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正文內(nèi)容

本科畢業(yè)論文-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)(編輯修改稿)

2025-07-11 08:41 本頁面
 

【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 三極管對(duì)后面的電路來說,也可以看做是信號(hào)源。整流電源、信號(hào)源有時(shí)也叫做電源。 電源是向電子設(shè)備提供功率的裝置,也稱 電源供應(yīng)器 ,它提供 家電 所有部件所需要的 電能 。電源功率的大小, 電流 和 電壓 是否穩(wěn)定,將直接影響 冰箱 的工作性能和使用壽命。 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 。 USB電源 的概述 通用串行總線 Universal Serial Bus 使 PC 機(jī)與外部設(shè)備的連接變得簡(jiǎn)單而迅速 ,隨著計(jì)算機(jī)以及與 USB 相關(guān)便攜式設(shè)備的發(fā)展 ,USB 必將獲得更廣泛的應(yīng)用。由于 USB 具有即插即用的特點(diǎn)。 它不需要任何驅(qū)動(dòng),可以馬上使用。 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。 root hub是一個(gè) USB系統(tǒng)的總控制端口。它既可以直接接外設(shè),也可以通過 hub控制更多的外設(shè)。 USB hub結(jié)構(gòu)類似通常的網(wǎng)絡(luò)集線器 ,有一個(gè) upper link 和很多子端口,每個(gè)子端口可以接一個(gè)外設(shè),也可以再通過一個(gè) hub接入更多外設(shè),直到所有外設(shè)加起來到 127為止。 現(xiàn)在 設(shè)計(jì)的 USB 電源開關(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。在負(fù)載出現(xiàn)異常時(shí) ,過流保護(hù)電路能迅速限制功率管電流 ,以避免熱插拔對(duì)電路造成損壞。 一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的自舉電荷泵為 N 型功率管提供柵驅(qū)動(dòng)電壓 ,以降低開關(guān)的導(dǎo)通損耗。精確的限流電路針對(duì)過載和短路故障 ,對(duì)輸入電源提供保護(hù)。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。這四條線的接線金手指都在連接埠的里面。向里看時(shí),您就會(huì)發(fā)現(xiàn)它們其中外側(cè)的兩條比較長(zhǎng),那是數(shù)據(jù)線;而里面兩條相對(duì)短一些的為電源線,這就是 USB的工作原理。 USB設(shè)備往機(jī)器上插時(shí),首先接觸的是信號(hào)線,然后才是電源線。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。這樣操作對(duì)整個(gè)系統(tǒng)及 USB設(shè)備都沒有影響,所以可以熱插拔。 半導(dǎo)體簡(jiǎn)介 顧名思義:導(dǎo)電性能介于 導(dǎo)體 (conductor)與 絕緣體 (insulator)之間的材料,叫做半導(dǎo)體( semiconductor). 電阻率介于 金屬 和絕緣體之間并有負(fù)的電阻溫度系數(shù)的物質(zhì)。半導(dǎo)體室溫時(shí)電阻率約在 10E5~ 10E7 歐 米之間,溫度升高時(shí)電阻率指數(shù)則減小。半導(dǎo)體材料很多,按化學(xué)成分可分為元素半導(dǎo)體和化合物半導(dǎo)體兩大類 。 物質(zhì)存在的形式多種多樣,固體、液體、氣體、等離子體等等。我們通常把導(dǎo)電性和導(dǎo)電導(dǎo)熱性差或不好的材料,如金剛石、人工晶體、琥珀、陶瓷等等,稱為絕緣體。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。可以簡(jiǎn)單的把介 于導(dǎo)體和絕緣體之間的材料稱為半導(dǎo)體。與導(dǎo)體和絕緣體相比,半導(dǎo)體材料的發(fā)現(xiàn)是最晚的,直到 20 世紀(jì) 30 年代,當(dāng)材料的提純技術(shù)改進(jìn)以后,半導(dǎo)體的存在才真正被學(xué)術(shù)界認(rèn)可 。 半導(dǎo)體特點(diǎn) 半導(dǎo)體五大特性 ∶ 電阻率特性,導(dǎo)電特性,光電特性,負(fù)的電阻率溫度特性,整流特性。 半導(dǎo)體 伏安特性曲線 伏安特性曲線 :加在 PN結(jié)兩端的電壓和流過二極管的電流之間的關(guān)系曲線稱 為伏安特性曲線。如圖 3 所示: 11 圖 3 伏安特性曲線 正向特 性: u0 的部分稱為正向特性。 反向特性: u0 的部分稱為反向特性。 反向擊穿:當(dāng)反向電壓超過一定數(shù)值 U( BR)后,反向電流急劇增加,稱之反向擊穿。 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。 變?nèi)荻O管 :當(dāng) PN 結(jié) 加反向電壓時(shí), Cb 明顯隨 u 的變化而變化,而制成各種變?nèi)荻O管。如 圖 4 所示。 圖 4 PN 結(jié)的勢(shì) 壘電容 平衡少子: PN 結(jié)處于平衡狀態(tài)時(shí)的少子稱為平衡少子。 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。 擴(kuò)散電容 :擴(kuò)散區(qū)內(nèi)電荷的積累和釋放過程與電容器充、放電過程相同,這種電容效應(yīng)稱為 Cd。 結(jié)電容:勢(shì)壘電容與擴(kuò)散電容之和為 PN 結(jié)的結(jié)電容 Cj。 : 半導(dǎo)體制冷器件的工作 原理是基于帕爾帖原理,該效應(yīng)是在 1834 年由 帕12 爾帖首先發(fā)現(xiàn)的,即利用當(dāng)兩種不同的導(dǎo)體 A 和 B 組成的電路且通有直流電時(shí),在接頭處除焦耳熱以外還會(huì)釋放出某種其它的熱量,而另一個(gè)接頭處則吸收熱量,且帕爾帖效應(yīng)所引起的這種現(xiàn)象是可逆的,改變電流方向時(shí),放熱和吸熱的接頭也隨之改變,吸收和放出的熱量與電流強(qiáng)度 I[A]成正比,且與兩種導(dǎo)體的性質(zhì)及熱端的溫度有關(guān),即: Qab=Iπab , πab 稱做導(dǎo)體 A 和 B 之間的相對(duì)帕爾帖系數(shù) ,單位為 [V], πab 為正值時(shí),表示吸熱,反之為放熱,由于吸放熱是可逆的,所以 πab=- πab , 帕爾帖系數(shù)的大小取決于構(gòu)成閉合回路的材料的性質(zhì)和接點(diǎn)溫度,其數(shù)值可以由賽貝克系數(shù) αab[]和接頭處的絕對(duì)溫度 T[K]得出 πab=αabT 與塞貝克效應(yīng)相,帕爾帖系也具有加和性,即: Qac=Qab+Qbc=(πab+πbc)I 因此絕對(duì)帕爾帖系數(shù)有 πab=πa- πb 金屬材料的帕爾帖效應(yīng)比較微弱,而半導(dǎo)體材料則要強(qiáng)得多,因而得到實(shí)際應(yīng)用的溫差電制冷器件都是由半導(dǎo)體材料制成的。 [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。 最早的實(shí)用 “半導(dǎo)體 ”是 「 電晶體 ( Transistor) / 二極體( Diode) 」。 一、在無電收音機(jī) ( Radio)及 電視機(jī)( Television)中,作為 “訊號(hào)放大器 /整流器 ”用。 二、近來發(fā)展「 太陽能 ( Solar Power)」,也用在「 光電池 ( Solar Cell)」中。 三、半導(dǎo)體可以用來測(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。 所以在我們的設(shè)計(jì)中,我們就采 用了半導(dǎo)體制冷的原理,制作了迷你小冰箱。 [15] 基于 USB 接口供電的迷你冰箱電路系統(tǒng)技術(shù)改進(jìn) 電源部分的改進(jìn) 我們知道,用 USB 接口供電也有不方便的時(shí)候,如果在我們的身邊沒有 PC 機(jī)的情況,13 那我們不是不能使用這款冰箱了,雖然它使用很方便,但有時(shí)候遇到客觀問題的時(shí)候我們還是要靈活運(yùn)用,我們這款冰箱在市場(chǎng)上已經(jīng)有了,但是它只能用 USB接口。如今,為了滿足更多顧客的需求和要求,我們?cè)谠O(shè)計(jì)中就利用所學(xué)知識(shí),對(duì)該冰箱的電源部分進(jìn)行了創(chuàng)新。為了解決 USB 供電不足或是沒有 PC 的情況下,我們經(jīng)過分析,為 解決此問題做出了改進(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。在沒有 PC機(jī)的情況下,我們就用另一條線直接插上家用電源即可。 在電源電路中,為了能讓 USB和家用電源插座能在不同環(huán)境下靈活應(yīng)用,我們?cè)谕饨与娫吹牟糠诌B接了兩條線,但是如何能讓我們實(shí)現(xiàn)兩條線都可以使用呢,尤其在你需要的時(shí)候就成用哪條? 下面就介紹了方法:在我們市場(chǎng)上買來的 USB迷你小冰箱有一根電源線,我們?cè)趧?chuàng)新的時(shí)候就把那個(gè)電源線分成兩個(gè)線頭,一個(gè)接 USB接口,另一個(gè)接市場(chǎng)上很普通的家用插座。在線分段電路的時(shí)候接個(gè)二極管,這樣電路 就能達(dá)到我們的要求。 為 什么我們要在電源部分裝上二極管呢? 開關(guān)二極管的開關(guān)作用是利用二極管的單向?qū)щ娞匦詠硗瓿傻模诮o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。即開關(guān)作用。 為能使二極管的開關(guān)特性更好,可通過制作工藝,使其正向電阻特小,反向電阻特大,以提高其開關(guān)速度。開關(guān)二極管有一個(gè)很重要的參數(shù)反向恢復(fù)時(shí)間。它是指開關(guān)二極管從導(dǎo)通到截止所需要的時(shí)間。此時(shí)間越短越好。另外,開關(guān)二極管從截止到導(dǎo)通所需的時(shí)間稱為開通時(shí)間。開通時(shí)間與反向恢復(fù)時(shí)間的和稱為開 關(guān)時(shí)間,由于反向恢復(fù)時(shí)間遠(yuǎn)大于開通時(shí)間,所以一般的參數(shù)手冊(cè)中只給出反向恢復(fù)時(shí)間。由于開關(guān)二極管具有開關(guān)速度快、壽命長(zhǎng)、無觸點(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 。 [16] 開關(guān)二極管的 伏安特性曲線 如圖 5所示 14 圖 5 開關(guān)二極管的 伏安特性曲線 有了二極管的作用,我們?cè)O(shè)計(jì)的雙電源也能實(shí)現(xiàn)了,我們?cè)诳刂评錈岬拈_關(guān)后把電線減斷,裝上二極管,然后一端是 USB接口,另一端是家用電源插座。 為了能讓電源損耗減小,我們還設(shè)計(jì)了開關(guān)穩(wěn)壓電路,使得它的電源利用率增加。 過熱檢測(cè)電路的技術(shù)改進(jìn) 我們接觸到的冰箱大都沒有過熱檢測(cè)系統(tǒng) ,因?yàn)槲覀兩钪械募矣帽渌鼈冎荒苤评?,而我們的迷你小冰箱利用半導(dǎo)體還能加熱 ,這個(gè)冰箱 它的加熱溫度可達(dá)到 60℃ ,所以在我們?cè)谶\(yùn)用這個(gè)冰箱的時(shí)候,為了避免人們?cè)诓蛔⒁獗浼訜岫绊懙囊恍﹩栴} ,譬如電壓過大,電流過大 ,所以我們就在冰箱中安裝一個(gè)過熱檢測(cè)電路,能讓冰箱在達(dá)到某個(gè)加熱最大溫度時(shí)能提醒用戶溫度已經(jīng)加熱到最大值 .[17] 我們?cè)诒渲胁捎玫倪^熱檢測(cè)系統(tǒng)就是圍繞我們冰箱加熱溫度只能達(dá)到 60℃為止的一個(gè)限制溫度著手。 過熱檢測(cè)電路采用負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻作熱量傳感器。熱敏電阻 R1與 IC1( NE555)定時(shí)器芯片, VR1, C1一起接成多諧振蕩器。 C1是定時(shí)電容,它在 1/3Vcc 和 2/3Vcc 之 間充電和放電。振蕩頻率主要取決于 R1, VR1和 C1的值, R1的阻值隨溫度而變化。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)。 當(dāng)熱敏電阻附近的溫度由于設(shè)備工作上升時(shí),熱敏電阻的阻值變小, LED1 的閃爍頻率也降低,當(dāng)溫度達(dá)到 50度的時(shí)候,閃爍頻率也要進(jìn)一步降低,在溫度達(dá)到 60度的時(shí)候,由于熱敏電阻的阻值降低劇烈, LED1 就停止閃爍,并一直保持發(fā)光狀態(tài),這表示設(shè)備已經(jīng)過熱了, LED1的亮度可以通過調(diào)節(jié) VR2來調(diào)節(jié)。 熱敏電阻應(yīng)貼裝在需要進(jìn)行溫度檢測(cè)的部件上, LED1 裝 在面板上作為加電和測(cè)穩(wěn)指示15 器。在連接熱敏電阻之前,最好先測(cè)一下它在室溫下的阻值,正常值應(yīng)該是 400到 500歐姆之間。 過熱檢測(cè)系統(tǒng)電路用 5V~12V直流電壓供電。電路圖如 6所示 : V11 2 V R11 k O h m R21 0 0 O h m R3K e y = A 1 M O h m 5 0 %R4K e y = A 4 . 7 k O h m 5 0 %L E D 1U1L M 5 5 5 C MG N D1D I S7O U T3R S T4V C C8T H R6C O N5T R I2J1K e y = S p a c eC11 . 0 u FC21 0 p F91310212431
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