W jaki sposób diody chronią obwody, gdy sprzęt medyczny jest wyłączony?

一, Fizyczny mechanizm ochrony- przed wyłączeniem zasilania: tłumienie odwrotnej siły elektromotorycznej
1. Zasada zwolnienia indukcyjnego magazynowania energii
Kiedy elementy indukcyjne sprzętu medycznego (takie jak cewki zaworów elektromagnetycznych i cewki napędu sond ultradźwiękowych) po włączeniu magazynują energię pola magnetycznego, nagła zmiana prądu w momencie awarii zasilania może spowodować odwrotną siłę elektromotoryczną. W sprzęcie medycznym, jeśli nie zostaną podjęte środki ochronne, odwrotna siła elektromotoryczna może osiągnąć kilkukrotną wartość napięcia zasilania, powodując niszczycielskie uszkodzenie obwodu.

2. Efekt swobodnego działania diod
Diody równoległe (diody jednokierunkowe) są podłączone na obu końcach cewki indukcyjnej. Po odcięciu zasilania diody przewodzą w kierunku do przodu, zapewniając ścieżkę rozładowania prądu cewki indukcyjnej. Biorąc za przykład obwód sterownika przekaźnika we wzmacniaczu gradientowym MRI, dioda jednokierunkowa może ograniczać odwrotną siłę elektromotoryczną w zakresie 0,7 V (tranzystor krzemowy) lub 0,3 V (tranzystor Schottky'ego), chroniąc tranzystor sterujący przed uderzeniami wysokiego napięcia. Dane eksperymentalne pokazują, że obwody wykorzystujące diody szybkiego odzyskiwania (takie jak ES1J) mogą osiągnąć skuteczność tłumienia odwrotnej siły elektromotorycznej przekraczającą 98%.

2, Kluczowe scenariusze zastosowań w warunkach medycznych
1. Zabezpieczenie nadmiarowości zasilania dla sprzętu podtrzymującego życie
W sprzęcie takim jak wentylatory i urządzenia do resuscytacji krążeniowo-oddechowej przełączanie między akumulatorami zapasowymi a głównymi źródłami zasilania musi być płynnie połączone. Jeśli prąd powróci do akumulatora zapasowego po odłączeniu głównego zasilania, może to spowodować nadmierne rozładowanie akumulatora lub uszkodzenie obwodu. Łącząc diody (takie jak diody Schottky'ego SS34) szeregowo w ścieżce zasilania, można uzyskać przewodzenie jednokierunkowe, aby zapobiec przepływowi prądu wstecznego. Po zastosowaniu tego rozwiązania żywotność baterii przenośnego defibrylatora określonej marki wydłuża się o 30% i pracuje stabilnie w szerokim zakresie temperatur od -20 stopni do 60 stopni.

2. Tłumienie szumów w celu-precyzyjnego pozyskiwania sygnału
Obwód akwizycji sygnału monitorów medycznych (takich jak urządzenia EKG i EEG) jest niezwykle wrażliwy na szum. Odwrotna siła elektromotoryczna generowana w momencie zaniku zasilania może przedostać się do kanału sygnałowego poprzez linię energetyczną, zakłócając sygnały bioelektryczne na poziomie mikrowoltów. W obwodzie sondy natlenienia krwi dioda przełączająca BAS16 (czas powrotu do normy 4ns) służy do modulacji sygnałów podczerwieni. Jego niska pasożytnicza pojemność zapewnia integralność kształtu fali przy częstotliwości modulacji 900 Hz, kontrolując błąd pomiaru nasycenia krwi tlenem w zakresie ± 1%.

3. Długoterminowa gwarancja niezawodności urządzeń wszczepialnych
Wszczepialne rozruszniki serca, neurostymulatory i inne urządzenia muszą mieć okres użytkowania co najmniej 10 lat. Dioda zabezpieczająca-wyłączanie zasilania musi równoważyć niski prąd upływowy i wysoką charakterystykę napięcia wytrzymywanego. Obwód wykorzystujący ultraszybkie diody odzysku (takie jak UF4007) skraca czas odzyskiwania sygnału zwrotnego do poniżej 50 ns, redukując-straty przełączania przy wysokich częstotliwościach. Jednocześnie niski prąd upływu wstecznego (<1 μ A) avoids battery self discharge, significantly improving the device's endurance.

3, Podstawowe zasady doboru i projektowania diod
1. Dopasowanie parametrów: Równowaga pomiędzy dynamicznym spadkiem napięcia a mocą
Spadek napięcia w kierunku przewodzenia (V_F): Sprzęt medyczny ma rygorystyczne wymagania dotyczące wydajności i priorytetem powinny być diody o niskim V_F. Na przykład w obwodzie sterownika sondy ultradźwiękowej dioda Schottky'ego MR756 (V_F=0.3V) może zwiększyć wydajność ładowania o 18%, zmniejszając jednocześnie wytwarzanie ciepła i wydłużając żywotność urządzenia.
Czas odzyskiwania wstecznego (t_rr): zastosowania wysokiej częstotliwości (takie jak generatory promieni X- w tomografach komputerowych) wymagają użycia ultraszybkich diod odzysku z t_rr<50ns to reduce switching losses. For example, SiC diodes (t_rr=15ns) have an efficiency improvement of over 5% compared to silicon devices at a switching frequency of 100kHz.
Zdolność do prądu udarowego (IFSM): Podczas uruchamiania lub wyłączania sprzętu medycznego mogą wystąpić przejściowe wysokie prądy, dlatego należy wybrać diody o wartościach IFSM wyższych niż prąd szczytowy obwodu. Na przykład w obwodzie ładowania kondensatorów-wysokonapięciowego defibrylatora dioda 30A10 może wytrzymać bez uszkodzeń prąd przejściowy o natężeniu 100 A.
2. Optymalizacja topologii: wielopoziomowa-ochrona i zarządzanie temperaturą
Połączenie równoległe wielu lamp: w zastosowaniach wysokoprądowych, takich jak moduły mocy laserów medycznych, wiele diod jest połączonych równolegle w celu rozproszenia prądu i zmniejszenia naprężeń termicznych poszczególnych urządzeń. Na przykład zastosowanie czterech diod Schottky'ego 1N5819 równolegle może zmniejszyć straty przewodzenia o 75% i czterokrotnie zwiększyć powierzchnię rozpraszania ciepła.
Konstrukcja sprzężenia termicznego: w urządzeniach wszczepialnych diody i czujniki temperatury są zintegrowane na tym samym podłożu krzemowym, aby zapewnić sprzężenie termiczne i monitorowanie-w czasie rzeczywistym. Dzięki temu schematowi pewien model stymulatora neuronowego zmniejszył zakres wahań temperatury złącza diody do ± 5 stopni, znacznie poprawiając-długoterminową niezawodność.