Selectați sursa de alimentare c.a./c.c. potrivită pentru îndeplinirea cerințelor medicale unice

Îmbunătățirile în tehnologia bateriilor, împreună cu progresele din sectorul circuitelor cu consum redus de energie, au făcut din sistemele portabile, alimentate cu baterii, o opțiune viabilă pentru multe proiecte, dar în aplicații precum asistența medicală și asistența medicală la domiciliu, funcționarea fără cabluri, doar cu baterii, nu este fezabilă, practică sau chiar de dorit. În schimb, echipamentul trebuie să funcționeze direct de la o linie de curent alternativ sau să aibă acces la o priză de curent alternativ pentru a asigura o funcționare fiabilă atunci când bateriile sunt descărcate. În aceste cazuri, sursa de alimentare c.a./c.c. trebuie să asigure performanțele obișnuite ale sursei de alimentare în ceea ce privește ieșirea de tensiune și curent, reglarea statică și dinamică, precum și funcțiile de protecție împotriva defecțiunilor și de altă natură.

În plus, performanța de bază a sursei de alimentare nu este singura preocupare a proiectanților de sisteme medicale. Există diverse standarde de reglementare – ce au fost recent actualizate – care adaugă mandate suplimentare pentru aspecte de performanță mai puțin evidente, cum ar fi tensiunea de izolare galvanică, curentul de scurgere și două mijloace de protecție a pacientului (2×MOPP). Acestea sunt implementate pentru a se asigura că echipamentul alimentat de sursa de alimentare nu pune în pericol operatorul sau pacientul, chiar dacă există o defecțiune a sursei de alimentare sau a echipamentului.

Combinația de cerințe de performanță, fiabilitate și standarde, precum și presiunile legate de costuri și de timpul de lansare pe piață, fac din proiectarea unei surse de alimentare de la zero o propunere dificilă. În schimb, proiectanții trebuie să aleagă cu atenție dintr-o serie de opțiuni gata construite pentru a găsi soluția optimă.

Acest articol analizează aplicațiile pentru sursele de alimentare de c.a./c.c. în mediile cu instrumente medicale, trecând în revistă standardele de reglementare esențiale pentru aceste surse. Apoi, prezintă exemple de surse de alimentare de la CUI Inc. și discută despre caracteristicile lor respective și despre modul în care acestea pot ajuta la rezolvarea provocărilor legate de alimentarea cu energie a sistemelor medicale.

Folosiți linia de curent alternativ sau baterii?

Deși dispozitivele fără cabluri, alimentate cu baterii și portabile au devenit obișnuite și chiar preferate în cazul multor produse de consum și comerciale, încă există multe situații în care alimentarea cu baterii este fie nepractică, fie nedorită. Acest lucru este valabil în special pentru instrumentele medicale, unde disponibilitatea constantă, fiabilă și imediată este critică. Printre motivele pentru care sistemele medicale pot prefera sau impune funcționarea de la linia de curent alternativ se numără:

• Cerințe ridicate de putere, tensiune sau curent care pot necesita un sistem cu baterii mare, greu și costisitor, împreună cu circuitele de gestionare a reîncărcării.
• Multe unități medicale lucrează în schimburi de 12, 18 și chiar 24 de ore pe zi, din cauza programării pacienților.
• Chiar și în cazul acelor sisteme care pot utiliza baterii reîncărcabile pentru alimentarea primară sau de rezervă în caz de urgență, aceste baterii trebuie încărcate în timp ce sistemul este utilizat, timp în care sursa de alimentare c.a./c.c. trebuie să furnizeze energie.

În principiu, orice sursă de alimentare c.a./c.c. standard, disponibilă în comerț, care are dimensiuni corespunzătoare, valori nominale de tensiune și curent adecvate, ar trebui să fie potrivită pentru aceste sisteme. Cu toate acestea, deși sunt adecvate pentru funcționarea de bază, ele nu îndeplinesc standardele suplimentare impuse pentru sursele pentru aplicații medicale.

Motivul pentru aceste mandate suplimentare de siguranță și performanță este reprezentat de natura unică a aplicațiilor medicale și de posibilitatea foarte reală ca defecțiunile componentelor sau ale sistemului să provoace vătămarea pacientului sau a operatorului. Este deosebit de dificil, deoarece pacientul se află adesea în contact direct cu senzori, sonde sau alte transductoare care pot conduce curentul direct în corp, ceea ce reprezintă un risc mai mare decât un contact ocazional.

Începeți cu elementele de bază pentru siguranță

Deși riscul de electrocutare este în mod normal asociat cu tensiuni mai mari, există doar o corelație indirectă. Electrocutarea pacientului sau a utilizatorului se datorează curentului care circulă prin corp și se întoarce la sursă. Cu toate acestea, dacă acel curent nu are o cale de întoarcere, atunci nu există niciun risc, chiar dacă persoana atinge o linie de înaltă tensiune.

Cu excepția unor situații foarte speciale, sursa de alimentare c.a./c.c. acționată de linie are un transformator de izolare pe partea de intrare care poate îndeplini două roluri:

• Furnizează o creștere/coborâre a tensiunii de linie, după cum este necesar, înainte ca aceasta să fie redresată în curent continuu.
• Asigură o izolare la intrare/ieșire, astfel încât să nu existe nicio cale de trecere a curentului prin utilizator și înapoi la linia neutră. Acest lucru este esențial în cazul unei defecțiuni care ar putea aduce tensiunea și curentul la suprafața unității și, prin urmare, către și prin operator sau pacient (Figura 1).

Când este instalat transformatorul de izolare, acest flux de curent nu poate avea loc, deoarece transformatorul de izolare nu are o cale pentru cablu de la neutrul liniei de curent alternativ la pământ, așadar curentul nu va trece prin utilizator.

Figura 1: transformatorul de izolare întrerupe calea curentului de la neutru la pământ, astfel încât curentul nu va trece prin utilizator, chiar dacă dispozitivul sau sistemul utilizatorului este conectat accidental la carcasa expusă. (Sursa imaginii: Quora)

De ce să vă faceți griji cu privire la curent?

Tensiunea de linie standard (110/230 volți; 50 sau 60 hertz (Hz)) pe piept – chiar și pentru o fracțiune de secundă – poate induce fibrilația ventriculară la curenți de doar 30 miliamperi (mA). Dacă există o cale de curent directă către inimă, cum ar fi printr-un cateter cardiac sau un alt tip de electrod, fibrilația poate fi provocată de un curent mult mai mic, de mai puțin de 1 mA (c.a. sau c.c.).

Acestea sunt câteva praguri standard care sunt adesea menționate pentru curentul care trece prin corp, prin contactul cu suprafața pielii:

• 1 mA: abia perceptibil.
• 16 mA: curentul maxim pe care îl poate suporta o persoană de talie medie.
• 20 mA: paralizie a mușchilor respiratori.
• 100 mA: prag de fibrilație ventriculară.
• 2 A: stop cardiac și leziuni ale organelor interne.

Nivelurile reprezintă, de asemenea, o funcție a căii fluxului de curent, adică locul în care se află cele două puncte de contact cu corpul, de exemplu, pe sau prin piept, de la un braț până la picioare sau pe cap.

Izolarea și scurgerea transformatorului sunt critice

Scurgerea este curentul care trece prin izolația dielectrică, fie din cauza „scurgerilor” fizice cauzate de natura imperfectă a izolației, fie din cauza curenților capacitivi care pot traversa chiar și o izolație excepțional de bună. Deși curentul de scurgere nu este niciodată de dorit, acesta reprezintă o preocupare mult mai serioasă pentru unele aplicații medicale.

Un model simplificat al unui transformator prezintă în Figura 2 o izolare galvanică (ohmică) perfectă între partea sa primară și cea secundară.

Figura 2: acest model de bază al unui transformator arată că nu există o cale de curent de la partea primară la partea secundară. (Sursa imaginii: Power Sources Manufacturers Association)

Niciun curent nu poate circula direct de la rețeaua de curent alternativ la produsul alimentat – formând astfel o buclă completă de flux de curent înapoi la rețeaua de curent alternativ – chiar dacă o defecțiune a unei componente sau a cablajului oferă o nouă cale de curent pe partea secundară. Cu toate acestea, niciun transformator din lumea reală nu este perfect și există întotdeauna o anumită capacitate de înfășurare între primar-secundar (Figura 3).

Figura 3: un model mai realist arată capacitatea de bază de înfășurare (C_ps1) între partea primară și cea secundară. (Sursa imaginii: Power Sources Manufacturers Association)

Un model și mai sofisticat adaugă surse suplimentare de capacitate între înfășurări, prezentate în Figura 4.

Figura 4: există și alte capacități ale transformatorului, în afară de C_ps1. (Sursa imaginii: Power Sources Manufacturers Association)

Această capacitate nedorită, care permite fluxul de curent de scurgere, este o funcție a multor variabile, cum ar fi dimensiunea firului, modelul de înfășurare și geometria transformatorului. Valoarea rezultată poate varia de la un picofarad (pF) până la câțiva microfarazi (µF). În plus față de scurgerile capacitive ale transformatorului, alte surse de capacități neintenționate sunt reprezentate de distanțele de pe plăcile de circuite imprimate, izolația dintre semiconductori și radiatoarele împământate, și chiar elementele parazite dintre alte componente.

Curentul de scurgere al transformatorului datorat capacității nu este singura preocupare legată de alimentarea cu energie electrică la standarde medicale. Evident, siguranța și izolarea de bază a curentului alternativ sunt elemente de interes. În funcție de nivelurile de tensiune și de putere, aceste surse de alimentare pot avea nevoie de o a doua barieră de izolație independentă, în plus față de cea principală.

De asemenea, multe produse medicale implică niveluri de semnal foarte scăzute (milivolți sau microvolți pentru senzorii corporali, de exemplu), astfel încât interferențele electromagnetice (EMI) sau interferențele de radiofrecvență (RFI) generate (denumite, în general, compatibilitate electromagnetică sau CEM) reprezintă, de asemenea, o preocupare. Standardele relevante indică generarea maximă permisă de EMI/RFI, precum și toleranța acestora.

Standarde și mijloace de protecție (MOP)

Principalul standard care reglementează componentele electronice medicale și siguranța este IEC 60601-1 - Echipamente electrice medicale - Partea 1: Cerințe generale pentru siguranță de bază și performanțe esențiale, împreună cu diversele sale standarde asociate. Cea^{de-a treia} ediție a IEC 60601-1 extinde atenția asupra pacientului pentru a solicita un MOP general care combină unul sau mai multe mijloace de protecție a operatorului (MOOP) și mijloace de protecție a pacientului (MOPP).

Astfel, în timp ce dispozițiile de bază ale ediției^{a 2-a}, care protejează împotriva eșecurilor, rămân în vigoare, ediția a 3-a recunoaște că potențialele pericole percepute de fiecare utilizator pot fi foarte diferite; de exemplu, un operator are acces la un panou de control, în timp ce pacientul poate fi "conectat" prin intermediul sondelor.

Ediția a 3-a a standardului face referire în mod special la procesul de gestionare a riscurilor descris în ISO 14971, care include un fișier de gestionare a riscurilor în care sunt identificate și evaluate condițiile de defecțiune. Cea^{de-a patra} ediție a acestui standard, recent activată, merge chiar mai departe. În primul rând, a adăugat actualizări pentru a ține cont de schimbările tehnologice. În al doilea rând, aceasta extinde și analiza de risc și abordează o preocupare reciprocă cu privire la CEM, care afectează atât dispozitivul medical în cauză, cât și alte dispozitive din apropiere. Cu alte cuvinte, standardul nu se limitează doar la instrucțiuni pentru ce trebuie făcut și cum trebuie făcut un anumit lucru, ci solicită acum evaluarea și chiar cuantificarea riscurilor relevante și a modului de atenuare a acestora.

Sursele și MOP

Standardele de reglementare au creat clase de protecție a produselor care se caracterizează prin mijloacele de protecție a operatorului împotriva tensiunilor periculoase, denumite Clasa I și Clasa II.

La un produs din Clasa I, va exista un șasiu conductiv care este conectat la masa de siguranță. Prin urmare, pentru produsele din clasa I de protecție este necesar un cablu de alimentare de intrare cu un conductor de împământare de siguranță. Prin comparație, un produs din Clasa II nu va avea un conductor de împământare de siguranță în cablul de alimentare de intrare. În schimb, este inclus un al doilea strat de izolație pentru protecția operatorului, ca urmare a absenței șasiului împământat (Figura 5).

Figura 5: dispozitivele din Clasa I necesită doar o izolație de bază și un șasiu împământat, în timp ce dispozitivele din Clasa II necesită moduri de izolație suplimentare. (Sursa imaginii: CUI Inc.)

Există cerințe diferite pentru MOP, cum ar fi izolarea, linia de fugă și izolația în IEC 60601-1, inclusiv specificații care indică dacă cerința este pentru MOOP sau MOPP mai strictă (Figura 6).

Figura 6: diferitele mijloace și niveluri de protecție au cerințe diferite în ceea ce privește tensiunea nominală de izolare, linia de fugă și izolația. (Sursa imaginii: CUI Inc.)

Standardul definește ce clasificare este necesară în diferite situații de aplicare. De exemplu, un echipament care intră în contact fizic cu un pacient, cum ar fi un tensiometru, va trebui să îndeplinească, de obicei, cerințele atât pentru două MOOP, cât și pentru un MOPP.

Nu există o cifră unică care să poată fi atribuită de la bun început valorii necesare pentru fiecare parametru, deoarece valorile maxime ale acestora depind de mai mulți factori. De asemenea, acestea sunt definite de proiectarea generală și diferă dacă se utilizează MOP-uri simple sau duble și dacă MOP-ul respectiv este un MOPP sau MOOP.

Clasele de protecție IEC reglementează construcția și izolația surselor de alimentare pentru a proteja utilizatorul împotriva șocurilor electrice. Sursele de alimentare din Clasa II de protecție IEC au un cablu de alimentare cu două fire, cu două straturi de izolație (sau un singur strat de izolație consolidată) între utilizator și conductorii interni purtători de curent.

Primul strat de izolație este denumit, în mod obișnuit, „izolație de bază”, cum ar fi izolația utilizată în mod normal pe fire. Apoi, un al doilea strat de izolație este adesea o carcasă izolatoare care înconjoară produsul (și care poate fi etichetat ca fiind „dublu izolat”), cum ar fi carcasa de plastic utilizată pentru sursele de alimentare de perete și de birou.

Fabricarea versus cumpărarea

Proiectarea surselor de alimentare de bază este susținută de multe componente disponibile, note de aplicare, proiecte de referință și multe altele. Prin urmare, proiectanții ar putea fi tentați să proiecteze și să își construiască propriile lor soluții, adaptate cu precizie la cerințele aplicației și la prioritățile acesteia. Nu există nicio îndoială că, în unele cazuri, cerințele de alimentare sunt atât de neobișnuite sau unice încât nu există nicio ofertă comercială disponibilă, astfel încât „fabricarea” este singura soluție.

În ciuda fezabilității „fabricării”, argumentele împotriva acesteia sunt puternice: „fabricarea” vine cu un risc ridicat în ceea ce privește proiectarea și certificarea, plus un timp îndelungat până la lansarea pe piață. În plus, volumul mai mare al furnizorilor de alimentare în comparație cu eforturile de „fabricare” rezultă într-o listă de materiale (BOM) și costuri de asamblare mai mici, astfel încât „fabricarea” nu este nici măcar o economie de costuri, cu excepția, poate, a nivelurilor de putere foarte scăzute (sub aproximativ zece wați), unde aspectele de reglementare sunt mai puțin stricte.

Unități disponibile în comerț: gamă de niveluri de putere, factori de formă

Una este să vorbim despre surse de alimentare c.a./c.c. certificate și aprobate prin reglementări pentru aplicații medicale la un nivel abstract, dar analiza unora dintre versiunile disponibile arată că respectarea acestor mandate nu limitează flexibilitatea utilizării. Furnizorii oferă diferite familii de surse de alimentare cu o varietate de tensiuni/curenți nominali în cadrul fiecărei familii, astfel că pot satisface aproape toate cerințele proiectului. Câteva exemple arată amploarea disponibilității în materie de adaptoare externe, module cu cadru deschis și unități închise.

Exemplul nr. 1: Adaptoarele externe de birou, cum ar fi seria SDM65-UD, includ SDM65-24-UD-P5 de 24 volți și 2,7 A (figura 7). Această familie de surse de Clasa II este adesea utilizată pentru alimentarea/încărcarea laptopurilor și a dispozitivelor similare și oferă o gamă de intrare universală de 90-264 volți și 47-63 Hz.

Aceste unități nominale de 65 de wați au ieșiri care acoperă de la 12 volți la 5 A până la 5 volți la 1,36 A, sunt protejate într-un pachet izolator complet închis care măsoară aproximativ 120 × 60 × 36 milimetri (mm) și includ un led indicator de pornire convenabil pentru utilizator.

Figura 7: SDM65-24-UD-P5 este o sursă c.a./c.c. de 24 V, 2,7 A, clasa II, destinată utilizării externe în raport cu dispozitivul pe care îl alimentează. (Sursa imaginii: CUI Inc.)

Sursele din această familie funcționează cu un cablu de curent alternativ cu două fire IEC320/C8 furnizat de utilizator. Ieșirea de curent continuu este prevăzută cu un cablu de 150 de centimetri (cm) (calibru 16 sau 18, în funcție de curentul de ieșire al sursei), poate fi comandată cu oricare dintre cele două orientări de polaritate și cu oricare dintre numeroasele terminații comune ale ștecherului de tip cilindric sau cu fire dezizolate/cositorite (Figura 8).

Figura 8: sursele de alimentare din seria SDM65-UD sunt oferite cu mai multe opțiuni de conectori standard tip cilindric pentru conectorul de ieșire de curent continuu, precum și cu cabluri dezizolate și cositorite. (Sursa imaginii: CUI Inc.)

Exemplul nr. 2: modulele cu cadru deschis (sau cu tavă), cum ar fi seria VMS-550, includ VMS-550-48, o unitate de 48 de volți, 11,5 A. Sursele din această familie oferă până la 550 de wați de putere continuă cu ieșiri de la 12 volți/42 A la 58 volți/9,5 A, cu o amprentă standard în industrie de 3 × 5 inch (in.) și un profil redus de 1,5 inch. (Figura 9).

Figura 9: VMS-550-48 cu cadru deschis livrează 48 de volți la 11,5 A și are o amprentă standard de 3 × 5 inch. (Sursa imaginii: CUI Inc.)

Aceste surse includ corecția factorului de putere (PFC), o cerință de reglementare la acest nivel de putere, și au o disipare a puterii în standby de mai puțin de 0,5 wați, împreună cu o eficiență de până la 92%. Acestea funcționează într-un interval de temperatură cuprins între -40 °C și 70 °C și includ o ieșire separată de 12 volți/0,5 A pentru un ventilator de răcire local. Conexiunea de curent alternativ pentru această unitate de clasa II se realizează prin intermediul conectorului de tip tată de pe placa de circuite a sursei, folosind un cablu cu două fire terminat cu un conector tip mamă.

Fișa tehnică include curbele de reducere a temperaturii, împreună cu un desen mecanic util care arată un aranjament pentru o placă de bază de răcire cu distanțiere și șuruburi de montare (Figura 10).

Figura 10: desen mecanic care arată dimensiunile și aranjamentul de montare pentru o placă de răcire adecvată pentru sursa de alimentare VMS-550-48. (Sursa imaginii: CUI Inc.)

Exemplul nr. 3: unitățile închise, cum ar fi seria VMS-450B, includ VMS-450B-24-CNF, o sursă de 450 de wați care furnizează 24 de volți la 18,8 A de la intrări de la 100 la 240 de volți c.a. Sursa măsoară 127 × 86,6 × 50 mm (aproximativ 5 × 3,4 × 2 in.) și este prevăzută cu un ecran metalic care permite circulația aerului, reducând în același timp EMI/RFI și oferind o anumită protecție fizică atât pentru sursă, cât și pentru utilizatori (Figura 11).

Figura 11: seria de surse de alimentare c.a./c.c. VMS-450B-24-CNF de 450 de wați furnizează 24 de volți la 18,8 A și este prevăzută cu o carcasă de protecție. (Sursa imaginii: CUI Inc.)

Sursele din această serie pot furniza de la 12 volți la 37,5 A până la 56 de volți la 8 A. De asemenea, acestea includ PFC și o unitate de 12 V, 600 mA pentru un ventilator, plus o ieșire auxiliară suplimentară de 5 V, 1 A de curent continuu care elimină necesitatea unei surse de alimentare separate, de mici dimensiuni, în multe aplicații.

Concluzie

Sursele de alimentare c.a./c.c. pentru aplicații medicale trebuie să îndeplinească un set amplu de standarde și mandate de reglementare complexe și stricte, care acoperă cerințe de siguranță de bază și suplimentare. Sursele de alimentare care îndeplinesc toate standardele relevante sunt disponibile într-o gamă largă de puteri nominale și sunt disponibile în factori de formă care includ stilul extern „desktop”, precum și „direct” pentru încorporarea într-un produs final. Prin selectarea uneia dintre aceste unități standard, proiectanții de sisteme sunt scutiți de toate problemele asociate cu proiectarea, certificarea, aprobarea finală și fabricarea surselor.