Warum verwenden wir keine Niederspannungs-Stromquellen für Anwendungen mit hoher Leistung?

Super-Nooby-Frage zum Ohmschen Gesetz, aber das haben wir heute Morgen bedacht.

Angenommen, ich habe ein 60-W-Gerät und möchte es mit Strom versorgen. Normalerweise erfordert dies eine 120-V-Quelle oder so. Aber warum nicht eine 5V-Quelle verwenden und 12A mit wirklich geringem Widerstand ziehen? Ist es hauptsächlich aus Sicherheitsgründen? Oder gibt es ein Problem, wenn der Widerstand niedrig genug ist, um die 12 Ampere zu erreichen?

Ich habe versucht, das zu googeln, aber es ist nicht viel aufgetaucht. Wahrscheinlich wirklich offensichtlich, aber ich frage mich nur ..

BEARBEITEN für doppelte Markierung: Der doppelte Vorschlag ist ähnlich. Es werden jedoch Serien- und Parallelzellen behandelt und interessante Informationen hinzugefügt, aber es ist nicht genau das, wonach ich gefragt habe. Die Antworten in diesem Beitrag waren für mich viel nützlicher.

BEARBEITEN 2: Ich habe meine ursprüngliche Bearbeitung wieder hinzugefügt, nachdem die Vervielfältigungsmarke durchlaufen wurde.

Sie haben Recht, dass Leistung das Produkt aus Spannung und Strom ist. Dies würde bedeuten, dass jede Kombination aus Spannung und Strom in Ordnung wäre, solange die gewünschte Leistung erreicht wird.

Zurück in der realen Welt gibt es jedoch verschiedene Realitäten, die im Weg stehen. Das größte Problem ist, dass bei niedriger Spannung der Strom hoch sein muss und dass ein hoher Strom teuer, groß und / oder ineffizient ist. Es gibt auch eine Spannungsgrenze, über der es unpraktisch wird, was bedeutet, dass es teuer oder groß ist. Es gibt daher einen moderaten Bereich in der Mitte, der am besten mit der ungünstigen Physik, mit der wir konfrontiert sind, zusammenarbeitet.

Betrachten Sie als Beispiel Ihr 60-W-Gerät zunächst 120 V und 500 mA. Auch werden keine Grenzen überschritten, die zu ungewöhnlichen Schwierigkeiten oder Kosten führen. Das Isolieren auf 200 V (lassen Sie immer einen gewissen Spielraum, insbesondere für die Isolationsbewertung) geschieht so ziemlich alles, wenn Sie nicht versuchen, dies zu tun. 500 mA erfordern keinen ungewöhnlich dicken oder teuren Draht.

5 V und 12 A sind sicher machbar, aber schon kann man nicht einfach normale "Anschlusskabel" verwenden. Kabel für 12 A sind dicker und kosten erheblich mehr als Kabel für 500 mA. Das bedeutet, dass mehr Kupfer, das echtes Geld kostet, den Draht weniger flexibel und dicker macht.

Am anderen Ende haben Sie nicht viel gewonnen, indem Sie von 120 V auf 5 V abgefallen sind. Ein Vorteil ist die Sicherheitsbewertung. Bei 48 V und darunter wird die Regelung im Allgemeinen einfacher. Wenn 30 V erreicht sind, werden nur noch 10 V an Transistoren und dergleichen gespart.

Wenn man dies weiter betrachtet, wäre 1 V bei 60 A ziemlich unpraktisch. Wenn bei einer so niedrigen Spannung begonnen wird, werden kleinere Spannungsabfälle im Kabel zu größeren Ineffizienzen, genau dann, wenn es schwieriger wird, diese zu vermeiden. Betrachten Sie ein Kabel mit nur 100 mΩ Gesamtausgangs- und Rückwiderstand. Selbst mit der vollen Spannung von 1 V würde es nur 10 A verbrauchen, und das Gerät bleibt spannungsfrei.

Angenommen, Sie möchten mindestens 900 mV am Gerät und müssen daher 67 A liefern, um den Stromverlust im Kabel auszugleichen. Das Kabel müsste einen Hin- und Rückwiderstand von (100 mV) / (67 A) = 1,5 mΩ haben. Selbst bei insgesamt 1 m Kabel würde dies einen recht dicken Leiter erfordern. Und es würde immer noch 6,7 W verbrauchen.

Diese Schwierigkeit beim Umgang mit hohem Strom ist der Grund dafür, dass Stromübertragungsleitungen im Versorgungsmaßstab eine hohe Spannung aufweisen. Diese Kabel können mehrere hundert Kilometer lang sein, sodass sich der Serienwiderstand addiert. Die Energieversorger erhöhen die Spannung so weit wie möglich, um die 100 Kilometer Kabel billiger zu machen und weniger Energie zu verschwenden. Die Hochspannung kostet einiges, was meistens die Anforderung ist, einen größeren Abstand um das Kabel zu einem anderen Leiter zu halten. Diese Kosten sind jedoch nicht so hoch wie die Verwendung von mehr Kupfer oder Stahl im Kabel.

Ein weiteres Problem bei Wechselstrom besteht darin, dass der Hauteffekt bei größeren Durchmessern zu geringeren Widerstandsrenditen führt. Aus diesem Grund wird es bei sehr langen Entfernungen billiger, Gleichstrom zu senden und dann die Kosten für die Umwandlung in Wechselstrom auf der Empfangsseite zu tragen.

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Bei jeder Verdopplung des Stroms vervierfacht sich die Verlustleistung der Drähte. Um dies zu kompensieren, müsste man den Widerstand viermal kleiner machen, dh den Querschnitt des Drahtes um den Faktor vier vergrößern (doppelter Drahtdurchmesser), was viermal mehr Kupfer bedeutet.

Aus dem gleichen Grund verbraucht das Stromnetz bis zu mehreren hundert Kilovolt für den Stromtransport (für den Transport auf Haushaltsebene würde eine Spannung in der Größenordnung von einer Million Mal mehr Kupfer benötigt, um die Verluste gleich zu halten).

Hohe Ströme sind aus mehreren Gründen unerwünscht. Erstens erfordern größere Ströme größere Leiter und größere Kontakte in Schaltanlagen. Zweitens stellen hohe Ströme ein Brandrisiko dar. In einem Hochstromsystem kann eine kleine Menge zusätzlichen Widerstands aufgrund einer schlechten Verbindung leicht sehr heiß werden.

Hohe Spannungen sind ebenfalls unerwünscht, sie erfordern dickere Isolatoren, erfordern größere Kontaktlücken in der Schaltanlage und größere Abstände zwischen den Anschlüssen und sind gefährlicher für Stromschläge.

Natürlich erhöht bei gegebener Leistungsreduzierung die Spannung den Strom und umgekehrt.

Wir müssen also ein glückliches Medium finden. Das glücklichste Medium hängt von der Leistung und in gewissem Maße von den Einzelheiten der Last ab. In der Praxis müssen wir auch Kompromisse in Bezug auf die Kompatibilität eingehen. Die Leute möchten einen Kabelsatz in ihrem Haus haben, an den sie alles anschließen können.

Das zuverlässige Erreichen des wirklich niedrigen Widerstands ist ein großes Problem. Solange keine Supraleiter mit Raumtemperatur vorhanden sind, bleibt dies ein großes Problem.

Viele PC-Netzteile speisen hohe Leistung über niedrige Spannungen. Sie haben einen Sensordraht auf der Stromschiene, der mit dem Ende des Kabels verbunden ist. Dies koppelt zur Reglerschaltung zurück, um die Spannung zu erhöhen und den Spannungsabfall aufgrund der hohen Stromaufnahme und des Innenwiderstands des Kabels zu kompensieren. Moderne Motherboards beziehen jedoch den größten Teil ihrer Leistung aus der Hochspannungsschiene, um Verluste zu vermeiden und sie intern zu regulieren.

Hohe Verstärkerlasten erfordern auch kräftige Leiter, die sich bei diesem hohen Strom nicht erwärmen und schmelzen. Wenn der Leiter auf irgendeine Weise beschädigt wird, hat dieser Punkt einen höheren Widerstand und erwärmt sich stärker.

Wie andere angemerkt haben, ist die Verlustleistung über die Kabel, die die Stromversorgung mit dem Gerät verbinden, umso geringer, je höher die Spannung ist.

Betrachten Sie eine Netzstromversorgung, die für die Fernübertragung über das Stromnetz auf Hunderte von Kilovolt erhöht wird. Diese werden von den größten elektrischen Sendemasten getragen, die viel Platz benötigen, um die Drähte voneinander und von allem, wozu sie Lichtbogen abgeben, fernzuhalten. Sie sind sehr gefährliche Spannungen und völlig unpraktisch, wenn Sie den Strom in einer normalen Umgebung verwenden müssen - dies ermöglicht jedoch einen effizienten Transport des Stroms über sehr große Entfernungen.

Wenn es zu einem lokalen Umspannwerk gelangt, wird die Spannung auf einige Dutzend Kilovolt reduziert und auf kleineren Türmen und Masten (oder unterirdisch) zu Großkunden und Transformatoren zur Verteilung in der Nachbarschaft befördert. Diese senken dann die Spannung wieder auf Ihr Haushaltsnetzniveau (100-240V). Bei diesem Pegel sind die Spannungen hoch genug, um einen effizienten Stromtransport in Ihrem Haus zu ermöglichen (auf ausreichend großen Kabeln), aber niedrig genug, um die Probleme hoher Übertragungsspannungen (HF-Interferenzen, Lichtbogengefahr usw.) zu vermeiden. .

Betrachten Sie jetzt etwas wie einen Computer - die Netzspannung fließt verlustarm durch die Kabel in Ihrem Haus, bis sie die Stromversorgung erreicht. An diesem Punkt wird es weiter auf 5 V und 12 V (DC) reduziert. Hier muss der Strom nur eine sehr kurze Strecke zum Motherboard und zu den Komponenten zurücklegen, und sehr dünne Drähte auf Netzspannungsniveau in einem solchen Fall sind nicht wirklich praktisch. Keines der internen Geräte in einem Computer kann ohnehin direkt mit so hohen Spannungen betrieben werden, sodass das Netzteil die Stromversorgung in eine für das Endgerät nützliche Form umwandeln kann.

Auf der Hauptplatine selbst wird die Spannung erneut reduziert, um den RAM, den Chipsatz und die CPU zu versorgen - letztere ist eine empfindliche Hardware, die durch Spannungen von mehr als 1,3 V zerstört werden würde. Hier muss sich die Leistung nur um wenige Zentimeter oder weniger bewegen, und eine typische CPU kann bei dieser sehr niedrigen Spannung einen Strom zwischen 60 und 80 Ampere ziehen. Hier haben Sie also beispielsweise eine 90-W-CPU, die 70 A bei 1,3 V von einem Spannungsregler abzieht, der 7,5 A bei 12 V vom Netzteil abzieht, der 0,75 A bei 120 V vom Stecker in der Wand abzieht, der 23 mA bei 4 kV vom Nachbarschaftstransformator abzieht Auf der ganzen Linie werden 230 Mikroampere von den Fernleitungen des Gitters abgezogen.

Letztendlich geht es darum, das Netzteil auf effiziente Weise an die Last anzupassen. Dies bedeutet in der Regel, dass die elektrische Leistung an jedem Punkt mehrmals in eine der Anwendung entsprechende Spannung umgewandelt wird.

Einfach ausgedrückt, eine niedrige Spannung erfordert einen hohen Strom. Ein hoher Strom beansprucht alle Komponenten der Schaltung stark thermisch. Als Bonus benötigen Sie eine dickere Verkabelung. Hohe Spannungen belasten die meisten Komponenten nicht, solange Sie nichts kurzschließen.

Sie können ein 60-W-Gerät definitiv mit 12 A bei 5 V-Netzteil versorgen, aber 12 A ist bereits ein ziemlich hoher Strom für Steckverbinder, Ferrite und Induktivitäten.

Aus Sicherheitsgründen wird 24 VDC häufig verwendet, insbesondere in medizinischen Umgebungen. Je nach Rechtsprechung können höhere Spannungen verwendet werden. Die beliebte Option besteht jedoch darin, das Gerät nur zu isolieren, damit Sie nicht mit dem Finger über spannungsführende Schaltkreise fahren können.

Als Anekdotenergänzung zu den anderen Antworten gibt es eine alte Faustregel, dass die geeignete Leistungsübertragungsentfernung für eine Spannung V bei etwa V Fuß liegt. Wenn Sie darüber nachdenken, wie weit Sie beispielsweise mit 12 V zu einer Leuchte fahren möchten, die einen erheblichen Strom verbraucht (z. B. die Halogenlampen, die in den 90er Jahren sehr in Mode kamen und jetzt von LEDs verdrängt werden), 12 Fuß ist kein schlechter Führer. Ebenso funktionieren 230 Fuß (230 V) vom Transformator zur Haushaltsglühbirne ziemlich gut.

Nie eine harte und schnelle Regel, nur eine Annäherung natürlich.