Pourquoi n'utilisons-nous pas de sources d'alimentation basse tension pour les applications à haute puissance?

Question super nooby impliquant la loi d'Ohm, mais cela a été une préoccupation ce matin.

Supposons que j’ai un appareil de 60 W et que je souhaite l’alimenter. Habituellement, cela nécessite une source 120V ou quelque chose comme ça. Cependant, pourquoi ne pas utiliser une source 5V et dessiner 12A avec une très faible résistance? Est-ce principalement à des fins de sécurité? Ou existe-t-il un problème pour obtenir une résistance suffisamment basse pour atteindre les 12 ampères?

J'ai essayé de googler ceci mais pas grand chose. Probablement très évident mais je me demandais ..

EDIT pour la marque en double: la suggestion de copie est similaire; Cependant, il aborde les cellules en série par rapport aux cellules parallèles et ajoute des informations intéressantes, mais ce n'est pas exactement ce que je demandais. Les réponses fournies sur ce post m'ont été beaucoup plus utiles.

EDIT 2: J'ai ajouté mon édition d'origine à présent que la marque de duplication est passée.

Vous avez raison, ce pouvoir est le produit de la tension et du courant. Cela indiquerait que toute combinaison tension x courant serait acceptable, à condition qu'elle atteigne la puissance désirée.

Cependant, dans le monde réel, nous avons diverses réalités qui nous gênent. Le plus gros problème est qu’à basse tension, le courant doit être élevé et que le courant est coûteux, important et / ou inefficace. Il existe également une limite de tension au-dessus de laquelle il devient incommode, ce qui signifie cher ou important. Il existe donc une plage modérée au milieu qui convient le mieux aux problèmes de physique gênants auxquels nous sommes confrontés.

En utilisant votre appareil 60 W comme exemple, commençons par considérer 120 V et 500 mA. Ni l'un ni l'autre ne repoussent les limites qui entraînent des difficultés ou des dépenses inhabituelles. L'isolation à 200 V (laissez toujours une marge, en particulier pour l'indice d'isolation) se produit à moins que vous n'essayiez pas. 500 mA ne nécessite pas de fil particulièrement épais ou coûteux.

5 V et 12 A est certainement faisable, mais vous ne pouvez déjà utiliser un fil de "raccordement" normal. Le fil à manipuler 12 A sera plus épais et coûtera beaucoup plus cher qu'un fil capable de gérer 500 mA. Cela signifie plus de cuivre, ce qui coûte de l'argent, rend le fil moins flexible et plus épais.

En revanche, vous n’avez pas beaucoup gagné en passant de 120 V à 5 V. Un des avantages est l’évaluation de la sécurité. Généralement à 48 V et au-dessous, les choses se simplifient. Au moment où vous descendez à 30 V, il n’ya pas beaucoup d’économies en transistors et similaires, s’ils ne doivent gérer que 10 V.

En prenant cela plus loin, 1 V à 60 A serait tout à fait gênant. En commençant à une tension aussi basse, les plus petites chutes de tension dans le câble deviennent des inefficacités plus importantes, au moment où il devient plus difficile de les éviter. Considérons un câble avec seulement 100 mΩ de résistance totale en sortie et en retour. Même avec le 1 V complet, il ne tirerait que 10 A, ce qui ne laisse aucune tension à l'appareil.

Supposons que vous vouliez au moins 900 mV sur l'appareil et que vous ayez besoin de délivrer 67 A pour compenser la perte de puissance du câble. Le câble doit avoir une résistance totale aller et retour de (100 mV) / (67 A) = 1,5 mΩ. Même pour un mètre de câble au total, cela nécessiterait un conducteur assez épais. Et, il dissiperait toujours 6,7 W.

Cette difficulté à gérer le courant élevé est la raison pour laquelle les lignes de transport d'énergie à grande échelle sont à haute tension. Ces câbles peuvent faire des centaines de kilomètres de long et la résistance en série s’ajoute. Les services publics rendent la tension aussi élevée que possible pour réduire le coût des centaines de kilomètres de câbles et leur permettre de gaspiller moins d'énergie. La haute tension en coûte quelque chose, ce qui est principalement la nécessité de garder un dégagement plus grand autour du câble par rapport à tout autre conducteur. Néanmoins, ces coûts ne sont pas aussi élevés que l'utilisation de plus de cuivre ou d'acier dans le câble.

Un autre problème avec AC est que l’ effet de peau signifie que vous obtenez des retours décroissants en résistance pour des diamètres plus grands. C’est pourquoi, sur de très longues distances, il devient moins coûteux de transmettre le courant continu, puis de payer le coût de la conversion en courant alternatif à la réception.

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Pour chaque doublement du courant, la perte de puissance sur les fils est multipliée par quatre. Pour compenser cela, il faudrait réduire la résistance quatre fois, c'est-à-dire augmenter la section du fil d'un facteur quatre (le double du diamètre du fil), soit quatre fois plus de cuivre.

Pour la même raison, le réseau électrique utilise jusqu'à plusieurs centaines de kilovolts pour transporter l'électricité (des tensions de transport au niveau des ménages nécessiteraient de l'ordre d'un million de fois plus de cuivre pour que les pertes soient les mêmes).

Les courants élevés ne sont pas souhaitables pour plusieurs raisons. Premièrement, des courants plus importants nécessitent des conducteurs plus grands et des contacts plus grands dans les appareillages de commutation. Deuxièmement, les courants élevés présentent un risque d'incendie. Dans un système à courant élevé, une faible résistance supplémentaire due à une mauvaise connexion peut facilement devenir très chaude.

Les hautes tensions sont également indésirables, elles nécessitent des isolateurs plus épais, des espaces de contact plus importants dans les appareillages de commutation, un espacement plus grand entre les bornes et un risque plus élevé de choc électrique.

Bien entendu, pour une puissance donnée, la tension de réduction augmentera le courant et inversement.

Nous devons donc trouver un juste milieu, le plus heureux dépendant du niveau de puissance impliqué et, dans une certaine mesure, des détails de la charge. Dans la pratique, nous devons également faire des compromis sur la compatibilité: les gens veulent avoir chez eux un seul câblage dans lequel ils peuvent tout brancher.

Obtenir une résistance très faible de manière fiable est un problème majeur. Tant que les super-conducteurs n’auront pas la température ambiante, cela restera un problème majeur.

De nombreuses alimentations de PC alimenteront des puissances élevées en basse tension. Ils ont un fil de détection sur le rail d'alimentation qui est collé à l'extrémité du câble. Ceci retourne au circuit régulateur pour augmenter la tension afin de compenser la chute de tension due à la consommation de courant élevée et à la résistance interne du fil. Cependant, les cartes mères modernes tireront l'essentiel de leur puissance du rail à tension la plus élevée afin d'éviter les pertes et de les réguler de manière interne.

Les charges d'intensité élevée nécessitent également des conducteurs robustes qui ne chauffent pas et ne fondent pas sous ce courant élevé. Si le conducteur est endommagé de quelque manière que ce soit, cet emplacement aura une résistance plus élevée et chauffera davantage.

Comme d'autres l'ont noté, plus la tension est élevée, plus la perte de puissance sur les câbles reliant l'alimentation à l'appareil est faible.

Considérez une alimentation secteur pouvant atteindre des centaines de kilovolts pour une transmission longue distance sur le réseau électrique. Ceux-ci sont transportés sur les plus grandes tours de transmission électriques qui ont besoin de beaucoup d’espace pour éloigner les fils les uns des autres et de tout ce qu’ils peuvent recouvrir. Ce sont des tensions très dangereuses et tout à fait gênantes lorsque vous devez utiliser la puissance dans des conditions normales. Cela permet toutefois de transporter efficacement la puissance sur de très grandes distances.

Quand il arrivera à une sous-station locale, sa tension sera ramenée à quelques dizaines de kilovolts et transportée sur de petites tours et poteaux (ou sous terre) et acheminée vers les clients des grandes installations et les transformateurs de distribution de proximité. Ceux-ci abaissent ensuite à nouveau la tension jusqu'au niveau de votre secteur domestique (100-240V). A ce niveau, les tensions sont suffisamment élevées pour permettre un transport efficace de l'énergie autour de votre maison (sur des fils de taille raisonnable) mais suffisamment basses pour ne pas avoir beaucoup de problèmes de tensions de transmission élevées (interférences RF, risques d'arcs électriques, etc.). .

Considérons maintenant quelque chose qui ressemble à un ordinateur: la tension du secteur circule avec une faible perte via les fils de votre maison jusqu’à ce qu’elle atteigne l’alimentation. À ce stade, il est encore réduit à 5V et 12V (DC). Dans ce cas, l’alimentation ne doit se trouver qu’à une très courte distance de la carte mère et de ses composants, et il n’est pas très pratique d’avoir des fils très fins aux niveaux de tension secteur à l’intérieur d’un tel boîtier. De toute façon, aucun des périphériques internes d’un ordinateur ne peut fonctionner directement sur de telles tensions, de sorte que le bloc d’alimentation est là pour faire converger l’alimentation en une forme utile pour le périphérique final.

Sur la carte mère elle-même, la tension est à nouveau réduite pour alimenter la RAM, le chipset et le processeur - ce dernier étant un composant matériel délicat qui serait détruit par des tensions beaucoup plus élevées que 1,3V environ. Dans ce cas, la puissance ne doit évoluer que de quelques centimètres ou moins, et un CPU typique peut tirer entre 60 et 80 ampères de courant à cette très basse tension. Vous avez donc ici un processeur 90W représentant 70A à 1,3 V d'un régulateur de tension utilisant 7,5 A à 12 V du bloc d'alimentation, qui prélève 0,75 A à 120 V de la prise dans le mur qui tire 23 mA à 4 kV du transformateur de voisinage qui, en haut de la ligne, tire 230 microampères des lignes longue distance sur la grille.

En fin de compte, il s’agit d’aligner efficacement l’alimentation en électricité en fonction de la charge. Cela signifie généralement que l’énergie électrique doit être transformée plusieurs fois, à chaque point, en une tension adaptée à l’application.

En termes simples, une basse tension nécessite un courant élevé. Les courants élevés soumettent tous les composants des circuits à des contraintes thermiques. Et vous devez avoir un câblage plus épais en prime. Les hautes tensions ne sollicitent pas la plupart des composants tant que vous ne court-circuite rien.

Vous pouvez certainement alimenter un appareil de 60W à partir de 12A @ 5V PSU mais 12A est déjà un courant assez élevé pour les connecteurs, les ferrites, les inductances ..

Du point de vue de la sécurité, le 24VDC est souvent utilisé, en particulier dans un contexte médical. Des tensions plus élevées peuvent être utilisées en fonction de la juridiction, mais l'option la plus répandue consiste simplement à isoler le périphérique afin d'empêcher tout contact avec des circuits sous tension.

Comme additif anecdotique aux autres réponses, il existe une vieille règle empirique selon laquelle la distance de transmission de l’énergie appropriée pour une tension V est d’environ V pieds. Si vous pensez à quelle distance vous voulez courir, disons, 12 V vers un appareil d'éclairage tirant un courant important (par exemple, les lampes à halogène qui sont devenues très en vogue dans les années 90 et sont maintenant, gloire au pouvoir, déplacées par des LED), 12 le pied n'est pas un mauvais guide. De même pour 230V, 230 pieds du transformateur à l'ampoule domestique fonctionnent plutôt bien.

Jamais une règle absolue, juste une approximation bien sûr.