电子技术的历史现状及发展科学-

学院 ：电子信息工程

               专业 :  电子信息工程

               姓名 :   王前锋

               学号 ： 100411216

电子技术的历史现状及发展科学

摘要:电力电子技术是指利用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术,对节省电能有重要意义,从根本上讲,电力电子技术也是研究电源的技术。目前,电力电子作为智能化、自动化、机电一体化的基础,正朝着应用技术高频化、硬件结构模块化、产品性能绿色化的方向发展。在不远的将来,随着第三代半导件器件的成熟和应用,电力电子技术将使电源技术更加成熟、经济、实用且节能高效,实现高效率和高品质用电相结合。 

关键词:电子技术;发展;未来趋势 

 电子技术是十九世纪末、二十世纪初开始发展起来的新兴技术，二十世纪发展最迅速，应用最广泛，成为近代科学技术发展的一个重要标志。电子技术是根据电子学的原理，运用电子器件设计和制造某种特定功能的电路以解决实际问题的科学，包括信息电子技术和电力电子技术两大分支。信息电子技术包括 Analog (模拟) 电子技术和 Digital (数字) 电子技术。电子技术是对电子信号进行处理的技术，处理的方式主要有：信号的发生、放大、滤波、转换。

电力电子技术的应用范围十分广泛。从人类对宇宙和大自然的探索，到国民经济的各个领域，再到我们的衣食住行，到处都能感受到电力电子技术的存在和巨大魅力。这也激发了一代又一代的学者和工程技术人员学习、研究电力电子技术并使其飞速发展。电力电子装置提供给负载的是各种不同的直流电源、恒频交流电源和变频交流电源，因此也可以说，电力电子技术研究的也就是电源技术。电力电子技术对节省电能有重要意义。特别在大型风机、水泵采用变频调速方面，在使用量十分庞大的照明电源等方面，电力电子技术的节能效果十分显著，因此它也被称为是节能技术。

　我国很早就已经发现电和磁的一些现象，在古籍中曾有“磁石召铁”和“琥珀拾芥”的记载。磁石首先应用于指示方向和校正时间，在《韩非子》和东汉王充著《论衡》两书中提到的“司南”就是指它。以后由于航海事业发展的需要，我国在十一世纪就发明了指南针。在宋代沈括所著的《梦溪笔谈》中有“方家以磁石磨针锋，则能指南，然常微偏东，不全南也”的记载。这不仅说明了指南针的制造，而且已经发现了磁偏角。直到十二世纪，指南针才由阿拉伯人传入欧洲

    在十八世纪末和十九世纪初的这个时期，由于生产发展的需要，在电磁现象方面的研究工作发展的很快。库仑在1785年首先从实验室确定了电荷间的相互作用力，电荷的概念开始有了定量的意义。1820年，奥斯特从实验中发现了电流对磁针有力的作用，揭开了电学理论新的一页。同年，安培确定了通有电流的线圈的作用与磁铁相似，这就找出了此现象的本质问题。有名的欧姆定律是欧姆在1826年通过实验而得出的。法拉第对电磁现象的研究有特殊贡献，他在1831年发现的电磁感应现象是以后电子技术的重要理论基础。在电磁现象的理论与使用问题的研究上，楞次发挥了巨大的作用，他在1833年建立确定感应电流方向的定则（楞次定则）。其后，他致力于电机理论的研究，并阐明了电机可逆性的原理。楞次在1844年还与英国物理学家焦耳分别的确定了电流热效应定律（焦耳-楞次定律）。与楞次一道从事电磁现象研究工作的雅可比在1834年制造出世界上第一台电动机，从而证明了实际应用电能的可能性。电机工程得以飞跃的发展是与多里沃-多勃罗沃尔斯基的工作分不开的。这位杰出的俄罗斯工程师是三相系统的创始者，他发明和制造出三相异步电机和三相变压器，并首先采用了三相输电线。在法拉第的研究工作基础上，麦克斯韦在18年至1873年提出了电磁波理论。他从理论上推测到电磁波的存在，为无线电技术的发展奠定了理论基础。1888年，赫兹通过实验获得电磁波，证实了麦克斯韦的理论。但实际利用电磁波为人类服务的还应归功于马克尼和波波夫。大约在赫兹实验成功七年之后，他们彼此的分别在意大利和进行通信试验，为无线电技术的发展开辟了道路。

  人类在自然界斗争的过程中，不断总结和丰富着自己的知识。电子科学技术就是在生产斗争和科学实验中发展起来的。1883年美国发明家爱迪生发现了热电子效应，随后在1904年弗莱明利用这个效应制成了电子二极管，并证实了电子管具有“阀门”作用，他首先被用于无线电检波。1906年美国的德弗雷斯在弗莱明的二极管中放进了第三个电极——栅极而发明了电子三极管，从而建树了早期电子技术上最重要的里程碑。半个多世纪以来，电子管在电子技术中立下了很大功劳；但是电子管毕竟成本高，制造繁，体积大，耗电多，从1948年美国贝尔实验室的几位研究人员发明晶体管以来，在大多数领域中已逐渐用晶体管来取代电子管。但是，我们不能否定电子管独特的优点，在有些装置中，不论从稳定性，经济性或功率上考虑，还需要采用电子管。

 第一代电子产品以电子管为核心。四十年代末世界上诞生了第一只半导体三极管，它以小巧、轻便、省电、寿命长等特点，很快地被各国应用起来，在很大范围内取代了电子管。五十年代末期，世界上出现了第一块集成电路，它把许多晶体管等电子元件集成在一块硅芯片上，使电子产品向更小型化发展。集成电路从小规模集成电路迅速发展到大规模集成电路和超大规模集成电路，从而使电子产品向着高效能低消耗、高精度、高稳定、智能化的方向发展。

 由于，电子计算机发展经历的四个阶段恰好能够充分说明电子技术发展的四个阶段的特性，所以下面就从电子计算机发展的四个时代来说明电子技术发展的四个阶段的特点。

 世界上第一台电子计算机于1946年在美国研制成功，取名ENIAC（Electronic Numerical Integrator and Calculator）。这台计算机使用了18800个电子管，占地170平方米，重达30吨，耗电140千瓦，价格40多万美元，是一个昂贵耗电的“庞然大物”。由于它采用了电子线路来执行算术运算、逻辑运算和存储信息，从而就大大提高了运算速度。ENIAC每秒可进行5000次加法和减法运算，把计算一条弹道的时间短为30秒。它最初被专门用于弹道运算，后来经过多次改进而成为能进行各种科学计算的通用电子计算机。从1946年2月交付使用，到1955年10月最后切断电源，ENIAC服役长达9年。

 尽管ENIAC还有许多弱点，但是在人类计算工具发展史上，它仍然是一座不朽的里程碑。它的成功，开辟了提高运算速度的极其广阔的可能性。它的问世，表明电子计算机时代的到来。从此，电子计算机在人类智力的道路上，突飞猛进的发展。电子计算机在人类社会所起的作用，与第一次工业中蒸汽机相比，是有过之而无不及的。

 ENIAC问世以来的短短的四十多年中，电子计算机的发展异常迅速。迄今为止，它的发展大致已经了下列四代：

 第一代（1946～1957年）是电子计算机，它的基本电子元件是电子管，内存储器采用水银延迟线，外存储器主要采用磁鼓、纸带、卡片、磁带等。由于当时电子技术的，运算速度只是每秒几千次～几万次基本运算，内存容量仅几千个字。程序语言处于最低阶段，主要使用二进制表示的机器语言编程，后阶段采用汇编语言进行程序设计。因此，第一代计算机体积大，耗电多，速度低，造价高，使用不便；主要局限于一些军事和科研部门进行科学计算。

 第二代（1958～1970年）是晶体管计算机。1948年，美国贝尔实验室发明了晶体管，10年后晶体管取代了计算机中的电子管，诞生了晶体管计算机。晶体管计算机的基本电子元件是晶体管，内存储器大量使用磁性材料制成的磁芯存储器。与第一代电子管计算机相比，晶体管计算机体积小，耗电少，成本低，逻辑功能强，使用方便，可靠性高。

 第三代（1963～1970年）是集成电路计算机。随着半导体技术的发展，1958年夏，美国德克萨斯公司制成了第一个半导体集成电路。集成电路是在几平方毫米的基片，集中了几十个或上百个电子元件组成的逻辑电路。第三代集成电路计算机的基本电子元件是小规模集成电路和中规模集成电路，磁芯存储器进一步发展，并开始采用性能更好的半导体存储器，运算速度提高到每秒几十万次基本运算。由于采用了集成电路，第三代计算机各方面性能都有了极大提高：体积缩小，价格降低，功能增强，可靠性大大提高。

    （1971年～日前）是大规模集成电路计算机。随着集成了上千甚至上万个电子元件的大规模集成电路和超大规模集成电路的出现，电子计算机发展进入了。计算机的基本元件是大规模集成电路，甚至超大规模集成电路，集成度很高的半导体存储器替代了磁芯存储器，运算速度可达每秒几百万次，甚至上亿次基本运算。

电力电子技术是利用电力电子器件对电能进行变换及控制的一种现代技术，基本功能包括：整流、逆变、斩波、变频、开关和智能控制等。它使电网的工频电能最终转换成不同性质、不同用途的电能，以适应千变万化的用电装置的不同需要。现代电力电子技术主要应用在下面三个大的领域：

1、 变频器是集微电子、电力电子和控制技术于一体，通过将固定频率的交流电源转换成电压可调、频率可调的交流电，实现对交流电机的无级调速。在节约电能，改善生产工艺、提高生产自动化水平等方面，具有突出的作用。

2、  电子电源主要包括分为开关电源和不间断供电电源，此外还有许多其他种类，如变频电源、电解电镀电源、焊接电源、感应加热电源、充电电源、霓虹灯和照明电源等。种类繁多，分布广泛。为现代通信、计算、照明等行业提供电力支持。

3、  电力系统中的应用包括：1)发电系统，大型发电机的静止励磁控制装置，水力、风力发电机的变速恒频，发电厂风机、水泵的变频调速，太阳能发电控制系统；2)输电系统，柔性交流输电技术(FACTS)，高压直流输电技术(HVDC)，静止无功补偿器(SVC)；3)配电系统；4)用电系统。

现代电力电子技术的应用领域已经深入到社会生活生产的各个方面，在全球能源紧张的今天，电力电子技术研究的面临的问题是如何更好的利用电能提高电能的应用效率，这就需要考虑电力变换损耗，电力输送损耗，电力应用损耗以及新能源的应用等各个方面。所以，电力电子器件高压高频化、谐波抑制、电磁兼容、灵活交流输电、软开关技术、变频技术、控制与驱动等方面性技术的改进成为现阶段最大的技术难点和研究热点。综合这些特点不难看出，现代电力电子技术将往下面几个方面发展：

1、电力电子器件向高电压、大电流、高速化方向发展、并出现专用的电力半导体器件。电力电子器件是装置的基础，高压、高频、大电流新器件以及专用器件的研制必定对电力电子技术整体性能的提升提供帮助。

2、不断提高应用可靠性，抑制电应力是关键。电应力可以引起局部过热（超温）、绝缘层的疲劳击穿、电机轴电流的出现致使轴承的电烧蚀、功率半导体器件的突然损坏等灾难性后果。瞬态能量分布的失衡还常伴随着电流、电压波形的畸变，产生各种谐波。因此，分析研究电应力的出现原因，采取各种抑制电应力的措施，是提高电力电子应用可靠性的关键，是今后电力电子产品能得以迅速推广应用的重大问题。

3、全面控制电气参数的变换，向波形重组前进。通过波形重组，可以产生任意的电流电压波形，用来抵消畸变波形、谐波、无功等，使得只有功率因数为1的基波正弦电流流入电网。这种任意波形电流发生器已在研究之中，并取得了喜人的进展。可以预见，利用波形重组实现的这种“无功补偿－谐波滤波”一体化装置将在未来取得长足的进步。现在的典型应用有：a、脉宽调制（PWM），b、交－交矩阵式变频器，c、有源无功功率补偿－谐波滤波装置。

4、 现代电力电子技术新应用领域展望a、电机系统节能，设计专用的电机与专用的电力电子控制设备，提高电能利用效率；b、电动车辆及充电站网络，电动汽车的应用已成为环保的一个重要课题，而其充电网络的建设还处于初步阶段，因此会有很大发展空间；c、中高压直流输配电系统，它有功率因数高（没有无功问题）、电网污染小、节电等优点；d、电能储存装置，利用电力电子技术将电能储存与蓄电池组或超导线圈中，可以实现电能的存储，对不能电能的合理利用提供解决方案；e、高性能逆变器在太阳能发电技术中的应用，随着能源紧缺，小型太阳能发电装置会逐渐成为关注的焦点，因此高性能的逆变器将这些电能输送回电网已经是研究的热点，f、未来新型led的照明的供电系统设计，随着节能研究的深入，新型节能电力照明会越来越受到人们的关注。