besar komponen selama Anda tidak kekurangan apa-apa ..

Anda pasti dapat menyalakan perangkat 60W dari 12A @ 5V PSU tetapi 12A sudah menjadi arus yang cukup tinggi untuk konektor, ferrites, induktor ..

Dari sudut pandang keamanan, 24VDC sering digunakan, terutama pada pengaturan medis. Tegangan yang lebih tinggi dapat digunakan tergantung pada yurisdiksi tetapi opsi yang populer adalah dengan hanya mengisolasi perangkat sehingga Anda tidak dapat menempelkan jari Anda pada sirkuit langsung.

Sebagai tambahan anekdotal untuk jawaban lain, ada aturan lama yang berlaku bahwa jarak transmisi daya yang tepat untuk beberapa tegangan V adalah sekitar V kaki. Jika Anda berpikir tentang seberapa jauh Anda ingin berlari, katakanlah, 12V ke lampu yang menggambarkan arus signifikan (mis. Lampu halogen yang menjadi sangat modis di tahun 90-an dan sekarang, sungguh mulia, digantikan oleh LED), 12 kaki bukanlah panduan yang buruk. Demikian juga untuk 230V, 230 kaki dari transformator ke bola lampu domestik berfungsi cukup baik.

Tidak pernah aturan yang keras dan cepat, hanya perkiraan saja.