De relatie tussen medische apparatuur en moderne medische diagnose en behandeling wordt steeds nauwer. Medische apparatuur kan niet worden losgekoppeld van een veilige en stabiele stroomvoorziening, en de meeste daarvan zijn schakelende voedingen. Of een medisch apparaat zijn maximale efficiëntie kan uitoefenen, hangt niet alleen direct samen met de technische prestaties van de machine zelf, maar ook met de kwaliteit van de stroomvoorziening. De kwaliteit van de stroomvoorziening zal rechtstreeks van invloed zijn op de stabiliteit en betrouwbaarheid van medische apparatuur. Producten met een ondermaatse stroomvoorziening kunnen leiden tot grote ongelukken met medische apparatuur en enorme economische verliezen.

Veiligheidsisolatie is een belangrijk verschil tussen gewone commerciële stroomvoorziening en medische stroomvoorziening. Algemene medische apparatuur is op basis van de stroomvoorziening onderverdeeld in twee categorieën, zoals weergegeven in Figuur 1 en Figuur 2. Medische apparatuur van klasse I (metalen behuizing) en medische apparatuur van klasse II (plastic behuizing). Met uitzondering van enkele experimentele en analytische instrumenten, wordt de meeste medische apparatuur dichtbij het behandelpunt geïnstalleerd, dat is dicht bij de mensen, en wordt de schaal vaak aangeraakt. In medische apparatuur zitten allerlei sterke en zwakke componenten. Als er een isolatieprobleem is tussen sterke en zwakke componenten of isolatie van schaalmaterialen, zal dit zeer gevaarlijk zijn, dus is isolatieontwerp nodig.

Figuur 1 Elektrische structuur van medische apparatuur van klasse I. Figuur 2 Elektrische structuur van medische apparatuur van klasse II

Verschillende modules in de apparatuur hebben verschillende isolatieniveaus nodig: functionele isolatie, basisisolatie, dubbele isolatie en verbeterde isolatie.

Functionele isolatie verwijst naar de functionele applicatie-isolatie van signalen of voedingen tussen spanningssystemen, alleen voor cross-functionele modules;

Isolatie is in feite functionele isolatie + bescherming tegen elektrische schokken;

Bij dubbele isolatie wordt gebruik gemaakt van een systeem met basisisolatie (basisniveau van bescherming tegen elektrische schokken), en er wordt een extra isolatielaag toegevoegd tussen de elektrische componenten en de eindgebruiker om de fysieke bescherming te versterken, om de kans op elektrische schokken te verminderen bij basisisolatie mislukt;

Het isolatie-effect van verbeterde isolatie houdt verband met dubbele isolatie, maar er is slechts één schil nodig. Het is een basisisolatiedecoratie met verbeterde isolatiekenmerken, die gebruik kan maken van de fysieke isolatie tussen de lay-out van de printplaat, kerndraden, wikkelingen en onderdeelpennen, enz., en tegelijkertijd voldoet aan de eisen van veilige kruipafstand en elektrische vrije afstand (dwz de fysieke afstand tussen twee spanningssystemen).
Daarom heeft het ontwerp van verbeterde isolatie dubbele isolatie, maar is er slechts één testpunt nodig.Dubbele isolatie en verbeterde isolatie zijn over het algemeen van toepassing op producten die AC-stekkers gebruiken zonder aardingspinnen om de voeding aan te sluiten, zoals draagbare medische apparatuur (bijvoorbeeld de infuuspomp en de stekker ervan in Figuur 3).

Figuur 3

Zoals weergegeven in Figuur 1 en Figuur 2 zijn, afhankelijk van de veiligheidsnorm van medische stroomvoorziening, de isolatievereisten van apparatuur voor patiëntbescherming als volgt. (1)L, N←→ toepassingsonderdeel: dubbele of versterkte isolatie, diëlektrische sterkte AC 4000 V, elektrische speling 5 mm, kruipafstand 8 mm; (2)L, N←→ metalen omhulsel: basisisolatie, diëlektrische sterkte AC 1500 V, elektrische afstand 2.5 mm, kruipafstand 4 mm

Samenvattend: "functionele isolatie" en "basisisolatie" (dwz klasse I-isolatie) isoleren de ene spanningsrail elektrisch van de andere, terwijl "dubbele isolatie" en "verbeterde isolatie" twee oplossingen bieden in verschillende situaties voor hetzelfde ontwerpdoel (dat wil zeggen klasse II-isolatie). Klasse I-producten en klasse II-producten moeten twee soorten isolatiemethoden kiezen.De interne structuur van de medische schakelende voeding is verdeeld volgens de norm en de diëlektrische sterkte, elektrische speling en kruipafstand van verschillende onderdelen moeten worden ontworpen volgens de vereisten.Wat de veiligheidstests betreft, moet de stroomvoorziening van algemene medische apparatuur gecertificeerd zijn volgens UL60601-1, C-UL, EN60601-1, enz. De ingangsterminal moet een isolatiespanning hebben van meer dan 4,000 V en de stroom van de afvoer in de vloer moet laag zijn, wat voldoet aan de eisen van de veiligheidskruipafstand. Er is echter dubbele isolatie vereist voor het hoogspanningsgedeelte, vooral voor het gedeelte dat waarschijnlijk in contact komt met de behuizing van de apparatuur. De isolatie en het isolatieontwerp moeten worden versterkt.

Afb. 4 en afb. 5 toont de elektrische structuren van twee soorten voedingen. Volgens de standaard voor medische voedingen (GB 9706.1-2007-standaard) zijn de isolatieparameters van de medische voedingen met de structuren getoond in Fig. 4 en afb. 5 zijn E1-diëlektrische sterkte AC 1500 V, elektrische speling 2.5 mm en kruipafstand 4 mm; E3— diëlektrische sterkte AC 4 V, elektrische speling 000 mm, kruipafstand 5 mm; E4— diëlektrische sterkte AC 500 V. Relatief: C1-Y2-condensator, C2-X2-condensator, C3-equivalent aan dubbele Y1-seriecondensator.

Afb. 4 elektrische structuur van klasse I-voeding

Figuur 5 Elektrische structuur van klasse II-voeding

Deze parameters van isolatievereisten vereisen dat ontwerpers ervoor zorgen dat apparaten met de juiste marges worden geselecteerd vanaf het begin van de apparaatselectie.Bovendien wordt huishoudelijke medische apparatuur, wat betreft het type voeding, meestal gevoed door 220V-netspanning. Vanwege de stroomvoorzieningsvereisten van verschillende soorten medische apparatuur is de gecentraliseerde stroomvoorzieningsstructuur momenteel de meest gebruikte structuur. Dat wil zeggen dat een gecentraliseerde stroomomzetter de vereiste uitgangsspanningen van verschillende spanningsniveaus genereert.

Vanwege de lage kosten, het hoge rendement, de instelbare uitgangsspanning, het lage uitgangsgeluid en de snelle dynamische respons is het zeer geschikt voor medische apparatuur en is het momenteel de meest gebruikte voedingsmodus voor medische apparatuur. Dat wil zeggen, zoals weergegeven in Fig. 6, de schakelende voeding van medische apparatuur omvat AC/DC en DC/DC.De ingang van de AC/DC-omzetter van de primaire voeding is 50/60 Hz en 220 V wisselstroom, die moet worden gelijkgericht en gefilterd. Een grote filterende elektrolytische condensator is onmisbaar, en de AC-ingang moet worden toegevoegd met een EMC-filter en apparaten die veiligheidsnormen gebruiken.De DC/DC-omzetter van de secundaire voeding wordt gebruikt voor stroomconversie, wat het kernonderdeel is van de schakelende voeding.

Daarnaast zijn er circuits zoals opstart-, overstroom- en overspanningsbeveiliging, ruisfiltering, enz. Het bemonsteringscircuit detecteert de verandering van de uitgangsspanning en vergelijkt deze met de referentiespanning. De foutspanning wordt versterkt en het pulsbreedtegemoduleerde (PWM) circuit, en vervolgens wordt de duty-cycle van het voedingsapparaat bestuurd door het stuurcircuit, om de uitgangsspanning aan te passen. De basisstructuur wordt getoond in Figuur 6.

Figuur 6 Basisstructuur van schakelaar voor medische apparatuur

Het ingangscircuit omvat over het algemeen een schakelaar, zekering, AC-anti-interferentiecircuit en softstartcircuit.

Softstartcircuit is een van de beveiligingscircuits van schakelende voeding. De meeste ingangscircuits van de schakelende voeding zijn ontworpen door een gelijkricht- en condensatorfiltercircuit. Omdat de initiële spanning op de condensator 0 is, zal er een grote momentane stroomstoot ontstaan. Om deze reden is de schakelende voeding van medische apparatuur over het algemeen uitgerust met een softstartcircuit om stroomstoot in het ingangscircuit te voorkomen.

Veelvoorkomende softstartcircuits zijn onder meer een thermistor-antipiekstroomcircuit, een SCR-R-circuit, een circuit bestaande uit relais en weerstand, een circuit met timingtrigger en stroombegrenzende weerstand, en een circuit bestaande uit een fotogekoppelde thyristor en een bidirectionele thyristor die wordt geactiveerd door nuldoorgang.

Een van de circuits om de nuldoorgangstrigger te realiseren wordt getoond in figuur 7. Er worden twee optocouplers gebruikt voor AC-invoer, en twee optocouplers zijn omgekeerd parallel geschakeld. In de positieve en negatieve halve cycli van de commerciële stroom worden de twee optocouplers om beurten ingeschakeld. Wanneer de commerciële stroom zich niet op het nuldoorgangspunt bevindt, wordt slechts één optocoupler ingeschakeld en wordt op dit moment het lage niveau uitgevoerd. Wanneer de commerciële stroom naar de nuldoorgang gaat, worden beide optocouplers niet ingeschakeld. Op dit moment geeft de pin, als gevolg van de werking van R3, een hoog niveau af, waardoor een pulssignaal met een vaste periode aan de uitgangszijde wordt verkregen.

Fig. 7 het circuit van nuldoorgangstrigger met optocoupler

Door de unidirectionele signaaloverdracht zijn het ingangs- en uitgangseinde volledig elektrisch geïsoleerd, met een sterk anti-interferentievermogen, een lange levensduur en een hoge transmissie-efficiëntie. Optocouplers worden veel gebruikt voor signaalisolatie, schakelcircuits, pulsversterking, solid state relais (SSR) en andere circuits.Bij toepassing van AC-belasting vormen de optocoupler en de bidirectionele thyristor een isolatiecircuit met een sterk anti-interferentievermogen.Optocouplers kunnen verschillende circuitmodules in de schakelende voeding isoleren.Voor stabilisatie van de circuitspanning kan een lineaire optocoupler worden gebruikt in een pulsbreedtemodulatie (PWM) -circuit om een optocoupler-feedbackcircuit te vormen, en de werkverhouding kan worden gewijzigd door de stroom aan de bedieningsterminal aan te passen om het doel van nauwkeurige spanningsstabilisatie te bereiken.Vanwege de brede toepassing ervan in medische producten heeft de kwaliteit van de optocoupler een grote invloed op de medische schakelende voeding. Om circuitstoringen veroorzaakt door de verslechtering van de prestaties van de optocoupler te voorkomen en de stabiliteit en veiligheid van medische producten te garanderen, moeten betrouwbare optocouplerproducten worden geselecteerd.Om een goed voedingssysteem voor medische apparatuur te kiezen of te bouwen, moeten we bovendien aandacht besteden aan het verbeteren van de elektromagnetische compatibiliteit en het anti-elektromagnetische interferentievermogen van de voeding. Voornamelijk van het PCB-ontwerp en de lay-out, elektromagnetische afscherming, testen en certificering. Voor PCB-ontwerp is het belangrijkste punt stroomisolatie, en de kern is de keuze van de optocoupler. Op basis van deze aspecten kunnen we uitbreiden en de juiste optocoupler kiezen. Zie dit artikel voor hoe u dit kunt kiezen.