Разработка блока питания для вакуумного аспиратора

Размещено на http://www.allbest.ru/

2

Разработка блока питания для вакуумного аспиратора

С.Т. Мархаева, магистрант

Научный руководитель: И.А. Апполонова, зам. заведующего кафедрой

Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана

(Россия, г. Москва)

Аннотация

В данной статье приводится преимущество портативности аспираторов для вакуумной терапии ран. Рассмотрена элементная база для реализации блока питания в данных аспираторах.

Ключевые слова: блок питания, медицинское изделие, аспиратор.

питание портативность вакуумный аспиратор рана

Для оснащения автомобилей скорой помощи разработаны специальные портативные аспираторы, сочетающие высокую функциональность и надежность работы с легкостью, компактностью и широким диапазоном применения (могут эксплуатироваться при гемотораксе, пневмотораксе, гемопневмотораксе). Использование этого медицинского изделия позволяет в несколько раз снизить летальность при тяжелых травматических повреждениях грудной клетки.

Портативные аспираторы более компактны и легки, при этом некоторые модели сегодня не уступают по уровню вакуума и разряжения, хирургическим отсосам. Они отличаются наличием аккумулятора, который позволяет работать при отсутствии питания от сети.

Именно поэтому стоит задача разработка такого блока питания.

Как и во всей электронике, тенденция в разработке аспираторов направлена на то, чтобы сделать их компактнее, легче по весу, более эффективным, более надежным и конкурентоспособным по стоимости. Стандарты безопасности, применяемые к такому оборудованию, зависят от области применения, вида контакта с пациентом и оператором, а также от расположения оборудования. При разработке медицинского электронного оборудования есть пункт, который является главным среди всех других соображений, и это - безопасность пациента и оператора. Уровень риска при использовании источников питания для промышленного оборудования и для медицинских изделий различен. Кроме того, больничное электронное оборудование, такое как мониторы, работает с сигналами очень низкого уровня. Такое медицинское оборудование более чувствительно к электромагнитным помехам (EMI), чем большинство оборудования, используемого в промышленности, что также делает электромагнитную совместимость (EMC) ключевым фактором в медицинских приложениях.

Основные требованиями к приборам, которые могут использоваться в домашних или полевых условиях, должны быть следующие: портативность, автономное батарейное питание, длительное время эксплуатации прибора без подзарядки аккумуляторов, невысокая стоимость. Это означает, что оптимизация управления питанием в таких приборах практически не должна отражаться на его стоимости.

По степени контакта с телом человека тип CF (Cardiac Floating): контакт с пациентом вплоть до прямого электрического подключения. Согласно принятой классификации, требованиям по электробезопасности к источникам питания, соответствуют параметры:

Электрическая прочность изоляции, кВ АС

Вход-выход - 4

Вход - «земля» - 1,5

Выход - «земля» - 1,5

Ток утечки на «землю», мкА

Нормальные условия - 300

Единичные условия - 1000

Ток утечки на корпус, мкА

Нормальные условия - 100

Единичные условия - 300

Для повышения надежности блока, при его проектировании, предлагается:

- обеспечить легкие электрические, тепловые рабочие режимы деталей и материалов конструкции, их правильный выбор;

- обеспечить надежную защиту от внешних и внутренних дестабилизирующих факторов;

- широко использовать интегральные микросхемы (далее ИМС), а также стандартные компоненты;

- обеспечить ремонтопригодность изделия, используя функционально-узловой метод конструирования.

На ранней стадии, процесс проектирования заключаться в рассмотрении подобных систем с подбором технологии электропитания. Перечислим факторы, что влияют на этот этап:

- стоимость;

- масса и размеры;

- коэффициент полезного действия блока питания;

- входное напряжение;

- срок действия аккумуляторной батареи;

- необходимое качество выходящего напряжения;

- время, необходимое для выхода продукции на рынок.

Блок питания должен обеспечивать круглосуточную работу любого устройства, которое подключено к нему, с сохранением выходных параметров, поэтому к нему выдвигаются жесткие требования, как к конструкции, так и к выбору элементов схемы.

Условно элементы схемы можно разделить на элементы общего применения и специальные.

Элементы общего применения являются изделиями массового производства, поэтому они достаточно широко стандартизированы. При разработке данного блока питания стандартами и нормами установлены технико-экономические и качественные показатели, параметры и размеры элементов (ГОСТ 18953-73). Выбор элементов проводится по параметрам и характеристикам, которые описывают их свойства, как при нормальных условиях эксплуатации, так и при разных влияниях (климатических, механических и др.).

Основными электрическими параметрами является: номинальное значение величины, характерной для данного элемента (сопротивление резисторов, емкость конденсаторов, индуктивность катушек и т. д.) и границы допустимых отклонений; параметры, которые характеризуют электрическую прочность и способность долгосрочно выдерживать электрическую нагрузку; параметры, которые характеризуют потери, стабильность и надежность.

Основными требованиями, которыми нужно руководствоваться, являются требования по минимальной стоимости изделия, его высокой надежности и минимальным малогабаритным показателям. Кроме того, при проектировании важно увеличивать коэффициент повторяемости электрорадиоэлементов. Данные критерии важны при выборе элементной базы проектируемого устройства.

Расчет параметров

Исходные данные:

Входное напряжение: -Vin = +9 В

Выходное напряжение: - Voutdigital = +5 В

- Voutanalog = ±5 В

- Voutpower =+3В, 2 А

1. Step--down преобразователь из+9 В на входе в +5,5 В

Для понижения постоянного напряжения с минимальными потерями и получения стабилизированного выхода используется понижающий преобразователь.

В качестве понижающего преобразователя в данной работе используется микросхема LT1073-5, работающая как в step--up, так и в step--down режимах.

2. LDO преобразователь из +5,5 В в +5 В для аналогового и цифрового питания

Для преобразования напряжения из +5,5 В в +5 В в данной работе используется микросхема LT1761. Уникальная возможность LDO - его способность практически без ухудшения суммарного КПД блока питания стабилизировать напряжение, сглаживать выбросы и уменьшать шум на шине питания для высокочувствительных устройств

3. Емкостной инвентор для получения - 5,5 В аналогового питания

Для инвентирования аналогового напряжения из +5,5 В в -5,5 В используется микросхему ADM8828.

4. Step--down преобразовательиз +9 В на входе в +3 В для силового питания

В качестве понижающего преобразователя используется микросхема MAX729CCK, осуществляющую преобразование входного напряжения в диапазоне от 8 В до 40 В в +3 В, 2 А.

5. Стоимость элементов для схемы

Цены взяты из интернет-магазина ЧИП и ДИП (www.chipdip.ru/).

1. Микросхема LT1073CS8-5#PBF, 1 шт. - 990 руб.

2. МикросхемаADM8828ARTZ-REEL7, CHARGED PUMP INVERTER W/SHUT DOWN I.C, 1 шт. - 360 руб.

3. Микросхема MAX729CCK, 1 шт. - 675 руб.

4. Микросхема LT1761ES5-5, 2 шт. - 2х290 = 580 руб.

5. 0,062 Вт 0402 220 Ом, 1%, Чип резистор (SMD), 1 шт. - 0,90 руб.

6. 0,062 Вт 0402 2,7 кОм, 1%, Чип резистор (SMD), 1 шт. - 0,90 руб.

7. ECAP (К50-35), 1 мкФ, 100 В, 105°C, 5Ч11, B41828A9105M007, Конденсатор электролитический алюминиевый, 2 шт. - 2х2,20 руб. = 4,40 руб.

8. ECAP (К50-35), 10 мкФ, 50 В, 5Ч7, Конденсатор электролитический алюминиевый миниатюрный, 2 шт. - 2х1,80 руб. = 3,60 руб.

9. ECAP (К50-35 мини), 100 мкФ, 16 В, 6х7мм, Конденсатор электролитический алюминиевый миниатюрный, 1 шт. - 5 руб.

10. ECAP (К50-35 мини), 220 мкФ, 10 В, 6х7мм, Конденсатор электролитический алюминиевый миниатюрный, 1 шт. - 2 руб.

11. ECAP (К50-35), 470 мкФ, 16 В, 105°C, Конденсатор электролитический алюминиевый, 1 шт. - 3 руб.

12. CM322522-101KL, 100 мкГн, 1210, Индуктивность SMD, 2 шт. - 2х11 руб. = 22 руб.

13. Кер.ЧИПконд. 0,01 мкФ X7R 50В,10%, 0805, 3 шт. - 3х 0,90 руб. =2,70 руб.

14. Кер.ЧИПконд. 0603 X7R 1мкФ 16В 10%, GRM188R71C105KA12D, 2 шт. - 2х1,90 руб. = 3,80 руб.

15. 1N5818, Диод Шоттки 30В 1А/25А [DO-41], 1 шт. - 3 руб.

16. VS-MBR745PBF, Диод Шоттки 7,5A 45В [TO-220AC], 1 шт. - 65 руб.

Итого: 2721,30 руб.

На основании литературного обзора показано преимущество портативности аспираторов. Существующие аккумуляторы предназначены для использования приборов при постоянном включении в сеть и не позволяют работать в условиях, где электропитание отсутствует. Поэтому необходимо разработать блок питания, имеющий следующие хакарактеристики: Vin = +9 В, Voutdigital = +5 В, Voutanalog = ±5 В, Voutpower =+3В, 2 А. Существующая элементная база позволяет реализовать данный блок питания, стоимость которого существенно ниже аналогов, что понижает стоимость изделия и делает его доступным по ценовой политике, по сравнению с существующими.

Библиографический список

1. Жданкин В. Некоторые особенности проектирования источников питания для медицинского электрооборудования // Силовая Электроника. - 2007. - №2.

2. Кривандин С. В контакте с человеком: источники питания TDK-Lambda для медицинской техники // Новости электроники. - 2011. - №1. - С. 29-32.

3. Как правильно выбрать источник питания для медицинского оборудования// http://www.compel.ru/wordpress/wp-content/uploads/2011/12/Selection-Guide-Power-supplies-for-medical-equipment_rus_updated2011-1.pdf.

Размещено на Allbest.ru