Анализ силовой изоляции медицинских устройств

Взаимосвязь между медицинским оборудованием и современной медицинской диагностикой и лечением становится все более тесной. Любое медицинское оборудование не может быть отделено от безопасного и стабильного источника питания, и большинство из них являются импульсными источниками питания. Сможет ли медицинский прибор проявить максимальную эффективность, напрямую связано не только с техническими характеристиками самого аппарата, но и с качеством электропитания. Качество электропитания напрямую влияет на стабильность и надежность медицинского оборудования. Изделия с некачественным источником питания могут привести к крупным авариям в медицинском оборудовании и огромным экономическим потерям.

Безопасность изоляции является важным отличием между обычным коммерческим источником питания и медицинским источником питания. Общее медицинское оборудование делится на две категории в зависимости от источника питания, как показано на рисунках 1 и 2. Медицинское оборудование класса I (металлический корпус) и медицинское оборудование класса II (пластмассовый корпус). За исключением некоторых экспериментальных и аналитических приборов, большая часть медицинского оборудования установлена вблизи лечебного пункта, в непосредственной близости от людей, и к нему часто прикасаются. В медицинском оборудовании есть все виды сильных и слабых компонентов. Если возникнет проблема с изоляцией между сильными и слабыми компонентами или с изоляцией материалов корпуса, это будет очень опасно, поэтому необходимо проектировать изоляцию.

Рисунок 1 Электрическая структура медицинского оборудования I класса Рисунок 2 Электрическая структура медицинского оборудования II класса

Разным модулям оборудования необходимы разные уровни изоляции: функциональная изоляция, базовая изоляция, двойная изоляция и усиленная изоляция.

Функциональная изоляция означает функциональную изоляцию сигналов или источников питания между системами напряжения, только для многофункциональных модулей;

Изоляция — это в основном функциональная изоляция + защита от поражения электрическим током;

Двойная изоляция использует систему с базовой изоляцией (базовый уровень защиты от поражения электрическим током), а между электрическими компонентами и конечным пользователем добавляется вспомогательный изоляционный слой для усиления физической защиты и уменьшения возможности поражения электрическим током при базовой изоляции. терпит неудачу;

Эффект усиленной изоляции аналогичен двойной изоляции, но требуется только одна оболочка. Это базовое изоляционное украшение с улучшенными изоляционными характеристиками, которое может использовать физическую изоляцию между компоновкой печатной платы, жилами, обмотками и выводами деталей и т. д. и в то же время отвечает требованиям безопасного пути утечки и электрических характеристик. Зазорное расстояние (т.е. физическое расстояние между двумя системами напряжения).
Поэтому конструкция повышенной изоляции имеет двойную изоляцию, но необходима только одна контрольная точка.Двойная изоляция и усиленная изоляция обычно применимы к продуктам, в которых для подключения источника питания используются вилки переменного тока без заземляющих контактов, например к портативному медицинскому оборудованию (например, инфузионный насос и его вилка на рисунке 3).

Рисунок 3

Как показано на рисунках 1 и 2, в соответствии со стандартом безопасности медицинского электропитания требования к изоляции оборудования для защиты пациентов следующие. (1)L, N ←→ прикладная часть: двойная или усиленная изоляция, электрическая прочность переменного тока 4000 В, электрический зазор 5 мм, путь утечки 8 мм; (2)L, N ←→ металлический корпус: основная изоляция, электрическая прочность переменного тока 1500 В, электрический зазор 2.5 мм, путь утечки 4 мм

Подводя итог, можно сказать, что «функциональная изоляция» и «базовая изоляция» (т. е. изоляция класса I) электрически изолируют одну шину напряжения от другой, тогда как «двойная изоляция» и «усиленная изоляция» обеспечивают два решения в разных ситуациях для одной и той же цели проектирования (т. е. изоляция II класса). Продукты класса I и продукты класса II должны выбирать два метода изоляции.Внутренняя структура медицинского импульсного источника питания разделена в соответствии со стандартом, и диэлектрическая прочность, электрический зазор и путь утечки различных частей должны быть спроектированы в соответствии с требованиями.С точки зрения испытаний на безопасность источник питания общего медицинского оборудования должен быть сертифицирован по UL60601-1, C-UL, EN60601-1 и т. д. Входная клемма должна иметь напряжение изоляции более 4,000 В, а ток утечки в полу должен быть низким, что соответствует требованиям безопасного пути утечки. Однако для высоковольтной части требуется двойная изоляция, особенно для части, которая может контактировать с корпусом оборудования, изоляция и конструкция изоляции должны быть усилены.

Рис. 4 и рис. 5 показаны электрические конструкции двух типов источников питания. В соответствии со стандартом медицинского источника питания (стандарт GB 9706.1-2007), параметры изоляции медицинских источников питания со структурами, показанными на рис. 4 и рис. 5 — диэлектрическая прочность Е1 переменного тока 1500 В, электрический зазор 2.5 мм и путь утечки 4 мм; Е3 — электрическая прочность переменного тока 4 В, электрический зазор 000 мм, путь утечки 5 мм; Е4 — электрическая прочность переменного тока 500 В. Относительно: конденсатор C1-Y2, конденсатор C2-X2, C3-эквивалент двойного конденсатора серии Y1.

Рис. 4. Электрическая структура источника питания I класса.

Рисунок 5. Электрическая структура источника питания класса II.

Эти параметры требований к изоляции требуют от проектировщиков обеспечения выбора устройств с соответствующими запасами с самого начала выбора устройства.Кроме того, по типам электропитания отечественное медицинское оборудование в основном питается от сети 220 В. Из-за требований к электропитанию различных типов медицинского оборудования в настоящее время наиболее широко используется централизованная структура электропитания. То есть централизованный преобразователь мощности формирует необходимые выходные напряжения различных уровней напряжения.

Благодаря низкой стоимости, высокой эффективности, регулируемому выходному напряжению, низкому выходному шуму и быстрому динамическому отклику он очень подходит для медицинского оборудования и в настоящее время является наиболее широко используемым режимом питания для медицинского оборудования. То есть, как показано на рис. 6, импульсный источник питания медицинского оборудования включает переменный/постоянный ток и постоянный/постоянный ток.На вход преобразователя переменного/постоянного тока первичного источника питания подается переменный ток частотой 50/60 Гц и напряжением 220 В, который необходимо выпрямить и отфильтровать. Большой фильтрующий электролитический конденсатор необходим, а вход переменного тока должен быть дополнен фильтром ЭМС и устройствами, отвечающими стандартам безопасности.Преобразователь постоянного тока вторичного источника питания используется для преобразования мощности, что является основной частью импульсного источника питания.

Кроме того, имеются такие схемы, как пуск, защита от перегрузки по току и перенапряжению, фильтрация помех и т.д. Схема выборки обнаруживает изменение выходного напряжения и сравнивает его с опорным напряжением. Напряжение ошибки усиливается и используется схема широтно-импульсной модуляции (ШИМ), а затем рабочий цикл силового устройства контролируется управляющей схемой, чтобы регулировать выходное напряжение. Базовая структура показана на рисунке 6.

Рисунок 6. Базовая структура переключателя медицинского оборудования.

Входная цепь обычно включает в себя переключатель, предохранитель, схему защиты от помех переменного тока и схему плавного пуска.

Схема плавного пуска является одной из схем защиты импульсного источника питания. Большинство входных цепей импульсных источников питания выполнены по схеме выпрямления и емкостной фильтрации. Поскольку начальное напряжение на конденсаторе равно 0, образуется большой мгновенный импульсный ток. По этой причине импульсный источник питания медицинского оборудования обычно оснащается схемой плавного пуска для предотвращения скачков тока во входной цепи.

Общие схемы плавного пуска включают в себя термисторную схему защиты от скачков тока, схему SCR-R, схему, состоящую из реле и резистора, схему, использующую триггер синхронизации и резистор, ограничивающий ток, а также схему, состоящую из тиристора с фотосвязью и двунаправленного тиристора, запускаемого при пересечении нуля.

Одна из схем реализации триггера перехода через нуль показана на рисунке 7. Две оптопары используются для входа переменного тока, а две оптопары включены обратно параллельно. В положительном и отрицательном полупериодах коммерческой сети две оптопары включаются по очереди. Когда коммерческое питание не находится в точке пересечения нуля, включается только одна оптопара, и в это время на выходе выводится низкий уровень. Когда коммерческое питание переходит в режим перехода через нуль, обе оптопары не включаются. В это время, благодаря действию R3, вывод выдает высокий уровень, таким образом получая на выходе импульсный сигнал с фиксированным периодом.

Рис. 7. Схема триггера перехода через ноль с оптопарой.

Благодаря однонаправленной передаче сигнала входной и выходной конец полностью электрически изолированы, обладают сильной защитой от помех, длительным сроком службы и высокой эффективностью передачи. Оптопары широко используются в изоляции сигналов, переключающих схемах, усилении импульсов, твердотельных реле (SSR) и других схемах.При нагрузке переменного тока оптопара и двунаправленный тиристор образуют изолирующую цепь с сильной защитой от помех.Оптопары могут изолировать различные модули схемы импульсного источника питания.Для стабилизации напряжения в цепи линейная оптопара может использоваться в схеме широтно-импульсной модуляции (ШИМ) для формирования цепи обратной связи оптопары, а коэффициент заполнения можно изменить путем регулировки тока на управляющем выводе для достижения точной стабилизации напряжения.Из-за широкого применения в медицинской продукции качество оптопары оказывает большое влияние на медицинский импульсный источник питания. Чтобы избежать отказа цепи, вызванного ухудшением характеристик оптопары, и обеспечить стабильность и безопасность медицинских изделий, необходимо выбирать надежные оптопары.Кроме того, чтобы выбрать или построить хорошую систему питания для медицинского оборудования, мы должны обратить внимание на улучшение электромагнитной совместимости и способности источника питания противостоять электромагнитным помехам. В основном от дизайна и компоновки печатной платы, электромагнитного экранирования, тестирования и сертификации. При проектировании печатной платы основным моментом является изоляция питания, а основным моментом является выбор оптопары. С учетом этих аспектов мы можем расшириться и выбрать подходящую оптопару. О том, как его выбрать, читайте в этой статье.