تجزیه و تحلیل عایق برق دستگاه های پزشکی

ارتباط بین تجهیزات پزشکی و تشخیص و درمان پزشکی مدرن به طور فزاینده ای نزدیک است. هیچ تجهیزات پزشکی را نمی توان از منبع تغذیه ایمن و پایدار جدا کرد و بیشتر آنها منبع تغذیه سوئیچینگ هستند. اینکه آیا یک دستگاه پزشکی می تواند حداکثر کارایی خود را اعمال کند نه تنها مستقیماً به عملکرد فنی خود دستگاه مربوط می شود، بلکه به کیفیت منبع تغذیه نیز مرتبط است. کیفیت منبع تغذیه به طور مستقیم بر پایداری و قابلیت اطمینان تجهیزات پزشکی تأثیر می گذارد. محصولات با منبع تغذیه نامرغوب ممکن است منجر به حوادث عمده تجهیزات پزشکی و خسارات اقتصادی هنگفت شوند.

ایزولاسیون ایمنی یک تفاوت مهم بین منبع تغذیه تجاری رایج و منبع تغذیه پزشکی است. تجهیزات پزشکی عمومی بر اساس منبع تغذیه به دو دسته تقسیم می شوند که در شکل 1 و شکل 2 نشان داده شده است. تجهیزات پزشکی کلاس I (مورد فلزی) و تجهیزات پزشکی کلاس II (مورد پلاستیکی). به جز برخی از ابزارهای تجربی و تحلیلی، اکثر تجهیزات پزشکی در نزدیکی محل درمان که نزدیک به افراد است نصب میشوند و پوسته اغلب لمس میشود. انواع قطعات قوی و ضعیف در تجهیزات پزشکی وجود دارد. اگر در جداسازی اجزای قوی و ضعیف یا عایق بودن مواد پوسته مشکلی وجود داشته باشد بسیار خطرناک خواهد بود بنابراین طراحی ایزوله مورد نیاز است.

شکل 1 ساختار الکتریکی تجهیزات پزشکی کلاس I شکل 2 ساختار الکتریکی تجهیزات پزشکی کلاس II

ماژول های مختلف در تجهیزات به سطوح مختلف ایزوله نیاز دارند: ایزوله عملکردی، ایزوله اولیه، ایزوله مضاعف و ایزوله پیشرفته.

جداسازی عملکردی به کاربرد عملکردی جداسازی سیگنال ها یا منابع تغذیه بین سیستم های ولتاژ، فقط برای ماژول های متقابل اشاره دارد.

جداسازی اساساً عایق کاری + حفاظت از شوک الکتریکی است.

ایزولاسیون دوگانه سیستمی با ایزولاسیون اولیه (سطح پایه حفاظت در برابر شوک الکتریکی) اتخاذ می کند و یک لایه عایق کمکی بین اجزای الکتریکی و کاربر نهایی برای تقویت حفاظت فیزیکی اضافه می شود تا احتمال برق گرفتگی در هنگام ایزوله سازی اولیه کاهش یابد. شکست می خورد؛

اثر جداسازی افزایش یافته جداسازی مربوط به جداسازی دوگانه است، اما تنها به یک پوسته نیاز است. این یک دکوراسیون پایه ایزوله با ویژگی های ایزوله پیشرفته است که می تواند از ایزولاسیون فیزیکی بین طرح برد مدار چاپی، سیم های هسته، سیم پیچ ها و پین های قطعات و غیره استفاده کند و در عین حال الزامات فاصله خزش ایمن و الکتریکی را برآورده کند. فاصله خالی (یعنی فاصله فیزیکی بین دو سیستم ولتاژ).
بنابراین، طراحی جداسازی تقویتشده دارای ایزوله مضاعف است، اما تنها یک نقطه آزمایش مورد نیاز است.جداسازی دوگانه و ایزولاسیون تقویتشده عموماً برای محصولاتی که از دوشاخههای AC بدون پینهای اتصال به زمین برای اتصال منبع تغذیه استفاده میکنند، مانند تجهیزات پزشکی قابل حمل (به عنوان مثال، پمپ تزریق و دوشاخه آن در شکل 3) قابل استفاده است.

شکل 3

همانطور که در شکل 1 و شکل 2 نشان داده شده است، با توجه به استاندارد ایمنی منبع تغذیه پزشکی، الزامات جداسازی تجهیزات برای حفاظت از بیمار به شرح زیر است. (1) L، N←→ بخش کاربردی: عایق دوگانه یا تقویت شده، قدرت دی الکتریک AC 4000 V، فاصله الکتریکی 5 میلی متر، فاصله خزش 8 میلی متر. (2)L، N←→ پوسته فلزی: عایق اولیه، قدرت دی الکتریک AC 1500 ولت، فاصله الکتریکی 2.5 میلی متر، فاصله خزش 4 میلی متر

به طور خلاصه، "ایزوله عملکردی" و "ایزوله اساسی" (یعنی جداسازی کلاس I) یک ریل ولتاژ را از دیگری جدا می کند، در حالی که "ایزوله مضاعف" و "ایزوله تقویت شده" دو راه حل را در موقعیت های مختلف برای یک هدف طراحی ارائه می کنند (یعنی جداسازی کلاس II). محصولات کلاس I و محصولات کلاس II باید دو نوع روش جداسازی را انتخاب کنند.ساختار داخلی منبع تغذیه سوئیچینگ پزشکی طبق استاندارد تقسیم بندی شده است و استحکام دی الکتریک، فاصله الکتریکی و فاصله خزش قطعات مختلف باید مطابق با الزامات طراحی شود.از نظر تست ایمنی، منبع تغذیه تجهیزات پزشکی عمومی باید دارای گواهی UL60601-1، C-UL، EN60601-1 و غیره باشد. ترمینال ورودی باید ولتاژ جداسازی بیش از 4,000 ولت داشته باشد و جریان تخلیه کف باید کم باشد که الزامات فاصله خزش ایمنی را برآورده می کند. با این حال، عایق مضاعف برای قسمت فشار قوی مورد نیاز است، به خصوص برای قسمتی که احتمال تماس با پوسته تجهیزات وجود دارد، طراحی عایق و عایق باید تقویت شود.

شکل 4 و شکل. 5 ساختارهای الکتریکی دو نوع منبع تغذیه را نشان می دهد. بر اساس استاندارد منبع تغذیه پزشکی (استاندارد GB 9706.1-2007)، پارامترهای جداسازی منابع تغذیه پزشکی با ساختارهای نشان داده شده در شکل. 4 و شکل 5 دارای قدرت دی الکتریک E1 AC 1500 V، فاصله الکتریکی 2.5 میلی متر و فاصله خزش 4 میلی متر هستند. E3- قدرت دی الکتریک AC 4 ولت، فاصله الکتریکی 000 میلی متر، فاصله خزش 5 میلی متر؛ E4- قدرت دی الکتریک AC 500 V. نسبی: خازن C1-Y2، خازن C2-X2، C3-معادل خازن دوبل سری Y1.

شکل 4 ساختار الکتریکی منبع تغذیه کلاس I

شکل 5 ساختار الکتریکی منبع تغذیه کلاس II

این پارامترهای الزامات جداسازی، طراحان را ملزم می کند که از انتخاب دستگاه های با حاشیه مناسب از ابتدای انتخاب دستگاه اطمینان حاصل کنند.علاوه بر این، از نظر انواع منبع تغذیه، تجهیزات پزشکی داخلی بیشتر از برق 220 ولت تغذیه می شود. با توجه به نیازهای منبع تغذیه انواع مختلف تجهیزات پزشکی، ساختار منبع تغذیه متمرکز پرمصرف ترین مورد در حال حاضر است. یعنی یک مبدل برق متمرکز ولتاژهای خروجی مورد نیاز سطوح ولتاژ مختلف را تولید می کند.

به دلیل هزینه کم، راندمان بالا، ولتاژ خروجی قابل تنظیم، نویز خروجی کم و پاسخ دینامیکی سریع، برای تجهیزات پزشکی بسیار مناسب است و در حال حاضر پرکاربردترین حالت منبع تغذیه برای تجهیزات پزشکی است. یعنی همانطور که در شکل نشان داده شده است. 6، منبع تغذیه سوئیچینگ تجهیزات پزشکی شامل AC/DC و DC/DC است.ورودی مبدل AC/DC منبع تغذیه اولیه 50/60 هرتز و جریان متناوب 220 ولت است که باید یکسو و فیلتر شود. خازن الکترولیتی فیلتر کننده بزرگ ضروری است و ورودی AC باید با فیلتر EMC و دستگاه هایی با استفاده از استانداردهای ایمنی اضافه شود.مبدل DC/DC منبع تغذیه ثانویه برای تبدیل برق استفاده می شود که بخش اصلی منبع تغذیه سوئیچینگ است.

علاوه بر این مدارهایی مانند راه اندازی، حفاظت از اضافه جریان و اضافه ولتاژ، فیلتر نویز و غیره وجود دارد. مدار نمونه برداری تغییر ولتاژ خروجی را تشخیص داده و آن را با ولتاژ مرجع مقایسه می کند. ولتاژ خطا تقویت شده و مدار مدوله شده با عرض پالس (PWM) انجام می شود و سپس چرخه وظیفه دستگاه قدرت توسط مدار محرک کنترل می شود تا ولتاژ خروجی تنظیم شود. ساختار اصلی در شکل 6 نشان داده شده است.

شکل 6 ساختار اساسی سوئیچ تجهیزات پزشکی

مدار ورودی به طور کلی شامل کلید، فیوز، مدار ضد تداخل AC و مدار استارت نرم است.

مدار استارت نرم یکی از مدارهای حفاظتی منبع تغذیه سوئیچینگ است. بیشتر مدارهای ورودی منبع تغذیه سوئیچینگ توسط مدارهای یکسو کننده و فیلتر خازن طراحی می شوند. از آنجایی که ولتاژ اولیه خازن 0 است، یک جریان موج آنی بزرگ تشکیل می شود. به همین دلیل منبع تغذیه سوئیچینگ تجهیزات پزشکی به طور کلی مجهز به مدار استارت نرم برای جلوگیری از افزایش جریان در مدار ورودی است.

مدارهای راه اندازی نرم رایج شامل مدار جریان ضد نوسان ترمیستور، مدار SCR-R، مدار متشکل از رله و مقاومت، مدار با استفاده از تریگر زمان بندی و مقاومت محدود کننده جریان، و مدار متشکل از تریستور فتوکوپله و تریستور دو جهته که با عبور از صفر تریگر می شوند، می باشند.

یکی از مدارها برای تشخیص ماشه عبور از صفر در شکل 7 نشان داده شده است. دو اپتوکوپلر برای ورودی AC استفاده می شود و دو کوپلر اپتوکوپلر به صورت معکوس به صورت موازی متصل شده اند. در نیم سیکل های مثبت و منفی برق تجاری، دو کوپلر نوری به نوبه خود روشن می شوند. وقتی برق تجاری در نقطه عبور صفر نباشد، فقط یک اپتوکوپلر روشن می شود و سطح پایین در این زمان خروجی می شود. وقتی برق تجاری به نقطه صفر می رسد، هر دو اپتوکوپلر روشن نمی شوند. در این زمان، به دلیل عملکرد R3، پین سطح بالایی را خروجی می کند، بنابراین سیگنال پالسی با دوره ثابت در انتهای خروجی به دست می آید.

شکل 7 مدار ماشه عبور از صفر با اپتوکوپلر

به دلیل انتقال سیگنال یک طرفه، انتهای ورودی و انتهای خروجی کاملاً ایزوله الکتریکی هستند، با قابلیت ضد تداخل قوی، عمر طولانی و راندمان انتقال بالا. اپتوکوپلرها به طور گسترده در ایزولاسیون سیگنال، مدارهای سوئیچینگ، تقویت پالس، رله حالت جامد (SSR) و سایر مدارها استفاده میشوند.در اعمال بار AC، اپتوکوپلر و تریستور دو طرفه یک مدار جداسازی با توانایی ضد تداخل قوی را تشکیل می دهند.اپتوکوپلرها میتوانند ماژولهای مدار مختلف را در منبع تغذیه سوئیچینگ ایزوله کنند.برای تثبیت ولتاژ مدار، اپتوکوپلر خطی را می توان در مدار مدولاسیون عرض پالس (PWM) برای تشکیل مدار فیدبک اپتوکوپلر استفاده کرد و نسبت وظیفه را می توان با تنظیم جریان در ترمینال کنترل برای رسیدن به هدف تثبیت ولتاژ دقیق تغییر داد.به دلیل کاربرد گسترده آن در محصولات پزشکی، کیفیت اپتوکوپلر تأثیر زیادی بر منبع تغذیه سوئیچینگ پزشکی دارد. برای جلوگیری از خرابی مدار ناشی از کاهش عملکرد اپتوکوپلر و اطمینان از پایداری و ایمنی محصولات پزشکی، محصولات اپتوکوپلر قابل اعتماد باید انتخاب شوند.علاوه بر این، برای انتخاب یا ساخت یک سیستم منبع تغذیه خوب برای تجهیزات پزشکی، باید به بهبود سازگاری الکترومغناطیسی و توانایی ضد تداخل الکترومغناطیسی منبع تغذیه توجه کنیم. عمدتاً از طراحی و طرح PCB، محافظ الکترومغناطیسی، آزمایش و صدور گواهینامه. برای طراحی PCB، نکته اصلی ایزولاسیون قدرت است و هسته اصلی انتخاب کوپلر نوری است. از این جنبه ها، می توانیم گسترش دهیم و اپتوکوپلر مناسب را انتخاب کنیم. برای نحوه انتخاب آن به این مقاله مراجعه کنید.