Związek pomiędzy sprzętem medycznym a nowoczesną diagnostyką i leczeniem medycznym jest coraz ściślejszy. Żadnego sprzętu medycznego nie można odłączyć od bezpiecznego i stabilnego zasilania, a większość z nich to zasilacze impulsowe. To, czy wyrób medyczny może osiągnąć maksymalną wydajność, zależy nie tylko bezpośrednio od parametrów technicznych samego urządzenia, ale także od jakości zasilania. Jakość zasilania będzie miała bezpośredni wpływ na stabilność i niezawodność sprzętu medycznego. Produkty o niespełniającym norm zasilaniu mogą prowadzić do poważnych awarii sprzętu medycznego i ogromnych strat ekonomicznych.

Izolacja zabezpieczająca stanowi ważną różnicę między zwykłym zasilaczem komercyjnym a zasilaczem medycznym. Ogólny sprzęt medyczny dzieli się na dwie kategorie w zależności od zasilania, jak pokazano na rysunkach 1 i 2. Sprzęt medyczny klasy I (obudowa metalowa) i sprzęt medyczny klasy II (obudowa z tworzywa sztucznego). Z wyjątkiem niektórych instrumentów eksperymentalnych i analitycznych, większość sprzętu medycznego instaluje się w pobliżu miejsca leczenia, czyli blisko ludzi, a skorupa jest często dotykana. W sprzęcie medycznym występuje wiele rodzajów mocnych i słabych komponentów. Jeśli wystąpi problem z izolacją mocnych i słabych komponentów lub izolacją materiałów powłoki, będzie to bardzo niebezpieczne, dlatego konieczne jest zaprojektowanie izolacji.

Rysunek 1 Struktura elektryczna sprzętu medycznego klasy I Rysunek 2 Struktura elektryczna sprzętu medycznego klasy II

Różne moduły w sprzęcie wymagają różnych poziomów izolacji: izolacji funkcjonalnej, izolacji podstawowej, izolacji podwójnej i izolacji wzmocnionej.

Izolacja funkcjonalna odnosi się do funkcjonalnej izolacji zastosowań sygnałów lub zasilaczy pomiędzy systemami napięciowymi, tylko w przypadku modułów wielofunkcyjnych;

Izolacja to w zasadzie izolacja funkcjonalna + ochrona przed porażeniem prądem;

Podwójna izolacja przyjmuje system z podstawową izolacją (podstawowy poziom ochrony przed porażeniem elektrycznym), a pomocnicza warstwa izolacyjna jest dodawana pomiędzy komponentami elektrycznymi a użytkownikiem końcowym w celu wzmocnienia ochrony fizycznej, aby zmniejszyć możliwość porażenia prądem podczas podstawowej izolacji kończy się niepowodzeniem;

Efekt izolacji wzmocnionej izolacji jest związany z podwójną izolacją, ale potrzebna jest tylko pojedyncza powłoka. Jest to podstawowa dekoracja izolacyjna o ulepszonych właściwościach izolacyjnych, która może wykorzystywać fizyczną izolację pomiędzy układem płytki drukowanej, przewodami rdzenia, uzwojeniami i stykami części itp., A jednocześnie spełnia wymagania bezpiecznej drogi upływu i elektrycznego odstęp (tzn. fizyczna odległość pomiędzy dwoma systemami napięciowymi).
Dlatego projekt wzmocnionej izolacji ma podwójną izolację, ale potrzebny jest tylko jeden punkt testowy.Podwójna i wzmocniona izolacja mają ogólne zastosowanie w przypadku produktów, które do podłączenia źródła zasilania wykorzystują wtyczki prądu przemiennego bez styków uziemiających, takich jak przenośny sprzęt medyczny (na przykład pompa infuzyjna i jej wtyczka na rysunku 3).

Rysunek 3

Jak pokazano na rysunkach 1 i 2, zgodnie ze standardami bezpieczeństwa zasilaczy medycznych, wymagania dotyczące izolacji sprzętu służącego do ochrony pacjenta są następujące. (1)L, N← → część aplikacyjna: izolacja podwójna lub wzmocniona, wytrzymałość dielektryczna AC 4000 V, odstęp elektryczny 5 mm, droga upływu 8 mm; (2)L, N← → powłoka metalowa: izolacja podstawowa, wytrzymałość dielektryczna AC 1500 V, odstęp elektryczny 2.5 mm, droga upływu 4 mm

Podsumowując, „izolacja funkcjonalna” i „izolacja podstawowa” (tj. izolacja klasy I) izolują galwanicznie jedną szynę napięciową od drugiej, podczas gdy „podwójna izolacja” i „zwiększona izolacja” zapewniają dwa rozwiązania w różnych sytuacjach i dla tego samego celu projektowego (tj. izolacja klasy II). Produkty klasy I i produkty klasy II powinny wybierać dwa rodzaje metod izolacji.Wewnętrzna struktura medycznego zasilacza impulsowego jest podzielona zgodnie z normą, a wytrzymałość dielektryczna, prześwit elektryczny i droga pełzania różnych części muszą być zaprojektowane zgodnie z wymaganiami.Jeśli chodzi o testy bezpieczeństwa, zasilanie ogólnego sprzętu medycznego musi posiadać certyfikat UL60601-1, C-UL, EN60601-1 itp. Zacisk wejściowy musi mieć napięcie izolacji większe niż 4,000 V, a prąd drenu podłogowego powinien być niski, co spełnia wymagania bezpiecznej drogi upływu. Jednakże wymagana jest podwójna izolacja części wysokiego napięcia, zwłaszcza części, która może stykać się z obudową urządzenia, należy wzmocnić izolację i konstrukcję izolacji.

Ryc. 4 i ryc. 5 przedstawiają struktury elektryczne dwóch typów zasilaczy. Zgodnie z normą dotyczącą zasilaczy medycznych (norma GB 9706.1-2007) parametry izolacyjne zasilaczy medycznych o konstrukcjach pokazanych na rys. 4 i rys. 5 mają wytrzymałość dielektryczną E1 AC 1500 V, odstęp elektryczny 2.5 mm i drogę upływu 4 mm; E3 – wytrzymałość dielektryczna AC 4 000 V, odstęp elektryczny 5 mm, droga upływu 8 mm; E4 — wytrzymałość dielektryczna AC 500 V. Względne: kondensator C1-Y2, kondensator C2-X2, odpowiednik C3 podwójnego kondensatora serii Y1.

Rys. 4 budowa elektryczna zasilacza klasy I

Rysunek 5 Struktura elektryczna zasilacza klasy II

Te parametry wymagań izolacyjnych nakładają na projektantów obowiązek zapewnienia już na początku wyboru urządzeń z odpowiednimi marginesami.Ponadto, jeśli chodzi o rodzaje zasilania, domowy sprzęt medyczny zasilany jest w większości z sieci 220V. Ze względu na wymagania dotyczące zasilania różnych typów sprzętu medycznego, obecnie najczęściej stosowaną strukturą zasilania jest scentralizowana struktura zasilania. Oznacza to, że scentralizowany konwerter mocy generuje wymagane napięcia wyjściowe o różnych poziomach napięcia.

Ze względu na niski koszt, wysoką wydajność, regulowane napięcie wyjściowe, niski poziom hałasu wyjściowego i szybką reakcję dynamiczną, doskonale nadaje się do sprzętu medycznego i jest obecnie najpowszechniej stosowanym trybem zasilania sprzętu medycznego. To znaczy, jak pokazano na rys. 6, zasilacz impulsowy sprzętu medycznego obejmuje AC/DC i DC/DC.Wejście przetwornicy AC/DC głównego źródła zasilania to prąd przemienny 50/60 Hz i 220 V, który należy wyprostować i przefiltrować. Niezbędny jest duży kondensator elektrolityczny filtrujący, a do wejścia AC należy dodać filtr EMC i urządzenia spełniające normy bezpieczeństwa.Przetwornica DC/DC wtórnego źródła zasilania służy do konwersji mocy, która jest podstawową częścią zasilacza impulsowego.

Ponadto istnieją obwody takie jak rozruch, ochrona nadprądowa i przepięciowa, filtrowanie szumów itp. Układ próbkujący wykrywa zmianę napięcia wyjściowego i porównuje ją z napięciem odniesienia. Napięcie błędu jest wzmacniane i obwodem z modulacją szerokości impulsu (PWM), a następnie cykl pracy urządzenia zasilającego jest kontrolowany przez obwód sterujący w celu dostosowania napięcia wyjściowego. Podstawową strukturę pokazano na rysunku 6.

Rysunek 6 Podstawowa budowa wyłącznika sprzętu medycznego

Obwód wejściowy zazwyczaj obejmuje przełącznik, bezpiecznik, obwód przeciwzakłóceniowy prądu przemiennego i obwód miękkiego startu.

Obwód miękkiego startu jest jednym z obwodów ochronnych zasilacza impulsowego. Większość obwodów wejściowych zasilaczy impulsowych zaprojektowana jest jako obwód prostowniczy i filtrujący kondensator. Ponieważ początkowe napięcie na kondensatorze wynosi 0, powstanie duży chwilowy prąd udarowy. Z tego powodu zasilacze impulsowe sprzętu medycznego są zwykle wyposażone w obwód łagodnego rozruchu, który zapobiega przepięciom w obwodzie wejściowym.

Do powszechnie stosowanych układów łagodnego rozruchu zalicza się obwód termistora przeciwprzepięciowego, obwód tyrystora SCR-R, obwód składający się z przekaźnika i rezystora, obwód wykorzystujący wyzwalacz czasowy i rezystor ograniczający prąd oraz obwód składający się z tyrystora fotosprzężonego i tyrystora dwukierunkowego wyzwalanego przejściem przez zero.

Jeden z obwodów realizujących wyzwalanie przejścia przez zero pokazano na rysunku 7. Do wejścia prądu przemiennego wykorzystywane są dwa transoptory, a dwa transoptory są połączone odwrotnie, równolegle. W dodatnich i ujemnych półcyklach mocy komercyjnej oba transoptory są włączane po kolei. Gdy zasilanie komercyjne nie znajduje się w punkcie przejścia przez zero, włączany jest tylko jeden transoptor i w tym momencie wyprowadzany jest niski poziom. Kiedy zasilanie komercyjne przechodzi w stan przejścia przez zero, oba transoptory nie są włączane. W tym momencie, w wyniku działania R3, pin wyprowadza wysoki poziom, uzyskując w ten sposób sygnał impulsowy o stałym okresie na końcu wyjściowym.

Rys. 7 obwód wyzwalacza przejścia przez zero z transoptorem

Ze względu na jednokierunkową transmisję sygnału, koniec wejściowy i koniec wyjściowy są całkowicie izolowane elektrycznie, z silną zdolnością przeciwzakłóceniową, długą żywotnością i wysoką wydajnością transmisji. Optoizolatory są powszechnie stosowane w izolacji sygnałów, obwodach przełączających, wzmacnianiu impulsów, przekaźnikach półprzewodnikowych (SSR) i innych obwodach.Przy obciążeniu prądem zmiennym transoptor i dwukierunkowy tyrystor tworzą obwód izolujący o silnych właściwościach przeciwzakłóceniowych.Optoizolatory umożliwiają izolację różnych modułów obwodów w zasilaczu impulsowym.Do stabilizacji napięcia obwodu można zastosować transoptor liniowy w obwodzie modulacji szerokości impulsu (PWM) w celu utworzenia obwodu sprzężenia zwrotnego transoptora, a współczynnik wypełnienia można zmienić, regulując prąd na zacisku sterującym, aby osiągnąć cel precyzyjnej stabilizacji napięcia.Ze względu na szerokie zastosowanie w produktach medycznych jakość transoptora ma ogromny wpływ na medyczne zasilanie impulsowe. Aby uniknąć awarii obwodu spowodowanej pogorszeniem działania transoptora oraz zapewnić stabilność i bezpieczeństwo produktów medycznych, należy wybierać niezawodne produkty transoptorów.Ponadto, aby wybrać lub zbudować dobry system zasilania sprzętu medycznego, musimy zwrócić uwagę na poprawę kompatybilności elektromagnetycznej i zdolności zasilacza do przeciwdziałania zakłóceniom elektromagnetycznym. Głównie z projektu i układu PCB, ekranowania elektromagnetycznego, testowania i certyfikacji. W przypadku projektowania PCB głównym punktem jest izolacja zasilania, a rdzeniem jest wybór transoptora. Mając na uwadze te aspekty możemy rozszerzyć i wybrać odpowiedni transoptor. Zobacz ten artykuł, aby dowiedzieć się, jak go wybrać.