19世紀(jì)的后半部分所看到的科技革命邁出的第一個(gè)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(gè)時(shí)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(wú)法想象的，比如如收音機(jī)。盡管我們覺(jué)得電子基礎(chǔ)設(shè)施和社會(huì)在今天是理所當(dāng)然的，可是達(dá)到這樣一個(gè)狀態(tài)是歷經(jīng)曲折的。在1880年代末，有一個(gè)“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(guó)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(ài)迪生。最后，電氣化的世界終于從藍(lán)圖變成了現(xiàn)實(shí)。

圖1：尼古拉.特斯拉（左）和托馬斯.愛(ài)迪生（右）

1 AC vs DC

這場(chǎng)爭(zhēng)論的核心論點(diǎn)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(zhǎng)距離運(yùn)輸時(shí)其效率低下，因?yàn)閾p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(dòng)世界就需要更大的發(fā)電站來(lái)點(diǎn)綴風(fēng)景了。然而，1880年的機(jī)器產(chǎn)生直流要簡(jiǎn)單得多，這是它的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。相比之下，交流需要更精確的機(jī)器以產(chǎn)生振動(dòng)電子，但交流電傳輸遠(yuǎn)距離其效率更大。這兩個(gè)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(jiàn)他的心靈之眼，而愛(ài)迪生是他那個(gè)時(shí)代的完善的制造商。優(yōu)雅而精致的設(shè)計(jì)和實(shí)用性。最后，推動(dòng)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(shì)是，其電壓水平可以很輕易地通過(guò)相對(duì)廉價(jià)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(shí)用的優(yōu)勢(shì)。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(guò)實(shí)際使用交流來(lái)傳輸電，構(gòu)建一個(gè)小型基礎(chǔ)設(shè)施意味著更劃算。

當(dāng)然，愛(ài)迪生不會(huì)不戰(zhàn)而降。19世紀(jì)后期的愛(ài)迪生曾舉行示威活動(dòng)，說(shuō)交流是用來(lái)以電椅的形式處死動(dòng)物，試圖說(shuō)服群眾交流電的危險(xiǎn)。然而，紐約州的第一個(gè)電椅是由兩個(gè)愛(ài)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(dòng)是好的方法，而現(xiàn)實(shí)情況是，直流和交流都是有危險(xiǎn)的，如果電流是足夠大的。只需要幾毫安級(jí)電流在合適的條件下就可導(dǎo)致心臟顫動(dòng)死亡。

多年來(lái)，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。基于共模堵塞過(guò)濾器和來(lái)自EPCOS/TDK公司的電容有助于減少EMI，隨著越來(lái)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(wú)EMI，TDK的影像。

3 DC和數(shù)字革命

雖然交流已經(jīng)成為事實(shí)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(kāi)始在1970年代，幾十年后在世界各地的實(shí)驗(yàn)室開(kāi)始普及。數(shù)字技術(shù)是絕對(duì)依賴于直流電源。1和0的電子信息時(shí)代依賴一個(gè)直流電壓的存在與否。數(shù)字設(shè)備獲取電源來(lái)自于墻上的交流插座，交流電必須先轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟姟Ｕ麟娐吩诂F(xiàn)代設(shè)備中就是用于實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能的。

因?yàn)橐苿?dòng)數(shù)字技術(shù)是沒(méi)有電線的，是通過(guò)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(gè)給定的電壓水平。電池壽命是一個(gè)電池mA-H轉(zhuǎn)化率和設(shè)備的電流消耗之間的函數(shù)。開(kāi)關(guān)直流-直流轉(zhuǎn)換器用于現(xiàn)代移動(dòng)電子設(shè)備允許電池有固定直流電壓水平服務(wù)多個(gè)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(lái)執(zhí)行其功能。

4 未來(lái)

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(gè)電網(wǎng)傳輸。隨著電力臨近消費(fèi)者，電壓越來(lái)越低，直到通過(guò)最后一個(gè)降壓變壓器和斷路器面板離開(kāi)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(gè)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(lái)自維基百科的圖片）

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

根據(jù)國(guó)際能源署，2012年全世界共消費(fèi)了20900太瓦時(shí)的電力。使用一個(gè)非常基本的計(jì)算基于平方反比公式,這將生成x1014 5.1倍20900 TWh的輸電損耗。換句話說(shuō)，經(jīng)濟(jì)和物理學(xué)證明，無(wú)線電力傳輸是完全不切實(shí)際的。

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

在愛(ài)迪生和特斯拉在交流和直流的爭(zhēng)斗的同時(shí)，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(shí)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(gè)世紀(jì)之后其技術(shù)才開(kāi)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(kāi)始意味著交流轉(zhuǎn)換成高壓直流(高達(dá)800 kv)成為實(shí)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(guò)400英里時(shí)變得更加實(shí)惠，因?yàn)槟悴恍枰\(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(méi)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(lái)自英飛凌的IGBT有助于使HVDC直流變成現(xiàn)實(shí)(圖片由英飛凌)

也有可能未來(lái)的電力傳輸根本沒(méi)有傳輸硬件。可再生能源被越來(lái)越多的獲取并且越來(lái)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?jī)?chǔ)存，效率已經(jīng)提高和突破，并不是深不可測(cè)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(gè)轉(zhuǎn)換，反之亦然。有些工作是通過(guò)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，如EM聯(lián)盟倡導(dǎo)當(dāng)?shù)刂绷鞣植肌：?jiǎn)而言之，明天的壁裝電源插座可能只是一個(gè)USB端口，而不是三相交流 電，這個(gè)現(xiàn)在社會(huì) 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(ài)迪生將最終贏得這場(chǎng)戰(zhàn)爭(zhēng)。

5 也許這根本不是戰(zhàn)爭(zhēng)?

今天的世界已經(jīng)毫無(wú)疑問(wèn)的受尼古拉·特斯拉和托馬斯·愛(ài)迪生發(fā)明的影響。現(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(huì)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(diǎn)。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(mén)檻上。隨著世界開(kāi)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(dú)立，我們需要整合太陽(yáng)能、風(fēng)能、地?zé)帷⒑?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(diǎn)和缺點(diǎn)和對(duì)這些資源如何生成電能將是我們未來(lái)成功的關(guān)鍵因素。特斯拉和愛(ài)迪生分別引以為豪的AC和DC為建立一個(gè)美好的明天都做出了重大貢獻(xiàn)！