【文章內(nèi)容簡介】 做整流電源。能提供信號的電子設備叫做信號源。晶體三極管能把前面送來的信號加以放大，又把放大了的信號傳送到后面的電路中去。晶體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。 電源是向電子設備提供功率的裝置，也稱 電源供應器 ，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)品廣泛應用于工業(yè)自動化控制、軍工設備、科研設備、工控設備、計算機和電腦、通訊設備、電力設備、儀器儀表、醫(yī)療設備、半導體制冷制熱等領域 。 USB 電源 的概述 通用串行總線 Universal Serial Bus 使 PC 機與外部設備的連接變 得簡單而迅速 ,隨著計算機以及與 USB 相關便攜式設備的發(fā)展 ,USB 必將獲得更廣泛的應用。由于 USB 具有即插即用的特點。 它不需要任何驅動，可以馬上使用。如圖 2 就是 USB 的結構框架： _ root hub _____________|___________ | | hub hub ___|__ ________|________ | | | | | | | | d1 d2 d3 h1 h2 d4 d5 d6 d* 外設 h* hub 圖 2 USB 的結構框架 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，也可以通過 hub 控制更多的外設。 USB hub 結構類似通常的網(wǎng)絡集線器，有一個 upper link 和很多子端口，每個子端口可以接一個外設，也可以再通過一個 hub 接入更多外設，直到所有外設加起來到 127 為止。 現(xiàn)在 設計的 USB 電源開關采用自舉電荷泵 ,為 N 型功率管提供 2 倍于電源的柵驅動電壓。在負載出現(xiàn)異常時 ,過流保護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。 一種結構簡單的自舉電荷泵為 N 型功 率管提供柵驅動電壓 ,以降低開關的導通損耗。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。仿真結果表明 ,在負載短路瞬間 ,限流電路能夠有效地減小過沖電流 ,并能把電流限制在 A ,達到保護 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 設備都沒有影響，所以可以熱插拔。 迷你小冰箱半導體制冷系統(tǒng)工作機理 半導體簡介 顧名思義：導電性能介于 導體 (conductor)與 絕緣體 (insulator)之間的材料，叫做半導體（ semiconductor）． 電阻率介于 金屬 和絕緣體之間并有負的電阻溫度系數(shù)的物質。半導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。半導體材料很多，按化學成分可分為元素半導體和化合物半導體兩大類 。 物質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 把導電性和導電導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。而把導電、導熱都比較好的金屬如金、銀、銅、鐵、錫、鋁等稱為導體。可以簡單的把介于導體和絕緣體之間的材料稱為半導體。與導體和絕緣體相比，半導體材料的發(fā)現(xiàn)是最晚的，直到 20 世紀 30 年代，當材料的提純技術改進以后，半導體的存在才真正被學術界認可 。 半導體特點 半導體五大特性 ∶ 電阻率特性，導電特性，光電特性，負的電阻率溫度特性，整流特性。 半導體 伏安特性曲線 伏安特性曲線 ：加在 PN 結兩端的電壓和流過二極管的電流之間的關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 PN 結加反向電壓時， 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 結的勢壘電容 平衡少子： PN 結處于平衡狀態(tài)時的少子稱為平衡少子。 非平衡少子： PN 結處于正向偏置時，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，這種電容效應稱為 Cd。 結電容：勢壘電容與擴散電容之和為 PN 結的結電容 Cj。 半導體制冷器件的工作原理： 半導體制冷器件的工作原理是基于帕爾帖原理，該效應是在 1834 年由 帕12 爾帖首先發(fā)現(xiàn)的，即利用當兩種不同的導體 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，且與兩種導體的性質及熱端的溫度有關，即： Qab=Iπab ， πab 稱做導體 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)的大小取決于構成閉合回路的材料的性質和接點溫度，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比較微弱，而半導體材料則要強得多，因而得到實際應用的溫差 電制冷器件都是由半導體材料制成的。 [14] 半導體應用： 在積極尋找提高半導體材料熱電性能的同時，人們又從優(yōu)化半導體制冷器的結構和工作狀況出發(fā)，得到了很多提高制冷器制冷性能和穩(wěn)定性的有益結論，從而使得半導體制冷技術的應用范圍進一步擴大，現(xiàn)在半導體制冷在電子技術、醫(yī)療器械、家用冰箱和工業(yè) 的發(fā)展。 最早的實用 “半導體 ”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、半導體可以用來測量溫度，測溫范圍可以達到生產(chǎn)、生活、醫(yī)療衛(wèi)生、科研教學等應用的 70%的領域，有較高的準確度和穩(wěn)定性，分辨率可達 攝氏度，甚至達到 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。 所以在我們的設計中，我們就采用了半導體制冷的原理，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)技術改進 電源部分的改進 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，我們在設計中就利用所學知識，對該冰箱的電源部分進行了創(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，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？ 開關二極管的開關作用是利用二極管的單向導電特性來完成的，在給二極管加正向偏壓時，處于導通狀態(tài)，在加反向偏壓時處于截止狀態(tài)，在電路中起到接通電流、關斷電流的作用。即開關作用。 為能使二極管的開關特性更好，可通過制作工藝，使其正向電阻特小，反向電阻特大，以提高其開關速度。開關二極管有一個很重要的參數(shù)反向恢復時 間。它是指開關二極管從導通到截止所需要的時間。此時間越短越好。另外，開關二極管從截止到導通所需的時間稱為開通時間。開通時間與反向恢復時間的和稱為開關時間，由于反向恢復時間遠大于開通時間，所以一般的參數(shù)手冊中只給出反向恢復時間。由于開關二極管具有開關速度快、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] 開關二極管的 伏安特性曲線 如圖 5 所示 14 圖 5 開關二極管的 伏安特性曲線 有了二極管的作用，我們設計的雙電源也能實現(xiàn)了，我們在控制冷熱的開關后把電線減斷，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，我們還設計了開關穩(wěn)壓電路，使得它的電源利用率增加。 過熱檢測 電路的技術改進 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體還能加熱 ,這個冰箱它的加熱溫度可達到 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到 60℃為止的一個限制溫度著手。 過熱檢測電路采用負溫度系數(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)。 當熱敏電阻附近的溫度由于設備工作上升時，熱敏電阻的阻值變小， LED1 的閃爍頻率也降低，當溫度達到 50 度的時候，閃爍頻率也要進一步降低，在溫度達到 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)。 熱敏電阻應貼裝在需要進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