两股电流的故事:交流电vs.直流电

交流电(AC)与直流电(DC)的区别

你有没有想过，为什么你的烤面包机直接插在墙上，你却需要一个墙上适配器来给手机充电?答案就在于你家供电的交流电(AC)和电子设备供电的直流电(DC)之间的区别。理解交流和直流之间的区别对于任何想要构建自己的数字电子设备的人来说都是重要的。

特斯拉vs爱迪生:美国电网未来之战

在这一点上，你可能会想，如果数字设备需要直流电路，为什么我们仍然生活在一个所有插座都输出交流电源的世界?它与两位著名发明家之间的技术之争有关:尼古拉·特斯拉和托马斯·爱迪生。

19世纪80年代末，世界正处在一个十字路口。爱迪生在美国各地建立了121个直流发电站。甘兹工厂刚刚用交流电为整个罗马供电。这两种技术似乎都是可行的，直到西屋电气在特斯拉交流电源专利的帮助下，极大地改善了交流配电系统。与当时只能在1英里半径内供电的直流发电站相比，新的交流发电站可以在长距离内分配交流，这要归功于变压器，一种可以随时改变交流电压的设备。更高的电压意味着更低的电流，这意味着更少的电力损失，因为在更远的距离内产生热量。当长距离高压直流电(HVDC)变得可行时，世界上已经基本上改用了交流电网。有趣的是，虽然直流电压转换设备对于我们的基本电网的距离规模来说仍然过于昂贵，但HVDC在极长的距离上变得更加高效，例如在国家之间的水下电缆中。

什么是直流电

直流是电荷的单向流动。电视、智能手机、笔记本电脑和其他数字设备都使用直流电源。如果你还记得学校里的水箱比喻，有一个简单的水箱，底部有一根水管;水将沿着一个方向从软管流出，直到水箱空了为止。这类似于直流电源，就像电池在一个方向上输出直流，直到其容量耗尽。

常见的直流发电技术包括:

• 用电化学方法储存能量的电池。
• 将阳光转换成直流电的光伏电池。
• 将交流电转换为直流电的换向器和整流器等设备

直流是为数字设备供电的首选电流，因为电荷的方向(因此电压的极性)保持不变，更容易使用。数字电子产品中的许多元件都具有极性(正极和负极)，例如晶体管。由于方向在这些组件中很重要，直流偏压对它们的正常工作是必要的。此外，直流对低功率设备更有效，并提供恒定的电压水平。

什么是交流电

交流电比直流电复杂一点，因为电荷流动的方向和电压的极性周期性地颠倒。交流电的主要应用是在我们的电网上分配电力。你的烤面包机、烘干机和冰箱都可以直接用交流电供电。

教科书上关于AC的水的比喻是一个水管连接到水泵轮的闭环，水泵轮驱动水的流动。泵迅速改变水流的方向，使水在管道内来回晃动。产生交流电的主要方法是通过一种称为交流发电机的专门发电机，它通过围绕一组固定线圈旋转磁场来产生交流电法拉第电磁感应定律）.

为了正式地描述AC，有必要从波形的角度来考虑。正弦波是描述交流电路最常用的波形。例如，美国标准的市电电源是120V RMS，交流频率为60Hz。60Hz指的是在一秒钟内发生的60次-170V和+170V之间的振荡。如果你用示波器检查你的电源(警告:不要试图用示波器测量你的电源插座，这可能是危险的!)并绘制电压随时间的变化，你会看到一个峰值接近170V的符号波，低谷接近-170V，这取决于你的电源线的质量。为什么170 v ?因为用于评估美国电源插座的120V数字实际上是170V市电交流波形的RMS(均方根):

V(t) = 170 sin(2π60t)

均方根值用于比较交流电源和等效直流电源线的加热效果。

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在直流电路中，电荷的流动是单向的，电压是恒定的。在交流电路中，电荷流周期性地变化，导致电压相应地反向。现在您知道了交流和直流之间的区别，您将理解为什么所有的电子产品都必须争夺电源插条上的适配器空间。更重要的是，您将有坚实的基础，您需要解决更高级的主题，如需要隔离交流和直流信号在PCB电路降噪。尽管电子设备是由直流供电的，但重要的是要记住，在许多情况下，电路中可能需要使用交流组件。