整流技术有哪些?

整流技术有哪些?整流技术一般来说分为三种形式。

(1)机电(Electromechanical)方式:

早期电力转换系统是纯电机的设计,因当时的电子设备尚不足以用来处理大电力。这种机械整流系统通常依赖某种形式的旋转或振动共振以便有足够快的速度配合输入电源的频率,其操作频率最高只能到几千赫兹。由于机械系统的复杂性,传统上需要高程度的维护,以确保正常运行。因应运动部件的摩擦,需要加以润滑并在磨损时予以置换。运转中,转为开路中的机械接点会发生电弧和火花,因而发热并腐蚀该接点。

同步整流器

在电力机车中,可能会使用同步整流器将交流电流转换成直流电流。机电式同步整流包括一个同步马达以驱动一组重型电气接点。马达的旋转与交流频率同步,并定时在正弦电流经过零的时候,改变连接方向,产生整流作用。该接点在切换瞬间并没有大电流,但持续接触时需要能够承载机车头的直流牵引马达所需的大电流。

振动器

在过去,将电池的电力转为高压直流电源的设备会使用振动器(Vibrator)。振动器内通常包含两组接点,一组产生交流提供升压,另一组则在升压后进行机械式同步整流,把产生的交流高压转为直流。

马达与发电机组合

马达与发电机组合或似的旋转转换器,实际上不会纠正电流方向,意义上不算真正的整流器,但它可以从交流电源生成直流电源。这个组合中其实是交流马达与直流发电机两者的转轴直接以机械方式耦合。交流马达带动直流发电机,电枢(armature)的线圈绕组感应出多相交流,经整流子(commutator,这里的整流子是指用于马达与发电机内的一个机电构造)换向后转换成直流电流输出。如使用同极发电机(homopolar generator),此发电机内就无需整流子。在高功率半导体广泛应用之前,马达与发电机组合使用在供应直流予铁路牵引马达、工业电动机和其他高功率直流用途,例如室外剧院放映机的碳精电弧灯。

(2)电解式:

电解整流是1900 年代的早期设备,现早已不再使用。当两个不同的金属悬于电解质溶液中时,可以发现某一方向的电流流动比另一方向阻力较小。最常用的是铝阳极和铅或钢铁阴极,悬于正磷酸三铵(triammonium orthophosphate)的溶液中。整流作用的形成是由于铝电极第一次通过大电流时会在表面形成对氢氧化铝的薄层。此种整流过程对温度敏感,若要有最佳效率,不可在 86°F (30°C) 以上运作。此外,它的击穿电压是指会造成电极上的薄层被穿透而发生短路的电压。电化学整流往往比机械的整流方法更脆弱,对相关变异因子很敏感,并可能产生剧幅特性改变或完全破坏。在同一时代,相似的电解设备,例如在正磷酸三铵溶液槽内挂起许多铝锥,用来作为避雷器(lightning arrestor)使用。与当作整流器时的不同点是只有铝电极,并用于交流,没有极化与整流操作,只是化学成份类似。电解电容器是现代大多数整流滤波电路的必要组成部分之一,它正是从电解整流器发展出来的。

(3)等离子(Plasma,又称等离子)形式:

水银电弧

约在1909年到1975年间,高压直流的电源传输系统与工业加工中使用的整流器是水银整流器,或称汞弧管。该设备被包于蒜头型玻璃容器或大金属桶。一个阴极淹没在水银池的底部,多个高纯度石墨电极作为阳极在悬于水银池上。可能还有几个辅助电极以作启动和维持电弧之用。当电弧在阴极池和悬浮的阳极间发生时,电子束将可藉电离化的水银,由阴极流向阳极,但无法反向。 [原则上,这是一个高功率型的火焰整流器,与火焰中自然存在的等离子具有的单向电流传输特性相同]。这些设备可用于数百千瓦等级的功率、可处理一至六相的交流。从1970年代中期起,汞弧整流器被硅半导体整流器和大功率晶闸管电路所取代。史上最强大的汞弧整流器安装在加拿大马尼托巴水电局纳尔逊河双高压直流输电系统专案中,额订容量总和超过一百万千瓦, 450,000 伏特。

氩气真空管

通用电气公司所推出称为 Tungar 的整流器,是一个充氩气的电子管(即真空管),内以钨质灯丝作阴极,碳质钮扣型的阳极。从 20 年代起,它用于电池充电器和类似的用途,直到金属整流器与低成本的固态半导体整流器取代它为止。 Tungar 氩气真空管整流器的额定规格一般是电压数百伏特以内、电流几安培以内,某些型式的外观与大小很像一般白炽灯,只是多一个额外电极。

1940~50年代常用于车用真空管收音机中,型号为 0Z4 的真空管也是一种氩气真空管整流器。如本条目之前所提到的一般真空管全波整流器,0Z4 具有二个阳极与一个阴极,但它最特别的一点是没有灯丝(型号中的0代表此意)。由于电极的形状设计,使逆向崩溃电压远大于顺向崩溃电压。当超过崩溃电压时,会转成低阻抗状态,顺向导通时 0Z4 的压降约为 24 伏特。

(4)真空管(又称真空阀、热离子阀):

自爱迪生效应或称热离子发射发现之后,有多种真空管被开发出来,用以对交流进行整流。其中低功率型用作检波,例如最早的真空管二极管是由弗莱明(John Ambrose Fleming)于1904年发明的弗莱明阀(Fleming valve),它在无线电报接收器中,把收到的讯号整流,以推动检流计并侦测讯号。许多真空管的设备也在他们的电源中使用真空管作整流,例如 All American Five 收音机。一些特殊的真空整流器也设计予高电压用途,例如供应电视机接收器阴极射线管的高压电源,以及 X 射线设备高压电源电源中所用的 kenotron 真空管。然而,因考虑寿命因素,灯丝温度不宜过高,致使最大电流密度受限,因此真空整流器的电流容量通常不大。真空管整流器的另一限制是加热器的电源经常需要特别安排,以便能与所整流的高电压电路有足够的绝缘。

(5)固态整流器:

晶体检波器

使用金属细线压在方铅矿晶体上所构成猫须整流器,它是最早的固态二极管。

硒及氧化铜整流器

在小巧便宜的硅质半导体构成的固态二极管整流器广泛流行之前,常见的是就是硒(Se, Selenium)及氧化铜整流器。这种整流器以不同金属板的交错堆栈,并利用硒与铜氧化物间的半导体属性。若与真空管整流器相比,虽然硒整流器重量轻、消耗电力少,但却有寿命有限、电阻值随着老化而增加、只是适用于低频率等缺点。不过,比起硅整流器,硒及氧化铜整流器对瞬间的电压暂态有更好的耐受性。

这些整流器的典型构造是由金属板与垫圈堆栈而成,并由中央的螺栓固定。堆栈的组数由耐压决定;每组单元的额定耐压约为 20 伏特。汽车电池充电机的整流器可能只需要一组单元:真空管用的高压电源可能需要很多组单元堆栈而成。以空气冷却方式的硒堆栈中的电流密度,约是 600 mA/每平方英寸的有效作用区域。(约相当于 90 mA/每平方厘米)。

硅或锗二极管:

现代所使用的主要是硅二极管。半导体发展早期主要使用锗二极管,但现已极少使用。

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