Analisis isolasi daya alat kesehatan

Hubungan antara peralatan medis dengan diagnosis dan pengobatan medis modern semakin erat. Peralatan medis apa pun tidak lepas dari pasokan listrik yang aman dan stabil, dan sebagian besar merupakan peralihan pasokan listrik. Apakah suatu alat kesehatan dapat memberikan efisiensi maksimumnya tidak hanya berkaitan langsung dengan kinerja teknis mesin itu sendiri, tetapi juga berkaitan dengan kualitas pasokan listrik. Kualitas pasokan listrik akan secara langsung mempengaruhi stabilitas dan keandalan peralatan medis. Produk dengan pasokan listrik di bawah standar dapat menyebabkan kecelakaan besar pada peralatan medis dan kerugian ekonomi yang besar.

Isolasi keselamatan adalah perbedaan penting antara pasokan listrik komersial dan pasokan listrik medis. Peralatan kesehatan umum dibagi menjadi dua kategori berdasarkan pasokan listriknya, seperti terlihat pada Gambar 1 dan Gambar 2. Peralatan medis kelas I (kotak logam) dan peralatan medis kelas II (kotak plastik). Kecuali beberapa instrumen eksperimental dan analitis, sebagian besar peralatan medis dipasang di dekat titik perawatan, dekat dengan manusia, dan cangkangnya sering disentuh. Ada berbagai macam komponen kuat dan lemah dalam peralatan medis. Jika terjadi masalah pada isolasi antara komponen kuat dan lemah atau isolasi bahan cangkang maka akan sangat berbahaya sehingga diperlukan desain isolasi.

Gambar 1 Struktur kelistrikan alat kesehatan kelas I Gambar 2 Struktur kelistrikan alat kesehatan kelas II

Modul yang berbeda dalam peralatan memerlukan tingkat isolasi yang berbeda: isolasi fungsional, isolasi dasar, isolasi ganda, dan isolasi yang ditingkatkan.

Isolasi fungsional mengacu pada isolasi aplikasi fungsional sinyal atau catu daya antara sistem tegangan, hanya untuk modul lintas fungsi;

Isolasi pada dasarnya adalah isolasi fungsional+perlindungan sengatan listrik;

Isolasi ganda mengadopsi sistem dengan isolasi dasar (perlindungan tingkat dasar terhadap sengatan listrik), dan lapisan isolasi tambahan ditambahkan antara komponen listrik dan pengguna akhir untuk memperkuat perlindungan fisik, sehingga mengurangi kemungkinan sengatan listrik ketika dasar isolasi gagal;

Efek isolasi dari isolasi yang ditingkatkan terkait dengan isolasi ganda, tetapi hanya diperlukan satu shell. Ini adalah dekorasi isolasi dasar dengan karakteristik isolasi yang ditingkatkan, yang dapat memanfaatkan isolasi fisik antara tata letak papan sirkuit tercetak, kabel inti, belitan dan pin bagian, dll., dan pada saat yang sama memenuhi persyaratan jarak rambat yang aman dan kelistrikan. jarak bebas (yaitu jarak fisik antara dua sistem tegangan).
Oleh karena itu, desain isolasi yang ditingkatkan memiliki isolasi ganda, tetapi hanya diperlukan satu titik uji.Isolasi ganda dan isolasi yang ditingkatkan umumnya berlaku untuk produk yang menggunakan steker AC tanpa pin ground untuk menyambungkan catu daya, seperti peralatan medis portabel (misalnya, pompa infus dan stekernya pada Gambar 3).

Gambar 3

Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1 dan Gambar 2, menurut standar keselamatan pasokan listrik medis, persyaratan isolasi peralatan untuk perlindungan pasien adalah sebagai berikut. (1)L, N←→ bagian aplikasi: insulasi ganda atau diperkuat, kekuatan dielektrik AC 4000 V, jarak bebas listrik 5 mm, jarak rambat 8mm; (2)L, N←→ cangkang logam: insulasi dasar, kekuatan dielektrik AC 1500 V, jarak bebas listrik 2.5 mm, jarak rambat 4 mm

Singkatnya, "isolasi fungsional" dan "isolasi dasar" (yaitu isolasi kelas I) secara elektrik mengisolasi satu rel tegangan dari yang lain, sedangkan "isolasi ganda" dan "isolasi yang ditingkatkan" memberikan dua solusi dalam situasi berbeda untuk tujuan desain yang sama (yaitu isolasi kelas II). Produk kelas I dan produk kelas II sebaiknya memilih dua jenis metode isolasi.Struktur internal catu daya switching medis dibagi sesuai standar, dan kekuatan dielektrik, jarak rambat listrik, dan jarak rambat dari berbagai bagian perlu dirancang sesuai dengan kebutuhan.Dalam hal pengujian keselamatan, catu daya peralatan medis umum harus disertifikasi oleh UL60601-1, C-UL, EN60601-1, dll. Terminal masukan harus memiliki tegangan isolasi lebih dari 4,000V, dan arus floor drain harus rendah, yang memenuhi persyaratan jarak rambat keselamatan. Namun, insulasi ganda diperlukan untuk bagian bertegangan tinggi, terutama untuk bagian yang kemungkinan bersentuhan dengan cangkang peralatan, desain insulasi dan isolasi harus diperkuat.

Gambar 4 dan gambar. Gambar 5 menunjukkan struktur kelistrikan dari dua jenis catu daya. Menurut standar catu daya medis (standar GB 9706.1-2007), parameter isolasi catu daya medis dengan struktur ditunjukkan pada gambar. 4 dan gambar. 5 adalah kekuatan dielektrik E1 AC 1500 V, jarak bebas listrik 2.5 mm dan jarak rambat 4 mm；; E3— kekuatan dielektrik AC 4 000 V, jarak bebas listrik 5 mm, jarak rambat 8 mm；; E4— kekuatan dielektrik AC 500 V. Relatif: kapasitor C1-Y2, kapasitor C2-X2, setara C3 dengan kapasitor seri Y1 ganda.

Gambar 4 struktur kelistrikan catu daya kelas I

Gambar 5 Struktur Kelistrikan Catu Daya Kelas II

Parameter persyaratan isolasi ini mengharuskan perancang untuk memastikan bahwa perangkat dengan margin yang sesuai dipilih sejak awal pemilihan perangkat.Selain itu, dari segi jenis pasokan listrik, peralatan kesehatan dalam negeri sebagian besar ditenagai listrik 220V. Karena kebutuhan pasokan listrik dari berbagai jenis peralatan medis, struktur pasokan listrik terpusat adalah yang paling banyak digunakan saat ini. Artinya, konverter daya terpusat menghasilkan tegangan keluaran yang diperlukan dari berbagai tingkat tegangan.

Karena biayanya yang rendah, efisiensi tinggi, tegangan keluaran yang dapat disesuaikan, kebisingan keluaran rendah, dan respons dinamis yang cepat, ini sangat cocok untuk peralatan medis, dan ini adalah mode catu daya yang paling banyak digunakan untuk peralatan medis saat ini. Yaitu, seperti yang ditunjukkan pada gambar. 6, peralihan catu daya peralatan medis melibatkan AC/DC dan DC/DC.Input konverter AC/DC catu daya primer adalah arus bolak-balik 50/60Hz dan 220V, yang harus disearahkan dan disaring. Kapasitor elektrolitik penyaringan besar sangat diperlukan, dan input AC harus ditambahkan dengan filter EMC dan perangkat yang menggunakan standar keselamatan.Konverter DC/DC dari catu daya sekunder digunakan untuk konversi daya, yang merupakan bagian inti dari peralihan catu daya.

Selain itu, ada sirkuit seperti start-up, proteksi arus lebih dan tegangan lebih, penyaringan kebisingan, dll. Rangkaian sampling mendeteksi perubahan tegangan keluaran dan membandingkannya dengan tegangan referensi. Tegangan kesalahan diperkuat dan rangkaian modulasi lebar pulsa (PWM), dan kemudian siklus kerja perangkat daya dikendalikan oleh rangkaian penggerak, untuk menyesuaikan tegangan keluaran. Struktur dasarnya ditunjukkan pada Gambar 6.

Gambar 6 Struktur dasar saklar peralatan medis

Rangkaian input umumnya meliputi saklar, sekring, rangkaian anti interferensi AC dan rangkaian soft start.

Rangkaian soft start merupakan salah satu rangkaian proteksi switching catu daya. Sebagian besar rangkaian masukan catu daya switching dirancang dengan rangkaian penyearah dan penyaringan kapasitor. Karena tegangan awal pada kapasitor adalah 0, maka akan terbentuk arus lonjakan sesaat yang besar. Oleh karena itu, switching power supply peralatan medis umumnya dilengkapi dengan rangkaian soft start untuk mencegah lonjakan arus pada rangkaian input.

Rangkaian soft-start yang umum meliputi rangkaian arus anti lonjakan termistor, rangkaian SCR-R, rangkaian yang terdiri dari relai dan resistor, rangkaian yang menggunakan pemicu waktu dan resistor pembatas arus, dan rangkaian yang terdiri dari thyristor berpasangan foto dan thyristor dua arah yang dipicu oleh persilangan nol.

Salah satu rangkaian untuk mewujudkan pemicu zero-crossing ditunjukkan pada Gambar 7. Dua optokopler digunakan untuk input AC, dan dua optokopler dihubungkan terbalik secara paralel. Dalam setengah siklus positif dan negatif dari daya komersial, kedua optocoupler dihidupkan secara bergantian. Ketika daya komersial tidak berada pada titik persilangan nol, hanya satu pengkopling-optik yang dihidupkan, dan tingkat rendah dikeluarkan pada saat ini. Ketika listrik komersial beralih ke zero-crossing, kedua optocoupler tidak dihidupkan. Pada saat ini, karena aksi R3, pin mengeluarkan tingkat tinggi, sehingga memperoleh sinyal pulsa dengan periode tetap pada ujung keluaran.

Gambar 7 rangkaian trigger zero-crossing dengan optocoupler

Karena transmisi sinyal searah, ujung masukan dan ujung keluaran sepenuhnya terisolasi secara elektrik, dengan kemampuan anti-interferensi yang kuat, masa pakai yang lama, dan efisiensi transmisi yang tinggi. Optocoupler banyak digunakan dalam isolasi sinyal, rangkaian switching, amplifikasi pulsa, solid state relay (SSR) dan rangkaian lainnya.Dalam penerapan beban AC, optocoupler dan thyristor dua arah membentuk rangkaian isolasi dengan kemampuan anti-interferensi yang kuat.Optocoupler dapat mengisolasi modul sirkuit yang berbeda dalam catu daya switching.Untuk stabilisasi tegangan rangkaian, optocoupler linier dapat digunakan dalam rangkaian modulasi lebar pulsa (PWM) untuk membentuk rangkaian umpan balik optocoupler, dan rasio tugas dapat diubah dengan menyesuaikan arus pada terminal kontrol untuk mencapai tujuan stabilisasi tegangan yang tepat.Karena penerapannya yang luas dalam produk medis, kualitas optocoupler mempunyai pengaruh besar pada catu daya switching medis. Untuk menghindari kegagalan sirkuit yang disebabkan oleh penurunan kinerja optokopler dan menjamin stabilitas dan keamanan produk medis, produk optokopler yang andal harus dipilih.Selain itu, untuk memilih atau membangun sistem catu daya yang baik untuk peralatan medis, kita harus memperhatikan peningkatan kompatibilitas elektromagnetik dan kemampuan interferensi anti-elektromagnetik dari catu daya. Terutama dari desain dan tata letak PCB, pelindung elektromagnetik, pengujian dan sertifikasi. Untuk desain PCB, poin utamanya adalah isolasi daya, dan intinya adalah pilihan optocoupler. Dari aspek tersebut, kita dapat memperluas dan memilih optocoupler yang sesuai. Lihat artikel ini untuk mengetahui cara memilihnya.