wersja mobilna
Online: 527 Poniedziałek, 2016.12.05

Technika

Konwertery zasilające dla elektroniki medycznej

środa, 19 października 2016 12:54

Elektronika medyczna to dziedzina techniki, w której wymagania jakościowe i techniczne kierowane w stronę podzespołów i komponentów elektronicznych są znacząco wyższe w porównaniu do popularnych aplikacji konsumenckich, a nawet przemysłowych. Podstawowe różnice kryją się w konieczności zapewnienia bezpieczeństwa pacjenta i obsługującego sprzęt personelu. Możliwość bezpośredniego kontaktu przewodzących elementów sprzętu z ciałem pacjenta w takim przypadku wydaje się głównym czynnikiem zaostrzającym wymagania nakładane przez prawo.

Jakość izolacji

Elektroniczny sprzęt medyczny, wykorzystywany zarówno w leczeniu, jak i w diagnostyce, może jednak stanowić potencjalne zagrożenie dla pacjentów i personelu. Z uwagi na możliwość kontaktu przewodzących części z ciałem pacjenta, na przykład poprzez elektrody, zagadnienia izolacji, napięcia przebicia, prądu upływu oraz odstępu są stawiane na czele wymagań definiowanych przez normę IEC60601-1 edycja 3.1 (systemy i urządzenia techniczne medyczne).

Konwertery zasilające spełniające wymagania kwalifikowane są do dwóch głównych grup ochronnych pod kątem wymagań bezpieczeństwa. Te dla środków ochrony operatora MOOP (Means of Operator Protection) są znacznie niższe niż pacjenta MOPP (Means of Patient Protection), zwłaszcza w odniesieniu do izolacji.

Całkowity prąd upływu dopuszczalny dla pacjenta jest klasyfikowany w zależności od rodzaju urządzenia, z którym pacjent ma kontakt. Im bliższy kontakt pomiędzy urządzeniem a pacjentem, tym niższy jest dopuszczalny prąd upływu. Naturalną koleją rzeczy jest tutaj zastosowanie odpowiednio dużych odstępów izolacyjnych, izolacji wzmocnionej lub podwójnej w transformatorach (drutem w potrójnej izolacji), a także uziemienia. Kompleksowa ochrona obejmuje wszystkie te aspekty łącznie.

Tabela 1. Wymagania w zakresie izolacji dla różnych klas przy napięciu 250 VAC i 30-43 VDC (pola zacienione)

Firma Mornsun oferuje szeroki wybór konwerterów AC/DC o mocy 5 W i DC/DC o mocy 1, 2 oraz 6 W przeznaczonych do sprzętu medycznego. W opracowaniu są jednostki o większej mocy (15 i 25 W).

Bezpieczeństwo

Do sprzętu medycznego bezpośrednio połączonego z ciałem pacjenta zdefiniowano dwa poziomy wymaganego bezpieczeństwa elektrycznego: BF (Body Float) - brak fizycznego kontaktu z pacjentem lub nie ma zagrożenia dla pacjenta w czasie awarii urządzenia oraz CF (Cardiac Float) - bezpośredni kontakt z organami pacjenta, ryzyko obrażeń lub śmierci w przypadku awarii urządzenia.

Ich spełnienie jest realizowane poprzez oddzielenie galwaniczne urządzenia od sieci 230 VAC oraz przy użyciu konwertera DC-DC zapewniającego dodatkową izolację pacjenta od aparatury w hipotetycznej sytuacji, gdyby zasilacz AC uległ uszkodzeniu. Takie podejście sprawia, że łatwiej spełnić rygorystyczne wymagania związane z koniecznością zapewnienia podwójnego zabezpieczenia pacjenta (2×MOPP).

Konwertery DC-DC firmy Mornsun do takich aplikacji mają izolację wytrzymującą 6 kVDC (4,2 kVAC) i spełniają tym samym dwukrotnie wymagania MOPP (1×MOPP= 2 kVAC creepage 4mm, 2×MOPP=4 kVAC creepage 8 mm).

Kolejną sprawą jest wymóg niskiego prądu upływu. Im bliższy kontakt pomiędzy urządzeniem a pacjentem, tym niższy jest dopuszczalny prąd upływu. Tabela 2 przedstawia obowiązujące limity dla normalnej pracy (NC) i stanu awaryjnego (SFC), ale generalnie im jest on mniejszy, tym lepiej.

Tabela 2. Dopuszczalny prąd upływu

Dla jednostek Mornsuna maksymalna wartość jest na poziomie 80µA dla zasilaczy AC/DC oraz 2 µA dla DC-DC, a więc znacznie poniżej progów definiowanych przez normę (dla typu CF dla pacjenta w warunkach normalnych nie może przekraczać 10 µA).

W zakresie kompatybilności elektromagnetycznej zasilacze medyczne muszą spełniać wymagania EN55011 w zakresie emisji promieniowanej i przewodzonej. Ich jednoczesne spełnienie razem z wymaganiami bezpieczeństwa nie jest proste. Warto odnotować, że konwertery Mornsuna zaliczają się do grupy Class A.

Elastyczność projektowa

Jako uzupełnienie ścisłych wymagań w zakresie bezpieczeństwa projektanci muszą też pamiętać o innych czynnikach determinujących wybór jednostki zasilającej do celów medycznych. Są to: zakres dopuszczalnych napięć wejściowych, napięcie wyjściowe i moc. Ważna jest także moc pobierana bez obciążenia, zakres temperatur pracy no i oczywiście gwarancja.

Zasilacze AC/DC firmy Mornsun działają w szerokim zakresie napięć wejściowych (85-264 VAC) i pozwalają na zasilanie napięciem stałym 100-370 VDC. Są dostępne dla napięć wyjściowych 5, 12, 15 i 24 V. Ich sprawność sięga 81%, a pobór mocy bez obciążenia tylko 0,3 W.

Jedno- i dwuwatowe konwertery DC-DC są wytwarzane w wersji z napięciem wejściowym 5, 12, i 24 V, a po stronie wyjścia dają 3,3, 5, 12 oraz 15 V. Wersje symetryczne mają ±5, ±9, ±12 i ±15 V. Jednostki 6-watowe pracują z napięciem wejściowym 9-36 V oraz 18-75 V (4:1).

Wszystkie zasilacze i konwertery pracują w zakresie temperatur od -40 do +85°C. Są to jednostki wysokiej jakości z czasem MTBF szacowanym na 300 tys. h. Producent daje na nie 3 lata gwarancji.

Clearance i creepage

Parametr clearance (odstęp izolacyjny) jest zdefiniowany jako najkrótsza odległość w powietrzu między dwoma elementami przewodzącymi (patrz lewy rysunek). Wolna przestrzeń musi być wystarczająca, aby zapobiec powstaniu łuku elektrycznego.

Z kolei creepage (droga upływu) to najmniejsza odległość na powierzchni materiału izolacyjnego pomiędzy dwoma elementami przewodzącymi (prawy rysunek). Istotne jest, że prądy wyładowań pełzających są ograniczone do minimum.

Plany rozwojowe

Oferta firmy Mornsun w zakresie zasilaczy do aplikacji medycznych będzie rozwijana i niedługo pojawią się opracowania o większej mocy wyjściowej. Producent jest też otwarty na produkcję zasilaczy o niestandardowych parametrach ukierunkowanych na specyficzne aplikacje.

Na koniec warto zwrócić uwagę, że znakomite parametry techniczne przetwornic medycznych pozwalają na ich zastosowanie w wymagających aplikacjach przemysłowych, na przykład w sterownikach stopni mocy do zasilania obwodów driverów tranzystorów IGBT, w czułej aparaturze pomiarowej, farmach fotowoltaicznych i podobnych aplikacjach.

Micros sp. j. W. Kędra i J. Lic
www.mornsun-power.com