A relação entre equipamentos médicos e diagnóstico e tratamento médico moderno é cada vez mais estreita. Qualquer equipamento médico não pode ser separado de uma fonte de alimentação segura e estável, e a maioria deles está trocando fontes de alimentação. Se um dispositivo médico pode exercer sua eficiência máxima não está apenas diretamente relacionado ao desempenho técnico da própria máquina, mas também à qualidade do fornecimento de energia. A qualidade do fornecimento de energia afetará diretamente a estabilidade e a confiabilidade dos equipamentos médicos. Produtos com fornecimento de energia abaixo do padrão podem causar grandes acidentes com equipamentos médicos e enormes perdas econômicas.

O isolamento de segurança é uma diferença importante entre a fonte de alimentação comercial comum e a fonte de alimentação médica. Os equipamentos médicos gerais são divididos em duas categorias com base na fonte de alimentação, conforme mostrado na Figura 1 e Figura 2. Equipamentos médicos Classe I (caixa metálica) e Equipamentos médicos Classe II (caixa plástica). Exceto alguns instrumentos experimentais e analíticos, a maioria dos equipamentos médicos é instalada perto do ponto de tratamento, próximo às pessoas, e o invólucro é frequentemente tocado. Existem todos os tipos de componentes fortes e fracos em equipamentos médicos. Se houver um problema no isolamento entre componentes fortes e fracos ou no isolamento dos materiais do invólucro, será muito perigoso, portanto, é necessário um projeto de isolamento.

Figura 1 Estrutura elétrica de equipamentos médicos classe I Figura 2 Estrutura elétrica de equipamentos médicos classe II

Diferentes módulos do equipamento precisam de diferentes níveis de isolamento: isolamento funcional, isolamento básico, isolamento duplo e isolamento aprimorado.

Isolamento funcional refere-se ao isolamento de aplicação funcional de sinais ou fontes de alimentação entre sistemas de tensão, apenas para módulos multifuncionais;

O isolamento é basicamente isolamento funcional + proteção contra choque elétrico;

O isolamento duplo adota um sistema com isolamento básico (nível básico de proteção contra choque elétrico), e uma camada de isolamento auxiliar é adicionada entre os componentes elétricos e o usuário final para fortalecer a proteção física, de modo a reduzir a possibilidade de choque elétrico quando o isolamento básico falha;

O efeito de isolamento do isolamento aprimorado está relacionado ao isolamento duplo, mas apenas um único invólucro é necessário. É uma decoração de isolamento básica com características de isolamento aprimoradas, que pode fazer uso do isolamento físico entre o layout da placa de circuito impresso, fios centrais, enrolamentos e pinos de peças, etc., e ao mesmo tempo atender aos requisitos de distância de fuga segura e elétrica distância de folga (ou seja, a distância física entre dois sistemas de tensão).
Portanto, o projeto de isolamento aprimorado possui isolamento duplo, mas apenas um ponto de teste é necessário.O isolamento duplo e o isolamento aprimorado são geralmente aplicáveis a produtos que usam plugues CA sem pinos de aterramento para conectar a fonte de alimentação, como equipamentos médicos portáteis (por exemplo, a bomba de infusão e seu plugue na Figura 3).

Figura 3

Conforme mostrado na Figura 1 e Figura 2, de acordo com o padrão de segurança da fonte de alimentação médica, os requisitos de isolamento dos equipamentos para proteção do paciente são os seguintes. (1)L, N←→ peça de aplicação: isolamento duplo ou reforçado, rigidez dielétrica AC 4000 V, folga elétrica 5 mm, distância de fuga 8mm; (2)L, N←→ invólucro metálico: isolamento básico, rigidez dielétrica AC 1500 V, folga elétrica 2.5 mm, distância de fuga 4 mm

Resumindo, o "isolamento funcional" e o "isolamento básico" (ou seja, isolamento classe I) isolam eletricamente um barramento de tensão do outro, enquanto o "isolamento duplo" e o "isolamento aprimorado" fornecem duas soluções em situações diferentes para o mesmo objetivo de projeto (ou seja, isolamento classe II). Os produtos de classe I e os produtos de classe II devem escolher dois tipos de métodos de isolamento.A estrutura interna da fonte de alimentação de comutação médica é dividida de acordo com o padrão, e a rigidez dielétrica, a folga elétrica e a distância de fuga de diferentes partes precisam ser projetadas de acordo com os requisitos.Em termos de testes de segurança, a fonte de alimentação de equipamentos médicos gerais deve ser certificada por UL60601-1, C-UL, EN60601-1, etc. O terminal de entrada deve ter uma tensão de isolamento superior a 4,000 V e a corrente de drenagem do piso deve ser baixa, o que atende aos requisitos de distância de fuga de segurança. No entanto, é necessário isolamento duplo para a parte de alta tensão, especialmente para a parte que pode entrar em contato com o invólucro do equipamento, o isolamento e o projeto de isolamento devem ser reforçados.

Figura 4 e Figura 5. 9706.1 mostram as estruturas elétricas de dois tipos de fontes de alimentação. De acordo com a norma de alimentação médica (norma GB 2007-4), os parâmetros de isolamento das fontes de alimentação médica com as estruturas mostradas na fig. 5 e fig. 1 são rigidez dielétrica E1500 AC 2.5 V, folga elétrica 4 mm e distância de fuga XNUMX mm; E3— rigidez dielétrica AC 4 000 V, folga elétrica 5 mm, distância de fuga 8 mm; E4— rigidez dielétrica AC 500 V. Relativo: capacitor C1-Y2, capacitor C2-X2, C3 equivalente ao capacitor duplo da série Y1.

Fig. 4 estrutura elétrica da fonte de alimentação classe I

Figura 5 Estrutura Elétrica da Fonte de Alimentação Classe II

Esses parâmetros de requisitos de isolamento exigem que os projetistas garantam que os dispositivos com margens apropriadas sejam selecionados desde o início da seleção do dispositivo.Além disso, em termos de tipos de fonte de alimentação, os equipamentos médicos domésticos são alimentados principalmente por rede elétrica de 220V. Devido aos requisitos de fornecimento de energia de vários tipos de equipamentos médicos, a estrutura de fornecimento de energia centralizada é a mais utilizada atualmente. Ou seja, um conversor de energia centralizado gera as tensões de saída necessárias de vários níveis de tensão.

Devido ao seu baixo custo, alta eficiência, tensão de saída ajustável, baixo ruído de saída e resposta dinâmica rápida, é muito adequado para equipamentos médicos e é o modo de fonte de alimentação mais amplamente utilizado para equipamentos médicos atualmente. Ou seja, como mostrado na fig. 6, a fonte de alimentação chaveada de equipamentos médicos envolve AC/DC e DC/DC.A entrada do conversor AC/DC da fonte de alimentação primária é de 50/60Hz e corrente alternada de 220V, que deve ser retificada e filtrada. Um grande capacitor eletrolítico de filtragem é indispensável, e a entrada CA deve ser adicionada com filtro EMC e dispositivos usando padrões de segurança.O conversor DC/DC da fonte de alimentação secundária é usado para conversão de energia, que é a parte central da fonte de alimentação chaveada.

Além disso, existem circuitos como partida, proteção contra sobrecorrente e sobretensão, filtragem de ruído, etc. O circuito de amostragem detecta a mudança na tensão de saída e a compara com a tensão de referência. A tensão de erro é amplificada e o circuito modulado por largura de pulso (PWM) e, em seguida, o ciclo de trabalho do dispositivo de potência é controlado pelo circuito de acionamento, de modo a ajustar a tensão de saída. A estrutura básica é mostrada na Figura 6.

Figura 6 Estrutura básica da chave de equipamento médico

O circuito de entrada geralmente inclui interruptor, fusível, circuito anti-interferência CA e circuito de partida suave.

O circuito de partida suave é um dos circuitos de proteção da fonte de alimentação chaveada. A maioria dos circuitos de entrada da fonte de alimentação chaveada são projetados por circuito de retificação e filtragem de capacitor. Como a tensão inicial no capacitor é 0, uma grande corrente de surto instantânea será formada. Por esta razão, a fonte de alimentação chaveada de equipamentos médicos é geralmente equipada com um circuito de partida suave para evitar surtos de corrente no circuito de entrada.

Os circuitos de partida suave comuns incluem circuito de corrente anti-surto de termistor, circuito SCR-R, circuito composto de relé e resistor, circuito usando gatilho de temporização e resistor limitador de corrente e circuito composto de tiristor fotoacoplado e tiristor bidirecional acionado por cruzamento zero.

Um dos circuitos para realizar o disparo de cruzamento por zero é mostrado na Figura 7. Dois optoacopladores são usados para entrada CA e dois optoacopladores são conectados inversamente em paralelo. Nos meios ciclos positivo e negativo da potência comercial, os dois optoacopladores são ligados sucessivamente. Quando a energia comercial não está no ponto de cruzamento zero, apenas um optoacoplador é ligado e o nível baixo é emitido neste momento. Quando a energia comercial passa para o cruzamento zero, ambos os optoacopladores não estão ligados. Neste momento, devido à ação de R3, o pino emite um nível alto, obtendo assim um sinal de pulso com período fixo na extremidade de saída.

Fig. 7 o circuito de gatilho de cruzamento zero com optoacoplador

Devido à transmissão de sinal unidirecional, a extremidade de entrada e a extremidade de saída são completamente isoladas eletricamente, com forte capacidade anti-interferência, longa vida útil e alta eficiência de transmissão. Os optoacopladores são amplamente utilizados em isolamento de sinal, circuitos de comutação, amplificação de pulso, relé de estado sólido (SSR) e outros circuitos.Na aplicação de carga CA, o optoacoplador e o tiristor bidirecional formam um circuito de isolamento com forte capacidade anti-interferência.Os optoacopladores podem isolar diferentes módulos de circuito na fonte de alimentação chaveada.Para estabilização da tensão do circuito, o optoacoplador linear pode ser usado no circuito de modulação por largura de pulso (PWM) para formar o circuito de feedback do optoacoplador, e a relação de serviço pode ser alterada ajustando a corrente no terminal de controle para atingir o objetivo de estabilização precisa da tensão.Devido à sua ampla aplicação em produtos médicos, a qualidade do optoacoplador tem uma grande influência na fonte de alimentação de comutação médica. Para evitar a falha do circuito causada pela degradação do desempenho do optoacoplador e garantir a estabilidade e segurança dos produtos médicos, devem ser selecionados produtos optoacopladores confiáveis.Além disso, para escolher ou construir um bom sistema de alimentação para equipamentos médicos, devemos prestar atenção à melhoria da compatibilidade eletromagnética e da capacidade de interferência anti-eletromagnética da fonte de alimentação. Principalmente desde o design e layout de PCB, blindagem eletromagnética, testes e certificação. Para o projeto de PCB, o ponto principal é o isolamento de energia e o núcleo é a escolha do optoacoplador. A partir desses aspectos, podemos expandir e escolher o optoacoplador adequado. Veja este artigo para saber como escolhê-lo.