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三张图理解电子世界的DC/AC

面包板社区 · 公众号 · · 2024-04-28 20:00

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电力是支撑毫不停歇的现代社会的基础。电力电子学是指与电力的输送、转换、控制、供给，以及电子设备电源等方面相关的技术领域。电子设备的电源在英语中称为Power Supply，取其“供应电力”的意思。现代的电子化社会可以视作一个巨型的电子设备。电力并不是只要有供应就够了。在考虑其经济性（节能、省资源、高效等）和便利性（小型、轻量、高性能等）的同时，也必须要去除各种不稳定因素，确保持续优良的品质。这是电力电子学所永远面临的技术课题。

理解直流与交流

所谓直流电就是沿同一方向连续流动的电流。除了干电池和纽扣电池等一次性电池，镍镉电池和锂离子电池、汽车铅蓄电池等充电电池外，太阳能电池和燃料电池发出的也是直流电。相反，交流电是按照一定周期改变流向和大小的电流。

交流电平时不仅会有±10V的电压变动，还会有偶尔的异常电压变动和瞬停（瞬间停电），原本正弦波的波形会出现锯齿状的变形。因此，供电公司会想办法持续地抑制电压变动和波形变形，确保供电质量。

干电池等电池的直流电也并非固定的，其电压会随着时间而下降。手机和笔记本电脑等移动设备拥有自动关机功能，这是为了防止电压下降导致的故障。另外，电路中的直流混有交流成分，这也是导致故障和噪声辐射的原因。完全的直流和交流仅是理论模型，在现实中并不可能实现。

供电系统和电力电子学

在电能的传导和变换方面，电力电子学的使命便是减少各种损耗、追求经济性。例如发电站发出的电力会被升压为高压交流，通过输电线输送，而输电线的电阻会让相当部分的电力变为热能损耗掉。这种电损耗与电流的平方成正比。在输送同样的功率时，电压越高电流就越小，因此输电时都采用几十万V到百万V以上的高压电。输电电压越低，电线就必须越粗，电线塔就必须造得更加坚固。

在19世纪末，欧美在构建大范围输电网络时，曾围绕直流和交流哪种更合适的问题，产生过 “交直争论” 。输电距离越远，电压就下降得越多。因为直流无法通过变压器来提高电压，所以如今采用的都是交流。不过到了20世纪后半，直流输电又重新受到了人们的审视。它将交流转换为直流输电后，会在此转换为交流，虽然需要转换设备，但避免了交流特有的电力损耗，在远距离输电的情况下，直流比交流更具有经济性。直流和交流各有优点，还是应该因地制宜地使用才是。这点在电子设备中也适用。

电子设备内部的电力转换

电子设备基本上都含有集成电路。集成电路靠直流驱动，因此使用商用交流电的设备也需要有交流转直流的设备。将其称为AC-DC电源（目前的主流是开关式，因此也称为“AC-DC开关电源”，或直接称为“开关电源”）。在电池驱动的手机中，也有AC适配器作为简易的AC-DC电源，能够将交流转换为直流，再充入电池。笔记本电脑的耗电量远大于手机，因此在固定使用时会连接AC适配器。

电源并非只包括AC-DC电源。由于电路的驱动电压各有不同，就需要根据电路情况来转换电压。这种设备称为DC-DC转换器。在不断趋向多功能化的电子设备中，会有多个小型DC-DC转换器被分散配置在集成电路的附近。而在液晶电视等设备中，背光的冷阴极管需要由高电压点亮，因此转换后需要用到DC-AC换流器（或直接称为“换流器”），由它将直流再次转换为交流，再用变压器升压。

三张图​理解电子世界的DC/AC

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理解直流与交流

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