【正文】 用 USB 電源，另一根可以用家用電源。 基于 USB 接口供電的迷你冰箱電路系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì) 摘 要 ： 基于 USB 接口供電的迷你冰箱是一個(gè)小型的冷熱器，它沒(méi)有家用冰箱復(fù)雜的電路 ， 它靠 半導(dǎo)體致冷片將熱量從片的一面?zhèn)鲗?dǎo)到另一面的 方法 ，達(dá)到制冷的效果，再 利用 直流電源極性倒過(guò)來(lái) 能使 熱傳導(dǎo)方向改變 的原理，達(dá)到 半導(dǎo)體 加熱 的效果。 它適用于在辦公室，學(xué)?；虺鋈ヂ糜危且粋€(gè)隨身攜帶的冷熱器 ，但該小冰箱的電源部分不穩(wěn)定，不能知道冰箱的溫度是否加熱適宜，針 對(duì)以上小冰箱的特點(diǎn)和 不足 ，我們 從以下三個(gè)方面對(duì)小冰箱作了改進(jìn)： 電 源部分，過(guò)熱檢測(cè)部分，溫度告知部分。尤其達(dá)到 60℃的時(shí)候，那時(shí)熱敏電阻閃爍頻率為零。 在詳細(xì)分析 USB 供電小冰箱的工作原理后，針對(duì)上述技術(shù)改進(jìn)，采用Multisim 作了仿真，仿真結(jié)果證實(shí)了這些技術(shù)改進(jìn)收到了良好的效果。 Steady voltage plug of switch。 基于 USB接口供電的迷你冰箱采用了這個(gè)技術(shù)， 用 5V的 USB電源冷卻飲料 ， 內(nèi)置 LED燈 ，不需要壓縮機(jī)。 雖然簡(jiǎn)單，它也能 把溫度下降到 05℃ (最低溫度，環(huán)境溫度 2025℃ ). 在加熱的過(guò)程中，也能把溫度加到 60℃ 左右，打破了冰箱以往的作用，實(shí)現(xiàn)了冰箱的致冷和加熱雙重作用。隨著科技的發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步，家用電器產(chǎn)品的形式正在日益變得豐富多彩，產(chǎn)品的品種也正隨著技術(shù)的進(jìn)步而不斷增加 [1]。 最早的冰箱屬于 “ 舶來(lái)品 ” 的一種 ,不管是功能、結(jié)構(gòu)、界面還是技術(shù)都是直接從國(guó)外引進(jìn)。市場(chǎng)的旺盛需求帶動(dòng)了生產(chǎn)的高速增長(zhǎng)， 近期，為適應(yīng)消費(fèi)需求的快速增長(zhǎng)，不少大家電廠家紛紛轉(zhuǎn)產(chǎn)小家電產(chǎn)品，使小家電產(chǎn)品生產(chǎn)量急劇增加。這就要求我們?cè)O(shè)計(jì)的電冰箱容量大、功能全、保鮮好、自動(dòng)化程度高，并且能攜帶更便利、舒適而且安全，能根據(jù)用戶的要求和需要進(jìn)行運(yùn)用，尤其在上班期間更方便。它能在 5分鐘內(nèi)制冷到 （或 47華氏度），而且只需5 伏電壓 —— 只要有 USB接口（ 接口）即可。 1910 年世界上第一臺(tái)壓縮式制冷的家用冰箱在美國(guó)問(wèn)世到如今生活中有了超低溫冰箱 (低至 100 度左右 )冰箱為止 ,大部分是用來(lái)做實(shí)驗(yàn)等 ,真正用于生活中的還不多。 制冷系統(tǒng) 電冰箱的制冷系統(tǒng)由壓縮機(jī)、冷凝器、干燥過(guò)濾器、毛細(xì)管、和蒸發(fā)器組成，制冷系統(tǒng)4 利用制冷劑的循環(huán)進(jìn)行熱交換，將冰箱內(nèi)的熱量轉(zhuǎn)移到冰箱外的空氣中去，達(dá)到使冰箱內(nèi)降溫的目的。當(dāng)壓縮機(jī)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)曲軸作 旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，連桿將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為活塞的往復(fù)式運(yùn)動(dòng)。冷凍油的性能和質(zhì)量直接影響著制冷壓縮機(jī)的工作和運(yùn)行。 [7] （ 2） 冷凝器 冷凝器又稱為散熱器，是電冰箱制冷系統(tǒng)中主要的熱交換設(shè)備。 。銅管的導(dǎo)熱性能良好。 [11] （ 5） 干燥過(guò)濾器 干燥過(guò)濾器的構(gòu)成：干燥過(guò)濾器外殼為銅管，直徑為 Φ16 左右，長(zhǎng) 100150mm，銅管兩端縮口，銅管里面兩端裝有銅絲過(guò)濾網(wǎng)，中間裝有分子篩。冰箱所用制冷劑主要有四類：R1混合工質(zhì)（ R152a/R22）、 R134a、 R600a 電氣系統(tǒng)的主要作用是將箱內(nèi)的溫度控制在一定的范圍內(nèi)，以保證冷藏冷凍的需要。 壓縮式電冰箱 6 該種電冰箱由電動(dòng)機(jī)提供機(jī)械能，通過(guò)壓縮機(jī)對(duì)制冷系統(tǒng)作功。利用氨－水－氫混合溶液在連續(xù)吸收－擴(kuò)散過(guò)程中達(dá)到制冷的目的。 電磁振動(dòng)式冰箱 它是用電磁振動(dòng)機(jī)作本動(dòng)力來(lái)驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)的冰箱。 輻射制冷電冰箱。當(dāng)USB設(shè)置插入 USB接口后，主機(jī)的＋ 5V電源就會(huì)通過(guò) USB邊線與 USB設(shè)備相通。 基于 USB 接口供電的迷你冰箱內(nèi)部電 路 USB 迷你小冰箱并不像家用冰箱有那么復(fù)雜的電路系統(tǒng)， 它 是根據(jù)熱電制冷原理(Peltier Effect) ，運(yùn)用先進(jìn)的半導(dǎo)體制冷技術(shù)，采用特殊的制冷散熱系統(tǒng)制造的，是具有制冷效果佳、無(wú)壓縮機(jī)、 無(wú)氟利昂、無(wú)振動(dòng)，低 1 噪音 (30dB)、超低耗能、使用壽命長(zhǎng)、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)的實(shí)用新型產(chǎn)品。該冰箱有以下部分組成： 8 門 水 。在工作，最大的功率消耗為 10W。發(fā)電機(jī)能把機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能，干電池能把化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能 .發(fā)電機(jī) .電池本身并不帶電 ,它的兩極分別有正負(fù)電荷 ,由正負(fù)電荷產(chǎn)生電壓 (電流是電荷在電壓的作用下定向移動(dòng)而形成的 ),電荷導(dǎo)體里本來(lái)就有 ,要產(chǎn)生電流只需要加上電壓即可 ,當(dāng)電池兩極接上導(dǎo)體時(shí)為了產(chǎn)生電流而把正負(fù)電荷釋放出去 ,當(dāng)電荷散盡時(shí) ,也就荷盡流 (壓 )消了 .干電池等叫做電源。晶體三極管對(duì)后面的電路來(lái)說(shuō)，也可以看做是信號(hào)源。 電源產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化控制、軍工設(shè)備、科研設(shè)備、工控設(shè)備、計(jì)算機(jī)和電腦、通訊設(shè)備、電力設(shè)備、儀器儀表、醫(yī)療設(shè)備、半導(dǎo)體制冷制熱等領(lǐng)域 。 如圖 2 就是 USB的結(jié)構(gòu)框架： _ root hub _____________|___________ | | hub hub ___|__ ________|________ | | | | | | | | d1 d2 d3 h1 h2 d4 d5 d6 d* 外設(shè) h* hub 圖 2 USB 的結(jié)構(gòu)框架 PC主板上的那兩個(gè)插口，就是 root hub。 現(xiàn)在 設(shè)計(jì)的 USB 電源開(kāi)關(guān)采用自舉電荷泵 ,為 N 型功率管提供 2 倍于電源的柵驅(qū)動(dòng)電壓。仿真結(jié)果表明 ,在負(fù)載短路瞬間 ,限流電路能夠有效地減小過(guò)沖電 流 ,并能把電流限制在 A ,達(dá)到保護(hù) USB 端口的目的 [13] 10 USB 的工作原理 一根 USB線由四條數(shù)據(jù)線組成，其中兩條是數(shù)據(jù)，另外兩條是電源。而向外拔時(shí)剛好相反，由于電源線較短，所以首先被切斷，而后才是數(shù)據(jù)線。米之間，溫度升高時(shí)電阻率指數(shù)則減小。而把導(dǎo)電、導(dǎo)熱都比較好的金屬如金、銀、銅、鐵、錫、鋁等稱為導(dǎo)體。 半導(dǎo)體 伏安特性曲線 伏安特性曲線 ：加在 PN結(jié)兩端的電壓和流過(guò)二極管的電流之間的關(guān)系曲線稱 為伏安特性曲線。 勢(shì)壘電容 ：耗盡層寬窄變化所等效的電容稱為勢(shì)壘電容 Cb。 非平衡少子： PN 結(jié)處于正向偏置時(shí)，從 P 區(qū)擴(kuò)散到 N 區(qū)的空穴和從 N 區(qū)擴(kuò)散到P 區(qū)的自由電子均稱為非平衡少子。 [14] 半導(dǎo)體應(yīng)用： 在積極尋找提高半導(dǎo)體材料熱電性能的同時(shí)，人們又從優(yōu)化半導(dǎo)體制冷器的結(jié)構(gòu)和工 作狀況出發(fā)，得到了很多提高制冷器制冷性能和穩(wěn)定性的有益結(jié)論，從而使得半導(dǎo)體制冷技術(shù)的應(yīng)用范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，現(xiàn)在半導(dǎo)體制冷在電子技術(shù)、醫(yī)療器械、家用冰箱和工業(yè) 的發(fā)展。 三、半導(dǎo)體可以用來(lái)測(cè)量溫度，測(cè)溫范圍可以達(dá)到生產(chǎn)、生活、醫(yī)療衛(wèi)生、科研教學(xué)等應(yīng)用的 70%的領(lǐng)域，有較高的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性，分辨率可達(dá) 攝氏度，甚至達(dá)到 度也不是不可能，線性度 %，測(cè)溫范圍 100~+300 攝氏度，是性價(jià)比極高的一種測(cè)溫元件。為了解決 USB 供電不足或是沒(méi)有 PC 的情況下，我們經(jīng)過(guò)分析，為 解決此問(wèn)題做出了改進(jìn)，就是采用雙電源，一條線可以大家在有電腦的情況下使用該冰箱。 為 什么我們要在電源部分裝上二極管呢？ 開(kāi)關(guān)二極管的開(kāi)關(guān)作用是利用二極管的單向?qū)щ娞匦詠?lái)完成的，在給二極管加正向偏壓時(shí)，處于導(dǎo)通狀態(tài)，在加反向偏壓時(shí)處于截止?fàn)顟B(tài)，在電路中起到接通電流、關(guān)斷電流的作用。它是指開(kāi)關(guān)二極管從導(dǎo)通到截止所需要的時(shí)間。由于開(kāi)關(guān)二極管具有開(kāi)關(guān)速度快、壽命長(zhǎng)、無(wú)觸點(diǎn)、體積小、可靠性高等特點(diǎn)，所以被廣泛用于各種自控電路、通信電路、儀器儀表電路、家用電腦電路和電視機(jī)、影碟機(jī)、錄像機(jī)等電路中 。 過(guò)熱檢測(cè)電路采用負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻作熱量傳感器。在正常室溫條件下， LED1以 1Hz（可用 VR1調(diào)節(jié)）頻率閃爍，表示電路處于電源接通狀態(tài)。 過(guò)熱檢測(cè)系統(tǒng)電路用 5V~12V直流電壓供電。 如圖 7所示為電冰箱溫摩告知電路。反之，當(dāng)電冰箱內(nèi)的溫度降低時(shí)，被點(diǎn)亮的發(fā)光二極管數(shù)目16 減少。 熱敏電阻 Rt選用 MF51型，使用范圍為 55～ +125℃ ，靈敏度高。 調(diào)試時(shí)，先取 R3的阻值等于 Rt最低顯示溫度對(duì)應(yīng)的值，然后將 Rt換成電位器，并將它調(diào)至最高溫度 Rt對(duì)應(yīng)的值，再調(diào)整 Rt，使發(fā)光二極管全部點(diǎn)亮。 圖 7冰箱溫度告知 電路 17 3 基于 USB 接口供電的迷你冰箱電路系統(tǒng)的仿真及分析 Multisim 仿真軟件 Multisim 仿真軟件的介紹 Multisim 是加拿大圖像交互技術(shù)公司（ Interactive Image Technoligics 簡(jiǎn)稱IIT 公司 )推出的以 Windows 為基礎(chǔ)的仿真工具，適用于板級(jí)的模擬 /數(shù)字電路板的設(shè)計(jì)工作。 豐富的元器件庫(kù) Multisim 大大擴(kuò)充了 EWB 的元器件庫(kù) , 包括基本元件、半導(dǎo)體器件、運(yùn)算放大器、TTL和 CMOS數(shù)字 IC、 DAC、 ADC及其他各種部件 , 且用戶可通過(guò)元件編輯器自行創(chuàng)建或修改所需元件模型 , 還可通過(guò) IIT公司網(wǎng)站或其代理商獲得元件模型的擴(kuò)充和更新服務(wù)。 強(qiáng)大的仿真能力 Multisim 既可對(duì)模擬電路或數(shù)字電路分別進(jìn)行仿真 , 也可進(jìn)行數(shù)?；旌戏抡? , 尤其是新增了射頻 RF 電路的仿真功能。 1 直流分析 Multisim 中可以用虛擬數(shù)字萬(wàn)用表直流檔 來(lái)測(cè)量靜態(tài)工作電壓和電流 , 也可以利用直流工作點(diǎn)分析法直接顯示出所有節(jié)點(diǎn)的直流電壓值 2 交流分析 用虛擬示 波器可觀察電路輸入和輸出端的波形 3 失真分析 Multisim 可分析小信號(hào)電路的諧波失真和互調(diào)失真 ,本實(shí)驗(yàn)中只有一個(gè)交流信號(hào)源 , 利用失真分析法可確定電路中各點(diǎn)的二、三次諧波造成的失真。 對(duì)該圖的波形進(jìn)行調(diào)試后，得到以下波形圖 10。其中 V1為模擬整流電壓輸入（ 10V偏置， 50Hz 500mV交流）。 熱檢測(cè)電路的仿真模型與分析 我們利用我想出來(lái)的電路進(jìn)行仿真，先打開(kāi) multisim7 軟件，根據(jù)電路圖在軟 件上畫(huà)好，畫(huà)圖完畢后，對(duì)所有的元器件根據(jù)數(shù)值進(jìn)行改正，電路元器件連接后，為了區(qū)分電路不同節(jié)點(diǎn)的波形或電壓，所以我們給每個(gè)節(jié)點(diǎn)起一個(gè)序號(hào)，方便我們?yōu)橄旅娴姆抡娣治鰩?lái)方便。在實(shí)驗(yàn)中，我們對(duì)此數(shù)據(jù)進(jìn)行多次仿真，對(duì)于不同的溫度下測(cè)出不同的熱敏電阻阻值，在同溫度下我們也測(cè)出相似的阻止，然后取平均值，分析如下： 表 1 不同溫度下測(cè)得的熱敏電阻值 溫度 室溫 20℃ 50℃ 60℃ 熱敏電阻阻值 1 451歐姆 298歐姆 200歐姆 51歐姆 熱敏電阻阻值 2 449歐姆 298歐姆 202歐姆 49歐姆 熱敏電阻阻值 3 450歐姆 304歐姆 198歐姆 51歐姆 熱敏電阻阻值平均值 450歐姆 300歐姆 200歐姆 50歐姆 對(duì)以上數(shù)據(jù)我們進(jìn)行了繪圖，得到圖 13所示 23 溫 度熱 敏 電 阻 阻 值X 軸Y 軸室 溫2 0 度 5 0 度 6 0 度5 0 歐 姆2 0 0 歐 姆3 0 0 歐 姆4 5 0 歐 姆0 圖 13 溫度與熱敏電阻的變化 在仿真過(guò)程中得到的數(shù)據(jù)我們進(jìn)行了繪圖，在圖中我們清楚的看到。 經(jīng)過(guò)我們的分析，使我們知道冰箱的過(guò)熱檢測(cè)系統(tǒng)在冰箱的應(yīng)用中也是個(gè)不錯(cuò)的用途，希望在今后，它不僅僅應(yīng)用在冰箱，能應(yīng)用到以后的其他領(lǐng)域。 當(dāng)電冰箱內(nèi)溫度升高時(shí)， Rt的阻值下降，相應(yīng) Vi1下降，它通過(guò) LM324放大后，使電壓 Vo上升， Vo被直接送入 SL322，以驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管發(fā)光，且因 SL322的輸入電壓上升，被點(diǎn)亮的發(fā)光二極管數(shù)目增多。 如果想使電冰箱內(nèi)的溫度越低 時(shí)被點(diǎn)亮的發(fā)光二極管越多，則可將 R3 與 R4的位置對(duì)調(diào)一下即可。通常冷藏室內(nèi)溫度為 2～ 8℃ ，取顯示溫度范圍為 0～ 18℃ 即可滿足要求。不過(guò)電路接入中需注意的是： Rt應(yīng)放在溫度較均勻且能代表整個(gè)箱內(nèi)的平均溫度的冷藏室內(nèi)側(cè)壁中點(diǎn)。 由于 USB 出現(xiàn)的還算早，應(yīng)用范圍非常廣泛，技術(shù)也很成熟，所以在我們的生活中也是必不可少的電源設(shè)備。以免造成溫度過(guò)高或太低燒壞溫度控制器，這樣也起到了保護(hù)器的作用。 30 致 謝 本文的整個(gè)寫(xiě)作過(guò)程得到了蔣燕君老師的細(xì)心指導(dǎo)，同時(shí)他也給我提出了許多寶貴的、實(shí)用的建議，使我得以順利地完成對(duì)本課題的研究。 在我的學(xué)業(yè)和論文的研究工作中傾注著老師辛勤的汗水和心血，老師的嚴(yán)謹(jǐn)治學(xué)態(tài)度、淵博的知識(shí)、無(wú)私的奉獻(xiàn)精神使我深受的啟迪。在多年的學(xué)習(xí)生活中，還得到了許多老師的熱情關(guān)心和幫助，在此，我要向他們表示衷心地感謝！同時(shí)也要感謝在百忙之中評(píng)閱論文和參加答辯的各位專家、教授 !另外，還要感謝我們班的每一位同學(xué)，永遠(yuǎn)記得與他們共同度過(guò)的這四年時(shí)光，這是一筆寶貴的財(cái)富，從他們身上我學(xué)到了很多很多，他們同時(shí)也給了我許多的幫助。 陳列尊 。 (AN 34127835). [25]Talk to Me, Fridge. By: Lanza, Drew. Business Week Online, 6/23/2021, p88, 1