【正文】 餅干一樣夾起來，陶瓷片必須絕緣且導熱良好。在原理上，半導體制冷片是一個熱傳遞的工具。當一塊 N 型半導體材料和一塊 P 型半導體材料聯(lián)結(jié)成的熱電偶對中有電流通過時，兩端之間就會產(chǎn)生熱量轉(zhuǎn)移，熱量就會從一端轉(zhuǎn)移到另一端，從而產(chǎn)生溫差形成冷熱端。但是半導體自身存在電阻當電流經(jīng)過半導體時就會產(chǎn)生熱量，從而會影響熱傳遞。而且兩個極板之間的熱量也會通過空氣和半導體材料自身進行逆向熱傳遞。當冷熱端達到一定溫差，這兩種熱傳遞的量相等時，就會達到一個平衡點，正逆向熱傳遞相互抵消。此時冷熱端的溫度就不會繼續(xù)發(fā)生變化。為了達到更低的溫度，可以采取散熱等方式降低熱端的溫度來實現(xiàn)。當一塊 N 型半導體材料和一塊 P 型半導體材料聯(lián)結(jié)成電偶對時，在這個電路中接通直流電流后，就能產(chǎn)生能量的轉(zhuǎn)移，電流由 N 型元件流向 P 型元件的接頭吸收熱量，成為冷端由 P 型元件流向 N 型元件的接頭釋放熱量，成為熱端。圖 半 導 體 制 冷 片半導體制冷片作為特種冷源，在技術(shù)應用上具有以下的優(yōu)點和特點：(1) 不需要任何制冷劑，可連續(xù)工作，沒有污染源沒有旋轉(zhuǎn)部件，不會產(chǎn)生回轉(zhuǎn)效應，沒有滑動部件是一種固體片件，工作時沒有震動、噪音、壽命長，安裝容易。 　　 (2) 半導體制冷片具有兩種功能，既能制冷，又能加熱，制冷效率一般不高，但制熱效率很高，永遠大于 1。因此使用一個片件就可以代替分立的加熱系統(tǒng)和制冷系統(tǒng)。 　　(3) 半導體制冷片是電流換能型片件，通過輸入電流的控制，可實現(xiàn)高精度的溫度控制，再加上溫度檢測和控制手段，很容易實現(xiàn)遙控、程控、計算機控制，便于組成自動控制系統(tǒng)。 　　 (4) 半導體制冷片熱慣性非常小，制冷制熱時間很快，在熱端散熱良好冷端空載的情況下，通電不到一分鐘，制冷片就能達到最大溫差。 　　 (5) 半導體制冷片的反向使用就是溫差發(fā)電，半導體制冷片一般適用于中低溫區(qū)發(fā)電。 　　 (6) 半導體制冷片的單個制冷元件對的功率很小，但組合成電堆，用同類型的電堆串、并聯(lián)的方法組合成制冷系統(tǒng)的話，功率就可以做的很大，因此制冷功率可以做到幾毫瓦到上萬瓦的范圍。 　　 (7) 半導體制冷片的溫差范圍，從正溫 90℃到負溫度 130℃都可以實現(xiàn)。 本設(shè)計采用規(guī)格 *96 孔的試管槽，假設(shè)試管中的液體是水，水的比熱容 C=*1000，將其從 0℃加熱到 100℃所吸收的熱量為： Q=mc（t2t1)= ()由于在實際使用中，試管中液體不是灌滿試管，而試管槽臺也有一定得散熱性所以上式計算 Q 時假設(shè)試管槽充滿液體。由于 PCR 過程需要經(jīng)歷三個溫度階段，至少需要循環(huán)多次，而且每次恒溫階段時間不能低于 30 秒，理論上一次PCR 至少需要半個小時以上的時間。但是溫度變化過程需要一定時間，所以實際 PCR 過程時間都在幾個小時以上。因此，如果在升溫過程縮短時間，將會明顯減少擴增時間，從而可以提高工作效率。根據(jù)實際檢測的需要，要求系統(tǒng)升溫速度不小于 3℃，降溫速度不小于 2℃ 。根據(jù) PCR 儀的具體參數(shù)要求，擬選用型號為 TEC112708 的半導體制冷片。當制冷片兩端最大電壓 Vmax= 時它的最大電流 Imax=，尺寸大小為 30*30*，電阻 R= 歐姆，最大溫差 T=67℃，最大發(fā)熱功率P1=，最大產(chǎn)冷功率 P2=81W（） 。焦耳效應產(chǎn)生的熱量： Qf=IIR=64=48J ()如果采用 6 片該型號的半導體制冷片的連接方式，三片串聯(lián)之后再并聯(lián)，因為制冷片的制冷能力不會因為其連接方式而改變，串聯(lián)時電壓高，電流小，對控制電流的元件，比如繼電器的要求低，損耗小，但是如果其中一只損壞則所有制冷片全部不工作；并聯(lián)時電壓低，電流大，控制器件的損耗大，但是如果其中一只損壞餓其它的制冷片可以照常工作，所以采用串聯(lián)并聯(lián)結(jié)合的方式可以最大限度地保證儀器的可靠性。所以在上述連接方式下，根據(jù)能量守恒定律，加熱過程中半導體制冷片釋放的總熱量應該等于試管槽中所有液體吸收的總熱量，且該制冷片最大產(chǎn)熱功率 P1 為 則:Q（放）=6（P1T1+IIR）==Q ()解出升溫時間 t1=則升溫速率 V1=100/=℃/S由于該型號的半導體制冷片的最大產(chǎn)冷功率 P2 為 81W，所以降溫時間 T2為：Q（吸）=6（IIR）==Q () T2=20S 降溫速率 V2 為： V=100/20=℃/S ()由計算結(jié)果可知，所選半導體制冷器 TEC112708 符合本次研究所需要性能參數(shù)即升溫速度不小于 3℃/S，降溫速度不小于 2℃/S 的要求。 隔離環(huán)節(jié) 本設(shè)計的硬件中，脈寬調(diào)節(jié)電路的主電路是由 50V 供電的強電，而脈寬調(diào)制控制信號是幾伏的弱電，并且電路中元器件在工作時產(chǎn)生一定的電磁噪聲，對控制電路有一定影響，所以控制電路和驅(qū)動主電路之間需要一個隔離環(huán)節(jié)，對電路的輸入、輸出端起隔離作用。光電耦合器是一種以光為媒介來傳輸電信號的電子元器件，它對傳輸?shù)碾娦盘柧哂辛己玫母綦x作用，因為它多種的優(yōu)點，使其在各種電路中得到了廣泛的應用。采用光電耦合隔離得的優(yōu)點是：(1) 占空比任意可調(diào)；(2) 隔離耐壓高，一般超過 1KV 以上；(3) 抗干擾能力強，強弱電之間的隔離性能好；(4) 無觸點、壽命長、體積小集成度高等。由于本設(shè)計中，傳輸?shù)男盘柺情_關(guān)信號，所以對光藕的線性要求不是十分嚴格，所以采用傳輸延時在 200500ns 之間的光藕即可，可以簡化電路設(shè)計，不需要電平轉(zhuǎn)換等操作。所以本設(shè)計中光電藕合器采用 PS25012 型號光電耦合器，它的絕緣電壓 5000V，開通時間 3um，關(guān)斷時間 5um，正向電流為80mA。 功率驅(qū)動電路的設(shè)計 在實際應用電路中，放大電路的輸出級往往會輸出較小的信號，達不到輸出回路中負載所需的驅(qū)動電流或電壓，所以負載電路常需要輸出一定的功率以驅(qū)動負載。能夠向負載提供足夠信號功率的放大電路稱為功率放大電路。本設(shè)計中，放大電路的輸出級輸出的是單片機控制的 PWM 信號，半導體驅(qū)動電路采用 PWM 方式驅(qū)動場效應管來對半導體制冷片進行控制。由于單片機產(chǎn)生的PWM 信號較小，不能直接驅(qū)動大功率的場效應，所以要加上驅(qū)動電路，通過模擬電路對信號進行放大。目前常用的功率放大電路分別是無輸出電容的功率放大電路（OCL 電路） 、無輸出變壓器的功率放大電路（OTL 電路）和橋式推挽功率放大電路（BTL）電路三種。 OCL 電路是在 OTL 電路的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。主要特點：(1) 采用雙電源供電方式，輸出端直流電位為零；由于沒有輸出電容，低頻特性很好揚聲器一端接地，一端直接與放大器輸出端連接，因此須設(shè)置保護電路； (2) 具有恒壓輸出特性；允許選擇 4Ω、8Ω 或 16Ω負載； (3) 最大輸出電壓振幅為正負電源值，額定輸出功率約為 /(2RL) OTC 電路是一種輸出級與揚聲器之間采用電容耦合而無輸出變壓器的功放電路，它是高保真功率放大器的基本電路之一，但輸出端的耦合電容對頻響也有一定影響。 主要特點： (1) 用單電源供電方式，輸出端直流電位為電源電壓的一半； (2) 輸出端與負載之間采用大容量電容耦合，揚聲器一端接地； (3) 具有恒壓輸出特性，允許揚聲器阻抗在 4Ω、8Ω、16Ω 之中選擇。 BTL 電路是由兩組對稱的 OTL 或 OCL 電路組成，揚聲器接在兩組 OTL 或 OCL 電路輸出端之間，即揚聲器兩端都不接地。 主要特點有： 可采用單電源供電，兩個輸出端直流電位相等，無直流電流通過揚聲器，與 OTL、OCL 電路相比，在相同電源電壓、相同負載情況下，BTL 電路輸出電壓可增大一倍，輸出功率可增大四倍，這意味著在較低的電源電壓時也可獲得較大的輸功率，但是，揚聲器沒有接地端，給檢修工作帶來不便。 綜上可以看出 BTL 電路相比 OTL 和 OCL 電路的優(yōu)勢就是在同樣的電源電壓和負載電阻條件下，它可以得到比后兩者大至少兩倍的輸出功率，并且它吸取了 OCL 電路無輸出電容的優(yōu)點，避免了電容對信號頻率特性的影響。 半導體制冷功率驅(qū)動電路圖如圖 所示。本設(shè)計采用模擬電路對單片機輸出信號進行放大，使用場效應管作為開關(guān)管控制信號。因為場效應管具有較高的輸入阻抗，并且由于場效應管是壓控元件所以具有較大的功率增益，轉(zhuǎn)換效率高，干擾小這些優(yōu)點，所以場效應管被廣泛用于放大電路這類功率電路中。電路中開關(guān)管對驅(qū)動電路的影響很大，所以選擇開關(guān)管時要注意以下兩方面：一方面，因為驅(qū)動電路是功率輸出，所以需要場效應管的輸出功率較大；另一方面，所選擇的場效應管的開通和關(guān)斷時間盡量小，減少電路因為開關(guān)管而造成的不必要的時滯和功率損耗。根據(jù)以上的要求，在選擇硬件的時候采用場效應管 BUZ11，它的 Id=30A，Vmax=50V ，開通和關(guān)斷時間圍為是 30180ns。 如圖 所示，驅(qū)動電路的原理是，單片機通過 口和 口輸出兩路PWM 控制信號 PWM1 和 PWM2，輸出的電流信號驅(qū)動光電耦合器，使用功率驅(qū)動放大電路接通，50V 直流電壓接入電路。整體驅(qū)動電路由QQQQ4 四只場效應管作為控制開關(guān)，利用 CMOS 管的開關(guān)特性，他們一同構(gòu)成橋式推挽功率放大電路，當 PWM1 輸出信號時， QQ2 導通，使半導體制冷器正向?qū)?。因為半導體制冷器的電流逆向改變制冷方式的特性，所以當單片機輸出 PWM1 時，流經(jīng)半導體制冷器的電流為正向，即從半導體制冷器的正端流向負端，此時半導體制冷器加熱，加熱時間由 PWM1 信號的占空D1D4D5C110pfC2C3U1ps25012 Q1Q2R1L1R2R3R4R6R7R5 R8+50VD6D9D10C410pfC5C6U2Q3Q4R9L2R10R11R12R14R15R13 R16+50V12比控制，當需要快速加熱時，PWM1 信號的占空比變大，當加熱速度要求較慢時單片機調(diào)節(jié) PWM1 的占空比變小。而此時 PWM2 路是嚴格斷開的，通過單片機的軟件來控制其通斷。圖 半導體驅(qū)動電路場效應管的柵極電阻 Rg 對開關(guān)管的特性具有一定的影響，Rg 如果過大，將增加場效應管的開通和關(guān)斷時間，導致電路能耗增加；如果柵極電阻 Rg 過小，則會導致電流的變化率增加，這樣就會引起場效應管的誤導通，柵極電阻上的損耗也會有所增加。因此應根據(jù)所選場效應管的電路流量、開關(guān)頻率以及電壓額定值這些參數(shù)的不同，選擇合適的柵極電阻。一般選柵極電阻的阻值范圍在十至幾百歐姆之間，考慮到驅(qū)動信號前后沿的坡度和防止振蕩，本次電路在設(shè)計中選用 Rg=R3=R5=R11=R13=200 歐姆的無感電阻。場效應管的柵極有很高的輸入阻抗，在無柵極放電回路的情況下，柵極容易積累電荷，而柵極氧化層很脆弱，一般只能承受 20V 的電壓，容易導致?lián)舸﹫鲂艿臇旁礃O，損毀場效應管。所以應在管子的柵源極間接入大阻值電阻，本電路選擇 R4=R12=40 歐姆，R6=R14=20 歐姆的柵源電阻。同時在柵源間接一對正正對接或負負對接的兩個穩(wěn)壓二極管 D4(10V)、D5(3V） 、D9(10V)、D10(3V)，以防止柵源擊穿而保護功率管。另外，為了控制大功率開關(guān)器件得的關(guān)斷浪涌電壓和續(xù)流二極管恢復浪涌電壓，在場效應管的源極和漏極之間跨接由 R D4 和 C2 組成的關(guān)聯(lián)型緩沖電路，限制開關(guān)管開通和關(guān)斷瞬間的漏源電壓過沖，防止開關(guān)管過電壓擊穿損壞。并且在源極和地之間串聯(lián)一只大功率電感，來減少通過開關(guān)管的電流尖峰，防止瞬時電流過大擊穿場效應管。4 PCR 基因擴增儀溫度控制系統(tǒng)的 PCB 板制作印刷電路板是整個控制系統(tǒng)、信號線、電源線的高密度集合體，印刷電路板設(shè)計的好壞對抗干擾能力影響很大，故印刷電路板設(shè)計決不單是器件，線路的簡單布局安排，還必須符合抗干擾的設(shè)計原則。在線條安排上，盡量使公共地線與電源線寬些，并使它們盡可能靠近需要供電的電路，減小電源線和地線的長度，這樣可以減小電源線和地線的公共阻抗，布線中要防止回路中的重疊面積，以減小相互感應。 PCB 板的布局本文的電路設(shè)計不是很復雜，采用手工布局。手工布局的優(yōu)點是顯而易見的：設(shè)計者可以完全按照電路工作的實際要求，來進行元件的布局，所生成的元件布局可以符合實際應用要求，也利于后面的布線操作。根據(jù)電路功能單元,對電路的全部元器件進行布局時，要符合以下原則：（1）按電路的流程安排各個功能電路單元的位置,使布局便于信號流通，并使信號盡可能保持一致方向。 （2）以每個功能電路的核心元件為中心，圍繞它進行布局,元器件應均勻，整齊，緊湊的排列在 PCB 上。盡量減少和縮短各元器件之間的引線和連接。布局的過程中，應盡量將相關(guān)連的元器件就近放置，以減短走線的長度；時鐘電路、晶振、電容應緊貼相接的芯片，這樣有利于抗干擾，提高電路工作的可靠性。（3）位于電路板邊緣的元器件。與電路板邊緣一般不小于 佳形狀為矩形。 ，通常選用 ~ 導線寬度，當然，只要允許，還是盡可能用寬線。 PCB 板的布線線是重要的抗干擾措施，本設(shè)計首先對電源線進行手工布線，緊接著對電路板的其他部分進行自動布線，最后再對整個