Il rapporto tra le apparecchiature mediche e la diagnosi e la cura medica moderna è sempre più stretto. Qualsiasi apparecchiatura medica non può essere separata da un'alimentazione elettrica sicura e stabile e la maggior parte di esse utilizza alimentatori a commutazione. Il fatto che un dispositivo medico possa esercitare la sua massima efficienza non è direttamente correlato solo alle prestazioni tecniche della macchina stessa, ma anche alla qualità dell'alimentazione elettrica. La qualità dell'alimentazione influirà direttamente sulla stabilità e sull'affidabilità delle apparecchiature mediche. I prodotti con un'alimentazione elettrica scadente possono causare gravi incidenti alle apparecchiature mediche e ingenti perdite economiche.

L'isolamento di sicurezza è una differenza importante tra il comune alimentatore commerciale e l'alimentatore medicale. Le apparecchiature mediche generali sono suddivise in due categorie in base all'alimentazione, come mostrato nella Figura 1 e nella Figura 2. Apparecchiature mediche di Classe I (custodia in metallo) e apparecchiature mediche di Classe II (custodia in plastica). Ad eccezione di alcuni strumenti sperimentali e analitici, la maggior parte delle apparecchiature mediche è installata vicino al punto di trattamento, che è vicino alle persone, e il guscio viene spesso toccato. Nelle apparecchiature mediche sono presenti tutti i tipi di componenti forti e deboli. Se c'è un problema nell'isolamento tra i componenti forti e deboli o nell'isolamento dei materiali del guscio, sarà molto pericoloso, quindi è necessaria la progettazione dell'isolamento.

Figura 1 Struttura elettrica delle apparecchiature mediche di classe I. Figura 2 Struttura elettrica delle apparecchiature mediche di classe II

I diversi moduli dell'apparecchiatura necessitano di diversi livelli di isolamento: isolamento funzionale, isolamento di base, doppio isolamento e isolamento avanzato.

L'isolamento funzionale si riferisce all'isolamento applicativo funzionale di segnali o alimentazioni tra sistemi di tensione, solo per moduli interfunzionali;

L'isolamento è fondamentalmente isolamento funzionale+protezione da scosse elettriche;

Il doppio isolamento adotta un sistema con isolamento di base (livello base di protezione contro le scosse elettriche) e viene aggiunto uno strato isolante ausiliario tra i componenti elettrici e l'utente finale per rafforzare la protezione fisica, in modo da ridurre la possibilità di scosse elettriche durante l'isolamento di base non riesce;

L'effetto di isolamento dell'isolamento potenziato è correlato al doppio isolamento, ma è necessaria solo una singola shell. Si tratta di una decorazione isolante di base con caratteristiche di isolamento migliorate, che può sfruttare l'isolamento fisico tra il layout del circuito stampato, i fili centrali, gli avvolgimenti e i pin delle parti, ecc., e allo stesso tempo soddisfare i requisiti di distanza di sicurezza e di isolamento elettrico distanza di sicurezza (ovvero la distanza fisica tra due sistemi di tensione).
Pertanto, la progettazione dell'isolamento potenziato prevede un doppio isolamento, ma è necessario un solo punto di test.Il doppio isolamento e l'isolamento potenziato sono generalmente applicabili ai prodotti che utilizzano spine CA senza pin di messa a terra per collegare l'alimentazione, come le apparecchiature mediche portatili (ad esempio, la pompa per infusione e la relativa spina nella Figura 3).

Figure 3

Come mostrato nella Figura 1 e nella Figura 2, secondo lo standard di sicurezza dell'alimentazione medicale, i requisiti di isolamento delle apparecchiature per la protezione del paziente sono i seguenti. (1)L, N←→ parte applicata: isolamento doppio o rinforzato, rigidità dielettrica AC 4000 V, distanza elettrica 5 mm, distanza superficiale 8 mm; (2)L, N←→ guscio metallico: isolamento di base, rigidità dielettrica CA 1500 V, distanza elettrica 2.5 mm, distanza superficiale 4 mm

Per riassumere, "isolamento funzionale" e "isolamento di base" (ovvero isolamento di classe I) isolano elettricamente un binario di tensione da un altro, mentre "doppio isolamento" e "isolamento migliorato" forniscono due soluzioni in situazioni diverse per lo stesso obiettivo di progettazione (ovvero isolamento di classe II). I prodotti di classe I e i prodotti di classe II dovrebbero scegliere due tipi di metodi di isolamento.La struttura interna dell'alimentatore switching medicale è suddivisa in base allo standard e la rigidità dielettrica, l'isolamento elettrico e la distanza di dispersione delle diverse parti devono essere progettate in base ai requisiti.In termini di test di sicurezza, l'alimentazione delle apparecchiature mediche generali deve essere certificata da UL60601-1, C-UL, EN60601-1, ecc. Il terminale di ingresso deve avere una tensione di isolamento superiore a 4,000 V e la corrente di scarico a pavimento deve essere bassa, in modo da soddisfare i requisiti di distanza di sicurezza. Tuttavia, è necessario un doppio isolamento per la parte ad alta tensione, in particolare per la parte che potrebbe entrare in contatto con l'involucro dell'apparecchiatura, il design dell'isolamento e dell'isolamento deve essere rafforzato.

Fig. 4 e fig. 5 mostrano le strutture elettriche di due tipologie di alimentatori. Secondo lo standard sugli alimentatori medicali (standard GB 9706.1-2007), i parametri di isolamento degli alimentatori medicali con le strutture mostrate in fig. 4 e fig. 5 sono E1-rigidità dielettrica AC 1500 V, distanza elettrica 2.5 mm e distanza superficiale 4 mm; E3— rigidità dielettrica CA 4 000 V, distanza elettrica 5 mm, distanza superficiale 8 mm; E4— rigidità dielettrica CA 500 V. Relativo: condensatore C1-Y2, condensatore C2-X2, condensatore C3 equivalente al doppio condensatore in serie Y1.

Fig. 4 struttura elettrica dell'alimentatore di classe I

Figura 5 Struttura elettrica dell'alimentatore di classe II

Questi parametri dei requisiti di isolamento impongono ai progettisti di garantire che i dispositivi con margini adeguati siano selezionati fin dall'inizio della selezione del dispositivo.Inoltre, in termini di tipologie di alimentazione, le apparecchiature mediche domestiche sono per lo più alimentate dalla rete a 220V. A causa dei requisiti di alimentazione di vari tipi di apparecchiature mediche, la struttura di alimentazione centralizzata è attualmente quella più utilizzata. Cioè, un convertitore di potenza centralizzato genera le tensioni di uscita richieste di vari livelli di tensione.

Grazie al suo basso costo, all'elevata efficienza, alla tensione di uscita regolabile, al basso rumore di uscita e alla risposta dinamica rapida, è molto adatto per apparecchiature mediche ed è attualmente la modalità di alimentazione più utilizzata per le apparecchiature mediche. Cioè, come mostrato in fig. 6, l'alimentazione elettrica commutata delle apparecchiature mediche utilizza CA/CC e CC/CC.L'ingresso del convertitore CA/CC dell'alimentazione primaria è una corrente alternata di 50/60 Hz e 220 V, che deve essere raddrizzata e filtrata. È indispensabile un condensatore elettrolitico di filtraggio di grandi dimensioni e l'ingresso CA deve essere aggiunto con filtro EMC e dispositivi che utilizzino standard di sicurezza.Il convertitore DC/DC dell'alimentazione secondaria viene utilizzato per la conversione di potenza, che è la parte principale dell'alimentatore switching.

Inoltre, sono presenti circuiti come l'avvio, la protezione da sovracorrente e sovratensione, il filtraggio del rumore, ecc. Il circuito di campionamento rileva la variazione della tensione di uscita e la confronta con la tensione di riferimento. La tensione di errore viene amplificata e il circuito PWM (modulazione di larghezza di impulso), quindi il ciclo di lavoro del dispositivo di potenza viene controllato dal circuito di pilotaggio, in modo da regolare la tensione di uscita. La struttura di base è mostrata nella Figura 6.

Figura 6 Struttura di base dell'interruttore per apparecchiature mediche

Il circuito di ingresso generalmente comprende interruttore, fusibile, circuito anti-interferenza CA e circuito di avvio graduale.

Il circuito di avvio graduale è uno dei circuiti di protezione dell'alimentatore switching. La maggior parte dei circuiti di ingresso dell'alimentatore switching sono progettati mediante un circuito di raddrizzatore e di filtraggio del condensatore. Poiché la tensione iniziale sul condensatore è 0, si formerà una grande corrente transitoria istantanea. Per questo motivo, l'alimentatore switching delle apparecchiature mediche è generalmente dotato di un circuito di avvio graduale per prevenire picchi di corrente nel circuito di ingresso.

I circuiti soft-start più comuni includono circuiti anti-sovracorrente con termistore, circuiti SCR-R, circuiti composti da relè e resistore, circuiti che utilizzano un trigger di temporizzazione e un resistore limitatore di corrente e circuiti composti da tiristori fotoaccoppiati e tiristori bidirezionali attivati dal passaggio per lo zero.

Uno dei circuiti per realizzare il trigger del passaggio per lo zero è mostrato nella Figura 7. Due fotoaccoppiatori vengono utilizzati per l'ingresso CA e due fotoaccoppiatori sono collegati in parallelo in modo inverso. Nei semicicli positivi e negativi della potenza commerciale, i due optoaccoppiatori vengono accesi alternativamente. Quando l'alimentazione commerciale non è al punto di passaggio per lo zero, viene acceso solo un fotoaccoppiatore e in questo momento viene emesso il livello basso. Quando l'alimentazione commerciale passa al passaggio per lo zero, entrambi i fotoaccoppiatori non sono accesi. In questo momento, a causa dell'azione di R3, il pin emette un livello alto, ottenendo così un segnale a impulsi con un periodo fisso all'estremità di uscita.

Fig. 7 il circuito del trigger a passaggio per lo zero con accoppiatore ottico

A causa della trasmissione unidirezionale del segnale, l'estremità di ingresso e l'estremità di uscita sono completamente isolate elettricamente, con forte capacità anti-interferenza, lunga durata ed elevata efficienza di trasmissione. Gli optoaccoppiatori sono ampiamente utilizzati nell'isolamento dei segnali, nei circuiti di commutazione, nell'amplificazione degli impulsi, nei relè a stato solido (SSR) e in altri circuiti.Nell'applicazione del carico CA, l'accoppiatore ottico e il tiristore bidirezionale formano un circuito di isolamento con forte capacità anti-interferenza.Gli optoaccoppiatori possono isolare diversi moduli di circuito nell'alimentatore switching.Per la stabilizzazione della tensione del circuito, il fotoaccoppiatore lineare può essere utilizzato nel circuito di modulazione della larghezza di impulso (PWM) per formare un circuito di feedback del fotoaccoppiatore e il rapporto di lavoro può essere modificato regolando la corrente sul terminale di controllo per raggiungere lo scopo di una precisa stabilizzazione della tensione.A causa della sua ampia applicazione nei prodotti medicali, la qualità dell'accoppiatore ottico ha una grande influenza sull'alimentatore switching medicale. Per evitare guasti al circuito causati dal degrado delle prestazioni del fotoaccoppiatore e garantire la stabilità e la sicurezza dei prodotti medici, è necessario selezionare prodotti fotoaccoppiatori affidabili.Inoltre, per scegliere o costruire un buon sistema di alimentazione per apparecchiature mediche, dobbiamo prestare attenzione al miglioramento della compatibilità elettromagnetica e della capacità di interferenza anti-elettromagnetica dell'alimentatore. Principalmente dalla progettazione e layout del PCB, schermatura elettromagnetica, test e certificazione. Per la progettazione PCB, il punto principale è l'isolamento dell'alimentazione e il fulcro è la scelta del fotoaccoppiatore. Da questi aspetti possiamo espandere e scegliere l'accoppiatore ottico appropriato. Vedi questo articolo per sapere come sceglierlo.