从二极管到集成电路——整流

电流有交流电与直流电之分。干电池或蓄电池等化学电源输出的是直流电，直流电流的大小和方向是不随时间而改变的（图1a)；发电厂送出来的是交流电，常称市电，交流电流的大小和方向是随着时间作周期性变化的（图1b）。交流电流正负变化一周所需时间叫周期，用T来表示，单位是秒。一秒钟内变化多少周，叫做频率，用f表示，单位周／秒或赫芝（简称赫）。各国采用的市电电压和频率不一样，我国采用220伏、50赫，频率50赫即表示每秒钟变化50周，亦即周期T=\(\frac{1}{f}\)=1;50秒。

我们常用的一些电气设备如收音机、录音机、电视机以及各种电子测量仪器等，由于机内的电子管或晶体管都要求直流供电，除必要时（如在野外使用）可采用电池供电外，一般都需要将交流电转变成直流电后再供使用。这种将交流电转变成直流电的过程叫做整流。

从图1b可以看出，要将交流变成直流，必需将图中的负半周（或正半周）去掉才行。如果我们能控制图2电路中的开关K，使它在交流正半周来到时合上，让电流通过加到负载上；而当负半周来到时，开关K断开，负载上就没有电流通过。这样，在负载上得到的就是单方向的断续的电流，就像人的脉搏跳动一样，故叫脉动电流。但是交流电变化很快，每秒钟变化50周，那末开关K每秒钟就得要通断100次，这就远远不是人力所能办到的。那怎么办，能不能用一个自动的开关？我们自然地想到了上一讲谈到过的半导体二极管。二极管具有单向导电性，因而是个理想的开关器件。把二极管取代图2中的开关，若二极管正向接入，则交流正半周时二极管导通、交流负半周时截止，因而负载上得到的是正向脉动电流；若二极管反向接入，则交流负半周时二极管导通、交流正半周时却截止，所以负载上得到的是负向脉动电流（图3）。这样，我们就很方便地控制了电流方向，得到所需要的直流电。

人类认识到用半导体二极管进行整流，是经过了漫长岁月的实践的，整流器件的发展过程用表格的形式列出如下：

人们最早想到的办法是用交流电机带动一个直流发电机，而后又改进为如图4所示的同步整流电 机。在同步电机的轴上装有两个集流圆环，交流电源在送到同步电机的同时，经变压器（变压器初次级圈数根据需要确定）送给集流圆环。两个集流圆环分别与两个半圆形的整流环相连。由于电机转子、集流圆环、整流环都是同轴转动的，如果交流电正负变化一周恰好使转子转动一周（360°），那末由两电刷输出的就是单方向直流电。

随后出现的是机械振动式整流器，结构示意图如图5所示。它利用交流电磁场吸动簧片，使左右接点轮流通断，将交流电变成了直流电。

直到1883年才开始有真空二极整流管，但时隔近一百年后的今天，这种电子管整流器仍在广泛应用，例如电子管收音机中常用的整流管6Z4、5Y3，扩大机中常用的866，电视机中常用的6Z19、1Z11等。这些整流管都有一个阳极（或叫屏极）和一个阴极，整流管的阴极按加热的方式又分为直热式和旁热式两种（图6）。按图7所示将整流管接入电路，当灯丝供以一定电压加热时就会发射电子，但只有阳极电压为正时（即交流正半周），电子才被吸引而射向阳极，形成屏流，于是负载上有电流通过；而当阳极电压为负时（即交流负半周），电子被排斥，这时二极管不导电，负载上没有电流通过。这样，在负载上得到的就是脉动直流。

充气整流管是在玻璃管内充入气体，利用气体电离后导电，将交流变成直流。早先汽车蓄电池充电用的吞茄式整流器就是用的这种管子。水银蒸气整流管主要用在高电压、大电流的场合。

随着半导体材料的问世，陆续出现了如氧化铜、硒片、锗或硅二极管、硅可控二极管等一些半导体整流器件。其中氧化铜由于容量小、耐压低、且极易受潮而变坏，早被淘汰了。硒整流器虽比氧化铜稍好，但其容量和耐压亦不大，而且体积较大，硒片容易老化，也在日趋淘汰之中。目前大量采用的是锗、硅二极管，而可控硅整流器则多用于大功率场合。

从整流器件的发展过程可以看出，人们在提高整流器件的效率、加大它的容量、耐压，减小它的体积等方面是付出了极大的劳动的。相比之下以半导体二极管作整流器为最好，它不但在效率、容量、耐压和体积、重量等方面占优势，而且稳定可靠，又经济、方便。（金国钧 编译）