Day2 — 前导：电是如何产生的？从交流到直流

电的产生方式来自於一个简单的事实：电磁感应。在感应线圈里如果磁通量发生变化就会产生电。

虽然在现代这被视为理所当然的事情，但法拉第也花了相当长的时间做实验，才发现这个来自於大自然的奇妙原理。特斯拉後来利用电磁感应原理发明了发电机的结构，是现代发电的重要基础。

开头有提到，磁场的变化才能产生电，为了让磁场产生变化则需要动能（也可透过其他方式），发电厂透过煤、天然气、核能等方式将水煮沸後产生蒸气，蒸气驱动磁铁旋转，旋转後产生电。这是支撑人类文明的重要基础。

对我来说这件事情很神奇，看似很复杂的电，背後来自於一个简单的事实：电磁感应。让我们再次感谢法拉第、感谢特斯拉。

电与地球

虽然如此，人类用来发电的方式也对地球造成不少污染，根据世界卫生组织统计，目前温室气体排放的比例当中有 27% 来自於发电。

人们越来越仰赖电力的消费，虽然电本身相当环保，没有任何污染。但产生电的方式有很大一部分还是仰赖煤、天然气。

（引用自 Netflix - 流行大百科）

尽管已经有各种环保的发电科技正在发展，但离完全取代传统发电还有很长一段路要走。

交流电与直流电

在台湾使用的插座电力为 110V/60Hz，如果就这样将电直接送进去电子产品的话马上就会坏掉。电子产品大多仰赖於逻辑信号，也就是透过高电位模拟 1，低电位模拟 0 的方式运作。除了 110V 的电压会将大部分的零件给烧坏之外，不断变化电位的交流电也会让 0 与 1 的判断变得不准确，因此我们需要将交流电变成稳定电压的直流电才能正常运作。

明明交流电的电压随时都在变化，那麽到底是什麽东西为 110V？这个 110V 是指交流电的**有效值，**交流电在电阻上所产生的瓦特数与直流电压 110V 时一样时就称之为有效值。用有效值当作通称也很自然，毕竟我们用电器在乎的就是瓦特数。

一般的电子产品，工作电压通常会在 3.3V ~ 12V（根据产品不同）之间，我们要怎麽将交流电变成直流电呢？

交流电转换为直流电的过程分为几个阶段：

• 整流
• 稳压
• 降压

整流

降压过後的电，仍然处於交流电，因此没办法直接送进电子产品内使用，需要近一步整流。

交流转换为直流的过程称之为整流，整流可分为全波整流以及半波整流。

由於全波整流的转换效益较佳，常见的整流方法是透过桥式整流器来实作。桥式整流器最主要的原理是透过二极体单向导通的特性所组成，当交流电经过桥式整流器时会将原本为负的半周期转换为正的，因此转换过後的波形会长这样。

虽然已经是直流电了，但仍然有几个问题需要解决：

• 电压有非常大的起伏，不是理想的直流电压
• 变压过後的电压还是太大，大约在 140V 左右

我们可以透过加入电容的方式让输出电压更加平滑，减少链波。电容具有充放电的特性，可以在输出电压达到峰值下降时，减缓电压下降的速度，让输出电压趋於平稳。

尽管如此，电压还是很高，我们该如何降压呢？

降压

从 140V 降压到 5V，必须透过变压器的帮忙才行。变压器的主要原理是透过电磁感应来实现的，因此...，我们需要将刚刚辛苦转换好的直流电再次转换为交流电...。

所以整个过程变成交流→ 直流 → 交流 → 直流吗？是的。

你在开玩笑吗？

听起来很可笑，但你我日常在用的充电器就是以这样的方式组成的。做充电器的公司也不是白痴，这麽做背後有一个非常重要的目的—尽可能减少变压器的面积。

在维基百科当中有关於变压器的转换公式。虽然看起来有点复杂，但从公式中可以得知一个事实，输入电压的频率越高，在磁力固定的情况下面积越小。

再讲得直白一点，频率越低，变压器越大；频率越高，变压器越小。

因此，我们只要想办法让输入电压的频率尽可能地高一点，就可以减少充电器的面积了。可是刚刚有提到输入是直流电，要怎麽让它再次变为交流电呢？答案是不断地开开关关，既然电流有变化了，那麽当然可以产生电磁效应。

透过 MOSFET 或是 BJT 的开关特性，可以让开关的频率达到每秒 100KHz 甚至更高，这样子的高频率有助於减少变压器的面积。这种电路也有个专有名词，称作 Flyback Converter（维基百科）。

好了，现在又变成交流电了，为了让输出再次变为直流电，在电路当中需要再次加入二极体与电容整流。

前面提到，一般的二极体虽具有单向导通的特性，但从导通切换到不导通的时间比较长，当频率来到几千赫兹後可能会不敷使用。为了因应这种高速切换的特性，通常会使用比较特殊的二极体—萧特基二极体（Schottky Diode）来整流。

另外一个整流方式则是主动整流，或叫做同步整流，意思是透过电晶体的开关特性来整流。使用电晶体来整流最大的好处在於转换的损失会比一般二极体来得小，但需要透过 IC 控制并加入更多元件，相对於使用萧特基二极体来说比较复杂，成本也会比较高。

今年比较流行的话题 GAN 充电器，透过氮化镓的特性，可以达到比一般电晶体更高的频率，也就代表着变压器可以在变得更小，或许也是值得关注的技术之一。

总结

今天这篇文章算是对电做了非常概括性的介绍，其重点在於现代用电是如何将交流电变成直流电给电子产品：

• 透过桥式整流器对交流电进行整流
• 使用电容（或是 pi 型整流）提高有效电压并减少链波
• 使用变压器降压（Flyback Converter）
• 使用同步整流或是萧特基二极体再次将交流变为直流

身为软件工程师的我们，其实就是间接仰赖着电在讨生活的，然而我发现我对这个来自大自然的礼物却一无所知。

将交流电转换成稳定直流电，再从产品的角度出发，如何将面积变得更小、减少损失、更安全，背後仍然是基础科学的堆积，这应该就是 Engineering 的本质了吧。