Zasilacze dla urządzeń medycznych– jak wybierać?

Zasilacze impulsowe można znaleźć dzisiaj w każdej branży i sektorze techniki, w tym także w urządzeniach medycznych, takich jak aparaty diagnostyczne i monitorujące stan pacjenta, aparaty rentgenowskie, tomografy komputerowe, USG i wielu innych. Wszechobecna miniaturyzacja i ogólne trendy zmieniające współczesną elektronikę dotykają także tę grupę sprzętu, przez co oczekuje się, że nowe konstrukcje będą mniejsze, lżejsze, bardziej niezawodne i tańsze. Bezsprzecznie takie same oczekiwania kierowane są w stronę zasilaczy takich urządzeń.

Wybierając zasilacz do zastosowań w sprzęcie medycznym przez cały czas trzeba mieć na uwadze, że wiele z urządzeń medycznych ma bezpośredni kontakt z ciałem pacjenta, niejednokrotnie będącego w złym stanie. Stąd nawet niewielki prąd upływu może mieć negatywny wpływ na jego zdrowie. Z tego powodu prąd upływu w takich jednostkach jest znacznie mniejszy niż dla pozostałych. Producenci starają się zapewnić ten parametr na jak najniższym poziomie, poprawiając jakość izolacji pomiędzy stroną pierwotną, a wtórną zasilacza. Zasilacz do urządzeń medycznych bywa narażony na silniejsze pola elektromagnetyczne pochodzące od aparatury, jak chociażby MRI lub CT, dlatego dlatego drugim wymaganiem jest, aby takie jednostki spełniały bardziej wyśrubowane standardy w zakresie kompatybilności elektromagnetycznej. Kluczowym czynnikiem do osiągnięcia małej wartości prądu upływu jest wysokiej jakości izolacja pomiędzy stroną pierwotną a wtórną. To także odpowiednio duże odstępy izolacyjne i przemyślana konstrukcja oraz właściwe rozłożenie komponentów, w której nie ma słabych punktów, mogących spowodować ryzyko porażenia prądem elektrycznym. Odpowiedni stopień ochrony wynikający z takich założeń ma także wysokie znaczenie aplikacyjne.

Szczegóły konstrukcyjne

Zasilacze przeznaczone do pracy w urządzeniach medycznych bazują na jednym z dwóch rozwiązań. W pierwszym mamy do czynienia z jednostkami zasilanymi przemiennym napięciem sieci 220 VAC i jednym stałym napięciu wyjściowym umieszczonymi w obudowie. Mają one niewielką funkcjonalność dlatego, że zwykle pracują poza właściwą aparaturą medyczną, do której są dołączane z zewnątrz. Drugi typ zasilacza to jednostka wbudowana do wewnątrz sprzętu medycznego. Mają one większe możliwości, mniejsze wymiary i lepszą sprawność. Z punktu widzenia  konstrukcyjnego wbudowany zasilacz daje większe możliwości integracji całości w jeden produkt.

Zasilacze medyczne firmy Mornsun

Seria konwerterów zasilających LD firmy Mornsun to zasilacze o kompaktowej budowie, wysokiej sprawności przeznaczone do sprzętu medycznego. W zależności od wersji ich moc wyjściowa waha się od 1 do 20 W, dostępne wykonania pokrywają wszystkie typowe napięcia wyjściowe od 3,3 do 24 V. Zasilacze wykonane są w drugiej klasie izolacji, pozwalają na zasilanie napięciem w bardzo szerokim zakresie 85~264 VAC/100~370 VDC, co pozwala na wykorzystanie ich na całym świecie i pracują w zakresie temperatur –25...+70°C. Spełniają one najnowsze wymagania IEA (International Energy Agency) w zakresie wymaganego niskiego poboru mocy w stanie bez obciążenia. Zapewniają one odstęp izolacyjny między wejściem i wyjściem większy niż 8 mm, a zastosowana izolacja wytrzymuje 4000 VAC w czasie 1 minuty. Na rysunku 1 przedstawiono schemat blokowy tych jednostek. Maksymalna wartość prądu upływu nie przekracza wartości definiowanych przez standard IEC60601.

W dziedzinie kompatybilności elektromagnetycznej zasilacze spełniają wymagania nakładane przez EN55011 w zakresie zaburzeń emitowanych oraz IEC61000 w zakresie odporności. Inne serie izolowanych konwerterów DC-DC do aplikacji medycznych o oznaczeniu G i H kierowane są do jeszcze bardziej wymagających aplikacji, takich jak ECG lub systemu monitoringu sygnałów biologicznych, gdzie obwody elektroniczne urządzenia mają bezpośredni kontakt elektryczny z ciałem pacjenta. Przetwornice te mają moc wyjściową 1 lub 2 W i są dostępne z wyjściem pojedynczym lub symetrycznym od 3,3...5 V do 15...24 V. Napięcie przebicia izolacji w tym przypadku wynosi 6000 VDC, przy rezystancji izolacji przekraczającej 1 GΩ i pojemności własnej poniżej 10 pF. Wartość prądu upływu spełnia wymagania IEC60601-1, dzięki czemu jednostki te zaliczają się do najbardziej bezpiecznej klasy urządzeń SELV (Safety Extra Low Voltage).

Na rysunku 2 pokazana została wewnętrzna budowa konwerterów G/H. Jak widać, producent zastosował grubą barierę izolacyjną z tworzywa pomiędzy pierwotną a wtórną stroną transformatora o grubości 1,65 mm, rozsunął elementy tak, aby było możliwe wyfrezowanie w płytce pustych przestrzeni poprawiających jakość izolacji. Całość została też zalana żywicą, co dodatkowo poprawia własności cieplne zasilacza, dzięki czemu możliwa jest poprawna praca w zakresie temperatur –40...+85°C.

Przykładowa aplikacja

Na rysunku 3 pokazano schemat funkcjonalny przykładowego urządzenia (przenośny monitor ECG) z zaznaczonymi obwodami zasilania. Ma on trzy obwody kontrolujące stan pacjenta (NBP, SPO2 i TEMP) oraz wbudowany alarm sygnalizujący przekroczenie wartości dopuszczalnych. Urządzenie jest zasilane z sieci 230 VAC. Pierwszym elementem systemu zasilającego jest jednostka zasilacza izolowanego dostarczająca napięcia pośredniego 12 VDC o mocy 10 W. Obwody pomiarowe połączone bezpośrednio z ciałem pacjenta są zasilane za pomocą trzech dodatkowych przetwornic izolowanych DC-DC (H1205S-2W i F1205S-2W), zapewniających bardzo niską wartość prądu upływu nakładaną przez certyfikaty medyczne. Ich napięcie wyjściowe wynosi 5 V, a napięcie izolacji 6000 VDC. Sprawność tych konwerterów sięga 86%, a zakres temperatur pracy wynosi aż –40...+105°C.

Żródło: Elektronik 09/2015, s. 74-75