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蓝光LED诺贝尔奖了,开关电源有戏吗?兼论咱开关液源发明

已有 2520 次阅读 2019-4-9 07:04 |系统分类:科研笔记| 开关电源, 液压, 电路, 电子元件, 电磁阀

近年来,诺贝尔奖评选的画风渐变。

蓝色发光二极管即蓝光LED竟然中了"炸药奖",发明者自己没想到,一贯善于预测的人没想到,科学社区没想到,大家都炸懵了!

显然,海选的范围不再局限于高大上玄的科学了,技术,尤其是关键实用技术,也入了至尊评委们的法眼。

若是这个趋势延续下去,我嘀咕下一个当之无愧的技术应该是:开关电源

想想看,若是没有开关电源的诞生,当今全球几十亿人口,用于维持基本生活品质的电子小玩意,还有渗透到社会每个层面的信息科技,所有这些成果根本是不可能实现的。

还真别跟我抬杠:“线性电源也能顶上啊”。我的回答:肯定不行的。

廉价消费电子或许不会受太大影响。上世纪常见的拳头般大电源,配套CD随身听的那种,就是传统的线性稳压电源。里面就一个硅钢片码出的方正变压器,次级接个线性稳压集成电路7805或7809或7812,再并联一个大电解电容就OK了。

但电脑要是用线性电源,那就没法活了。电路板要用的5VDC,动辄大几十安培,12V也是几十安培,稳压精度要求又特别高,就算做出能凑合用的产品,下面这些不爽将彻底无法忍受:

1、仅电源模块可能就贵过其它所有;

2、沉甸甸的,挪动一下就费老鼻子劲;

3、散热片大得像几块砖头,里面的大风扇噪音扰的你没心情用电脑了;

4、电压不稳的地区,这台电脑可能根本没法运转,除非额外投资一台价值不菲,且仍然很沉重的交流稳压电源。

沉重的体量和经济负担,还想从娃娃抓起,让电脑普及?门都没有!

现代开关电源支撑的互联网数据中心,是这样的架势:

data-center-small.jpg

换成线性电源?恐怕以国家的实力也无法搞成!

没有开关电源,奢谈什么人工智能、通讯5G/6G前沿科技?统统扯淡!

没有开关电源,你想上网来跟我抬杠、附和或者怒怼我的观点?还是写信交给邮递员吧!

开关电源的大规模商用,节省下来天量级别的硅钢片、铜导线和铝散热片,这间接地保护了人类赖以生存的环境,同时带旺了关联产业链,尤其功率MOS、IGBT器件,电源专用集成电路,以及众多厂商,如Maxium公司等。

今天,你若拥有自己年年升值的房子,别忘了默默感谢一声开关电源的发明人,因为那些节省下来的海量钢铜铝,或许埋入混泥土,大部分流入了房地产建筑领域!

够了,所有证据指向这个结论:没有开关电源,现在的世界比蒸汽机时代,虽说强是强些,但决不会强到哪去。

所以说,开关电源的发明,比蓝光LED的发明,其对人类福祉的重要意义,超出不止一个数量级。

网上搜了一下,捋出下面一些信息:

虽然早在1836年就萌发了雏形,但直到1948年晶体管诞生,也就始终停留在这个无甚价值的雏形。科学发展史也有自身规律可循,显然,晶体管自身的商业化也需要足够时间才行。

这不?说那时,那时快。经历12年的生肖轮回,随着晶体管产业的逐渐成熟,终于在1960年,第一个初具商业价值的开关电源发明出来了,发明者是美国通用汽车公司的 Joseph E Murphy 和 Francis J Starzec。

如果现今这两人至少有一人在世的话,我强烈推荐授之下一个诺贝尔奖!

这也算是我的感恩吧,因为:

我最近的发明灵感源自于这两个先驱之启迪

不过,我不是那种重复发明轮子的人,而是采用类比电源的创新,搞出了开关式液源

其实电源和液源本质上并无二致,只不过电路里跑的是电子,而液路跑的是液体,如液压油等。它们内部的物理公式都是可以一一对映的,例如:功率 = 电压 x 电流 = 压力 x 流量,等等。

具体零部件也是可以一一对映的:

    电阻器         <==>     液阻器

    二极管         <==>     单向阀

    开关三极管     <==>     电磁阀

    电容器         <==>     液容储能器

    电感器         <==>     液流软管线圈

开关电源一定不能缺少电感器,只有它才能将低电压升至高电压,而且大家都认为这是电磁感应的功劳。至于变压器,本质上是两个电感器共磁芯耦合而成。下图展示的电脑电源中,稍具一点科普知识的人,都可识别出电感器和变压器。

500px-ATX_power_supply_interior-1000px_transparent.png

正是因为开关电源对输入电压的宽范围适应能力,例如USB的5V充电器,若执意设计的话,完全可适应3V至300V的输入变化,且交直流不限,从而使得那些电压供应不稳的地区,或者从220V的国家,携机去120V的国家,所有这些应用场合,都不会受到影响。

从类比角度看,开关液源似乎也须有软管“感应”管圈,才能提升液体压力。这难不倒聪明的人类,生活经验早就昭示:简单至一根直水管,也能“感应”出高水压,那就是水锤效应

若平时没注意,读完此文不妨在家里试一试,突然快速关断水龙头,看看是否水管里是否发出显著的撞击声。注意哟,试验风险自负:关得太急,有可能水管爆裂啊,若质量不过关的话。

所以说,水往低处流不是绝对的,设计一个巧妙的机关,也是可以让水往高处流的,正如3V电池能升至12V。

瞧瞧,市面上还有水锤泵卖呢:

11147830_4英寸水锤泵DK-Z420-3_1.jpeg

也别把这玩艺想得那么了不得。其实,只要搞懂先人们搞出的成熟开关电源模块,照猫画虎,零件一一对映替换,就是一台不错的开关液源,不限制尺寸就行。

这种“山寨”也没有必要那么惟妙惟肖,因为电路里面很多零件,在液路环境下是多余的,尤其液路振荡器的频率很低,低至亚赫兹也有可能,那些高频滤波等零件就可省去。这就大大简化了设计,只是整体个头仍然显得庞大。

滑稽地倒回去想想,没准那个电磁感应效应,会不会就是简单的“电子锤效应”呢。嘿嘿,不能想多了,否则就民科啦。

当然,利用水锤或油锤效应一定要大尺度才行,要做出商品化的范式,可搬来搬去的开关液源,还得另辟奇径,这恰恰是咱自主知识产权的硬核技术所在,恕我暂时不便详细透露,等专利出版后,再慢慢道来。

资源拥有方,诸如车厂、天使投资人、风险资本啥的,如果有意助推此技术,可以提前随时来信,索取详细技术方案以便评估,恕我暂时只有全英文版本。

下面这张类比示意图,很棒地表述了电流和液流。

Electronic-Hydraulic-deep-compare.PNG


谈到电源,指明交流AC或直流DC再正常不过;液源呢?我们似乎默认了都是“直流”,例如大家看到的水泵,总是固定将水从一端搬到另一端,没见过水在里面双向振荡的。

但任何DC-DC的转换,中间一定要存在交流状态,即实际上是DC-AC-DC,或者说先DC-AC逆变,再AC-DC整流,因为唯有交流才能感应变压。前面提到的水锤泵产品,其实里面是存在“交流AC水流”的。

变压器的初级与次级是可以隔离的,当然也可连在一起接地,前者称为“冷板”,后者“热板”。若是没有隔离的话,手碰到热板可能会有触电的危险。

液路也有等价的“接地”和“隔离”概念,前者指连通大气的液箱,或者表明初级液回路用的液体,与次级所用液体,既允许“井水不犯河水”,例如输入侧用水,输出侧用油;又可“共饮一江水”,即两边合用一个液箱“接地”。大功率开关液源,肯定要用液压油作工质,一般初次两侧共用油箱,除非有特殊要求。

我的这一重大发明,必将像开关电源的诞生一样,开启人类液压能源应用的新时代!

往小的说,你甚至可将家里的自来水的能量,转换成300个大气压的液压油流,掀起栽重卡车的翻斗,虽然这样做大无必要,也不合算,因为自来水的价格比从中“偷”出来的动能要贵得多,且还要配套大口径水管,因为水的压力低,必然要流量大,才能维持液压DC-DC转换器输出相若的功率。

往大的说,有些配电站,没准将来要变成“配液站”,通过铺设的液压管基础设施,将高压液压油的能量,传送至特定小区。用户可把家里的电马达,换成液马达;要电的话,再用液压马达带一个廉价小发电机就够了。因为液压稳定供应,所以发电机不需要那么复杂。特别适用于各类马达用的特别多的地方,通常电力服务这类环境,需要补偿功率因素,如军营、雷达阵地、作战部、工厂生产线等。下面是我的构思草图:

HydraulicDistributionMasterPlan.PNG

一百年前,两个人间天才特斯拉和爱迪生,发动了那个著名的交直流未来走向之舆论战,最终特斯拉主张的交流输电完胜,我们至今仍在享用这一胜利成果。

那么,高压液流输能,是否将来也有一场类似的交直流之争的恶战呢?在对手尚未冒泡之前,我先把主张撂这里:直流液压输能略显优势。

交流系统对长距离输送有利,方便各类再生能源并网后跨网段大范围分享,例如太阳能电机可以驱动往复式液缸,将相位同步后,馈入液流网络,缺点是相位同步较麻烦。直流系统的再生能源并网最简单,但只能被所在直流侧的其它局部用户分享,缺点是无法大范围分享。

特殊性在于,液流输能不像电力输能有跨越千山万水的远大理想,且液交流频率的统一还得扯皮很长时间,再则管线长到不那么长的一定程度后,液压降已不可接受,故而微格域(microgrid)内直流优势是显然的

上面这些,姑且当作我的诗、远方和情怀,虽然技术上我已经把它盘熟了。若真有第一个敢“吃螃蟹”的,现在就“端上桌”也没啥问题。

当然,眼前最具价值的应用,当属我前几篇文章劲推的新型车用动力总成,小至轿车,大至火车,皆可找到其逞能之地,且本能地具有再生制动功能,无级变速更是应有之义。

wei-trump-powertrain-small.png

很多人想到纯电动车,既可不要变速箱,也可自带再生刹车功能,因为同一件东西,发电机和电动机在特定条件下可互换角色。

既然电流与液流都是“流类”一伙的,基本属性雷同,那么理论上,液源动力也可不要变速箱,且天然地自带再生刹车功能,因为液压泵和液马达也能互换角色。

实际上,可以是可以,但仅能停留在要求不高的场合,还需要打一些补丁才能成大器。例如液力变矩器,本身就是一个低端的变速箱(鼓),为何自动波的车还要串联一个专业变速箱呢?因为前者只能适应较低速度范围内的变速。同理,低档电动车可以不要变速箱,但高档的还是需要,如特斯拉正在中试的5秒左右可起步到满速的跑车版。

最后,衷心期待开关电源的发明,载入诺贝尔奖的光荣史册。我嘀咕,你嘀咕,他嘀咕,大家都嘀咕,也许这事就成了!


参考文献:

1、Switched-mode power supply
https://en.wikipedia.org/wiki/Switched-mode_power_supply 

2、第一个基于晶体管的开关电源专利:http://kiwaho.com/bu

3、水往高處流? - 水锤泵产品的运行视频,内部水流DC-AC逆变频率约0.5至1Hz http://kiwaho.com/bt 

4、Hydraulic ram https://en.wikipedia.org/wiki/Hydraulic_ram

5、蓝光LED为什么能获得今年的诺贝尔物理学奖?http://kiwaho.com/bv 





http://blog.sciencenet.cn/blog-2339914-1172182.html

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