回顧特斯拉和愛迪生的交流與直流電之間的恩怨

19世紀(jì)的后半部分所看到的科技革命邁出的第一個腳步將使所有先進(jìn)的東西變的渺小。電氣化深刻地改變了人類生活的方方面面。電氣化不僅改變了那個時代的現(xiàn)有技術(shù)(石油照明電燈)，而且它也創(chuàng)造了全新的產(chǎn)品，在這之前我們是無法想象的，比如如收音機(jī)。盡管我們覺得電子基礎(chǔ)設(shè)施和社會在今天是理所當(dāng)然的，可是達(dá)到這樣一個狀態(tài)是歷經(jīng)曲折的。在1880年代末，有一個“格式之戰(zhàn)”的就像VHS vs Betamax,藍(lán)光vs HD-DVD之間的沖突。那些年交流電(AC)之父是塞爾維亞裔美國古怪的天才尼古拉·特斯拉，其結(jié)束了DC的統(tǒng)治地位，還有既聰明又精于商業(yè)的托馬斯.愛迪生。最后，電氣化的世界終于從藍(lán)圖變成了現(xiàn)實。

圖1：尼古拉.特斯拉（左）和托馬斯.愛迪生（右）

1 AC vs DC

這場爭論的核心論點是，交流和直流的使用用可以歸結(jié)為美好的工程權(quán)衡。在1880年，DC直流在長距離運(yùn)輸時其效率低下，因為損失的線電壓與生成的DC直流電壓相比所占比重非常巨大。因此用直流驅(qū)動世界就需要更大的發(fā)電站來點綴風(fēng)景了。然而，1880年的機(jī)器產(chǎn)生直流要簡單得多，這是它的技術(shù)優(yōu)勢。相比之下，交流需要更精確的機(jī)器以產(chǎn)生振動電子，但交流電傳輸遠(yuǎn)距離其效率更大。這兩個解決方案很大程度上反映了他們的冠軍的心態(tài)。特斯拉更傾向于理論，能夠看見他的心靈之眼，而愛迪生是他那個時代的完善的制造商。優(yōu)雅而精致的設(shè)計和實用性。最后，推動電子從發(fā)電廠到消費(fèi)者，交流電從直流電手中奪取了勝利。

2 AC勝在傳輸

交流電的關(guān)鍵優(yōu)勢是，其電壓水平可以很輕易地通過相對廉價的變壓器提升。相同的功率下，高電壓可以傳輸而使得電流較小。這就意味著其擁有非常實用的優(yōu)勢。在較小的線路損耗下，消費(fèi)者和發(fā)電設(shè)施之間的距離可以變的更大。通過實際使用交流來傳輸電，構(gòu)建一個小型基礎(chǔ)設(shè)施意味著更劃算。

當(dāng)然，愛迪生不會不戰(zhàn)而降。19世紀(jì)后期的愛迪生曾舉行示威活動，說交流是用來以電椅的形式處死動物，試圖說服群眾交流電的危險。然而，紐約州的第一個電椅是由兩個愛迪生員工發(fā)明的。不出所料，交流電被選為用于電椅。雖然這些示威活動是好的方法，而現(xiàn)實情況是，直流和交流都是有危險的，如果電流是足夠大的。只需要幾毫安級電流在合適的條件下就可導(dǎo)致心臟顫動死亡。

多年來，技術(shù)的改進(jìn)導(dǎo)致電網(wǎng)提高性能。電磁干擾(EMI)是由線路噪聲引起的上游和負(fù)載連接的下游導(dǎo)致“污染”電力?；诠材６氯^濾器和來自EPCOS/TDK公司的電容有助于減少EMI，隨著越來越多的電子設(shè)備操作要求清潔能源，這是非常重要的。

圖2：阻流有助于使電線清潔無EMI，TDK的影像。

3 DC和數(shù)字革命

雖然交流已經(jīng)成為事實上的標(biāo)準(zhǔn)電力傳輸和分配，直流在現(xiàn)代生活中任然扮演了關(guān)鍵角色。直流電機(jī)控制許多低馬力機(jī)械應(yīng)用。直流電在電信設(shè)備和汽車系統(tǒng)也起著至關(guān)重要的作用(電池和變頻器將交流變成直流)。

直流伴隨數(shù)字革命的最大勝利，大概最早開始在1970年代，幾十年后在世界各地的實驗室開始普及。數(shù)字技術(shù)是絕對依賴于直流電源。1和0的電子信息時代依賴一個直流電壓的存在與否。數(shù)字設(shè)備獲取電源來自于墻上的交流插座，交流電必須先轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟?。整流電路在現(xiàn)代設(shè)備中就是用于實現(xiàn)這個功能的。

因為移動數(shù)字技術(shù)是沒有電線的，是通過電池提供直流電源的。電池靠組件電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的電子在一個給定的電壓水平。電池壽命是一個電池mA-H轉(zhuǎn)化率和設(shè)備的電流消耗之間的函數(shù)。開關(guān)直流-直流轉(zhuǎn)換器用于現(xiàn)代移動電子設(shè)備允許電池有固定直流電壓水平服務(wù)多個可能運(yùn)行在不同的電壓水平的子電路。直流-直流轉(zhuǎn)換器切換模式的負(fù)面影響之一是產(chǎn)生了射頻噪聲，必須使用特殊的組件比如asRF阻流。今天，除了我們的大電器，絕大多數(shù)我們帶回家的電子設(shè)備最終都將依賴于直流電來執(zhí)行其功能。

4 未來

在近150年，現(xiàn)代生活的設(shè)備的質(zhì)量和效率發(fā)生了翻天覆地的變化。然而，基本概念仍大體上相同。大型發(fā)電設(shè)施依靠各種能源轉(zhuǎn)換成電能，然后沿著一個電網(wǎng)傳輸。隨著電力臨近消費(fèi)者，電壓越來越低，直到通過最后一個降壓變壓器和斷路器面板離開電網(wǎng)送入你的住宅，最后到達(dá)AC壁裝電源插座。我們的設(shè)備直接使用交流或者將其轉(zhuǎn)換為一個更有用的直流電壓給我們生活中的電子產(chǎn)品供電。

圖3 ：特斯拉的Wardenclyffe塔（來自維基百科的圖片）

現(xiàn)在有一個方法很多人肯能會關(guān)注(甚至擁躉)那就是無線電力傳輸。為了說明什么是無線傳輸我們沒有說感應(yīng)智能手機(jī)充電器等產(chǎn)品。這些設(shè)備確實是無線傳輸能量，但是卻在很短的距離和驅(qū)動電力設(shè)備相對較低。相反，是否世界的整個電網(wǎng)被替換為天線，其輻射電力就像“獨家新聞”從空中廣播或者廣播電視信號一樣呢。特立獨行的尼古拉·特斯拉一直迷戀這樣的一個概念，那就是構(gòu)建長島的沃登克里弗廣塔在傳播信息（聲音和傳真機(jī)）的同時也可以傳輸電力。無線電力傳輸?shù)幕締栴}其實是數(shù)學(xué)問題。各向同性的平方反比定律(天線輻射能量同樣有三個維度)告訴我們?nèi)缦鹿剑?/p>

根據(jù)國際能源署，2012年全世界共消費(fèi)了20900太瓦時的電力。使用一個非?；镜挠嬎慊谄椒椒幢裙?這將生成x1014 5.1倍20900 TWh的輸電損耗。換句話說，經(jīng)濟(jì)和物理學(xué)證明，無線電力傳輸是完全不切實際的。

如果無線電力傳輸?shù)矫總€家庭、學(xué)校、商店、工廠仍然是一個白日夢；那有什么變化可能會改變我們的世界?期待未來，但有時我們不得不往后看。

在愛迪生和特斯拉在交流和直流的爭斗的同時，其他概念也被探索。高壓直流(HVDC)研究的技術(shù)最早出現(xiàn)在1880年左右，但該時間段意味著直流設(shè)備昂貴的技術(shù)制造和維護(hù)成本。一個世紀(jì)之后其技術(shù)才開始趕上理論。引入固態(tài)技術(shù)，如絕緣柵雙極晶體管和集成gate-commutate晶體管從英飛凌科技等公司從1970年代開始意味著交流轉(zhuǎn)換成高壓直流(高達(dá)800 kv)成為實際。雖然AC-to-DC轉(zhuǎn)換技術(shù)的兩端直流輸電系統(tǒng)是昂貴的，直流傳輸硬件在距離超過400英里時變得更加實惠，因為你不需要運(yùn)行三相電纜而。直流系統(tǒng)也可以用于互連同步交流傳輸網(wǎng)絡(luò)，然而， HVDC直流系統(tǒng)可靠性系統(tǒng)還沒有完全與AC同行看齊。加上HVDC技術(shù)仍然推進(jìn)迅速。

圖4：固態(tài)器件如來自英飛凌的IGBT有助于使HVDC直流變成現(xiàn)實(圖片由英飛凌)

也有可能未來的電力傳輸根本沒有傳輸硬件?？稍偕茉幢辉絹碓蕉嗟墨@取并且越來越接近能源消耗。毫不奇怪的是，光伏板如雨后春筍般在世界各地房屋的屋頂上。作為能量儲存，效率已經(jīng)提高和突破，并不是深不可測的，生活“網(wǎng)格”將變得更加普遍。但在這里，它變得很有趣。光電產(chǎn)生直流電壓。因此，將它到你的家里必須先轉(zhuǎn)換為交流。而遭受重大損失是在從交流到直流的每個轉(zhuǎn)換，反之亦然。有些工作是通過產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，如EM聯(lián)盟倡導(dǎo)當(dāng)?shù)刂绷鞣植?。簡而言之，明天的壁裝電源插座可能只是一個USB端口，而不是三相交流 電，這個現(xiàn)在社會 非常普遍的東西，最后，特斯拉有可能贏得了最多的戰(zhàn)役，但愛迪生將最終贏得這場戰(zhàn)爭。

5 也許這根本不是戰(zhàn)爭?

今天的世界已經(jīng)毫無疑問的受尼古拉·特斯拉和托馬斯·愛迪生發(fā)明的影響?，F(xiàn)代生活是由我們利用電子的能力組成。AC和DC在我們高科技的世界里都找到了各自的用武之地。我們已經(jīng)學(xué)會了如何利用技術(shù)和經(jīng)濟(jì)效益這兩種技術(shù)的優(yōu)缺點。幸運(yùn)的是我們這些工程師和技術(shù)公司，我們已經(jīng)站在了第二次電子革命的門檻上。隨著世界開始認(rèn)真地看待利用可再生能源將更好的管理生態(tài)環(huán)境和使能源獨立，我們需要整合太陽能、風(fēng)能、地?zé)?、?a target="_blank">tidal-based發(fā)電技術(shù)使電能進(jìn)入電網(wǎng)。了解交流和直流輸電的優(yōu)點和缺點和對這些資源如何生成電能將是我們未來成功的關(guān)鍵因素。特斯拉和愛迪生分別引以為豪的AC和DC為建立一個美好的明天都做出了重大貢獻(xiàn)！