第六讲 电子元件的进步与马达技术的发展
马达拥有诸多神奇之处，而其最神奇的地方非其种类之繁多莫属。要驱动这些多种多样的马达运转起来，要依赖能从电源中源源不断输送电流的装置。那么，就要求电流供给装置——电子元器件（device）的种类繁多，功能齐全。在本集中，我们将对电子元器件的发展促进新型马达诞生的轨迹做一简单整理。
1.马达控制的初期电子技术
每当提到马达的分类，我们通常都可以看到这样的描述，“马达分为直流马
达和交流马达”。顾名思义，依靠外加直流电运转的马达和依靠交流电运转的马达。初期电子技术的主角是电池，后来发明了直流发电机，代替了电池，从而直流马达应运而生。但当时的直流马达，在运转的同时会迸发出刺眼的火花，这也成为特斯拉发明交流马达的契机。关于这个故事，我们在第一集中就曾经详细介绍。
在本集中，我们将从直流马达和交流电的视角来阐述。
交流电控制直流马达—速度控制 交流向远处输送电流通常使用变压器，利用高压向远方供电。在过去的技术水平下，直流输电的升压问题是一难题。虽然现在直流输电仍被使用，但交流输电则是主流。交流马达的转数由电的频率决定，所以在通常50/60Hz的频率下，很难进行大幅度调速。相比之下，直流马达更容易控制速度。从而，如何使用交流电来驱动直流马达，进行速度控制的这一需求，成为工业技术的发展的必然趋势。那么，随之应运而生的就是可控整流器。
交流电变直流电的二极放电管
图1 二极放电管（整流管）的原理
图1为典型二极放电管示意图，是在玻璃管内充入惰性气体（例如氦气、氖气、氩气等气体）。在示意图中，可以看到放电管有两个电极，一边为金属电极（或称为碳棒），为外加正向电压的阳极（anode），另一边称为热阴极（cathode），通过把热丝加热，使热丝发射电子。相对于此，当给阳极外加正向电压作用时，从热丝中发射出来的电子就会加速冲向阳极一侧，并在运动过程中与管内气体原子相冲撞，迅即发生电离作用而产生更多的自由电子。此时，气体发出辉光（glow），这种状态则称为等离子状态（plasma）。
根据上述原理，如果把外加两端电极的正负电压相互交换，又会出现何种现象呢？我们知道，电流不会发生逆流的。因为阳极不被加热，也不会发射出最初的电子。所以，我们可以得出这样的结论：这一装置可以起到把交流电转换成直流电的作用（即整流作用）。假设在不充入惰性气体的真空状态下，热阴极只发射电子却不会形成电流，所以也不能对大量电流进行整流。无论真空管还是放电管，这种有两个电极的装置，我们都称之为二极管。英语写成“diode”，目前这个词已经成为半导体时代耳熟能详的专业用语。而二极管被广泛认为是马达驱动中必不可少的元器件，那是采用了半导体芯片的小型优质二极管出现以后的事情。
从二极管（diode）到三极管（triode）——可控整流器（controlled rectifier）的诞生
图2 三极放电管的可控整流器原理
图3 东芝公司生产的闸流管及其构造
电力再生控制
图4 闸流管控制直流马达速度
所谓再生，是指机械能转换回电能。众所周知，马达是把电能转换成机械能的装置，而发电机的原理则正好相反。虽然马达也可以作为发电机使用，但如果在若干短时间内反复驱动马达，则可以更有效地提高耗电率，即所谓的电子工程学。而发现可控整流器具有此项功能则是一个巨大的发现，这也可以称为是电力电子技术的起源。同时，也意味着不仅直流马达可以，交流马达的再生驱动也可以实现。
2.从真空管到固态元件
六十年代，真空管被固态元件代替，进入了固态元件时代。参入杂质的半导体元件代替等离子作为导电通路来控制电流的技术迅速发展起来。其中代表元件为晶体管，随着开发技术的提高，出现了多种多样的电子元器件，马达技术也取得了空前发展，新型马达也应运而生。在这里，我们简单介绍一下半导体元件，了解一下相关知识。
2-1 PN结
如图5（a）所示，第4价元素硅晶体为钻石结构，为非导电结构。但是，如果在硅晶体中掺入少量第5价元素，参考图5（b）示意图，最外层的1个电子挣脱原子核（+）束缚，成为自由移动的自由电子。这种状态非常接近等离子中的自由电子。
如果掺入杂质为第３价元素，则如图5（c）所示，最外层电子吸引附近的半
导体原子,形成共价键。而原子被吸引的地方会产生一个电子空位，我们称之为“空穴（hole）”，这个“空穴”会吸引带有正电荷的电子来填充，又被称为“正向空穴”。但与阳极电子不同，行动仿若质量有电子的3倍的样子。
我们称这种结晶体为半导体（semiconductor）。之所以称之为半导体，是因为它不像金属那样容易导电，但较之绝缘体则极易导电。我们把完全不含杂质的硅结晶称为“本征半导体”，而掺杂了第3价和第5价元素的半导体则称为“杂质半导体”，包括P型半导体（掺入硼或铟等第3价元素）和N型半导体（掺入磷或砷第5价元素）两种。
图5 使用硅结晶的半导体
(1) 在半导体中，不仅自由电子导电，还有空穴导电。导带中的自由电子会落入空穴，我们虽称之为“复合（recombination）”，但实际上是指电子－空穴对消失。
(2) 在这种晶体结构中，不需要真空管或放电管中的热丝．并且，具有小型、不易机械损坏的优点。
(3) 顺向时，AC间电压低。
虽然有上述三项优点，但也存在一定的问题。例如，当顺向电压切换为逆向电压时，由于自由电子和空穴均有残留，在一段时间内反向电流将突然增大。从电流突然增大到完全为零的时间段，我们称之为“反向恢复时间”。而关于如何缩短“反向恢复时间”的研究，则促进了现代电子技术的发展。
图6 PN结和整流功能
2-2 光电元件及磁感应元件
半导体科学成果的层出不穷，也给马达控制技术带来了巨大的变革与发展。例如，晶体管就是利用少量电流或电压，作为输入信号来控制大量电流输出的元件；还有通过光电感应驱动的元件，即被称为光电二极管（photo diode）、光电晶体（photo transistor）、光耦合器（photo coupler）等。另外，霍尔效应（Hall effect）是一种众所周知的电磁效应,利用此效应而做成的各种高感应度的半导体元件，称为霍尔元件。（Hall为发现这一现象的发明家名字。）
（Irving Langmuir
1881-1957）
等离子的命名者
朗缪尔出生在纽约州的布鲁克林，大学就读于家乡的哥伦比亚大学，后到德国格丁根大学留学。从德国学成归来后，进入新泽西州理工学院执教。在他短暂的教师生涯中，不知是教师职业让他无法体会到应有的成就感，还是觉得薪水低而无法养家糊口，他于1909年入职斯克内克塔迪通用电气GE（General Electric）公司研究实验室，开始从事科学研究工作。
他从大学转职进企业，他认为企业和学校不同，企业的日常工作就应该直接与效益挂钩，而幸运的是，当时的研究所所长也鼓励他说，“多看看外面的世界，想研究什么课题，自己决定！”从此，朗缪尔开始了他在通用电气研究所长达40多年的科研生涯。后来，他也曾不无感慨地提到，“GE研究所的学术研究氛围，比我熟悉的任何一所大学都更加自由。”
朗缪尔的第一项研究成果是往灯泡里充入氮气，以延长白炽灯的使用寿命。而在当时，最通常的做法是要改善灯泡内部的真空度，然而朗缪尔反其道而行之，把灯泡内充入难以发生化学反应的惰性气体。
1928年，朗缪尔首次将“等离子体(plasma)”一词引入物理学，用来描述气体放电管里的物质形态。“等离子体”是指构成气体的一部分分子发生电离，成为自由电子和离子分离的状态，肉眼能接收到模糊或者强烈的等离子光。虽然关于气体电离状态，在欧洲早期就有丰富的研究，而朗缪尔发明测量等离子体状态的探针，并定义了表示等离子体状态指标的电子温度这一概念，则是跨时代性的研究突破。
真空管是使玻璃球内部处于真空状态，控制电极间运行的电子量，从而使信号增幅的装置。在玻璃球内使用氩、氖等稀有气体热阴极电子，使其成为等离子状态，以产生更大的整流电流。朗缪尔于1914年开始投身于此项研究。他增加了电极数量，发明了从外部控制整流的热阴极充气管。这一发明在1928年被通用公司商品化。后来，热阴极充气管也应用于直流马达及交流马达的驱动控制装置中。在此以后，朗缪尔的研究更加广泛。
朗缪尔在格丁根大学留学时的导师是能斯特，他曾于1920年获得诺贝尔化学奖。而继此之后，朗缪尔也因其在表面化学方面的杰出贡献，而荣获1932年的诺贝尔化学奖。补充一下，朗缪尔于1957年去世，而就在同年，GE在半导体元器件中应用了他所发明的热阴极充气管功能。
