Por que não usamos fontes de energia de baixa tensão para aplicações de alta potência?

Super pergunta nooby envolvendo a lei de Ohm, mas isso está em mente esta manhã.

Digamos que eu possua um dispositivo de 60 W e queira alimentá-lo. Normalmente, isso requer uma fonte de 120V ou algo assim. No entanto, por que não usar uma fonte de 5V e desenhar 12A com resistência muito baixa? É principalmente para fins de segurança? Ou existe um problema em obter a resistência baixa o suficiente para atingir os 12 amperes?

Eu tentei pesquisar isso no Google, mas não surgiu muito. Provavelmente realmente óbvio, mas apenas me perguntando ..

EDITAR para marca duplicada: a sugestão duplicada é semelhante; no entanto, ele discute séries versus células paralelas e adiciona informações interessantes, mas não é exatamente o que eu estava perguntando. As respostas fornecidas neste post foram muito mais úteis para mim.

Edição 2: eu adicionei minha edição original agora que a marca de duplicação passou.

Você está certo de que o poder é o produto de tensão e corrente. Isso indicaria que qualquer combinação de tensão x corrente seria adequada, desde que a potência desejada seja alcançada.

No entanto, de volta ao mundo real, temos várias realidades que atrapalham. O maior problema é que, em baixa tensão, a corrente precisa ser alta, e essa corrente alta é cara, grande e / ou ineficiente para lidar. Há também um limite de tensão acima do qual é inconveniente, significando caro ou grande. Existe, portanto, um intervalo moderado no meio que funciona melhor com a física inconveniente que enfrentamos.

Usando seu dispositivo de 60 W como exemplo, comece considerando 120 V e 500 mA. Também não está forçando limites que resultem em dificuldades ou despesas incomuns. O isolamento a 200 V (sempre deixe alguma margem, principalmente para a classificação do isolamento) acontece praticamente a menos que você tente não fazê-lo. 500 mA não requer fios invulgarmente grossos ou caros.

5 V e 12 A são certamente viáveis, mas você já não pode usar apenas fios "de conexão" normais. O fio para manusear 12 A será mais espesso e custará consideravelmente mais do que o fio que pode suportar 500 mA. Isso significa mais cobre, que custa dinheiro real, torna o fio menos flexível e mais grosso.

No outro extremo, você não ganhou muito ao passar de 120 V para 5 V. Uma vantagem é a classificação de segurança. Geralmente em 48 V e abaixo, as coisas ficam mais simples em termos de reguladores. Quando você chega a 30 V, não há muita economia nos transistores e similares, se eles precisarem apenas suportar 10 V.

Levando isso adiante, 1 V a 60 A seria bastante inconveniente. Ao iniciar em uma tensão tão baixa, quedas de tensão menores no cabo se tornam ineficiências mais significativas, exatamente quando fica mais difícil evitá-las. Considere um cabo com apenas 100 mΩ de resistência total à saída e às costas. Mesmo com 1 V completo nele, ele consumiria apenas 10 A e isso não deixa voltagem para o dispositivo.

Digamos que você queira pelo menos 900 mV no dispositivo e, portanto, precisa fornecer 67 A para compensar a perda de energia no cabo. O cabo precisaria ter uma resistência total de saída e traseira de (100 mV) / (67 A) = 1,5 mΩ. Mesmo com um total de 1 m de cabo, isso exigiria um condutor bastante espesso. E ainda dissiparia 6,7 ​​W.

Essa dificuldade em lidar com alta corrente é o motivo pelo qual as linhas de transmissão de energia em escala de utilidade são de alta tensão. Esses cabos podem ter centenas de quilômetros de comprimento, aumentando a resistência em série. Os serviços públicos aumentam a tensão possível para tornar mais baratos os quilômetros de cabo de centenas de quilômetros e desperdiçar menos energia. A alta tensão custa alguns, o que é principalmente o requisito de manter uma folga maior ao redor do cabo para qualquer outro condutor. Ainda assim, esses custos não são tão altos quanto o uso de mais cobre ou aço no cabo.

Outro problema com a CA é que o efeito da pele significa que você obtém retornos decrescentes de resistência para diâmetros maiores. É por isso que, para longas distâncias, fica mais barato transmitir DC e, em seguida, paga a despesa para convertê-lo em CA na extremidade receptora.

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Para cada duplicação de corrente, a energia perdida nos fios quadruplica. Para compensar isso, seria necessário diminuir a resistência quatro vezes, ou seja, aumentar a seção transversal do fio em um fator de quatro (o dobro do diâmetro do fio), o que significa quatro vezes mais cobre.

Pela mesma razão, a rede elétrica usa até centenas de quilovolts para transportar eletricidade (o transporte em voltagens domésticas exigiria da ordem de um milhão de vezes mais cobre para manter as perdas iguais).

Correntes altas são indesejáveis ​​por alguns motivos. Em primeiro lugar, correntes maiores requerem condutores e contatos maiores no painel de distribuição. Em segundo lugar, correntes altas são um risco de incêndio, em um sistema de alta corrente, uma pequena quantidade de resistência extra de uma conexão ruim pode facilmente ficar muito quente.

Altas tensões também são indesejáveis, requerem isoladores mais espessos, exigem maiores intervalos de contato no painel de distribuição e maior espaçamento entre os terminais e representam mais um risco de choque elétrico.

Obviamente, para uma dada potência, a redução da tensão aumentará a corrente e vice-versa.

Portanto, precisamos encontrar um meio feliz, o meio mais feliz dependerá do nível de potência envolvido e, em certa medida, dos detalhes da carga. Na prática, também precisamos comprometer a compatibilidade, as pessoas querem ter um conjunto de cabos em sua casa, no qual possam conectar tudo.

Conseguir a resistência realmente baixa é uma questão importante. Até existirem super condutores à temperatura ambiente, continuará sendo um grande problema.

Muitas fontes de alimentação de PC alimentam alta potência em baixas tensões. Eles têm um fio sensor no trilho de energia que está ligado à extremidade do cabo. Isso retorna ao circuito do regulador para aumentar a tensão, a fim de compensar a queda de tensão causada pelo consumo de alta corrente e pela resistência interna do fio. No entanto, a placa-mãe moderna retira a maior parte de sua energia do trilho de alta tensão para evitar perdas e regular internamente.

Cargas altas de amp também precisam de condutores robustos que não aqueçam e derreterão sob essa corrente alta. Se o condutor for danificado de alguma forma, esse ponto terá maior resistência e aquecerá mais.

Como outros observaram, quanto maior a tensão, menor a perda de energia nos cabos que conectam a energia ao dispositivo.

Considere a energia da rede elétrica que é aumentada em centenas de quilovolts para a transmissão de longa distância pela rede elétrica. Elas são transportadas nas maiores torres de transmissão elétrica que precisam de uma quantidade enorme de espaço para manter os fios afastados um do outro e qualquer coisa a que possam arcar. São tensões muito perigosas e completamente inconvenientes quando você precisa usar a energia em uma configuração normal - no entanto, ela permite que ela seja transportada com eficiência por distâncias muito grandes.

Quando chega a uma subestação local, a tensão é reduzida para algo da ordem de dezenas de quilovolts e transportada em torres e postes menores (ou subterrâneos) para clientes de grandes instalações e transformadores de distribuição de bairro. Depois, abaixam a tensão novamente para o nível da rede elétrica da sua casa (100-240V). Nesse nível, as tensões são altas o suficiente para permitir o transporte eficiente da energia em torno de sua casa (em fios de tamanho razoável), mas baixas o suficiente para que elas não apresentem muitos dos problemas de altas tensões de transmissão (interferência de RF, risco de arco, etc.) .

Considere agora algo como um computador - a tensão da rede elétrica é reduzida com baixa perda através dos fios da sua casa até atingir a fonte de alimentação. Neste ponto, é reduzido ainda mais para 5V e 12V (DC). Aqui, a energia precisa apenas percorrer uma distância muito curta da placa-mãe e dos componentes, e ter fios muito finos nos níveis de tensão da rede nesse caso não é realmente conveniente. Como nenhum dispositivo interno de um computador pode operar diretamente com altas tensões, a PSU está lá para converter a energia em um formato útil para o dispositivo final.

Na própria placa-mãe, a voltagem é reduzida novamente para alimentar a RAM, o chipset e a CPU - esta última uma peça delicada de hardware que seria destruída por tensões muito superiores a 1,3V. Aqui, a energia precisa se mover apenas alguns centímetros ou menos, e uma CPU típica pode consumir algo entre 60-80 amperes de corrente nessa voltagem muito baixa. Então aqui você tem, digamos, uma CPU de 90W desenhando 70A a 1,3V de um regulador de tensão desenhando 7,5A a 12V da fonte de alimentação que desenha 0,75A a 120V do plugue na parede que está desenhando 23mA a 4kV do transformador da vizinhança que, na linha, está puxando 230 microamperes das linhas de longa distância na grade.

No final do dia, trata-se de combinar a fonte de alimentação à carga de maneira eficiente. Isso geralmente significa transformar a energia elétrica várias vezes, em cada ponto, em uma voltagem adequada à aplicação.

Simplificando, uma baixa tensão requer alta corrente. A corrente alta coloca muita tensão térmica em todos os componentes nos circuitos. E você precisa ter uma fiação mais grossa como um bônus. Altas tensões não estressam a maioria dos componentes, desde que você não curto nada.

Você pode definitivamente alimentar um dispositivo de 60 W de 12A a 5V PSU, mas o 12A já é uma corrente bastante alta para conectores, ferrites, indutores ..

Do ponto de vista da segurança, 24VDC é frequentemente usado, especialmente em ambientes médicos. Tensões mais altas podem ser usadas dependendo da jurisdição, mas a opção popular é apenas isolar o dispositivo para que você não consiga enfiar o dedo em circuitos ativos.

Como um adendo anedótico às outras respostas, existe uma regra de ouro antiga: a distância de transmissão de energia apropriada para alguma voltagem V é de cerca de V pés. Se você pensa em quão longe você gostaria de correr, digamos, 12V para uma luminária que consome uma corrente significativa (por exemplo, as lâmpadas de halogênio que se tornaram muito populares nos anos 90 e agora estão, por acaso, sendo substituídas por LEDs), 12 pé não é um mau guia. Da mesma forma, para 230V, 230 pés de transformador para lâmpada doméstica funcionam muito bem.

Nunca é uma regra rígida e rápida, apenas uma aproximação, é claro.