Mối quan hệ giữa trang thiết bị y tế và chẩn đoán, điều trị y tế hiện đại ngày càng chặt chẽ. Bất kỳ thiết bị y tế nào cũng không thể tách rời khỏi nguồn điện an toàn và ổn định, và hầu hết chúng đều là nguồn điện chuyển mạch. Việc một thiết bị y tế có thể phát huy hiệu quả tối đa hay không không chỉ liên quan trực tiếp đến hiệu suất kỹ thuật của bản thân máy mà còn liên quan đến chất lượng nguồn điện. Chất lượng cung cấp điện sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến độ ổn định và độ tin cậy của thiết bị y tế. Các sản phẩm có nguồn điện không đạt tiêu chuẩn có thể dẫn đến những tai nạn lớn về thiết bị y tế và thiệt hại lớn về kinh tế.

Cách ly an toàn là sự khác biệt quan trọng giữa nguồn điện thương mại thông thường và nguồn điện y tế. Thiết bị y tế thông thường được chia thành hai loại dựa trên nguồn điện, như trong Hình 1 và Hình 2. Thiết bị y tế loại I (vỏ kim loại) và thiết bị y tế loại II (vỏ nhựa). Ngoại trừ một số dụng cụ thí nghiệm và phân tích, hầu hết các thiết bị y tế đều được lắp đặt gần điểm điều trị, gần người và thường xuyên chạm vào vỏ. Trong thiết bị y tế có đủ loại linh kiện mạnh yếu. Nếu có vấn đề về cách ly giữa các bộ phận mạnh và yếu hoặc cách điện của vật liệu vỏ sẽ rất nguy hiểm nên cần thiết kế cách ly.

Hình 1 Cấu trúc điện của thiết bị y tế loại I Hình 2 Cấu trúc điện của thiết bị y tế loại II

Các mô-đun khác nhau trong thiết bị cần các mức cách ly khác nhau: cách ly chức năng, cách ly cơ bản, cách ly kép và cách ly nâng cao.

Cách ly chức năng đề cập đến cách ly ứng dụng chức năng của tín hiệu hoặc nguồn điện giữa các hệ thống điện áp, chỉ dành cho các mô-đun chức năng chéo;

Cách ly về cơ bản là cách ly chức năng+bảo vệ chống điện giật;

Cách ly kép áp dụng một hệ thống có cách ly cơ bản (mức bảo vệ cơ bản chống điện giật) và lớp cách điện phụ được thêm vào giữa các bộ phận điện và người dùng cuối để tăng cường bảo vệ vật lý, nhằm giảm khả năng bị điện giật khi cách ly cơ bản thất bại;

Hiệu ứng cách ly của cách ly nâng cao có liên quan đến cách ly kép, nhưng chỉ cần một lớp vỏ duy nhất. Nó là một vật trang trí cách ly cơ bản với các đặc tính cách ly nâng cao, có thể tận dụng sự cách ly vật lý giữa bố trí bảng mạch in, dây lõi, cuộn dây và chân các bộ phận, v.v., đồng thời đáp ứng các yêu cầu về khoảng cách đường dây an toàn và điện. khoảng cách giải phóng mặt bằng (tức là khoảng cách vật lý giữa hai hệ thống điện áp).
Do đó, thiết kế cách ly nâng cao có cách ly kép nhưng chỉ cần một điểm kiểm tra.Cách ly kép và cách ly nâng cao thường áp dụng cho các sản phẩm sử dụng phích cắm AC không có chân nối đất để kết nối nguồn điện, chẳng hạn như thiết bị y tế cầm tay (ví dụ: bơm tiêm truyền và phích cắm của nó trong Hình 3).

Hình 3

Như trong Hình 1 và Hình 2, theo tiêu chuẩn an toàn của nguồn điện y tế, các yêu cầu cách ly của thiết bị để bảo vệ bệnh nhân như sau. (1)L, N←→ phần ứng dụng: cách điện kép hoặc tăng cường, cường độ điện môi AC 4000 V, khe hở điện 5 mm, khoảng cách đường rò 8 mm; (2)L, N←→ vỏ kim loại: cách điện cơ bản, độ bền điện môi AC 1500 V, khe hở điện 2.5 mm, khoảng cách đường rò 4 mm

Tóm lại, "cách ly chức năng" và "cách ly cơ bản" (tức là cách ly lớp I) cách ly điện áp một đường ray điện áp này với đường ray điện áp khác, trong khi "cách ly kép" và "cách ly nâng cao" cung cấp hai giải pháp trong các tình huống khác nhau cho cùng một mục tiêu thiết kế (tức là cách ly loại II). Sản phẩm loại I và sản phẩm loại II nên chọn hai loại phương pháp cách ly.Cấu trúc bên trong của nguồn điện chuyển mạch y tế được phân chia theo tiêu chuẩn, độ bền điện môi, độ hở điện và khoảng cách đường rò của các bộ phận khác nhau cần được thiết kế theo yêu cầu.Về mặt kiểm tra an toàn, nguồn điện của thiết bị y tế nói chung phải được chứng nhận bởi UL60601-1, C-UL, EN60601-1, v.v. Thiết bị đầu cuối đầu vào phải có điện áp cách ly trên 4,000V và dòng thoát sàn phải thấp, đáp ứng các yêu cầu về khoảng cách đường rò an toàn. Tuy nhiên, cần phải cách điện kép cho bộ phận có điện áp cao, đặc biệt đối với bộ phận có khả năng tiếp xúc với vỏ thiết bị thì cần tăng cường thiết kế cách điện và cách ly.

Hình 4 và hình. 5 chỉ ra cấu trúc điện của hai loại nguồn điện. Theo tiêu chuẩn nguồn điện y tế (tiêu chuẩn GB 9706.1-2007), các thông số cách ly của nguồn điện y tế có cấu trúc như hình. 4 và hình. 5 là cường độ điện môi E1 AC 1500 V, khe hở điện 2.5 mm và khoảng cách đường rò 4 mm; E3— cường độ điện môi AC 4 000 V, khe hở điện 5 mm, khoảng cách đường rò 8 mm; E4— cường độ điện môi AC 500 V. Tương đối: tụ điện C1-Y2, tụ điện C2-X2, tụ điện C3 tương đương với tụ điện dòng Y1 kép.

Hình 4. Cấu trúc điện của nguồn điện cấp I

Hình 5 Cấu trúc điện của nguồn cấp II

Các thông số yêu cầu cách ly này yêu cầu các nhà thiết kế phải đảm bảo rằng các thiết bị có lề phù hợp được chọn ngay từ khi bắt đầu lựa chọn thiết bị.Ngoài ra, xét về loại nguồn điện, các thiết bị y tế trong nước hầu hết đều sử dụng nguồn điện lưới 220V. Do yêu cầu cung cấp điện của nhiều loại thiết bị y tế nên cơ cấu cấp điện tập trung là cơ cấu được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay. Nghĩa là, một bộ chuyển đổi điện tập trung tạo ra điện áp đầu ra cần thiết ở các mức điện áp khác nhau.

Do chi phí thấp, hiệu suất cao, điện áp đầu ra có thể điều chỉnh, độ ồn đầu ra thấp và phản ứng động nhanh nên rất phù hợp với thiết bị y tế và là chế độ cung cấp điện được sử dụng rộng rãi nhất cho thiết bị y tế hiện nay. Đó là, như thể hiện trong hình. 6, nguồn điện chuyển mạch của thiết bị y tế bao gồm AC/DC và DC/DC.Đầu vào của bộ chuyển đổi AC/DC của nguồn điện sơ cấp là dòng điện xoay chiều 50/60Hz và 220V, phải được chỉnh lưu và lọc. Tụ điện phân lọc lớn là không thể thiếu, và đầu vào AC phải được bổ sung bộ lọc EMC và các thiết bị sử dụng tiêu chuẩn an toàn.Bộ chuyển đổi DC/DC của nguồn điện thứ cấp được sử dụng để chuyển đổi nguồn điện, là bộ phận cốt lõi của nguồn điện chuyển mạch.

Ngoài ra còn có các mạch như khởi động, bảo vệ quá dòng và quá áp, lọc nhiễu,… Mạch lấy mẫu phát hiện sự thay đổi của điện áp đầu ra và so sánh nó với điện áp tham chiếu. Điện áp lỗi được khuếch đại và mạch điều chế độ rộng xung (PWM), sau đó chu kỳ làm việc của thiết bị nguồn được điều khiển bởi mạch điều khiển, để điều chỉnh điện áp đầu ra. Cấu trúc cơ bản được thể hiện trong Hình 6.

Hình 6 Cấu tạo cơ bản của công tắc thiết bị y tế

Mạch đầu vào thường bao gồm công tắc, cầu chì, mạch chống nhiễu AC và mạch khởi động mềm.

Mạch khởi động mềm là một trong những mạch bảo vệ nguồn điện chuyển mạch. Hầu hết các mạch đầu vào của nguồn điện chuyển mạch được thiết kế bằng mạch chỉnh lưu và lọc tụ điện. Vì điện áp ban đầu trên tụ bằng 0 nên sẽ hình thành dòng điện tăng vọt tức thời lớn. Vì lý do này, nguồn điện chuyển mạch của thiết bị y tế thường được trang bị mạch khởi động mềm để ngăn dòng điện đột biến trong mạch đầu vào.

Các mạch khởi động mềm phổ biến bao gồm mạch điện trở chống tăng dòng điện, mạch SCR-R, mạch bao gồm rơle và điện trở, mạch sử dụng bộ kích hoạt định thời và điện trở giới hạn dòng điện, và mạch bao gồm thyristor ghép ảnh và thyristor hai chiều được kích hoạt bằng giao điểm 0.

Một trong các mạch để nhận ra bộ kích hoạt cắt ngang điểm 7 được hiển thị trong Hình 3. Hai bộ ghép quang được sử dụng cho đầu vào AC và hai bộ ghép quang được kết nối song song ngược lại. Trong nửa chu kỳ dương và âm của nguồn điện thương mại, hai bộ ghép quang lần lượt được bật. Khi nguồn điện thương mại không ở điểm giao nhau bằng XNUMX, chỉ có một bộ ghép quang được bật và lúc này sẽ xuất ra mức thấp. Khi nguồn điện thương mại chuyển sang giao điểm XNUMX, cả hai bộ ghép quang đều không được bật. Tại thời điểm này, do tác động của RXNUMX, chân phát ra mức cao, do đó thu được tín hiệu xung có chu kỳ cố định ở đầu ra.

Hình 7 mạch kích hoạt giao điểm XNUMX với bộ ghép quang

Do truyền tín hiệu một chiều, đầu vào và đầu ra được cách ly hoàn toàn về điện, có khả năng chống nhiễu mạnh, tuổi thọ dài và hiệu suất truyền tải cao. Bộ ghép quang được sử dụng rộng rãi trong cách ly tín hiệu, mạch chuyển mạch, khuếch đại xung, rơle trạng thái rắn (SSR) và các mạch khác.Trong ứng dụng tải AC, bộ ghép quang và thyristor hai chiều tạo thành một mạch cách ly có khả năng chống nhiễu mạnh.Bộ ghép quang có thể cách ly các mô-đun mạch khác nhau trong nguồn điện chuyển mạch.Để ổn định điện áp mạch, bộ ghép quang tuyến tính có thể được sử dụng trong mạch điều chế độ rộng xung (PWM) để tạo thành mạch phản hồi của bộ ghép quang và có thể thay đổi tỷ lệ nhiệm vụ bằng cách điều chỉnh dòng điện ở cực điều khiển để đạt được mục đích ổn định điện áp chính xác.Do ứng dụng rộng rãi trong các sản phẩm y tế, chất lượng của bộ ghép quang có ảnh hưởng lớn đến việc cung cấp năng lượng chuyển mạch y tế. Để tránh sự cố mạch do suy giảm hiệu suất của bộ ghép quang và đảm bảo tính ổn định và an toàn của các sản phẩm y tế, phải chọn các sản phẩm bộ ghép quang đáng tin cậy.Ngoài ra, để lựa chọn hoặc xây dựng hệ thống cấp điện tốt cho thiết bị y tế, chúng ta phải chú ý nâng cao khả năng tương thích điện từ và khả năng chống nhiễu điện từ của bộ nguồn. Chủ yếu là từ thiết kế và bố trí PCB, che chắn điện từ, thử nghiệm và chứng nhận. Đối với thiết kế PCB, điểm chính là cách ly nguồn và cốt lõi là lựa chọn bộ ghép quang. Từ những khía cạnh này, chúng ta có thể mở rộng và lựa chọn bộ ghép quang thích hợp. Xem bài viết này để biết cách chọn nó.