Do yêu cầu cần thay đổi nhiệt độ gần như tức thời của hệ thống PCR nên việc sử dụng pin Peltier làm thành phần gia nhiệt là rất cần thiết.
Các phương pháp gia nhiệt khác như sợi đốt, hồng ngoại, vi sóng… rất khó có thể thỏa mãn được yêu cầu này hoặc cần các điều kiện làm việc yêu cầu cao hơn như: điện áp nuôi cao có thể lên tới hàng trăm vôn, dòng điện chạy qua lớn có thể lên đến hàng chục thậm trí hàng trăm ampe gây nguy hiểm cho người sử dụng đặc biệt là các thiết bị liên quan đến y sinh…
Thiết bị gia nhiệt đang được áp dụng là TEC1-12706 Thermoelectric Cooler Peltier, sử dụng điện áp tối đa 15V, dòng tối đa 6A để đốt nóng hoặc làm lạnh.
Sau đây là các đặc tính kĩ thuật quan trọng của thiết bị gia nhiệt được sử dụng trong hệ thống này:
Dựa trên đặc tính kí thuật của TE, chúng ta có thể thấy một đặc điểm đó là Delta nhiệt độ giữa mặt nóng và mặt lạnh của tấm TE tương đối nhỏ nên để đẩy nhanh tốc độ gia tăng nhiệt độ cần làm giảm nhanh nhiệt độ của mặt lạnh hơn tốc độ tăng vốn có của mặt nóng. Để làm được điều này, ta lắp thêm cho mặt lạnh một tấm nhôm tản nhiệt với nhiều cánh, đồng thời bố trí thêm quạt tản nhiệt để giảm nhiệt cho mặt lạnh nhanh hơn nữa. Hình ảnh dưới đây là bố trí của tấm tản nhiệt và quạt tản nhiệt cho bộ phận gia nhiệt của hệ thống:
Hình 3.4. Bộ phận gia nhiệt của hệ thống PCR
Buồng gia nhiệt được tạo bởi khe hẹp khi đặt hai bộ phận gia nhiệt song song nhau. Mỗi bộ phận gia nhiệt đều được điều khiển độc lập nhằm đảm bảo nhiệt độ của riêng từng bộ gia nhiệt ổn định và tương đương nhau.
Do hệ thống điều khiển nhiệt độ cần tăng giảm nhiệt độ tức thời và công suất của các tấm gia nhiệt tương đối lớn nên mạch điều khiển công suất cho hệ thống PCR này cần sử dụng cầu H nhằm thay đổi chiều dòng điện một cách thuận tiện và nhanh chóng.
Thông thường các cầu H được cấu thành từ các transistor bán dẫn loại N và P, nhưng trong ứng dụng điều khiển các tấm TE với công suất khá lớn như trên thì các transistor này phải chịu công suất lớn do trở kháng tương đối lớn, điều này làm cho chúng nóng lên nhanh nếu không tản nhiệt kịp có thể gây đánh thủng.
Để đáp ứng được cả hai yêu cầu là chuyển mạch nhanh và công suất chịu đựng lớn, cầu H trong ứng dụng này cần được cấu thành từ các transistor trường MOSFET, chúng có đặc điểm là chuyển mạch rất nhanh và trở kháng rất nhỏ nên không bị đốt nóng, dẫn đến hiệu suất làm việc cao hơn, tiết kiệm năng lượng hơn.
MOSFET là viết tắt của cụm Meta Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor tức Transisor hiệu ứng trường có dùng kim loại và oxit bán dẫn. Cấu tạo của MOSFET kênh n và ký hiệu của 2 loại MOSFET kênh n và kênh p như sau:
Hình 3.5. Cấu tạo và kí hiệu của MOSFET kênh N và P
MOSFET có 3 chân gọi là Gate (G), Drain (D) và Source (S) tương ứng với B, E và C của BJT.
Cơ bản, đối với MOSFET kênh N, nếu điện áp chân G lớn hơn chân S khoảng từ 3V thì MOSFET bão hòa hay dẫn. Khi đó điện trở giữa 2 chân D và S rất nhỏ (gọi là điện trở dẫn DS), MOSFET tương đương với một khóa đóng.
Ngược lại, với MOSFET kênh P, khi điện áp chân G nhỏ hơn điện áp chân S khoảng 3V thì MOSFET dẫn, điện trở dẫn cũng rất nhỏ.
Vì tính dẫn của MOSFET phụ thuộc vào điện áp chân G (khác với BJT, tính dẫn phụ thuộc vào dòng IB), MOSFET được gọi là linh kiện điều khiển bằng điện áp, rất lý tưởng cho các mạch số nơi mà điện áp được dùng làm mức logic (ví dụ 0V là mức 0, 5V là mức 1).
MOSFET thường được dùng thay các BJT trong các mạch cầu H vì dòng mà linh kiện bán dẫn này có thể dẫn rất cao, thích hợp cho các mạch công suất lớn. Do cách thức hoạt động, có thể hình dung MOSFET kênh N tương đương một BJT loại npn và MOSFET kênh P tương đương BJT loại pnp.
Thông thường các nhà sản xuất MOSFET thường tạo ra 1 cặp MOSFET gồm 1 linh kiện kênh N và 1 linh kiện kênh P, 2 MOSFET này có thông số tương đồng nhau và thường được dùng cùng nhau. Một ví dụ dùng 2 MOSFET tương đồng là các mạch số CMOS (Complemetary MOS). Cũng giống như BJT, khi dùng MOSFET cho mạch cầu H, mỗi loại MOSFET chỉ thích hợp với 1 vị trí nhất định, MOSFET kênh N được dùng cho các khóa phía dưới và MOSFET kênh P dùng cho các khóa phía trên.
Hình 3.6. Cầu H sử dụng MOSFET kênh N và P
Trong quá trình thực hiện luận án này, tôi đã và đang nghiên cứu thêm một loại cầu H sử dụng MOSFET chuyên dụng được đóng gói thành IC tích hợp của hãng TI. Nguyên lí làm việc của IC này được thể hiện trong hình vẽ sau: