Токозахранване на медицинска апаратура

Подобряването на жизнения стандарт в много страни са отразява не само в нарастващото потребление на стоки и услуги, но и във все по-доброто здравеопазване, един от аспектите на което е медицинската апаратура.

Токозахранването е сред нейните задължителни блокове с пряко влияние не само върху осигуряването на желаните техни възможности и параметри, но и за гарантиране на безопасна за пациента и персонала работа, съчетана с дълъг експлоатационен срок.

Към това се прибавят класическите изисквания от всяка електронна апаратура за малки размери и тегло и за минимална консумация на електроенергия. Последните са особено важни за стоматологични прибори, преносими прибори от произволен тип, такива за домашно лечение и за контрол на състоянието на пациенти.

Постигнатите малки размери често се отразяват чрез наименованието “токозахранвания с голяма плътност” (High Density Power Supply). И не на последно място е намаляването на цената.

В зависимост от предназначението на токозахранванията могат да бъдат разграничени Medical Power Supplies за апаратури за лечение и изследвания и Health Care Power Supplies за контрол на състоянието на пациенти.

При немалко захранвания приложенията не се ограничават само до медицинска апаратура, а могат да обхващат компютърни, комуникационни, индустриални, измервателни и други прибори.

Това се отразява чрез съответните символи (фиг.1а), както и в наименованието им – например, широко разпространеното Medical&ITE Power Supplies.

Освен реализирането на такива “универсални” токозахранвания съществува и втори подход - на разработен модел с определени параметри и конструкция се създава “медицинска” разновидност, която носи символа от фиг.1б.

Специфични особености
Стандарти. Производството на съвременни качествени изделия е практически немислимо без съществуването и спазването на стандарти, които обикновено имат за цел осигуряването на параметрите им.

Към това в стандартите за медицинска апаратура са прибавени много допълнителни изисквания, например методики за изпитания на надеждност и сигурност (Medical Safety), целящи безопасното им ползване от пациентите и обслужващия персонал.

Нещо повече, стандартите непосредствено влияят и върху технологията на производство. Поради това при избора или разработката на токозахранване за дадена медицинска апаратура трябва стриктно да бъдат спазени стандартите, действащи в районите на света, за които тя е предназначена. У нас е в сила БДС EN 60601-1-6:2010.

Токозахранванията имат важна роля в оценката на качеството на медицинските апаратури и в каталозите им е отбелязано за какъв техен тип са предназначени – апаратурите Type B of Applied Parts (означаван като Body) са за ползване без непосредствен допир до тях, тези от Type BF (от Body Floating) са при неговото наличие и най-тежки са изискванията към Type CF (от Cardiac Floating), които позволяват допир до сърдечната област. За означаване на типовете апаратури се ползват символите на фиг. 1в, а токозахранванията са само Type B.

Според споменатия БДС съществуват отделни защити чрез галванична изолация на пациента (Means Of Patient Protection) MOPP и на персонала (Means Of Operator Protection) MOОP при допир до апаратурата, като общото означение на двете е МОР.

Освен това има основна изолация (Basic Insulation) и двойна изолация (Double Insulation), чиито прилагания според стандарта са изяснени на фиг. 2а. Основната изолация обикновено се означава с 1МОР, а двойната - с 2МОР.

От фиг. 2а се виждат и минималните разстояния между токозахранването и други възли в апаратурата, което може да се осигурява с изолационна пластинка (creepage) или въздух (clearance). За вида на изолацията се ползват и символи, често давани в каталозите – пример е на фиг. 2б.

Необходимото качество на изолацията се осигурява при проектирането на токозахранванията и се проверява чрез тестване на готовите, като методиките за последното са част от стандартите.

Два са параметрите за оценка на изолацията, първият от които е токът на утечка (Leakage Current). Добре известно е, че при допир на човек до включена електронна апаратура с несвързан към нулата на мрежата метален корпус е възможно през тялото му да протече слаб такъв ток, който при здрави хора остава незабелязан и е напълно безопасен, когато е в допустимите норми (например според IEC950 той не трябва да надхвърля 3,5 mA за стационарни апаратури).

Същият ток може да има нежелано въздействие върху болни, поради което максималната му стойност трябва да е значително по-малка (обикновено до няколко стотици mA, например 100 mA, когато протича постоянно и 500 mA - при еднократно докосване).

Наличието му се дължи основно на паразитния капацитет между първичната и вторичната намотка на трансформатора в токозахранването и на кондензатора срещу смущения, свързан между фазата на мрежата и корпуса на апаратурата (известен като Y-кондензатор).

Вторият параметър е максималното променливо напрежение (Hi-Pot Requirement) между извода на токозахранването за свързване към фазата и този за изходното постоянно напрежение, прилагано обикновено за 1 min.

Според БДС за 1МОР това напрежение е 1500 V, за 2МООР е 3000 V и е 4000 V за 2МОРР. Някои производители дават като параметър постоянното напрежение с означение I/P-O/P (например 5656 VDC вместо 4000 V), към което прибавят по-малките напрежения между входа и маса (I/P-Ground) и изхода и маса (O/P-Ground) – например 2828 VDC и 707 VDC.

Многобройни са приборите и апаратурите, чиито блокове се нуждаят от повече от едно постоянно захранващо напрежение. Това е причината за твърде разпространените захранвания с 2 до 4 различни напрежения (само с положителни или с положителни и отрицателни), които обикновено се предлагат в серии.

Например за две напрежения (5/12 V, 5/24 V, 12/24 V и 12/48 V) е PMMK150D, за три е RPT-160 Series, един от моделите на която осигурява +5V, +12V и –12V и за четири е MPQ-200D за +5V, +24V, +12V и -12V.

Електромагнитна съвместимост (Electromagnetic Compatibility) EMC. Тя е фактор за всяка електронна апаратура, но за медицинските (и в частност за техните токозахранвания) е задължителна част от изискванията за осигуряване на нормалната им работа.

Достатъчно е да се спомене, че поради своя принцип на действие токозахранванията са източник на смущения, а част от блоковете на медицинските апаратури (например за снемане на ЕКГ и ЕЕГ) трябва да работят с много малки входни напрежения и съответно са силно уязвими.

Полезно е да се има предвид, че в европейския стандарт EN 61000 има раздели за нормите на различни видове ЕМС: към електростатични разряди е раздел 4-2, към електромагнитни смущения (раздел 4-3), към импулсни (раздел 4-4) и проводникови (раздел 4-6), към отскоци в мрежовото напрежение (раздел 4-5), негови пропадания (раздел 4-100) и прекъсвания (4-10).

Електрически защити. Тяхното предназначение и принцип на действие не се различават от тези в други електронни прибори, а конструкторът избира кои да постави в разработваното токозахранване и какъв да е начинът на възстановяване на нормалното функциониране.

Ползват се максималнотокова защита (Over Current Protection, Over Load Protection) със задействане при ток с 5% до 30% над максималния, защита от късо съединение на изхода (Short Current Protection) с практически моментално възстановяване на захранващото напрежение след прекратяване на „късото”, защита от недопустимо голямо входно напрежение (Over Voltage Protection) с праг няколко десетки процента над максималното мрежово напрежение и топлинна защита (Over Temperature Protection) за контрол на температурата във вътрешността на токозахранването.

Последната е с хистерезис около 10°С, т.е. работата се възстановява при такова намаляване на температурата под тази на задействане.

Корекция на cosj (PFC). Тя е практически задължителна, като нараства използването на Active PFC, която за сметка на по-високата си цена осигурява голям cosj (вече надхвърлящ 0,99 при някои модели) в широки граници на мрежовото напрежение.

Типични параметри
За практиката е важно, че даваната в техническата документация максимална изходна мощност Ро на токозахранванията е в сила само до определена околна температура, която в някои модели е максималната работна температура, а в други е по-малка. За последния случай намалената Po може да се определи от графиките (Output Derating) Po(t°) в каталозите (за съжаление невинаги давани), чийто типичен вид е на фиг. 3.

Вижда се добре известният факт, че при естествено охлаждане (Convection Cooling) Ро е по-малка в сравнение с принудителното охлаждане (Forced Air Cooling) чрез вентилатор - за примера Po се осигурява чрез въздушен поток 25CFM (CFM е от Cubic Feet per Minute, като 1CFM=0,036m3/min=0,4719l/s), а в някои каталози има набор от графики за различни негови стойности.

Значителен е броят на токозахранванията, чийто вентилатор се включва автоматично само при достигане на определена температура във вътрешността им, а при някои модели в зависимост от нея оборотите му автоматично се регулират. Естеството на медицинската апаратура налага тя да е безшумна, поради което използваните за охлаждане вентилатори са безшумни (Low Noise Fan).

Те се превръщат в “умни” (Smart Fan Low Noise) чрез споменатото поддържане на минимални обороти. При реализацията на стационарни апаратури не трябва да се забравя, че вертикалният монтаж на токозахранването осигурява по-добро охлаждане в сравнение с хоризонталния. Освен това маломощните модули са само с естествено охлаждане, при липса на отвори за него начинът им на монтаж е без значение и за тях няма графики Po(t°).

Нормалната работа на токозахранванията е сред основните фактори за безотказното и в много случаи жизненоважно функциониране на медицинската апаратура. Това определя класическия параметър средно време между две повреди (Mean Time Between Failures) MTBF на токозахранванията като техен експлоатационен срок, тъй като първата им повреда означава да бъдат бракувани. Типичните стойности на MTBF са между 105 и 106 часа при непрекъснато нарастване на горната граница.

Правилното действие на много медицински апарати или на отделни техни блокове изисква неизбежно съществуващите пулсации и шумове в захранващото им напрежение да не надхвърлят определени граници. Това определя важността на параметъра Ripple&Noise на токозахранванията с типични стойности до няколко стотици mV от връх до връх.

Включването на електронните апаратури е свързано с импулс на входния ток на захранването им (Inrush Current), чиято амплитуда зависи основно от наличието на незаредени кондензатори. Неговата стойност (типично няколко десетки А) е сред съществените параметри при избора на подходящо токозахранване на медицинска апаратура.

Променливотокови захранвания
Тяхното англоезично наименование (Regulated Switch Mode AC/DC Power Supply) се дължи на структурата им, чиято същност е дадена на фиг. 4, като променливото VIN обикновено е в международно приетите граници 85V-264V или близки до тях. Чрез EMI Filter се ограничават излъчваните от токозахранването към електрическата мрежа смущения, които трябва да са в съответствие с отбелязания в каталога му стандарт (или стандарти) – обикновено EN 55011.

Входният токоизправител RECIN осигурява постоянното напрежение на практически задължителния ключов стабилизатор с галванично разделяне, образуван от ключа SW, трансформатора Tr, изходния токоизправител RECOUT и модулатора PWM. Стабилността на изходното напрежение Vо се постига чрез промяна на един от параметрите на правоъгълните импулси в последния, подавани на SW.

Производителите обикновено предлагат няколко модела, различаващи се само по стойността на Vо с най-често използвани стойности между 3.3 V и 48 V, а фиксираната им Ро определя максималния изходен ток Io на всеки от тях.

В зависимост от конструкцията съществуват 2 типа променливотокови захранвания - модули за вграждане в апаратурите и самостоятелни прибори със значително по-малко приложение.

От първите най-масови са модулите с отворен монтаж (Open Frame), които имат Ро до 600 W (данни от края на 2015 г.) при типична минимална стойност около 20 W. При тях често се използват различни видове екрани за осигуряване на желаната ЕМС.

Вторият вид са модулите с кутия, която има различен вид в зависимост от Ро. За мощности до около 60 W могат да се ползват модули за монтаж върху печатна платка (PCB-Mount Medical Supply), тъй като са с малки размери и тегло. За същия монтаж има капсулирани (обикновено залети с полимерна смола) токозахранвания (Encapsulated AC/DC Medical Supply) с типични Ро между 5 и 30 W.

За по-голяма мощност се ползват метални кутии с достатъчно отвори за добро охлаждане, като при Ро до малко над 100 W се закрепват върху шасито, докато за мощности до около 1500 W са с вградени един или два вентилатора и закрепването е върху корпусните елементи на апаратурата. Поради големите токове на последните изводите им обикновено са клеми.

Разновидностите на променливотокови захранвания като самостоятелни прибори (External Medical Grade AC/DC Power Supply) са аналогични на тези в много други електронни апаратури. Най-старите “класически” токозахранвания продължават да имат своите приложения за осигуряване на Ро от порядъка на няколко стотици W, поради което обикновено са с метална кутия и вграден вентилатор.

Много по-често се използва разновидността, наречена “настолна”. Тя осигурява Ро между 30 и 300 W, едно Vo обикновено между 5 и 48 V. Някои производители наричат модели от нея Medical AC/DC Power Adapter, което налага внимание при ползването на каталози, за да се прави разлика между нея и адапторите като друга разновидност на самостоятелните прибори.

Техният принцип на реализация и конструкция са практически същите, както на съвременните адаптори за преносими електронни апаратури, а основната им разлика от „настолните” е по-малката Ро с типични стойности между 8 и 24 W. Както всички останали променливотокови захранвания те се предлагат в серии, напрежението Vо на които също е в границите от 5 до 48 V.

Специфична особеност е, че за постигане на малки размери и тегло схемата им е опростена, поради което Ро рядко е малко над 80% от консумираната. Типични приложения на адаптерите са за апарати за ECG и EEG, за измерване на кръвно налягане, за добиващите популярност медицински таблети и др.

Постояннотокови захран-вания (DC-DC Converter)
Относителният им дял е многократно по-малък от променливотоковите и почти винаги е за малка Ро, рядко надхвърляща 20 W, като те са с едно или две Uo.

Също се предлагат в серии (дадена Ро и различни Uo), външното им входно напрежение обикновено се допуска да е в широки граници (често използвани са 9 – 36 V при номинално напрежение 24 V и 18 – 75 V при номинално 48 V) и останали параметри без принципна разлика от тези на променливотоковите. Типичните конструкции са като затворени кутии и за монтаж върху печатна платка.

Непрекъсваеми захранвания (Uninterruptible Power Supply) UPS
Познати от много компютърни и комуникационни приложения, те се явяват жизнено необходими за мрежовото захранване на медицински апаратури.

Сериозните изисквания към последните налагат съществуването на специализирани медицински UPS (Medical Grade UPS), които трябва да са в съответствие със стандарта IEC 60601-1 и новопоявяващи се негови допълнения.

Нараства популярността на Medical UPM (от Uninterruptible Power Manager) поради специфичните им и допълнителни особености и множество нови възможности. Сред разликите им от класическите UPS са наличието на специфичен трансформатор за галванично разделяне на пациента от електрическата мрежа, осигуряващ и добро потискане на идващите по нея смущения заедно с ограничаване на нивото на утечните токове.

Към това се прибавят и вземаните мерки при производството за осигуряване на дълъг експлоатационен срок, който да не се съкращава поради нежелани промени на мрежовото напрежение, например излизане извън допустимите от стандарта граници и наличието на отскоци.

Обикновено UPS имат блок за поддържане неизменна стойността на захранващото апаратурата напрежение при намаляване на мрежовото до определено ниво (например 160 V) и едва след това превключват към работа със собствения си акумулатор. Така се осигурява задействане на UPS само при реално отпадане на мрежовото напрежение и съответно се удължава времето за работа на апаратурата с акумулатора им.

При избора на UPS за дадена апаратура сред основните параметри, които се взимат предвид, са допустимите граници на мрежовото напрежение (при някои модели максималното е 290 V), тези на изходното им напрежение, максималният изходен ток (обикновено между няколко А и няколко десетки А), осигуряваната електрическа мощност на апаратурата във W (Watt Rating) и/или VA (VA Rating) с масови стойности между 400 VА и 3 kVA, времето за превключване (Transfer Time) към работа с акумулатор или обратно с типични стойности няколко ms, времето на захранване от акумулатора (Runtime, Backup Time) с обикновено давани стойности при максимален товар (максимална консумация на електроенергия) и 50% от него, което време най-често е 5-10 min при първия товар и нараства в някои модели над 3 пъти при 50%.

Обикновено, без това да е задължително, се ползват 12-волтови акумулатори. Практически всички съвременни модели работят с интерфейса USB, към който в някои модели е прибавен RS232. Времето за пълно зареждане на акумулатора е не по-малко от 5 ч., а работният температурен обхват на UPS обикновено е 0° С - +40° С.

От множеството допълнителни възможности на UPM в сравнение с UPS могат да се споменат поддържането на изходното напрежение в по-тесни граници в сравнение с входното и много добрата му синусоидална форма.

Постепенно започват да си пробиват път UPS със суперкондензатори вместо акумулатори с основно предназначение работа с малко постоянно входно напрежение (обикновено 12 V), позволяващи ползването им например в автомобил.

Познатите предимства на суперкондензаторите позволяват зареждането им за няколко минути и ги правят практически вечни (ползваните в UPS са с няколко стотици хиляди цикъла заряд/разряд). Времето за работа на захранваното устройство засега е по-малко, но за увеличаването се свързват успоредно неограничен (по принцип) брой UPS.