La relación entre los equipos médicos y el diagnóstico y tratamiento médico moderno es cada vez más estrecha. Ningún equipo médico puede separarse de una fuente de alimentación segura y estable, y la mayoría de ellos son fuentes de alimentación conmutadas. Que un dispositivo médico pueda alcanzar su máxima eficiencia no sólo está directamente relacionado con el rendimiento técnico de la máquina en sí, sino también con la calidad del suministro de energía. La calidad del suministro de energía afectará directamente la estabilidad y confiabilidad de los equipos médicos. Los productos con un suministro de energía deficiente pueden provocar importantes accidentes con equipos médicos y enormes pérdidas económicas.

El aislamiento de seguridad es una diferencia importante entre el suministro de energía comercial común y el suministro de energía médica. El equipo médico general se divide en dos categorías según el suministro de energía, como se muestra en la Figura 1 y la Figura 2. Equipo médico de Clase I (caja de metal) y equipo médico de Clase II (caja de plástico). A excepción de algunos instrumentos experimentales y analíticos, la mayoría de los equipos médicos se instalan cerca del punto de tratamiento, que está cerca de las personas, y el caparazón se toca con frecuencia. Hay todo tipo de componentes fuertes y débiles en los equipos médicos. Si hay un problema de aislamiento entre los componentes fuertes y débiles o el aislamiento de los materiales de la carcasa, será muy peligroso, por lo que se necesita un diseño de aislamiento.

Figura 1 Estructura eléctrica de equipos médicos clase I Figura 2 Estructura eléctrica de equipos médicos clase II

Los diferentes módulos del equipo necesitan diferentes niveles de aislamiento: aislamiento funcional, aislamiento básico, aislamiento doble y aislamiento mejorado.

El aislamiento funcional se refiere al aislamiento de aplicaciones funcionales de señales o fuentes de alimentación entre sistemas de voltaje, solo para módulos multifuncionales;

El aislamiento es básicamente aislamiento funcional+protección contra descargas eléctricas;

El doble aislamiento adopta un sistema con aislamiento básico (nivel básico de protección contra descargas eléctricas) y se agrega una capa de aislamiento auxiliar entre los componentes eléctricos y el usuario final para fortalecer la protección física, a fin de reducir la posibilidad de descargas eléctricas cuando se realiza un aislamiento básico. falla;

El efecto de aislamiento del aislamiento mejorado está relacionado con el doble aislamiento, pero solo se necesita un caparazón. Es una decoración de aislamiento básica con características de aislamiento mejoradas, que puede hacer uso del aislamiento físico entre el diseño de la placa de circuito impreso, los cables centrales, los devanados y las clavijas de las piezas, etc., y al mismo tiempo cumplir con los requisitos de distancia de fuga segura y eléctrica. distancia libre (es decir, la distancia física entre dos sistemas de voltaje).
Por lo tanto, el diseño de aislamiento mejorado tiene doble aislamiento, pero solo se necesita un punto de prueba.El aislamiento doble y el aislamiento mejorado generalmente se aplican a productos que utilizan enchufes de CA sin clavijas de conexión a tierra para conectar la fuente de alimentación, como equipos médicos portátiles (por ejemplo, la bomba de infusión y su enchufe en la Figura 3).

Figura 3 y XNUMX

Como se muestra en la Figura 1 y la Figura 2, de acuerdo con el estándar de seguridad del suministro de energía médica, los requisitos de aislamiento del equipo para la protección del paciente son los siguientes. (1)L, N←→ parte de aplicación: aislamiento doble o reforzado, rigidez dieléctrica CA 4000 V, espacio libre eléctrico 5 mm, distancia de fuga 8 mm; (2)L, N←→ carcasa metálica: aislamiento básico, rigidez dieléctrica CA 1500 V, espacio libre eléctrico 2.5 mm, distancia de fuga 4 mm

En resumen, el "aislamiento funcional" y el "aislamiento básico" (es decir, aislamiento de clase I) aíslan eléctricamente un riel de tensión de otro, mientras que el "doble aislamiento" y el "aislamiento mejorado" proporcionan dos soluciones en diferentes situaciones para el mismo objetivo de diseño (es decir, aislamiento clase II). Los productos de Clase I y los productos de Clase II deben elegir dos tipos de métodos de aislamiento.La estructura interna de la fuente de alimentación conmutada médica se divide según el estándar, y la rigidez dieléctrica, el espacio libre eléctrico y la distancia de fuga de las diferentes partes deben diseñarse de acuerdo con los requisitos.En términos de pruebas de seguridad, la fuente de alimentación de equipos médicos generales debe estar certificada por UL60601-1, C-UL, EN60601-1, etc. El terminal de entrada debe tener un voltaje de aislamiento de más de 4,000 V y la corriente de drenaje del piso debe ser baja, lo que cumple con los requisitos de distancia de fuga de seguridad. Sin embargo, se requiere un doble aislamiento para la parte de alto voltaje, especialmente para la parte que probablemente entre en contacto con la carcasa del equipo; el aislamiento y el diseño del aislamiento deben reforzarse.

Fig. 4 y fig. 5 muestran las estructuras eléctricas de dos tipos de fuentes de alimentación. Según el estándar de suministro de energía médica (estándar GB 9706.1-2007), los parámetros de aislamiento de los suministros de energía médica con las estructuras que se muestran en la fig. 4 y fig. 5 son E1: rigidez dieléctrica CA 1500 V, espacio libre eléctrico de 2.5 mm y distancia de fuga de 4 mm; E3: rigidez dieléctrica CA 4 000 V, distancia eléctrica de 5 mm, distancia de fuga de 8 mm; E4—rigidez dieléctrica CA 500 V. Relativo: condensador C1-Y2, condensador C2-X2, C3 equivalente al condensador doble de la serie Y1.

Fig. 4 estructura eléctrica de fuente de alimentación clase I

Figura 5 Estructura eléctrica de la fuente de alimentación Clase II

Estos parámetros de requisitos de aislamiento requieren que los diseñadores se aseguren de que se seleccionen dispositivos con márgenes apropiados desde el comienzo de la selección de dispositivos.Además, en cuanto a los tipos de alimentación, los equipos médicos domésticos se alimentan principalmente de una red eléctrica de 220 V. Debido a los requisitos de suministro de energía de varios tipos de equipos médicos, la estructura de suministro de energía centralizada es la más utilizada en la actualidad. Es decir, un convertidor de potencia centralizado genera los voltajes de salida requeridos de varios niveles de voltaje.

Debido a su bajo costo, alta eficiencia, voltaje de salida ajustable, bajo ruido de salida y rápida respuesta dinámica, es muy adecuado para equipos médicos y es el modo de suministro de energía más utilizado para equipos médicos en la actualidad. Es decir, como se muestra en la fig. 6, la fuente de alimentación conmutada de equipos médicos implica CA/CC y CC/CC.La entrada del convertidor AC/DC de la fuente de alimentación primaria es de corriente alterna de 50/60Hz y 220V, la cual debe ser rectificada y filtrada. Es indispensable un condensador electrolítico de filtrado grande y la entrada de CA debe agregarse con un filtro EMC y dispositivos que cumplan con los estándares de seguridad.El convertidor CC/CC de la fuente de alimentación secundaria se utiliza para la conversión de energía, que es la parte central de la fuente de alimentación conmutada.

Además, existen circuitos como arranque, protección contra sobrecorriente y sobretensión, filtrado de ruido, etc. El circuito de muestreo detecta el cambio del voltaje de salida y lo compara con el voltaje de referencia. El voltaje de error se amplifica y se modula por ancho de pulso (PWM), y luego el ciclo de trabajo del dispositivo de potencia es controlado por el circuito de activación, para ajustar el voltaje de salida. La estructura básica se muestra en la Figura 6.

Figura 6 Estructura básica del interruptor de equipo médico.

El circuito de entrada generalmente incluye interruptor, fusible, circuito antiinterferencias de CA y circuito de arranque suave.

El circuito de arranque suave es uno de los circuitos de protección de la fuente de alimentación conmutada. La mayoría de los circuitos de entrada de la fuente de alimentación conmutada están diseñados mediante un circuito rectificador y de filtrado de condensadores. Debido a que el voltaje inicial en el capacitor es 0, se formará una gran sobrecorriente instantánea. Por esta razón, la fuente de alimentación conmutada de los equipos médicos generalmente está equipada con un circuito de arranque suave para evitar sobretensiones en el circuito de entrada.

Los circuitos de arranque suave comunes incluyen un circuito de corriente antisobretensión con termistor, un circuito SCR-R, un circuito compuesto por un relé y una resistencia, un circuito que utiliza un disparador de temporización y una resistencia limitadora de corriente, y un circuito compuesto por un tiristor fotoacoplado y un tiristor bidireccional activado por cruce por cero.

Uno de los circuitos para realizar el disparador de cruce por cero se muestra en la Figura 7. Se utilizan dos optoacopladores para la entrada de CA y dos optoacopladores se conectan inversamente en paralelo. En los semiciclos positivo y negativo de la energía comercial, los dos optoacopladores se encienden por turno. Cuando la energía comercial no está en el punto de cruce por cero, solo se enciende un optoacoplador y en este momento se emite el nivel bajo. Cuando la energía comercial llega al cruce por cero, ambos optoacopladores no se encienden. En este momento, debido a la acción de R3, el pin emite un nivel alto, obteniendo así una señal de pulso con un período fijo en el extremo de salida.

Fig. 7 el circuito del disparador de cruce por cero con optoacoplador

Debido a la transmisión de señal unidireccional, el extremo de entrada y el extremo de salida están completamente aislados eléctricamente, con una gran capacidad antiinterferente, una larga vida útil y una alta eficiencia de transmisión. Los optoacopladores se utilizan ampliamente en aislamiento de señales, circuitos de conmutación, amplificación de pulsos, relés de estado sólido (SSR) y otros circuitos.En la aplicación de carga de CA, el optoacoplador y el tiristor bidireccional forman un circuito de aislamiento con una fuerte capacidad antiinterferente.Los optoacopladores pueden aislar diferentes módulos de circuito en la fuente de alimentación conmutada.Para la estabilización del voltaje del circuito, se puede usar un optoacoplador lineal en un circuito de modulación de ancho de pulso (PWM) para formar un circuito de retroalimentación del optoacoplador, y la relación de trabajo se puede cambiar ajustando la corriente en el terminal de control para lograr el propósito de una estabilización precisa del voltaje.Debido a su amplia aplicación en productos médicos, la calidad del optoacoplador tiene una gran influencia en el suministro de energía conmutada médica. Para evitar fallas en el circuito causadas por la degradación del rendimiento del optoacoplador y garantizar la estabilidad y seguridad de los productos médicos, se deben seleccionar productos optoacopladores confiables.Además, para elegir o construir un buen sistema de suministro de energía para equipos médicos, debemos prestar atención a mejorar la compatibilidad electromagnética y la capacidad de interferencia antielectromagnética del suministro de energía. Principalmente desde el diseño y disposición de PCB, blindaje electromagnético, pruebas y certificación. Para el diseño de PCB, el punto principal es el aislamiento de energía y el núcleo es la elección del optoacoplador. A partir de estos aspectos, podemos ampliar y elegir el optoacoplador adecuado. Consulte este artículo para saber cómo elegirlo.