W jaki sposób diody mogą zapewnić ochronę nadprądową w sprzęcie medycznym?

一, Podstawowa zasada zabezpieczenia nadprądowego diody
Podstawowym celem zabezpieczenia nadprądowego jest ograniczenie uszkodzeń elementów obwodu od nieprawidłowych prądów, a diody osiągają tę funkcję dzięki następującym cechom:

Przewodnictwo jednokierunkowe: dioda umożliwia przepływ prądu tylko z anody do katody, blokując prąd wsteczny. Ta funkcja sprawia, że ​​jest to podstawowy element zabezpieczenia przed odwróceniem. Na przykład w końcówce wejściowej przenośnej sondy ultradźwiękowej równoległe diody Schottky'ego (takie jak SS14) mogą zapobiegać przepływowi wstecznemu prądu spowodowanemu odwrotną polaryzacją zasilania i uniknąć przepalenia obwodu wewnętrznego.
Charakterystyka spadku napięcia w kierunku przewodzenia: Gdy prąd przepływa przez diodę, na obu końcach generowany jest spadek napięcia od około 0,2 V (dioda Schottky'ego) do 0,7 V (dioda złącza krzemowego PN). Wykorzystując tę ​​cechę, można zaprojektować obwód ograniczający prąd. Na przykład w module mocy robota chirurgicznego wiele diod prostowniczych 1N4007 jest połączonych szeregowo, aby ograniczyć maksymalny prąd wyjściowy poprzez superpozycję spadków napięcia i zapobiec przeciążeniu silnika.
Charakterystyka przebicia odwrotnego: Gdy napięcie wsteczne przekroczy napięcie przebicia, dioda Zenera przejdzie w stan stabilny, utrzymując napięcie w bezpiecznym zakresie. Ta funkcja jest szeroko stosowana w złożonej ochronie przeciwprzepięciowej/nadprądowej sprzętu medycznego. Na przykład we wzmacniaczu gradientowego pola magnetycznego rezonansu magnetycznego (MRI) dioda Zenera działa w połączeniu z bezpiecznikiem. Gdy prąd przekroczy próg, dioda Zenera ulega awarii i przewodzi, powodując stopienie bezpiecznika i odcięcie obwodu.
2, Typowe scenariusze zastosowań w sprzęcie medycznym
1. Przenośne urządzenia medyczne: zrównoważyć niskie zużycie energii i wysoką niezawodność
Diody Schottky'ego są preferowane w urządzeniach takich jak glukometry i przenośne elektrokardiografy ze względu na ich niski spadek napięcia przewodzenia (0,15-0,45 V). Na przykład, określony model glukometru wykorzystuje podwójną matrycę diod Schottky’ego BAT54S, aby osiągnąć następujące funkcje:

Zabezpieczenie przed odwrotnym podłączeniem: połączenie równoległe z zaciskiem wejściowym zasilania. Kiedy polaryzacja zasilania zostanie odwrócona, dioda odwróci się i wyłączy, blokując ścieżkę prądową.
Wybór ścieżki zasilania: W systemie podwójnego zasilania akumulatorowego główne i rezerwowe źródła zasilania są automatycznie przełączane za pomocą diod, aby zapewnić ciągłość zasilania.
Zabezpieczenie ograniczające prąd: połączone szeregowo z obwodem napędu silnika, wykorzystujące spadek napięcia do ograniczenia prądu rozruchowego i zapobiegania wzrostowi prądu, gdy silnik jest zablokowany.
2. Sprzęt medyczny dużej mocy: odporność na uderzenia i optymalizacja stabilności
W urządzeniach takich jak defibrylatory i noże elektryczne-o wysokiej częstotliwości konieczne jest radzenie sobie z przejściowymi skokami prądu o wysokim natężeniu. W tym momencie kluczowymi elementami stają się diody szybkiego odzyskiwania (FRD) i diody z węglika krzemu (SiC):

Obwód ładowania defibrylatora: Zastosowano moduł Schottky’ego MBR30200PT (30 A/200 V) z czasem odzyskiwania wstecznego (trr) mniejszym niż 5 ns, który może zapobiegać skokom napięcia spowodowanym opóźnieniem przełączania diod podczas ładowania i chronić kondensatory wysokiego-napięcia przed przebiciem.
Stopień wyjściowy noża elektrycznego wysokiej częstotliwości: zastosowanie diody C6D10065A SiC Schottky'ego (100 A/650 V), niski spadek napięcia przewodzenia (1,5 V) i odporność na wysoką temperaturę (temperatura złącza 175 stopni) zapewniają, że zużycie energii przez diodę jest zmniejszone o 60% podczas cięcia-wysokiej częstotliwości 1 MHz, unikając jednocześnie pogorszenia wydajności spowodowanego przegrzaniem.
3. Precyzyjne instrumenty medyczne: integralność sygnału i konstrukcja-przeciwzakłóceniowa
W urządzeniach takich jak elektrokardiografy i elektroencefalografy rejestracja słabych sygnałów bioelektrycznych wymaga ścisłego tłumienia szumu. W tym momencie kluczowe staje się wspólne projektowanie fotodiod i diod ochronnych:

Optoelektroniczna izolacja sprzężenia: W kanale wejściowym sygnału zastosowano transoptor 6N137, aby uzyskać izolację galwaniczną i zablokować zakłócenia w trybie wspólnym poprzez fotoelektryczną konwersję diod.
Ochrona ESD: Na interfejsie czujnika równoległa dioda Schottky'ego ESD5D150TA o niskim prądzie upływu (<0.1 μ A) and high reverse withstand voltage (150V) can effectively discharge the transient current generated by electrostatic discharge (ESD) and prevent sensor damage.
3, Innowacyjny projekt: Wspólna ochrona diod i innych komponentów
1. Kompozytowy obwód ochronny: dioda + dioda TVS
W module transmisji obrazu endoskopów medycznych zastosowano złożony schemat ochrony „dioda Schottky’ego + dioda TVS”, aby zapobiec przejściowym przepięciom spowodowanym uderzeniami pioruna lub elektrycznością statyczną:

Dioda Schottky'ego: podłączona równolegle do zacisku wejściowego zasilania, zapewniająca codzienną ochronę przed odwróceniem.
Dioda TVS: szeregowo podłączona do linii sygnałowej, jej ultraszybki czas reakcji (<1ps) and low clamping voltage (such as SMAJ5.0A's clamping voltage of 7.8V) can limit overvoltage within a safe range in nanoseconds, protecting the downstream ADC chip from damage.
2. Zabezpieczenie przed samoodzyskiem: dioda + termistor PTC
W obwodzie ładowania przenośnych urządzeń medycznych (takich jak inteligentne bransoletki) zastosowano schemat samoregeneracji „dioda Schottky’ego + termistor PTC”:

Dioda Schottky'ego: zapobiega odwrotnemu podłączeniu akumulatora, wykorzystując jednocześnie charakterystykę niskiego spadku napięcia w celu zmniejszenia strat podczas ładowania.
Termistor PTC: szeregowo podłączony do ścieżki ładowania, gdy prąd przekracza próg, wartość rezystancji PTC gwałtownie wzrasta, ograniczając prąd; Po rozwiązaniu problemu PTC automatycznie powraca do stanu o niskiej rezystancji bez konieczności wymiany podzespołów.