基于半导体制冷器的微机温控显微系统.doc

文档介绍：技术创新
中文核心期刊《微计算机信息》（测控自动化）２００６年第２２卷第１２－１期
／：现场总线技术应用２００例》
控制系统
基于半导体制冷器的微机温控显微系统
Ａｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅｓｙｓｔｅｍｗｉｔｈｃｏｍｐｕｔｅｒ－ｃｏｎｔｅｒ），
其基本原理是Ｐ－Ｎ结的帕尔帖效应，即当电流流经两个不同导体形成的接点处会产生放热和吸热现象。其制冷量ＱＣ和散热量Ｑｈ的大小可以由如下表达式描述：
（１）（２）
其中：α为热电系数，Ｔｃ为冷端温度，Ｔｈ为热端温度，Ｉ为工作电流Ｒ为半导体电阻，ｋ为导热率，△Ｔ为冷热端温差。
当电流由半导体Ｐ－Ｎ结的Ｎ型半导体流向Ｐ型半导体时，形成电子－空穴对而吸收热量，相反，则电子－空穴对结合而释放热量，利用半导体的这种特性就可以实现制冷或加热的功能。其主要特点有：
（１）功能全，制冷／制热两用，温度调节范围较大，而且调节转换方便。
（２）制冷量连续可调，温度升降速度快且调节自由。
（３）其体积小、
重量轻、结构简单、控制自由简便。本系统所用半导体制冷片型号为ＦＰＨ１－１２７０５。它是一种陶瓷式半导体制冷器，由１２７对Ｐ－Ｎ结串联而成，引出两根导线。允许通过的最大电流Ｉｍａｘ＝５．０Ａ，最大电压Ｖｍａｘ＝１５．４Ｖ，室温下最大制冷温差ΔＴｍａｘ＝
６８℃，
最大制冷量Ｑｍａｘ＝４５Ｗ。加上电源时，一端吸热，温度降低的表面为冷端；一端放热，温度升高的表面为热端，如颠倒两根导线的接法，则冷热端也会颠倒。
因此当一端使用水冷散热时，通过改变电流方向即可
制冷和加热。受环境以及热损耗影响，实际实验过程中，可以调节的温度范围在－２０℃～６０℃之间。如用多片半导体制冷器级联即可获得更大的制冷量。
３．３电脑摄录型显微镜观测系统
由式（１）可知半导体制冷器件具有热端温度越高、冷热端温差越大、制冷量越小、效率越低的特点。因此若想提高半导体制冷器的效率，就必须控制器件的热面温度，使之不能太高。因此有效散热是半导体制冷技术中的重要环节。本系统对普通电脑摄录型显微镜进行了改装，主要是增加了热端水冷式低温台部分，采用效率较高的循环液冷散热，冷却液采用添加了冰块的水。由于冰水混合物的温度恒定约为０℃，这相当于流入散热器的水温度都保持在０℃左右。制冷器通电后很快降温，并保持长时间低温。经实验可在３分钟内将一滴水完全冻洁。热端水冷式散热方法具有其它散热式无可比拟的优势。同时将载物台的垂直移动齿轮改装，增大载物台到物镜的垂直距离，以便放置较大体积的制冷腔体；并增加了垂直照明系统，便于观测不透明，或冻结后不透明的样本；由于观测过程中需要对生物样本进行冷冻，而照明系统中使用的是卤素光源产生大量的热，会对降温强度产生一定影响，因此，将之替换为冷光源；显微镜顶端配有高分辨率摄像机，并与插于计算机主板的ＰＣＩ图像采集卡相连，将观测到的生物样本变化过程的影像传送到电脑中，便于实时观测和实验后的分析研究。
３．４Ｈ桥驱动芯片ＴＬＥ５２０６－２
为了实现对样品的降温／升温控制，需要执行部件对半导体制冷器能够输入正／反向电流，Ｈ桥型驱动电路能很好的满足此设计要求。本系统采用英飞凌公司的Ｈ桥驱动芯片ＴＬＥ５２０６－２。
ＴＬＥ５２０６－２内部包括了功率ＭＯＳＦＥＴ的Ｈ桥电路，具有较高的开关速度以及较高的噪声容限和抗干扰能力，驱动能力强，可直接