為台灣加油打氣專欄 (127) 一種節省能源的電路

我們常常提到綠能,但是我們也應該知道所設計的機械消耗的能源應該越少越好。現在,我介紹一個電子電路,它的特點就是消耗的能源相當之少。

這個電路的用處是有關於熱電轉換的,請看圖一。

圖一

這個熱電換能器的原理我就不講了,因為我也搞不清楚。我只知道這大概是個半導體的玩意兒,熱如果傳了進去,就可以有電輸出。電有兩個參數,電壓和電流,這個換能器所輸出的電壓和電流有一個關係,如圖二。

圖二

從圖二,我們可以看出,電流越大,電壓越小。至於究竟輸出的電壓和電流是多少,這就由負載(load)來決定,等一下就會解釋負載是什麼東西。我們並不是只要電流或者電壓,我們所需要的是電的能量。電能量的公式是

電的能量 = 電壓 × 電流

請看圖三。

圖三

從圖二,我們可以知道,當電流是零的時候,電壓雖然高,但是能量仍然等於零。電流增加,能量可以增加,但是電流到了一個程度,電壓會變成零,能量當然也就變成零。所以電的能量是先往上升,再往下降,如圖三所示。因此有一個能量的最高點,這個點也就是我們所要尋找的。我們的負載應該使得電流在那一點,如此我們可以得到最大的電能量。

請看圖四。

圖四

我們的負載電路是會自動調節負載的,我們希望這個線路越省電越好。既然要發展綠能,要是這個線路本身就不省電,那還講什麼發展綠能。因為我們要有最大電能量,而電能量又牽涉到了乘法,好像我們需要一個乘法器,乘法器是一個非常複雜的線路,也需要能量。不僅如此,我們的能量屬於類比的值,如果我們要測量它的大小,我們需要一個類比和數位轉換器。這個線路又複雜無比,而且當然消耗電能。所以我們要設計這個負載調節線路是不容易的事。

其實我們並不需要知道電能量的值,我們只要知道電能量的增加和減少就可以了,如圖五所示。

圖五

因為我們的線路所消耗的電能相當少,我們可以有把握知道所輸出的電能和輸入的電能是差不多的。也就是說,下面的式子是可以成立的:

我們聰明的工程師設計了這個線路,這個線路使得Vout幾乎不太改變,而且Vout改變是隨著Iout改變的。也就是說,如果我們知道Iout有增加或減少,Vout也增加或減少。所以我們這個線路只要量測電流就夠了,電流增加,表示電能量增加;電流減少,表示電能量減少。

圖五就解釋了我們的做法,我們不斷地改變負載,能量從零開始,慢慢增加到達最高點以後會降下來。因此我們就知道負載會停在這一點,因為這時我們可以得到最大的電能量。

研究如何設計節省能量的線路是相當重要的,我們當然希望國家的電是夠的,可是我們國家大多數的電是用在工業上,如果我們能夠減少工業用電,對國家會有很大的好處。很值得我們高興的是,我們已經有一些工程師在往這個方向走,希望他們能夠繼續努力,減少國家電的消耗。