การวิเคราะห์การแยกกำลังไฟฟ้าของอุปกรณ์การแพทย์

ความสัมพันธ์ระหว่างอุปกรณ์ทางการแพทย์กับการวินิจฉัยและการรักษาทางการแพทย์สมัยใหม่มีความใกล้ชิดกันมากขึ้น อุปกรณ์ทางการแพทย์ใดๆ ไม่สามารถแยกออกจากแหล่งจ่ายไฟที่ปลอดภัยและมั่นคงได้ และส่วนใหญ่เป็นแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่ง ไม่ว่าอุปกรณ์ทางการแพทย์จะสามารถทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพสูงสุดหรือไม่นั้นไม่เพียงแต่เกี่ยวข้องโดยตรงกับประสิทธิภาพทางเทคนิคของเครื่องเท่านั้น แต่ยังเกี่ยวข้องกับคุณภาพของแหล่งจ่ายไฟด้วย คุณภาพของแหล่งจ่ายไฟจะส่งผลโดยตรงต่อความเสถียรและความน่าเชื่อถือของอุปกรณ์ทางการแพทย์ ผลิตภัณฑ์ที่มีแหล่งจ่ายไฟต่ำกว่ามาตรฐานอาจนำไปสู่อุบัติเหตุร้ายแรงเกี่ยวกับอุปกรณ์ทางการแพทย์และการสูญเสียทางเศรษฐกิจอย่างมหาศาล

การแยกเพื่อความปลอดภัยเป็นข้อแตกต่างที่สำคัญระหว่างแหล่งจ่ายไฟเชิงพาณิชย์ทั่วไปและแหล่งจ่ายไฟทางการแพทย์ อุปกรณ์การแพทย์ทั่วไปแบ่งออกเป็น 1 ประเภทตามแหล่งจ่ายไฟ ดังแสดงในรูปที่ 2 และรูปที่ XNUMX อุปกรณ์ทางการแพทย์ประเภท I (กล่องโลหะ) และอุปกรณ์ทางการแพทย์ประเภท II (กล่องพลาสติก) ยกเว้นเครื่องมือทดลองและวิเคราะห์บางประเภท อุปกรณ์ทางการแพทย์ส่วนใหญ่จะถูกติดตั้งใกล้จุดรักษาซึ่งอยู่ใกล้กับคนและมักถูกสัมผัสเปลือกหอย อุปกรณ์ทางการแพทย์มีส่วนประกอบที่แข็งแรงและอ่อนแอทุกชนิด หากมีปัญหาในการแยกระหว่างส่วนประกอบที่แข็งแรงและอ่อนแอหรือฉนวนของวัสดุเปลือกจะเป็นอันตรายมาก ดังนั้นจึงจำเป็นต้องมีการออกแบบการแยก

รูปที่ 1 โครงสร้างทางไฟฟ้าของอุปกรณ์การแพทย์ประเภท II รูปที่ 2 โครงสร้างทางไฟฟ้าของอุปกรณ์การแพทย์ประเภท II

โมดูลต่างๆ ในอุปกรณ์จำเป็นต้องมีระดับการแยกที่แตกต่างกัน: การแยกตามหน้าที่ การแยกขั้นพื้นฐาน การแยกสองชั้น และการแยกขั้นสูง

การแยกฟังก์ชันหมายถึงการแยกสัญญาณหรือแหล่งจ่ายไฟระหว่างระบบแรงดันไฟฟ้าสำหรับโมดูลข้ามฟังก์ชันเท่านั้น

การแยกโดยทั่วไปคือการแยกการทำงาน + การป้องกันไฟฟ้าช็อต

การแยกสองชั้นใช้ระบบที่มีการแยกขั้นพื้นฐาน (ระดับการป้องกันไฟฟ้าช็อตขั้นพื้นฐาน) และมีการเพิ่มชั้นฉนวนเสริมระหว่างส่วนประกอบไฟฟ้าและผู้ใช้ปลายทางเพื่อเสริมสร้างการป้องกันทางกายภาพ เพื่อลดความเป็นไปได้ของไฟฟ้าช็อตเมื่อการแยกขั้นพื้นฐาน ล้มเหลว;

ผลการแยกของการแยกที่เพิ่มขึ้นนั้นสัมพันธ์กับการแยกสองครั้ง แต่จำเป็นต้องใช้เพียงเชลล์เดียวเท่านั้น เป็นการตกแต่งแบบแยกขั้นพื้นฐานพร้อมคุณสมบัติการแยกที่เพิ่มขึ้น ซึ่งสามารถใช้ประโยชน์จากการแยกทางกายภาพระหว่างโครงร่างแผงวงจรพิมพ์ สายไฟหลัก ขดลวด และพินชิ้นส่วน ฯลฯ และในขณะเดียวกันก็ตรงตามข้อกำหนดของระยะห่างตามผิวฉนวนและทางไฟฟ้าที่ปลอดภัย ระยะห่าง (เช่น ระยะห่างทางกายภาพระหว่างระบบแรงดันไฟฟ้าสองระบบ)
ดังนั้นการออกแบบการแยกส่วนขั้นสูงจึงมีการแยกสองชั้น แต่จำเป็นต้องมีจุดทดสอบเพียงจุดเดียวเท่านั้นโดยทั่วไป การแยกสองชั้นและการแยกขั้นสูงจะใช้กับผลิตภัณฑ์ที่ใช้ปลั๊ก AC โดยไม่มีหมุดกราวด์เพื่อเชื่อมต่อแหล่งจ่ายไฟ เช่น อุปกรณ์ทางการแพทย์แบบพกพา (เช่น ปั๊มแช่และปลั๊กในรูปที่ 3)

รูป 3

ดังแสดงในรูปที่ 1 และรูปที่ 2 ตามมาตรฐานความปลอดภัยของแหล่งจ่ายไฟทางการแพทย์ ข้อกำหนดการแยกอุปกรณ์ป้องกันผู้ป่วยมีดังนี้ (1) L, N←→ ส่วนการใช้งาน: ฉนวนสองชั้นหรือเสริมแรง, ความเป็นฉนวน AC 4000 V, ระยะห่างทางไฟฟ้า 5 มม., ระยะห่างตามผิวฉนวน 8 มม. (2)L, N←→ เปลือกโลหะ: ฉนวนพื้นฐาน, ความเป็นฉนวนไฟฟ้า AC 1500 V, ระยะห่างทางไฟฟ้า 2.5 มม., ระยะห่างตามผิวฉนวน 4 มม.

โดยสรุป "การแยกฟังก์ชัน" และ "การแยกขั้นพื้นฐาน" (เช่น การแยกคลาส I) จะแยกรางแรงดันไฟฟ้ารางหนึ่งออกจากรางอื่นด้วยไฟฟ้า ในขณะที่ "การแยกสองชั้น" และ "การแยกขั้นสูง" มอบโซลูชันสองแบบในสถานการณ์ที่แตกต่างกันสำหรับเป้าหมายการออกแบบเดียวกัน (เช่น การแยกคลาส II) ผลิตภัณฑ์คลาส I และผลิตภัณฑ์คลาส II ควรเลือกวิธีการแยกสองประเภทโครงสร้างภายในของแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่งทางการแพทย์แบ่งออกตามมาตรฐาน และจำเป็นต้องออกแบบความเป็นฉนวน ระยะห่างทางไฟฟ้า และระยะห่างตามผิวฉนวนของชิ้นส่วนต่างๆ ตามความต้องการในด้านการทดสอบความปลอดภัยการจ่ายไฟของอุปกรณ์การแพทย์ทั่วไปต้องได้รับการรับรองมาตรฐาน UL60601-1, C-UL, EN60601-1 เป็นต้น ขั้วต่ออินพุตต้องมีแรงดันไฟฟ้าแยกมากกว่า 4,000V และกระแสไฟเดรนที่พื้นควรต่ำ ซึ่งตรงตามข้อกำหนดของระยะห่างตามฉนวนที่ปลอดภัย อย่างไรก็ตาม จำเป็นต้องมีฉนวนสองชั้นสำหรับชิ้นส่วนไฟฟ้าแรงสูง โดยเฉพาะชิ้นส่วนที่อาจสัมผัสกับเปลือกอุปกรณ์ ควรปรับปรุงการออกแบบฉนวนและการแยกให้แน่นขึ้น

รูปที่ 4 และรูปที่ ภาพที่ 5 แสดงโครงสร้างทางไฟฟ้าของแหล่งจ่ายไฟสองประเภท ตามมาตรฐานแหล่งจ่ายไฟทางการแพทย์ (มาตรฐาน GB 9706.1-2007) พารามิเตอร์การแยกแหล่งจ่ายไฟทางการแพทย์ที่มีโครงสร้างแสดงในรูปที่ 4 5 และรูปที่ 1 คือ E1500-ความเป็นฉนวน AC 2.5 V, ระยะห่างทางไฟฟ้า 4 มม. และระยะห่างตามผิวฉนวน XNUMX มม.;; E3— ความเป็นฉนวน AC 4 000 V, ระยะห่างทางไฟฟ้า 5 มม., ระยะห่างตามผิวฉนวน 8 มม.;; E4— ความเป็นฉนวน AC 500 V. ญาติ: ตัวเก็บประจุ C1-Y2, ตัวเก็บประจุ C2-X2, เทียบเท่า C3 กับตัวเก็บประจุซีรีย์ Y1 คู่

รูปที่ 4 โครงสร้างทางไฟฟ้าของแหล่งจ่ายไฟคลาส I

รูปที่ 5 โครงสร้างทางไฟฟ้าของแหล่งจ่ายไฟ Class II

พารามิเตอร์ข้อกำหนดการแยกเหล่านี้กำหนดให้นักออกแบบต้องแน่ใจว่าอุปกรณ์ที่มีระยะขอบที่เหมาะสมได้รับเลือกตั้งแต่เริ่มต้นการเลือกอุปกรณ์นอกจากนี้ ในแง่ของประเภทแหล่งจ่ายไฟ อุปกรณ์ทางการแพทย์ในประเทศส่วนใหญ่ใช้พลังงานจากไฟหลัก 220V เนื่องจากความต้องการแหล่งจ่ายไฟของอุปกรณ์ทางการแพทย์ประเภทต่างๆ โครงสร้างแหล่งจ่ายไฟแบบรวมศูนย์จึงเป็นโครงสร้างที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุดในปัจจุบัน นั่นคือตัวแปลงพลังงานแบบรวมศูนย์จะสร้างแรงดันเอาต์พุตที่ต้องการสำหรับระดับแรงดันไฟฟ้าต่างๆ

เนื่องจากต้นทุนต่ำ ประสิทธิภาพสูง ปรับแรงดันไฟขาออกได้ เสียงเอาต์พุตต่ำ และการตอบสนองแบบไดนามิกที่รวดเร็ว จึงเหมาะมากสำหรับอุปกรณ์ทางการแพทย์ และเป็นโหมดจ่ายไฟที่ใช้กันอย่างแพร่หลายสำหรับอุปกรณ์ทางการแพทย์ในปัจจุบัน นั่นคือดังแสดงในรูป 6 แหล่งจ่ายไฟสลับของอุปกรณ์ทางการแพทย์เกี่ยวข้องกับ AC/DC และ DC/DCอินพุตของตัวแปลง AC/DC ของแหล่งจ่ายไฟหลักคือ 50/60Hz และกระแสสลับ 220V ซึ่งจะต้องแก้ไขและกรอง ตัวเก็บประจุไฟฟ้ากรองขนาดใหญ่เป็นสิ่งที่ขาดไม่ได้ และต้องเพิ่มอินพุต AC ด้วยตัวกรอง EMC และอุปกรณ์ที่ใช้มาตรฐานความปลอดภัยตัวแปลง DC/DC ของแหล่งจ่ายไฟสำรองใช้สำหรับการแปลงพลังงาน ซึ่งเป็นส่วนหลักของแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่ง

นอกจากนี้ยังมีวงจรต่างๆ เช่น สตาร์ทอัพ, การป้องกันกระแสไฟเกินและแรงดันไฟเกิน, การกรองสัญญาณรบกวน ฯลฯ วงจรสุ่มตัวอย่างจะตรวจจับการเปลี่ยนแปลงของแรงดันเอาต์พุตและเปรียบเทียบกับแรงดันอ้างอิง แรงดันไฟฟ้าผิดพลาดจะถูกขยายและวงจรปรับความกว้างพัลส์ (PWM) จากนั้นรอบการทำงานของอุปกรณ์ไฟฟ้าจะถูกควบคุมโดยวงจรขับเคลื่อนเพื่อปรับแรงดันเอาต์พุต โครงสร้างพื้นฐานแสดงในรูปที่ 6

รูปที่ 6 โครงสร้างพื้นฐานของสวิตช์อุปกรณ์การแพทย์

วงจรอินพุตโดยทั่วไปประกอบด้วยสวิตช์ ฟิวส์ วงจรป้องกันการรบกวนไฟฟ้ากระแสสลับ และวงจรสตาร์ทแบบนุ่มนวล

วงจรสตาร์ทแบบนุ่มนวลเป็นหนึ่งในวงจรป้องกันของแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่ง วงจรอินพุตส่วนใหญ่ของแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่งได้รับการออกแบบโดยวงจรเรียงกระแสและวงจรกรองตัวเก็บประจุ เนื่องจากแรงดันไฟฟ้าเริ่มต้นบนตัวเก็บประจุเป็น 0 จึงจะเกิดกระแสไฟกระชากขนาดใหญ่ทันที ด้วยเหตุนี้ แหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่งของอุปกรณ์ทางการแพทย์โดยทั่วไปจึงมีวงจรสตาร์ทแบบนุ่มนวลเพื่อป้องกันกระแสไฟกระชากในวงจรอินพุต

วงจรซอฟต์สตาร์ททั่วไปประกอบด้วยวงจรกระแสไฟกระชากของเทอร์มิสเตอร์, วงจร SCR-R, วงจรที่ประกอบด้วยรีเลย์และตัวต้านทาน, วงจรที่ใช้ไทม์มิ่งทริกเกอร์และตัวต้านทานจำกัดกระแส และวงจรที่ประกอบด้วยไทริสเตอร์คู่รูปถ่ายและไทริสเตอร์สองทิศทางที่ถูกกระตุ้นโดยการข้ามศูนย์

หนึ่งในวงจรที่จะรับรู้ถึงทริกเกอร์การข้ามศูนย์จะแสดงในรูปที่ 7 ออปโตคัปเปลอร์สองตัวใช้สำหรับอินพุต AC และออปโตคัปเปลอร์สองตัวเชื่อมต่อแบบย้อนกลับแบบขนาน ในครึ่งรอบด้านบวกและด้านลบของพลังงานเชิงพาณิชย์ ออปโตคัปเปลอร์ทั้งสองจะเปิดในทางกลับกัน เมื่อพลังงานเชิงพาณิชย์ไม่ได้อยู่ที่จุดข้ามศูนย์ จะมีการเปิดออปโตคัปเปลอร์เพียงตัวเดียว และเอาต์พุตระดับต่ำในเวลานี้ เมื่อพลังงานเชิงพาณิชย์เปลี่ยนเป็น Zero-Crossing ออปโตคัปเปลอร์ทั้งสองจะไม่ถูกเปิด ในเวลานี้ เนื่องจากการทำงานของ R3 พินจึงเอาต์พุตในระดับสูง จึงได้รับสัญญาณพัลส์ที่มีระยะเวลาคงที่ที่ปลายเอาต์พุต

รูปที่ 7 วงจรของทริกเกอร์แบบข้ามศูนย์พร้อมออปโตคัปเปลอร์

เนื่องจากการส่งสัญญาณแบบทิศทางเดียว ปลายอินพุตและเอาต์พุตจะถูกแยกออกจากกันด้วยระบบไฟฟ้าอย่างสมบูรณ์ พร้อมความสามารถในการป้องกันการรบกวนที่แข็งแกร่ง อายุการใช้งานยาวนาน และประสิทธิภาพการส่งผ่านสูง ออปโตคัปเปลอร์ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในการแยกสัญญาณ วงจรสวิตชิ่ง การขยายพัลส์ โซลิดสเตตรีเลย์ (SSR) และวงจรอื่นๆในการใช้งานโหลด AC ออปโตคัปเปลอร์และไทริสเตอร์แบบสองทิศทางจะสร้างวงจรแยกที่มีความสามารถในการป้องกันการรบกวนที่แข็งแกร่งออปโตคัปเปลอร์สามารถแยกโมดูลวงจรต่างๆ ในแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่งได้สำหรับการรักษาเสถียรภาพแรงดันไฟฟ้าของวงจร สามารถใช้ออปโตคัปเปลอร์เชิงเส้นในวงจรพัลส์ไวด์มอดูเลชั่น (PWM) เพื่อสร้างวงจรป้อนกลับของออปโตคัปเปลอร์ และอัตราส่วนหน้าที่สามารถเปลี่ยนแปลงได้โดยการปรับกระแสที่เทอร์มินัลควบคุมเพื่อให้บรรลุวัตถุประสงค์ของการรักษาเสถียรภาพแรงดันไฟฟ้าที่แม่นยำเนื่องจากมีการใช้กันอย่างแพร่หลายในผลิตภัณฑ์ทางการแพทย์ คุณภาพของออปโตคัปเปลอร์จึงมีอิทธิพลอย่างมากต่อแหล่งจ่ายไฟสลับทางการแพทย์ เพื่อหลีกเลี่ยงความล้มเหลวของวงจรที่เกิดจากการเสื่อมประสิทธิภาพของออปโตคัปเปลอร์ และเพื่อให้มั่นใจในเสถียรภาพและความปลอดภัยของผลิตภัณฑ์ทางการแพทย์ ต้องเลือกผลิตภัณฑ์ออปโตคัปเปลอร์ที่เชื่อถือได้นอกจากนี้ เพื่อที่จะเลือกหรือสร้างระบบจ่ายไฟที่ดีสำหรับอุปกรณ์ทางการแพทย์ เราต้องใส่ใจกับการปรับปรุงความเข้ากันได้ทางแม่เหล็กไฟฟ้าและความสามารถในการป้องกันการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้าของแหล่งจ่ายไฟ ส่วนใหญ่มาจากการออกแบบและเค้าโครง PCB การป้องกันคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า การทดสอบและการรับรอง สำหรับการออกแบบ PCB ประเด็นหลักคือการแยกพลังงาน และแกนหลักคือตัวเลือกของออปโตคัปเปลอร์ จากแง่มุมเหล่านี้ เราสามารถขยายและเลือกออปโตคัปเปลอร์ที่เหมาะสมได้ ดูบทความนี้สำหรับวิธีการเลือก