Analyse de l'isolation électrique des dispositifs médicaux

La relation entre les équipements médicaux et le diagnostic et le traitement médicaux modernes est de plus en plus étroite. Tout équipement médical ne peut être séparé d'une alimentation électrique sûre et stable, et la plupart d'entre eux sont des alimentations à découpage. La capacité d'un dispositif médical à exercer son efficacité maximale n'est pas seulement directement liée aux performances techniques de la machine elle-même, mais également à la qualité de l'alimentation électrique. La qualité de l’alimentation électrique affectera directement la stabilité et la fiabilité des équipements médicaux. Les produits dotés d’une alimentation électrique de qualité inférieure peuvent entraîner des accidents majeurs sur les équipements médicaux et d’énormes pertes économiques.

L'isolation de sécurité constitue une différence importante entre l'alimentation électrique commerciale courante et l'alimentation électrique médicale. Les équipements médicaux généraux sont divisés en deux catégories en fonction de l'alimentation électrique, comme le montrent les figures 1 et 2. Les équipements médicaux de classe I (boîtier en métal) et les équipements médicaux de classe II (boîtier en plastique). À l'exception de certains instruments expérimentaux et analytiques, la plupart des équipements médicaux sont installés à proximité du point de traitement, à proximité des personnes, et la coque est souvent touchée. Il existe toutes sortes de composants forts et faibles dans les équipements médicaux. S'il y a un problème d'isolation entre les composants forts et faibles ou l'isolation des matériaux de coque, cela sera très dangereux, une conception d'isolation est donc nécessaire.

Figure 1 Structure électrique d'un équipement médical de classe I Figure 2 Structure électrique d'un équipement médical de classe II

Différents modules de l'équipement nécessitent différents niveaux d'isolation : isolation fonctionnelle, isolation de base, double isolation et isolation améliorée.

L'isolation fonctionnelle fait référence à l'isolation fonctionnelle des signaux ou des alimentations entre les systèmes de tension, uniquement pour les modules interfonctionnels ;

L'isolation est essentiellement une isolation fonctionnelle + une protection contre les chocs électriques ;

La double isolation adopte un système avec isolation de base (niveau de protection de base contre les chocs électriques), et une couche d'isolation auxiliaire est ajoutée entre les composants électriques et l'utilisateur final pour renforcer la protection physique, de manière à réduire le risque de choc électrique lors de l'isolation de base. échoue;

L'effet d'isolation de l'isolation améliorée est lié à la double isolation, mais une seule coque est nécessaire. Il s'agit d'une décoration d'isolation de base avec des caractéristiques d'isolation améliorées, qui peut utiliser l'isolation physique entre la disposition des cartes de circuits imprimés, les fils centraux, les enroulements et les broches des pièces, etc., et en même temps répondre aux exigences de distance de fuite et de sécurité électrique. distance de dégagement (c'est-à-dire la distance physique entre deux systèmes de tension).
Par conséquent, la conception de l’isolation améliorée comporte une double isolation, mais un seul point de test est nécessaire.La double isolation et l'isolation améliorée sont généralement applicables aux produits qui utilisent des fiches secteur sans broches de mise à la terre pour connecter l'alimentation électrique, tels que les équipements médicaux portables (par exemple, la pompe à perfusion et sa fiche dans la figure 3).

Figure 3

Comme le montrent les figures 1 et 2, conformément à la norme de sécurité de l'alimentation électrique médicale, les exigences d'isolation des équipements de protection des patients sont les suivantes. (1)L, N←→ partie application : isolation double ou renforcée, rigidité diélectrique AC 4000 V, distance électrique 5 mm, ligne de fuite 8 mm ; (2)L, N←→ coque métallique : isolation de base, rigidité diélectrique AC 1500 V, distance électrique 2.5 mm, ligne de fuite 4 mm

Pour résumer, « l'isolation fonctionnelle » et « l'isolation de base » (c'est-à-dire l'isolation de classe I) isolent électriquement un rail de tension d'un autre, tandis que la « double isolation » et « l'isolation améliorée » offrent deux solutions dans des situations différentes pour le même objectif de conception (c'est-à-dire isolement de classe II). Les produits de classe I et les produits de classe II doivent choisir deux types de méthodes d'isolation.La structure interne de l'alimentation à découpage médicale est divisée selon la norme, et la rigidité diélectrique, le dégagement électrique et la distance dans l'air des différentes pièces doivent être conçus en fonction des exigences.En termes de tests de sécurité, l'alimentation électrique des équipements médicaux généraux doit être certifiée par UL60601-1, C-UL, EN60601-1, etc. La borne d'entrée doit avoir une tension d'isolement supérieure à 4,000 XNUMX V et le courant du drain de sol doit être faible, ce qui répond aux exigences de ligne de fuite de sécurité. Cependant, une double isolation est requise pour la partie haute tension, notamment pour la partie susceptible d'entrer en contact avec la coque de l'équipement, la conception de l'isolation et de l'isolation doit être renforcée.

4 et fig. La figure 5 montre les structures électriques de deux types d'alimentations. Selon la norme d'alimentation médicale (norme GB 9706.1-2007), les paramètres d'isolation des alimentations médicales avec les structures illustrées à la fig. 4 et fig. 5 sont une rigidité diélectrique E1 AC 1500 2.5 V, un dégagement électrique 4 mm et une ligne de fuite XNUMX mm ; E3— rigidité diélectrique AC 4 000 V, distance électrique 5 mm, ligne de fuite 8 mm ; E4— rigidité diélectrique AC 500 V. Relatif : condensateur C1-Y2, condensateur C2-X2, équivalent C3 au condensateur double série Y1.

Fig. 4 structure électrique de l'alimentation de classe I

Figure 5 Structure électrique de l'alimentation de classe II

Ces paramètres d'exigences d'isolation obligent les concepteurs à s'assurer que les dispositifs présentant des marges appropriées sont sélectionnés dès le début de la sélection des dispositifs.De plus, en termes de types d’alimentation électrique, les équipements médicaux domestiques sont principalement alimentés par le secteur 220 V. En raison des exigences d’alimentation électrique de divers types d’équipements médicaux, la structure d’alimentation électrique centralisée est actuellement la plus largement utilisée. Autrement dit, un convertisseur de puissance centralisé génère les tensions de sortie requises à différents niveaux de tension.

En raison de son faible coût, de son rendement élevé, de sa tension de sortie réglable, de son faible bruit de sortie et de sa réponse dynamique rapide, il est très approprié pour les équipements médicaux et constitue actuellement le mode d'alimentation le plus largement utilisé pour les équipements médicaux. Autrement dit, comme le montre la fig. 6, l'alimentation à découpage des équipements médicaux implique AC/DC et DC/DC.L'entrée du convertisseur AC/DC de l'alimentation primaire est un courant alternatif de 50/60 Hz et 220 V, qui doit être redressé et filtré. Un grand condensateur électrolytique de filtrage est indispensable, et l'entrée CA doit être ajoutée avec un filtre CEM et des dispositifs respectant les normes de sécurité.Le convertisseur DC/DC de l'alimentation secondaire est utilisé pour la conversion de puissance, qui est la partie essentielle de l'alimentation à découpage.

De plus, il existe des circuits tels que le démarrage, la protection contre les surintensités et les surtensions, le filtrage du bruit, etc. Le circuit d'échantillonnage détecte le changement de la tension de sortie et le compare à la tension de référence. La tension d'erreur est amplifiée et modulée en largeur d'impulsion (PWM), puis le cycle de service du dispositif d'alimentation est contrôlé par le circuit de commande, de manière à ajuster la tension de sortie. La structure de base est illustrée à la figure 6.

Figure 6 Structure de base du commutateur d'équipement médical

Le circuit d'entrée comprend généralement un interrupteur, un fusible, un circuit anti-interférence CA et un circuit de démarrage progressif.

Le circuit de démarrage progressif est l'un des circuits de protection de l'alimentation à découpage. La plupart des circuits d'entrée de l'alimentation à découpage sont conçus par un circuit de redressement et de filtrage de condensateur. Étant donné que la tension initiale sur le condensateur est de 0, un courant de surtension instantané important se formera. Pour cette raison, l'alimentation à découpage des équipements médicaux est généralement équipée d'un circuit de démarrage progressif pour empêcher les surintensités dans le circuit d'entrée.

Les circuits de démarrage progressif courants comprennent un circuit de courant anti-surtension à thermistance, un circuit SCR-R, un circuit composé d'un relais et d'une résistance, un circuit utilisant un déclencheur de temporisation et une résistance de limitation de courant, et un circuit composé d'un thyristor photocouplé et d'un thyristor bidirectionnel déclenché par passage par zéro.

L'un des circuits permettant de réaliser le déclenchement du passage à zéro est illustré à la figure 7. Deux optocoupleurs sont utilisés pour l'entrée CA et deux optocoupleurs sont connectés en parallèle de manière inversée. Dans les demi-cycles positifs et négatifs de l'alimentation commerciale, les deux optocoupleurs sont allumés tour à tour. Lorsque l'alimentation commerciale n'est pas au point de passage à zéro, un seul optocoupleur est activé et le niveau bas est émis à ce moment-là. Lorsque le courant commercial passe au passage par zéro, les deux optocoupleurs ne sont pas activés. À ce moment, en raison de l'action de R3, la broche émet un niveau élevé, obtenant ainsi un signal d'impulsion avec une période fixe à l'extrémité de sortie.

Fig. 7 le circuit de déclenchement du passage à zéro avec optocoupleur

En raison de la transmission unidirectionnelle du signal, l'extrémité d'entrée et l'extrémité de sortie sont complètement isolées électriquement, avec une forte capacité anti-interférence, une longue durée de vie et une efficacité de transmission élevée. Les optocoupleurs sont largement utilisés dans l'isolation des signaux, les circuits de commutation, l'amplification d'impulsions, les relais statiques (SSR) et d'autres circuits.Dans l'application d'une charge CA, l'optocoupleur et le thyristor bidirectionnel forment un circuit d'isolation doté d'une forte capacité anti-interférence.Les optocoupleurs peuvent isoler différents modules de circuit dans l'alimentation à découpage.Pour la stabilisation de la tension du circuit, un optocoupleur linéaire peut être utilisé dans un circuit de modulation de largeur d'impulsion (PWM) pour former un circuit de retour d'optocoupleur, et le rapport cyclique peut être modifié en ajustant le courant au niveau de la borne de commande pour atteindre l'objectif d'une stabilisation précise de la tension.En raison de sa large application dans les produits médicaux, la qualité de l'optocoupleur a une grande influence sur l'alimentation à découpage médicale. Afin d'éviter la défaillance du circuit causée par la dégradation des performances de l'optocoupleur et de garantir la stabilité et la sécurité des produits médicaux, des produits optocoupleurs fiables doivent être sélectionnés.De plus, afin de choisir ou de construire un bon système d'alimentation pour les équipements médicaux, nous devons veiller à améliorer la compatibilité électromagnétique et la capacité d'interférence anti-électromagnétique de l'alimentation. Principalement de la conception et de la disposition des PCB, du blindage électromagnétique, des tests et de la certification. Pour la conception de PCB, le point principal est l’isolation de puissance et le cœur est le choix de l’optocoupleur. À partir de ces aspects, nous pouvons développer et choisir l'optocoupleur approprié. Consultez cet article pour savoir comment le choisir.