本科毕业论文基于USB接口供电的迷你冰箱电路系统的研究与设计

1、基于USB接口供电的迷你冰箱电路系统的研究与设计摘要：基于USB接口供电的迷你冰箱是一个小型的冷热器，它没有家用冰箱复杂的电路，它靠半导体致冷片将热量从片的一面传导到另一面的方法，达到制冷的效果，再利用直流电源极性倒过来能使热传导方向改变的原理，达到半导体加热的效果。该USB小冰箱无噪音，无压缩机，绿色环保，小巧玲珑，节能轻便，制造工艺精美细致，能在5分钟内制冷到8.5摄氏度（或47华氏度），而且只需5伏电压只要有USB接口（1.1或者2.0接口）即可。 它不需要外加驱动程序，随意插入USB接口即可！几分钟后就可以使用了。它适用于在办公室，学校或出去旅游，是一个随身携带的冷热器，但该小冰箱的电

2、源部分不稳定，不能知道冰箱的温度是否加热适宜，针对以上小冰箱的特点和不足，我们从以下三个方面对小冰箱作了改进：电源部分，过热检测部分，温度告知部分。首先对小冰箱的电源部分进行了改进，利用二极管的特性，采用了双电源，一条可以采用USB电源，另一根可以用家用电源。在两条线相连部分利用二极管的单向导通性，把两条电源线相连，并用仿真软件对设计的开关稳压电源进行仿真，利用该电源，可以减少电源的损耗，提高效率。其次对小冰箱的温控部分进行了改进，在冰箱的温控部分装上过热检测系统，并设置适当的温度进行检测，方便提醒用户。尤其达到60的时候，那时热敏电阻闪烁频率为零。并通过仿真把冰箱温度的变化对LED1闪烁频率

3、的改变和热敏电阻的阻值变化进行分析与总结。再次增加温度告知功能，在电路中连接温度告知电路，方便用户及时知道冰箱温度。查看温度的时候，利用二极管发光的个数来确定电路的温度。在详细分析USB供电小冰箱的工作原理后，针对上述技术改进，采用Multisim作了仿真，仿真结果证实了这些技术改进收到了良好的效果。关键词：冷热器；半导体；开关稳压电源；过热检测系统；温度告知电路Study and Design of Mini-refrigerator Circuit System Based on the USB Power SupplyAbstract: The mini refrigerator sup

4、plying power on the basis of USB interface is a small-scale cold and hot device, it does not have complicated circuit of a domestic refrigerator, it depend on semiconductor refrigeration slice heat from the conducting to the method of another side of one, get the result of refrigeration, and then ut

5、ilize polarity of direct current source to turn the principle that can make the heat-conduction direction change around, reach the result that the semiconductor is heated. This USB mini-bar has no noise, without compressor, green environmental protection, pretty and cleverly-made, energy-conservatio

6、n is light, manufacturing process is exquisite and careful, can refrigerate within 5 minutes to 8.5 (or 47 degrees Fahrenheit), and only takes voltage of 5 volts -So long as there is USB interface (1.1 or 2.0 interface). It does not need any driver at all, inserts USB interface at will! Can use seve

7、ral minutes later. It is suitable for in the office, the school or going out to travel is a carry-on cold and hot device, but the power part of this mini-bar is unstable, can't know whether the temperature of the refrigerator is heated suitably, to characteristic and deficiency of the above-ment

8、ioned mini-bars, we have improved the mini-bar from three following respects: For example: Power part, measure the part overheatedly, tell some in temperatureImprove the power part of the mini-bar at first, utilize the characteristic of the diode, having adopted a pair of power, one can adopt USB po

9、wer, another one can use the home power. What linked up and utilized the diode partly was linked to two cables to the conduction only on two lines, and carry on emulation to the switch steady voltage plug that is designed with the artificial software, utilize this power, can reduce the loss of the p

10、ower, raise the efficiency. Secondly has improved the temperature-controled part of the mini-bar, has loaded in the temperature-controled part of the refrigerator onto the overheated detection system, set up appropriate temperature to measure, it is convenient to remind users. While especially reach

11、ing 60 , frequency glimmers as zero in the thermal resistor at that time. And change of temperature glimmer change of frequency to LED1 and person who hinder of thermal resistor change analyzes and summarizes refrigerator through emulation. Increase temperature to tell the function again, connect te

12、mperature to tell the circuit in the circuit, help users know the refrigerator temperature in time. While looking over temperature, make use of number that the diode gives out light to confirm the temperature of the circuit.After the operation principle of the mini-bar that USB supplies power in det

13、ailed analysis, improve to technology described above, use Multisim as emulation, the artificial result has verified these technological improvement has achieved the good result.Keywords: Cold and hot device; Semiconductor; Steady voltage plug of switch; Overheated detection system; Tell the circuit

14、 in temperature目 录1 绪论11.1 本课题的研究背景和意义11.2 家用普通冰箱电路系统简介21.2.1 家用普通冰箱的组成21.2.2 家用冰箱的工作原理41.2.3 家用冰箱内部电路的原理图51.3 基于USB接口供电的迷你冰箱电路系统简介61.3.1 USB设备的接入61.3.2 基于USB接口供电的迷你冰箱内部电路62 基于USB接口供电的迷你冰箱电路系统工作机理及技术改进72.1基于USB接口供电的迷你冰箱电路系统工作机理72.1.1 USB电源供电系统工作机理7迷你小冰箱半导体制冷系统工作机理92.2 基于USB接口供电的迷你冰箱电路系统技术改进112.2.1 电

15、源部分的改进112.2.2 过热检测电路的技术改进132.2.3 冰箱温度告知电路的改进143 基于USB接口供电的迷你冰箱电路系统的仿真及分析163.1 Multisim仿真软件16 Multisim仿真软件的介绍163.1.2 Multisim的特点163.1.3 Multisim在电子技术实验中的应用173.2 迷你小冰箱电源部分的仿真模型与分析183.3 热检测电路的仿真模型与分析203.4 冰箱温度告知电路的改进仿真模型的建立与分析244 本文总结和未来展望274.1 本文总结274.2 未来展望27致谢29参考文献301 绪 论USB是英文Universal Serial BUS的

16、缩写，中文含义是“通用串行总线”。它不是一种新的总线标准，而是应用在PC领域的接口技术。基于USB接口供电的迷你冰箱采用了这个技术，用5V的USB电源冷却饮料 ，内置LED灯，不需要压缩机。它没有家用冰箱复杂的电路，它靠半导体致冷片将热量从片的一面传导到另一面的方法，如果把直流电源极性倒过来的话，热传导方向也会改变，这就是半导体致冷片的原理。当然不需要压缩机了，而且也不需要加致冷剂。 半导体致冷片是整个冰箱内外冷热交换的唯一部位。虽然简单，它也能把温度下降到0-5(最低温度，环境温度20-25).在加热的过程中，也能把温度加到60左右，打破了冰箱以往的作用，实现了冰箱的致冷和加热双重作用。目前

17、，冰箱应用的层面极广，除了家用以外，还应用到车上和其他领域。它不单单只是运用我们的生活中，还运用到我们的科研和学习方面，为了解决一些常见问题，譬如携带方便，轻巧等问题，越来越多的科学家进行了研究和改造，一些功能更好的冰箱已经上市，我们如下介绍的也是其中一款很实用的冰箱：基于USB接口供电的迷你小冰箱。1.1本课题的研究背景和意义家电产品是我们日常生活中最常见的物品，它们已经融入到我们的生活中，我们每天都在自觉或不自觉地使用着它们。随着科技的发展和社会的进步，家用电器产品的形式正在日益变得丰富多彩，产品的品种也正随着技术的进步而不断增加1。可想而知：中国冰箱经过引进、吸收和消化的20年,有了高速

18、的发展,但是国内目前对电冰箱的本土化概念研究尚未具体展开,大多数只是停留在外观造型上的创新及新技术上的应用。由于冰箱产业的日益成熟,产品市场也开始进入成熟期,竞争开始出现白热化状态,生产商无不在积极采用各种方式和手段,来争得产品市场的一席之地。而市场竞争的另一个结果就是直接导致了冰箱产品同质化的现象,也就是说冰箱产品在结构、功能、服务、外观、价格、使用、技术基础等等各个方面有很大的相似性,同级别产品相互之间具有很强的可替代性。 最早的冰箱属于“舶来品”的一种,不管是功能、结构、界面还是技术都是直接从国外引进。在一段时期内,外来的优势使使用者暂时忽略了自己根本无法挥去的生活方式,但是由于不同的民

19、族与国家,在生活状态、生活方式、生活习惯与生活水平上都有一定的差异,有的甚至相差较远,当使用者的消费意识日益成熟时,会逐渐意识到自己的真正需要,什么才是适合于自己生活的产品,这时候由于中西文化差异所产生的矛盾便出现了。2近几年，我国小家电市场正呈现出方兴未艾的旺销态势。从某种程度上说，品种繁多的小家电已成为消费者生活的必需品，使用小家电的数量及选购其品质已是老百姓生活水平高低的标志之一。市场的旺盛需求带动了生产的高速增长，近期，为适应消费需求的快速增长，不少大家电厂家纷纷转产小家电产品，使小家电产品生产量急剧增加。例如冰箱就是我们在生活中不可少的家电。它和我们的生活息息相关3。 目前，人们对冰

20、箱要求日见增高，尤其在它的容量、功能、保鲜效果方面特高。这就要求我们设计的电冰箱容量大、功能全、保鲜好、自动化程度高，并且能携带更便利、舒适而且安全，能根据用户的要求和需要进行运用，尤其在上班期间更方便。为了解决市场上冰箱体积大，供电不方便等问题，并且提高人们在夏天工作的效率，适应市场需要，因而我们设计了用USB接口供电的迷你小冰箱。该USB小冰箱无噪音，无压缩机，绿色环保，小巧玲珑，节能轻便，制造工艺精美细致，能放在办公桌上。你只要把一听易拉罐放在里面，然后把它插入一个开启的电脑USB接口，几分钟后就能喝到冷饮料了。它能在5分钟内制冷到8.5摄氏度（或47华氏度），而且只需5伏电压只要有US

21、B接口（1.1或者2.0接口）即可。不需要任何驱动程序，随意插入USB接口即可！该设计包含的技术有：数字和模拟技术、单片机控制技术、USB供电系统、电路设计与电路仿真技术等4。1.2家用普通冰箱电路系统简介冰箱是一种使食物或其他物品保持冷态的小柜或小室内有制冰机用以结冰的柜或箱带有制冷装置的储藏箱。家用电冰箱的容积通常为20500升。1910 年世界上第一台压缩式制冷的家用冰箱在美国问世到如今生活中有了超低温冰箱(低至-100度左右)冰箱为止,大部分是用来做实验等,真正用于生活中的还不多。家用普通冰箱的组成电冰箱主要由箱体、门体、制冷系统、电气系统及附件五部分组成。.1箱体和门体箱体、门体根据

22、不同的温度要求组成若干间室，与外界空气隔绝并分别保持一定低温。箱体、门体由箱壳、箱胆、门壳、门胆等结构件和绝热材料组成。 .2制冷系统电冰箱的制冷系统由压缩机、冷凝器、干燥过滤器、毛细管、和蒸发器组成，制冷系统利用制冷剂的循环进行热交换，将冰箱内的热量转移到冰箱外的空气中去，达到使冰箱内降温的目的。5（1）压缩机家用电冰箱用压缩机一般为全封闭压缩机。它的全称为“电冰箱用全封闭型电动机-压缩机”，它实际是将压缩机与电动机全部密封在机壳内。6压缩机是制冷循环系统的“心脏”，它的作用是在电动机的带动下，输送和压缩制冷剂蒸气，使制冷剂在系统中进行制冷循环。当压缩机电动机带动曲轴作旋转运动时，连杆将旋转

23、运动转化为活塞的往复式运动。活塞在气缸中所作的往复运动，可分为吸气、压缩、排气和膨胀四个工作过程。 压缩机冷冻油的作用a、润滑作用 减小机器运动部件的磨损，延长机器的使用寿命。b、降温作用 c、密封作用 冷冻油在压缩机运动部位起着密封作用，防止制冷剂的泄漏。冷冻油的性能和质量直接影响着制冷压缩机的工作和运行。因此，了解冷冻油的性能和牌号，以便正确选用冷冻油就显得十分必要。国产的冷冻油按其50时的运动粘度分为13、18、25、30、40、等5个牌号。不同牌号的冷冻油不能混合使用，但可以代用，其原则是高牌号可以代替低牌号冷冻油。7（2）冷凝器冷凝器又称为散热器，是电冰箱制冷系统中主要的热交换设备。

24、冷凝器的作用是将压缩机排出的高温、高压制冷剂蒸汽，在冷凝器里经过热量的传递，向周围空气散热，使制冷剂蒸气冷却然后液化成液体。防露管既起到了冷凝器的作用，又使冷冻室门口周围温度升高，防止冷冻室门口周围凝露。 8（3）毛细管 毛细管有两个作用：a.保持冷凝器制冷剂和蒸发器制冷剂之间有一定的压力差，以保证制冷剂蒸汽在冷凝器内有较高的压力，从而使制冷剂蒸汽在冷凝器内散热冷凝成液体；保证制冷剂液体在蒸发器内有较低的压力，从而使制冷剂液体在蒸发器内吸热蒸发成气体。b.控制制冷剂流量。如果毛细管阻力大，制冷剂流量小，制冷量少，蒸发温度低；如果毛细管阻力小，制冷剂流量大，制冷量大，蒸发温度高。它是一根细而长的

25、紫铜管。内径一般为0.51mm，长度为24m不等。铜管的导热性能良好。10（4）蒸发器 蒸发器是冰箱制冷系统中的产生冷的部件，俗称冷源。蒸发器的作用：从毛细管降压后的制冷剂气液混合体（气液比例约为1：9）进入蒸发器，在低压下蒸发由液体变成气体，经蒸发器吸收箱内的热量，达到制冷的目的。蒸发器内制冷剂的蒸发温度越低，冷却周围物体的能力越大，而它的蒸发面积是由压缩机产生冷量决定的。11（5）干燥过滤器 干燥过滤器的构成：干燥过滤器外壳为铜管，直径为16左右，长100-150mm，铜管两端缩口，铜管里面两端装有铜丝过滤网，中间装有分子筛。干燥过滤器的作用：干燥过滤器安装于冷凝器与毛细管之间，用以吸附制

26、冷系统中的水分，以防止发生冰堵，同时还起到过滤作用，防止杂质、碎物等进入毛细管引起脏堵。（6）制冷剂 制冷剂是指在制冷系统中实现制冷循环的工作介质。在压缩式制冷循环中，利用制冷剂的相变传递热量，即制冷剂在蒸发过程吸热，在冷凝过程放热。冰箱所用制冷剂主要有四类：R12、混合工质（R152a/R22）、R134a、R600a.3电气系统 电气系统的主要作用是将箱内的温度控制在一定的范围内，以保证冷藏冷冻的需要。（1）机械式温控冰箱电气系统零部件 温控器过载保护继电器（2）电脑温控冰箱电气系统 双温双控冰箱控制原理 四点感温电脑控制冰箱 .4附件 （1）对上置冷冻室，冷冻室搁架为钢丝搁架，冷藏室搁架

27、和果菜盒为平面钢化玻璃，门搁架为PS塑料搁架。 （2）对下置冷冻室，冷冻室抽屉为ABS不透明抽屉或为AS（也有PS）透明抽屉，冷藏室搁架和果菜盒为平面钢化玻璃，门搁架为PS塑料搁架。家用冰箱的工作原理现今，在这么多的冰箱中，他们的工作原理也有所不同，如下就列举了几种常见的冰箱工作原理。.1压缩式电冰箱该种电冰箱由电动机提供机械能，通过压缩机对制冷系统作功。制冷系统利用低沸点的制冷剂，蒸发时，吸收汽化热的原理制成的。其优点是寿命长，使用方便，目前世界上9195的电冰箱属于这一类。.2吸收式电冰箱该种电冰箱可以利用热源（如煤气、煤油、电等）作为动力。利用氨水氢混合溶液在连续吸收扩散过程中达到制冷的

28、目的。其缺点是效率低，降温慢，现已逐渐被淘汰。.3半导体电冰箱它是利用对PN型半导体，通以直流电，在结点上产生珀尔帖效应的原理来实现制冷的电冰箱。.4化学冰箱它是利用某些化学物质溶解于水时强烈吸热而获得制冷效果的冰箱。.5电磁振动式冰箱它是用电磁振动机作本动力来驱动压缩机的冰箱。其原理、结构与压缩式电冰箱基本相同。.6太阳能电冰箱它是利用太阳能作为制冷能源的电冰箱。.7绝热去磁制冷电冰箱。.8辐射制冷电冰箱。.9固体制冷电冰箱。家用冰箱内部电路的原理图如图1所示，我们看到了冰箱的各个组成和连接情况，从这里不难看出，在冰箱的内部结构中，温控电路起着心脏的作用，在整个冰箱中控制温度的高低来达到制冷

29、的目的。图1 冰箱内部电路原理图1.3基于USB接口供电的迷你冰箱电路系统简介USB设备的接入USB接口中的5V电源不但可以为外接设置提供小电流供应，并且还起着检测功能。当USB设置插入USB接口后，主机的5V电源就会通过USB边线与USB设备相通。USB外设的控制芯片会通过两只10K的电阻来检查USB设备是否接入了主机的USB端口。如果这两个引脚一个为高电平，一个为低电平时就表示USB外设已经正常确连入USB接口，这时外设的控制芯片开始工作，并通过DATA，DATA向外送出数据。这时主机接收数据后，就会提示发现新硬件，并开始安装新硬件驱动。 基于USB接口供电的迷你冰箱内部电路USB迷你小冰

30、箱并不像家用冰箱有那么复杂的电路系统，它是根据热电制冷原理(Peltier Effect) ，运用先进的半导体制冷技术，采用特殊的制冷散热系统制造的，是具有制冷效果佳、无压缩机、 无氟利昂、无振动，低1噪音(<30dB)、超低耗能、使用寿命长、环保等优点的实用新型产品。本产品特别适合宾馆客房、酒楼贵宾房、娱乐室、单身公寓、学生宿舍、办公室、家庭卧室、医院病房等场所。用于冷藏食品、饮料、水果、酒水等，也可以冷藏化妆品、药品，或茶叶等，十分方便实用。尤其是在宾馆上星级、上等级， 树立绿色环保健康形象的首选必备产品。该冰箱有以下部分组成：1.箱体

31、0;2.门轴盖 3.箱门 4.磁性密封条 5.内门板 6.后茹7.散冷风扇 8.风扇罩 9.搁物层架 10.排水 11.脚垫步 12.接水盘。该迷你小冰箱用USB 5V供电.，内部LED电源指示，在电源线有个开关，两个挡，一个是加热开关，另一个是致冷开关。使用制冷时,5分钟内温度降至最低8.5度；使用加热时,5分钟内温度加到最高60度。不需要电池，在内部电路，最主要就是靠半导体来达到制冷加热的效果。在工作，最大的功率消耗为10W。12以下就是在使用该小冰箱要注意的问题：(1)不可用本机加热碳酸饮料及其他类

32、似液体.(2)切勿把液体直接倒入本机内胆内(3)本机应该远离潮湿放置(4)不要用湿手触摸本机(5)停用时请拔掉电源插头(6)保持通风口干净无杂物阻塞(7)减少本机在太阳下暴晒的机会(8)高温或潮湿环境下机器工作时有些须水珠出现属于正常现象,这时只需用干布或者毛巾弄干即可。2 基于USB接口供电的迷你冰箱电路系统工作机理及技术改进2.1 基于USB接口供电的迷你冰箱电路系统工作机理USB电源供电系统工作机理.1电源的概述电源power supply 向电子设备提供功率的装置。把其他形式的能转换成电能的装置叫做电源。发电机能把机械能转换成电能，干电池能把化学能转换成电能.发电机.电池本身并不带电,

33、它的两极分别有正负电荷,由正负电荷产生电压(电流是电荷在电压的作用下定向移动而形成的),电荷导体里本来就有,要产生电流只需要加上电压即可,当电池两极接上导体时为了产生电流而把正负电荷释放出去,当电荷散尽时,也就荷尽流(压)消了.干电池等叫做电源。通过变压器和整流器，把交流电变成直流电的装置叫做整流电源。能提供信号的电子设备叫做信号源。晶体三极管能把前面送来的信号加以放大，又把放大了的信号传送到后面的电路中去。晶体三极管对后面的电路来说，也可以看做是信号源。整流电源、信号源有时也叫做电源。电源是向电子设备提供功率的装置，也称电源供应器，它提供家电所有部件所需要的电能。电源功率的大小，电流和电压是

34、否稳定，将直接影响冰箱的工作性能和使用寿命。电源产品广泛应用于工业自动化控制、军工设备、科研设备、工控设备、计算机和电脑、通讯设备、电力设备、仪器仪表、医疗设备、半导体制冷制热等领域。.2USB电源的概述通用串行总线 Universal Serial Bus 使 PC 机与外部设备的连接变得简单而迅速 ,随着计算机以及与 USB 相关便携式设备的发展 ,USB 必将获得更广泛的应用。由于 USB 具有即插即用的特点。它不需要任何驱动，可以马上使用。如图2就是USB的结构框架：_root hub _|_ | | hub hub _|_ _|_ | | | | | | | | d1 d2 d3 h

35、1 h2 d4 d5 d6 d* 外设 h* hub图2 USB的结构框架PC主板上的那两个插口，就是root hub。root hub是一个USB系统的总控制端口。它既可以直接接外设，也可以通过hub控制更多的外设。USB hub结构类似通常的网络集线器，有一个upper link和很多子端口，每个子端口可以接一个外设，也可以再通过一个hub接入更多外设，直到所有外设加起来到127为止。现在设计的 USB 电源开关采用自举电荷泵 ,为N 型功率管提供 2 倍于电源的栅驱动电压。在负载出现异常时 ,过流保护电路能迅速限制功率管电流 ,以避免热插拔对电路造成损坏。一种结构简单的自举电荷泵为 N

36、型功率管提供栅驱动电压 ,以降低开关的导通损耗。精确的限流电路针对过载和短路故障 ,对输入电源提供保护。仿真结果表明 ,在负载短路瞬间 ,限流电路能够有效地减小过冲电流 ,并能把电流限制在 0.3 A ,达到保护USB 端口的目的13.3 USB的工作原理一根USB线由四条数据线组成，其中两条是数据，另外两条是电源。这四条线的接线金手指都在连接埠的里面。向里看时，您就会发现它们其中外侧的两条比较长，那是数据线；而里面两条相对短一些的为电源线，这就是USB的工作原理。USB设备往机器上插时，首先接触的是信号线，然后才是电源线。而向外拔时刚好相反，由于电源线较短，所以首先被切断，而后才是数据线。这

37、样操作对整个系统及USB设备都没有影响，所以可以热插拔。 迷你小冰箱半导体制冷系统工作机理.1半导体简介顾名思义：导电性能介于导体(conductor)与绝缘体(insulator)之间的材料，叫做半导体（semiconductor）电阻率介于金属和绝缘体之间并有负的电阻温度系数的物质。半导体室温时电阻率约在10E-510E7欧·米之间，温度升高时电阻率指数则减小。半导体材料很多，按化学成分可分为元素半导体和化合物半导体两大类。物质存在的形式多种多样，固体、液体、气体、等离子体等等。我们通常把导电性和导电导热性差或不好的材料，如金刚石、人工晶体、琥珀、陶瓷等等，称为绝缘体。而把导电、

38、导热都比较好的金属如金、银、铜、铁、锡、铝等称为导体。可以简单的把介于导体和绝缘体之间的材料称为半导体。与导体和绝缘体相比，半导体材料的发现是最晚的，直到20世纪30年代，当材料的提纯技术改进以后，半导体的存在才真正被学术界认可。2.1.2.2半导体特点半导体五大特性电阻率特性，导电特性，光电特性，负的电阻率温度特性，整流特性。.3半导体伏安特性曲线伏安特性曲线：加在PN结两端的电压和流过二极管的电流之间的关系曲线称为伏安特性曲线。如图3所示： 图3伏安特性曲线正向特性：u>0的部分称为正向特性。反向特性：u<0的部分称为反向特性。反向击穿：当反向电压超过一定数值U（BR）后，反向

39、电流急剧增加，称之反向击穿。势垒电容：耗尽层宽窄变化所等效的电容称为势垒电容Cb。变容二极管：当PN结加反向电压时，Cb明显随u的变化而变化，而制成各种变容二极管。如图4所示。 图4 PN结的势垒电容平衡少子：PN结处于平衡状态时的少子称为平衡少子。非平衡少子：PN结处于正向偏置时，从P区扩散到N区的空穴和从N区扩散到P区的自由电子均称为非平衡少子。扩散电容：扩散区内电荷的积累和释放过程与电容器充、放电过程相同，这种电容效应称为Cd。结电容：势垒电容与扩散电容之和为PN结的结电容Cj。.4半导体制冷器件的工作原理：半导体制冷器件的工作原理是基于帕尔帖原理，该效应是在1834年由J.A.C帕尔帖

40、首先发现的，即利用当两种不同的导体A和B组成的电路且通有直流电时，在接头处除焦耳热以外还会释放出某种其它的热量，而另一个接头处则吸收热量，且帕尔帖效应所引起的这种现象是可逆的，改变电流方向时，放热和吸热的接头也随之改变，吸收和放出的热量与电流强度IA成正比，且与两种导体的性质及热端的温度有关，即： Qab=Iab ，ab称做导体A和B之间的相对帕尔帖系数 ，单位为V, ab为正值时，表示吸热，反之为放热，由于吸放热是可逆的，所以ab=ab ，帕尔帖系数的大小取决于构成闭合回路的材料的性质和接点温度，其数值可以由赛贝克系数abV.K-1和接头处的绝对温度TK得出ab=abT与塞贝克效应相，帕尔帖

41、系也具有加和性，即：Qac=Qab+Qbc=(ab+bc)I 因此绝对帕尔帖系数有ab=a b金属材料的帕尔帖效应比较微弱，而半导体材料则要强得多，因而得到实际应用的温差电制冷器件都是由半导体材料制成的。14.5半导体应用：在积极寻找提高半导体材料热电性能的同时，人们又从优化半导体制冷器的结构和工作状况出发，得到了很多提高制冷器制冷性能和稳定性的有益结论，从而使得半导体制冷技术的应用范围进一步扩大，现在半导体制冷在电子技术、医疗器械、家用冰箱和工业的发展。最早的实用“半导体”是电晶体（Transistor）/ 二极体（Diode）。一、在无电收音机（Radio）及 电视机（Television

42、）中，作为“讯号放大器 /整流器”用。 二、近来发展太阳能（Solar Power），也用在光电池（Solar Cell）中。三、半导体可以用来测量温度，测温范围可以达到生产、生活、医疗卫生、科研教学等应用的70%的领域，有较高的准确度和稳定性，分辨率可达0.1摄氏度，甚至达到0.01度也不是不可能，线性度0.2%，测温范围-100+300摄氏度，是性价比极高的一种测温元件。所以在我们的设计中，我们就采用了半导体制冷的原理，制作了迷你小冰箱。152.2基于USB接口供电的迷你冰箱电路系统技术改进电源部分的改进我们知道，用USB接口供电也有不方便的时候，如果在我们的身边没有PC机的情况，那我们不

43、是不能使用这款冰箱了，虽然它使用很方便，但有时候遇到客观问题的时候我们还是要灵活运用，我们这款冰箱在市场上已经有了，但是它只能用USB接口。如今，为了满足更多顾客的需求和要求，我们在设计中就利用所学知识，对该冰箱的电源部分进行了创新。为了解决USB供电不足或是没有PC的情况下，我们经过分析，为解决此问题做出了改进，就是采用双电源，一条线可以大家在有电脑的情况下使用该冰箱。在没有PC机的情况下，我们就用另一条线直接插上家用电源即可。在电源电路中，为了能让USB和家用电源插座能在不同环境下灵活应用，我们在外接电源的部分连接了两条线，但是如何能让我们实现两条线都可以使用呢，尤其在你需要的时候就成用哪

44、条？下面就介绍了方法：在我们市场上买来的USB迷你小冰箱有一根电源线，我们在创新的时候就把那个电源线分成两个线头，一个接USB接口，另一个接市场上很普通的家用插座。在线分段电路的时候接个二极管，这样电路就能达到我们的要求。为什么我们要在电源部分装上二极管呢？开关二极管的开关作用是利用二极管的单向导电特性来完成的，在给二极管加正向偏压时，处于导通状态，在加反向偏压时处于截止状态，在电路中起到接通电流、关断电流的作用。即开关作用。为能使二极管的开关特性更好，可通过制作工艺，使其正向电阻特小，反向电阻特大，以提高其开关速度。开关二极管有一个很重要的参数反向恢复时间。它是指开关二极管从导通到截止所需要

45、的时间。此时间越短越好。另外，开关二极管从截止到导通所需的时间称为开通时间。开通时间与反向恢复时间的和称为开关时间，由于反向恢复时间远大于开通时间，所以一般的参数手册中只给出反向恢复时间。由于开关二极管具有开关速度快、寿命长、无触点、体积小、可靠性高等特点，所以被广泛用于各种自控电路、通信电路、仪器仪表电路、家用电脑电路和电视机、影碟机、录像机等电路中。16开关二极管的伏安特性曲线如图5所示图5 开关二极管的伏安特性曲线有了二极管的作用，我们设计的双电源也能实现了，我们在控制冷热的开关后把电线减断，装上二极管，然后一端是USB接口，另一端是家用电源插座。为了能让电源损耗减小，我们还设计了开关稳

46、压电路，使得它的电源利用率增加。过热检测电路的技术改进我们接触到的冰箱大都没有过热检测系统,因为我们生活中的家用冰箱它们只能制冷,而我们的迷你小冰箱利用半导体还能加热,这个冰箱它的加热温度可达到60,所以在我们在运用这个冰箱的时候，为了避免人们在不注意冰箱加热而影响的一些问题,譬如电压过大，电流过大,所以我们就在冰箱中安装一个过热检测电路，能让冰箱在达到某个加热最大温度时能提醒用户温度已经加热到最大值.17我们在冰箱中采用的过热检测系统就是围绕我们冰箱加热温度只能达到60为止的一个限制温度着手。过热检测电路采用负温度系数的热敏电阻作热量传感器。热敏电阻R1与IC1（NE555）定时器芯片，VR

47、1，C1一起接成多谐振荡器。C1是定时电容，它在1/3Vcc和2/3Vcc之间充电和放电。振荡频率主要取决于R1，VR1和C1的值，R1的阻值随温度而变化。在正常室温条件下，LED1以1Hz（可用VR1调节）频率闪烁，表示电路处于电源接通状态。当热敏电阻附近的温度由于设备工作上升时，热敏电阻的阻值变小，LED1的闪烁频率也降低，当温度达到50度的时候，闪烁频率也要进一步降低，在温度达到60度的时候，由于热敏电阻的阻值降低剧烈，LED1就停止闪烁，并一直保持发光状态，这表示设备已经过热了，LED1的亮度可以通过调节VR2来调节。热敏电阻应贴装在需要进行温度检测的部件上，LED1装在面板上作为加电

48、和测稳指示器。在连接热敏电阻之前，最好先测一下它在室温下的阻值，正常值应该是400到500欧姆之间。过热检测系统电路用5V12V直流电压供电。电路图如6所示: 图6:过热检测电路冰箱温度告知电路的改进在冰箱中的温控部分，不少冰箱都会增加温度告知电路，在冰箱使用过程中，能让用户知道冰箱的温度，达到这个范围的时候，提醒用户完成了。市场上购买的迷你冰箱没有温度告知系统，所以我们在原来冰箱的基础上进行改造，原本小冰箱靠半导体的特殊性能来使温度达到某个范围，到时就可以使用该饮料，在这里，就是缺乏了告知温度的功能，如果人们在忙于工作或是不在PC机旁边而忘记了饮料加热或是在制冷，对人们有点不方便，而由于如果

49、长期任凭冰箱这么使用下去，也会使得冰箱电流过大或是电压过大，影响冰箱的功效和使用时间，如果装上温度告知器，那么效果将会更好。当温度达到加热或制冷温度时候，我们可以及时知道了。如图7所示为电冰箱温摩告知电路。该电路由降压整流电路、温度检测元件Rt、集成运算放大器LM324、电平显示集成电路SL322等组成。其中降压整流电路为整个电路提供直流电压，Rt为热敏电阻，SL322用于驱动发光二极管发光。 当电冰箱内温度升高时，Rt的阻值下降，相应Vi1下降，它通过LM324放大后，使电压Vo上升，Vo被直接送入SL322，以驱动发光二极管发光，且因SL322的输入电压上升，被点亮的发光二极管数目增多。反

50、之，当电冰箱内的温度降低时，被点亮的发光二极管数目减少。确定好1只发光二极管表示的温度后，则由发光二极管被点亮的数目即可知电冰箱内的温度。图示电路在0时只有1只发光二极管点亮，18有10只发光二极管点亮，则平均每隔2的变化将引起l只发光二极管的亮或灭。 如果想使电冰箱内的温度越低时被点亮的发光二极管越多，则可将R3与R4的位置对调一下即可。 热敏电阻Rt选用MF51型，使用范围为-55+125，灵敏度高。使用时对其进行定标的方法是：先把Rt与温度计绑在一起，两个测温头尽量靠拢，以减小误差，然后将Rt的两根引线与万用表的表笔连好，并把量程开关放在R×1k挡，最后把两个测温头放入冷藏室或

51、冷冻室内，即可测出Rt在所要求的低温时或高温时显示的阻值。一般测两次取平均值较好。通常冷藏室内温度为28，取显示温度范围为018即可满足要求。 调试时，先取R3的阻值等于Rt最低显示温度对应的值，然后将Rt换成电位器，并将它调至最高温度Rt对应的值，再调整Rt，使发光二极管全部点亮。最后调电位器，使阻值等于最低显示温度Rt对应的值，调整R3使1个发光二极管点亮即可。 本电路可通过发光二极管的显示从冰箱外部得知电冰箱内的温度。不过电路接入中需注意的是：Rt应放在温度较均匀且能代表整个箱内的平均温度的冷藏室内侧壁中点。 图7冰箱温度告知电路3 基于USB接口供电的迷你冰箱电路系统的仿真及分析3.1

52、 Multisim仿真软件 Multisim仿真软件的介绍Multisim是加拿大图像交互技术公司（Interactive Image Technoligics简称IIT公司)推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。18我们用Multisim仿真软件对我们电源电路进行仿真后，发现冰箱可以利用两级管控制开关控制，设置了两极，要哪边导通就开下哪边，给我们的冰箱解决了供电问题。Multisim的特点Multisim是加拿大 IIT Interactive Image Technol

53、ogies公司在 EWB Electronics Workbench 基础上推出的电子电路仿真设计软件 , 它具有这样一些特点:.1 直观的图形界面整个操作界面就像一个电子实验工作台 , 绘制电路所需的元器件和仿真所需的测试仪器均可直接拖放到屏幕上 , 轻点鼠标可用导线将它们连接起来 ,软件仪器的控制面板和操作方式都与实物相似 ,测量数据、波形和特性曲线如同在真实仪器上看到的一样。.2 丰富的元器件库Multisim大大扩充了 EWB 的元器件库 , 包括基本元件、半导体器件、运算放大器、TTL和 CMOS数字 IC、DAC、ADC及其他各种部件 , 且用户可通过元件编辑器自行创建或修改所需元

54、件模型 , 还可通过IIT公司网站或其代理商获得元件模型的扩充和更新服务。.3 丰富的测试仪器除 EWB 具备的数字万用表、函数信号发生器、双通道示波器、扫频仪、字信号发生器、逻辑分析仪和逻辑转换仪外 , Multisim 新增了瓦特表、失真分析仪、频谱分析仪和网络分析仪。尤其与 EWB 不同的是: 所有仪器均可多台同时调用。.4 完备的分析手段除了 EWB 提供的直流工作点分析、交流分析、瞬态分析、傅里叶分析、噪声分析、失真分析、参数扫描分析、温度扫描分析、极点一零点分析、传输函分析、灵敏度分析、最坏情况分析和蒙特卡罗分析外 , Multisim新增了直流扫描分析、批处理分析、用户定义分析、

55、噪声图形分析和射频分析等 , 基本上能满足一般电子电路的分析设计要求。.5 强大的仿真能力Multisim 既可对模拟电路或数字电路分别进行仿真 , 也可进行数模混合仿真 , 尤其是新增了射频 RF 电路的仿真功能。仿真失败时会显示出错信息、提示可能出错的原因 , 仿真结果可随时储存和打印。 Multisim在电子技术实验中的应用 Multsim 具有强大的模拟/数字/ RF 仿真能力 , 因此它被引入到了电路分析、模拟电路、数字电路和高频电路的实验教学中 , 开设了包括 RLC 二阶电路、单管放大电路、正弦波振荡电路、组合逻辑电路以及调幅与解调电路等在内的仿真实验。实践表明 , 利用仿真模拟

56、实验为电子技术带来了很大的帮助 , 如可缩短实验时间 , 或在相同的实验课时内充实实验内容 , 也不必担心因我们误操作而造成仪器设备或人的损伤 , 还可以观察到常规仪器中难以看到的现象，以下就可以通过该软件看见。3.1.3 1 直流分析 Multisim 中可以用虚拟数字万用表直流档 来测量静态工作电压和电流 , 也可以利用直流工作点分析法直接显示出所有节点的直流电压值 2 交流分析用虚拟示波器可观察电路输入和输出端的波形3.1.3 3 失真分析Multisim 可分析小信号电路的谐波失真和互调失真 ,本实验中只有一个交流信号源 , 利用失真分析法可确定电路中各点的二、三次谐波造成的失真。 4

57、 噪声分析 Multisim提供了热噪声、散弹噪声和闪烁噪声三种模型 , 利用噪声分析法可得到电路的输入、输出噪声功率频谱。3.1.3 5 故障分析利用 Multisim 产生随机隐含故障 , 要求学生通过测量和分析找出故障源 , 培养他们分析问题和解决问题的能力。193.2迷你小冰箱电源部分的仿真模型与分析我们在该小冰箱的电源部分进行了改进，电路图如8所示 图8开关稳压电路图9我们对U1和U3两端的电压进行仿真，得到图9。对该图的波形进行调试后，得到以下波形图10。图10对结点28进行交流分析，得到如图11。图11开关稳压电源效率更高，但是在纹波方面性能不如线性稳压电源。从图中我们看出此电路分为两个部分，电感L1右端为恒压源输出，010v。其中V1为模拟整流电压输入（10V偏置，50H