ניתוח בידוד מתח של מכשור רפואי

הקשר בין ציוד רפואי לאבחון וטיפול רפואי מודרני הולך ומתקרב. כל ציוד רפואי לא ניתן להפרדה מאספקת חשמל בטוחה ויציבה, ורובם הם ספקי כוח מחליפים. האם מכשיר רפואי יכול להפעיל את היעילות המקסימלית שלו אינה קשורה רק לביצועים הטכניים של המכונה עצמה, אלא גם לאיכות אספקת החשמל. איכות אספקת החשמל תשפיע ישירות על היציבות והאמינות של הציוד הרפואי. מוצרים עם אספקת חשמל לא תקינה עלולים להוביל לתאונות ציוד רפואי גדולות ולהפסדים כלכליים אדירים.

בידוד בטיחותי הוא הבדל חשוב בין ספק כוח מסחרי נפוץ לספק כוח רפואי. ציוד רפואי כללי מחולק לשתי קטגוריות המבוססות על אספקת חשמל, כפי שמוצג באיור 1 ובאיור 2. ציוד רפואי Class I (מארז מתכת) וציוד רפואי Class II (מארז פלסטיק). מלבד כמה מכשירים ניסיוניים ואנליטיים, רוב הציוד הרפואי מותקן ליד נקודת הטיפול, הקרובה לאנשים, ולעתים קרובות נוגעים בקליפה. יש כל מיני רכיבים חזקים וחלשים בציוד רפואי. אם יש בעיה בבידוד בין רכיבים חזקים לחלשים או בידוד של חומרי מעטפת, זה יהיה מסוכן מאוד, ולכן יש צורך בתכנון בידוד.

איור 1 מבנה חשמלי של ציוד רפואי מסוג I איור 2 מבנה חשמלי של ציוד רפואי Class II

מודולים שונים בציוד זקוקים לרמות שונות של בידוד: בידוד פונקציונלי, בידוד בסיסי, בידוד כפול ובידוד משופר.

בידוד פונקציונלי מתייחס לבידוד היישום הפונקציונלי של אותות או ספקי כוח בין מערכות מתח, רק עבור מודולים צולבים;

בידוד הוא בעצם בידוד פונקציונלי+הגנה מפני זעזועים חשמליים;

בידוד כפול מאמצת מערכת עם בידוד בסיסי (רמת הגנה בסיסית מפני התחשמלות), ומתווספת שכבת בידוד עזר בין הרכיבים החשמליים למשתמש הקצה כדי לחזק את ההגנה הפיזית, על מנת להפחית את האפשרות להתחשמלות בעת בידוד בסיסי. נכשל;

השפעת הבידוד של בידוד משופר קשורה לבידוד כפול, אך יש צורך במעטפת בודדת בלבד. זהו עיטור בידוד בסיסי עם מאפייני בידוד משופרים, שיכול לעשות שימוש בבידוד הפיזי בין פריסת מעגלים מודפסים, חוטי ליבה, פיתולים ופינים של חלקים וכו', ובו זמנית לעמוד בדרישות של מרחק זחילה בטוח וחשמלי מרחק מרווח (כלומר המרחק הפיזי בין שתי מערכות מתח).
לכן, לתכנון של בידוד משופר יש בידוד כפול, אך יש צורך בנקודת בדיקה אחת בלבד.בידוד כפול ובידוד משופר ישימים בדרך כלל למוצרים המשתמשים בתקעי AC ללא פיני הארקה לחיבור ספק הכוח, כגון ציוד רפואי נייד (לדוגמה, משאבת העירוי והתקע שלה באיור 3).

איור 3

כפי שמוצג באיור 1 ובאיור 2, על פי תקן הבטיחות של אספקת חשמל רפואית, דרישות הבידוד של ציוד להגנה על המטופל הן כדלקמן. (1)L, N←→ חלק יישום: בידוד כפול או מחוזק, חוזק דיאלקטרי AC 4000 V, מרווח חשמלי 5 מ"מ, מרחק זחילה 8 מ"מ; (2)L, N←→ מעטפת מתכת: בידוד בסיסי, חוזק דיאלקטרי AC 1500 V, מרווח חשמלי 2.5 מ"מ, מרחק זחילה 4 מ"מ

לסיכום, "בידוד פונקציונלי" ו"בידוד בסיסי" (כלומר בידוד בדרגה I) מבודדים חשמלית מסילת מתח אחת מהשנייה, בעוד ש"בידוד כפול" ו"בידוד משופר" מספקים שני פתרונות במצבים שונים לאותה מטרה עיצובית (כלומר. בידוד מחלקה II). מוצרי Class I ומוצרים Class II צריכים לבחור בשני סוגים של שיטות בידוד.המבנה הפנימי של ספק כוח מיתוג רפואי מחולק לפי התקן, ויש לתכנן את החוזק הדיאלקטרי, המרווח החשמלי ומרחק הזחילה של חלקים שונים בהתאם לדרישות.מבחינת בדיקות בטיחות, אספקת החשמל של ציוד רפואי כללי חייב להיות מאושר על ידי UL60601-1, C-UL, EN60601-1 וכו'. למסוף הכניסה חייב להיות מתח בידוד של יותר מ-4,000V, וזרם הניקוז הרצפה צריך להיות נמוך, מה שעומד בדרישות של מרחק זחילה בטיחותי. עם זאת, נדרש בידוד כפול לחלק במתח גבוה, במיוחד עבור החלק שעלול ליצור קשר עם מעטפת הציוד, יש לחזק את תכנון הבידוד והבידוד.

איור 4 ואיור. 5 מציגים את המבנים החשמליים של שני סוגים של ספקי כוח. על פי תקן אספקת הכוח הרפואי (תקן GB 9706.1-2007), פרמטרי הבידוד של ספקי הכוח הרפואיים עם המבנים המוצגים באיור. 4 ואיור. 5 הם חוזק דיאלקטרי E1 AC 1500 V, מרווח חשמלי 2.5 מ"מ ומרחק זחילה 4 מ"מ; E3— חוזק דיאלקטרי AC 4 V, מרווח חשמלי 000 מ"מ, מרחק זחילה 5 מ"מ;; E4— חוזק דיאלקטרי AC 500 V. יחסית: קבל C1-Y2, קבל C2-X2, C3-שווה ערך לקבלים מסדרת Y1 כפולה.

איור 4 מבנה חשמלי של ספק כוח מסוג I

איור 5 מבנה חשמלי של ספק כוח Class II

פרמטרים אלה של דרישות בידוד דורשים מהמעצבים להבטיח שמכשירים עם שוליים מתאימים ייבחרו מתחילת בחירת המכשיר.בנוסף, מבחינת סוגי אספקת החשמל, ציוד רפואי ביתי מופעל ברובו על ידי רשת 220V. בשל דרישות אספקת החשמל של סוגים שונים של ציוד רפואי, מבנה אספקת חשמל מרכזי הוא המבנה הנפוץ ביותר כיום. כלומר, ממיר מתח מרכזי מייצר את מתחי המוצא הנדרשים ברמות מתח שונות.

בגלל העלות הנמוכה שלו, היעילות הגבוהה, מתח המוצא המתכוונן, רעש הפלט הנמוך והתגובה הדינמית המהירה שלו, הוא מתאים מאוד לציוד רפואי, וזהו מצב אספקת החשמל הנפוצה ביותר לציוד רפואי כיום. כלומר, כפי שמוצג באיור. 6, מיתוג אספקת החשמל של ציוד רפואי כולל AC/DC ו-DC/DC.הקלט של ממיר AC/DC של ספק הכוח הראשוני הוא 50/60Hz וזרם חילופין 220V, אותו יש לתקן ולסנן. קבל אלקטרוליטי גדול לסינון הוא הכרחי, ויש להוסיף את כניסת AC עם מסנן EMC והתקנים המשתמשים בתקני בטיחות.ממיר ה-DC/DC של ספק הכוח המשני משמש להמרת הספק, שהוא החלק המרכזי של מיתוג אספקת החשמל.

בנוסף, ישנם מעגלים כמו התנעה, הגנת זרם יתר ומתח יתר, סינון רעשים וכו'. מעגל הדגימה מזהה את השינוי במתח המוצא ומשווה אותו למתח הייחוס. מתח השגיאה מוגבר ומאופנן ברוחב הדופק (PWM), ולאחר מכן מחזור העבודה של התקן הכוח נשלט על ידי מעגל ההנעה, כדי להתאים את מתח המוצא. המבנה הבסיסי מוצג באיור 6.

איור 6 מבנה בסיסי של מתג ציוד רפואי

מעגל הקלט כולל בדרך כלל מתג, נתיך, מעגל AC נגד הפרעות ומעגל התחלה רכה.

מעגל התחלה רכה הוא אחד ממעגלי ההגנה של מיתוג ספק כוח. רוב מעגלי הקלט של מיתוג אספקת החשמל מתוכננים על ידי מעגל יישור וסינון קבלים. מכיוון שהמתח ההתחלתי על הקבל הוא 0, יווצר זרם נחשול מיידי גדול. מסיבה זו, ספק הכוח המיתוג של ציוד רפואי מצויד בדרך כלל במעגל התחלה רכה כדי למנוע זרם נחשול במעגל הקלט.

מעגלים נפוצים של אתחול רך כוללים מעגל תרמיסטור נגד נחשולי זרם, מעגל SCR-R, מעגל המורכב מממסר ונגד, מעגל המשתמש בטריגר תזמון ונגד מגביל זרם, ומעגל המורכב מתיריסטור מצומד פוטוכימי ותריסטור דו-כיווני המופעלים על ידי חציית אפס.

אחד המעגלים למימוש הדק חציית אפס מוצג באיור 7. שני מצמדים אופטיים משמשים לכניסת AC, ושני מצמדים אופטיים מחוברים הפוך במקביל. בחצי המחזור החיובי והשלילי של ההספק המסחרי, שני המצמדים האופטיים מופעלים בתורם. כאשר הכוח המסחרי אינו בנקודת האפס, רק מצמד אופטו אחד מופעל, והרמה הנמוכה מופקת בשלב זה. כאשר הכוח המסחרי פונה למעבר האפס, שני המצמדים האופטיים אינם מופעלים. בשלב זה, עקב פעולת R3, הפין מוציא רמה גבוהה, ובכך משיג אות פולס עם תקופה קבועה בקצה הפלט.

איור 7 המעגל של הדק חציית אפס עם מצמד אופטו

בשל העברת אותות חד-כיוונית, קצה הקלט וקצה המוצא מבודדים חשמלית לחלוטין, עם יכולת אנטי-הפרעות חזקה, חיי שירות ארוכים ויעילות שידור גבוהה. מצמדים אופטיים נמצאים בשימוש נרחב בבידוד אותות, מעגלי מיתוג, הגברת דופק, ממסר מצב מוצק (SSR) ומעגלים אחרים.ביישום עומס AC, מצמד אופטו ותיריסטור דו-כיווני יוצרים מעגל בידוד עם יכולת אנטי-הפרעות חזקה.מצמדים אופטיים יכולים לבודד מודולי מעגלים שונים בספק הכוח הממותג.עבור ייצוב מתח מעגל, ניתן להשתמש במצמד אופטו ליניארי במעגל אפנון רוחב דופק (PWM) ליצירת מעגל משוב מצמד אופטו, וניתן לשנות את יחס החובה על ידי התאמת הזרם במסוף הבקרה כדי להשיג את המטרה של ייצוב מתח מדויק.בגלל היישום הרחב שלו במוצרים רפואיים, לאיכות המצמד האופטו יש השפעה רבה על אספקת הכוח המיתוג הרפואי. על מנת למנוע כשל במעגל שנגרם כתוצאה מהדרדרות של ביצועי המצמד האופטו ולהבטיח את היציבות והבטיחות של מוצרים רפואיים, יש לבחור במוצרי מצמד אופטו אמינים.בנוסף, על מנת לבחור או לבנות מערכת אספקת חשמל טובה לציוד רפואי, עלינו לשים לב לשיפור התאימות האלקטרומגנטית ויכולת ההפרעות האנטי אלקטרומגנטיות של ספק הכוח. בעיקר מתכנון ופריסה של PCB, מיגון אלקטרומגנטי, בדיקה והסמכה. עבור עיצוב PCB, הנקודה העיקרית היא בידוד מתח, והליבה היא הבחירה של מצמד אופטו. מהיבטים אלו, נוכל להרחיב ולבחור את המצמד האופטו המתאים. עיין במאמר זה כיצד לבחור אותו.