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May 10, 2023

すべての電圧は何ですか

La battaglia del flusso è stata vinta da AC in maniera piuttosto decisiva.Dopotutto, per favore

流れの戦いはACがかなり決定的に勝利した。 結局のところ、壁のコンセントから出力される電圧が 110 V か 230 V か、50 Hz か 60 Hz かに関係なく、発振周波数は厳密にゼロより大きくなければならないことに全世界が同意しています。 厳密に言えば、3 つの事実が絡み合ったために AC が勝利しました。 何十万もの小さな発電所よりも、大きな発電所をいくつか持つ方が経済的でした。 これは、電力を比較的長距離にわたって伝送する必要があることを意味し、そのためにはより高い電圧が必要になります。 そして当時、AC 変圧器は電圧を昇圧および降圧する唯一の手段でした。

しかし、それはそのときのことでした。 少なくとも太陽エネルギー愛好家の考えを信じれば、私たちは今、発電革命の真っ只中にいます。 これは 2 つのことを意味します。1 つは元々 DC として生成されるローカル電力です。 そしてそれはACにとって有利な3つの要素のうち2つを完全に無効にする。 (そして効率的な DC-DC コンバータは変圧器を無効にします。) いいえ、一夜にしてスイッチが使えるようになるとは考えていませんが、家庭用電気システムが 2 つあるのがますます一般的になっても驚かないでしょう。電力会社が提供するリモートの高電圧 AC と、地元で生成された低電圧 DC 1 つです。

なぜ？ なぜなら、最近のほとんどの機器は、一部の大型家電製品を除いて、低電圧 DC を使用しているからです。 電池はDCを保管します。 ローカル DC 生成機能を備えた家庭が増えれば、コンセントに差し込んで再度 DC に戻すためだけにローカル DC を AC に変換することは意味がなくなります。 Hackaday の [Jenny List] は、このセットアップの多くを回避し、記事の「低電圧 DC 壁コンセントはどこにありますか?」というオチにまっすぐ進みました。 そして物理的な相互接続のためのいくつかのソリューションを提案しました。 しかし、少し裏付けをしておきたいと思います。 低電圧直流革命が来たら、電圧は何になるでしょうか？

低電圧配線の問題は単純な物理的なものです。 所定の電力需要の場合、P=I*V であるため、電圧が低いほど、より多くの電流が流れることを意味します。 しかし、オームの法則に置き換えると、電流が増加すると、ワイヤ内の抵抗損失 P=I^2*R が劇的に増加することも意味します。 より多くの銅を使用してワイヤの抵抗を減らすことも 1 つの選択肢ですが、電流の 2 乗項に焦点を当てることで、より多くの効果が得られます。

これが、たとえば、Power over Ethernet (PoE) スキームが 30 W 程度の電力を伝送するのに約 48 V を使用する理由です。これらの細いイーサネット ケーブルは、ほとんどの電流を熱として無駄にすることなく、限られた量の電流しか流すことができません。 50 V 付近であっても、PoE スキームではケーブル配線での 3 ～ 5 ワットの損失が想定されます。 したがって、家庭の電気システムの低電圧 DC セグメントに使用されるケーブルが何であれ、Cat-5 よりも太くなることになります。

しかし、銅にはコストがかかるため、抵抗加熱効果によって電圧には常に上昇圧力がかかります。

電気は 30 ～ 50 V あたりから人間にとって危険になり始めます。そこから、人体の抵抗を押し上げる電流レベルが問題になり始めます。 しかし、誰もが「安全第一！」と言う一方で、 現在、壁に 110 または 230 V AC が供給されていることにも注意してください。 現実世界では明らかに「洗濯機ファースト」です。 つまり、DC 30 V 未満の方が安全ですが、コネクタまたは回路ブレーカーに安全性が設計されるのではないかと考えられます。

そこで最後の懸念が生じます。 アーク溶接をしたことがありますか？ アークを発生させるにはどのくらいの DC 電圧が必要ですか? プロ仕様のユニットでは 24 V 付近が非常に一般的な値ですが、20 V の工具用バッテリー パックや 12 V の車のバッテリーでも溶接できた人もいます。 私たちがこれまでに見た一部のスポット溶接機の設計では、2 ボルトまたは 3 ボルトしか使用しませんが、低抵抗の経路を作るためにワークピースを非常に強く押し付けることによって必要な電流を生成します。

リレーを見て、DC および AC 使用の定格があることに気付いたことがありますか? たとえば、これらのリレーの定格は AC 250 V では 10 A ですが、DC 30 V ではわずか 10 A です。 この 10 という因数はどこから来たのでしょうか? リレー接点は 2 つの接点が近づくとスパークする可能性があり、AC アークは 1 秒あたり 100 回または 120 回自己消弧するため、AC の場合には当てはまらない、より高い DC 電圧では接点同士が溶接する傾向があります。

そうなると、家庭用の直流電気システムで動作する機械式スイッチを作るのが問題になり、電圧に下押し圧力がかかることになる。 平均的な車には多くのリレーが含まれており、ほとんどの場合機能しているようです。そのため、ここでは 12 V が適切な選択かもしれません。 ただし、私の言葉を鵜呑みにしないでください。 ここでは、自動車エンジニアによる家庭用 DC の見解を紹介します。 少し古い内容ですが、彼は 24 V ディーゼル車に取り組む際の余分な設計上の懸念について不満を述べています。 私たちはこれをより低い電圧に賛成票を投じたと考えます。

ここでの X 要素は、MOSFET または IGBT の製造の進歩です。 ソリッドステート DC 回路ブレーカーはまだ機械式 (AC) ブレーカーほど安価ではありませんが、家庭内で検討しているような電圧では、十分な価格に達しつつあります。 価格の上昇は、単に現在の需要の低下を反映している可能性もあります。 おそらく電圧の下降圧力は近い将来に蒸発するでしょうか？

さて、記事も終わりに来ました。ここまでの内容が何か理解できるか見てみましょう。 将来のエネルギー需要において太陽光発電が役割を果たすことになるのであれば、DC から AC に往復して再び AC に戻るのは非効率的です。 パネルからバッテリー、最終デバイスまで DC を維持し、途中で高効率の DC-DC コンバータを使用して電圧を 1 回か 2 回変更するだけの方が効率的です。

相補的な DC 規格が存在する場合、加熱損失によって電圧レベルが上昇し、スイッチング制約によって電圧が低下し、安全性が低下すると考えられます。 ソーラーパネルは基本的に高電圧または大電流に合わせて低コストで構成でき、新しい設備は 24 ～ 50 V の範囲で動作する傾向があることを示していると考えられます。 このことから、熱損失の重要性がよく分かります。 バッテリーも同様に柔軟性があるため、電源に合わせてもそれほど問題はありません。

DC ソケットとそれに差し込むデバイスがあれば、すべて屋根の上の中型パネルから電力が供給され、地下室の中型バッテリーに蓄えられていれば、とてもうれしいでしょう。 これがパネルからバッテリー、プラグに48 Vで送られるのか、12 Vで送られるのかは、銅と高価なFETの相対的な価格によって決まりますが、FETは安くなり、銅はより高価になると私たちは確信しています。 私たちは個人的には、この比較的高い電圧を安全のためにプラグで降圧して、たとえば 12 V に下げてもらいたいと思っていますが、文句を言うつもりはありません。 これは、当社の既存の AC インフラストラクチャを完全に補完するものとなるでしょう。

あなたは何と言いますか？ どのような要素が欠けているのでしょうか? すでに家の DC 側を持っている人はいますか? DCの電圧は何ですか?