Jak používat diody v lékařské izolační ochraně?

一, Základním principem izolační ochrany je blokování elektrických cest a potlačení šíření rušení
Základním cílem lékařské izolace elektrického proudu je přerušit přímé elektrické spojení mezi okruhem pacienta a síťovým napájením, čímž se zabrání průchodu svodového proudu lidským tělem a vzniku mikroelektrických výbojů (přípustná hodnota menší nebo rovna 10 μ A). Dioda dosahuje izolační ochrany pomocí následujícího mechanismu:

Jednosměrná vodivost blokující zpětný proud: V designu izolovaného napájecího zdroje jsou diody kombinovány se součástmi, jako jsou transformátory a optočleny, aby vytvořily jednosměrnou proudovou cestu. Například u zpětného konvertoru výstupní dioda umožňuje proudění proudu pouze ze sekundáru transformátoru do zátěže, čímž blokuje zpětný proud a zabraňuje tomu, aby poruchy na straně sítě ovlivnily okruh pacienta.
Přechodné přepětí pro potlačení přechodového napětí: Diody potlačení přechodového napětí (TVS) mohou reagovat na události přepětí v nanosekundách a stlačit napětí na bezpečnou úroveň. Na vstupní straně lékařského vybavení mohou diody TVS absorbovat rušení, jako jsou údery blesku a rychlé elektrické přechodové jevy (EFT), a chránit tak výstupní obvod před vysokonapěťovými šoky.
Optoelektronická izolace pro přenos signálu: Světelná-dioda a fotodioda v optočlenu přenášejí elektrické signály prostřednictvím optických signálů a zcela izolují elektrická spojení mezi vstupními a výstupními svorkami. Například v izolovaném elektrokardiografickém přístroji převádí optočlen povrchový elektrický signál pacienta na optický signál, který se pak obnoví na elektrický signál, aby se eliminovala zemní interference.
2, Typický scénář aplikace: Kompletní pokrytí scény od operačních sálů až po přenosná zařízení
1. Izolační napájecí systém pro operační sál
Zdravotnická zařízení třídy II, jako jsou operační sály, musí přijmout IT systémy (režim neuzemněného napájení) a vybudovat zabezpečenou napájecí síť pomocí izolačních transformátorů, zařízení pro sledování izolace a poplachových terminálů. Dioda hraje v tomto systému dvojí roli:

Izolace konvertoru Flyback: V izolovaném stejnosměrném/stejnosměrném konvertoru spolupracují diody a transformátory, aby bylo dosaženo vstupní-výstupní izolace. Například čip Lingli Te LT8300 odvozuje výstupní napětí detekcí hlavního terminálového napětí transformátoru a může dosáhnout izolační zpětné vazby bez potřeby optočlenů, což zjednodušuje konstrukci a zlepšuje spolehlivost.
Ochrana proti poruchám izolace: Pokud dojde k poruše zemní izolace na sekundární straně izolačního transformátoru, obvod diodové svorky omezí svodový proud na úroveň mikroampérů, aby se zabránilo riziku úrazu elektrickým proudem pacienta. Zařízení pro sledování izolace současně spustí alarm sledováním změn izolačního odporu a zajistí tak chirurgickou bezpečnost.
2. Ochrana napájení pro přenosná zdravotnická zařízení
Přenosné monitory, infuzní pumpy a další zařízení musí pracovat stabilně ve složitém elektromagnetickém prostředí a diody poskytují ochranu prostřednictvím následujících metod:

Ochrana proti ESD: V cestě sběru signálu EKG dioda SMBJ5.0CA TVS svírá napětí elektrostatického výboje na bezpečnou úroveň a chrání tak přístrojové zesilovače s vysokou vstupní impedancí před poškozením. Jeho doba odezvy dosahuje úrovně pikosekund, což může účinně potlačit lidskou statickou elektřinu (± 15 kV) a statickou elektřinu generovanou třením zařízení.
Ochrana proti zpětnému napětí: V solárním fotovoltaickém pomocném napájecím systému zabraňují diody zpětnému toku síťového proudu do fotovoltaického panelu a zabraňují poškození zařízení. Například v noci nebo za oblačných dnů může vypínací charakteristika diody blokovat zpětný proud a zajistit tak bezpečnost střídače.
3. Energetická kontrola vysokofrekvenčního{1}}chirurgického vybavení
Vysokofrekvenční elektrické nože, laserová terapeutická zařízení a další vybavení vyžadují přesné řízení výstupní energie a diody dosahují ochrany prostřednictvím následujících mechanismů:

Volnoběžná dioda Fast Recovery Diode (FRD): V obvodech pohonu motoru poskytuje FRD cestu zpětného proudu, když je relé vypnuto, absorbuje energii zpětné elektromotorické síly motoru a chrání výkonová zařízení před napěťovými rázy. Doba jeho zpětné obnovy byla zkrácena na 20 ns, což je o 30 % účinnější než tradiční křemíkové diody.
Regulace výkonu laseru: Použitím diody s rychlou obnovou a tranzistorů MOSFET k vytvoření spínacího obvodu je úhel vedení diody upraven tak, aby řídil budicí proud laserové diody, čímž se dosáhne kontinuálního nastavitelného výstupního výkonu a zároveň se zabrání poškození laseru nadproudem.
3, Strategie výběru technologie a optimalizace: vyvážení výkonu, nákladů a spolehlivosti
1. Párování parametrů zařízení
Výběr diody TVS: Je třeba vzít v úvahu parametry, jako je maximální upínací napětí (VC), minimální průrazné napětí (VBR) a špičkový pulzní výkon (PPP). Například ve vstupním obvodu 220 V AC by měly být vybrány diody TVS s Vbr větším nebo rovným 600 V a PPP větším nebo rovným 600 W, aby byla zajištěna bezpečnost zařízení při přepětí bleskem (křivka 8/20 μs).
Odolné napětí izolační diody: V izolovaném napájecím zdroji musí být zpětné výdržné napětí diody 1,5krát vyšší než sekundární napětí transformátoru. Například ve výstupním systému 48 V by měly být vybrány Schottkyho diody s reverzním výdržným napětím vyšším nebo rovným 100 V, aby se zabránilo průrazu napětí.
2. Inovace topologie
Architektura víceúrovňové ochrany: využívá tří-úrovňovou ochranu „GDT+MOV+TVS“, GDT absorbuje primární rázovou energii, MOV potlačuje střední přepětí, TVS zachycuje zbytkové napětí a krok za krokem dosahuje energetického útlumu. Například u napájecích zdrojů lékařských rentgenových přístrojů může tato architektura snížit přepětí bleskem z 8 kV na bezpečnou úroveň.
Integrovaný ochranný modul: Vyberte si diodové pole TVS nebo ochranný modul ESD, abyste snížili prostor pro rozložení desky plošných spojů. Například pole TVS řady Littelfuse SP1003 může integrovat čtyři ochrany signálu na jediném čipu, čímž se snižuje dopad parazitní kapacity na vysokorychlostní signály.
3. Tepelný management a zlepšování spolehlivosti
Návrh odvodu tepla: V aplikacích s vysokým{0}}výkonem musí být diody vybaveny chladiči nebo chladiči. Například v gradientových zesilovačích pro zobrazování pomocí magnetické rezonance (MRI) SiC Schottkyho diody rozptylují teplo měděným substrátem, aby zajistily teplotu přechodu pod 150 stupňů.
Redundantní design: Paralelní více diod v kritických obvodech pro zlepšení odolnosti proti chybám systému. Například v obvodu nabíjení vysokonapěťového kondenzátoru defibrilátoru jsou paralelně zapojeny duální diody TVS, aby se zabránilo selhání zařízení způsobenému selháním jednoho bodu.