Der Zusammenhang zwischen medizinischer Ausrüstung und moderner medizinischer Diagnose und Behandlung wird immer enger. Medizinische Geräte können nicht von einer sicheren und stabilen Stromversorgung getrennt werden, und die meisten davon sind Schaltnetzteile. Ob ein medizinisches Gerät seine maximale Effizienz entfalten kann, hängt nicht nur direkt von der technischen Leistungsfähigkeit des Geräts selbst ab, sondern auch von der Qualität der Stromversorgung. Die Qualität der Stromversorgung hat direkten Einfluss auf die Stabilität und Zuverlässigkeit medizinischer Geräte. Produkte mit mangelhafter Stromversorgung können zu schweren Unfällen mit medizinischen Geräten und enormen wirtschaftlichen Verlusten führen.

Die Sicherheitsisolierung ist ein wichtiger Unterschied zwischen einer herkömmlichen kommerziellen Stromversorgung und einer medizinischen Stromversorgung. Allgemeine medizinische Geräte werden basierend auf der Stromversorgung in zwei Kategorien unterteilt, wie in Abbildung 1 und Abbildung 2 dargestellt. Medizinische Geräte der Klasse I (Metallgehäuse) und medizinische Geräte der Klasse II (Kunststoffgehäuse). Mit Ausnahme einiger experimenteller und analytischer Instrumente werden die meisten medizinischen Geräte in der Nähe des Behandlungspunkts installiert, der sich in der Nähe von Menschen befindet, und die Hülle wird häufig berührt. In medizinischen Geräten gibt es viele starke und schwache Komponenten. Wenn es ein Problem bei der Isolierung zwischen starken und schwachen Komponenten oder bei der Isolierung von Schalenmaterialien gibt, ist dies sehr gefährlich, sodass ein Isolierungsdesign erforderlich ist.

Abbildung 1 Elektrische Struktur von medizinischen Geräten der Klasse I. Abbildung 2 Elektrische Struktur von medizinischen Geräten der Klasse II

Verschiedene Module in der Ausrüstung erfordern unterschiedliche Isolationsstufen: funktionale Isolation, Basisisolation, doppelte Isolation und erweiterte Isolation.

Unter funktionaler Isolation versteht man die funktionale Anwendungsisolation von Signalen oder Stromversorgungen zwischen Spannungssystemen, nur für funktionsübergreifende Module;

Bei der Isolierung handelt es sich im Wesentlichen um funktionale Isolierung + Schutz vor elektrischem Schlag.

Bei der doppelten Isolierung wird ein System mit Basisisolierung (grundlegender Schutzgrad gegen elektrischen Schlag) verwendet, und zwischen den elektrischen Komponenten und dem Endbenutzer wird eine zusätzliche Isolierschicht hinzugefügt, um den physischen Schutz zu verstärken und so die Möglichkeit eines elektrischen Schlags bei grundlegender Isolierung zu verringern scheitert;

Der Isolationseffekt der verbesserten Isolation hängt mit der doppelten Isolation zusammen, es ist jedoch nur eine einzige Hülle erforderlich. Es handelt sich um eine grundlegende Isolationsdekoration mit verbesserten Isolationseigenschaften, die die physikalische Isolation zwischen Leiterplattenlayout, Kerndrähten, Wicklungen und Teilestiften usw. nutzen und gleichzeitig die Anforderungen an sichere Kriechstrecke und elektrische Anforderungen erfüllen kann Abstand (d. h. der physische Abstand zwischen zwei Spannungssystemen).
Daher verfügt das Design mit verbesserter Isolierung über eine doppelte Isolierung, es ist jedoch nur ein Testpunkt erforderlich.Doppelte Isolierung und verbesserte Isolierung gelten im Allgemeinen für Produkte, die Wechselstromstecker ohne Erdungsstifte zum Anschluss der Stromversorgung verwenden, wie z. B. tragbare medizinische Geräte (z. B. die Infusionspumpe und ihr Stecker in Abbildung 3).

Figure 3

Wie in Abbildung 1 und Abbildung 2 dargestellt, lauten die Isolationsanforderungen für Geräte zum Patientenschutz gemäß dem Sicherheitsstandard der medizinischen Stromversorgung wie folgt. (1)L, N←→ Anwendungsteil: doppelte oder verstärkte Isolierung, Spannungsfestigkeit AC 4000 V, elektrische Luftstrecke 5 mm, Kriechstrecke 8 mm; (2)L, N←→ Metallgehäuse: Basisisolierung, Spannungsfestigkeit AC 1500 V, elektrische Luftstrecke 2.5 mm, Kriechstrecke 4 mm

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass „funktionale Isolierung“ und „Basisisolierung“ (d. h. Klasse-I-Isolierung) eine Spannungsschiene elektrisch von einer anderen isolieren, während „doppelte Isolierung“ und „erweiterte Isolierung“ zwei Lösungen in unterschiedlichen Situationen für dasselbe Designziel (d. h Isolierung der Klasse II). Produkte der Klasse I und Klasse II sollten zwei Arten von Isolationsmethoden wählen.Der interne Aufbau medizinischer Schaltnetzteile ist entsprechend der Norm unterteilt, und die Durchschlagsfestigkeit, die elektrische Luftstrecke und die Kriechstrecke verschiedener Teile müssen entsprechend den Anforderungen ausgelegt werden.Im Hinblick auf Sicherheitsprüfungen muss die Stromversorgung allgemeiner medizinischer Geräte nach UL60601-1, C-UL, EN60601-1 usw. zertifiziert sein. Der Eingangsanschluss muss eine Isolationsspannung von mehr als 4,000 V haben und der Bodenabflussstrom sollte niedrig sein, um die Anforderungen an die Sicherheitskriechstrecke zu erfüllen. Für den Hochspannungsteil ist jedoch eine doppelte Isolierung erforderlich, insbesondere für den Teil, der wahrscheinlich mit dem Gerätegehäuse in Kontakt kommt. Die Isolierung und das Isolationsdesign sollten verstärkt werden.

Abb. 4 und Abb. 5 zeigen die elektrischen Strukturen von zwei Arten von Stromversorgungen. Gemäß der Norm für medizinische Stromversorgungen (Standard GB 9706.1-2007) sind die Isolationsparameter der medizinischen Stromversorgungen mit den in Abb. gezeigten Strukturen. 4 und Abb. 5 sind E1-Durchschlagsfestigkeit AC 1500 V, elektrische Luftstrecke 2.5 mm und Kriechstrecke 4 mm; E3 – Durchschlagsfestigkeit AC 4 V, elektrische Luftstrecke 000 mm, Kriechstrecke 5 mm; E4 – Spannungsfestigkeit AC 500 V. Relativ: C1-Y2-Kondensator, C2-X2-Kondensator, C3-äquivalent zum doppelten Y1-Serienkondensator.

Abb. 4 Elektrischer Aufbau eines Klasse-I-Netzteils

Abbildung 5 Elektrischer Aufbau eines Netzteils der Klasse II

Diese Parameter der Isolationsanforderungen erfordern von Designern, dass sie von Beginn der Geräteauswahl an sicherstellen, dass Geräte mit geeigneten Spielräumen ausgewählt werden.Was die Stromversorgungsarten anbelangt, werden medizinische Heimgeräte außerdem meist über das 220-V-Netz mit Strom versorgt. Aufgrund der Stromversorgungsanforderungen verschiedener Arten medizinischer Geräte ist die zentralisierte Stromversorgungsstruktur derzeit die am weitesten verbreitete. Das heißt, ein zentraler Stromrichter erzeugt die benötigten Ausgangsspannungen verschiedener Spannungsniveaus.

Aufgrund seiner geringen Kosten, seines hohen Wirkungsgrads, seiner einstellbaren Ausgangsspannung, seines geringen Ausgangsrauschens und seiner schnellen dynamischen Reaktion eignet es sich sehr gut für medizinische Geräte und ist derzeit der am weitesten verbreitete Stromversorgungsmodus für medizinische Geräte. Das heißt, wie in Abb. gezeigt. 6, die Schaltnetzteilversorgung medizinischer Geräte umfasst AC/DC und DC/DC.Der Eingang des AC/DC-Wandlers der primären Stromversorgung ist 50/60 Hz und 220 V Wechselstrom, der gleichgerichtet und gefiltert werden muss. Ein großer Filter-Elektrolytkondensator ist unverzichtbar, und der AC-Eingang muss mit einem EMV-Filter und Geräten gemäß Sicherheitsstandards ausgestattet sein.Der DC/DC-Wandler der sekundären Stromversorgung wird zur Stromumwandlung verwendet, die den Kernbestandteil der Schaltnetzteilversorgung darstellt.

Darüber hinaus gibt es Schaltungen wie Anlauf-, Überstrom- und Überspannungsschutz, Rauschfilterung usw. Die Abtastschaltung erkennt die Änderung der Ausgangsspannung und vergleicht sie mit der Referenzspannung. Die Fehlerspannung wird durch eine Pulsweitenmodulationsschaltung (PWM) verstärkt und anschließend wird der Arbeitszyklus des Leistungsgeräts durch die Treiberschaltung gesteuert, um die Ausgangsspannung anzupassen. Der Grundaufbau ist in Abbildung 6 dargestellt.

Abbildung 6 Grundstruktur des Schalters für medizinische Geräte

Der Eingangskreis umfasst im Allgemeinen einen Schalter, eine Sicherung, einen AC-Entstörungskreis und einen Sanftanlaufkreis.

Die Sanftanlaufschaltung ist eine der Schutzschaltungen des Schaltnetzteils. Die meisten Eingangskreise von Schaltnetzteilen bestehen aus Gleichrichter- und Kondensatorfilterkreisen. Da die Anfangsspannung am Kondensator 0 beträgt, entsteht ein großer momentaner Stoßstrom. Aus diesem Grund ist das Schaltnetzteil medizinischer Geräte in der Regel mit einer Sanftanlaufschaltung ausgestattet, um Stromstöße im Eingangskreis zu verhindern.

Zu den üblichen Softstart-Schaltungen gehören eine Thermistor-Stromstoßschutzschaltung, eine SCR-R-Schaltung, eine Schaltung aus Relais und Widerstand, eine Schaltung mit Zeitauslöser und Strombegrenzungswiderstand sowie eine Schaltung aus einem fotogekoppelten Thyristor und einem bidirektionalen Thyristor, der durch einen Nulldurchgang ausgelöst wird.

Eine der Schaltungen zur Realisierung des Nulldurchgangs-Triggers ist in Abbildung 7 dargestellt. Für den Wechselstromeingang werden zwei Optokoppler verwendet, und zwei Optokoppler sind umgekehrt parallel geschaltet. In den positiven und negativen Halbzyklen des Netzstroms werden die beiden Optokoppler abwechselnd eingeschaltet. Wenn die Netzspannung nicht den Nulldurchgangspunkt erreicht, wird nur ein Optokoppler eingeschaltet und zu diesem Zeitpunkt wird der niedrige Pegel ausgegeben. Wenn die Netzspannung den Nulldurchgang erreicht, sind beide Optokoppler nicht eingeschaltet. Zu diesem Zeitpunkt gibt der Pin aufgrund der Wirkung von R3 einen hohen Pegel aus und erhält so am Ausgangsende ein Impulssignal mit einer festen Periode.

Abb. 7 die Schaltung des Nulldurchgangstriggers mit Optokoppler

Aufgrund der unidirektionalen Signalübertragung sind Eingangs- und Ausgangsende vollständig elektrisch isoliert, mit starker Entstörungsfähigkeit, langer Lebensdauer und hoher Übertragungseffizienz. Optokoppler werden häufig in der Signalisolierung, in Schaltkreisen, zur Impulsverstärkung, in Halbleiterrelais (SSR) und anderen Schaltkreisen verwendet.Bei der Anwendung einer Wechselstromlast bilden Optokoppler und bidirektionaler Thyristor einen Isolationskreis mit starker Entstörungsfähigkeit.Optokoppler können verschiedene Schaltungsmodule im Schaltnetzteil isolieren.Zur Spannungsstabilisierung der Schaltung kann ein linearer Optokoppler in der Pulsweitenmodulationsschaltung (PWM) verwendet werden, um eine Optokoppler-Rückkopplungsschaltung zu bilden, und das Tastverhältnis kann durch Anpassen des Stroms am Steueranschluss geändert werden, um den Zweck einer präzisen Spannungsstabilisierung zu erreichen.Aufgrund seiner breiten Anwendung in medizinischen Produkten hat die Qualität von Optokopplern einen großen Einfluss auf medizinische Schaltnetzteile. Um den durch die Verschlechterung der Optokopplerleistung verursachten Stromkreisausfall zu vermeiden und die Stabilität und Sicherheit medizinischer Produkte zu gewährleisten, müssen zuverlässige Optokopplerprodukte ausgewählt werden.Darüber hinaus müssen wir bei der Auswahl oder dem Aufbau eines guten Stromversorgungssystems für medizinische Geräte auf die Verbesserung der elektromagnetischen Verträglichkeit und der Fähigkeit des Netzteils gegen elektromagnetische Störungen achten. Hauptsächlich aus dem PCB-Design und -Layout, elektromagnetischer Abschirmung, Prüfung und Zertifizierung. Beim PCB-Design kommt es vor allem auf die Stromisolierung an, und der Kern liegt in der Wahl des Optokopplers. Unter diesen Aspekten können wir den geeigneten Optokoppler erweitern und auswählen. In diesem Artikel erfahren Sie, wie Sie es auswählen.