高ワット数のアプリケーションに低電圧電源を使用しないのはなぜですか？

オームの法則に関する超ヌービーの質問ですが、これは今朝考えられています。

60Wのデバイスがあり、それを電源供給したいとします。通常、これには120Vのソースなどが必要です。しかし、5Vのソースを使用して、本当に低い抵抗で12Aを引き出してみませんか？主に安全のためですか？または、12アンペアを達成するのに十分なほど抵抗を低くすることに問題がありますか？

私はこれをグーグルで試してみましたが、あまり現れませんでした。おそらく本当に明らかですが、ただ疑問に思って..

重複マークの編集：重複した提案は似ています。ただし、直列セルと並列セルについて説明し、興味深い情報を追加していますが、私がまさに求めていたものではありません。この投稿で提供された回答は、私にとってはるかに有用でした。

編集2：複製マークが通過したので、元の編集を追加しました。

電力は電圧と電流の積であるという点であなたは正しいです。これは、必要な電力が得られる限り、電圧と電流の組み合わせが適切であることを示します。

しかし、現実の世界では、邪魔になるさまざまな現実があります。最大の問題は、低電圧では電流を高くする必要があり、高電流は高価で、大きく、および/または処理が非効率的であることです。また、電圧に制限があり、それを超えると不便になります。つまり、高価または大きくなります。したがって、中央には中程度の範囲があり、これは私たちが扱う不便な物理学に最適です。

60 Wデバイスを例として使用し、120 Vと500 mAを検討することから始めます。どちらも、異常な困難や出費をもたらす制限を押しているわけではありません。200 Vへの絶縁（特に絶縁定格のために常にある程度のマージンを残します）は、そうしないとしない限りほとんど起こります。500 mAは、異常に太いワイヤや高価なワイヤを必要としません。

5 Vと12 Aは確かに実行可能ですが、すでに通常の「フックアップ」ワイヤを使用することはできません。12 Aを処理するワイヤは、500 mAを処理できるワイヤよりも太くなり、かなりのコストがかかります。これは、実際の費用がかかり、ワイヤの柔軟性が低下し、太くなる、より多くの銅を意味します。

もう一方の端では、120 Vから5 Vに下げてもそれほど得られません。1つの利点は安全性評価です。一般に、48 V以下では、レギュレータごとに状況が単純になります。30 Vに到達するまでに、トランジスタなどで10 Vを処理するだけでよい場合は、それほど節約できません。

これをさらに進めると、60 Aで1 Vは非常に不便です。このような低電圧で開始することにより、ケーブルでの電圧降下が小さくなると、回避するのが難しくなると、非効率性が大幅に低下します。合計100mΩの出力とバック抵抗しか持たないケーブルを考えます。両端に1 Vの電圧がかかっていても、10 Aしか流れないため、デバイスに電圧はかかりません。

デバイスで少なくとも900 mVが必要であり、ケーブルの電力損失を補償するために67 Aを供給する必要があるとしましょう。ケーブルには、（100 mV）/（67 A）= 1.5mΩの合計抵抗と出力合計が必要です。合計1 mのケーブルでも、かなり太い導体が必要になります。そして、それでも6.7 Wを消費します。

高電流を扱う際のこの困難は、ユーティリティ規模の送電線が高電圧である理由です。これらのケーブルの長さは数百マイルにもなるため、直列抵抗が増加します。電力会社は、電圧を可能な限り高くして、数百マイルのケーブルを安価にし、電力を無駄にしないようにします。高電圧にはいくらかコストがかかりますが、これは主にケーブルと他の導体との間に大きなクリアランスを保つための要件です。それでも、これらのコストは、ケーブルでより多くの銅または鋼を使用するほど高くはありません。

ACのもう1つの問題は、表皮効果により、直径が大きくなると抵抗の戻りが小さくなることです。これが、本当に長距離の場合、DCを送信し、受信側でそれをACに変換する費用を支払うほうが安くなる理由です。

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電流が2倍になるたびに、ワイヤで失われる電力は4倍になります。それを補うために、抵抗を4倍小さくする必要があります。つまり、ワイヤーの断面を4倍（ワイヤーの直径の2倍）に増やす必要があります。

まったく同じ理由で、電力網は電力を輸送するために最大数百キロボルトを使用します（家庭レベルの電圧での輸送は、損失を同じに保つために百万倍のオーダーの銅を必要とします）。

大電流は、いくつかの理由で望ましくありません。まず、より大きな電流には、より大きな導体とスイッチギアのより大きな接点が必要です。第二に、高電流は火災の危険性があります。高電流システムでは、接続不良によるわずかな追加抵抗が非常に高温になる可能性があります。

また、高電圧は望ましくなく、より厚い絶縁体が必要であり、スイッチギアの大きな接触ギャップと端子間の大きな間隔が必要であり、感電の危険性が高まります。

もちろん、所定の電力では、電圧を下げると電流が増加し、逆も同様です。

したがって、幸せな媒体を見つける必要があります。最も幸せな媒体は、関係する電力レベルとある程度負荷の詳細に依存します。実際には、互換性のために妥協する必要があります。人々はすべてをプラグインできる1組の配線を家に持ちたいと考えています。

本当に低い抵抗を確実に達成することは大きな問題です。室温の超伝導体が存在するまで、それは大きな問題のままです。

多くのPC電源は、低電圧で高電力を供給します。それらは、ケーブルの端に接着された電源レール上にセンス線を持っています。これはレギュレータ回路にフィードバックして電圧をブーストし、大電流による電圧降下とワイヤの内部抵抗を補償します。ただし、最新のマザーボードでは、損失を回避して内部で調整するために、ほとんどの電力が最高電圧レールから供給されます。

また、高アンペアの負荷には、その高電流の下で​​加熱したり溶けたりしない頑丈な導体が必要です。導体が何らかの方法で損傷した場合、そのスポットはより高い抵抗を持ち、さらに加熱します。

他の人が指摘したように、電圧が高いほど、デバイスに電源を接続するケーブルでの電力損失が低くなります。

送電網を介した長距離伝送のために、数百キロボルトまでブーストされる主電源を考慮してください。これらは最大の送電塔に搭載されており、電線を互いに離したり、アークが発生する可能性のあるものから遠ざけるために膨大なスペースを必要とします。これらは非常に危険な電圧であり、通常の設定で電源を使用する必要がある場合は完全に不便です。ただし、非常に長い距離にわたって効率的に電源を伝送できます。

地元の変電所に着くと、電圧は数十キロボルト程度に低下し、小さなタワーとポール（または地下）で大きな施設の顧客や近隣の配電変圧器に運ばれます。次に、これらの電圧を家庭用の主電源レベル（100-240V）に再度下げます。このレベルでは、電圧はあなたの家の周りの電力を効率的に輸送するのに十分な大きさです（適度なサイズのワイヤで）が、高い送信電圧の問題（RF干渉、アーク障害など）の多くを持たないほど低いです。 。

今、コンピューターのようなものを考えてみてください-主電源電圧は、電源に到達するまであなたの家のワイヤーを通して低損失で進みます。この時点で、さらに5Vと12V（DC）に低下します。ここでは、電源はマザーボードとコンポーネントまでの距離が非常に短い必要があり、そのようなケース内の電源電圧レベルで非常に細いワイヤを使用することはあまり便利ではありません。とにかく、コンピューターの内部デバイスはいずれもこのような高電圧で直接動作することはできないため、PSUはエンドデバイスに役立つ形式に電力を変換します。

マザーボード自体では、RAM、チップセット、およびCPUに給電するために電圧が再び低下します。後者は、約1.3Vよりもはるかに高い電圧によって破壊される繊細なハードウェアです。ここで、電力は数センチメートル以下を移動するだけでよく、一般的なCPUはその非常に低い電圧で60〜80アンペアの電流を引き込むことができます。したがって、ここでは、90W CPUが、PSUから12Vで7.5Aを引き出す電圧レギュレータから1.3Vで70Aを引き出し、近隣の変圧器から4kVで23mAを引き出す壁のプラグから0.75Aを引き出しますこれは、ライン上で、グリッド上の長距離ラインから230マイクロアンペアを引き出しています。

結局のところ、効率的な方法で電源を負荷に一致させることです。これは通常、各ポイントでアプリケーションに適した電圧に電力を何度も変換することを意味します。

簡単に言えば、低電圧には大電流が必要です。大電流は、回路上のすべてのコンポーネントに多くの熱ストレスをかけます。また、ボーナスとしてより太い配線が必要です。高電圧は、何もショートさせない限り、ほとんどのコンポーネントにストレスをかけません。

12A @ 5V PSUから60Wデバイスに確実に電力を供給できますが、12Aはすでにコネクタ、フェライト、インダクタ用のかなり高い電流です。

安全性の観点から、特に医療環境では24VDCがよく使用されます。司法管轄区によってはより高い電圧が使用される場合がありますが、一般的なオプションはデバイスを絶縁するだけで、通電中の回路に指を刺さないようにすることです。

他の回答の逸話的な補遺として、ある電圧Vの適切な送電距離は約Vフィートであるという古い経験則があります。かなりの電流を引き込む照明器具への12Vなどの距離を考えたい場合（たとえば、90年代に非常に流行し、現在は栄光があり、LEDによって置き換えられているハロゲンランプ）、12足は悪いガイドではありません。同様に、230Vの場合、変圧器から家庭用電球までの230フィートはかなりうまく機能します。

決して厳格で速いルールではなく、当然のことです。