原创从真空管到半导体元件，从串联电源到开关电源

 2024-4-24 10:43  328 3 3 分类: 电源/新能源

真空管收音机和真空管功放如今正悄然成为潮流。其原因之一或许是曾经的婴儿潮世代的“收音机”少年们如今已经长大成人了的缘故。直到20世纪刚过半的时期，真空管都是推动电子技术发展的明星产品。将商用交流电转变为直流电的电路也是靠真空管构建的。从20世纪初开始的电源进化如今也在继续。

从真空管到半导体元件，从串联电源到开关电源

真空管已被二极管或晶体管等半导体元件所取代，但如今的电力电子学仍然继承了真空管时代的各种技术。二极管的名称最初源于二级真空管。

最初用真空管制作的二极管是根据电灯泡（白炽灯泡）实验的原理开发的。1884年，爱迪生为了改良自己发明的电灯泡（白炽灯泡），在实验中向电灯泡内插入了电极，向电极施加正电后，他发现电极和灯丝之间的空间有电流流动。这后来被称作爱迪生效应。由于这中现象对电灯泡改良没有用，爱迪生未再深入研究，而真正关注它的是当时爱迪生电灯公司的技术顾问弗莱明。他着眼于“电极和灯丝之间存在一定方向的电流”的事实，想出了将其作为无线通信检波器（从通信电波中提取信号的装置）的主意。由此，二级真空管（diode）于1904年被发明了出来。其名称中的di和ode分别表示“2”和通行电流的“路”。

二极管起初被用作检波器，之后又被用于整流电路中。在无线电广播刚兴起的时期，其接收器还是电池式的，但因为频繁更换电池太过麻烦，后来它就安装了将商用交流电转换为直流电的电源电路（矿石收音机没有电池也能收音，但扬声器不会响）。下图展示的是战前和战后初期日本使用的并三型和并四型真空管收音机的整流电路。其重量和体积的大部分被电源变压器和大容量电解电容器（平滑电容器）占据。

进入1950年代后，身为半导体元件的二极管和晶体管实现了量产，真空管式的电源也开始迈向“固态”时代。但虽说如此，电源的小型、轻量化却几乎没有进展。如果按照传统方式，首先变换交流电的电压在进行整流，那沉重而巨大的电源变压器和大容量电解电容器就不可或缺。此外，晶体管和真空管不同，不太耐热，为了应对晶体管的发热也需要大型的散热器。

电源的小型、轻量化是电路技术实现革命性创新的必要条件。当时正是太空竞赛的开幕期，人们开始探索用于太空设备的电源。在此背景下，NASA在推进阿波罗计划的过程中开发了开关电源。

开关电源堪称电子设备的心脏

此前的文章曾提到过，开关式的电源是依靠晶体管等半导体元件的高速开关（ON/OFF）来控制功率的。若是串联式电源，电流会不断地流过晶体管，而与之相反，若是开关式电源，电流仅会在晶体管为ON时流动，其目的是减少电力浪费、提高效率。

开关式的设计是在1950年代构思的。不过当时的设计称为“串联开关电源”，是通过电源变压器将输入交流电进行变压，再用二极管整流，最后用开关晶体管通过ON/OFF操作再对其变压。虽然这比以前的串联电源效率更高，但因为使用了沉重的电源变压器，因此并未实现多么显著的轻量化。当然，接下来的技术问题就是变压器的小型化了。变压器的大小由单个线圈所通行的交流电频率所决定。也就是说，提高频率就能实现变压器的小型化。因此，人们考虑了用二极管将输入交流电直接整流后，在变压器的电源侧进行高速开关的方案，并为此开发了电路用的耐高压开关晶体管。变压器由此实现了小型和轻量化，以及70%以上的高变换效率。电路技术和半导体技术顺应了电源小型、轻量、高效化的需求。

如今，将商用交流电转换为所需直流电（称为线操作型）的开关式电源一般称作“开关电源”或“开关稳压器”。如果将电子设备比作机器人，开关电源就是它的心脏。如果能根据机器人的性能和功率需求，像其它部件一样选择和更换电源的话，就十分便利了。而根据此想法而量产的电源称作“标准开关电源”。在1970年代初，日本开始开发标准开关电源。随着红白机等游戏机的流行和自动售货机、个人电脑等设备的普及，标准开关电源的重要性急剧提高，其小型、轻量、高效化工作也显著进展。与当时相比，如今的标准开关电源已经缩小到了十分之一以下的程度。此外，除了单元型（有盖式或开放式），开关电源还包括用于多种用途的类型，例如安装在设备内部的载板型开关电源等。