¿Por qué no utilizamos fuentes de alimentación de baja tensión para aplicaciones de gran potencia?

Question

Una pregunta súper novata que involucra la ley de Ohm, pero esto ha estado en la mente esta mañana.

Digamos que tengo un dispositivo de 60W y quiero alimentarlo. Normalmente esto requiere una fuente de 120V o algo así. Sin embargo, ¿por qué no usar una fuente de 5V y dibujar 12A con una resistencia realmente baja? ¿Es por motivos de seguridad principalmente? ¿O hay algún problema para conseguir una resistencia lo suficientemente baja como para conseguir los 12 amperios?

Intenté buscar esto en Google pero no apareció mucho. Probablemente sea muy obvio, pero me pregunto

EDITAR para la marca duplicada: La sugerencia duplicada es similar; sin embargo, discute las células en serie vs. en paralelo y añade información interesante, pero no es exactamente lo que estaba preguntando. Las respuestas proporcionadas en este post fueron mucho más útiles para mí.

EDIT 2: He vuelto a añadir mi edición original ahora que la marca de duplicación ha pasado.

Answer 1

Tienes razón en que la potencia es el producto de la tensión y la corriente. Esto indicaría que cualquier combinación de voltaje x corriente estaría bien, siempre y cuando salga la potencia deseada.

Sin embargo, en el mundo real tenemos varias realidades que se interponen. El mayor problema es que a baja tensión, la corriente tiene que ser alta, y esa corriente alta es cara, grande y/o ineficiente de manejar. También hay un límite en el voltaje por encima del cual se vuelve inconveniente, es decir, caro o grande. Por lo tanto, hay un rango moderado en el medio que funciona mejor con la física inconveniente que tenemos.

Utilizando su dispositivo de 60 W como ejemplo, empiece por considerar 120 V y 500 mA. Ninguno de los dos está sobrepasando los límites que provocan dificultades o gastos inusuales. Aislar a 200 V (siempre hay que dejar cierto margen, sobre todo para la capacidad de aislamiento) es algo que ocurre a menos que se intente no hacerlo. 500 mA no requiere un cable inusualmente grueso o caro.

5 V y 12 A es ciertamente factible, pero ya no se puede usar un cable normal de "enganche". El cable para manejar 12 A va a ser más grueso y costará considerablemente más que el cable que puede manejar 500 mA. Eso significa más cobre, que cuesta mucho dinero, hace que el cable sea menos flexible y lo hace más grueso.

En el otro extremo, no se ha ganado mucho bajando de 120 V a 5 V. Una ventaja es el índice de seguridad. Por lo general, a 48 V y menos, las cosas se simplifican en cuanto a los reguladores. Cuando se baja a 30 V, no se ahorra mucho en transistores y similares si sólo tienen que manejar 10 V.

Si vamos más allá, 1 V a 60 A sería bastante inconveniente. Al empezar con una tensión tan baja, las caídas de tensión más pequeñas en el cable se convierten en ineficiencias más significativas, justo cuando resulta más difícil evitarlas. Considere un cable con sólo 100 mΩ de resistencia total de ida y vuelta. Incluso con la totalidad de 1 V a través de él, sólo consumiría 10 A, y eso no deja ninguna tensión para el dispositivo.

Digamos que quieres al menos 900 mV en el dispositivo, y por lo tanto necesitas entregar 67 A para compensar la pérdida de potencia en el cable. El cable tendría que tener una resistencia total de ida y vuelta de (100 mV)/(67 A) = 1,5 mΩ. Incluso con un total de 1 m de cable, eso requeriría un conductor bastante grueso. Y, aún así, disiparía 6,7 W.

Esta dificultad para manejar la alta corriente es la razón por la que las líneas de transmisión de energía a escala comercial son de alta tensión. Estos cables pueden tener cientos de kilómetros de longitud, por lo que la resistencia en serie se acumula. Las compañías eléctricas hacen el voltaje más alto posible para que los cientos de kilómetros de cable sean más baratos y para que se desperdicie menos energía. El alto voltaje tiene un coste, que se debe principalmente a la necesidad de mantener una mayor distancia entre el cable y cualquier otro conductor. Sin embargo, estos costes no son tan elevados como el uso de más cobre o acero en el cable.

Otro problema de la CA es que el efecto piel significa que se obtienen rendimientos decrecientes en la resistencia para diámetros mayores. Por eso, para distancias realmente largas, resulta más barato transmitir corriente continua y luego pagar el gasto de convertirla en corriente alterna en el extremo receptor.

Answer 2

Combine $$ P = V \cdot I $$ con la ley de Ohm $$ V = R \cdot I $$ para obtener:

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

donde \$P\$ es la potencia disipada en los cables de alimentación, \$I\$ es la corriente que circula por los cables y \$R\$ es la resistencia de los cables.

Por cada duplicación de la corriente, la potencia perdida en los cables se cuadruplica. Para compensar esto, habría que reducir la resistencia cuatro veces, es decir, aumentar la sección transversal del cable por un factor de cuatro (duplicar el 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 la electricidad (el transporte a tensiones domésticas requeriría del orden de un millón de veces más cobre para mantener las mismas pérdidas).

Answer 3

Conseguir una resistencia realmente baja de forma fiable es un problema importante. Hasta que no existan superconductores a temperatura ambiente, seguirá siendo un gran problema.

Muchas fuentes de alimentación para PC alimentan con alta potencia a bajas tensiones. Disponen de un hilo sensor en el carril de alimentación que se une al extremo del cable. Este cable retroalimenta el circuito regulador para aumentar el voltaje y compensar la caída de voltaje por el alto consumo de corriente y la resistencia interna del cable. Sin embargo, las placas base modernas extraen la mayor parte de su energía del carril de mayor voltaje para evitar las pérdidas y regularlo internamente.

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

Answer 4

Las corrientes altas no son deseables por un par de razones. En primer lugar, las corrientes elevadas requieren conductores y contactos más grandes en los equipos de conmutación. En segundo lugar, las corrientes elevadas suponen un riesgo de incendio, ya que en un sistema de corriente elevada, una pequeña resistencia adicional procedente de una mala conexión puede calentarse fácilmente.

Las altas tensiones tampoco son deseables, ya que requieren aislantes más gruesos, exigen mayores espacios de contacto en la aparamenta y una mayor separación entre los terminales y suponen un mayor riesgo de descarga eléctrica.

Por supuesto, para una potencia determinada, la reducción de la tensión aumentará la corriente y viceversa.

Así que tenemos que encontrar un término medio, el más feliz dependerá del nivel de potencia en cuestión y, en cierta medida, de los detalles de la carga. En la práctica, también hay que llegar a un compromiso de compatibilidad, ya que la gente quiere tener un solo cableado en su casa al que pueda conectar todo.

Answer 5

En pocas palabras, una tensión baja requiere una corriente alta. Una corriente elevada somete a todos los componentes del circuito a un gran estrés térmico. Además, se necesita un cableado más grueso. Los altos voltajes no estresan a la mayoría de los componentes mientras no se cortocircuite nada..

Definitivamente puedes alimentar un dispositivo de 60W con una fuente de alimentación de 12A@5V pero 12A ya es una corriente bastante alta para conectores, ferritas, inductores

Desde el punto de vista de la seguridad, a menudo se utilizan 24VDC, especialmente en un entorno médico. Se pueden utilizar voltajes más altos dependiendo de la jurisdicción, pero la opción más popular es aislar el dispositivo para que no se pueda meter el dedo en los circuitos con corriente.