回顧特斯拉和愛迪生的交流與直流電之間的恩怨

19世紀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(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。盡管我們覺得電子基礎設施和社會在今天是理所當然的，可是達到這樣一個狀態(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為美好的工程權衡。在1880年，DC直流在長距離運輸時其效率低下，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)電站來點綴風景了。然而，1880年的機器產(chǎn)生直流要簡單得多，這是它的技術優(yōu)勢。相比之下，交流需要更精確的機器以產(chǎn)生振動電子，但交流電傳輸遠距離其效率更大。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)雅而精致的設計和實用性。最后，推動電子從發(fā)電廠到消費者，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，消費者和發(fā)電設施之間的距離可以變的更大。通過實際使用交流來傳輸電，構建一個小型基礎設施意味著更劃算。

當然，愛迪生不會不戰(zhàn)而降。19世紀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致心臟顫動死亡。

多年來，技術的改進導致電網(wǎng)提高性能。電磁干擾(EMI)是由線路噪聲引起的上游和負載連接的下游導致“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)成為事實上的標準電力傳輸和分配，直流在現(xiàn)代生活中任然扮演了關鍵角色。直流電機控制許多低馬力機械應用。直流電在電信設備和汽車系統(tǒng)也起著至關重要的作用(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)代設備中就是用于實現(xiàn)這個功能的。

因為移動數(shù)字技術是沒有電線的，是通過電池提供直流電源的。電池靠組件電化學反應產(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)化率和設備的電流消耗之間的函數(shù)。開關直流-直流轉(zhuǎn)換器用于現(xiàn)代移動電子設備允許電池有固定直流電壓水平服務多個可能運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AC壁裝電源插座。我們的設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智能手機充電器等產(chǎn)品。這些設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，那就是構建長島的沃登克里弗廣塔在傳播信息（聲音和傳真機）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)濟和物理學證明，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)研究的技術最早出現(xiàn)在1880年左右，但該時間段意味著直流設備昂貴的技術制造和維護成本。一個世紀之后其技術才開始趕上理論。引入固態(tài)技術，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800 kv)成為實際。雖然AC-to-DC轉(zhuǎn)換技術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，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技術仍然推進迅速。

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)盟倡導當?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)學會了如何利用技術和經(jīng)濟效益這兩種技術的優(yōu)缺點。幸運的是我們這些工程師和技術公司，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、風能、地熱、和tidal-based發(fā)電技術使電能進入電網(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！