【文章內(nèi)容簡介】 三極管對后面的電路來說，也可以看做是信號源。整流電源、信號源有時也叫做電源。 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)自動化控制、軍工設(shè)備、科研設(shè)備、工控設(shè)備、計算機和電腦、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 機與外部設(shè)備的連接變得簡單而迅速 ,隨著計算機以及與 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。 它不需要任何驅(qū)動，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主板上的那兩個插口，就是 root hub。 root hub是一個 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 upper link 和很多子端口，每個子端口可以接一個外設(shè)，也可以再通過一個 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)動電壓。在負(fù)載出現(xiàn)異常時 ,過流保護(hù)電路能迅速限制功率管電流 ,以避免熱插拔對電路造成損壞。 一種結(jié)構(gòu)簡單的自舉電荷泵為 N 型功率管提供柵驅(qū)動電壓 ,以降低開關(guān)的導(dǎo)通損耗。精確的限流電路針對過載和短路故障 ,對輸入電源提供保護(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，您就會發(fā)現(xiàn)它們其中外側(cè)的兩條比較長，那是數(shù)據(jù)線；而里面兩條相對短一些的為電源線，這就是 USB的工作原理。 USB設(shè)備往機器上插時，首先接觸的是信號線，然后才是電源線。而向外拔時剛好相反，由于電源線較短，所以首先被切斷，而后才是數(shù)據(jù)線。這樣操作對整個系統(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)體室溫時電阻率約在 10E5～ 10E7 歐 米之間，溫度升高時電阻率指數(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?？梢院唵蔚陌呀?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 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。 勢壘電容 ：耗盡層寬窄變化所等效的電容稱為勢壘電容 Cb。 變?nèi)荻O管 ：當(dāng) PN 結(jié) 加反向電壓時， 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 壘電容 平衡少子： PN 結(jié)處于平衡狀態(tài)時的少子稱為平衡少子。 非平衡少子： PN 結(jié)處于正向偏置時，從 P 區(qū)擴散到 N 區(qū)的空穴和從 N 區(qū)擴散到P 區(qū)的自由電子均稱為非平衡少子。 擴散電容 ：擴散區(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：勢壘電容與擴散電容之和為 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，在接頭處除焦耳熱以外還會釋放出某種其它的熱量，而另一個接頭處則吸收熱量，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，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 之間的相對帕爾帖系數(shù) ，單位為 [V], πab 為正值時，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)和接點溫度，其數(shù)值可以由賽貝克系數(shù) αab[]和接頭處的絕對溫度 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)體材料則要強得多，因而得到實際應(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，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。 最早的實用 “半導(dǎo)體 ”是 「 電晶體 （ Transistor） / 二極體（ Diode） 」。 一、在無電收音機 （ Radio）及 電視機（ Television）中，作為 “訊號放大器 /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)體可以用來測量溫度，測溫范圍可以達(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 %，測溫范圍 100~+300 攝氏度，是性價比極高的一種測溫元件。 所以在我們的設(shè)計中，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候，如果在我們的身邊沒有 PC 機的情況，13 那我們不是不能使用這款冰箱了，雖然它使用很方便，但有時候遇到客觀問題的時候我們還是要靈活運用，我們這款冰箱在市場上已經(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，我們在設(shè)計中就利用所學(xué)知識，對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，我們在外接電源的部分連接了兩條線，但是如何能讓我們實現(xiàn)兩條線都可以使用呢，尤其在你需要的時候就成用哪條？ 下面就介紹了方法：在我們市場上買來的 USB迷你小冰箱有一根電源線，我們在創(chuàng)新的時候就把那個電源線分成兩個線頭，一個接 USB接口，另一個接市場上很普通的家用插座。在線分段電路的時候接個二極管，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?，在給二極管加正向偏壓時，處于導(dǎo)通狀態(tài)，在加反向偏壓時處于截止?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)二極管有一個很重要的參數(shù)反向恢復(fù)時間。它是指開關(guān)二極管從導(dǎo)通到截止所需要的時間。此時間越短越好。另外，開關(guān)二極管從截止到導(dǎo)通所需的時間稱為開通時間。開通時間與反向恢復(fù)時間的和稱為開 關(guān)時間，由于反向恢復(fù)時間遠(yuǎn)大于開通時間，所以一般的參數(shù)手冊中只給出反向恢復(fù)時間。由于開關(guān)二極管具有開關(guān)速度快、壽命長、無觸點、體積小、可靠性高等特點，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、影碟機、錄像機等電路中 。 [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，我們設(shè)計的雙電源也能實現(xiàn)了，我們在控制冷熱的開關(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)計了開關(guān)穩(wěn)壓電路，使得它的電源利用率增加。 過熱檢測電路的技術(shù)改進(jìn) 我們接觸到的冰箱大都沒有過熱檢測系統(tǒng) ,因為我們生活中的家用冰箱它們只能制冷 ,而我們的迷你小冰箱利用半導(dǎo)體還能加熱 ,這個冰箱 它的加熱溫度可達(dá)到 60℃ ,所以在我們在運用這個冰箱的時候，為了避免人們在不注意冰箱加熱而影響的一些問題 ,譬如電壓過大，電流過大 ,所以我們就在冰箱中安裝一個過熱檢測電路，能讓冰箱在達(dá)到某個加熱最大溫度時能提醒用戶溫度已經(jīng)加熱到最大值 .[17] 我們在冰箱中采用的過熱檢測系統(tǒng)就是圍繞我們冰箱加熱溫度只能達(dá)到 60℃為止的一個限制溫度著手。 過熱檢測電路采用負(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）定時器芯片， VR1， C1一起接成多諧振蕩器。 C1是定時電容，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，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度的時候，閃爍頻率也要進(jìn)一步降低，在溫度達(dá)到 60度的時候，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)行溫度檢測的部件上， LED1 裝 在面板上作為加電和測穩(wěn)指示15 器。在連接熱敏電阻之前，最好先測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