أصبحت العلاقة بين المعدات الطبية والتشخيص والعلاج الطبي الحديث وثيقة بشكل متزايد. لا يمكن فصل أي معدات طبية عن مصدر طاقة آمن ومستقر، ومعظمها يقوم بتبديل مصادر الطاقة. إن قدرة الجهاز الطبي على بذل أقصى قدر من الكفاءة لا يرتبط مباشرة بالأداء الفني للجهاز نفسه فحسب، بل يرتبط أيضًا بجودة مصدر الطاقة. ستؤثر جودة مصدر الطاقة بشكل مباشر على استقرار وموثوقية المعدات الطبية. قد تؤدي المنتجات ذات مصدر الطاقة دون المستوى المطلوب إلى حوادث كبيرة في المعدات الطبية وخسائر اقتصادية فادحة.

يعد العزل الآمن فرقًا مهمًا بين مصدر الطاقة التجاري الشائع وإمدادات الطاقة الطبية. تنقسم المعدات الطبية العامة إلى فئتين بناءً على مصدر الطاقة، كما هو موضح في الشكل 1 والشكل 2. المعدات الطبية من الفئة الأولى (العلبة المعدنية) والمعدات الطبية من الفئة الثانية (العلبة البلاستيكية). باستثناء بعض الأدوات التجريبية والتحليلية، يتم تركيب معظم المعدات الطبية بالقرب من نقطة العلاج، والتي تكون قريبة من الأشخاص، وغالبًا ما يتم لمس القشرة. هناك جميع أنواع المكونات القوية والضعيفة في المعدات الطبية. إذا كانت هناك مشكلة في العزل بين المكونات القوية والضعيفة أو عزل مواد القشرة، فسيكون الأمر خطيرًا جدًا، لذلك يلزم تصميم العزل.

الشكل 1 الهيكل الكهربائي للمعدات الطبية من الدرجة الأولى الشكل 2 الهيكل الكهربائي للمعدات الطبية من الدرجة الثانية

تحتاج الوحدات المختلفة في المعدات إلى مستويات مختلفة من العزل: العزل الوظيفي، والعزل الأساسي، والعزل المزدوج، والعزل المعزز.

يشير العزل الوظيفي إلى عزل التطبيق الوظيفي للإشارات أو مصادر الطاقة بين أنظمة الجهد، فقط للوحدات متعددة الوظائف؛

العزل هو في الأساس عزل وظيفي + حماية من الصدمات الكهربائية؛

العزل المزدوج يعتمد نظام العزل الأساسي (المستوى الأساسي للحماية ضد الصدمات الكهربائية)، ويتم إضافة طبقة عازلة مساعدة بين المكونات الكهربائية والمستخدم النهائي لتعزيز الحماية المادية، وذلك لتقليل احتمالية حدوث صدمة كهربائية عند العزل الأساسي فشل؛

يرتبط تأثير العزل للعزل المعزز بالعزل المزدوج، ولكن هناك حاجة إلى غلاف واحد فقط. إنها عبارة عن زخرفة عزل أساسية ذات خصائص عزل محسنة، والتي يمكن أن تستفيد من العزل المادي بين تخطيط لوحة الدوائر المطبوعة والأسلاك الأساسية واللفات ودبابيس الأجزاء، وما إلى ذلك، وفي نفس الوقت تلبي متطلبات مسافة الزحف الآمنة والكهربائية مسافة الخلوص (أي المسافة المادية بين نظامين للجهد).
لذلك، فإن تصميم العزل المعزز يحتوي على عزل مزدوج، ولكن هناك حاجة إلى نقطة اختبار واحدة فقط.ينطبق العزل المزدوج والعزل المعزز بشكل عام على المنتجات التي تستخدم مقابس التيار المتردد بدون دبابيس تأريض لتوصيل مصدر الطاقة، مثل المعدات الطبية المحمولة (على سبيل المثال، مضخة التسريب وقابسها في الشكل 3).

الشكل 3

كما هو مبين في الشكل 1 والشكل 2، وفقًا لمعايير السلامة لإمدادات الطاقة الطبية، فإن متطلبات عزل معدات حماية المريض هي كما يلي. (1) L، N → → جزء التطبيق: العزل المزدوج أو المقوى، قوة العزل الكهربائي AC 4000 V، الخلوص الكهربائي 5 مم، مسافة الزحف 8 مم؛ (2) L، N←→ غلاف معدني: عزل أساسي، قوة عازلة تيار متردد 1500 فولت، الخلوص الكهربائي 2.5 مم، مسافة الزحف 4 مم

لتلخيص ذلك، "العزل الوظيفي" و"العزل الأساسي" (أي عزل الفئة الأولى) يعزل كهربائيًا أحد قضبان الجهد عن الآخر، بينما يوفر "العزل المزدوج" و"العزل المعزز" حلين في مواقف مختلفة لنفس هدف التصميم (أي عزلة من الدرجة الثانية). يجب أن تختار منتجات الفئة الأولى ومنتجات الفئة الثانية نوعين من طرق العزل.يتم تقسيم الهيكل الداخلي لمصدر طاقة التحويل الطبي وفقًا للمعايير، ويجب تصميم قوة العزل الكهربائي والخلوص الكهربائي ومسافة الزحف للأجزاء المختلفة وفقًا للمتطلبات.فيما يتعلق باختبارات السلامة، يجب أن يكون مصدر الطاقة للمعدات الطبية العامة معتمدًا من قبل UL60601-1، C-UL، EN60601-1، إلخ. يجب أن يكون لطرف الإدخال جهد عزل يزيد عن 4,000 فولت، ويجب أن يكون تيار تصريف الأرضية منخفضًا، وهو ما يلبي متطلبات مسافة الزحف الآمنة. ومع ذلك، يلزم عزل مزدوج للجزء عالي الجهد، خاصة بالنسبة للجزء الذي من المحتمل أن يتلامس مع غلاف المعدات، ويجب تعزيز تصميم العزل والعزل.

الشكل 4 والشكل. 5 يوضح الهياكل الكهربائية لنوعين من مصادر الطاقة. وفقًا لمعيار إمداد الطاقة الطبية (معيار GB 9706.1-2007)، فإن معلمات العزل لإمدادات الطاقة الطبية مع الهياكل الموضحة في الشكل. 4 والتين. 5 هي قوة عازلة E1 AC 1500 فولت، الخلوص الكهربائي 2.5 مم ومسافة الزحف 4 مم؛ E3 - قوة عازلة تيار متردد 4 فولت، الخلوص الكهربائي 000 مم، مسافة الزحف 5 مم؛ E4 — قوة عازلة تيار متردد 500 فولت. نسبي: مكثف C1-Y2، مكثف C2-X2، مكافئ C3 لمكثف سلسلة Y1 المزدوج.

الشكل 4: الهيكل الكهربائي لمصدر الطاقة من الدرجة الأولى

الشكل 5: الهيكل الكهربائي لإمدادات الطاقة من الدرجة الثانية

تتطلب معلمات متطلبات العزل هذه من المصممين التأكد من اختيار الأجهزة ذات الهوامش المناسبة من بداية اختيار الجهاز.بالإضافة إلى ذلك، فيما يتعلق بأنواع إمدادات الطاقة، يتم تشغيل المعدات الطبية المنزلية في الغالب بواسطة أنابيب 220 فولت. نظرًا لمتطلبات إمداد الطاقة لأنواع مختلفة من المعدات الطبية، فإن هيكل إمداد الطاقة المركزي هو الأكثر استخدامًا في الوقت الحاضر. أي أن محول الطاقة المركزي يولد الفولتية الناتجة المطلوبة لمستويات الجهد المختلفة.

نظرًا لتكلفتها المنخفضة وكفاءتها العالية وجهد الخرج القابل للتعديل وضجيج الإخراج المنخفض والاستجابة الديناميكية السريعة، فهي مناسبة جدًا للمعدات الطبية، وهي وضع إمداد الطاقة الأكثر استخدامًا للمعدات الطبية في الوقت الحاضر. أي كما هو مبين في الشكل. 6، تحويل التيار الكهربائي للمعدات الطبية يشمل AC / DC و DC / DC.إن دخل محول التيار المتردد/المستمر لمصدر الطاقة الأساسي هو 50/60 هرتز والتيار المتردد 220 فولت، والذي يجب تصحيحه وتصفيته. لا غنى عن مكثف إلكتروليتي مرشح كبير، ويجب إضافة مدخلات التيار المتردد مع مرشح EMC والأجهزة التي تستخدم معايير السلامة.يتم استخدام محول DC/DC لمصدر الطاقة الثانوي لتحويل الطاقة، وهو الجزء الأساسي من تحويل مصدر الطاقة.

بالإضافة إلى ذلك، هناك دوائر مثل حماية بدء التشغيل والتيار الزائد والجهد الزائد وتصفية الضوضاء وما إلى ذلك. تكتشف دائرة أخذ العينات التغير في جهد الخرج وتقارنه بالجهد المرجعي. يتم تضخيم جهد الخطأ ودائرة تعديل عرض النبضة (PWM)، ومن ثم يتم التحكم في دورة التشغيل لجهاز الطاقة بواسطة دائرة القيادة، وذلك لضبط جهد الخرج. يظهر الهيكل الأساسي في الشكل 6.

الشكل 6: الهيكل الأساسي لمفتاح المعدات الطبية

تشتمل دائرة الإدخال بشكل عام على المفتاح والصمام ودائرة التيار المتردد المضادة للتداخل ودائرة البدء الناعمة.

دائرة البداية الناعمة هي إحدى دوائر الحماية لتحويل مصدر الطاقة. تم تصميم معظم دوائر الإدخال الخاصة بتبديل مصدر الطاقة عن طريق دائرة تصحيح وتصفية المكثف. نظرًا لأن الجهد الأولي للمكثف هو 0، سيتم تشكيل تيار تصاعدي لحظي كبير. لهذا السبب، يتم تجهيز مصدر طاقة التحويل للمعدات الطبية عمومًا بدائرة بدء تشغيل ناعمة لمنع زيادة التيار في دائرة الإدخال.

تتضمن دوائر البدء الناعمة الشائعة دائرة تيار مضاد للاندفاع الحراري، ودائرة SCR-R، ودائرة مكونة من مرحل ومقاومة، ودائرة تستخدم مشغل توقيت ومقاومة تحديد التيار، ودائرة مكونة من الثايرستور المقترن بالضوء والثايرستور ثنائي الاتجاه الذي يتم تشغيله عن طريق عبور الصفر.

يظهر الشكل 7 إحدى الدوائر لتحقيق مشغل التقاطع الصفري. يتم استخدام اثنين من optocouplers لإدخال التيار المتردد، ويتم توصيل اثنين من optocouplers بشكل عكسي على التوازي. في نصف الدورات الإيجابية والسلبية للطاقة التجارية، يتم تشغيل المقارنتين الضوئيتين بالتناوب. عندما لا تكون الطاقة التجارية عند نقطة العبور الصفرية، يتم تشغيل optocoupler واحد فقط، ويتم إخراج المستوى المنخفض في هذا الوقت. عندما تتحول الطاقة التجارية إلى نقطة العبور الصفرية، لا يتم تشغيل كلا المقارنتين البصريتين. في هذا الوقت، وبسبب عمل R3، يقوم الدبوس بإخراج مستوى عالٍ، وبالتالي الحصول على إشارة نبضية ذات فترة محددة عند نهاية الخرج.

الشكل 7: دائرة الزناد الصفري مع optocoupler

نظرًا لنقل الإشارة أحادي الاتجاه، فإن طرف الإدخال وطرف الإخراج معزولان كهربائيًا تمامًا، مع قدرة قوية ضد التداخل، وعمر خدمة طويل وكفاءة نقل عالية. تُستخدم المقرنات الضوئية على نطاق واسع في عزل الإشارة ودوائر التبديل وتضخيم النبضات ومرحلات الحالة الصلبة (SSR) والدوائر الأخرى.في تطبيق حمل التيار المتردد، تشكل optocoupler والثايرستور ثنائي الاتجاه دائرة عزل ذات قدرة قوية ضد التداخل.يمكن للمقرنات الضوئية عزل وحدات الدوائر المختلفة في مصدر الطاقة التبديلي.لتثبيت جهد الدائرة، يمكن استخدام optocoupler الخطي في دائرة تعديل عرض النبض (PWM) لتشكيل دائرة ردود فعل optocoupler، ويمكن تغيير نسبة التشغيل عن طريق ضبط التيار في محطة التحكم لتحقيق الغرض من تثبيت الجهد الدقيق.نظرًا لتطبيقها الواسع في المنتجات الطبية، فإن جودة optocoupler لها تأثير كبير على مصدر طاقة التحويل الطبي. من أجل تجنب فشل الدائرة الناتج عن تدهور أداء optocoupler وضمان استقرار وسلامة المنتجات الطبية، يجب اختيار منتجات optocoupler الموثوقة.بالإضافة إلى ذلك، من أجل اختيار أو بناء نظام إمداد طاقة جيد للمعدات الطبية، يجب علينا الاهتمام بتحسين التوافق الكهرومغناطيسي والقدرة على مقاومة التداخل الكهرومغناطيسي لمصدر الطاقة. بشكل رئيسي من تصميم وتخطيط ثنائي الفينيل متعدد الكلور، والتدريع الكهرومغناطيسي، والاختبار وإصدار الشهادات. بالنسبة لتصميم PCB، النقطة الرئيسية هي عزل الطاقة، والجوهر هو اختيار optocoupler. ومن هذه الجوانب، يمكننا التوسع واختيار optocoupler المناسب. راجع هذه المقالة لمعرفة كيفية اختياره.