題:
為什麼我們不將低壓電源用於高功率應用?
Capn Jack
2017-07-31 18:18:57 UTC
view on stackexchange narkive permalink

涉及歐姆定律的超級努比問題,但這是今天早上想到的。

說我有一個60W的設備,我想給它供電。通常,這需要120V電源或其他電壓。但是,為什麼不使用5V電源並以低電阻汲取12A電流呢?主要是出於安全目的嗎?還是將電阻降低到足以達到12安培的問題?

我嘗試使用谷歌搜索,但沒有太多。可能真的很明顯,但只是想知道。.

編輯重複標記:重複建議相似;但是,它討論了串聯電池與並聯電池,並添加了有趣的信息,但這並不是我要問的。這篇文章中提供的答案對我來說更有用。

編輯2:現在重複標記已經通過,我又重新添加了原始編輯。

歐姆定律表明,對於給定功率,電壓越低,電流就會增加。饋入給定功率時的功率損耗為電流的平方,因此在較低電壓下饋電損耗更大。
開爾文定律值得一看。
@Andyaka有很好的鏈接,您可以和我分享嗎?
哦,在主題上,點焊機就是使用高電流/低電壓的高功率設備的一個示例。它們通過利用待焊接金屬的電阻在焊接點產生熱量來工作。
[有時我們會這樣做!](https://en.wikipedia.org/wiki/Hall%E2%80%93H%C3%A9roult_process)
為了以低損耗傳輸大電流,您需要大量金屬。為了以低損耗傳輸高電壓,您需要大量空氣。空氣比金屬便宜得多。
您是否曾經看過汽車中的啟動馬達?它們是功能強大的(> 1kW)電動機,以12V(約100A)供電。比較它們的電纜尺寸和吹風機的電纜(大約1kW)...
-1
編輯重複標記:重複建議為_similar_;但是,它討論了串聯電池與並聯電池,並添加了有趣的信息,但這並不是我要問的。這篇文章提供的答案對我來說更有用。
我們**偶爾使用大電流低電壓為特別是半大功率設備供電。例如,請參閱[為什麼CPU需要這麼大的電流?](https://electronics.stackexchange.com/q/258724/5830)但是,其中的許多內容可以看作是一種特殊應用,其中基本上有一些特殊要求(比實現該要求的缺點(足夠多的電流,以便在相同長度的電線上耗散更多的功率-保持電線短!),足夠的功率而不冒極小間距的組件之間產生電弧的風險變得更加重要。
如果您看到答案,則會注意到大多數答案都說明傳輸過程中的損失。但是現在電力電子設備更便宜了,我相信至少對於某些應用而言,局部減小電壓要比將負載設計為高電壓更有利。這是非常特定於應用程序的,例如能夠最大化效率或最小化尺寸或重量的,具有特定功率和RPM的電動機的最佳電壓是多少?還有一些需要低壓電源的應用,例如大多數微電子產品都喜歡計算機組件。
七 答案:
Olin Lathrop
2017-07-31 19:39:55 UTC
view on stackexchange narkive permalink

您是對的,因為功率是電壓和電流的乘積。這表明只要電壓x電流組合達到要求的功率就可以了。

但是,在現實世界中,我們遇到了各種各樣的現實。最大的問題是,在低電壓下,電流需要很高,並且高電流昂貴,大和/或處理效率低。電壓也有一個限制,超過該限制會帶來不便,這意味著價格昂貴或過大。因此,中間的範圍適中,最適合我們處理不便的物理情況。

以60 W設備為例,首先考慮120 V和500 mA。都不會推動任何導致異常困難或費用的限制。除非不嘗試將其絕緣至200 V(總是留有餘量,尤其是絕緣額定值),否則幾乎會發生這種情況。 500 mA不需要異常粗或昂貴的導線。

5 V和12 A當然是可行的,但是已經不能只使用普通的“連接”線。與可處理500 mA的電線相比,用於處理12 A的電線將更粗且成本更高。這意味著要花更多的銅,這要花大量的錢,這會使電線的撓性降低,並使之更粗。

另一方面,將電壓從120 V降至5 V並沒有帶來什麼好處。安全性是其優勢之一。通常在48 V或更低的電壓下,調節器變得更簡單。到30 V時,如果晶體管等只需要處理10 V,就沒有太多節省。

更進一步,在60 A時1 V非常不便。通過在如此低的電壓下啟動,電纜中較小的電壓降會變得更加明顯,導致效率低下,正當這變得更加難以避免時。考慮電纜的總輸出和反向電阻僅為100mΩ。即使兩端都充滿了1 V電壓,它也只能吸收10 A電流,並且不會為設備留下任何電壓。

比方說,您希望設備至少有900 mV,因此需要提供67 A電流以補償電纜中的功率損耗。電纜將需要具有(100 mV)/(67 A)= 1.5mΩ的出線和出線總電阻。即使在總共1 m的電纜上,也需要相當粗的導體。而且,它仍然會消耗6.7 W。

處理高電流的困難是公用事業規模的輸電線路為高電壓的原因。這些電纜可能長達100英里,因此串聯電阻會增加。公用事業使電壓盡可能高,從而使100英里的電纜便宜,並且浪費更少的電力。高壓確實要花一些錢,這主要是保持電纜周圍與其他導體的更大間隙的要求。儘管如此,這些成本還不如在電纜中使用更多的銅或鋼那麼高。

AC的另一個問題是,集膚效應 i>意味著對於較大直徑的電阻,收益遞減。這就是為什麼在很長的距離內,傳輸DC便宜,然後在接收端付錢將其轉換為AC的原因。

提到壓降在低電壓下要明顯得多,這確實是一個很好的觀點。謝謝你這麼好的回答。當我得到我的問題的答案以及一些答案時,我會喜歡它!:)
我可能會補充說,在處理高壓輸電線路時,我們通常會忽略電阻,因為電感比電阻大得多。流經傳輸線的有功功率為(V ^ 2 / X)*sinθ,其中V為電壓,X為感抗,θ為兩端之間的相角。因此,即使在這種情況下,高壓也是非常有益的。實際上,這是傳輸線使用高壓的原因-限制因素通常是靜態角度穩定性。
@ntos:關於電感支配的好點。就功率損耗和電源線的耗散而言,電阻仍然很重要。由於環境溫度高而導致的電源線下垂,再加上由於高負載而導致的發熱,已導致由於與樹木等短路而引起的停電。出於某些目的,可以忽略阻力,但對於其他目的,則不能忽略。
一個與之相關的問題:為什麼電力機車使用的傳輸線電壓(幾十KV電平)相對較低的電動機電壓(KV或低於KV電平)?
@user3528438 TGV火車(可能還有其他由接觸網供電的火車)可以使用25 kV,但是地鐵“第三軌”火車(芝加哥的“ L”火車使用600 V DC)需要更多地擔心諸如電弧,安全性和寄生電阻之類的問題。下雨了。我願意打賭,第三條滑軌的維護和操作成本比懸鏈線便宜,並且在最高速度為55-70 MPH時可以正常工作。
-1
@user3528438在傳動和控制電動機之間存在不同的設計約束。當您可以使用巨型電線時,幾米的傳輸成本/損耗不再那麼重要,但是諸如繞組/觸點之間的電弧之類的事情就變得不那麼重要了。
處理集膚效應的另一種方法-將兩個或更多電纜圍繞圓形分隔器佈置,然後將它們全部連接在一起,以使組合的集膚效應變得類似於具有圓形隔板的直徑的電纜。
大電流電源線發熱嚴重嗎?
@Bail:當然可以。
更不用說@NickT的任何組件都變得如此時髦。您可以,當然可以解決弧光問題。例如,X射線機將企業終端浸入石油中。
Andre Holzner
2017-07-31 20:51:14 UTC
view on stackexchange narkive permalink

用歐姆定律$$ V = R \ cdot I $$組合$$ $$ P = V \ cdot I $$可獲得:

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

其中\ $ P \ $是電源線上的功率消耗,\ $ I \ $是流過電線的電流,\ $ R \ $是電線的電阻。

每增加一倍的電流,電線上的功率損耗將增加四倍。為了彌補這一點,必須將電阻減小四倍,即將導線的橫截面增加四倍(導線直徑的兩倍),這意味著要多四倍的銅。

出於同樣的原因,電網要消耗高達數百千伏的電壓來進行電力傳輸(以家庭水平的電壓進行傳輸,所需的銅要多一百萬倍才能保持相同的損耗)。

+1,這是對以前發布的有關傳導組件中的功率損耗的很好的解釋。
ratchet freak
2017-07-31 19:17:35 UTC
view on stackexchange narkive permalink

可靠地實現真正的低電阻是一個主要問題。在存在室溫超級導體之前,它將仍然是一個大問題。

許多PC電源將通過低壓提供高功率。它們在電源導軌上有一根傳感線,該傳感線與電纜的末端相連。這會反饋到調節器電路以提高電壓,以補償由於高電流消耗和導線內部電阻引起的電壓降。但是,現代主板會從最高電壓軌吸收大部分功率,以避免損耗並在內部進行調節。

高安培負載還需要堅固的導體,該導體在高電流下不會加熱並熔化。如果導體以任何方式損壞,則該點將具有更高的電阻並發熱更多。

這是我所懷疑的很多東西,謝謝!關於PC電源也很有趣。真的很酷。
Peter Green
2017-07-31 21:46:04 UTC
view on stackexchange narkive permalink

由於多種原因,不希望使用大電流。首先,較大的電流需要較大的導體和開關設備中的較大觸點。其次,高電流有引發火災的危險,在高電流系統中,由於連接不良而產生的少量額外電阻會很容易變熱。

高壓也是不希望有的,它們需要更厚的絕緣體,在開關設備中需要更大的接觸間隙,在端子之間需要更大的間距,並且帶來更多的電擊危險。

當然,對於給定的功率降低電壓,電流會增加,反之亦然。

因此,我們需要找到一個快樂的媒體,最快樂的媒體將取決於所涉及的功率水平,並在某種程度上取決於負載的細節。在實踐中,我們還必須在兼容性方面進行折衷,人們希望在自己的房屋中使用一套佈線,以便將所有東西都插入其中。

J...
2017-08-01 19:21:40 UTC
view on stackexchange narkive permalink

正如其他人指出的那樣,電壓越高,將電源連接到設備的電纜上的功率損耗越低。

考慮將主電源提升到數百千瓦,以通過電網進行遠距離傳輸。它們被裝在最大的輸電鐵塔上,該輸電鐵塔需要大量空間,以使電線彼此之間以及可能接觸的任何物體保持遠離。它們是非常危險的電壓,當您需要在正常設置下使用電源時,完全不方便-但是,它的確可以在很長的距離內有效地傳輸電源。

當到達本地變電站時,它的電壓將降低到幾十千伏左右,並通過較小的塔架和電線桿(或地下)輸送給大型設施客戶和附近的配電變壓器。然後,這些電壓會再次將電壓降低到家用電源水平(100-240V)。在此級別上,電壓足夠高以允許在房屋周圍有效地傳輸功率(通過合理尺寸的電線),但又足夠低,以免它們沒有許多高傳輸電壓的問題(RF干擾,電弧危險等) 。

現在考慮一下類似計算機的東西-電源電壓以低損耗的方式通過房屋中的電線進入電源。此時,它會進一步降低到5V和12V(DC)。在這裡,電源僅需要使其與主板和組件的距離非常短,並且在這種情況下,在市電電壓水平下使用非常細的電線並不十分方便。無論如何,計算機中的任何內部設備都無法直接在如此高的電壓下運行,因此PSU可以將電源轉換為對終端設備有用的形式。

在主板本身上,電壓再次降低,以饋送給RAM,芯片組和CPU-後者是一種精密的硬件,會被電壓遠高於1.3V破壞。在這裡,電源僅需要移動幾厘米或更短的時間,而典型的CPU可以在非常低的電壓下消耗60-80安培的電流。因此,這裡有一個90W CPU,它從穩壓器上以1.3V電壓汲取70A電流,而從PSU上以12V電壓汲取7.5A電流,從牆上的插頭以120V電壓汲取0.75A電流,而從附近的變壓器中以4kV汲取23mA電流。沿著線,從電網上的長距離線拉出230微安。

歸根結底,這是關於有效地將電源與負載匹配。通常,這意味著將電能多次轉換,將每個點轉換為適合應用的電壓。

Barleyman
2017-07-31 19:23:16 UTC
view on stackexchange narkive permalink

簡單地說,低電壓需要大電流。高電流在電路上的所有組件上施加了很大的熱應力。而且,您還需要增加粗線作為獎勵。高壓只要您不短路就不會對大多數組件造成壓力。

您絕對可以使用12A @ 5V PSU為60W設備供電,但是對於連接器,鐵氧體,電感器……,12A已經是一個相當大的電流。

從安全角度考慮,經常使用24VDC,特別是在醫療環境中。根據管轄範圍的不同,可能會使用更高的電壓,但普遍的選擇是僅對設備進行絕緣,以免手指觸碰帶電的電路。

Ian Bland
2017-08-01 23:02:53 UTC
view on stackexchange narkive permalink

作為其他答案的軼事附錄,有一個古老的經驗法則,即某個電壓V的適當功率傳輸距離約為V英尺。如果您考慮要運行多遠的電壓,例如,將12V電壓連接到吸取大量電流的燈具(例如,鹵素燈在90年代變得非常流行,現在卻很榮耀地被LED取代了),12腳不是一個壞嚮導。同樣對於230V,從變壓器到家用燈泡的230英尺也可以正常工作。

從來沒有硬性規定,只是近似值。



該問答將自動從英語翻譯而來。原始內容可在stackexchange上找到,我們感謝它分發的cc by-sa 3.0許可。
Loading...