Hvordan velge og bruke de riktige komponentene for å beskytte medisinsk utstyr, brukere og pasienter

Bruken av ikke-laboratoriemessig, pasientkontaktdiagnostisk og medisinsk utstyr for hjerte-lunge som respiratorer, defibrillatorer, ultralydskannere og EKG-enheter (EKG) fortsetter å øke. Årsakene er grunner som en aldrende befolkning, økte pleieforventninger blant pasienter og forbedringer i medisinsk elektronikkteknologi som gjør slike systemer mer praktiske. Slikt utstyr trenger beskyttelse mot flere typer elektriske problemer som kan skade utstyret, sykehuspersonalet og pasientene.

Full kretsbeskyttelse tar imidlertid mye mer enn bare en termisk sikring, og implementering av beskyttelse er ikke et spørsmål om å finne den beste enheten for en gitt design og utrustning. I stedet innebærer det først å forstå hvilke kretser som trenger beskyttelse, og deretter bestemme den beste beskyttelsesmodusen. Det er generelt behov for flere passive komponenter for å gi beskyttelse, og et typisk system kan behøve et dusin eller flere av disse spesialiserte beskyttelsesanordningene. Beskyttelsesanordninger er som å ha en forsikring, mens det er sjelden eller aldri nødvendig, er kostnadene ved å ikke ha det langt høyere enn å kostnadene ved å ha det.

Denne artikkelen ser på hvor beskyttelse er nødvendig i slike medisinske systemer, inkludert pasientvendt signal / sensor I/O (inngang/utgang), strømforsyning, kommunikasjonsporter, prosessorkjerne og brukergrensesnitt. Den tar også for seg de forskjellige typene beskyttelseskomponenter for kretser og systemer ved hjelp av enheter fraLittelfuse, Inc., som eksempel og undersøker hver enkeltes rolle og anvendelse.

Rollen med beskyttelse i medisinske systemer

For de fleste ingeniører minner uttrykket «kretsbeskyttelse» umiddelbart om den klassiske termiske sikringen, som har vært i bruk i over 150 år. Den moderne utformingen skyldes i stor grad arbeidet til Edward V. Sundt, som i 1927 patenterte den første lille, hurtigvirkende beskyttelsessikringen, konstruert for å forhindre at følsomme testmålere brenner ut (referanse 1). Deretter fant han det som til slutt ble Littelfuse, Inc.

Siden da har beskyttelsesalternativene for kretser utvidet seg betydelig, som svar på de mange potensielle feil som kan oppstå i kretser. Disse kan være:

• Interne feil som kan føre til en rekke skader på andre komponenter
• Interne feil som kan sette operatøren eller pasienten i fare
• Interne driftsproblemer (spenning / strøm / termisk) som kan stresse andre komponenter og føre til for tidlig svikt
• Spennings-/strømtransienter og spisser som er en iboende og uunngåelig del av kretsens funksjonalitet og må håndteres nøye

Mange av disse problemene gjelder batteridrevne likestrømsenheter, ikke bare de som har vekselstrøm.

Funksjonen til mange beskyttelsesanordninger er å dempe uakseptabelt store spenningstransienter, men dette gjelder ikke alle. Det er to hovedkategorier av forbigående transientbeskyttere: de som demper transienter, og dermed forhindrer forplantning fra transientene til den følsomme kretsen; og de som avleder transienter fra følsomme laster og begrenser den gjenværende spenningen. Det er avgjørende å studere enhetsdatablader nøye for termiske kurver og ytelsesreduserende kurver, ettersom noen er spesifisert for forbigående beskyttelse av ulike varigheter avgrenset av definerte spennings-, strøm- og tidsbegrensninger istedenfor beskyttelse ved stabil tilstand.

Blant de mange elektriske parameterne som må vurderes er klemmespenning, maksimalstrøm, gjennombruddsspenning, maksimal eller omvendt arbeidsspenning, toppulsstrøm, dynamisk motstand og kapasitans. Det er også viktig å forstå under hvilke forhold hvert av disse er definert og spesifisert. Det må også tas hensyn til enhetsstørrelse og antall kanaler eller linjer som beskyttes. Valget av den beste beskyttelsesanordningen å bruke i en gitt del av en krets er en funksjon av disse faktorene, og det er ofte de uunngåelige kompromissene mellom de forskjellige parametrene. Det vil nesten helt sikkert være foretrukne eller «standard» tilnærminger, men det er også valg som må vurderes, vurderes og tas.

Alternativer for kretsbeskyttelse er mange: velg klokt

Det finnes en rekke alternativer for beskyttelse. Hver har en unik funksjonalitet og et sett med egenskaper som gjør det til et egnet - eller eneste - valg for å implementere beskyttelse mot spesifikke feil eller uunngåelige egenskaper på kretsen. De viktigste alternativene for beskyttelses er:

• Den tradisjonelle termiske sikringen
• PPTC-anordninger (Polymeric Positive Temperature Coefficient)
• Metalloksid-varistor (MOV)
• Flerlagsvaristorer (MLV-er)
• Dioder for transient-demping (TVS-dioder)
• Diodematriser
• Faststoffrelé (solid state relay – SSR-er)
• Temperaturindikatorer
• Gassutladningsrør (GDT-er)

Termisk sikring er enkelt i konseptet. Den bruker en ledende smeltelenke som er produsert av nøye utvalgte metaller med presise dimensjoner. Strømmen som strømmer utover dimensjoneringsgrensen får koblingen til å varme seg opp og smelte, og bryter dermed strømbanen permanent. For standard sikringer er tiden for å åpne kretsen i størrelsesorden flere hundre millisekunder til flere sekunder, avhengig av mengden overstrøm versus nominell grense. I mange konstruksjoner er det den siste beskyttelseslinjen, da den fungerer avgjørende og ugjenkallelig.

Sikringer er tilgjengelige for strømverdier fra under én ampere til hundrevis av ampere eller høyere, samt de kan utformes for å tåle hundrevis eller tusenvis av volt mellom de to terminalene sine under feilinduserte bruddforhold.

En typisk sikring er Littelfuse 0215.250TXP, en 250 milliampere (mA), 250 volt AC (V._AC) sikring i en 5 x 20 mm keramisk kapsling (figur 1). Som de fleste sikringer, er det et sylindrisk eller patronformet hus som ikke er loddet inn i kretsen, men i stedet står i i en sikringsholder så de kan skiftes ut. Sikringer er også tilgjengelige i rektangulære og «bladhus», så vel som sikringer som kan loddes. Vær oppmerksom på at loddeprofilen må følges nøye for å unngå å skade sikringselementet.

Figur 1: Littelfuse 0215.250TXP er en 250 mA, 250 V_AC-sikring i en keramisk kropp med diameter på 5 mm og lengde på 20 mm. (Bildekilde: Littelfuse, Inc.)

Til tross for deres tilsynelatende enkelhet, har sikringer mange variasjoner, subtiliteter og andre faktorer som må tas i betraktning når du velger den riktige til en krets (Referanse 2 og 3). Sikringer brukes ofte på inngående vekselstrømsledninger, eller utgangsledninger der en total kortslutning kan oppstå, eller internt der overstrøm er alvorlig problem, slik at strømmen må stoppes helt, og problemets kilde bestemmes og løses før driften kan gjenopptas .

PPTC-enheter betjener to hovedtyper av anvendelse: sikkerhetsregulering, for eksempel for en USB-port, strømforsyning, batteri eller motorstyring; samt risikoforebygging for en I/O-port (inngang/utgang). Under unormale forhold som overstrøm, overbelastning eller overtemperatur vil PPTC-motstanden øke dramatisk, noe som begrenser strømforsyningsstrømmen for å beskytte kretskomponenter.

Når en PPTC-enhet utløses til en høy motstandstilstand, fortsetter en liten strømmengde å strømme gjennom enheten. PPTC-enheter krever en «lekkasjestrøm» med lav joule eller ekstern varmekilde for å opprettholde utløsertilstanden. Etter at feiltilstanden er fjernet og strømmen er syklusert, elimineres denne varmekilden. Enheten kan da gå tilbake til lav motstandsstatus og kretsen blir gjenopprettet til normal driftstilstand. Selv om PPTC-enheter noen ganger blir beskrevet som «nullstillbare sikringer», er de faktisk ikke sikringer, men ikke-lineære termistorer (ulineær termistorer) som begrenser strømmen. Fordi alle PPTC-enheter går i høy motstandstilstand under en feiltilstand, kan normal drift fortsatt føre til farlig spenning i deler av kretsen.

Et godt eksempel på en PPTC er Littelfuse2016L100 / 33DR, en overflatemontering, 33 volt, PPTC-enhet på 1,1 A for anvendelse med lav spenning (≤60 volt) der det er behov for nullstillbar beskyttelse (figur 2). Den har en fysisk størrelse på 4 x 5 mm og vil falle på under 0,5 sekunder ved en overstrøm på 8 A.

Figur 2: 2016L100 / 33DR 33 volt, PPTC-enhet på 1,1 A kan brukes i bruksområder med lavspenning, der det er behov for nullstillbar beskyttelse; den reagerer på under 0,5 s ved en overstrøm på 8 A. (Bildekilde: Littelfuse, Inc.)

I en typisk ventilator kan 2016L100/33DR brukes til å beskytte batteristyringssystemets MOSFET mot høye strømmer på grunn av eksterne kortslutninger eller gi overstrømsbeskyttelse for USB-brikkesett (figur 3).

Figur 3: I dette respiratorblokkdiagrammet kan PPTC-enheter brukes i batteristyringssystemet så vel som i USB-portseksjonene (område 2 og 5). (Bildekilde: Littelfuse, Inc.)

MOV-er er spenningsavhengige, ikke-lineære (ulineære) enheter som har en elektrisk oppførsel som ligner på zenerdioder som tillater spenninger høyere en forsyningsspenningen (back-to-back zener diodes). Deres symmetriske og skarpe sammenbruddsegenskaper gjør dem i stand til å gi utmerket ytelse for forbigående demping.

Når en høyspenningstransient oppstår, reduseres varistorimpedansen ned til en brøkdel fra en nesten brutt krets til et høyt ledende nivå som demper transientspenningen til et sikkert nivå i løpet av noen få millisekunder (figur 4).

Figur 4: Spenning-strøm (VI) -kurven til MOV viser sin normale høymotstandsområde så vel som dens meget lave impedansområde, som oppstår når spenningen øker utover en dimensjonert terskel. (Bildekilde: Littelfuse, Inc.)

Som et resultat av denne dempingen, absorberes den potensielt destruktive energien til transientpulsen av varistoren (figur 5).

Figur 5: Den bratte bryteren til MOV-en fra høy impedans til lav impedans når en transientspenning oppstår, demper den spenningen til et akseptabelt nivå. (Bildekilde: Littelfuse, Inc.)

MOV-er tilbys i en rekke pakker som for eksempel 390 volt, 1,75 kiloampere (kA)V07E250PL2T , som er en liten skive med gjennomgående hulledninger som bare måler 7 mm i diameter (figur 6). De brukes ofte på en inngående vekselstrøm for å forhindre skade på grunn av vekselstrømstransienter (område 1 i figur 3). Vær oppmerksom på at MOV-er kan kobles parallelt for forbedrede toppstrøm- og energihåndteringsfunksjoner, så vel som i serie for å gi høyere spenningsnivåer enn de som normalt er tilgjengelige, eller rangeringer mellom standardtilbudene.

Figur 6: V07E250PL2T MOV er efor montering i en 7 mm skive med gjennomgående hull for drift til 390 volt og kan håndtere transienter opptil 1750 A. (Bildekilde: Littelfuse, Inc.)

MLV-er ligner på MOV-er og gir den samme grunnleggende funksjonen, men har forskjellige interne konstruksjoner og dermed noe forskjellige egenskaper. MLV-er er produsert av våt stakktrykklag av sinkoksid (ZnO) og indre elektroder av metall, sintring, terminering, påsetting av glass og til slutt plettering. Generelt har mindre MLV-deler en høyere klemspenning ved høyere strømmer, mens større deler har en høyere energikapasitet i samme MOV-spenningklassing.

MVL-enV12MLA0805LNH ble for eksempel testet med flere pulser ved sin toppstrømklassifisering (3 A, 8/20 mikrosekunder (µs)). På slutten av testen – 10 000 pulser senere – er enhetens spenningsegenskaper fortsatt godt innenfor spesifikasjonen (figur 7). Denne enheten bør vurderes for forbigående beskyttelse i ventilatorens strømforsyning og USB-port (område 1 og 5 i figur 3).

Figur 7: MLV-er som V12MLA0805LNH kan motstå gjentatte forbigående pulser uten forringelse av ytelsen. (Bildekilde: Littelfuse, Inc.)

TVS-dioder beskytter også sensitiv elektronikk mot høyspenningstransienter og kan respondere på overspenningshendelser raskere enn de fleste andre typer kretsbeskyttelsesanordninger. De demper og begrenser dermed spenningen til et bestemt nivå ved hjelp av en p-n-overgang som har et større tverrsnittsareal enn en vanlig diode, slik at TV-dioden kan lede store strømmer til jord uten å pådra seg skade.

TVS-dioder brukes vanligvis til å beskytte mot elektrisk overbelastning, for eksempel de som er indusert av lynnedslag, induktiv belastningskobling og elektrostatisk utladning (ESD) assosiert med overførings- eller datalinjer og elektroniske kretser. Responstiden deres er i størrelsesorden nanosekunder, noe som er fordelaktig for å beskytte relativt følsomme I/O-grensesnitt i medisinske produkter, telekommunikasjon og industrielt utstyr, datamaskiner og forbrukerelektronikk. De har et definert demping mellom forbigående spenning kontra spenning over og strøm gjennom TVS, med spesifikasjoner definert av TVS-modellen under vurdering (figur 8).

Figur 8: Vist er det generelle forholdet for en TVS mellom spenningstransienter, spenning over TVS og strøm gjennom TVS, med spesifikke verdier bestemt av den valgte TVS-diodemodellen. (Bildekilde: Littelfuse, Inc.)

Den ensrettede TVS-dioden SMCJ33A med en 53 volt klemmespenning og 28 A toppstrøm i en 5,6 x 6,6 mm SMT-kapsling; en toveis versjon (B-suffiks) er også tilgjengelig for bruk når det forventes både positive og negativtgående transienter. I en representativ enhet, for eksempel en bærbar ultralydskanner med en høyspent pulsgenerator for å drive de piezoelektriske transduserne, kan TVS-dioder brukes til å beskytte USB-porter samt LCD/LED-brukergrensesnittdisplayet (område 2 og 3 i figur 9 ).

Figur 9: I dette blokkdiagrammet for den bærbare ultralydskanneren kan en TVS-diode som SMCJ33A med en 53 volt begresningspenning brukes til å beskytte mot transienter ved USB-porter, så vel som ved LCD/LED-skjermer (område 2 og 3). (Bildekilde: Littelfuse, Inc.)

Diodematriser bruk styringsdioder sentrert rundt en stor TVS-diode (for eksempel en Zenerdiode) for å redusere kapasitansen sett av I/O-linjer. Disse enhetene har en lav off-state-kapasitans på 0,3 til 5 picofarad (pF) og er egnet for ESD-nivåer fra +18 kilovolt (kV) til +/-30 kV. Bruksområdene inkluderer beskyttelse av grensesnitt for USB 2.0, USB 3.0, HDMI, eSATA og display port, for å nevne noen muligheter. Merk at TVS-diodematrisenen med lignende navn gir den samme grunnleggende funksjonaliteten, men har høyere kapasitans og er dermed bedre egnet for grensesnitt med lavere hastighet.

SP3019-04HTG er et eksempel på på en slik diodematrise (figur 10). Den integrerer fire kanaler med asymmetrisk ESD-beskyttelse med ultra-lav kapasitans (0,3 pF) i en SOT23-kapsling med seks avledninger, og har også en ekstremt lav typisk lekkasjestrøm på 10 nanoampere (nA) ved 5 volt. Som med TVS-dioden, er typiske bruksområder beskyttelse av rensesnitt for USB-porter, samt LCD/LED-displayet (igjen, område 2 og 3 i figur 9).

Figur 10: Et diodeatrise som SP3019-04HTG gir ESD-beskyttelse for flere høyhastighets I/O-linjer. (Bildekilde: Littelfuse, Inc.)

SSR, også kalt optoisolatorer, tillater en spenning å bytte og kontrollere en uavhengig, ikke-relatert spenning med nesten perfekt galvanisk isolasjon (ingen ohmsk bane) mellom inngang og utgang. De tjener flere brede mål. Den ene er funksjonell: de kan eliminere bakkesløyfene mellom atskilte underkretser eller la drivere på høysiden av en halv eller H-bro MOSFET-konfigurasjon «flyte» over bakken. Et annet mål de tjener er sikkerhetsrelatert og spesielt viktig for medisinsk utstyr der deres isolasjon er en umulig barriere. Denne inneslutningen er nødvendig der det er høye interne spenninger sammen med bruker- eller pasientkontakt med instrumentledninger, knotter, sonder og kabinetter.

CPC1017NTR er representativ for en grunnleggende enpolet, normalt åpen (1-Form-A) SSR. Den er pakket i en dimensjon på 4 mm² , fireleders hus mens du gir 1500 volt RMS (V._RMS ) isolasjon mellom inngang og utgang. Den er ekstremt effektiv, og krever bare 1 mA LED-strøm for å fungere, kan bryte 100 mA / 60 volt, og gir buefri veksling uten behov for eksterne dempingskretser (snubbing-kretser). Videre genererer den ikke EMI/RFI og er immun mot eksterne utstrålte elektromagnetiske felt – egenskaper som kreves i noen medisinske instrumenter og systemer. I en enhet som en defibrillator kan designere bruke den til å skille lavspenningskretsene elektrisk fra de høye spenningene på broen som driver enhetens padler (Figur 11).

Figur 11: I en defibrillator tillater SSR lavspenningselektronikken å kjøre høyspenningsspakene, mens de «flytende» driverne på oversiden av H-broarrangementet forblir isolert fra systemjordingen (område 5). (Bildekilde: Littelfuse, Inc.)

Temperaturindikatorer er spesialversjoner av temperatursensorer som termistorer. Selv om det kan virke åpenbart at potensielt varme områder som strømforsyninger eller kilder med høyere spenning må overvåkes for overflødig oppvarming, kan til og med en I/O-port som USB-Type C håndtere betydelig strøm og dermed overopphetes. Dette kan være på grunn av en innvendig feil, eller til og med en defekt last eller kortsluttet kabel som er koblet til den.

For å håndtere dette potensielle problemet, må en enhet somSETP0805-100-SE setP temperaturindikator (PTC) temperaturindikator hjelper deg med å beskytte USB Type-C-plugger mot overoppheting. Den er konstruert for å imøtekomme de unike spesifikasjonene til denne USB-standarden, og er i stand til å beskytte selv de høyeste nivåene av USB Type-C strømforsyning. Tilgjengelig i en 0805 (2,0 x 1,2 mm)-kapsling, den beskytter systemer som bruker 100 watt eller høyere, og gir sensitiv og pålitelig temperaturindikasjon ettersom motstanden øker fra nominelle 12 ohm (Ω) ved 25 ⁰C til 35 kilohm (k)) ved 100 ⁰C (typiske verdier).

GDT-er kan trylle frem bilder i ingeniørenes sinn av store, klumpete rør med synlige gnister, men de er i realiteten veldig forskjellige. Disse rørene er plassert mellom en ledning eller leder som skal beskyttes - vanligvis en vekselstrømledning eller annen «eksponert» leder og systemjord – for å gi en nesten ideell mekanisme for å avlede høyere overspenninger til bakken.

Under normale driftsforhold fungerer gassen inne i enheten som en isolator, og GDT-en leder ikke strøm. Når det oppstår en overspenningstilstand (kalt overslagsspenningen), brytes gass inne i røret og leder strøm. Når overspenningstilstanden overskrider parametrene for overslagsspenningsverdien, slås GDT på og tømmes, og avleder den skadelige energien. GDT-er er tilgjengelige som topolede enheter for ujordede linjer og trepolede enheter for jordede linjer, begge i små SMT-pakker for enkel design og montering av kort (Figur 12).

Figur 12: GDT-er tilbys som (venstre) topolede enheter for ujordede kretser og (til høyre) som trepolede enheter for jordede kretser (GDT-symbolet er den «Z-lignende» grafikken til høyre for hvert skjematisk diagram). (Bildekilde: Littelfuse, Inc.)

GDT-er er tilgjengelig for sparkover-verdier som er så lave som 75 volt og kan håndtere hundrevis – og til og med tusenvis av ampere. For eksempelGTCS23-750M-R01-2 er en topolet GDT med 75 volt sparkover og en 1 kA strømstyrke, plassert i en SMT-kapsling som måler 4,5 mm og 3 mm i diameter, slik at den kan plasseres nesten hvor som helst for å gi beskyttelse (Figur 13).

Figur 13: GDT-er trenger ikke å se ut som de store gnistgap-enhetene som er sett i filmer; GTCS23-750M-R01-2 er en 75 volt, 1 kA GDT i en SMT-pakke som måler bare 4,5 mm i lengde og 3 mm i diameter. (Bildekilde: Littelfuse, Inc.)

Standarder styrer konstruksjonen

Medisinsk utstyr må oppfylle flere sikkerhetsstandarder, hvorav noen gjelder for alle forbruker- og kommersielle produkter, mens andre kun er for medisinsk utstyr. Mange av disse standardene er internasjonale. Blant de mange standardene og reguleringskravene er:

• IEC 60601-1-2, «Medisinsk elektrisk utstyr - Del 1-2: Generelle krav til grunnleggende sikkerhet og viktig ytelse - Sikkerhetsstandard: Elektromagnetiske forstyrrelser - Krav og tester.»
• IEC 60601-1-11, «Medisinsk elektrisk utstyr del 1-11: Generelle krav til grunnleggende sikkerhet og viktig ytelse - Sikkerhetsstandard: Krav til medisinsk elektrisk utstyr og medisinske elektriske systemer som brukes i hjemmet.»
• IEC 62311-2, «Fastsettelse av elektronisk og elektrisk utstyr relatert til menneskelige eksponeringsbegrensninger for elektromagnetiske felt (0 Hz til 300 GHz).»
• IEC 62133-2, «Sekundære celler og batterier som inneholder alkaliske eller andre ikke-syreholdige elektrolytter - Sikkerhetskrav for bærbare forseglede sekundære litiumceller, og for batterier laget av disse til bruk i bærbare enheter – Del 2: Litiumsystemer.»

Å være forsiktig med valg av kretsbeskyttelsesanordning og hvordan de brukes, er mye av oppgaven mer å oppfylle disse sikkerhetskravene. Bruk av aksepterte, godkjente teknikker og komponenter kan også fremskynde godkjenningsprosessen.

Konklusjon

Kravene til hvor, hvorfor og hvordan man generelt bruker en kretsbeskyttelseanordning, og ikke minst hvilken kretsbeskyttelseanordning man bruker – spesielt i medisinske enheter – er en komplisert konstruksjonsutfordring. Det finnes mange egnede beskyttelseskomponenter, noen spesifikke for en gitt kretsfunksjon og andre med mer generell anvendelighet. Hver komponent gir et sett med attributter som gjør at den passer best – eller i det minste bedre – i de forskjellige krets- og systemstedene som krever slik beskyttelse. Ingen enkelt enhet passer til de mange forskjellige systemkravene, og designere vil ende opp med å bruke flere beskyttelsesmetoder.

I de fleste tilfeller er de mange beslutningene angående hvilke enheter som skal brukes, og hvordan de best kan gjøre det, iboende kompliserte og også underlagt regulatorisk gjennomgang. Designere bør sterkt vurdere å be om støtte fra kunnskapsrike applikasjonsingeniører hos leverandøren av verneutstyrset, eller deres valgte leverandør (distributør). Deres erfaring og ekspertise kan redusere tiden det tar å få produktet ut på markedet, sikre en grundigere konstruksjon og forenkle veien til godkjenning fra myndighetene.