Tıbbi cihazların güç izolasyon analizi

Tıbbi ekipman ile modern tıbbi teşhis ve tedavi arasındaki ilişki giderek yakınlaşmaktadır. Hiçbir tıbbi ekipman güvenli ve istikrarlı bir güç kaynağından ayrılamaz ve bunların çoğu anahtarlamalı güç kaynaklarıdır. Bir tıbbi cihazın maksimum verimliliğini gösterip gösteremeyeceği, yalnızca makinenin teknik performansıyla değil, aynı zamanda güç kaynağının kalitesiyle de doğrudan ilgilidir. Güç kaynağının kalitesi, tıbbi ekipmanın stabilitesini ve güvenilirliğini doğrudan etkileyecektir. Standartların altında güç kaynağına sahip ürünler, büyük tıbbi ekipman kazalarına ve büyük ekonomik kayıplara yol açabilir.

Güvenlik izolasyonu, yaygın ticari güç kaynağı ile tıbbi güç kaynağı arasındaki önemli bir farktır. Genel tıbbi ekipmanlar, Şekil 1 ve Şekil 2'de gösterildiği gibi güç kaynağına göre iki kategoriye ayrılır. Sınıf I tıbbi ekipman (metal kasa) ve Sınıf II tıbbi ekipman (plastik kasa). Bazı deneysel ve analitik cihazlar dışında çoğu tıbbi ekipman, insanlara yakın olan tedavi noktasının yakınına kurulur ve kabuğa sıklıkla dokunulur. Tıbbi ekipmanlarda her türlü güçlü ve zayıf bileşen bulunmaktadır. Güçlü ve zayıf bileşenler arasındaki izolasyonda veya kabuk malzemelerinin yalıtımında sorun varsa bu çok tehlikeli olacaktır, bu nedenle izolasyon tasarımına ihtiyaç vardır.

Şekil 1 Sınıf I tıbbi ekipmanın elektriksel yapısı Şekil 2 Sınıf II tıbbi ekipmanın elektriksel yapısı

Ekipmandaki farklı modüller farklı seviyelerde izolasyona ihtiyaç duyar: fonksiyonel izolasyon, temel izolasyon, çift izolasyon ve gelişmiş izolasyon.

Fonksiyonel izolasyon, yalnızca çapraz fonksiyonlu modüller için gerilim sistemleri arasındaki sinyallerin veya güç kaynaklarının fonksiyonel uygulama izolasyonunu ifade eder;

İzolasyon temel olarak işlevsel izolasyon + elektrik çarpmasına karşı korumadır;

Çift izolasyon, temel izolasyonlu (elektrik çarpmasına karşı temel koruma seviyesi) bir sistemi benimser ve temel izolasyon sırasında elektrik çarpması olasılığını azaltmak amacıyla fiziksel korumayı güçlendirmek için elektrikli bileşenler ile son kullanıcı arasına bir yardımcı yalıtım katmanı eklenir. başarısız olur;

Gelişmiş yalıtımın yalıtım etkisi çift yalıtımla ilgilidir, ancak yalnızca tek bir kabuğa ihtiyaç vardır. Baskılı devre kartı düzeni, çekirdek kabloları, sargılar ve parça pimleri vb. arasındaki fiziksel izolasyondan yararlanabilen ve aynı zamanda güvenli kaçak mesafesi ve elektrik gereksinimlerini karşılayabilen, geliştirilmiş izolasyon özelliklerine sahip temel bir izolasyon dekorasyonudur. açıklık mesafesi (yani iki voltaj sistemi arasındaki fiziksel mesafe).
Bu nedenle, geliştirilmiş izolasyon tasarımı çift izolasyona sahiptir ancak yalnızca bir test noktasına ihtiyaç vardır.Çift izolasyon ve geliştirilmiş izolasyon genellikle taşınabilir tıbbi ekipman gibi güç kaynağını bağlamak için topraklama pimleri olmayan AC fişleri kullanan ürünlere (örneğin, Şekil 3'teki infüzyon pompası ve fişi) uygulanabilir.

Şekil 3

Şekil 1 ve Şekil 2'de gösterildiği gibi tıbbi güç kaynağının güvenlik standardına göre hasta korumasına yönelik ekipmanın izolasyon gereksinimleri aşağıdaki gibidir. (1)L, N←→ uygulama kısmı: çift veya güçlendirilmiş yalıtım, dielektrik dayanım AC 4000 V, elektriksel açıklık 5 mm, kaçak mesafesi 8 mm; (2)L, N←→ metal kabuk: temel yalıtım, dielektrik dayanımı AC 1500 V, elektriksel açıklık 2.5 mm, kaçak mesafesi 4 mm

Özetlemek gerekirse, "fonksiyonel izolasyon" ve "temel izolasyon" (yani sınıf I izolasyon) bir gerilim rayını diğerinden elektriksel olarak izole ederken, "çift izolasyon" ve "gelişmiş izolasyon" aynı tasarım hedefi için farklı durumlarda iki çözüm sağlar (örn. sınıf II izolasyon). Sınıf I ürünler ve sınıf II ürünler iki tür izolasyon yöntemi seçmelidir.Tıbbi anahtarlamalı güç kaynağının iç yapısı standarda göre bölünmüştür ve farklı parçaların dielektrik dayanımı, elektriksel açıklığı ve kaçak mesafesinin gereksinimlere göre tasarlanması gerekir.Güvenlik testleri açısından, genel tıbbi ekipmanın güç kaynağının UL60601-1, C-UL, EN60601-1 vb. tarafından sertifikalandırılmış olması gerekir. Giriş terminalinin izolasyon voltajı 4,000V'tan fazla olmalı ve zemin drenaj akımı, güvenlik kaçak mesafesi gereksinimlerini karşılayan düşük olmalıdır. Ancak yüksek gerilim kısmı için, özellikle ekipman kabuğu ile temas etmesi muhtemel kısım için çift izolasyon gerekli olup, izolasyon ve izolasyon tasarımı güçlendirilmelidir.

Şekil 4 ve Şekil 5. Şekil 9706.1 iki tip güç kaynağının elektriksel yapılarını göstermektedir. Tıbbi güç kaynağı standardına (GB 2007-4 standardı) göre, şekil 5'de gösterilen yapılara sahip tıbbi güç kaynaklarının izolasyon parametreleri. 1 ve Şek. 1500, E2.5-dielektrik gücü AC 4 V, elektriksel açıklık XNUMX mm ve kaçak mesafesi XNUMX mm'dir; E3— dielektrik dayanımı AC 4 000 V, elektriksel açıklık 5 mm, kaçak mesafesi 8 mm; E4— dielektrik dayanımı AC 500 V. Göreceli: C1-Y2 kapasitör, C2-X2 kapasitör, C3-çift Y1 serisi kapasitöre eşdeğer.

Şekil 4 Sınıf I güç kaynağının elektriksel yapısı

Şekil 5 Sınıf II Güç Kaynağının Elektriksel Yapısı

Bu izolasyon gereksinimleri parametreleri, tasarımcıların, cihaz seçiminin başlangıcından itibaren uygun marjlara sahip cihazların seçilmesini sağlamasını gerektirir.Ayrıca güç kaynağı türleri açısından evsel tıbbi ekipmanlar çoğunlukla 220V şebekeden beslenmektedir. Çeşitli tıbbi ekipmanların güç kaynağı gereksinimleri nedeniyle, merkezi güç kaynağı yapısı şu anda en yaygın kullanılan yapıdır. Yani, merkezi bir güç dönüştürücü, çeşitli voltaj seviyelerinde gerekli çıkış voltajlarını üretir.

Düşük maliyeti, yüksek verimliliği, ayarlanabilir çıkış voltajı, düşük çıkış gürültüsü ve hızlı dinamik tepkisi nedeniyle tıbbi ekipman için çok uygundur ve şu anda tıbbi ekipman için en yaygın kullanılan güç kaynağı modudur. Yani, Şekil 6'de gösterildiği gibi. Şekil XNUMX'da, tıbbi ekipmanın anahtarlamalı güç kaynağı AC/DC ve DC/DC'yi içerir.Birincil güç kaynağının AC/DC dönüştürücüsünün girişi 50/60Hz ve 220V alternatif akımdır ve bunların düzeltilmesi ve filtrelenmesi gerekir. Büyük filtreli elektrolitik kapasitör vazgeçilmezdir ve AC girişi, EMC filtresi ve güvenlik standartlarını kullanan cihazlarla eklenmelidir.İkincil güç kaynağının DC/DC dönüştürücüsü, anahtarlamalı güç kaynağının temel parçası olan güç dönüşümü için kullanılır.

Ayrıca başlatma, aşırı akım ve aşırı gerilim koruması, gürültü filtreleme vb. devreler de bulunmaktadır. Örnekleme devresi çıkış voltajındaki değişimi tespit eder ve bunu referans voltajıyla karşılaştırır. Hata voltajı yükseltilir ve darbe genişliği modülasyonlu (PWM) devre yapılır ve daha sonra güç cihazının görev döngüsü, çıkış voltajını ayarlamak için sürüş devresi tarafından kontrol edilir. Temel yapı Şekil 6'da gösterilmektedir.

Şekil 6 Tıbbi ekipman anahtarının temel yapısı

Giriş devresi genellikle anahtar, sigorta, AC anti-parazit devresi ve yumuşak başlatma devresinden oluşur.

Yumuşak başlatma devresi, anahtarlamalı güç kaynağının koruma devrelerinden biridir. Anahtarlamalı güç kaynağının giriş devrelerinin çoğu, doğrultucu ve kapasitör filtreleme devresi ile tasarlanmıştır. Kapasitördeki başlangıç voltajı 0 olduğundan büyük bir anlık dalgalanma akımı oluşacaktır. Bu nedenle, tıbbi ekipmanın anahtarlamalı güç kaynağı, giriş devresindeki aşırı akımı önlemek için genellikle yumuşak başlatma devresi ile donatılmıştır.

Yaygın yumuşak başlatma devreleri arasında termistör anti-dalgalanma akım devresi, SCR-R devresi, röle ve dirençten oluşan devre, zamanlama tetikleyicisi ve akım sınırlama direnci kullanan devre ve sıfır geçişle tetiklenen foto-bağlantılı tristör ve çift yönlü tristörden oluşan devre bulunur.

Sıfır geçiş tetiklemesini gerçekleştirecek devrelerden biri Şekil 7'de gösterilmektedir. AC girişi için iki optokuplör kullanılmış ve iki optokuplör paralel olarak ters bağlanmıştır. Ticari gücün pozitif ve negatif yarı döngülerinde iki optokuplör sırasıyla açılır. Ticari güç sıfır geçiş noktasında olmadığında yalnızca bir optokuplör açılır ve bu anda düşük seviyeli çıkış sağlanır. Ticari güç sıfır geçişe döndüğünde her iki optokuplör de açılmaz. Bu sırada R3'ün etkisi nedeniyle pin yüksek düzeyde çıkış verir, böylece çıkış ucunda sabit süreli bir darbe sinyali elde edilir.

Şekil 7 optokuplörlü sıfır geçiş tetikleme devresi

Tek yönlü sinyal iletimi nedeniyle, giriş ucu ve çıkış ucu, güçlü anti-parazit özelliği, uzun servis ömrü ve yüksek iletim verimliliği ile elektriksel olarak tamamen yalıtılmıştır. Optokuplörler sinyal izolasyonunda, anahtarlama devrelerinde, darbe amplifikasyonunda, katı hal rölesinde (SSR) ve diğer devrelerde yaygın olarak kullanılır.AC yükünün uygulanmasında optokuplör ve çift yönlü tristör, güçlü anti-parazit özelliğine sahip bir izolasyon devresi oluşturur.Optokuplörler anahtarlama güç kaynağındaki farklı devre modüllerini izole edebilir.Devre voltajı stabilizasyonu için, optokuplör geri besleme devresi oluşturmak üzere darbe genişliği modülasyonu (PWM) devresinde doğrusal optokuplör kullanılabilir ve hassas voltaj stabilizasyonu amacına ulaşmak için kontrol terminalindeki akımı ayarlayarak görev oranı değiştirilebilir.Tıbbi ürünlerdeki geniş uygulama alanı nedeniyle optokuplörün kalitesi, tıbbi anahtarlama güç kaynağı üzerinde büyük etkiye sahiptir. Optokuplör performansının bozulmasından kaynaklanan devre arızasını önlemek ve tıbbi ürünlerin stabilitesini ve güvenliğini sağlamak için güvenilir optokuplör ürünlerinin seçilmesi gerekir.Ek olarak, tıbbi ekipman için iyi bir güç kaynağı sistemi seçmek veya oluşturmak için, güç kaynağının elektromanyetik uyumluluğunu ve anti-elektromanyetik girişim yeteneğini geliştirmeye dikkat etmeliyiz. Esas olarak PCB tasarımı ve düzeni, elektromanyetik koruma, test ve sertifikasyondan oluşur. PCB tasarımında ana nokta güç izolasyonu, çekirdek ise optokuplör seçimidir. Bu yönlerden uygun optokuplörü genişletebilir ve seçebiliriz. Nasıl seçileceğini öğrenmek için bu makaleye bakın.