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

Pregunta super nooby que involucra la ley de Ohm, pero esto ha estado en mente esta mañana.

Digamos que tengo un dispositivo de 60 W y quiero alimentarlo. Por lo general, esto requiere una fuente de 120V o algo así. Sin embargo, ¿por qué no utilizar una fuente de 5V y extraer 12A con una resistencia realmente baja? ¿Es para fines de seguridad principalmente? ¿O hay un problema con la resistencia lo suficientemente baja como para alcanzar los 12 amperios?

Traté de buscar en Google pero no surgió mucho. Probablemente realmente obvio pero solo preguntándome ...

EDITAR para marca duplicada: la sugerencia duplicada es similar; sin embargo, analiza las series y las celdas paralelas y agrega información interesante, pero no es exactamente lo que estaba preguntando. Las respuestas proporcionadas en esta publicación fueron mucho más útiles para mí.

EDIT 2: agregué mi edición original ahora que la marca de duplicación ha pasado.

Tienes razón en que el poder es el producto del voltaje y la corriente. Esto indicaría que cualquier combinación de voltaje x corriente estaría bien, siempre y cuando llegue 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 esa alta corriente es costosa, grande y / o ineficiente para tratar. También hay un límite de voltaje por encima del cual se vuelve inconveniente, lo que significa caro o grande. Por lo tanto, hay un rango moderado en el medio que funciona mejor con la física inconveniente que nos ocupan.

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. Aislar a 200 V (siempre deja un margen, particularmente para la clasificación de aislamiento) ocurre a menos que intentes no hacerlo. 500 mA no requiere un cable inusualmente grueso o costoso.

Ciertamente, 5 V y 12 A son factibles, pero ya no se puede usar un 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 más cobre, que cuesta dinero real, hace que el cable sea menos flexible y más grueso.

En el otro extremo, no ha ganado mucho al caer de 120 V a 5 V. Una ventaja es la clasificación de seguridad. Por lo general, a 48 V o menos, las cosas se vuelven más simples en cuanto al regulador. Para cuando llegue a 30 V, no hay mucho ahorro en transistores y similares si solo necesitan manejar 10 V.

Llevando 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 convierten en ineficiencias más significativas, justo cuando es más difícil evitarlas. Considere un cable con solo 100 mΩ de resistencia total hacia afuera y hacia atrás. Incluso con el 1 V completo a través de él, solo consumiría 10 A, y eso no deja voltaje para el dispositivo.

Digamos 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 necesitaría tener una resistencia total hacia afuera y hacia atrás de (100 mV) / (67 A) = 1.5 mΩ. Incluso con un total de 1 m de cable, eso requeriría un conductor bastante grueso. Y, todavía se disiparía 6.7 W.

Esta dificultad para lidiar con la alta corriente es la razón por la cual las líneas de transmisión de energía a escala de servicio público son de alto voltaje. Estos cables pueden tener cientos de millas de largo, por lo que se suma la resistencia en serie. Las empresas de servicios públicos hacen que el voltaje sea lo más alto posible para hacer que los cientos de kilómetros de cable sean más baratos y que desperdicien menos energía. El alto voltaje cuesta algo, que es principalmente el requisito para mantener un espacio libre mayor alrededor del cable a cualquier otro conductor. Aún así, estos costos no son tan altos como el uso de más cobre o acero en el cable.

Otro problema con AC es que el efecto de la piel significa que obtienes rendimientos decrecientes en resistencia para diámetros más grandes. Es por eso que para distancias realmente largas, es más barato transmitir CC, luego pagar el gasto para convertirlo en CA en el extremo receptor.

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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 menor, 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 altas corrientes no son deseables por un par de razones. En primer lugar, las corrientes más grandes requieren conductores más grandes y contactos más grandes en la celda. En segundo lugar, las altas corrientes 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 altos voltajes también son indeseables, requieren aislantes más gruesos, requieren espacios de contacto más grandes en la aparamenta y mayor espacio entre terminales y representan un mayor riesgo de descarga eléctrica.

Por supuesto, para una potencia dada, el voltaje reductor aumentará la corriente y viceversa.

Entonces, 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 tenemos que comprometer la compatibilidad, las personas quieren 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 existan superconductores a temperatura ambiente, seguirá siendo un gran problema.

Muchas fuentes de alimentación de PC suministrarán alta potencia a voltajes bajos. Tienen un cable de detección en el riel de alimentación que está unido al extremo del cable. Esto retroalimenta 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 energía del riel de mayor voltaje para evitar las pérdidas y regularla internamente.

Las altas cargas de amperios también necesitan conductores robustos que no se calienten y se derritan bajo esa alta corriente. Si el conductor está dañado de alguna manera, ese punto tendrá mayor resistencia y se calentará más.

Como otros han señalado, cuanto mayor es el voltaje, menor es la pérdida de energía sobre los cables que conectan la alimentación al dispositivo.

Considere la alimentación de la 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 arquearse. Son voltajes muy peligrosos y completamente inconvenientes cuando necesita usar la energía en una configuración normal; sin embargo, permite que la energía se transporte eficientemente a distancias muy grandes.

Cuando llegue a una subestación local, se reducirá el voltaje a algo del orden de decenas de kilovoltios y se transportará en torres y postes más pequeños (o subterráneos) a grandes clientes de las instalaciones y transformadores de distribución en el vecindario. Estos luego bajan el voltaje nuevamente al nivel de la red eléctrica de su hogar (100-240V). En este nivel, los voltajes son lo suficientemente altos como para permitir el 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 altos voltajes de transmisión (interferencia de RF, peligro de arco, etc.) .

Considere ahora algo así como una computadora: el voltaje de la red eléctrica llega a bajas pérdidas a través de los cables de su casa hasta que llega a la fuente de alimentación. En este punto, se reduce aún más a 5V y 12V (DC). Aquí, la energía solo necesita llegar a una distancia muy corta de la placa base y los componentes, y tener cables muy delgados a niveles de voltaje de red dentro de tal caso no es realmente conveniente. De todos modos, ninguno de los dispositivos internos de una computadora puede operar con tan altos voltajes, 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 nuevamente para alimentar la RAM, el conjunto de chips y la CPU; este último es una pieza delicada de hardware que sería destruida por voltajes mucho más altos que aproximadamente 1.3V. Aquí la potencia solo necesita moverse unos pocos centímetros o menos, y una CPU típica puede extraer algo entre 60-80 amperios de corriente a ese voltaje muy bajo. Entonces, aquí tiene, digamos, una CPU de 90W que extrae 70A a 1.3V de un regulador de voltaje que extrae 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, arriba de la línea, extrae 230 microamperios de las líneas de larga distancia en la cuadrícula.

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

En pocas palabras, un bajo voltaje requiere alta corriente. La alta corriente ejerce una gran tensión térmica en todos los componentes de los circuitos. Y debe tener un cableado más grueso como una ventaja. Los altos voltajes no estresan la mayoría de los componentes siempre y cuando no cortocircuites nada.

Definitivamente puede alimentar un dispositivo de 60 W desde una fuente de alimentación de 12 A a 5 V, pero 12 A 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 aislar el dispositivo para que no pueda meter el dedo en los circuitos en vivo.

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

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